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)
矯直機主傳動系統(tǒng)普遍采用電機、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。
矯直機系統(tǒng)主要是對直徑50~100mm的棒材進行加工的成套設(shè)備。根據(jù)矯直工藝流程,棒料在上料架經(jīng)過撥料機構(gòu)撥到上料軌道中,由上料軌道的電機將棒料送入矯直機矯直區(qū)進行矯直。上料軌道由變頻電機控制。當棒材完全經(jīng)過矯直區(qū)以后,由拉出電機將棒料拉出,此時棒料進入下料架,然后開始進行下一道矯直工序循環(huán)[1]。
矯直機的主機結(jié)構(gòu)如圖1所示,主機包括7個輥(3個上輥和4個下輥),主要設(shè)備包括主傳動電機、減速機和聯(lián)軸器。其角度和高度都是均可進行手動調(diào)節(jié),便于不同直徑棒材的矯直操作。每個輥都配有一臺電機,可以控制輥的上下移動,調(diào)節(jié)輥間距。每個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個輥,下輥的聯(lián)軸器驅(qū)動4個輥。
矯直機矯直的棒材型號范圍為直徑50~100mm,所需要電機的轉(zhuǎn)矩比較大,因此需要大功率的直流電機作為矯直機系統(tǒng)的主電機。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 七輥矯直機主機示意圖Fig.1 Illustration of the main engine of the seven-roller straightening machine
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)速直流電機電樞和勵磁供電,裝置額定電流范圍為15~2 200A,可通過并聯(lián)整流裝置進行擴展,并聯(lián)后輸出額定電樞電流可達到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)外得到可靠實例的證實,可靠性、安全方面得到有效保障。
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。電機主傳動部分采用西門子6RA70直流調(diào)速器控制。各個設(shè)備之間通過PROFIBUS總線[3]進行聯(lián)網(wǎng),組成控制網(wǎng)絡(luò),并通過西門子Step7軟件進行硬件組態(tài)。
圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.2 The hardware structure of the system design
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中的每一個字都將被編址,在整流器的雙向RAM可通過被編址參數(shù)進行排序,向調(diào)速器中寫入控制字、設(shè)置值或讀出實際值、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)時保持一致,這里是4)
U722=10MS(報文監(jiān)控時間)
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(實際值,PZD2反饋值)
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。當棒料放到架子上以后,按下啟動按鈕,系統(tǒng)開始判斷進料道是否有料,如果沒有料,撥料機構(gòu)就會往送料輥道里撥進一根料,然后棒料通過送料輥道進入矯直機,待完全通過矯直機后,棒料進入出料輥道,系統(tǒng)下料機構(gòu)將矯直后的棒料撥到下料架上,開始下一個循環(huán)。
圖3 自動控制系統(tǒng)流程Fig.3 Auto-control work flow diagram
組態(tài)以后的硬件系統(tǒng),可以在CPU中編寫控制命令實現(xiàn)對其進行控制。
在管理界面中插入一個功能“FC18”塊,雙擊以后進入編程界面,在此界面中對直流調(diào)速器的通信進行編程。
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PZD的起始地址。W#16#100是用十六進制表示的通道地址,就是十進制的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,以及伺服電機反饋回來的如轉(zhuǎn)動速度、轉(zhuǎn)動角度、電流值等實時數(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
并非實際數(shù)值,這樣不太方便實際操作,因此需要通過計算,將輸入的實際量轉(zhuǎn)換成直流調(diào)速器可以識別的數(shù)字量。計算公式為
數(shù)字量=(分辨率最大值×實際值)/實際值量程
通過公式推導(dǎo),編寫了一個模擬量與數(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
本設(shè)備通過現(xiàn)場調(diào)試以及應(yīng)用,經(jīng)過一段時間的運行,達到預(yù)期的控制設(shè)計要求,并且矯直精度符合標準。實踐證明,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)較直機速度同步、扭矩同步的要求,具有性能穩(wěn)定、運行可靠、調(diào)節(jié)精度高、參數(shù)設(shè)置方便以及故障率底、維護簡單等優(yōu)點。
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