近來(lái)，由于交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，交流調(diào)速已被廣泛應(yīng)用鋼鐵生產(chǎn)領(lǐng)域，鋼帶卷繞系統(tǒng)的張力與速度控制是最有挑戰(zhàn)性的控制環(huán)節(jié)。在卷繞機(jī)上，鋼帶張力的控制好壞是關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量，鋼帶的卷繞速度是關(guān)系到生產(chǎn)效率，其中對(duì)張力的控制要求更高。

　　【摘要】本文介紹了某鋼帶廠大型鋼帶軋制機(jī)的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由S7-300PLC、MM440變頻器、異步電動(dòng)機(jī)、Wincc監(jiān)控軟件等組成。S7-300PLC通過(guò)Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)控制兩臺(tái)MM440變頻器以及現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行設(shè)備，MM440變頻器分別驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)，一臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪，另一臺(tái)電動(dòng)機(jī)控制從動(dòng)輪。通過(guò)控制兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)之間的速度差，達(dá)到張力控制的目的，兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)分別實(shí)現(xiàn)智能模糊PI調(diào)節(jié)控制，從而有實(shí)現(xiàn)速度的無(wú)差控制。自安裝調(diào)試成功以來(lái)，系統(tǒng)運(yùn)行良好、性能可靠，極大地提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。

　　【關(guān)鍵詞】S7-300PLC,張力,Profibus-DP總線,Wincc

　　1.引言

　　本文作者受某鋼帶廠家委托，采用了西門(mén)子公司生產(chǎn)的MM440變頻器、S7-300PLC開(kāi)發(fā)了一套新的基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線的多電機(jī)張力控制系統(tǒng)，并配備了西門(mén)子Wincc監(jiān)控軟件，提供了良好的人機(jī)界面。系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)，運(yùn)行和維護(hù)成本低，生產(chǎn)效率高的特點(diǎn)。

　　2.機(jī)械系統(tǒng)模型

　　圖1顯示了交流異步電機(jī)采用適量控制時(shí)的張力控制框圖。為了能夠控制卷繞系統(tǒng)上鋼帶的速度與張力，具體的控制方法是不僅控制一臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速同時(shí)控制另一臺(tái)的電機(jī)的相反轉(zhuǎn)矩。電機(jī)1為從電動(dòng)機(jī)執(zhí)行張力控制，電動(dòng)機(jī)2為主電動(dòng)機(jī)執(zhí)行系統(tǒng)的速度控制。不計(jì)轉(zhuǎn)輥與皮帶之間的粘磨系數(shù)和滑磨力，兩電機(jī)與轉(zhuǎn)輥間的齒輪比是15：1，卷繞系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為（1）（2）和（3）所示。

　　3.Profibus-DP總線控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

　　根據(jù)鋼帶軋?jiān)鷻C(jī)的工藝流程和控制要求，我們采用了PROFIBUS-DP解決方案。在Profibus-DP總線控制系統(tǒng)中，選一臺(tái)裝有Wincc6.0監(jiān)控軟件的碩華工控公司生產(chǎn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)（CPU為PentiumII550MHz）作為第二類(lèi)主站，一臺(tái)S7-CPU315-2DP的PLC作為系統(tǒng)的第一類(lèi)主站。兩臺(tái)MM440變頻器通過(guò)CB15接口連到Profibus-DP總線上，作為從站。第二類(lèi)主站主要完成對(duì)系統(tǒng)底層設(shè)備變頻器的遠(yuǎn)程診斷、故障報(bào)警及參數(shù)化等，第一類(lèi)主站主要實(shí)現(xiàn)智能模糊控制算法的實(shí)現(xiàn)，從而控制MM440變頻器的運(yùn)行和Profibus-DP總線網(wǎng)絡(luò)的管理。系統(tǒng)的總體控制結(jié)構(gòu)圖，如圖4所示。

　　4.系統(tǒng)的通訊設(shè)計(jì)

　　MM440系列變頻器都集成有兩種標(biāo)準(zhǔn)的串口RS-485和RS-232，但是這種串口通信速度相對(duì)較慢，實(shí)時(shí)性差。因此我們加了Profibus-DP接口卡。Profibus-DP是目前最成功的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，得到了廣泛的應(yīng)用。DP主站通過(guò)不斷給DP從站發(fā)請(qǐng)求報(bào)文（含有控制和設(shè)置信息），DP從站接受報(bào)文，解析地址并與自己的站地址進(jìn)行比較，如果是發(fā)給自己的信息，則在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)發(fā)響應(yīng)報(bào)文（含有狀態(tài)信息等）。在這過(guò)程MM440變頻器還監(jiān)控通訊，如果通訊失敗，MM440變頻器將觸發(fā)一個(gè)過(guò)時(shí)響應(yīng)，通知主站重發(fā)信息。圖5為Profibus-DP通過(guò)FDL發(fā)送的用戶(hù)數(shù)據(jù)原理主成塊結(jié)構(gòu)[2]，其中“DATA-UNIT”為用戶(hù)根據(jù)不同的傳動(dòng)設(shè)備的行規(guī)而設(shè)置的用戶(hù)數(shù)。圖6為Profibus-DP報(bào)文基本的通訊模式。

　　Profibus-DP行規(guī)對(duì)用戶(hù)數(shù)據(jù)（DATA-UNIT）的定義做了具體說(shuō)明，利用行規(guī)可使不同廠商所生產(chǎn)的不同零部件互換使用。這里采用了變速傳動(dòng)行規(guī)：此行規(guī)規(guī)定了傳動(dòng)設(shè)備如何參數(shù)化以及如何傳送設(shè)定值和實(shí)際值。此行規(guī)包括對(duì)速度控制和定位的必要的規(guī)格參數(shù)，規(guī)定基本的傳動(dòng)功能而又為特殊應(yīng)用擴(kuò)展和進(jìn)一步發(fā)展留有余地。根據(jù)變速傳動(dòng)行規(guī)，這里的用戶(hù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)被指定為參數(shù)過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象（PPO），如圖7所示[2]。

　　圖7中參數(shù)PWK和過(guò)程數(shù)據(jù)PZD的具體含義：

　　PWK：對(duì)于任務(wù)報(bào)文，為設(shè)置變頻器的參數(shù)區(qū)；對(duì)于該控制區(qū)的數(shù)據(jù)為可選，使用數(shù)據(jù)包的短格式可以沒(méi)有此項(xiàng)數(shù)據(jù)，本論文中采用了短格式故沒(méi)用此項(xiàng)數(shù)據(jù)。

　　PZD：本論文中，采用4字節(jié)的過(guò)程數(shù)據(jù)。從主站（S7-300PLC）到從站（變頻器）時(shí)，PZD一般為兩字節(jié)的控制字（STW）和兩字節(jié)的主設(shè)定值（HSW）；由從站（變頻器）到主站（S7-300PLC）時(shí)，PZD一般的構(gòu)成為兩字節(jié)的狀態(tài)字（ZSW）和兩字節(jié)的主實(shí)際值（HIW）�？刂谱趾蜖顟B(tài)字的具體構(gòu)成如圖8和圖9所示，HSW為主站發(fā)送到從站的設(shè)定頻率值，HIW為從站的輸出實(shí)際頻率值。

　　5.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要內(nèi)容是通過(guò)S7-300PLC實(shí)現(xiàn)張力的智能模糊PID控制。S7-300PLC編程語(yǔ)言為STEP7，是西門(mén)子公司開(kāi)發(fā)用于S7-300/400PLC的編程語(yǔ)言。Step7的程序是由各種功能模塊構(gòu)成的，正是由于這些功能模塊的編程特點(diǎn)，使得在Step7的程序設(shè)計(jì)中方法更靈活[4、5]。圖10所示為控制程序的塊調(diào)用的分層結(jié)構(gòu)圖。

　　圖11所示為控制程序的主控制框圖。其中上電程序初始化在OB100中實(shí)現(xiàn)，具體的程序執(zhí)行過(guò)程如圖12所示。當(dāng)操作系統(tǒng)檢測(cè)到異步故障時(shí)，就會(huì)調(diào)用OB80-OB87中的故障處理程序。主程序循環(huán)OB1中我們放了一些NOP指令，程序的主體部分放在每100ms發(fā)生一次中斷的OB35中實(shí)現(xiàn)，如圖13所示，OB35中的中斷服務(wù)子程序。

　　在張力控制回路中智能模糊PID控制器的實(shí)現(xiàn)，可按照在速度控制回路中的方式來(lái)編程完成。模糊邏輯解耦補(bǔ)償器的編程實(shí)現(xiàn)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，只要查詢(xún)一維表即可。

　　6.結(jié)束語(yǔ)

　　本系統(tǒng)成功的開(kāi)發(fā)了一套基于Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線的鋼帶軋?jiān)鷻C(jī)控制系統(tǒng)�，F(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行設(shè)備和主控PLC通過(guò)總線通訊，使系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)，提高了系統(tǒng)可靠性。西門(mén)子Wincc監(jiān)控軟件可以方便的顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)置參數(shù)和操作。系統(tǒng)自安裝以來(lái)運(yùn)行良好，鋼帶軋?jiān)�質(zhì)量和產(chǎn)量多大幅提高，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。

　　參考文獻(xiàn)

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　　[3]LadderLogic（LAD）forS7-300andS7-400programming.SIEMENSAG.1998.

　　[4]SystemSoftwareforS7-300andS7-400SystemandStandardFunctionsReferenceManual.SIEMENSAG.1998.

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