祖 龍 起，陳 軍，劉 順 利，劉 正 浩，吳 凱 峰

(大連工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116034)

0 引 言

矯直機(jī)主傳動系統(tǒng)普遍采用電機(jī)、減速齒輪分配箱、安全聯(lián)軸器到矯直輥的傳動方式。根據(jù)所選電機(jī)形式，配套數(shù)字式直流或交流調(diào)速器裝置以保證矯直速度調(diào)節(jié)的同步性和平滑性。如何實(shí)現(xiàn)對直流調(diào)速器的通信和控制及參數(shù)設(shè)置是自動化控制中重要研究內(nèi)容。本文設(shè)計(jì)了一種由西門子6RA70系列直流調(diào)速器、西門子PLC等組成的矯直機(jī)電氣控制系統(tǒng)，充分利用成熟的技術(shù)，發(fā)揮出直流調(diào)速器的優(yōu)越性，使調(diào)速性能從本質(zhì)上得到了改善。

1 矯直機(jī)控制系統(tǒng)簡介

1.1 矯直機(jī)控制系統(tǒng)工藝流程

矯直機(jī)系統(tǒng)主要是對直徑50～100mm的棒材進(jìn)行加工的成套設(shè)備。根據(jù)矯直工藝流程，棒料在上料架經(jīng)過撥料機(jī)構(gòu)撥到上料軌道中，由上料軌道的電機(jī)將棒料送入矯直機(jī)矯直區(qū)進(jìn)行矯直。上料軌道由變頻電機(jī)控制。當(dāng)棒材完全經(jīng)過矯直區(qū)以后，由拉出電機(jī)將棒料拉出，此時(shí)棒料進(jìn)入下料架，然后開始進(jìn)行下一道矯直工序循環(huán)[1]。

1.2 矯直機(jī)系統(tǒng)控制要求

矯直機(jī)的主機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主機(jī)包括7個(gè)輥(3個(gè)上輥和4個(gè)下輥)，主要設(shè)備包括主傳動電機(jī)、減速機(jī)和聯(lián)軸器。其角度和高度都是均可進(jìn)行手動調(diào)節(jié)，便于不同直徑棒材的矯直操作。每個(gè)輥都配有一臺電機(jī)，可以控制輥的上下移動，調(diào)節(jié)輥間距。每個(gè)輥與減速器之間通過聯(lián)軸器相連，上輥的聯(lián)軸器驅(qū)動3個(gè)輥，下輥的聯(lián)軸器驅(qū)動4個(gè)輥。

矯直機(jī)矯直的棒材型號范圍為直徑50～100mm，所需要電機(jī)的轉(zhuǎn)矩比較大，因此需要大功率的直流電機(jī)作為矯直機(jī)系統(tǒng)的主電機(jī)。棒材矯直要求矯直精度是1 000mm長度內(nèi)允許的直線度誤差為0.3mm[2]，因此對上下輥的同步性要求比較高，需要通過直流調(diào)速器讓系統(tǒng)的上下輥輸出速度以及輸出功率和輸出電流都保持同步。

圖1 七輥矯直機(jī)主機(jī)示意圖Fig.1 Illustration of the main engine of the seven－roller straightening machine

1.3 6RA70系列直流調(diào)速器

SIEMENS 6RA70系列直流調(diào)速器為三相交流電源直接供電的全數(shù)字控制裝置，其結(jié)構(gòu)緊湊，用于可調(diào)速直流電機(jī)電樞和勵(lì)磁供電，裝置額定電流范圍為15～2 200A，可通過并聯(lián)整流裝置進(jìn)行擴(kuò)展，并聯(lián)后輸出額定電樞電流可達(dá)到12 000A。6RA70直流調(diào)速器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，控制器的核心器件已經(jīng)在國內(nèi)外得到可靠實(shí)例的證實(shí)，可靠性、安全方面得到有效保障。

2 矯直機(jī)電氣控制硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電氣控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)選用西門子S7－300系列PLC，選用315CPU為中央處理器，如圖2所示。電機(jī)主傳動部分采用西門子6RA70直流調(diào)速器控制。各個(gè)設(shè)備之間通過PROFIBUS總線[3]進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，組成控制網(wǎng)絡(luò)，并通過西門子Step7軟件進(jìn)行硬件組態(tài)。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.2 The hardware structure of the system design

2.2 6RA70系列直流調(diào)速器通信板CBP2設(shè)置

CBP2通信板是SIMOREG DC－MASTER整流器的通信板，它控制SIMOREG DC－MASTER與 SIMATIC S7－300之間的通信，SIMOREG DC－MASTER通信協(xié)議是 Profibus－DP總線協(xié)議，通信需與CBP2通信板配合使用。

從Profibus－DP網(wǎng)中接收到的數(shù)據(jù)存入CBP2通信板的雙向RAM中，雙向RAM中的每一個(gè)字都將被編址，在整流器的雙向RAM可通過被編址參數(shù)進(jìn)行排序，向調(diào)速器中寫入控制字、設(shè)置值或讀出實(shí)際值、診斷信息等參數(shù)。

參數(shù)設(shè)置：

P927＝40(參數(shù)化的接口使能)

P918＝4(注意：從站地址必須與硬件組態(tài)時(shí)保持一致，這里是4)

U722＝10MS(報(bào)文監(jiān)控時(shí)間)

P648＝3001(控制字PZD1)

P644，001＝3002(主給定PZD2)

U734，001＝32(狀態(tài)字，PZD1反饋值)

U734，002＝151(實(shí)際值，PZD2反饋值)

3 矯直機(jī)電氣控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)控制要求，軟件控制流程如圖3所示。通過觸摸屏對設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，首先將需要矯直的棒料放到上料架上，根據(jù)傳感器的顯示知道棒料是否到位。當(dāng)棒料放到架子上以后，按下啟動按鈕，系統(tǒng)開始判斷進(jìn)料道是否有料，如果沒有料，撥料機(jī)構(gòu)就會往送料輥道里撥進(jìn)一根料，然后棒料通過送料輥道進(jìn)入矯直機(jī)，待完全通過矯直機(jī)后，棒料進(jìn)入出料輥道，系統(tǒng)下料機(jī)構(gòu)將矯直后的棒料撥到下料架上，開始下一個(gè)循環(huán)。

圖3 自動控制系統(tǒng)流程Fig.3 Auto－control work flow diagram

3.2 PLC控制直流調(diào)速器主要系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

組態(tài)以后的硬件系統(tǒng)，可以在CPU中編寫控制命令實(shí)現(xiàn)對其進(jìn)行控制。

在管理界面中插入一個(gè)功能“FC18”塊，雙擊以后進(jìn)入編程界面，在此界面中對直流調(diào)速器的通信進(jìn)行編程。

如圖4所示，使用西門子S7－300自帶功能SFC15和SPC14模塊，其中SFC15模塊是寫入數(shù)據(jù)模塊DPWR＿DAT，SFC14是讀出數(shù)據(jù)模塊DPRD＿DAT。

圖4中所示參數(shù)的含義如下[4]：

(1)LADDR：硬件組態(tài)時(shí)PZD的起始地址。W＃16＃100是用十六進(jìn)制表示的通道地址，就是十進(jìn)制的256，此通道在前面硬件組態(tài)中由系統(tǒng)自動生成。

(2)RECORD：數(shù)據(jù)塊DB1中定義的PZD數(shù)據(jù)區(qū)相對應(yīng)的數(shù)據(jù)地址P＃DB1.DBX20.0BYTE 12，表示的是在數(shù)據(jù)塊DB1中定義的控制通道的接受控制數(shù)據(jù)的起始控制地址，以及伺服電機(jī)反饋回來的如轉(zhuǎn)動速度、轉(zhuǎn)動角度、電流值等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。P＃DB1.DBX0.0BYTE 12表示的是在數(shù)據(jù)塊DB1中定義的控制通道發(fā)送控制字的起始控制地址，其中包括發(fā)送啟動、停止信號，正反轉(zhuǎn)信號以及電機(jī)轉(zhuǎn)動速度信號。

圖4 直流調(diào)速器通信程序Fig.4 Communication program of DC governor

(3)RET＿VAL：程序塊的狀態(tài)字，可以以編碼的形式反映出程序的錯(cuò)誤等狀態(tài)。

在直流調(diào)速器通信程序編寫完成以后，開始編寫直流調(diào)速器控制程序。在管理界面上新建一個(gè)功能“FC15”塊，打開以后編寫控制程序。

在編程軟件STEP－7中完成硬件組態(tài)，并對直流調(diào)速器分配網(wǎng)絡(luò)地址。該地址必須與直流調(diào)速器CBP2板中設(shè)置的相同，如圖5所示。通過控制命令 W＃16＃8C7F(START)、W＃16＃8C7E(STOP)啟動調(diào)速器。

圖5 直流調(diào)速器控制命令Fig.5 Control order of DC governor

PLC向6RA70發(fā)送的控制字[5]的定義，如表1所示，通過只讀參數(shù)r652讀出控制字的狀態(tài)。

表1 西門子6RA70直流調(diào)速器控制字Tab.1 Control word of Siemens 6RA70DC governor

如圖6所示，由于在數(shù)據(jù)塊DB1中設(shè)置了1＃直流調(diào)速器的速度給定通道為DB1.DBW2[4]，2＃直流調(diào)速器的速度給定通道為DB1.DBW42，因此通過給這兩個(gè)通道賦值的方法來控制直流調(diào)速器的速度。給直流調(diào)速器賦予的數(shù)值是給定的數(shù)字量，

圖6 直流調(diào)速器速度設(shè)定命令Fig.6 Speed setup order of DC governor

并非實(shí)際數(shù)值，這樣不太方便實(shí)際操作，因此需要通過計(jì)算，將輸入的實(shí)際量轉(zhuǎn)換成直流調(diào)速器可以識別的數(shù)字量。計(jì)算公式為

數(shù)字量＝(分辨率最大值×實(shí)際值)／實(shí)際值量程

通過公式推導(dǎo)，編寫了一個(gè)模擬量與數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換模塊，用于對輸入直流調(diào)速器的轉(zhuǎn)換，如圖7所示。

模塊中“input1”端輸入的是操作員設(shè)定的直流電機(jī)控制量，“input2”和“input3”分別為可以輸入的量程和分辨率的最大值。通過模塊里面程序的計(jì)算得到直流調(diào)速器可以識別的控制數(shù)據(jù)。

圖7 模擬量與數(shù)字量轉(zhuǎn)換Fig.7 Analog－to－digital convertor

4 結(jié) 論

本設(shè)備通過現(xiàn)場調(diào)試以及應(yīng)用，經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，達(dá)到預(yù)期的控制設(shè)計(jì)要求，并且矯直精度符合標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)踐證明，采用西門子6RA70直流調(diào)速器與PLC通信配合的控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)較直機(jī)速度同步、扭矩同步的要求，具有性能穩(wěn)定、運(yùn)行可靠、調(diào)節(jié)精度高、參數(shù)設(shè)置方便以及故障率底、維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)。

[1]揚(yáng)帆，吳敏.基于PLC的矯直機(jī)控制系統(tǒng)[J].武漢化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，27(2)：70－73.

[2]羅艷麗.PLC在矯直機(jī)自動化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].冶金動力，2008(4)：83－86.

[3]王自偉.西門子PLC及PROFIBUS DP網(wǎng)絡(luò)在管棒材矯直機(jī)中的應(yīng)用[J].重型機(jī)械，2010(1)：27－30.

[4]韓瑞華.590全數(shù)字直流調(diào)速裝置在矯直機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，30(5A)：17－21.

[5]張鵬，劉青，吳景華.Profibus－DP 在直流調(diào)速器6RA70的應(yīng)用[J].中國儀器儀表，2006(3)：84－86.