基于s7-192850的矫直机自动化控制系统设计

基于s7-192850的矫直机自动化控制系统设计

1矫直机控制系统马钢第四级辊的螺纹由开卷机、驱动机、切边修剪、飞剪、堆叠台等主要设备组成。其中两台矫直机为核心设备,用来矫直板材并消除板材的内应力,提高板材的质量。Leveller1为7辊矫直机,它负责将开卷机开出的带钢进行矫直。Leveller2为11辊矫直机,负责将飞剪剪成的钢板进行矫直。每台矫直机的主压下装置采用了4个主液压缸,每一个缸的矫直力达到14000kN,位置控制精度要求达到<0.05mm。由于矫直机对控制响应和控制精度要求很高,所以二台矫直机必须采用一套独立的控制系统进行控制。整个控制系统以SMS_DEMAG矫直机模型为核心的二级系统和以S7-416PLC为核心的基础自动化系统构成。为了保证矫直机位置控制精度及响应速度,我们采用由SIENMES的功能模板FM458-1DP及扩展模板EXM438-1组成的基于S7-416CPU下的相对独立的控制系统对矫直机最重要的主压下装置和底辊的进行控制。由EXM438-1进行位置信号、压下力的信号采集、再由FM458-1DP的CPU对采集来的信号和给定信号进行运算处理,得出相应的输出值,直接经EXM438-1输出控制伺服阀。FM458-1DP内置64BitRISCCPU,等距的循环时间为100μs,并可以自定义5个不同的循环任务取样时间,计算及采样速度非常快,从硬件上保证了矫直机的控制精度。在控制方面采用位置和压下力闭环控制方式,两台矫直机的主压下装置及前后两个底辊还采用AGC自动辊缝控制,进一步提高矫直机性能和精度。2基础自动化系统构成矫直机自动化控制系统由过程控制系统和基础自动化系统构成。结构主框图如图1。过程控制系统即Level2系统以SMS_DEMAG公司的模型计算机和Level2计算机构成。基础自动化系统即Level1系统由HMI人机界面、SIEMENSS7-416PLC系统、iba监控系统、SIEMENS6SE70系列传动等设备构成基础自动化系统构成。矫直机PLC系统主机架基于具有P-BUS,K-BUS总线功能18槽底板,由1块S7-4163DPCPU模块、2块FM458-1DP功能模板、4块EXM438-1扩展模板,一块443-1Ethernet通讯模板构成。具体硬件配置见图2。S7-4163DPCPU模块是整个基础自动化系统的核心,完成对2台矫直机的总协调及逻辑控制、顶部的楔铁位置控制、换辊润滑等辅助设备控制及与外部设备的网络通讯控制。每个矫直机的主压下装置和底辊楔铁位置控制分别由1块FM458-1DP功能模板和2块EXM438-1扩展模板完成。FM458是带有CPU的功能模板,能进行128MHz64bit的浮点数运算,最快循环周期为0.1ms.其I/O连接通过EXM438-1I/O模板进行,EXM438-1模板提供数字和模拟I/O及增量、绝对值、SSI编码器通道。FM458的DP接口通过PROFIBUS-DP网络连接iba数据采集系统,高速采集矫直机的状态信息,有利于系统分析诊断。由于EXM438-1模板的通道数量限制,部分的信号通过FM458的DP接口采集。3基于主机的控制误差矫直机自动化控制系统是一个复杂的控制系统,涉及的范围比较广,主要设备控制精度要求很高,位置控制误差小于0.05mm,压力控制误差小于2bar。该系统主要分为:逻辑顺序控制、液压缸的控制、主传动电机的控制。其中液压缸的控制即主压下装置和底辊的楔铁位置控制的是该系统的控制重点和难点,以下着重分析液压缸的控制。3.1矫直机位置控制每台矫直机的主压下装置是由矫直机顶部操作侧和传动侧的四个主液压缸和矫直机的上辊机架构成,主压下液压缸驱动上辊机架直接负责矫直工作,它的位置控制精度好坏直接影响矫直质量。其控制由FM458-1DP完成,在矫直过程中采用位置闭环控制,只有在液压缸位置标定过程中某一阶段采用压下力的闭环控制。具体控制框图如图3所示。顶部主压下装置的位置控制是矫直机最重要的控制环节,位置设定值由SMS的模型机通过Level2计算机发送给PLC系统。PLC接受来自SMS模型机的位置平行移动设定值和倾斜设定值、旋转设定值、AGC运算输出值、相加得出位置实际设定值,同时采集位置当前值作为位置反馈值,与设定值相减,其差值经过比例运算器运算产生一输出值,控制伺服阀驱动液压缸接近设定位置值,当设定值与实际值的差值很小时,起动差值积分回路,对伺服阀进行位置控制补偿.3.2矫直机上辊架的安装为了保证控制精度小于0.05mm,顶部主压下装置必须定期进行位置校准标定。力的闭环控制(见图(3))用于主液压缸位置标定校准控制环节,在标定校准环节中必须在将底辊调整到零位并放上标定用的标准钢板,矫直机的上辊架在开起最大位。当校准命令起动后,矫直机的上辊架首先按位置控制模式向下运行,当上辊架与标准钢板全面接触,且四个主液压钢设定接触压力均达到时,则将当前主液压缸的位置闭环方式切换到力的闭环方式下进行控制,按预先设定的压下力设定值F1.1进行控制.当四个缸的力均到达F1.1后,延时2s再使用预先设定的压下力设定值F1.2进行压下力的闭环控制,当四个缸的力均到达F1.2后,经过一段时间延时,PLC产生一命令读取当前值作为校准值并将控制模式切换到位置控制,将上辊架抬升到最大位,校准工作完成。3.3矫直机agc辊缝控制AGC自动辊缝控制是矫直机的保证矫直精度的一种有效的控制方法。在矫直过程中如果位置控制系统持续维持在最大反作用力的位置上,矫直机的机械机架会产成弹性形变,这时通过AGC自动辊缝控制进行补偿,保证控制精度。每台矫直机包括顶部4个主液压缸的AGC控制和底辊最前面和最后面的两个楔铁AGC控制。AGC自动辊缝控制基本原理框图如图4。从图4可以看出,来自模型计算机的AGC因子系数是AGC控制的关键参数,是一个力与机械弹性形变有关的系数,单位为kN/mm。弹性形变距离(Springdistance)mm=矫直压下力(kN)/AGC因子(kN/mm),计算出来的弹性形变距离经过由积分调节,乘以放大倍数,经过限幅回路,其结果直接参与位置闭环控制系统的位置控制,补偿由于机械发生弹性形变而引起的位置误差,这就是矫直机的AGC辊缝自动控制。其中I参数可以调节给定斜率。3.4u3000型矫正装置矫直机的主电机控制也是一个非常重要控制环节。1#矫直机有2台主交流电机,一台通过齿轮箱驱动3个矫直辊,另一台通过齿轮箱驱动4个矫直辊。2#矫直机也是由3台交流电机通过齿轮箱分别驱动11个矫直辊。传动装置结构采用直流母线加逆变器的结构,装置采用性能可靠,技术先进的SIEMENS6SE70系列逆变器,控制方式为交流矢量速度传感器闭环控制,具有很高的动态响应和调速精度。传动装置和PLC之间通过PROFIBUS-DP现场总线建立一个快速通讯网络。每台传动装置配备一块SIEMENST400工艺板,通过在T400工艺板里编程来完成矫直机的负载平衡控制。4通讯功能的实现矫直机控制程序采用结构化的编程方式,使用了STEP75.3CFC6.1、D76.2等编程软件。自动控制程序主要分为如下几个部分组成:(1)通讯功能块完成PLC与Level2及HMI的通讯功能以及S7-416CPU与FM458之间的通讯功能。(2)条件判断功能块设备运行必要的条件判断,如液压系统是否正常,标定是否完成等。(3)主协调功能块根据外部命令和实际的反馈值来调用和协调如顶部主压下装置、底部锲块调整、传动控制、换辊控等子功能块。(4)监控功能块实时监控矫直机系统的各种运行数据,如发生异常及时的发信息给主协调块,保证设备安全运行。(5)钢带跟踪功能块矫直机的控制和钢带的位置密切相关,跟踪功能块利用矫直机主电机的