profibus的全數字智能化交流伺服控制系統

　　隨著(zhù)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已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域實(shí)現自動(dòng)化的基礎技術(shù)之一，并將逐漸取代直流伺服系統。目前，交流伺服系統的智能化、網(wǎng)絡(luò )化控制是交流伺服控制的兩個(gè)重要發(fā)展方向。

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

　　2 連鑄機結晶器調寬工藝

　　濟鋼第三煉鋼廠(chǎng)asp1700薄板坯連鑄連軋結晶器采用直結晶器，由兩個(gè)寬面和兩個(gè)窄面構成，長(cháng)1200mm，內腔厚度最寬150mm，調寬范圍:100mm～150mm。其中窄面是可以活動(dòng)的，以便在連鑄機準備和澆注期間調節結晶器的寬度和錐度(圖1)。結晶器采用一組拉桿夾緊兩個(gè)寬面和兩個(gè)窄面，拉桿通過(guò)彈簧組保持夾緊力，拉桿上的液壓缸可以在調寬過(guò)程中壓縮彈簧，以使窄面能容易移動(dòng)，快速打開(kāi)寬面。液壓缸壓力可連續調節，隨板坯的寬度變化來(lái)調節夾緊力，實(shí)現軟夾緊。由于該壓力不是夾緊寬面，因此在液壓壓力失效時(shí)，彈簧能夠保持夾緊力而不會(huì )有危險。

　　圖1 結晶器窄面機械結構

　　結晶器調寬系統包括:4套絲杠機構，每個(gè)窄面2套;4套帶有旋轉變壓器的交流異步伺服電動(dòng)機，固定在澆注平臺下的冷卻室外;4個(gè)萬(wàn)向軸、4套交流伺服控制單元。結晶器調寬窄面控制機械結構，如圖1所示。每一個(gè)窄面使用伺服單元控制調寬電機驅動(dòng)，可以改變兩邊寬度和每個(gè)面的錐度。由于調寬時(shí)生產(chǎn)的板坯窄面不是直的，這意味著(zhù)在調寬期間窄面銅板與坯殼之間的氣隙的產(chǎn)生，避免漏鋼，在調整寬度的同時(shí)必須調整錐度。為了減小凝固坯殼的應力，窄面的調整應緩慢進(jìn)行。為保證坯殼與銅板緊密接觸，結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根據鋼種、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(dòng)選擇不同的算法。

　　3 結晶器調寬控制系統

　　結晶器調寬控制系統采用西門(mén)子s7-400PLC，伺服單元選用西門(mén)子masterdrives mc全數字運動(dòng)控制器，具有過(guò)載能力大，調速范圍寬等特點(diǎn)，設有tp270人機界面，可設定和故障監視功能。每個(gè)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(dòng)態(tài)響應、高精度的運動(dòng)控制方式。傳動(dòng)系統經(jīng)profibus總線(xiàn)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(dòng)機，功率2.6kw，額定速度2300rpm。生產(chǎn)工根據生產(chǎn)鋼種結晶器寬度、錐度設定值輸入到人機界面上，經(jīng)profibus總線(xiàn)傳輸給調寬 plc，plc運算后，給各個(gè)伺服單元發(fā)出位置控制信號，伺服單元將伺服電機旋轉變壓器信號換算出的實(shí)際位置信號和實(shí)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(shí)現三環(huán)控制，而使系統快速平滑地跟隨位置設定值，保證結晶器上下口電機的恒定速度差，實(shí)現窄面銅板的精確定位。整個(gè)控制系統是以伺服電機電流環(huán)、電機速度為內環(huán)，窄面銅板位置為外環(huán)的三環(huán)控制結構，系統精度高，速度響應快，運行平穩可靠，定位準確，調寬控制系統結構見(jiàn)圖2所示。

　　圖2 結晶器調寬自動(dòng)控制系統

　　4 關(guān)于profibus現場(chǎng)總線(xiàn)

　　4.1 現場(chǎng)總線(xiàn)的定義及特點(diǎn)

　　現場(chǎng)總線(xiàn)，按照國際電工委員會(huì )iec/sc65c的定義，是指安裝在制造或過(guò)程區域的現場(chǎng)裝置之間、以及現場(chǎng)裝置與控制室內的自動(dòng)控制裝置之間的數字式、串行和多點(diǎn)通信的數據總線(xiàn)。以現場(chǎng)總線(xiàn)為基礎而發(fā)展起來(lái)的全數字控制系統稱(chēng)作fcs。

　　現場(chǎng)總線(xiàn)作為連接控制系統中現場(chǎng)級裝置和控制設備的雙向數字通信網(wǎng)絡(luò )，與傳統的DCS系統相比其優(yōu)點(diǎn)是明顯的:增強了現場(chǎng)信息的集成能力;抗干擾能力增加、系統可靠性提高;安裝便捷、可維護性好;具有開(kāi)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，可現場(chǎng)安裝;能自動(dòng)診斷故障部位。

　　4.2 profibus總線(xiàn)的特點(diǎn)

　　profibus是一種國際化、開(kāi)放式、不依賴(lài)于設備生產(chǎn)商的現場(chǎng)總線(xiàn)標準。廣泛適用于制造業(yè)自動(dòng)化.流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通電力等其他領(lǐng)域自動(dòng)化。中央處理器(如plc/pc)通過(guò)高速串行總線(xiàn)同分散的現場(chǎng)設備(如i/o、變頻器、閥門(mén))進(jìn)行通訊，多數數據交換采用周期方式。 profibus-dp是用于現場(chǎng)設備級的高速數據傳輸，通訊介質(zhì)采用屏蔽的雙絞銅線(xiàn)電纜，共用一根導線(xiàn)對，通訊速率可選用 9.6kbps～12mbps，通訊距離可達12km。profibus總線(xiàn)的通信能力強，與變頻器的通信最多可有10個(gè)字的通信能力。

　　4.3 profibus-dp的數據通訊格式

　　profibus-dp總線(xiàn)方式允許在plc和傳動(dòng)裝置(變頻器、運動(dòng)控制器)之間進(jìn)行快速的數據交換。對傳動(dòng)裝置的存取總是按照主——從方式進(jìn)行的，傳動(dòng)裝置總是從站，且每個(gè)從站本身都有明確的地址。profibus周期性傳輸的報文結構如圖3所示。

　　圖3 profibus-dp報文結構

　　4.4 profibus-dp的可用數據

　　對于傳動(dòng)裝置可用數據區被劃分成2個(gè)數據區，它們以各自的報文進(jìn)行數據傳送:

　　(1) 過(guò)程數據區(pzd)

　　控制字和設定值或狀態(tài)字和實(shí)際值;

　　(2) 參數區(pkw)

　　用于讀寫(xiě)參數，讀出故障信息等。pkw和pzd共有五種結構形式即:ppo1、ppo2、ppo3、ppo4、ppo5，其傳輸的字節長(cháng)度及結構形式各不相同。根據自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )中傳動(dòng)裝置的任務(wù)不同，在plc和變頻器通訊方式配置時(shí)要對ppo進(jìn)行選擇。在結晶器調寬交流伺服控制系統中采用了 ppo5型通訊報文，它的報文結構如圖4所示。圖4中符號的意義如下:

　　pkw:參數標識符;

　　pzd:過(guò)程數據;

　　pke:參數標識符;

　　ind:索引;

　　pwe:參數值;

　　stw:控制字;

　　zsw:狀態(tài)字;

　　hsw:主設定值;

　　hiw:主實(shí)際值。

　　圖4 ppo的報文結構

　　5 基于profibus的交流伺服控制系統硬件組成

　　5.1 plc系統

　　結晶器調寬plc系統作為連鑄機l1系統的一個(gè)子系統，其系統設計本著(zhù)可靠、先進(jìn)、開(kāi)放的原則，綜合考慮系統的性能價(jià)格比，根據工藝方案和機械設備條件，系統結構盡可能統一，同時(shí)應與其它l1級子系統保持一致。連鑄l1級plc系統選用的是siemens s7-400系列plc。根據調寬工藝性能要求，plc系統cpu 選擇s7-414-3，通過(guò)cp443通訊模塊與l1級工業(yè)以太網(wǎng)通訊，也可以通過(guò)profibus-dp接口與mc運動(dòng)控制器和tp270通訊。

　　5.2 人機界面

　　根據工藝特點(diǎn)及現場(chǎng)環(huán)境，結晶器調寬人機界面選擇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(diǎn):

　　(1) 簡(jiǎn)單快速配置，配置數據是可以恢復的;

　　(2) 可用標準windows工具進(jìn)行配置;

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

　　(4) 和西門(mén)子plc完美結合，使整個(gè)系統在硬件和軟件均達最優(yōu)化，尤其是通訊支持profibus-dp總線(xiàn)協(xié)議。

　　5.3 mc控制器

　　結晶器調寬伺服控制器選用的是西門(mén)子公司masterdrives mc運動(dòng)控制器，該控制器是應用于高動(dòng)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。mc控制器有以下特點(diǎn):

　　(1) 高動(dòng)態(tài)響應，高過(guò)載能力

　　mc驅動(dòng)器使用了32位dsp數字控制技術(shù)，dsp器件內部具有功能強大的硬件計算電路和特殊的總線(xiàn)結構，具有強大的數字信號處理功能;mc運動(dòng)控制驅動(dòng)器同時(shí)具有極高的過(guò)載因數，250ms內300%的過(guò)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動(dòng)任務(wù)，有支持脈沖編碼器(ttl/htl)的sbp 板，支持旋轉變壓器的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相連接。

　　(3) 強大的通訊能力

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

　　6 交流伺服控制系統硬件配置

　　在交流伺服控制系統中，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;系統操作界面tp270使用protool進(jìn)行組態(tài)及編程，protool是用于可視化過(guò)程的使用簡(jiǎn)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

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