1 引言 滾切式雙邊剪機組是軋鋼廠精整車間的關鍵設備之一，主要用于鋼板的運送、切縱邊、寬度定尺、碎邊和碎邊收集[1]。雙邊剪機組主要包括剪前輥道、剪后輥道、主剪和夾送輥等。其中,夾送輥是很重要的設備。以前，大多數(shù)軋鋼廠的雙邊剪夾送輥控制系統(tǒng)均采用模擬量控制。這種系統(tǒng)存在控制精度不高，接線復雜，系統(tǒng)維修困難等缺點。并且，儀表和調(diào)速器均沒有通訊接口，使控制系統(tǒng)形成了“信息孤島”，信息不能被綜合利用和集成。隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，為開發(fā)新一代夾送輥控制系統(tǒng)提供了技術(shù)支持。為此，研制了基于profibus-dp總線的全數(shù)字雙邊剪夾送輥控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用了具有profibus-dp通信接口的直流調(diào)速器和分布式i/o，具有控制精度高、開放的通信結(jié)構(gòu)、接線簡單、維修方便等優(yōu)點，滿足了生產(chǎn)和管理的需要。 2 系統(tǒng)工藝流程 滾切式雙邊剪夾送輥共有4組，每組2臺，共8臺，分別布置在雙邊剪的入口端和出口端的移動側(cè)和固定側(cè)，分別稱作入口固定側(cè)（上/下輥）、入口移動側(cè)（上/下輥）、出口固定側(cè)（上/下輥）、出口移動側(cè)（上/下輥）。每側(cè)的下夾送輥用同步軸聯(lián)結(jié)。四對夾送輥根據(jù)鋼板送進的要求，會不斷地調(diào)整轉(zhuǎn)速、上抬/下壓等動作，是雙邊剪機組傳動的主要部分，也是改造項目中的主要控制對象。夾送輥的空間位置圖如圖1所示。 [align=center] 圖1 夾送輥的空間位置圖[/align] 雙邊剪控制系統(tǒng)的工藝和作業(yè)流程主要由夾送輥機組和剪刀機組通過一系列配合嚴密并相互協(xié)調(diào)的動作來實現(xiàn)。按照工藝要求，系統(tǒng)有三種剪切速度:24次/分、18次/分和12次/分，三種步長選擇:1100mm、1200mm以及1300mm。剪切鋼板時，需根據(jù)板厚和板長選擇不同的剪切步長和剪切速度，并必須根據(jù)實際檢測的鋼板位置對板頭和板尾部分的剪切步長進行實時調(diào)節(jié)。為了簡單地說明問題，以常用的剪切速度24次/分為例，對系統(tǒng)進行分析。剪切一刀的具體流程如圖2所示。 [align=center] 圖2 剪切鋼板的工藝流程[/align] 圖2中θ為剪切過程中曲軸角度值。以上所有的工藝都是在曲軸轉(zhuǎn)動一周（360°）內(nèi)按控制邏輯完成。剪切速度為每分鐘24次，即要在2.5s內(nèi)完成上述步驟，其中送板時間約為1s。鋼板的傳送是由八臺夾送輥共同完成的，分為入口夾送輥和出口夾送輥兩組，每組的上輥可根據(jù)鋼板在生產(chǎn)線上的位置上抬或下壓。每個夾送輥由一臺直流電機驅(qū)動，因此需要對八臺夾送輥驅(qū)動電機進行同步控制。其它工藝過程均由原系統(tǒng)中的主控plc控制。送板過程要在曲軸轉(zhuǎn)動一周內(nèi)與其他設備動作嚴密配合，就應該滿足送板及時、停止快速，且能夠在規(guī)定的時間內(nèi)送板到位。因此系統(tǒng)必需要保證各種測控信號和八臺驅(qū)動電機的控制信號能夠?qū)崟r被傳送。針對這樣一個實時性要求高、且多個控制對象分散的系統(tǒng)，一個有效的解決方案是采用profibus-dp構(gòu)成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。 3 profibus-dp現(xiàn)場總線技術(shù) profibus是德國國家標準din19245和歐洲標準en50170的現(xiàn)場總線標準，同時也是現(xiàn)場總線國際標準之一。參考模型是iso/osi模型。有三種系列:profibus-dp、profibus-fms和profibus-pa。dp系列用于分散外設間的高速傳輸，適合于加工自動化領域的應用。 3.1 總線協(xié)議 profibus-dp使用了osi模型的第1層、第2層和用戶接口，第3層到第7層未加以描述。這種經(jīng)過優(yōu)化的高速、廉價的通信協(xié)議，主要為自動控制系統(tǒng)和設備級分散i/o之間通信設計，可代替24v和0～20ma的信號,實現(xiàn)分布式全數(shù)字控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸。 3.2 總線存取方式 總線采用兩種存取方式，即主站之間的令牌傳遞方式和主從方式。profibus-dp主要的應用就是主從方式下主從站之間周期地進行數(shù)據(jù)交換。 主從方式的工作特點是，總線上一個主站可以控制多個從站，主站與每一個從站建立一條邏輯鏈路，主站發(fā)出命令，從站給出響應，從站可連續(xù)發(fā)送多個幀，直到無信息發(fā)送、達到發(fā)送數(shù)量或被主站停止為止。 3.3 傳輸技術(shù) profibus-dp采用rs-485和光纖傳輸技術(shù)。在電磁干擾嚴重的情況下采用光纖。傳輸速率為9.6kbps到12mbps。 3.4 系統(tǒng)配置 每個profibus-dp系統(tǒng)可包括三種不同類型的設備。 （1） 一類dp主站（dpm1）是一些中心站（如plc、pc），按規(guī)定的通訊周期與從站交換信息; （2） 二類dp主站（dpm2）主要是一些編程、監(jiān)控站點，主要用于配置、啟動及運行監(jiān)控系統(tǒng); （3） 從站是一些直接連接i/o信號的外圍設備，如輸入、輸出、驅(qū)動器等。 4 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成及各部分功能 如圖3所示，控制系統(tǒng)為基于profibus-dp的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，采用單主從式總線型拓撲結(jié)構(gòu)，硬件設備均采用西門子公司的產(chǎn)品。 [align=center] 圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖[/align] 4.1 s7-400plc主站系統(tǒng) s7-400 plc站是整個系統(tǒng)最主要的部分，它包括電源模塊、cpu模塊、數(shù)字量輸入模塊di、數(shù)字量輸出模塊do和計數(shù)模塊fm等。這些模塊按照一定的順序規(guī)則地安裝在機架ur上面。它主要完成以下功能: （1） 完成與主剪控制plc的信息交換 s7-400 plc從主剪控制plc接收夾送輥啟動、停止和壓板壓下等信號。反饋給主剪控制plc驅(qū)動器準備好、驅(qū)動器故障、電機風機準備好、電機風機故障等信號。 （2） 根據(jù)雙邊剪機組的工藝要求和主剪控制plc來的信號，控制各夾送輥的運轉(zhuǎn)。 （3） 為保證鋼板在剪切過程中不跑偏，對8臺夾送輥電機進行同步控制。控制方法如下:當鋼板頭部進入雙邊剪的入口端時，兩上夾送輥壓下，鋼板向前運行。入口端固定側(cè)下夾送輥采用速度控制，其余3臺入口側(cè)夾送輥作為力矩跟隨，此時，入口端夾送輥為“1主3從”的控制方式。當鋼板頭部進入到雙邊剪出口端時，兩出口上夾送輥壓下。出口固定側(cè)下夾送輥采用速度控制，其余7臺夾送輥為力矩跟隨。8臺夾送輥為“1主7從”的控制方式。當板尾離開入口端時，兩入口上輥抬起，出口端固定側(cè)下夾送輥采用速度控制，其余3臺出口側(cè)夾送輥為力矩跟隨，出口端夾送輥為“1主3從”的控制方式。 4.2 6ra70全數(shù)字式直流調(diào)速裝置 6ra70全數(shù)字式直流調(diào)速裝置是直流電機的驅(qū)動裝置，是系統(tǒng)的核心單元之一。主回路采用三相橋式反并聯(lián)電路，勵磁回路為單相半控橋電路。該系統(tǒng)為邏輯無環(huán)流可逆方式，可實現(xiàn)頻繁的正、反轉(zhuǎn)操作，具有可在四象限運行的機械特性。在本系統(tǒng)中，它作為智能從站掛在profibus-dp網(wǎng)絡上。主要負責接收plc的控制指令、反饋必要的信息給plc、控制夾送輥電機和風機。主站plc通過cbp2通訊模塊建立與調(diào)速器的profibus-dp主從通訊。 4.3 分布式i/o 由于各調(diào)速器安裝在不同的控制柜上，為了安裝和維修的便利，給每個調(diào)速器都配備一個分布式i/o模塊——et200m。et200m智能從站以im153為接口模塊，實現(xiàn)與profibus-dp總線的連接，負責處理一些調(diào)速器柜和控制面板的開關量信號。 5 控制系統(tǒng)的實現(xiàn) 5.1 6ra70與plc的profibus-dp通信 （1） 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 在profibus-dp網(wǎng)絡中，主站使用主從方式，且通常周期性的與傳動裝置進行數(shù)據(jù)交換。在profibus-dp數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，6ra70調(diào)速裝置周期性通道的有用數(shù)據(jù)被定義為參數(shù)過程數(shù)據(jù)對象（ppo）。參數(shù)過程數(shù)據(jù)對象最長為14個字，分為兩個區(qū)域:參數(shù)數(shù)據(jù)（pkw）和過程數(shù)據(jù)（pzd），它們以各自的報文進行數(shù)據(jù)傳送，見圖4。參數(shù)區(qū)用于讀寫調(diào)速裝置的參數(shù)，如讀出故障、參數(shù)的特征信息等。過程數(shù)據(jù)用于協(xié)調(diào)傳動裝置和自動化系統(tǒng)中其它單元的工作，主要包括控制字、設定值、狀態(tài)字和實際值等。 [align=center] 圖4 參數(shù)過程數(shù)據(jù)對象（ppo1型）[/align] 共有5種ppo類型:第一大類為無參數(shù)區(qū)，且有兩個字（ppo3）或6個字（ppo4）的過程數(shù)據(jù);第二大類為有參數(shù)區(qū)，且有兩個字（ppo1）、6個字（ppo2）或10個字（ppo5）的過程數(shù)據(jù)。 （2） ppo型的設置 當總線系統(tǒng)啟動時，用于profibus-dp主站到調(diào)速裝置通信類型的ppo能夠由主站來配置。選擇哪種類型的ppo，取決于自動化網(wǎng)絡中傳動裝置的任務。由于在夾送輥控制系統(tǒng)中要讀寫必要的參數(shù)，如斜坡上升時間和下降時間參數(shù)、速度/電流閉環(huán)選擇參數(shù)等;而且，還要通過總線來給定速度值。所以我們選擇使用ppo1型。 （3） 通信的實現(xiàn) 直流調(diào)速裝置的參數(shù)與ppo型中過程數(shù)據(jù)的互連設置好后，就可以通過對主站plc編程來實現(xiàn)總線通信了。因為使用裝載指令訪問i/o或輸入映象區(qū)最多只能讀出4個連續(xù)的字節(jié)，而在該系統(tǒng)中選用的ppo1型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含有6個字。因此，必須使用plc提供的系統(tǒng)功能來實現(xiàn)總線的通信。系統(tǒng)功能sfc14用于讀取dp標準從站的連續(xù)數(shù)據(jù)，sfc15則用于向dp標準從站寫連續(xù)數(shù)據(jù)。在周期性數(shù)據(jù)交換方式下，僅能通過系統(tǒng)功能sfc14和sfc15來完成ppo數(shù)據(jù)的存取。 5.2 控制程序的設計 系統(tǒng)程序軟件開發(fā)環(huán)境為西門子step7 v5.3，整個系統(tǒng)采用模塊化程序設計，即將程序分解為單個的、自成體系的程序部分。這樣可以使得程序組織簡化，大規(guī)模的程序更容易理解，程序修改和系統(tǒng)調(diào)試更容易。程序總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。 [align=center] 圖5 系統(tǒng)程序模塊結(jié)構(gòu)圖[/align] 圖5中ob1是程序循環(huán)組織塊，在s7 cpu操作系統(tǒng)上電后將周期性地執(zhí)行組織塊ob1程序。因為ob1的循環(huán)執(zhí)行，控制程序的主程序總是放ob1中。cpu運行時，正常情況下，功能塊如工藝模塊、夾送輥電機控制模塊、計數(shù)器控制模塊等在ob1中按照工藝要求循環(huán)地被調(diào)用著。當出現(xiàn)循環(huán)中斷和故障中斷時，系統(tǒng)會跳出正在運行的程序去處理相應的中斷模塊。ob1的優(yōu)先級是最低的，可以響應任意中斷。 各功能塊的功能如下: （1） 工藝模塊負責雙邊剪工藝要求，根據(jù)工藝要求來協(xié)調(diào)雙邊剪各機構(gòu)的運行;圖6是實現(xiàn)雙邊剪剪切要求的工藝模塊主程序結(jié)構(gòu)圖; （2） 入口輥電機控制模塊由四個功能（fc）組成，每個功能完成一個夾送輥電機的基本控制，入口輥電機控制模塊的作用是按照工藝模塊的要求實時控制入口夾送輥4個電機的起動和停止; （3） 出口輥電機控制模塊與入口輥電機控制模塊功能相似，其作用是按照工藝模塊的要求實時控制出口夾送輥4個電機的起動和停止; （4） 計數(shù)器控制模塊完成對入口下輥編碼器和出口下輥編碼器的控制; （5） 循環(huán)中斷模塊用于各夾送輥電機電流和電壓數(shù)據(jù)的采集; （6） 故障中斷模塊完成系統(tǒng)功能自檢、故障自診斷和故障自處理等功能。 [align=center] 圖6 軟件主控程序流程圖[/align] 6 結(jié)束語 運用profibus－dp現(xiàn)場總線網(wǎng)絡控制取代傳統(tǒng)的模擬量控制方式，實現(xiàn)了系統(tǒng)的全數(shù)字分布式控制。使控制系統(tǒng)實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。該系統(tǒng)在韶鋼第二軋鋼廠雙邊剪機組投入使用一年多來，未出現(xiàn)任何故障。實際應用表明，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、可靠性高、性能價格比高等特點，具有很高的推廣應用價值。