《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于PROFIBUS的交流伺服控制系統(tǒng)
摘要: 在濟(jì)鋼asp1700薄板坯連鑄連軋項(xiàng)目中,連鑄機(jī)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(dāng)今世界最先進(jìn)伺服控制技術(shù)。
Abstract:
Key words :

 

1 引言
  隨著材料技術(shù)、電力電子技術(shù)、控制理論技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)的快速發(fā)展以及電機(jī)制造工藝水平的逐步提高,交流伺服技術(shù)-交流伺服電機(jī)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(luò)化控制是交流伺服控制的兩個(gè)重要發(fā)展方向。
  在濟(jì)鋼asp1700薄板坯連鑄連軋項(xiàng)目中,連鑄機(jī)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(dāng)今世界最先進(jìn)伺服控制技術(shù)。

2 連鑄機(jī)結(jié)晶器調(diào)寬工藝
  濟(jì)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(gè)寬面和兩個(gè)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(jī)準(zhǔn)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(gè)寬面和兩個(gè)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(shí)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(shí),彈簧能夠保持夾緊力而不會有危險(xiǎn)。

圖1 結(jié)晶器窄面機(jī)械結(jié)構(gòu)


  結(jié)晶器調(diào)寬系統(tǒng)包括:4套絲杠機(jī)構(gòu),每個(gè)窄面2套;4套帶有旋轉(zhuǎn)變壓器的交流異步伺服電動機(jī),固定在澆注平臺下的冷卻室外;4個(gè)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(jī)械結(jié)構(gòu),如圖1所示。每一個(gè)窄面使用伺服單元控制調(diào)寬電機(jī)驅(qū)動,可以改變兩邊寬度和每個(gè)面的錐度。由于調(diào)寬時(shí)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(shí)必須調(diào)整錐度。為了減小凝固坯殼的應(yīng)力,窄面的調(diào)整應(yīng)緩慢進(jìn)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(yùn)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(yùn)動控制器,具有過載能力大,調(diào)速范圍寬等特點(diǎn),設(shè)有tp270人機(jī)界面,可設(shè)定和故障監(jiān)視功能。每個(gè)伺服電機(jī)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(yīng)、高精度的運(yùn)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(jī)采用倫茲(mdskars090-22)三相交流異步伺服電動機(jī),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(jī)界面上,經(jīng)profibus總線傳輸給調(diào)寬 plc,plc運(yùn)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(jī)旋轉(zhuǎn)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(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(jī)的恒定速度差,實(shí)現(xiàn)窄面銅板的精確定位。整個(gè)控制系統(tǒng)是以伺服電機(jī)電流環(huán)、電機(jī)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(yīng)快,運(yùn)行平穩(wěn)可靠,定位準(zhǔn)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(diǎn)
  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(diǎn)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(luò),與傳統(tǒng)的dcs系統(tǒng)相比其優(yōu)點(diǎn)是明顯的:增強(qiáng)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(hù)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(hù)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(diǎn)
  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(biāo)準(zhǔn)。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(jìn)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(dǎo)線對,通訊速率可選用 9.6kbps~12mbps,通訊距離可達(dá)12km。profibus總線的通信能力強(qiáng),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(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(yùn)動控制器)之間進(jìn)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(jìn)行的,傳動裝置總是從站,且每個(gè)從站本身都有明確的地址。profibus周期性傳輸?shù)膱?bào)文結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 profibus-dp報(bào)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(gè)數(shù)據(jù)區(qū),它們以各自的報(bào)文進(jìn)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(shí)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(luò)中傳動裝置的任務(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(jié)晶器調(diào)寬交流伺服控制系統(tǒng)中采用了 ppo5型通訊報(bào)文,它的報(bào)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(biāo)識符;
pzd:過程數(shù)據(jù);
pke:參數(shù)標(biāo)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(shí)際值。

圖4 ppo的報(bào)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(jī)l1系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng),其系統(tǒng)設(shè)計(jì)本著可靠、先進(jìn)、開放的原則,綜合考慮系統(tǒng)的性能價(jià)格比,根據(jù)工藝方案和機(jī)械設(shè)備條件,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)盡可能統(tǒng)一,同時(shí)應(yīng)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(yùn)動控制器和tp270通訊。
5.2 人機(jī)界面
  根據(jù)工藝特點(diǎn)及現(xiàn)場環(huán)境,結(jié)晶器調(diào)寬人機(jī)界面選擇tp270操作面板。tp270屬于simatic hmi(人機(jī)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) 簡單快速配置,配置數(shù)據(jù)是可以恢復(fù)的;
(2) 可用標(biāo)準(zhǔn)windows工具進(jìn)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(gè)系統(tǒng)在硬件和軟件均達(dá)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(yùn)動控制器,該控制器是應(yīng)用于高動態(tài)響應(yīng)循環(huán)機(jī)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(diǎn):
(1) 高動態(tài)響應(yīng),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(qiáng)大的硬件計(jì)算電路和特殊的總線結(jié)構(gòu),具有強(qiáng)大的數(shù)字信號處理功能;mc運(yùn)動控制驅(qū)動器同時(shí)具有極高的過載因數(shù),250ms內(nèi)300%的過載能力。
(2) 通用性強(qiáng)
  它能夠控制任何型號的電機(jī),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(wù),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(qiáng)大的通訊能力
  mc運(yùn)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(qiáng)了伺服單元與其它控制設(shè)備間的互聯(lián)能力。mc運(yùn)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(dāng)今世界上最為成功和流行的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn),在 profibus cbp2功能模板上實(shí)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(diǎn)。

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(biāo)準(zhǔn)軟件包;系統(tǒng)操作界面tp270使用protool進(jìn)行組態(tài)及編程,protool是用于可視化過程的使用簡單、高性能的可視化軟件,可在 windows95/98,2000下運(yùn)行。
6.1 組態(tài)plc主站系統(tǒng)
(1) 在plc項(xiàng)目ccm2下新建項(xiàng)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;
(2) 組態(tài)硬件:雙擊“hardware”選項(xiàng),進(jìn)入“hw config”窗口,點(diǎn)擊“catalog”圖標(biāo)打開硬件目錄,按硬件安裝次序和訂貨號依次插入機(jī)架、電源、cpu、通訊模塊、兩塊輸入、輸出模塊;
(3) 插入cpu模塊后會同時(shí)彈出profibus組態(tài)界面,新建profibus命名為profibus_plc3,地址定義為2,點(diǎn)擊 “properties”按鈕組態(tài)網(wǎng)絡(luò)屬性,選擇”network settings”進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置,profibus的傳輸速率為 “1.5mbps”,行規(guī)為“dp”;
(4) 在plc的profibus屬性operation mode中將其設(shè)為dp master。
6.2 mc運(yùn)動控制器的profibus從站組態(tài)
(1) 組態(tài)從站
  在dp網(wǎng)上連接mc運(yùn)動控制器,選擇“motion control plus”,連接到dp網(wǎng)絡(luò)上,然后組態(tài)drive的通訊區(qū),見圖5所示,定義profibus站地址,為3號站;

圖5 選擇mc控制器


(2 )通訊區(qū)定義
  plc與mc控制器之間除了傳輸設(shè)定值和控制字外,還需要傳送其它數(shù)據(jù),需要選擇多個(gè)pzd,通訊需要9個(gè)字,選取ppo-typ5,pkw+pzd-10/10,如圖6所示。

圖6 mc控制器通訊區(qū)定義


  (3) 數(shù)據(jù)區(qū)定義
pkw數(shù)據(jù)區(qū)為:piw 512-519 pqw 512-519
pzd數(shù)據(jù)區(qū)為:piw 520-539 pqw 520-539
 ?。?) 按照以上步驟,分別組態(tài)2#mc,3#mc、4#mc到dp網(wǎng)絡(luò),dp地址分別是4、5、6,并分別定義各子站的pkw、pzd數(shù)據(jù):
2#mc(4#站):
pkw數(shù)據(jù)區(qū)為:piw 540-547 pqw 540-547
pzd數(shù)據(jù)區(qū)為:piw 548-567 pqw 548-567
3#mc(5#站):
pkw數(shù)據(jù)區(qū)為:piw 568-575 pqw 568-575
pzd數(shù)據(jù)區(qū)為:piw 576-595 pqw 576-595
4#mc(6#站):
pkw數(shù)據(jù)區(qū)為:piw 595-603 pqw 595-603
pzd數(shù)據(jù)區(qū)為:piw 604-624 pqw 604-624
6.3 tp270的profibus從站組態(tài)
(1) 在項(xiàng)目ccm2下新建項(xiàng)目tp270_moldwidh_ adjust,點(diǎn)擊右鍵,在彈出的菜單中選擇“insert new object”下“simatic op”,插入tp270站;
(2) 雙擊tp270_moldwidth_adjust項(xiàng)目,進(jìn)入protool編程環(huán)境,選擇操作面板tp270;
(3) 輸入調(diào)寬系統(tǒng)plc的名稱plc_3,選擇sim- atic s7-300/400 v6.0協(xié)議;
(4) 點(diǎn)擊“parameters”按鈕,進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,連接op到網(wǎng)絡(luò)的方式,是選擇plc_3網(wǎng)絡(luò),dp地址選擇1,使用路徑方式,如圖7所示。

圖7 tp270 通訊參數(shù)定義

7 交流伺服控制系統(tǒng)軟件應(yīng)用
7.1 plc數(shù)據(jù)profibus傳輸編程
  step7 v5.3有兩個(gè)sfc塊“dprd_dat”和“dpwr_dat”,用于profibus主站和從站之間的的數(shù)據(jù)傳輸。交流伺服控制系統(tǒng)中,應(yīng)用dp通訊傳輸命令“dprd_dat”和 “dpwr_dat”把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絤c控制器的通訊區(qū)pzd數(shù)據(jù)區(qū)piw內(nèi),同時(shí)把mc控制器的pzd數(shù)據(jù)區(qū)pqw數(shù)值讀到profibus-dp傳輸?shù)膁b塊中。1#mc控制器的profibus控制命令的傳輸應(yīng)用程序如下:
call "dprd_dat" ;調(diào)用dp讀命令
laddr :=w#16#208 ;起始地址
ret_val:="top_left_comdata".recieve_ret
record :=p#db31.dbx20.0 byte 20
;目標(biāo)數(shù)據(jù)地址
call "dpwr_dat" ;調(diào)用dp寫命令
laddr :=w#16#208 ;起始地址
record :=p#db31.dbx0.0 byte 20
;目標(biāo)數(shù)據(jù)地址
ret_val:="top_left_comdata".send_ret
7.2 mc控制器通信參數(shù)定義
  使用過程數(shù)據(jù)區(qū),實(shí)現(xiàn)控制字和設(shè)定值(任務(wù):主站 變頻器)或狀態(tài)字和實(shí)際值(響應(yīng):變頻器主站)的傳輸。只有當(dāng)控制字、設(shè)定值和狀態(tài)字實(shí)際值依照“過程數(shù)據(jù)連接”規(guī)定的路徑連接時(shí),該過程數(shù)據(jù)的傳輸才有效。在mc控制器通信參數(shù)應(yīng)用分為兩個(gè)部分:mc控制器接受plc的控制字和設(shè)定值和mc 控制器返回給plc的狀態(tài)字和實(shí)際值兩部分。
 ?。?) 過程數(shù)據(jù)輸出區(qū)在mc控制器的傳輸格式
  過程數(shù)據(jù)輸出區(qū)pzd1-pzd10和mc控制器的寄存器變量k3001-k3010是一一對應(yīng)的關(guān)系,可以根據(jù)需要定義雙字節(jié)數(shù)據(jù),在該系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中,分別用k3007和k3008構(gòu)成一個(gè)雙字節(jié)數(shù)據(jù),用k3009和k3010構(gòu)成一個(gè)雙字節(jié)數(shù)據(jù)。
 ?。?) 過程數(shù)據(jù)輸出區(qū)在mc控制器應(yīng)用
在實(shí)際應(yīng)用中,mc控制器主要應(yīng)用過程數(shù)據(jù)輸出區(qū)數(shù)值定義以下參數(shù):
p554=k3100 裝置控制字
p565.1=k3107 裝置復(fù)位控制
u710.003=k3202 位置控制信號啟動
u710.004=k3203 位置控制信號清除剩余位
u710.026=k3309 位置控制信號點(diǎn)動后退
u710.027=k3310 位置控制信號快慢速選擇
u710.028=k3311 位置控制信號點(diǎn)動前進(jìn)
u710.029=k3312 位置控制信號模式選擇控制1
u710.030=k3313 位置控制信號模式選擇控制2
u710.031=k3314 位置控制信號模式選擇控制3
u710.032=k3315 位置控制信號模式選擇控制4
u531=k3006 g功能mdi使能
u532=k3037 位置控制信號
u533=k3039 速度控制信號
  (3) 過程數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)在mc控制器的傳輸格式
  過程數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)pzd1-pzd10和mc控制器的參數(shù)p734.1-p734.10是一一對應(yīng)的關(guān)系,可以根據(jù)需要定義雙字節(jié)數(shù)據(jù),在該系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中,分別用p734.2和p734.3構(gòu)成一個(gè)雙字節(jié)數(shù)據(jù),p734.7和p734.8構(gòu)成一個(gè)雙字節(jié)數(shù)據(jù)。
 ?。?) 過程數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)在mc控制器的實(shí)際應(yīng)用
  在實(shí)際應(yīng)用中,mc控制器主要定義以下參數(shù)進(jìn)行過程數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)數(shù)值傳送:
p734.1=k32 裝置狀態(tài)字
p734.2=kk120 位置實(shí)際值
p734.3=kk120 位置實(shí)際值
p734.5= k22 電流實(shí)際值
p734.6= k433 運(yùn)行綜合信號
p734.7= kk91 速度實(shí)際值
p734.8= kk91 速度實(shí)際值

8 結(jié)束語
  交流伺服控制在濟(jì)鋼連鑄機(jī)結(jié)晶器調(diào)寬系統(tǒng)的成功應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了濟(jì)鋼1700連鑄-連軋系統(tǒng)不停機(jī)改變鑄坯斷面的要求,從而為鑄坯熱裝和直接連軋創(chuàng)造了條件,充分滿足了軋鋼每個(gè)單元內(nèi)多規(guī)格的要求,大大提高了連鑄及連軋的生產(chǎn)能力和增加金屬收得率。

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