1 引言 滾切式雙邊剪機(jī)組是軋鋼廠精整車間的關(guān)鍵設(shè)備之一，主要用于鋼板的運(yùn)送、切縱邊、寬度定尺、碎邊和碎邊收集[1]。雙邊剪機(jī)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(shè)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(fù)雜，系統(tǒng)維修困難等缺點(diǎn)。并且，儀表和調(diào)速器均沒(méi)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(chǎng)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(jiǎn)單、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，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(tái)，共8臺(tái)，分別布置在雙邊剪的入口端和出口端的移動(dòng)側(cè)和固定側(cè)，分別稱作入口固定側(cè)（上/下輥）、入口移動(dòng)側(cè)（上/下輥）、出口固定側(cè)（上/下輥）、出口移動(dòng)側(cè)（上/下輥）。每側(cè)的下夾送輥用同步軸聯(lián)結(jié)。四對(duì)夾送輥根據(jù)鋼板送進(jìn)的要求，會(huì)不斷地調(diào)整轉(zhuǎn)速、上抬/下壓等動(dòng)作，是雙邊剪機(jī)組傳動(dòng)的主要部分，也是改造項(xiàng)目中的主要控制對(duì)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(jī)組和剪刀機(jī)組通過(guò)一系列配合嚴(yán)密并相互協(xié)調(diào)的動(dòng)作來(lái)實(shí)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(zhǎng)選擇:1100mm、1200mm以及1300mm。剪切鋼板時(shí)，需根據(jù)板厚和板長(zhǎng)選擇不同的剪切步長(zhǎng)和剪切速度，并必須根據(jù)實(shí)際檢測(cè)的鋼板位置對(duì)板頭和板尾部分的剪切步長(zhǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。為了簡(jiǎn)單地說(shuō)明問(wèn)題，以常用的剪切速度24次/分為例，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(guò)程中曲軸角度值。以上所有的工藝都是在曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)間約為1s。鋼板的傳送是由八臺(tái)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(gè)夾送輥由一臺(tái)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此需要對(duì)八臺(tái)夾送輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行同步控制。其它工藝過(guò)程均由原系統(tǒng)中的主控plc控制。送板過(guò)程要在曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周內(nèi)與其他設(shè)備動(dòng)作嚴(yán)密配合，就應(yīng)該滿足送板及時(shí)、停止快速，且能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)送板到位。因此系統(tǒng)必需要保證各種測(cè)控信號(hào)和八臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制信號(hào)能夠?qū)崟r(shí)被傳送。針對(duì)這樣一個(gè)實(shí)時(shí)性要求高、且多個(gè)控制對(duì)象分散的系統(tǒng)，一個(gè)有效的解決方案是采用profibus-dp構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。 3 profibus-dp現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù) profibus是德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)din19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)en50170的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也是現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)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(shè)間的高速傳輸，適合于加工自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)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(guò)優(yōu)化的高速、廉價(jià)的通信協(xié)議，主要為自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備級(jí)分散i/o之間通信設(shè)計(jì)，可代替24v和0～20ma的信號(hào),實(shí)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(yīng)用就是主從方式下主從站之間周期地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。 主從方式的工作特點(diǎn)是，總線上一個(gè)主站可以控制多個(gè)從站，主站與每一個(gè)從站建立一條邏輯鏈路，主站發(fā)出命令，從站給出響應(yīng)，從站可連續(xù)發(fā)送多個(gè)幀，直到無(wú)信息發(fā)送、達(dá)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(yán)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(gè)profibus-dp系統(tǒng)可包括三種不同類型的設(shè)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(diǎn)，主要用于配置、啟動(dòng)及運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng); （3） 從站是一些直接連接i/o信號(hào)的外圍設(shè)備，如輸入、輸出、驅(qū)動(dòng)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(chǎng)總線控制系統(tǒng)，采用單主從式總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，硬件設(shè)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(gè)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(jì)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(jī)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(dòng)、停止和壓板壓下等信號(hào)。反饋給主剪控制plc驅(qū)動(dòng)器準(zhǔn)備好、驅(qū)動(dòng)器故障、電機(jī)風(fēng)機(jī)準(zhǔn)備好、電機(jī)風(fēng)機(jī)故障等信號(hào)。 （2） 根據(jù)雙邊剪機(jī)組的工藝要求和主剪控制plc來(lái)的信號(hào)，控制各夾送輥的運(yùn)轉(zhuǎn)。 （3） 為保證鋼板在剪切過(guò)程中不跑偏，對(duì)8臺(tái)夾送輥電機(jī)進(jìn)行同步控制?？刂品椒ㄈ缦?當(dāng)鋼板頭部進(jìn)入雙邊剪的入口端時(shí)，兩上夾送輥壓下，鋼板向前運(yùn)行。入口端固定側(cè)下夾送輥采用速度控制，其余3臺(tái)入口側(cè)夾送輥?zhàn)鳛榱馗S，此時(shí)，入口端夾送輥為“1主3從”的控制方式。當(dāng)鋼板頭部進(jìn)入到雙邊剪出口端時(shí)，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(tái)夾送輥為力矩跟隨。8臺(tái)夾送輥為“1主7從”的控制方式。當(dāng)板尾離開入口端時(shí)，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(tái)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(jī)的驅(qū)動(dòng)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(lì)磁回路為單相半控橋電路。該系統(tǒng)為邏輯無(wú)環(huán)流可逆方式，可實(shí)現(xiàn)頻繁的正、反轉(zhuǎn)操作，具有可在四象限運(yùn)行的機(jī)械特性。在本系統(tǒng)中，它作為智能從站掛在profibus-dp網(wǎng)絡(luò)上。主要負(fù)責(zé)接收plc的控制指令、反饋必要的信息給plc、控制夾送輥電機(jī)和風(fēng)機(jī)。主站plc通過(guò)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(gè)調(diào)速器都配備一個(gè)分布式i/o模塊——et200m。et200m智能從站以im153為接口模塊，實(shí)現(xiàn)與profibus-dp總線的連接，負(fù)責(zé)處理一些調(diào)速器柜和控制面板的開關(guān)量信號(hào)。 5 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 5.1 6ra70與plc的profibus-dp通信 （1） 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 在profibus-dp網(wǎng)絡(luò)中，主站使用主從方式，且通常周期性的與傳動(dòng)裝置進(jìn)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(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象（ppo）。參數(shù)過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象最長(zhǎng)為14個(gè)字，分為兩個(gè)區(qū)域:參數(shù)數(shù)據(jù)（pkw）和過(guò)程數(shù)據(jù)（pzd），它們以各自的報(bào)文進(jìn)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(guò)程數(shù)據(jù)用于協(xié)調(diào)傳動(dòng)裝置和自動(dòng)化系統(tǒng)中其它單元的工作，主要包括控制字、設(shè)定值、狀態(tài)字和實(shí)際值等。 [align=center] 圖4 參數(shù)過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象（ppo1型）[/align] 共有5種ppo類型:第一大類為無(wú)參數(shù)區(qū)，且有兩個(gè)字（ppo3）或6個(gè)字（ppo4）的過(guò)程數(shù)據(jù);第二大類為有參數(shù)區(qū)，且有兩個(gè)字（ppo1）、6個(gè)字（ppo2）或10個(gè)字（ppo5）的過(guò)程數(shù)據(jù)。 （2） ppo型的設(shè)置 當(dāng)總線系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，用于profibus-dp主站到調(diào)速裝置通信類型的ppo能夠由主站來(lái)配置。選擇哪種類型的ppo，取決于自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)中傳動(dòng)裝置的任務(wù)。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(shí)間和下降時(shí)間參數(shù)、速度/電流閉環(huán)選擇參數(shù)等;而且，還要通過(guò)總線來(lái)給定速度值。所以我們選擇使用ppo1型。 （3） 通信的實(shí)現(xiàn) 直流調(diào)速裝置的參數(shù)與ppo型中過(guò)程數(shù)據(jù)的互連設(shè)置好后，就可以通過(guò)對(duì)主站plc編程來(lái)實(shí)現(xiàn)總線通信了。因?yàn)槭褂醚b載指令訪問(wèn)i/o或輸入映象區(qū)最多只能讀出4個(gè)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(gè)字。因此，必須使用plc提供的系統(tǒng)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)總線的通信。系統(tǒng)功能sfc14用于讀取dp標(biāo)準(zhǔn)從站的連續(xù)數(shù)據(jù)，sfc15則用于向dp標(biāo)準(zhǔn)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(guò)系統(tǒng)功能sfc14和sfc15來(lái)完成ppo數(shù)據(jù)的存取。 5.2 控制程序的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)程序軟件開發(fā)環(huán)境為西門子step7 v5.3，整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化程序設(shè)計(jì)，即將程序分解為單個(gè)的、自成體系的程序部分。這樣可以使得程序組織簡(jiǎn)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?yàn)閛b1的循環(huán)執(zhí)行，控制程序的主程序總是放ob1中。cpu運(yùn)行時(shí)，正常情況下，功能塊如工藝模塊、夾送輥電機(jī)控制模塊、計(jì)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(dāng)出現(xiàn)循環(huán)中斷和故障中斷時(shí)，系統(tǒng)會(huì)跳出正在運(yùn)行的程序去處理相應(yīng)的中斷模塊。ob1的優(yōu)先級(jí)是最低的，可以響應(yīng)任意中斷。 各功能塊的功能如下: （1） 工藝模塊負(fù)責(zé)雙邊剪工藝要求，根據(jù)工藝要求來(lái)協(xié)調(diào)雙邊剪各機(jī)構(gòu)的運(yùn)行;圖6是實(shí)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(jī)控制模塊由四個(gè)功能（fc）組成，每個(gè)功能完成一個(gè)夾送輥電機(jī)的基本控制，入口輥電機(jī)控制模塊的作用是按照工藝模塊的要求實(shí)時(shí)控制入口夾送輥4個(gè)電機(jī)的起動(dòng)和停止; （3） 出口輥電機(jī)控制模塊與入口輥電機(jī)控制模塊功能相似，其作用是按照工藝模塊的要求實(shí)時(shí)控制出口夾送輥4個(gè)電機(jī)的起動(dòng)和停止; （4） 計(jì)數(shù)器控制模塊完成對(duì)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(jī)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(yǔ) 運(yùn)用profibus－dp現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)控制取代傳統(tǒng)的模擬量控制方式，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的全數(shù)字分布式控制。使控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。該系統(tǒng)在韶鋼第二軋鋼廠雙邊剪機(jī)組投入使用一年多來(lái)，未出現(xiàn)任何故障。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便、可靠性高、性能價(jià)格比高等特點(diǎn)，具有很高的推廣應(yīng)用價(jià)值。