profibus的全數(shù)字智能化交流伺服控制系統(tǒng)

　　隨著材料技術(shù)、電力電子技術(shù)、控制理論技術(shù)、計算機技術(shù)、微電子技術(shù)的快速發(fā)展以及電機制造工藝水平的逐步提高，交流伺服技術(shù)-交流伺服電機和交流伺服控制系統(tǒng)已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動化的基礎(chǔ)技術(shù)之一，并將逐漸取代直流伺服系統(tǒng)。目前，交流伺服系統(tǒng)的智能化、網(wǎng)絡化控制是交流伺服控制的兩個重要發(fā)展方向。

　　在濟鋼asp1700薄板坯連鑄連軋項目中，連鑄機結(jié)晶器調(diào)寬系統(tǒng)采用了基于Profibus總線的全數(shù)字智能化交流伺服控制系統(tǒng)，是當今世界最先進伺服控制技術(shù)。

　　2 連鑄機結(jié)晶器調(diào)寬工藝

　　濟鋼第三煉鋼廠asp1700薄板坯連鑄連軋結(jié)晶器采用直結(jié)晶器，由兩個寬面和兩個窄面構(gòu)成，長1200mm，內(nèi)腔厚度最寬150mm，調(diào)寬范圍:100mm～150mm。其中窄面是可以活動的，以便在連鑄機準備和澆注期間調(diào)節(jié)結(jié)晶器的寬度和錐度(圖1)。結(jié)晶器采用一組拉桿夾緊兩個寬面和兩個窄面，拉桿通過彈簧組保持夾緊力，拉桿上的液壓缸可以在調(diào)寬過程中壓縮彈簧，以使窄面能容易移動，快速打開寬面。液壓缸壓力可連續(xù)調(diào)節(jié)，隨板坯的寬度變化來調(diào)節(jié)夾緊力，實現(xiàn)軟夾緊。由于該壓力不是夾緊寬面，因此在液壓壓力失效時，彈簧能夠保持夾緊力而不會有危險。

　　圖1 結(jié)晶器窄面機械結(jié)構(gòu)

　　結(jié)晶器調(diào)寬系統(tǒng)包括:4套絲杠機構(gòu)，每個窄面2套;4套帶有旋轉(zhuǎn)變壓器的交流異步伺服電動機，固定在澆注平臺下的冷卻室外;4個萬向軸、4套交流伺服控制單元。結(jié)晶器調(diào)寬窄面控制機械結(jié)構(gòu)，如圖1所示。每一個窄面使用伺服單元控制調(diào)寬電機驅(qū)動，可以改變兩邊寬度和每個面的錐度。由于調(diào)寬時生產(chǎn)的板坯窄面不是直的，這意味著在調(diào)寬期間窄面銅板與坯殼之間的氣隙的產(chǎn)生，避免漏鋼，在調(diào)整寬度的同時必須調(diào)整錐度。為了減小凝固坯殼的應力，窄面的調(diào)整應緩慢進行。為保證坯殼與銅板緊密接觸，結(jié)晶器錐度隨寬度的減小而減小，隨寬度增加而加大?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)鋼種、澆注速度、要求的錐度和板坯定尺，在澆注期間為各邊的運動選擇不同的算法。

　　3 結(jié)晶器調(diào)寬控制系統(tǒng)

　　結(jié)晶器調(diào)寬控制系統(tǒng)采用西門子s7-400PLC，伺服單元選用西門子masterdrives mc全數(shù)字運動控制器，具有過載能力大，調(diào)速范圍寬等特點，設(shè)有tp270人機界面，可設(shè)定和故障監(jiān)視功能。每個伺服電機自有一套伺服單元，采用位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)三環(huán)控制，是一種高動態(tài)響應、高精度的運動控制方式。傳動系統(tǒng)經(jīng)profibus總線和plc及tp270相連。伺服電機采用倫茲(mdskars090-22)三相交流異步伺服電動機，功率2.6kw，額定速度2300rpm。生產(chǎn)工根據(jù)生產(chǎn)鋼種結(jié)晶器寬度、錐度設(shè)定值輸入到人機界面上，經(jīng)profibus總線傳輸給調(diào)寬 plc，plc運算后，給各個伺服單元發(fā)出位置控制信號，伺服單元將伺服電機旋轉(zhuǎn)變壓器信號換算出的實際位置信號和實際速度信號分別作為位置環(huán)反饋信號和速度環(huán)反饋信號實現(xiàn)三環(huán)控制，而使系統(tǒng)快速平滑地跟隨位置設(shè)定值，保證結(jié)晶器上下口電機的恒定速度差，實現(xiàn)窄面銅板的精確定位。整個控制系統(tǒng)是以伺服電機電流環(huán)、電機速度為內(nèi)環(huán)，窄面銅板位置為外環(huán)的三環(huán)控制結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)精度高，速度響應快，運行平穩(wěn)可靠，定位準確，調(diào)寬控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2所示。

　　圖2 結(jié)晶器調(diào)寬自動控制系統(tǒng)

　　4 關(guān)于profibus現(xiàn)場總線

　　4.1 現(xiàn)場總線的定義及特點

　　現(xiàn)場總線，按照國際電工委員會iec/sc65c的定義，是指安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置之間、以及現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行和多點通信的數(shù)據(jù)總線。以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)而發(fā)展起來的全數(shù)字控制系統(tǒng)稱作fcs。

　　現(xiàn)場總線作為連接控制系統(tǒng)中現(xiàn)場級裝置和控制設(shè)備的雙向數(shù)字通信網(wǎng)絡，與傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)相比其優(yōu)點是明顯的:增強了現(xiàn)場信息的集成能力;抗干擾能力增加、系統(tǒng)可靠性提高;安裝便捷、可維護性好;具有開放性、互操作性、互換性、可集成性;降低了工程成本;具有ip67防護等級，可現(xiàn)場安裝;能自動診斷故障部位。

　　4.2 profibus總線的特點

　　profibus是一種國際化、開放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標準。廣泛適用于制造業(yè)自動化.流程工業(yè)自動化和樓宇、交通電力等其他領(lǐng)域自動化。中央處理器(如plc/pc)通過高速串行總線同分散的現(xiàn)場設(shè)備(如i/o、變頻器、閥門)進行通訊，多數(shù)數(shù)據(jù)交換采用周期方式。 profibus-dp是用于現(xiàn)場設(shè)備級的高速數(shù)據(jù)傳輸，通訊介質(zhì)采用屏蔽的雙絞銅線電纜，共用一根導線對，通訊速率可選用 9.6kbps～12mbps，通訊距離可達12km。profibus總線的通信能力強，與變頻器的通信最多可有10個字的通信能力。

　　4.3 profibus-dp的數(shù)據(jù)通訊格式

　　profibus-dp總線方式允許在plc和傳動裝置(變頻器、運動控制器)之間進行快速的數(shù)據(jù)交換。對傳動裝置的存取總是按照主——從方式進行的，傳動裝置總是從站，且每個從站本身都有明確的地址。profibus周期性傳輸?shù)膱笪慕Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　圖3 profibus-dp報文結(jié)構(gòu)

　　4.4 profibus-dp的可用數(shù)據(jù)

　　對于傳動裝置可用數(shù)據(jù)區(qū)被劃分成2個數(shù)據(jù)區(qū)，它們以各自的報文進行數(shù)據(jù)傳送:

　　(1) 過程數(shù)據(jù)區(qū)(pzd)

　　控制字和設(shè)定值或狀態(tài)字和實際值;

　　(2) 參數(shù)區(qū)(pkw)

　　用于讀寫參數(shù)，讀出故障信息等。pkw和pzd共有五種結(jié)構(gòu)形式即:ppo1、ppo2、ppo3、ppo4、ppo5，其傳輸?shù)淖止?jié)長度及結(jié)構(gòu)形式各不相同。根據(jù)自動化網(wǎng)絡中傳動裝置的任務不同，在plc和變頻器通訊方式配置時要對ppo進行選擇。在結(jié)晶器調(diào)寬交流伺服控制系統(tǒng)中采用了 ppo5型通訊報文，它的報文結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4中符號的意義如下:

　　pkw:參數(shù)標識符;

　　pzd:過程數(shù)據(jù);

　　pke:參數(shù)標識符;

　　ind:索引;

　　pwe:參數(shù)值;

　　stw:控制字;

　　zsw:狀態(tài)字;

　　hsw:主設(shè)定值;

　　hiw:主實際值。

　　圖4 ppo的報文結(jié)構(gòu)

　　5 基于profibus的交流伺服控制系統(tǒng)硬件組成

　　5.1 plc系統(tǒng)

　　結(jié)晶器調(diào)寬plc系統(tǒng)作為連鑄機l1系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，其系統(tǒng)設(shè)計本著可靠、先進、開放的原則，綜合考慮系統(tǒng)的性能價格比，根據(jù)工藝方案和機械設(shè)備條件，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)盡可能統(tǒng)一，同時應與其它l1級子系統(tǒng)保持一致。連鑄l1級plc系統(tǒng)選用的是siemens s7-400系列plc。根據(jù)調(diào)寬工藝性能要求，plc系統(tǒng)cpu 選擇s7-414-3，通過cp443通訊模塊與l1級工業(yè)以太網(wǎng)通訊，也可以通過profibus-dp接口與mc運動控制器和tp270通訊。

　　5.2 人機界面

　　根據(jù)工藝特點及現(xiàn)場環(huán)境，結(jié)晶器調(diào)寬人機界面選擇tp270操作面板。tp270屬于simatic hmi(人機界面)產(chǎn)品系列中文本圖形觸模式操作面板，在性能上有以下特點:

　　(1) 簡單快速配置，配置數(shù)據(jù)是可以恢復的;

　　(2) 可用標準windows工具進行配置;

　　(3) 使用軟鍵、功能鍵或觸?？刂?，簡化了操作，也保障了操作的安全性，易于使用;

　　(4) 和西門子plc完美結(jié)合，使整個系統(tǒng)在硬件和軟件均達最優(yōu)化，尤其是通訊支持profibus-dp總線協(xié)議。

　　5.3 mc控制器

　　結(jié)晶器調(diào)寬伺服控制器選用的是西門子公司masterdrives mc運動控制器，該控制器是應用于高動態(tài)響應循環(huán)機械控制的控制器，是完全智能化的控制系統(tǒng)。mc控制器有以下特點:

　　(1) 高動態(tài)響應，高過載能力

　　mc驅(qū)動器使用了32位dsp數(shù)字控制技術(shù)，dsp器件內(nèi)部具有功能強大的硬件計算電路和特殊的總線結(jié)構(gòu)，具有強大的數(shù)字信號處理功能;mc運動控制驅(qū)動器同時具有極高的過載因數(shù)，250ms內(nèi)300%的過載能力。

　　(2) 通用性強

　　它能夠控制任何型號的電機，具有的模塊化、插入式可選編碼器功能模板可以完成所有的驅(qū)動任務，有支持脈沖編碼器(ttl/htl)的sbp 板，支持旋轉(zhuǎn)變壓器的sbr2板，支持多圈編碼器(eqn，eqi, endat/ssi或sin/cos)編碼器的sbm2板，都可以非常容易地與系統(tǒng)相連接。

　　(3) 強大的通訊能力

　　mc運動控制驅(qū)動器具有支持各種現(xiàn)場總線的可選模板，這些接口模板的設(shè)置，顯著地增強了伺服單元與其它控制設(shè)備間的互聯(lián)能力。mc運動控制驅(qū)動器的各種通訊模板中有支持profibus總線的cbp2板，profibus-dp是當今世界上最為成功和流行的現(xiàn)場總線標準，在 profibus cbp2功能模板上實現(xiàn)同級模塊之間相互通訊，尤其在西門子產(chǎn)品系統(tǒng)集成中，更顯示其優(yōu)點。

　　6 交流伺服控制系統(tǒng)硬件配置

　　在交流伺服控制系統(tǒng)中，plc硬件組態(tài)、編程使用step7 v5.3，step 7是用于simatic可編程邏輯控制器組態(tài)和編程的標準軟件包;系統(tǒng)操作界面tp270使用protool進行組態(tài)及編程，protool是用于可視化過程的使用簡單、高性能的可視化軟件，可在 windows95/98,2000下運行。

　　6.1 組態(tài)plc主站系統(tǒng)

　　(1) 在plc項目ccm2下新建項目plc-3(nwa-ccm1)，點擊右鍵，在彈出的菜單中選擇“insert new object”下“simatic 400 station”，插入s7-400站;