劉巨偉

卷取機(jī)是熱連軋生產(chǎn)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(jī)的控制也提出了更高的要求。

在卷取區(qū)，控制系統(tǒng)主要完成帶鋼頭部咬入、助卷輥踏步、卷取和末架精軋機(jī)間張力恒定收卷、帶尾出末架精軋機(jī)后卷取和夾送輥間恒張力運(yùn)行、帶尾檢測卷取機(jī)減速運(yùn)行、帶尾準(zhǔn)確停車等。

其中很多功能特別是踏步功能對控制器的實(shí)時(shí)性要求較高。因此我們在選擇控制器時(shí)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(qū)工藝控制器。

1 硬件系統(tǒng)

1.1 現(xiàn)場信號分布

現(xiàn)場每一套卷取機(jī)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(diǎn)處理器；最短循環(huán)時(shí)間 0．1 ms（通常為 0．5 ms）；用于通訊任務(wù)的 32 位控制器；以及可確保在FM 458－1 DP應(yīng)用模塊與其擴(kuò)展模塊之間快速傳送數(shù)據(jù)的本地?cái)U(kuò)展總線（LE總線）[1]。

EXM 438－1是FM 458－1 DP的I/O擴(kuò)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(shù)字量輸入通道；8路24 V數(shù)字量輸出通道。通過LE總線與FM 458－1 DP模板進(jìn)行快速數(shù)據(jù)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(kuò)展模塊，可以使用PROFIBUS DP或SIMOLINK進(jìn)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(shù)據(jù)，同樣由P總線為其提供電源。

2 系統(tǒng)組成

FM 458－1 DP應(yīng)用模塊共有 3種方式與SIMATIC CPU進(jìn)行通訊。（1）使用過程中斷可從CPU接收4個(gè)字節(jié)。（2） 通過SIMATIC I/O訪問可發(fā)送和接收128個(gè)字節(jié)。（3）使用數(shù)據(jù)塊/集可發(fā)送和接收大量數(shù)據(jù)。

其中方式（1）響應(yīng)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(dāng)FM 458－1 DP應(yīng)用模塊調(diào)用讀寫語句時(shí)，將會(huì)立即在存儲器中讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)，其響應(yīng)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(yīng)時(shí)間也最長，只有對實(shí)時(shí)性要求不高的數(shù)據(jù)通訊才使用此方式，例如HMI數(shù)據(jù)等。

為了減少FM 458－1 DP應(yīng)用模塊與SIMATIC CPU之間的通訊量，提高重要數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，將夾送輥、助卷輥，卷筒的傳動(dòng)裝置直接連接到了FM 458－1 DP應(yīng)用模塊集成的PROFIBUS－DP接口上。另外，將所有輥道的傳動(dòng)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(yīng)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(shè)加變換器才能連接現(xiàn)場的信號。另外，由于這些傳感器和伺服閥都安裝在設(shè)備上，離主電室很遠(yuǎn)，需要通過很長的電纜才能接到主機(jī)架的EXM 438－1上。而要把這些信號連入控制系統(tǒng)有兩種方案可供選擇。其中之一是在現(xiàn)場安裝端子箱，把所有信號先連入端子箱，然后再鋪設(shè)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(yīng)用模塊。方案二是在現(xiàn)場安裝控制箱，里面安裝的ET200M遠(yuǎn)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(wǎng)絡(luò)接入FM 458－1 DP應(yīng)用模塊。

方案一的優(yōu)點(diǎn)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(shè)工作量，而且加裝變換器還增加了故障點(diǎn)。

方案二的優(yōu)點(diǎn)是成本相對低，故障點(diǎn)相對少，但是能否滿足FM 458－1 DP應(yīng)用模塊高速運(yùn)算的要求卻是此方案可行與否的關(guān)鍵點(diǎn)。

本套軋機(jī)精軋出口最高線速度是12 m/s，空卷筒直徑為?762 mm，通過計(jì)算可知每個(gè)助卷輥踏步的最長周期可達(dá)66 ms左右，將FM 458－1 DP應(yīng)用模塊的Basic sampling time設(shè)為T0=1．5 ms，助卷輥的踏步控制采用T1=2×T0=3 ms，這個(gè)運(yùn)算周期可以滿足此生產(chǎn)線助卷輥踏步控制的實(shí)時(shí)性要求。

為了提高實(shí)時(shí)性，按照前面已經(jīng)敘述過的將夾送輥、助卷輥，卷筒等的傳動(dòng)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(yuǎn)程站的I/O信號，則在這段PROFIBUS－DP網(wǎng)絡(luò)上共需要輸入154個(gè)字節(jié)，輸出92個(gè)字節(jié)。當(dāng)PROFIBUS－DP網(wǎng)絡(luò)的速率設(shè)為3 Mbps時(shí)，PROFIBUS－DP網(wǎng)絡(luò)的總線循環(huán)時(shí)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(diào)試和后期維護(hù)的方便，我們選用了iba數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，采集模塊選用ibaBM－DPM－S－64，此模塊有兩個(gè)獨(dú)立的PROFIBUS－DP接口，可以作為兩個(gè)獨(dú)立的PROFIBUS－DP從站接入兩段獨(dú)立的PROFIBUS－DP網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)從站可以提供28個(gè)模擬量和32個(gè)數(shù)字量的數(shù)據(jù)采集。在此項(xiàng)目中正好可以分別接入控制兩個(gè)卷取機(jī)的兩塊FM 458－1 DP應(yīng)用模塊中。但是這樣一來又在每段PROFIBUS－DP網(wǎng)絡(luò)中增加了120個(gè)字節(jié)的輸出量，使PROFIBUS－DP網(wǎng)絡(luò)的總線循環(huán)時(shí)間（典型Ttr）變?yōu)榱?．9 ms。對此只能通過提高PROFIBUS－DP網(wǎng)絡(luò)的速率來降低PROFIBUS－DP網(wǎng)絡(luò)的總線循環(huán)時(shí)間（典型Ttr）。而如果將PROFIBUS－DP網(wǎng)絡(luò)的速率提高到 6 Mbps，則PROFIBUS－DP網(wǎng)絡(luò)的總線循環(huán)時(shí)間（典型Ttr） 變?yōu)?．6 ms，完全可以滿足控制程序?qū)崟r(shí)性的需要。

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

圖1 硬件配置

3 軟件系統(tǒng)

FM 458-1 DP應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)。

使用CFC將有助于節(jié)省時(shí)間和費(fèi)用，同時(shí)能大大簡化系統(tǒng)的組態(tài)和維護(hù)。用以功能塊為基礎(chǔ)的CFC進(jìn)行編程時(shí)，由于系統(tǒng)配置了很多預(yù)編程的功能塊，而且每個(gè)功能塊都有一個(gè)參數(shù)表，可根據(jù)實(shí)際工藝要求選擇不同的參數(shù)。每個(gè)CFC由6頁組成，功能塊在CFC中的連接直接用鼠標(biāo)點(diǎn)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(jìn)行，連接標(biāo)記由系統(tǒng)自動(dòng)標(biāo)出。因此，采用CFC可以完成很復(fù)雜的大型控制任務(wù)，主要用于連續(xù)過程的自動(dòng)化控制任務(wù)的組態(tài)。

FM 458-1 DP應(yīng)用模塊和傳動(dòng)裝置中的T400工藝模板都是從SIMADYN D系統(tǒng)演變來的，它們的編程語言也同為CFC編程語言，所以本項(xiàng)目傳動(dòng)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(yīng)用模塊實(shí)現(xiàn)。

本項(xiàng)目中FM 458-1 DP應(yīng)用模塊實(shí)現(xiàn)的主要功能有：速度邏輯控制、側(cè)導(dǎo)板短行程控制、上夾送輥壓下邏輯控制、卷徑計(jì)算、張力控制、加減速動(dòng)態(tài)力矩補(bǔ)償、空載力矩補(bǔ)償、摩擦力矩補(bǔ)償、側(cè)導(dǎo)板開口度夾送輥輥縫等的自動(dòng)位置控制（APC）、助卷輥踏步控制、帶鋼尾部自動(dòng)定位控制等。

4 結(jié)語

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，F(xiàn)M458工作穩(wěn)定可靠，編程界面友好，功能強(qiáng)大，便于修改，易于維護(hù)，能很好的融入S7-400的控制架構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的無縫連接，完全滿足控制精度的要求，卷形質(zhì)量獲得用戶認(rèn)可。

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

[2]侯維巖.令牌目的循環(huán)時(shí)間Ttr對現(xiàn)場總線PROFIBUS測控周期的影響 [J].儀器儀表學(xué)報(bào).2005.4.