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(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(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)，是當今世界最先進伺服控制技術(shù)。
2 連鑄機結(jié)晶器調(diào)寬工藝
濟鋼第三煉鋼廠asp1700薄板坯連鑄連軋結(jié)晶器采用直結(jié)晶器，由兩個寬面和兩個窄面構(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，以便在連鑄機準備和澆注期間調(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寬面和兩個窄面，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，彈簧能夠保持夾緊力而不會有危險。
結(jié)晶器調(diào)寬系統(tǒng)包括:4套絲杠機構(gòu)，每個窄面2套;4套帶有旋轉(zhuǎn)變壓器的交流異步伺服電動機，固定在澆注平臺下的冷卻室外;4個萬向軸、4套交流伺服控制單元。結(jié)晶器調(diào)寬窄面控制機械結(jié)構(gòu)，如圖1所示。每一個窄面使用伺服單元控制調(diào)寬電機驅(qū)動，可以改變兩邊寬度和每個面的錐度。由于調(diào)寬時生產(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)整寬度的同時必須調(diào)整錐度。為了減小凝固坯殼的應力，窄面的調(diào)整應緩慢進行。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。控制系統(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)字運動控制器，具有過載能力大，調(diào)速范圍寬等特點，設(shè)有tp270人機界面，可設(shè)定和故障監(jiān)視功能。每個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，是一種高動態(tài)響應、高精度的運動控制方式。傳動系統(tǒng)經(jīng)profibus總線和plc及tp270相連。伺服電機采用倫茲（mdskars090-22）三相交流異步伺服電動機，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)定值輸入到人機界面上，經(jīng)profibus總線傳輸給調(diào)寬 plc，plc運算后，給各個伺服單元發(fā)出位置控制信號，伺服單元將伺服電機旋轉(zhuǎn)變壓器信號換算出的實際位置信號和實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)晶器上下口電機的恒定速度差，實現(xiàn)窄面銅板的精確定位。整個控制系統(tǒng)是以伺服電機電流環(huán)、電機速度為內(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，速度響應快，運行平穩(wěn)可靠，定位準確，調(diào)寬控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2所示。
4 關(guān)于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(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總線的特點
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(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，共用一根導線對，通訊速率可選用 9.6kbps～12mbps，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。
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(shè)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(luò)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。在結(jié)晶器調(diào)寬交流伺服控制系統(tǒng)中采用了 ppo5型通訊報文，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(shè)定值;
hiw:主實際值。
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l1系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，其系統(tǒng)設(shè)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(shè)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)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運動控制器和tp270通訊。
5.2 人機界面
根據(jù)工藝特點及現(xiàn)場環(huán)境，結(jié)晶器調(diào)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:
（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、功能鍵或觸模控制，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 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運動控制器，該控制器是應用于高動態(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(tǒng)。mc控制器有以下特點:
（1） 高動態(tài)響應，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)部具有功能強大的硬件計算電路和特殊的總線結(jié)構(gòu)，具有強大的數(shù)字信號處理功能;mc運動控制驅(qū)動器同時具有極高的過載因數(shù)，250ms內(nèi)300%的過載能力。
（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(qū)動任務，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） 強大的通訊能力
mc運動控制驅(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，顯著地增強了伺服單元與其它控制設(shè)備間的互聯(lián)能力。mc運動控制驅(qū)動器的各種通訊模板中有支持profibus總線的cbp2板，profibus-dp是當今世界上最為成功和流行的現(xiàn)場總線標準，在 profibus cbp2功能模板上實現(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。
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)和編程的標準軟件包;系統(tǒng)操作界面tp270使用protool進行組態(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下運行。
6.1 組態(tài)plc主站系統(tǒng)
（1） 在plc項目ccm2下新建項目plc-3（nwa-ccm1），點擊右鍵，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，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、兩塊輸入、輸出模塊;
（3） 插入cpu模塊后會同時彈出profibus組態(tài)界面，新建profibus命名為profibus_plc3，地址定義為2，點擊 “properties”按鈕組態(tài)網(wǎng)絡(luò)屬性，選擇”network settings”進行網(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;
（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pzd，通訊需要9個字，選取ppo-typ5，pkw+pzd-10/10，如圖6所示。
（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
（4） 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） 在項目ccm2下新建項目tp270_moldwidh_ adjust，點擊右鍵，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項目，進入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） 點擊“parameters”按鈕，進行參數(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。
7 交流伺服控制系統(tǒng)軟件應用
7.1 plc數(shù)據(jù)profibus傳輸編程
step7 v5.3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。交流伺服控制系統(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c控制器的通訊區(qū)pzd數(shù)據(jù)區(qū)piw內(nèi)，同時把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)，實現(xiàn)控制字和設(shè)定值（任務:主站 變頻器）或狀態(tài)字和實際值（響應:變頻器主站）的傳輸。只有當控制字、設(shè)定值和狀態(tài)字實際值依照“過程數(shù)據(jù)連接”規(guī)定的路徑連接時，該過程數(shù)據(jù)的傳輸才有效。在mc控制器通信參數(shù)應用分為兩個部分: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)字和實際值兩部分。
（1） 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)實際應用中，分別用k3007和k3008構(gòu)成一個雙字節(jié)數(shù)據(jù)，用k3009和k3010構(gòu)成一個雙字節(jié)數(shù)據(jù)。
（2） 過程數(shù)據(jù)輸出區(qū)在mc控制器應用
在實際應用中，mc控制器主要應用過程數(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 位置控制信號點動前進
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)實際應用中，分別用p734.2和p734.3構(gòu)成一個雙字節(jié)數(shù)據(jù)，p734.7和p734.8構(gòu)成一個雙字節(jié)數(shù)據(jù)。
（4） 過程數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)在mc控制器的實際應用
在實際應用中，mc控制器主要定義以下參數(shù)進行過程數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)數(shù)值傳送:
p734.1=k32 裝置狀態(tài)字
p734.2=kk120 位置實際值
p734.3=kk120 位置實際值
p734.5= k22 電流實際值
p734.6= k433 運行綜合信號
p734.7= kk91 速度實際值
p734.8= kk91 速度實際值
8 結(jié)束語
交流伺服控制在濟鋼連鑄機結(jié)晶器調(diào)寬系統(tǒng)的成功應用，實現(xiàn)了濟鋼1700連鑄-連軋系統(tǒng)不停機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。