基于mm440變頻器實現(xiàn)連鑄機切割自動控制系統(tǒng)的設計

1、引言

濟鋼集團第三煉鋼廠是濟鋼集團“十五”期間的重點投資項目，引進的是國內(nèi)外一流的先進設備和自動化控制技術，其裝備達到國內(nèi)一流、國際先進水平。在轉(zhuǎn)爐、連鑄自動化控制體系中，根據(jù)現(xiàn)場總線的特點和系統(tǒng)的需要應用了多種總線（profibus、controlnet、devicenet）構(gòu)成的現(xiàn)場總線控制系統(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#連鑄機是引進vai（奧鋼聯(lián)）的板坯連鑄機，是目前我國技術最先進、自動化程度最高、配套設施最完善的連鑄機之一，其切割機系統(tǒng)選用的是基于profibus的mm440變頻器構(gòu)成的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。

2、連鑄機控制系統(tǒng)

濟鋼三煉鋼工程包括鐵水予處理，120t轉(zhuǎn)爐、lf/vd精煉及板坯連鑄機等多個項目，整個工廠的eic三電自動化控制系統(tǒng)的配置達到世界先進水平。連鑄機系統(tǒng)做到三電自動化控制的一體化，包含過程控制級l2和基礎控制l1級和l0，同時也予留出與l3級的通訊接口及數(shù)據(jù)存放區(qū)，下面將三級系統(tǒng)分述如下。

3級（lelvel3）： 制訂全廠生產(chǎn)計劃，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間，l3系統(tǒng)的實現(xiàn)需要各工藝單元，生產(chǎn)管理及調(diào)度部門結(jié)合工廠的實際情況來考慮，另立項目，統(tǒng)一協(xié)調(diào)。

2級（lelvel2）：各工藝控制單元的計算機操作指導，特殊工藝過程的設定計算及工藝過程的數(shù)據(jù)收集。

1級（level1）：實時控制級，根據(jù)操作指令，過程計算機的設定計算及現(xiàn)場元件的檢測信號，完成生產(chǎn)設備的邏輯順序控制和pid調(diào)節(jié)。

0級（level0）：l0級主要是傳動設備本身的控制、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級在網(wǎng)上進行數(shù)據(jù)通訊。

l0到l3級的自動化系統(tǒng)完成整個工廠的生產(chǎn)計劃，產(chǎn)品管理，工藝區(qū)接口協(xié)調(diào)、過程最佳化及設備控制，可實現(xiàn)整個工廠的生產(chǎn)自動化，參見圖1。

圖1 連鑄機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3、切割機控制系統(tǒng)

3.1 切割機設備組成

1#連鑄機的切割機是從德國gega公司引進的整套設備，是火焰切割機，其主要作用是將鑄坯切割成定尺或倍尺長度，并可進行坯頭、坯尾及試樣切割。與引錠桿分離后的鑄坯按拉坯速度進入切割區(qū)，火焰切割機切掉300mm左右長度的切頭，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度切割。切割期間，靠夾持裝置，火焰切割機與鑄坯同步行走，鑄坯長度通過測量輥測量，切割自動進行，并且考慮二級自動化系統(tǒng)的長度優(yōu)化。切割機系統(tǒng)包括機械、能源介質(zhì)供應和控制、電氣儀表控制等自成系統(tǒng)配套的機電一體化裝置。切割機由以下設備組成：切割機支撐結(jié)構(gòu)，切割機械設備，能源介質(zhì)供給控制，鑄坯長度測量裝置，電氣控制系統(tǒng)，熱防護裝置。

3.2 切割機工藝過程

切割機工藝過程一般由坯頭切割、定尺切割、坯尾切割三個過程組成。最主要的定尺切割工藝過程如下：

當測量輪計數(shù)接近定尺前500mm小車預下降，到位后雙槍同時往里移動，當邊探碰到鑄坯外殼時，預熱氧、預熱煤氣打開進行預熱，在這段時間內(nèi)切割槍是不動作的，當完全到達定尺后，小車下降到位（壓住鑄坯），同時打開切割氧進行切割，先以初始割速切割（正常割速的30％），切割50mm后以全速進行切割，雙槍在相距120mm相遇后，2＃槍關閉切割氧，停止切割并返回原始位，關閉所有介質(zhì)，由1＃槍繼續(xù)切割，多切過10mm后1＃槍也停止切割，關閉所有介質(zhì)返回原始位，同時小車上升大車后退返回原始位，等待下一個定尺。

3.3 切割機控制系統(tǒng)

（1）切割機控制系統(tǒng)。切割機自動控制系統(tǒng)采用一臺西門子 s7-300 和一臺pcs smart 1200觸摸屏構(gòu)成，通過工業(yè)以太網(wǎng)模塊和tcp/ip協(xié)議將plc和l1級控制系統(tǒng)連接起來，通過profibus-dp接口與mm440變頻器和pcs1200觸模屏通訊，見圖2所示。

圖2 切割機控制系統(tǒng)

（2）切割機主要傳動系統(tǒng)

切割機的行走：一臺siemens micromaster 440型變頻器拖動兩臺0.75kw電機，電機帶熱開關保護，每臺電機帶有一個電磁抱閘線圈，行程控制是由一個增量型編碼器和行程限位開關組成。

切槍的行走驅(qū)動：每個切槍的行走是由一臺siemens micromaster 440型變頻器拖動1臺0.3kw電機進行的，切槍行走的位置分別由兩個增量型編碼器和接近開關控制。

切割機的升降系統(tǒng)：切割車的升降是由一臺變極調(diào)速電機（285/1375rpm 0.28/2.3kw）采用接觸器正反轉(zhuǎn)雙繞組六抽頭進行驅(qū)動的，行程控制是由限位開關組成的。

4、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

profibus是一種國際化、開放式、不依賴于設備生產(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9.6kbit～12mbit/s，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的用戶數(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。mm440變頻器僅支持ppo1、ppo3兩種結(jié)構(gòu)，在切割機系統(tǒng)中采用了ppo1型通訊報文（4pkw+2pzd），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：主設定值；hiw：主實際值。

圖4 ppo的報文結(jié)構(gòu)

5 切割機控制系統(tǒng)硬件技術

5.1 plc系統(tǒng)

切割機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)切割工藝性能要求，plc系統(tǒng)cpu 選擇s7-315-2，通過cp343通訊模塊與l1級工業(yè)以太網(wǎng)通訊，同時通過profibus-dp接口與mm440變頻器和pcs smart 1200觸摸屏通訊。

5.2 人機界面

根據(jù)工藝特點及現(xiàn)場環(huán)境，切割機人機界面選擇pcs smart 1200觸摸屏。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 mm440變頻器特點

（1）豐富的控制功能。通過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種不同特點的控制模式，適用于恒轉(zhuǎn)矩、變轉(zhuǎn)矩等各種性質(zhì)負載，滿足各行業(yè)的驅(qū)動控制要求。在本控制系統(tǒng)中，采用v/f方式來驅(qū)動各分部電機；

（2）強大的通訊功能。利用profibus通訊可選件，可以將mm440接入開放的、高速（12mb/s）的dp網(wǎng)，實現(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。mm440繼承和吸收了6se70工程型變頻器的許多優(yōu)良特點，其中最具實用性的是具有區(qū)別一般通用變頻器的自由功能模塊和bico技術，利用豐富的自由功能模塊和靈活的bico技術，可方便地實現(xiàn)各種不同目的的組態(tài)設計，完成復雜控制設計的要求；

（4）豐富的停車和制動功能。mm440具有3種停車方式，即按斜坡減速停車（off1）、慣性停車（off2）快速停車（off3）。3種制動功能，即直流制動、復合制動、動力制動（須外接制動電阻，75kw以下已內(nèi)置制動單元）。停車方式和制動方式的靈活配用，可適應不同機械慣性負載的要求。本系統(tǒng)選用了off1、off3、母線電壓調(diào)整等功能以適應高速時的停車制動不同要求。

6、切割機控制系統(tǒng)硬件配置

在一次切割機控制系統(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)和編程的標準軟件包。

6.1 組態(tài)plc主站系統(tǒng)

（1）插入s7-300站：在plc項目ccm下新建項目ptcm，點擊右鍵，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，進入“hw config”窗口，點擊“catalog”圖標打開硬件目錄，按硬件安裝次序和訂貨號依次插入機架、電源、cpu、通訊模塊、輸入、輸出模塊；

（3）網(wǎng)絡參數(shù)設置：插入cpu模塊后會同時彈出profibus組態(tài)界面，新建profibus命名為ptcm_profibus，地址定義為2，點擊“properTIes”按鈕組態(tài)網(wǎng)絡屬性，選擇“network setTIngs”進行網(wǎng)絡參數(shù)設置，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 中將其設為dp master

6.2 切割機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)絡上，在彈出的proifbus屬性對話框中定義profibus站地址，為5號站。

圖6 選擇mm440變頻器

（2）通訊區(qū)定義：選擇ppo1類型，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，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。切割機系統(tǒng)中，應用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mm440變頻器（5#站）的 profibus控制命令的傳輸應用程序如下：

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

；目標數(shù)據(jù)地址

call “dpwr_dat” ；調(diào)用dp 寫命令

laddr：=w#16#120 ；起始地址

record：=p#db31.dbx0.0 byte 20

；目標數(shù)據(jù)地址

ret_val：=“5#comdata”.send_ret

7.2 切割車mm440變頻器參數(shù)定義

（1）基本通信參數(shù)定義：為了保證profubus的通信板正常應用，下面的參數(shù)必須設置，見表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)應用分為兩個部分：

過程數(shù)據(jù)輸出區(qū)：mm440變頻器接受plc的控制字和設定值，過程數(shù)據(jù)輸出區(qū)pzd1、pzd2對應mm440變頻器內(nèi)為控制字（r2090）和設定值（r2050）；

過程數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)：mm440變頻器給plc的狀態(tài)字和實際值，過程數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)pzd1（狀態(tài)字r0052）、 pzd2（實際值r0021）和mm440變頻器的參數(shù)p2050.1、p2050.2對應。

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

表2 變頻器通信參數(shù)應用

8、結(jié)束語

濟鋼第三煉鋼廠1#連鑄切割機控制充分利用了plc、pcs smart 1200觸摸屏和mm440變頻器以及profibus現(xiàn)場總線技術等先進技術，系統(tǒng)采用分布式開放結(jié)構(gòu)，響應速度快，組態(tài)靈活，控制功能完善，定尺準確，操作簡單。該系統(tǒng)在連鑄機的成功應用，實現(xiàn)了1#連鑄機鑄坯多規(guī)格自動切割的要求，大大提高了連鑄機生產(chǎn)能力和增加金屬收得率。