滚切式双边剪机组是轧钢厂精整车间的关键设备之一，主要用于钢板的运送、切纵边、宽度定尺、碎边和碎边收集[1]。双边剪机组主要包括剪前辊道、剪后辊道、主剪和夹送辊等。其中,夹送辊是很重要的设备。以前，大多数轧钢厂的双边剪夹送辊控制系统均采用模拟量控制。这种系统存在控制精度不高，接线复杂，系统维修困难等缺点。并且，仪表和调速器均没有通讯接口，使控制系统形成了“信息孤岛”，信息不能被综合利用和集成。随着现场总线技术的发展，为开发新一代夹送辊控制系统提供了技术支持。为此，研制了基于profibus-dp总线的全数字双边剪夹送辊控制系统。该系统使用了具有profibus-dp通信接口的直流调速器和分布式i/o，具有控制精度高、开放的通信结构、接线简单、维修方便等优点，满足了生产和管理的需要。
2 系统工艺流程
滚切式双边剪夹送辊共有4组，每组2台，共8台，分别布置在双边剪的入口端和出口端的移动侧和固定侧，分别称作入口固定侧（上/下辊）、入口移动侧（上/下辊）、出口固定侧（上/下辊）、出口移动侧（上/下辊）。每侧的下夹送辊用同步轴联结。四对夹送辊根据钢板送进的要求，会不断地调整转速、上抬/下压等动作，是双边剪机组传动的主要部分，也是改造项目中的主要控制对象。夹送辊的空间位置图如图1所示。
图1 夹送辊的空间位置图
双边剪控制系统的工艺和作业流程主要由夹送辊机组和剪刀机组通过一系列配合严密并相互协调的动作来实现。按照工艺要求，系统有三种剪切速度:24次/分、18次/分和12次/分，三种步长选择:1100mm、1200mm以及1300mm。剪切钢板时，需根据板厚和板长选择不同的剪切步长和剪切速度，并必须根据实际检测的钢板位置对板头和板尾部分的剪切步长进行实时调节。为了简单地说明问题，以常用的剪切速度24次/分为例，对系统进行分析。剪切一刀的具体流程如图2所示。
图2 剪切钢板的工艺流程
图2中θ为剪切过程中曲轴角度值。以上所有的工艺都是在曲轴转动一周（360°）内按控制逻辑完成。剪切速度为每分钟24次，即要在2.5s内完成上述步骤，其中送板时间约为1s。钢板的传送是由八台夹送辊共同完成的，分为入口夹送辊和出口夹送辊两组，每组的上辊可根据钢板在生产线上的位置上抬或下压。每个夹送辊由一台直流电机驱动，因此需要对八台夹送辊驱动电机进行同步控制。其它工艺过程均由原系统中的主控plc控制。送板过程要在曲轴转动一周内与其他设备动作严密配合，就应该满足送板及时、停止快速，且能够在规定的时间内送板到位。因此系统必需要保证各种测控信号和八台驱动电机的控制信号能够实时被传送。针对这样一个实时性要求高、且多个控制对象分散的系统，一个有效的解决方案是采用profibus-dp构成现场总线控制系统。
3 profibus-dp现场总线技术
profibus是德国国家标准din19245和欧洲标准en50170的现场总线标准，同时也是现场总线国际标准之一。参考模型是iso/osi模型。有三种系列:profibus-dp、profibus-fms和profibus-pa。dp系列用于分散外设间的高速传输，适合于加工自动化领域的应用。
3.1 总线协议
profibus-dp使用了osi模型的第1层、第2层和用户接口，第3层到第7层未加以描述。这种经过优化的高速、廉价的通信协议，主要为自动控制系统和设备级分散i/o之间通信设计，可代替24v和0～20ma的信号,实现分布式全数字控制系统的高速数据传输。
3.2 总线存取方式
总线采用两种存取方式，即主站之间的令牌传递方式和主从方式。profibus-dp主要的应用就是主从方式下主从站之间周期地进行数据交换。
主从方式的工作特点是，总线上一个主站可以控制多个从站，主站与每一个从站建立一条逻辑链路，主站发出命令，从站给出响应，从站可连续发送多个帧，直到无信息发送、达到发送数量或被主站停止为止。
3.3 传输技术
profibus-dp采用rs-485和光纤传输技术。在电磁干扰严重的情况下采用光纤。传输速率为9.6kbps到12mbps。
3.4 系统配置
每个profibus-dp系统可包括三种不同类型的设备。
（1） 一类dp主站（dpm1）是一些中心站（如plc、pc），按规定的通讯周期与从站交换信息;
（2） 二类dp主站（dpm2）主要是一些编程、监控站点，主要用于配置、启动及运行监控系统;
（3） 从站是一些直接连接i/o信号的外围设备，如输入、输出、驱动器等。
4 系统的硬件构成及各部分功能
如图3所示，控制系统为基于profibus-dp的现场总线控制系统，采用单主从式总线型拓扑结构，硬件设备均采用西门子公司的产品。
图3 系统硬件结构图
4.1 s7-400plc主站系统
s7-400 plc站是整个系统最主要的部分，它包括电源模块、cpu模块、数字量输入模块di、数字量输出模块do和计数模块fm等。这些模块按照一定的顺序规则地安装在机架ur上面。它主要完成以下功能:
（1） 完成与主剪控制plc的信息交换
s7-400 plc从主剪控制plc接收夹送辊启动、停止和压板压下等信号。反馈给主剪控制plc驱动器准备好、驱动器故障、电机风机准备好、电机风机故障等信号。
（2） 根据双边剪机组的工艺要求和主剪控制plc来的信号，控制各夹送辊的运转。
（3） 为保证钢板在剪切过程中不跑偏，对8台夹送辊电机进行同步控制。控制方法如下:当钢板头部进入双边剪的入口端时，两上夹送辊压下，钢板向前运行。入口端固定侧下夹送辊采用速度控制，其余3台入口侧夹送辊作为力矩跟随，此时，入口端夹送辊为“1主3从”的控制方式。当钢板头部进入到双边剪出口端时，两出口上夹送辊压下。出口固定侧下夹送辊采用速度控制，其余7台夹送辊为力矩跟随。8台夹送辊为“1主7从”的控制方式。当板尾离开入口端时，两入口上辊抬起，出口端固定侧下夹送辊采用速度控制，其余3台出口侧夹送辊为力矩跟随，出口端夹送辊为“1主3从”的控制方式。
4.2 6ra70全数字式直流调速装置
6ra70全数字式直流调速装置是直流电机的驱动装置，是系统的核心单元之一。主回路采用三相桥式反并联电路，励磁回路为单相半控桥电路。该系统为逻辑无环流可逆方式，可实现频繁的正、反转操作，具有可在四象限运行的机械特性。在本系统中，它作为智能从站挂在profibus-dp网络上。主要负责接收plc的控制指令、反馈必要的信息给plc、控制夹送辊电机和风机。主站plc通过cbp2通讯模块建立与调速器的profibus-dp主从通讯。
4.3 分布式i/o
由于各调速器安装在不同的控制柜上，为了安装和维修的便利，给每个调速器都配备一个分布式i/o模块——et200m。et200m智能从站以im153为接口模块，实现与profibus-dp总线的连接，负责处理一些调速器柜和控制面板的开关量信号。
5 控制系统的实现
5.1 6ra70与plc的profibus-dp通信
（1） 网络数据结构
在profibus-dp网络中，主站使用主从方式，且通常周期性的与传动装置进行数据交换。在profibus-dp数据结构中，6ra70调速装置周期性通道的有用数据被定义为参数过程数据对象（ppo）。参数过程数据对象最长为14个字，分为两个区域:参数数据（pkw）和过程数据（pzd），它们以各自的报文进行数据传送，见图4。参数区用于读写调速装置的参数，如读出故障、参数的特征信息等。过程数据用于协调传动装置和自动化系统中其它单元的工作，主要包括控制字、设定值、状态字和实际值等。
图4 参数过程数据对象（ppo1型）
共有5种ppo类型:第一大类为无参数区，且有两个字（ppo3）或6个字（ppo4）的过程数据;第二大类为有参数区，且有两个字（ppo1）、6个字（ppo2）或10个字（ppo5）的过程数据。
（2） ppo型的设置
当总线系统启动时，用于profibus-dp主站到调速装置通信类型的ppo能够由主站来配置。选择哪种类型的ppo，取决于自动化网络中传动装置的任务。由于在夹送辊控制系统中要读写必要的参数，如斜坡上升时间和下降时间参数、速度/电流闭环选择参数等;而且，还要通过总线来给定速度值。所以我们选择使用ppo1型。
（3） 通信的实现
直流调速装置的参数与ppo型中过程数据的互连设置好后，就可以通过对主站plc编程来实现总线通信了。因为使用装载指令访问i/o或输入映象区最多只能读出4个连续的字节，而在该系统中选用的ppo1型数据结构包含有6个字。因此，必须使用plc提供的系统功能来实现总线的通信。系统功能sfc14用于读取dp标准从站的连续数据，sfc15则用于向dp标准从站写连续数据。在周期性数据交换方式下，仅能通过系统功能sfc14和sfc15来完成ppo数据的存取。
5.2 控制程序的设计
系统程序软件开发环境为西门子step7 v5.3，整个系统采用模块化程序设计，即将程序分解为单个的、自成体系的程序部分。这样可以使得程序组织简化，大规模的程序更容易理解，程序修改和系统调试更容易。程序总体结构如图5所示。
图5 系统程序模块结构图
图5中ob1是程序循环组织块，在s7 cpu操作系统上电后将周期性地执行组织块ob1程序。因为ob1的循环执行，控制程序的主程序总是放ob1中。cpu运行时，正常情况下，功能块如工艺模块、夹送辊电机控制模块、计数器控制模块等在ob1中按照工艺要求循环地被调用着。当出现循环中断和故障中断时，系统会跳出正在运行的程序去处理相应的中断模块。ob1的优先级是最低的，可以响应任意中断。
各功能块的功能如下:
（1） 工艺模块负责双边剪工艺要求，根据工艺要求来协调双边剪各机构的运行;图6是实现双边剪剪切要求的工艺模块主程序结构图;
（2） 入口辊电机控制模块由四个功能（fc）组成，每个功能完成一个夹送辊电机的基本控制，入口辊电机控制模块的作用是按照工艺模块的要求实时控制入口夹送辊4个电机的起动和停止;
（3） 出口辊电机控制模块与入口辊电机控制模块功能相似，其作用是按照工艺模块的要求实时控制出口夹送辊4个电机的起动和停止;
（4） 计数器控制模块完成对入口下辊编码器和出口下辊编码器的控制;
（5） 循环中断模块用于各夹送辊电机电流和电压数据的采集;
（6） 故障中断模块完成系统功能自检、故障自诊断和故障自处理等功能。
图6 软件主控程序流程图
6 结束语
运用profibus－dp现场总线网络控制取代传统的模拟量控制方式，实现了系统的全数字分布式控制。使控制系统实现了质的飞跃。该系统在韶钢第二轧钢厂双边剪机组投入使用一年多来，未出现任何故障。实际应用表明，该系统具有结构简单、维修方便、可靠性高、性能价格比高等特点，具有很高的推广应用价值。
