主从控制在承钢棒材冷床中的实际应用

张 伟

（河钢承钢自动化中心，河北 承德 067002）

1 冷床工艺简介

步进式齿条冷床是现今棒材连轧生产线中重要设备之一,主要功能为接收、传递以及冷却轧件。步进式冷床是轧件冷却和传输的冶金设备，轧件经步进式冷床后，由900多度的高温降到了近100度，步进式冷床在轧件的冷却、成形上起着主要作用[1]。

图1 步进式冷床平面简图

2 承钢第三棒材产线当前现状及存在问题

承钢三棒冷床4段齿条原设计为直流电机驱动，传动装置采用西门子6RA70系列，传动控制模型为电动势反馈开环控制方式（P083=3），即电机的实际转速由传动装置通过EMF模型计算，作为速度调节器的速度反馈输入[2]。

自动化程序向钢性连接的电机同时发出控制合闸运行指令，由于大电机特性不同，并且控制部分采用开环控制，控制精度较低[3]。

3 冷床主从控制

使用西门子6SE70装机装柜型变频柜实现主从控制主要有如下3种方式。

3.1 通过连接CUVC板上的模拟量输入(简称AI)端口和模拟量输出(简称AO)端口实现控制

在西门子6SE70变频器的CUVC板上模拟量输入端口和模拟量输出端口各有2个。在主从控制中按照控制方式，将主传动的速度或者扭矩信号通过主传动的任意一个模拟量输出端口输出。根据西门子对硬件模拟端口的定义，模拟输出端口可以输出电压信号，也可以输出4 mA～20 mA的电流信号，由于电压信号在线路的传输上有衰减，建议使用电流信号。从传动则是通过自身CUVC板的AI端口接受主传动发送来的实时速度或者扭矩值。为最大程度地减少信号的衰减和外部干扰，建议主从传动模拟量端口间的连线使用双绞屏蔽电缆。

根据西门子矢量大全中功能图的含义，模拟量输出端口是将变频器内部需要输出的数字量信号进行数模转换，而模拟量输入端口是将外部输入的模拟量信号转换为变频器内部接受的数字量信号。这种方法简单实用，但是传输数据的线路容易受外部电磁干扰，再加之模拟量数据处理端口的时间总和较大，使得数据传输的时间相对较长，因此这种控制方式对于控制精度要求不是很高、速度较低的工况来说是比较合适的。

3.2 通过Profibus总线技术实现控制

目前大多数轧钢电控变频传动系统都采用Prof i bus总线进行数据传输。在西门子6SE70变频调速柜CUVC板的扩展槽上安装用于通讯的CBP通讯板，PLC通过与CBP通讯板进行数据交换，可达到控制的目的。使用Prof i bus进行主从控制时，为了提高控制精度和响应速度，一般选择西门子S7-300系列的PLC来作主站，而把安装有CBP通讯板的变频调速柜作为从站。PLC扫描运行整程序所需要的时间称为一个周期，而1个周期的时间基本是在毫秒级，因此当PLC的程序根据实际控制的需要把计算好的速度和转矩发给总线中的从站时，其控制的精度和响应的速度是非常快的。

这种方式控制精度高，但是对于使用者的要求也相对高，使用者必须了解PLC程序的编写以及PLC系统与变频器的通讯原理和数据交换法则。如果传动系统中已经构建好Prof i bus总线，则使用Prof i bus实现主从控制是最经济的，否则将要承担组建Prof i bus通信网络的初期费用。

3.3 通过SIMOLINK技术实现控制

SIMOLINK通过安装在CUVC板上的SLB板以光纤为传输介质完成数据的传输和接收，受外界的干扰能力强，数据传输速度快，能保证数据的同步性和及时性。SIMOLINK驱动连接发展为单个MASTERDRIVESMC/VC装置之间或MASTERDRIVES MC/VC装置与上位机系统之间在共同系统时钟下连接站的同步，快速及精确的过程数据(控制信息、给定值及状态信息)周期传输。SIMOLINK的主要部件包括SIMOLINK主机、SIMOLINK板SIMOLINK开关和光纤电缆。其特点是：①传输介质为光纤电缆，玻璃或者光纤电缆均可以应用；②SIMOLINK总线循环的周期为0.2ms～6.5ms；③SIMOLINK有环型光纤电缆结构，其中每个站作为一个信号放大器；④SIMOLINK最多可以连接201个主站；⑤传输速率为11 Mbit/s。

由SIMOLINK通讯的特点不难看出，SIMOLINK主从控制在上述3种控制方式中，控制精度、系统的响应时间和抗干扰力都具有优势，所以这种主从控制适用于承钢三棒冷床主从传动系统。

图2 承钢三棒冷床主从传动系统

4 通过SIMOLINK通讯板进行主从控制的原理

采用三台装置控制，其中一台装置作为主装置，其余两台装置作为从装置。主装置采用速度闭环，其所驱动的电机轴上安装有脉冲编码器，采集速度实际反馈，从装置采用转矩闭环的控制。主装置在速度环输出的转矩作为从装置的给定，送到主给定通道。通过SIMOLINK通讯模块连接实现主从传动设备之间的数据快速交换从而实现三台装置的同步控制。如图1所示。

主从装置的连接方式：通过SIMOLINK通讯模块连接，其通讯板SLB板可以直接插在6SE70变频器的CUVC控制板的扩展槽上，然后通过光纤线来连接成闭合环形回路。

图3 主从控制连接

在主从应用中可以把主传动的SLB板设置成主站，作为分配器使用，其余两台装置设置成从站。主从传动速度或转矩分配是由主站的变频器来完成。SIMOLINK(Siemens Motion Link)是以光纤电缆位传输介质的通讯方式，其特点是响应速度快捷，抗干扰能力强，在每一个周期内依靠其精确的时间间隔和无偏差的同步功能使所连接的变频器在极快的数据传输中保持高性能的适时性和同步性，SIMOLINK有11Mbit/S的数据传输速率，可以传输32位的数据，总线循环周期为0.2Ms～6.5Ms。在主从控制中通过SIMOLINK通讯方式可以使得两台电机的控制精度和响应速度方面都达到很高的性能。