FM458在熱連軋卷取機上的應用

劉巨偉

卷取機是熱連軋生產線的重要組成部分，面對越來越激烈的市場競爭，客戶對卷形的要求越來越高，對卷取機的控制也提出了更高的要求。

在卷取區，控制系統主要完成帶鋼頭部咬入、助卷輥踏步、卷取和末架精軋機間張力恒定收卷、帶尾出末架精軋機后卷取和夾送輥間恒張力運行、帶尾檢測卷取機減速運行、帶尾準確停車等。

其中很多功能特別是踏步功能對控制器的實時性要求較高。因此我們在選擇控制器時綜合考慮多方面因素后選擇了高性能處理器FM458作為卷取區工藝控制器。

1 硬件系統

1.1 現場信號分布

現場每一套卷取機主要信號如下：

（1） 助卷輥液壓缸有桿腔壓力傳感器（4～20 mA） 信號。

（2） 助卷輥液壓缸無桿腔壓力傳感器（4～20 mA） 信號。

（3） 卷筒漲縮缸有桿腔壓力傳感器（4～20 mA） 信號。

（4） 卷筒漲縮缸無桿腔壓力傳感器（4～20 mA） 信號。

（5） 助卷輥位移傳感器 （SSI） 信號。

（6）卷筒漲縮位移傳感器（SSI）信號。

（7） 助卷輥升降伺服閥 （4～20 mA） 信號。

（8） 卷筒漲縮伺服閥 （4～20 mA） 信號。

1.2 FM458特性

FM 458－1 DP模塊集成了PROFIBUS－DP連接接口；擁有64位RISC浮點處理器；最短循環時間 0．1 ms（通常為 0．5 ms）；用于通訊任務的 32 位控制器；以及可確保在FM 458－1 DP應用模塊與其擴展模塊之間快速傳送數據的本地擴展總線（LE總線）[1]。

EXM 438－1是FM 458－1 DP的I/O擴展模塊，它具有8路增量型編碼器通道；4路絕對值型編碼器通道 (SSI或EnDat)；5路12位±10 V電壓型模擬量輸入通道；4路12位±10 V電壓型模擬量輸出通道；4路16位±10 V電壓型模擬量輸出通道；16路24 V數字量輸入通道；8路24 V數字量輸出通道。通過LE總線與FM 458－1 DP模板進行快速數據交換，由P總線為其提供電源。

EXM 438/EXM 438－2是 FM 458－1 DP 的通訊擴展模塊，可以使用PROFIBUS DP或SIMOLINK進行高速通訊，該模塊同樣通過LE總線與FM 458－1 DP模板快速交換數據，同樣由P總線為其提供電源。

2 系統組成

FM 458－1 DP應用模塊共有 3種方式與SIMATIC CPU進行通訊。（1）使用過程中斷可從CPU接收4個字節。（2） 通過SIMATIC I/O訪問可發送和接收128個字節。（3）使用數據塊/集可發送和接收大量數據。

其中方式（1）響應最快，但是通訊量也最少，只有極其重要的信號才使用此方式；采用方式（2），當FM 458－1 DP應用模塊調用讀寫語句時，將會立即在存儲器中讀取或寫入數據，其響應速度取決于讀寫語句的掃描周期，但是通訊量也非常有限；第三種方式通訊量最大，但是響應時間也最長，只有對實時性要求不高的數據通訊才使用此方式，例如HMI數據等。

為了減少FM 458－1 DP應用模塊與SIMATIC CPU之間的通訊量，提高重要數據的實時性，將夾送輥、助卷輥，卷筒的傳動裝置直接連接到了FM 458－1 DP應用模塊集成的PROFIBUS－DP接口上。另外，將所有輥道的傳動裝置連接到SIMATIC CPU集成的PROFIBUS－DP接口上，并通過上面所述的方式（2）接入FM458－1DP應用模塊。

為了便于檢測元器件和伺服閥信號的長距離傳輸，一般都選用4～20 mA的電流信號，但是由于EXM 438－1只有±10V電壓型模擬量通道，所以必須要增設加變換器才能連接現場的信號。另外，由于這些傳感器和伺服閥都安裝在設備上，離主電室很遠，需要通過很長的電纜才能接到主機架的EXM 438－1上。而要把這些信號連入控制系統有兩種方案可供選擇。其中之一是在現場安裝端子箱，把所有信號先連入端子箱，然后再鋪設長電纜到主電室，通過變換器與EXM 438－1相連，最終接入FM 458－1 DP應用模塊。方案二是在現場安裝控制箱，里面安裝的ET200M遠程站帶有4～20 mA電流型模擬量輸入輸出模板和絕對值型編碼器模板，通過PROFIBUS－DP網絡接入FM 458－1 DP應用模塊。

方案一的優點是輸入輸出速度快。但是增加了長電纜和變換器成本以及電纜鋪設工作量，而且加裝變換器還增加了故障點。

方案二的優點是成本相對低，故障點相對少，但是能否滿足FM 458－1 DP應用模塊高速運算的要求卻是此方案可行與否的關鍵點。

本套軋機精軋出口最高線速度是12 m/s，空卷筒直徑為?762 mm，通過計算可知每個助卷輥踏步的最長周期可達66 ms左右，將FM 458－1 DP應用模塊的Basic sampling time設為T0=1．5 ms，助卷輥的踏步控制采用T1=2×T0=3 ms，這個運算周期可以滿足此生產線助卷輥踏步控制的實時性要求。

為了提高實時性，按照前面已經敘述過的將夾送輥、助卷輥，卷筒等的傳動裝置直接連接到FM 458－1 DP模塊集成的 PROFIBUS－DP接口上，再加上ET200M遠程站的I/O信號，則在這段PROFIBUS－DP網絡上共需要輸入154個字節，輸出92個字節。當PROFIBUS－DP網絡的速率設為3 Mbps時，PROFIBUS－DP網絡的總線循環時間（典型Ttr）[2]為2．2 ms，可以滿足需要，所以方案二是完全可行的。

為了調試和后期維護的方便，我們選用了iba數據采集分析系統，采集模塊選用ibaBM－DPM－S－64，此模塊有兩個獨立的PROFIBUS－DP接口，可以作為兩個獨立的PROFIBUS－DP從站接入兩段獨立的PROFIBUS－DP網絡，每個從站可以提供28個模擬量和32個數字量的數據采集。在此項目中正好可以分別接入控制兩個卷取機的兩塊FM 458－1 DP應用模塊中。但是這樣一來又在每段PROFIBUS－DP網絡中增加了120個字節的輸出量，使PROFIBUS－DP網絡的總線循環時間（典型Ttr）變為了2．9 ms。對此只能通過提高PROFIBUS－DP網絡的速率來降低PROFIBUS－DP網絡的總線循環時間（典型Ttr）。而如果將PROFIBUS－DP網絡的速率提高到 6 Mbps，則PROFIBUS－DP網絡的總線循環時間（典型Ttr） 變為1．6 ms，完全可以滿足控制程序實時性的需要。

但是，由于PROFIBUS－DP網絡的傳輸速率與傳輸距離成反比，當PROFIBUS－DP網絡的速率為6 Mbps時，最長傳輸距離大約為100 m，而主電室距離現場的控制箱網絡線長度大概為200 m，可見電氣網絡已經不能滿足現場的需要，只能改用光纖網絡，在此項目中選用SIMATIC NET OLM/G12 PROFIBUS－DP網絡光纖連接模塊，且所使用多模玻璃光纖的傳輸距離可以達到3 km。在主電室連接完傳動裝置后，先通過此模塊將PROFIBUS－DP電氣網絡轉為光纖網絡，然后再與現場的控制箱連接（見圖1）。

圖1 硬件配置

3 軟件系統

FM 458-1 DP應用模塊所使用的編程軟件是CFC/SFC(可選)。其中的CFC是一種簡潔的圖形編程工具，采用IEC1131標準。

使用CFC將有助于節省時間和費用，同時能大大簡化系統的組態和維護。用以功能塊為基礎的CFC進行編程時，由于系統配置了很多預編程的功能塊，而且每個功能塊都有一個參數表，可根據實際工藝要求選擇不同的參數。每個CFC由6頁組成，功能塊在CFC中的連接直接用鼠標點接，而功能塊之間的連接可以在不同的CFC之間的不同頁面上進行，連接標記由系統自動標出。因此，采用CFC可以完成很復雜的大型控制任務，主要用于連續過程的自動化控制任務的組態。

FM 458-1 DP應用模塊和傳動裝置中的T400工藝模板都是從SIMADYN D系統演變來的，它們的編程語言也同為CFC編程語言，所以本項目傳動裝置中并沒有配置T400工藝模板，T400工藝模板的功能全部由FM 458-1 DP應用模塊實現。

本項目中FM 458-1 DP應用模塊實現的主要功能有：速度邏輯控制、側導板短行程控制、上夾送輥壓下邏輯控制、卷徑計算、張力控制、加減速動態力矩補償、空載力矩補償、摩擦力矩補償、側導板開口度夾送輥輥縫等的自動位置控制（APC）、助卷輥踏步控制、帶鋼尾部自動定位控制等。

4 結語

在實際生產過程中，FM458工作穩定可靠，編程界面友好，功能強大，便于修改，易于維護，能很好的融入S7-400的控制架構中，實現系統間的無縫連接，完全滿足控制精度的要求，卷形質量獲得用戶認可。

[1]SIEMENS.FM 458-1 DP用戶手冊 [M].2006.6.

[2]侯維巖.令牌目的循環時間Ttr對現場總線PROFIBUS測控周期的影響 [J].儀器儀表學報.2005.4.