基于mm440變頻器實(shí)現(xiàn)連鑄機(jī)切割自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、引言

濟(jì)鋼集團(tuán)第三煉鋼廠是濟(jì)鋼集團(tuán)“十五”期間的重點(diǎn)投資項(xiàng)目，引進(jìn)的是國(guó)內(nèi)外一流的先進(jìn)設(shè)備和自動(dòng)化控制技術(shù)，其裝備達(dá)到國(guó)內(nèi)一流、國(guó)際先進(jìn)水平。在轉(zhuǎn)爐、連鑄自動(dòng)化控制體系中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)和系統(tǒng)的需要應(yīng)用了多種總線（profibus、controlnet、devicenet）構(gòu)成的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（fcs），這些總線控制系統(tǒng)給轉(zhuǎn)爐、連鑄系統(tǒng)提供了安全而可靠的解決方案。1#連鑄機(jī)是引進(jìn)vai（奧鋼聯(lián)）的板坯連鑄機(jī)，是目前我國(guó)技術(shù)最先進(jìn)、自動(dòng)化程度最高、配套設(shè)施最完善的連鑄機(jī)之一，其切割機(jī)系統(tǒng)選用的是基于profibus的mm440變頻器構(gòu)成的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。

2、連鑄機(jī)控制系統(tǒng)

濟(jì)鋼三煉鋼工程包括鐵水予處理，120t轉(zhuǎn)爐、lf/vd精煉及板坯連鑄機(jī)等多個(gè)項(xiàng)目，整個(gè)工廠的eic三電自動(dòng)化控制系統(tǒng)的配置達(dá)到世界先進(jìn)水平。連鑄機(jī)系統(tǒng)做到三電自動(dòng)化控制的一體化，包含過(guò)程控制級(jí)l2和基礎(chǔ)控制l1級(jí)和l0，同時(shí)也予留出與l3級(jí)的通訊接口及數(shù)據(jù)存放區(qū)，下面將三級(jí)系統(tǒng)分述如下。

3級(jí)（lelvel3）： 制訂全廠生產(chǎn)計(jì)劃，產(chǎn)品協(xié)調(diào)及產(chǎn)品跟蹤，l3系統(tǒng)涉及三煉鋼廠各生產(chǎn)工序和后部的中厚板車(chē)間，l3系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要各工藝單元，生產(chǎn)管理及調(diào)度部門(mén)結(jié)合工廠的實(shí)際情況來(lái)考慮，另立項(xiàng)目，統(tǒng)一協(xié)調(diào)。

2級(jí)（lelvel2）：各工藝控制單元的計(jì)算機(jī)操作指導(dǎo)，特殊工藝過(guò)程的設(shè)定計(jì)算及工藝過(guò)程的數(shù)據(jù)收集。

1級(jí)（level1）：實(shí)時(shí)控制級(jí)，根據(jù)操作指令，過(guò)程計(jì)算機(jī)的設(shè)定計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)元件的檢測(cè)信號(hào)，完成生產(chǎn)設(shè)備的邏輯順序控制和pid調(diào)節(jié)。

0級(jí)（level0）：l0級(jí)主要是傳動(dòng)設(shè)備本身的控制、i/o控制和管理。在現(xiàn)代化的控制系統(tǒng)中，ac/ac的傳動(dòng)裝置（變頻裝置）由本身自帶cpu的數(shù)字裝置控制和監(jiān)視，并與l1級(jí)在網(wǎng)上進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

l0到l3級(jí)的自動(dòng)化系統(tǒng)完成整個(gè)工廠的生產(chǎn)計(jì)劃，產(chǎn)品管理，工藝區(qū)接口協(xié)調(diào)、過(guò)程最佳化及設(shè)備控制，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)工廠的生產(chǎn)自動(dòng)化，參見(jiàn)圖1。

圖1 連鑄機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3、切割機(jī)控制系統(tǒng)

3.1 切割機(jī)設(shè)備組成

1#連鑄機(jī)的切割機(jī)是從德國(guó)gega公司引進(jìn)的整套設(shè)備，是火焰切割機(jī)，其主要作用是將鑄坯切割成定尺或倍尺長(zhǎng)度，并可進(jìn)行坯頭、坯尾及試樣切割。與引錠桿分離后的鑄坯按拉坯速度進(jìn)入切割區(qū)，火焰切割機(jī)切掉300mm左右長(zhǎng)度的切頭，掉入下部的切頭收集箱內(nèi)，切頭切割以后的鑄坯按要求的三倍尺長(zhǎng)度切割。切割期間，靠夾持裝置，火焰切割機(jī)與鑄坯同步行走，鑄坯長(zhǎng)度通過(guò)測(cè)量輥測(cè)量，切割自動(dòng)進(jìn)行，并且考慮二級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)的長(zhǎng)度優(yōu)化。切割機(jī)系統(tǒng)包括機(jī)械、能源介質(zhì)供應(yīng)和控制、電氣儀表控制等自成系統(tǒng)配套的機(jī)電一體化裝置。切割機(jī)由以下設(shè)備組成：切割機(jī)支撐結(jié)構(gòu)，切割機(jī)械設(shè)備，能源介質(zhì)供給控制，鑄坯長(zhǎng)度測(cè)量裝置，電氣控制系統(tǒng)，熱防護(hù)裝置。

3.2 切割機(jī)工藝過(guò)程

切割機(jī)工藝過(guò)程一般由坯頭切割、定尺切割、坯尾切割三個(gè)過(guò)程組成。最主要的定尺切割工藝過(guò)程如下：

當(dāng)測(cè)量輪計(jì)數(shù)接近定尺前500mm小車(chē)預(yù)下降，到位后雙槍同時(shí)往里移動(dòng)，當(dāng)邊探碰到鑄坯外殼時(shí)，預(yù)熱氧、預(yù)熱煤氣打開(kāi)進(jìn)行預(yù)熱，在這段時(shí)間內(nèi)切割槍是不動(dòng)作的，當(dāng)完全到達(dá)定尺后，小車(chē)下降到位（壓住鑄坯），同時(shí)打開(kāi)切割氧進(jìn)行切割，先以初始割速切割（正常割速的30％），切割50mm后以全速進(jìn)行切割，雙槍在相距120mm相遇后，2＃槍關(guān)閉切割氧，停止切割并返回原始位，關(guān)閉所有介質(zhì)，由1＃槍繼續(xù)切割，多切過(guò)10mm后1＃槍也停止切割，關(guān)閉所有介質(zhì)返回原始位，同時(shí)小車(chē)上升大車(chē)后退返回原始位，等待下一個(gè)定尺。

3.3 切割機(jī)控制系統(tǒng)

（1）切割機(jī)控制系統(tǒng)。切割機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)采用一臺(tái)西門(mén)子 s7-300 和一臺(tái)pcs smart 1200觸摸屏構(gòu)成，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)模塊和tcp/ip協(xié)議將plc和l1級(jí)控制系統(tǒng)連接起來(lái)，通過(guò)profibus-dp接口與mm440變頻器和pcs1200觸模屏通訊，見(jiàn)圖2所示。

圖2 切割機(jī)控制系統(tǒng)

（2）切割機(jī)主要傳動(dòng)系統(tǒng)

切割機(jī)的行走：一臺(tái)siemens micromaster 440型變頻器拖動(dòng)兩臺(tái)0.75kw電機(jī)，電機(jī)帶熱開(kāi)關(guān)保護(hù)，每臺(tái)電機(jī)帶有一個(gè)電磁抱閘線圈，行程控制是由一個(gè)增量型編碼器和行程限位開(kāi)關(guān)組成。

切槍的行走驅(qū)動(dòng)：每個(gè)切槍的行走是由一臺(tái)siemens micromaster 440型變頻器拖動(dòng)1臺(tái)0.3kw電機(jī)進(jìn)行的，切槍行走的位置分別由兩個(gè)增量型編碼器和接近開(kāi)關(guān)控制。

切割機(jī)的升降系統(tǒng)：切割車(chē)的升降是由一臺(tái)變極調(diào)速電機(jī)（285/1375rpm 0.28/2.3kw）采用接觸器正反轉(zhuǎn)雙繞組六抽頭進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，行程控制是由限位開(kāi)關(guān)組成的。

4、profibus現(xiàn)場(chǎng)總線

4.1 現(xiàn)場(chǎng)總線的定義及特點(diǎn)

現(xiàn)場(chǎng)總線，按照國(guó)際電工委員會(huì)iec/sc65c的定義，是指安裝在制造或過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)裝置之間、以及現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室內(nèi)的自動(dòng)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(chǎng)總線為基礎(chǔ)而發(fā)展起來(lái)的全數(shù)字控制系統(tǒng)稱作fcs。

現(xiàn)場(chǎng)總線作為連接控制系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)級(jí)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(chǎng)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(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(hù)等級(jí)，可現(xiàn)場(chǎng)安裝；能自動(dòng)診斷故障部位。

4.2 profibus總線

profibus是一種國(guó)際化、開(kāi)放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。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)高速串行總線同分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（如i/o、變頻器、閥門(mén)）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(chǎng)設(shè)備級(jí)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(duì)，通訊速率可選用9.6kbit～12mbit/s，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(dòng)裝置（變頻器、運(yùn)動(dòng)控制器）之間進(jìn)行快速的數(shù)據(jù)交換。對(duì)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?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的用戶數(shù)據(jù)

對(duì)于傳動(dòng)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(guò)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(xiě)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(zhǎng)度及結(jié)構(gòu)形式各不相同。

根據(jù)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(duì)ppo進(jìn)行選擇。mm440變頻器僅支持ppo1、ppo3兩種結(jié)構(gòu)，在切割機(jī)系統(tǒng)中采用了ppo1型通訊報(bào)文（4pkw+2pzd），它的報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖4所示，圖4中符號(hào)的意義如下，pkw：參數(shù)標(biāo)識(shí)符；pzd：過(guò)程數(shù)據(jù)；pke：參數(shù)標(biāo)識(shí)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 切割機(jī)控制系統(tǒng)硬件技術(shù)

5.1 plc系統(tǒng)

切割機(jī)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(kāi)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(jí)子系統(tǒng)保持一致。連鑄l1級(jí)plc系統(tǒng)選用的是siemens s7-400系列plc。根據(jù)切割工藝性能要求，plc系統(tǒng)cpu 選擇s7-315-2，通過(guò)cp343通訊模塊與l1級(jí)工業(yè)以太網(wǎng)通訊，同時(shí)通過(guò)profibus-dp接口與mm440變頻器和pcs smart 1200觸摸屏通訊。

5.2 人機(jī)界面

根據(jù)工藝特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，切割機(jī)人機(jī)界面選擇pcs smart 1200觸摸屏。在性能上有以下特點(diǎn);（1）簡(jiǎn)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(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(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 mm440變頻器特點(diǎn)

（1）豐富的控制功能。通過(guò)p1300參數(shù)可以選擇從v/f控制到帶傳感器的矢量控制vc等12種不同特點(diǎn)的控制模式，適用于恒轉(zhuǎn)矩、變轉(zhuǎn)矩等各種性質(zhì)負(fù)載，滿足各行業(yè)的驅(qū)動(dòng)控制要求。在本控制系統(tǒng)中，采用v/f方式來(lái)驅(qū)動(dòng)各分部電機(jī)；

（2）強(qiáng)大的通訊功能。利用profibus通訊可選件，可以將mm440接入開(kāi)放的、高速（12mb/s）的dp網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)性能更佳、精度更高的通訊控制。

（3）自由功能模塊和bico技術(shù)。mm440繼承和吸收了6se70工程型變頻器的許多優(yōu)良特點(diǎn)，其中最具實(shí)用性的是具有區(qū)別一般通用變頻器的自由功能模塊和bico技術(shù)，利用豐富的自由功能模塊和靈活的bico技術(shù)，可方便地實(shí)現(xiàn)各種不同目的的組態(tài)設(shè)計(jì)，完成復(fù)雜控制設(shè)計(jì)的要求；

（4）豐富的停車(chē)和制動(dòng)功能。mm440具有3種停車(chē)方式，即按斜坡減速停車(chē)（off1）、慣性停車(chē)（off2）快速停車(chē)（off3）。3種制動(dòng)功能，即直流制動(dòng)、復(fù)合制動(dòng)、動(dòng)力制動(dòng)（須外接制動(dòng)電阻，75kw以下已內(nèi)置制動(dòng)單元）。停車(chē)方式和制動(dòng)方式的靈活配用，可適應(yīng)不同機(jī)械慣性負(fù)載的要求。本系統(tǒng)選用了off1、off3、母線電壓調(diào)整等功能以適應(yīng)高速時(shí)的停車(chē)制動(dòng)不同要求。

6、切割機(jī)控制系統(tǒng)硬件配置

在一次切割機(jī)控制系統(tǒng)中，plc硬件組態(tài)、編程使用step7 v5.1，step7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。

6.1 組態(tài)plc主站系統(tǒng)

（1）插入s7-300站：在plc項(xiàng)目ccm下新建項(xiàng)目ptcm，點(diǎn)擊右鍵，在彈出的菜單中選擇“insert new object”下“simaTIc 300 staTIon”，插入s7-300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(kāi)硬件目錄，按硬件安裝次序和訂貨號(hào)依次插入機(jī)架、電源、cpu、通訊模塊、輸入、輸出模塊；

（3）網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置：插入cpu模塊后會(huì)同時(shí)彈出profibus組態(tài)界面，新建profibus命名為ptcm_profibus，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“1.5mbit/s”，行規(guī)為“dp”；如圖5所示。

圖5 profibus主站組態(tài)配置

（4）dp master主站定義：在plc的profibus屬性 operation mode 中將其設(shè)為dp master

6.2 切割機(jī)profibus從站組態(tài)

（1）組態(tài)從站：在dp網(wǎng)上連接 mm440變頻器，如圖6所示，選擇“micromaster 4”雙擊，mm440連接到dp網(wǎng)絡(luò)上，在彈出的proifbus屬性對(duì)話框中定義profibus站地址，為5號(hào)站。

圖6 選擇mm440變頻器

（2）通訊區(qū)定義：選擇ppo1類(lèi)型，雙擊4pkw+2pzd，地址分配為4pkw+2pzd（288-299），如圖7所示。

圖7 mm440變頻器通信區(qū)定義

（3）定義子站的通信區(qū)：按照以上步驟，分別組態(tài)1#、2#切割槍變頻器到dp網(wǎng)絡(luò)，dp地址分別是6、7，并分別定義各子站的通信區(qū)數(shù)據(jù)：

1#切割槍：4pkw+2pzd（300-311）；

2#切割槍：4pkw+2pzd（312-323）。

7、plc通信編程及mm440變頻器參數(shù)定義

7.1 plc數(shù)據(jù)profibus傳輸編程

step7 v5.1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。切割機(jī)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mc變頻器的通訊區(qū)pzd數(shù)據(jù)區(qū)piw內(nèi)，同時(shí)把mmc變頻器的pzd數(shù)據(jù)區(qū)pqw數(shù)值讀到profibus-dp傳輸?shù)膁b塊中。切割車(chē)mm440變頻器（5#站）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#120 ；起始地址

ret_val：=“5#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(xiě)命令

laddr：=w#16#120 ；起始地址

record：=p#db31.dbx0.0 byte 20

；目標(biāo)數(shù)據(jù)地址

ret_val：=“5#comdata”.send_ret

7.2 切割車(chē)mm440變頻器參數(shù)定義

（1）基本通信參數(shù)定義：為了保證profubus的通信板正常應(yīng)用，下面的參數(shù)必須設(shè)置，見(jiàn)表1基本參數(shù)定義所示。

表1 通信基本參數(shù)

（2）通信參數(shù)傳輸格式定義：mm440變頻器控制器通信參數(shù)應(yīng)用分為兩個(gè)部分：

過(guò)程數(shù)據(jù)輸出區(qū)：mm440變頻器接受plc的控制字和設(shè)定值，過(guò)程數(shù)據(jù)輸出區(qū)pzd1、pzd2對(duì)應(yīng)mm440變頻器內(nèi)為控制字（r2090）和設(shè)定值（r2050）；

過(guò)程數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)：mm440變頻器給plc的狀態(tài)字和實(shí)際值，過(guò)程數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)pzd1（狀態(tài)字r0052）、 pzd2（實(shí)際值r0021）和mm440變頻器的參數(shù)p2050.1、p2050.2對(duì)應(yīng)。

（3）過(guò)程數(shù)據(jù)輸出、輸入?yún)^(qū)在變頻器中的參數(shù)定義見(jiàn)表2變頻器通信參數(shù)定義。

表2 變頻器通信參數(shù)應(yīng)用

8、結(jié)束語(yǔ)

濟(jì)鋼第三煉鋼廠1#連鑄切割機(jī)控制充分利用了plc、pcs smart 1200觸摸屏和mm440變頻器以及profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，系統(tǒng)采用分布式開(kāi)放結(jié)構(gòu)，響應(yīng)速度快，組態(tài)靈活，控制功能完善，定尺準(zhǔn)確，操作簡(jiǎn)單。該系統(tǒng)在連鑄機(jī)的成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了1#連鑄機(jī)鑄坯多規(guī)格自動(dòng)切割的要求，大大提高了連鑄機(jī)生產(chǎn)能力和增加金屬收得率。