1、引言 　　 濟鋼集團第三煉鋼廠是濟鋼集團“十五”期間的重點投資項目，引進的是國內外一流的先進設備和自動化控制技術，其裝備屬于“國內一流，國際先進”水平。在轉爐、連鑄自動化控制體系中，根據現場總線的特點和系統的需要應用了多種總線（profibus、controlnet、devicenet）構成的現場總線控制系統（fcs），這些總線控制系統給轉爐、連鑄系統提供了安全而可靠的解決方案。1#連鑄機是引進vai（奧鋼聯）的板坯連鑄機，是目前我國技術最先進、自動化程度最高、配套設施最完善的連鑄機之一，其拉矯機系統選用的是基于profibus 的西門子6se70變頻器構成的現場總線控制系統。 2、連鑄機控制系統 　　 濟鋼三煉鋼工程包括鐵水予處理，120t轉爐、lf/vd精煉及板坯連鑄機等多個項目，整個工廠的eic三電自動化控制系統的配置達到世界先進水平。連鑄機控制系統實現三電自動化控制的一體化，包含過程控制級（l2）和基礎控制l1級和l0，同時也予留出與l3級的通訊接口及數據存放區，下面將四級系統分述如下： 　 3級（level3）：制訂全廠生產計劃,產品協調及產品跟蹤，l3系統涉及三煉鋼廠各生產工序和后部的中厚板車間，l3系統的實現需要各工藝單元,生產管理及調度部門結合工廠的實際情況來考慮，另立項目，統一協調。 　 2級（level2）：各工藝控制單元的計算機操作指導，特殊工藝過程的設定計算及工藝過程的數據收集。 　 1級（level1）：實時控制級，根據操作指令，過程計算機的設定計算及現場元件的檢測信號，完成生產設備的邏輯順序控制和pid調節。 　 0級（level0）：l0級主要是傳動設備本身的控制、i/o控制和管理。在現代化的控制系統中，ac/ac的傳動裝置（變頻裝置）由本身自帶cpu的數字裝置控制和監視，并與l1級在網上進行數據通訊。 　 l0到l3級的自動化系統完成整個工廠的生產計劃，產品管理，工藝區接口協調、過程最佳化及設備控制，可實現整個工廠的生產自動化。 3、拉矯機控制系統 3.1　拉矯機設備組成 　 1#連鑄機鑄坯導向包含了14個獨立的扇形段：6個彎曲段、2個矯直段及6個水平段。拉矯系統提供了彎曲段、矯直段、水平段內的鑄坯的導向，保證了引錠桿的插入和澆注過程中熱坯的拉伸和矯直。其中前6個彎曲段每段一臺電機，7段到14段除13段沒有電機外，每段兩臺電機，整個拉矯系統共20臺電機，拉矯電機（7.5kw）均采用siemens 6se70變頻器控制，采用帶速度反饋的矢量控制模式，速度反饋采用脈沖編碼器，該編碼器又做為引錠桿跟蹤系統的脈沖計數信號。每臺變頻器均帶有進線電抗器、出線電抗器、制動單元和制動電阻，彎曲段和矯直段電機采用電磁抱閘制動。 3.2　拉矯機負載分配技術 　 vai（奧鋼聯）的板坯連鑄機在為了實現對多達20臺拉矯電機的控制，采用了負載分配控制技術。為了保證鑄坯上的拉矯力矩為一個常數，在每個電機之間提供了負載分配功能。根據所有電機上的總拉矯電流，負載分配控制器能為拉矯電機計算出一個相應的修正后的速度設定值（速度偏差），把修正后的設定值與拉矯電機的實際給定值相加，他們的和作為總的速度給定值送給相應的拉矯電機變頻器，就可以通過變頻器的矢量控制實現對電機的負載分配。根據所有拉矯電機的總負載，可以在hmi上通過設定每臺電機的各自負載因數對每臺電機的負載進行校正，負載因數可以在-100%和+100 %之間變化，一個負的負載因數產生的力矩反作用于澆注方向，以防止鑄坯下滑。通過采用負載分配技術可以保證紅坯表面質量和鑄坯的內部質量。 3.3　拉矯機控制系統 　 在該連鑄機拉矯系統中，基于profibus的plc與變頻器通信的網絡圖如圖1所示。拉矯機plc系統作為連鑄機l1系統的一個子系統，其系統設計本著可靠、先進、開放的原則，綜合考慮系統的性能價格比，根據工藝方案和機械設備條件，系統結構盡可能統一，同時應與其它l1級子系統保持一致。連鑄l1級plc系統選用的是siemens s7-400系列plc，根據拉矯工藝性能要求，plc系統cpu 選擇c7-626/dp，通過cp342-5通訊模塊與l1級工業以太網（鑄流plc、一級服務器）通訊，同時通過profibus -dp接口與6se70變頻器通訊。 　 變頻器采用siemens書本型vc 變頻器作為dp從站，西門子6se70全數字矢量控制變頻器是屬于simovert masterdriv系列，是目前比較先進的產品，其全數字化和強大的軟件控制功能、監視功能、記錄功能和保護功能，為其裝置運行的穩定性、可靠性提供了保證。6se70變頻器也擁有強大的通訊能力，6se70變頻器具有支持各種現場總線的可選模板，這些接口模板的設置，顯著地增強了變頻器與其它控制設備間的互聯能力。各種通訊模板中有支持profibus總線的cbp2板，profibus-dp是當今世界上最為成功和流行的現場總線標準，在profibus cbp2功能模板上實現同級模塊之間相互通訊，尤其在西門子產品系統集成中，更顯示其優點。 　 這樣作為主站plc系統與作為從站的6se70變頻器之間采用基于profibus總線通訊方式。plc通過在profibus網絡向vc變頻器傳輸設定值和控制字，而vc變頻器則把電機電流、力矩、變頻器狀態字等通過profibus網絡傳送給plc控制器，這樣每一臺變頻器采用編碼器檢測速度反饋組成速度閉環，通過負載分配實現力矩外環控制，很好地實現了負載分配技術。 [b]4、通信編程與參數設置 [/b] 4.1　基于profibus的plc與變頻器之間數據傳輸編程 　 在拉矯機控制系統中，基于profibus的plc與變頻器之間數據傳輸是整個控制系統的關鍵，plc的硬件組態和通信編程是使用step7 v5.1進行的，下面介紹了采用西門子step 7編程軟件進行基于profibus的主-從通訊的組態過程和通訊程序的編寫。 4.1.1　拉矯機profibus主站組態 （1）在plc項目ccm下新建項目driver，點擊右鍵，在彈出的菜單中選擇“insert new object”下“simatic 300 station”，插入s7-300站。 （2）組態硬件：雙擊“hardware”選項，進入“hw config”窗口，點擊“catalog”圖標打開硬件目錄，按硬件安裝次序和訂貨號依次插入機架、電源、cpu、通訊模塊、輸入、輸出模塊。 （3）插入cpu模塊后會同時彈出profibus組態界面，新建profibus命名為pb_drives，地址定義為2，點擊“properties”按鈕組態網絡屬性，選擇“network settings”進行網絡參數設置，profibus的傳輸速率為“1.5mbit/s”，行規為“dp”。 （4）在plc的profibus屬性 operation mode 中將其設為dp master。 4.1.2　拉矯機profibus從站組態 （1）組態從站：在dp網上連接 6se70變頻器，選擇“vector control cuvc” 雙擊，6se70變頻器連接到dp網絡上，在彈出的proifbus屬性對話框中定義profibus站地址，為3號站。 （2）通訊區定義：plc與6se70變頻器之間除了傳輸設定值和控制字外，還需要傳送其它數據，需要選擇多個pzd，通訊需要6個字，選取ppo-typ2，pkw+pzd-6/6。 （3）數據區定義： ppo-typ2，pkw+pzd-6/6 地址分配為256-315。 （4）按照以上步驟，分別組態其他19臺變頻器到dp網絡，dp地址分別是4到22，并分別定義各子站的通信區數據。 4.1.3　plc中基于profibus的plc與變頻器之間數據傳輸編程 　 step7 v5.1有兩個sfc塊“dprd_dat”和”dpwr_dat”，用于profibus主站和從站之間的的數據傳輸。拉矯機系統中，應用dp通訊傳輸命令“dprd_dat”和”dpwr_dat”把數據傳輸到6se70變頻器的通訊區pzd數據區piw內，同時把6se70變頻器的pzd數據區pqw數值讀到profibus-dp傳輸的db塊中。拉矯機6se70變頻器（3#站）的profibus控制命令的傳輸應用程序如下： call "dprd_dat"；調用dp 讀命令 laddr :=w#16#100；起始地址 ret_val:="3#comdata".recieve_ret record :=p#db31.dbx20.0 byte 20； 目標數據地址 call "dpwr_dat" ；調用dp 寫命令 laddr :=w#16#100 ；起始地址 record :=p#db31.dbx0.0 byte 20； 目標數據地址 ret_val:="3#comdata".send_ret 4.2　6se70變頻器參數定義 　 6se70變頻器使用過程數據區，實現控制字和設定值（任務：plc發送給變頻器）或狀態字和實際值（響應：變頻器發送給plc）的傳輸。只有當控制字、設定值和狀態字實際值依照“過程數據連接”規定的路徑連接時，該過程數據的傳輸才有效。6se70變頻器通信參數應用分為兩個部分：6se70變頻器接受plc的控制字和設定值以及由6se70變頻器返回給plc的狀態字和實際值兩部分。 4.2.1　過程數據輸出區在6se70變頻器的傳輸格式 　 過程數據輸出區pzd1- pzd6和6se70變頻器的變量k3001-k3006是一一對應的關系，可以根據需要定義雙字節數據，在該系統實際應用中，僅使用控制字k3001和給定值k3002兩個字 4.2.2　過程數據輸入區在6se70變頻器的傳輸格式 　 過程數據輸入區pzd1- pzd6和6se70變頻器的參數p734.1- p734.6是一一對應的關系，可以根據需要定義雙字節數據，在該系統實際應用中，用p734.5和p734.6構成一個雙字節數據。 4.3　負載分配控制器的設計 4.3.1　負載分配控制原理 　 對于拉矯機每臺電機輥子表面的拉力可由下列公式計算出來的。 　 frefi=mrefi×ii/ri 　 其中： f 輥子表面的拉力 （n）; m 電機的實際力矩（nm）; i 減速比; 　 r 輥子直徑（m）; 　所有電機的實際拉力frefi加在一起得到總拉力 fref。 　fref=fref1+fref2+...+frefn 　各自組內所有負載因數kfi加在一起得到總和kf 　kf=kf1+kf2+...+kfm 　通過fref除以總的負載因數kf可以計算出一個系數s來表現每個負載因數對應的拉力。 　s=fref/kf 　通過單個負載因數kfi乘以這個系數，就可得到拉力的設定點fseti；對于單個電機可以得到： 　 fset1=s×kf1 　 fset2=s×kf2 　 fseti=s×kfi 　 拉力設定點 fseti是反饋到控制回路并且與實際拉力frefi進行比較，輸出的偏差（fdiff）為在某一范圍內計算出來的速度偏移量（vdiff），并且附加到速度設定值（vseti）作為總速度給定值（vtseti），一起發送到變頻器。原理簡圖如圖2所示： 4.3.2　負載分配控制器的設計 　 由于負載控制器的輸出是作為變頻器速度設定值的偏差參與控制，因此負載控制器是在plc中通過編程來實現的。由負載分配控制原理可知，首先將力矩設定值fseti和通過profibus總線從變頻器中讀出的力矩實際值frefi （k24）進行比較，經過一個pid調節器的控制后輸出一個修正后的速度設定值，作為電機速度設定值的一個偏差值與速度給定值相加作為總的速度給定值vtseti（k3002），通過profibus總線傳輸到變頻器中，參與電機的調速過程，從而對拉矯電機實現負載分配控制和速度控制。在plc中實現負載分配的力矩的pid調節的程序流程圖，如圖3所示。整個程序是由西門子的step7 編程軟件實現的。 5、結束語 　　 濟鋼三煉鋼1#連鑄機拉矯系統利用profibus總線技術和6se70變頻器實現拉矯系統負載分配后，不僅使每臺拉矯電機作用在紅坯上的拉力為一常數，確保了鑄坯的表面質量；而且根據不同位置的鑄坯內部凝固情況，使鑄坯承受相應的壓力，以確保了鑄坯的內部質量。同時，由于實現了負載分配，避免了多臺電機中某些電機由于承受負載不均勻或過載而影響其運行和壽命，這樣既減少了設備故障率，提高了生產效率；又大量減少電機的消耗，節約了設備維修費用。