主從控制在承鋼棒材冷床中的實際應用

張 偉

（河鋼承鋼自動化中心，河北 承德 067002）

1 冷床工藝簡介

步進式齒條冷床是現今棒材連軋生產線中重要設備之一,主要功能為接收、傳遞以及冷卻軋件。步進式冷床是軋件冷卻和傳輸的冶金設備，軋件經步進式冷床后，由900多度的高溫降到了近100度，步進式冷床在軋件的冷卻、成形上起著主要作用[1]。

圖1 步進式冷床平面簡圖

2 承鋼第三棒材產線當前現狀及存在問題

承鋼三棒冷床4段齒條原設計為直流電機驅動，傳動裝置采用西門子6RA70系列，傳動控制模型為電動勢反饋開環控制方式（P083=3），即電機的實際轉速由傳動裝置通過EMF模型計算，作為速度調節器的速度反饋輸入[2]。

自動化程序向鋼性連接的電機同時發出控制合閘運行指令，由于大電機特性不同，并且控制部分采用開環控制，控制精度較低[3]。

3 冷床主從控制

使用西門子6SE70裝機裝柜型變頻柜實現主從控制主要有如下3種方式。

3.1 通過連接CUVC板上的模擬量輸入(簡稱AI)端口和模擬量輸出(簡稱AO)端口實現控制

在西門子6SE70變頻器的CUVC板上模擬量輸入端口和模擬量輸出端口各有2個。在主從控制中按照控制方式，將主傳動的速度或者扭矩信號通過主傳動的任意一個模擬量輸出端口輸出。根據西門子對硬件模擬端口的定義，模擬輸出端口可以輸出電壓信號，也可以輸出4 mA～20 mA的電流信號，由于電壓信號在線路的傳輸上有衰減，建議使用電流信號。從傳動則是通過自身CUVC板的AI端口接受主傳動發送來的實時速度或者扭矩值。為最大程度地減少信號的衰減和外部干擾，建議主從傳動模擬量端口間的連線使用雙絞屏蔽電纜。

根據西門子矢量大全中功能圖的含義，模擬量輸出端口是將變頻器內部需要輸出的數字量信號進行數模轉換，而模擬量輸入端口是將外部輸入的模擬量信號轉換為變頻器內部接受的數字量信號。這種方法簡單實用，但是傳輸數據的線路容易受外部電磁干擾，再加之模擬量數據處理端口的時間總和較大，使得數據傳輸的時間相對較長，因此這種控制方式對于控制精度要求不是很高、速度較低的工況來說是比較合適的。

3.2 通過Profibus總線技術實現控制

目前大多數軋鋼電控變頻傳動系統都采用Prof i bus總線進行數據傳輸。在西門子6SE70變頻調速柜CUVC板的擴展槽上安裝用于通訊的CBP通訊板，PLC通過與CBP通訊板進行數據交換，可達到控制的目的。使用Prof i bus進行主從控制時，為了提高控制精度和響應速度，一般選擇西門子S7-300系列的PLC來作主站，而把安裝有CBP通訊板的變頻調速柜作為從站。PLC掃描運行整程序所需要的時間稱為一個周期，而1個周期的時間基本是在毫秒級，因此當PLC的程序根據實際控制的需要把計算好的速度和轉矩發給總線中的從站時，其控制的精度和響應的速度是非常快的。

這種方式控制精度高，但是對于使用者的要求也相對高，使用者必須了解PLC程序的編寫以及PLC系統與變頻器的通訊原理和數據交換法則。如果傳動系統中已經構建好Prof i bus總線，則使用Prof i bus實現主從控制是最經濟的，否則將要承擔組建Prof i bus通信網絡的初期費用。

3.3 通過SIMOLINK技術實現控制

SIMOLINK通過安裝在CUVC板上的SLB板以光纖為傳輸介質完成數據的傳輸和接收，受外界的干擾能力強，數據傳輸速度快，能保證數據的同步性和及時性。SIMOLINK驅動連接發展為單個MASTERDRIVESMC/VC裝置之間或MASTERDRIVES MC/VC裝置與上位機系統之間在共同系統時鐘下連接站的同步，快速及精確的過程數據(控制信息、給定值及狀態信息)周期傳輸。SIMOLINK的主要部件包括SIMOLINK主機、SIMOLINK板SIMOLINK開關和光纖電纜。其特點是：①傳輸介質為光纖電纜，玻璃或者光纖電纜均可以應用；②SIMOLINK總線循環的周期為0.2ms～6.5ms；③SIMOLINK有環型光纖電纜結構，其中每個站作為一個信號放大器；④SIMOLINK最多可以連接201個主站；⑤傳輸速率為11 Mbit/s。

由SIMOLINK通訊的特點不難看出，SIMOLINK主從控制在上述3種控制方式中，控制精度、系統的響應時間和抗干擾力都具有優勢，所以這種主從控制適用于承鋼三棒冷床主從傳動系統。

圖2 承鋼三棒冷床主從傳動系統

4 通過SIMOLINK通訊板進行主從控制的原理

采用三臺裝置控制，其中一臺裝置作為主裝置，其余兩臺裝置作為從裝置。主裝置采用速度閉環，其所驅動的電機軸上安裝有脈沖編碼器，采集速度實際反饋，從裝置采用轉矩閉環的控制。主裝置在速度環輸出的轉矩作為從裝置的給定，送到主給定通道。通過SIMOLINK通訊模塊連接實現主從傳動設備之間的數據快速交換從而實現三臺裝置的同步控制。如圖1所示。

主從裝置的連接方式：通過SIMOLINK通訊模塊連接，其通訊板SLB板可以直接插在6SE70變頻器的CUVC控制板的擴展槽上，然后通過光纖線來連接成閉合環形回路。

圖3 主從控制連接

在主從應用中可以把主傳動的SLB板設置成主站，作為分配器使用，其余兩臺裝置設置成從站。主從傳動速度或轉矩分配是由主站的變頻器來完成。SIMOLINK(Siemens Motion Link)是以光纖電纜位傳輸介質的通訊方式，其特點是響應速度快捷，抗干擾能力強，在每一個周期內依靠其精確的時間間隔和無偏差的同步功能使所連接的變頻器在極快的數據傳輸中保持高性能的適時性和同步性，SIMOLINK有11Mbit/S的數據傳輸速率，可以傳輸32位的數據，總線循環周期為0.2Ms～6.5Ms。在主從控制中通過SIMOLINK通訊方式可以使得兩臺電機的控制精度和響應速度方面都達到很高的性能。