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河北工业大学硕士学位论文 i 轧钢自动化生产线飞剪控制系统的研究轧钢自动化生产线飞剪控制系统的研究 摘摘 要要 我国是个钢铁大国，但不是钢铁强国。工艺装备落后是其重要制约因素。国内中小企 业所使用的停剪机组大多设备陈旧，自动化水平不高，特别是效率底、剪切误差大。最近 几年来，新型控制技术在轧钢生产线上的应用对提高我国的钢铁加工水平起了举足轻重的 作用。 本文针对这种情况，对剪切生产线进行了研究，给出了一种飞剪控制系统设计方案， 该系统以计算机和 plc 为控制系统的核心，应用了计算机控制技术和控制理论的最新研究 成果，结合先进的西门子产品，有效地提高了产品质量和生产效率。相对于同性能的进口 设备，该系统的成本低，性价比高，可以满足中小企业陈旧设备的更新改造的需要，具有 极大的市场价值。 本文介绍了飞剪控制系统的构成，在研究工业以太网的通信机制、协议模型和技术特 点，以及深入研究 simatic s7-300 系列可编程控制器的原理和应用的基础上，提出了采 用西门子 s7-300 系列 plc、基于 profibus 总线控制系统方案；采用模糊控制技术进行速 度控制，并对位置控制进行分析研究，给出了定位控制的方法；还介绍了西门子直流调速 装置 6ra70 在飞剪控制系统中的应用；并在 step7 v5.4 环境下进行控制系统的软件设计。 关键词：关键词：飞剪，控制系统，模糊控制，自适应，plc 河北工业大学硕士学位论文 ii research on flying-shear control system of steel rolling automatization product line abstract china is a great steel nation,but not a strong one.the main factor is laggered craftwork and equipment.most small corporations have obsolete equipment,bad automation level, especially low efficiency and big error in our country.in recent years,the application of new control technic to steel rolling product line improves our steel-machining level. this paper gives a research on above problem,put forward a design project of flying-shear control system,which is based on computer and plc as the core of control syetem,combines the new control theory and advanced siemens product,improves the quality and efficiency.this system has lower cost and high performance compare with same imported one.and it can satisfy the small corporations for changing and has huge market value. this paper introduces the structure of flying-shear control system,put forward a control system that uses siemens s7-300 series of plc and is based on profibus field bus on the base of researching on communication mechanism,protocol model and technic of incustry ethernet and of deep researching on theory and application of simatic s7-300 series.this paper puts fuzzy control into speed-regulation of motor,and gives a research on position control and puts forward a method about it.and it introduces the application of 6ra70 in flying-shear control system,and makes software design of the system in context of step7 v5.4. key words:flying-shear,control system,fuzzy control,self-adaptive,plc 河北工业大学硕士学位论文 1 第一章第一章 绪绪 论论 1-1 课题背景课题背景及及意义意义 近年来，随着计算机，电子信息技术的突飞猛进，国际互联网的出现，推动了经济全球化，市场竞 争空前剧烈。人类社会生产、生活的方方面面，都在发生着巨大的变化。电子信息技术的发展，也极大 地促进了工业自动化技术的发展。 工业检测仪表、 电气传动装备和自动化系统技术装备也都取得了重大 进步和革新，从而引发了传统产业的技术进步，大大增强了企业的竞争力。最近几年来，控制技术在轧 钢生产线上的应用对提高我国的钢铁加工水平起了举足轻重的作用。 一个完整的轧钢自动化系统可以按 功能划分为四级，即生产管理级，生产控制级，过程控制级和基础自动化级，它们构成管理控制一体化 的系统。 据统计， 国家重点和地方骨干企业中， 按生产能力计算， 达到国际水平的装备， 炼铁只占 25 %， 烧结占 8%，机械化焦炉占 7.9%，转炉占 9.4 %，电炉占 9.7%，轧机占 11.3 %，其中基础自动化不足 20 %，过程自动化只占 14%，管理自动化还在蹒跚学步。面对新世纪的挑战和进入 wto 以后的现实， 我国钢铁企业在建立现代企业制度的同时， 必须下大力气改变工艺装备落后的现状， 而采用自动化技术 装备是增强企业竞争力的必然选择 1。随着现代科学技术的迅速发展，钢铁加工业棒材精轧生产系统正 朝着大型化、复杂化、系统化和自动化的方向迅速发展。这些发展都对轧钢控制系统的安全可靠性提出 了更高、更严格的要求 23。 轧钢自动化系统是对轧制生产线进行在线实时控制和监督， 以计算机为核心的自动化系统。 伴随着 我国工业技术的蓬勃发展，对钢材的需求量日益增大，特别是造船、汽车、建筑等行业的快速发展对钢 材的精加工也提出了更高的要求。 飞剪是一种用于横向剪切运动着的带钢的机械设备， 飞剪的剪切精度 直接影响着板材的成品质量。因此，充分利用现代科技发展的成果，深入地分析与研究飞剪控制系统， 对提高飞剪的剪切精度，增强产品市场竞争力具有重要的理论意义与应用价值。 1-2 国内外研究现状及发展趋势国内外研究现状及发展趋势 长期以来，我国的飞剪控制系统多采用机械控制或分散控制，其控制手段简单，存在飞剪剪切精度 低下等诸多问题。70 年代我国的飞剪控制系统的在线模型设定计算和部分直接数字控制是由计算机控 制系统实现的， 其他的功能是由继电系统或模拟控制电路来实现的。 而国外的飞剪控制系统采用的是计 算机控制的可控硅直流伺服系统， 其精度高可靠性好， 但是线路复杂， 而且成本很高。 随着计算机网络， 河北工业大学硕士学位论文 2 通讯以及 plc 技术的不断发展，自动控制技术在飞剪控制系统中应用越来越广。例如，长治钢铁厂引进 的飞剪控制系统，各部分的动作全由 f712570 程序控制，以与夹送辊同轴的光码盘作为长度信号，剪切 精度高，倍尺长度设定灵活。通过对轧件尾部制动控制，使轧件减速到 4m/s 以下，不仅缩短了轧件自 由冲出的距离，而且极大地提高了操作的安全性。80 年代宝钢 2050 毫米带钢热连轧机生产线进行试验 研究，采用了双模数直流脉冲调宽式伺服系统，该系统线路简单，调试方便，投资少，控制灵活，能在 5 秒内实现机械定尺调节需要的附加转数。最近几年，随着我国钢铁产量的需求量的不断增长以及对精 度要求的不断提高， 很多企业的飞剪控制系统都引进了国外的先进控制技术， 飞剪控制系统发生了很大 的变化，主要由传动装置，plc 及其网络和小型计算机构成。剪切过程中各种控制功能都在 plc 自动化 系统的监督和控制之下完成，系统的功能完善，可靠性和实时性，可操作性和可维护性都得到极大的改 善，产品和质量迅速提高，经济效益极其显著 3。但是目前国内对于飞剪控制系统的研究与国际上相比 还是存在一定的差距，所以加强对我国飞剪控制系统技术的研究有着深远的意义。 对于飞剪控制系统的研究重点在于对直流电机调速的研究以及以 plc 为核心的控制技术的研究。 飞 剪的剪刃是由直流电机驱动的， 而电机的速度给定是由 plc 完成的。 电机调速装置与 plc 之间通过网络 实时，快速，可靠地传递数据。随着人们要求的不断提高，直流调速装置也在不断发展。 一直以来，广泛使用的可控硅直流调速传动装置，分为模拟控制方式和全数字控制方式。其中全数 字可控硅直流调速传动装置， 是采用了最新技术而开发的新产品， 被国内外许多电气传动行业的厂家广 泛地使用。国际上广为使用的直流调速装置有德国 siemens(西门子)公司的 6ra23 系列、6ra24 系列、 6ra27 系列、 6ra70 系列直流调速装置； 英国 eurotherm(欧陆)公司的 ssd 系列直流调速装置， 590 系列、 591 系列全数字直流调速装置；英国雪普电气集团的雪普模拟型、雪普数字型、雪普掌上型直流调速器 等等。国内各种企业和公司所采用的直流调速系统，大部分德国是西门子公司 1982 年改型后的可控硅 直流调速传动装置，其特点是调速范围广，调速精度高，体积小，重量轻，尤以可靠性好而著称 4。 从 80 年代后期开始，为了迅速改变我国机床电气传动的落后状况，经国家机械工业部和对外经济 贸易部批准，陆续有一些公司和企业引进国外先进技术和设备，并逐步自己研制、开发了相关的电气产 品。如武汉新达重型机电工程有限公司生产的多种可控硅直流调速装置（kzd 系列可控硅直流调速装 置）。又如，武汉重型机床厂的龙门铣刨床 b2320 的进给控制系统，采用了该公司自制的 gpm25l-pwm 宽调速装置等等。 还有首钢控制设备公司自行开发设计制造了一种通用型全数字控制单元， 该系统具有 系统参数设定、配置优化处理、多路保护检测和外围连锁等多种功能，适用于冶金、电子、机械、纺织、 化工等行业的直流传动控制设备，该公司在 1996 到 1999 年间采用 rockwell 公司的 reliance automax 多 cpu 32 位处理器分布式数字控制系统、西门子 6ra24 全数字系列控制装置、西门子公司 simadyn-d 多 cpu 32 位处理器控制系统、ge 公司 dv-300、av-300 系列交直流传动设备等，为首钢和其他国内外 河北工业大学硕士学位论文 3 有关部门的重型设备、中型机床提供了改造和技术服务。 我国的钢铁产量早己经居于世界前列，但相对于产量来说，目前我们的加工水平却相对落后。由于 轧钢过程是典型的批处理过程， 对于每一块轧件的轧制过程是一个连续的过程， 而各个轧件是一个断续 的过程。在轧制过程中，轧件处于不同的位置时，将采用不同的控制策略，因而基础自动化系统通常都 由 plc 及其网络构成， 小型计算机或高档工业控制微机作为过程控制计算机和操作站。 监测仪表和执行 机构通过输入输出信号与 plc 相连，这是至目前为止最典型的轧钢自动化系统的结构。因此，为了提高 我们的加工水平，改善落后的生产工艺状况，为了提高生产效率，我们不断引进国外先进的加工技术， 以及先进的生产设备，尤其是目前应用最广泛的 plc 控制技术。 自从 1969 年世界上第一台可编程序控制器在美国数字设备公司诞生，plc 技术就在不断进步和发 展。 随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展， 以 16 位和 32 位微处理器构成的微机 化 plc 有了惊人的进步，使 plc 在概念、设计、性能价格比以及应用方面都有了新的突破：1）不仅控 制功能增强，功耗、体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且远程 i/o 和通信网络、数据处理及图像显示的发展已经使 plc 向用于连续生产过程控制发展，成为实现工厂自 动化的一大支柱；2）其应用范围也由最初的少数大型工厂到现在广泛应用于机械、汽车、电力、冶金、 石油、化工、交通、运输、轻工、纺织、建材、采矿及家用电器等众多领域，取得了明显的经济效益。 plc 技术的发展也有了新的动向： 产品规模向大、 小两个方向发展， 出现了 i/o 点数上万， 使用 32 位 微处理器，多 cpu 并行工作和大容量存储器的超大型 plc 和整体结构向小型模块化发展，配置灵活， 最少 i/o 点为 816 点的小型 plc 向过程控制渗透和发展，加强了通信功能。新器件和模块不断推 出，编程工具丰富多样，功能不断提高，编程语言趋向标准化发展，容错技术也层出不穷 57。 综上所述，以直流调速为基础，plc 为核心的智能控制技术是轧钢自动化系统今后的发展方向，尤 其是飞剪控制系统，其作用更加突出。 1-3 本文主要工作本文主要工作 本课题主要研究了飞剪自动控制系统的原理及其实现方案，其中包括： 1) 飞剪电控系统的总体设计； 2) 飞剪速度控制原理设计及位置控制研究； 3) 西门子直流调速装置 6ra70 在飞剪控制系统中的应用； 4) 飞剪电控系统的硬件设计； 5) step7 环境下的软件设计。 河北工业大学硕士学位论文 4 第二章第二章 飞剪控制系统的总体设计飞剪控制系统的总体设计 2-1 自动化控制系统结构自动化控制系统结构 一个典型的工厂自动化系统应该是三级网络结构。基于现场总线 profibus -dp/pa 控制系统位于 工厂自动化系统中的底层，即现场级与车间级。现场总线 profibus 是面向现场级与车间级的数字化通 讯网络 8。 现场设备层-主要功能是连接现场设备，如分散式 i/o、传感器、驱动器、执行机构、开关设备 等，完成现场设备控制及设备间连锁控制。主站(plc，pc 机或其它控制器)负责总线通讯管理及所有从 站的通讯。总线上所有设备工艺控制程序存储在主站中，由主站执行。 车间监控层-车间级监控用来完成车间生产设备之间（如一个车间几条生产线主控制器之间）的 连接，对车间级设备进行监控（包括生产设备状态在线监控、设备故障报警及维护等）。通常还具备车 间级生产管理功能（如生产统计、生产调度等）。典型的自动化车间级结构如图 2.1 所示。 图 2.1 自动化车间级结构 fig. 2.1 strccture of automation workshop 工厂管理层-车间操作员工作站可以通过集线器与车间办公管理网连接，将车间生产数据送到车 车间级管理监控 车间级控制 生产线监控 现场设备 生产线控制 生产线监控 生产线控制 分布 i/o 智能 i/o 现场设备 分布 i/o 智能 i/o 河北工业大学硕士学位论文 5 间管理层。车间管理网作为工厂主网的一个子网。 飞剪控制系统位于工厂自动化网络的车间监控层及现场设备层。 本章将主要介绍飞剪控制系统的总 体设计及其原理。 2-2 剪切线系统剪切线系统 2 2- -2 2- -1 1 剪切线系统工艺流程剪切线系统工艺流程 剪切线系统工艺流程如图 2.2 所示。 图 2.2 剪切线工艺流程图 fig. 2.2 flow chart of cutting line 首先将钢卷用吊车吊到钢卷存放台上， 由钢卷车将其运至开卷机下方并对正开卷轴中心线。 钢卷车 的升降装置上升并托起钢卷， 并由人工完成钢卷的高度对中。 安放于各自滑座上的开卷头作相对的移动， 开卷头插入钢卷内径并张开，将钢卷固定在开卷机上。升降装置同时落下，小车移出线外。开卷机的左 右开卷轴(联动)沿带钢宽度方向移动，根据开卷机移动座上的标尺，人工完成宽度对中(即将钢卷中心 线对准机组中心线)。调整好后压辊压下，在铲头、深弯辊和压辊的辅助下将带卷头部打开，并引导带 头经转向夹送辊进入九辊矫直机。然后铲头摆开，压辊抬起的同时深弯辊压下，带钢经剪切机切头后进 入切边圆盘剪，切下的废边由碎边剪切碎。切边后的带材经活套、对中装置进入九辊矫直机及定尺剪， 完成穿带过程。操作台打自动档，切头后计算机清零，测长装置投入使用，然后即可由计算机控制进行 受料 压下矫直 切头 切边 开卷 矫直 活套 对中 启动飞剪 抛料 垛料 测量 河北工业大学硕士学位论文 6 自动剪切。剪切后的钢板由定尺辊道、抛料辊进入垛板台并垛成板垛。成品板材由输出辊道移出线外。 机组的自动化控制由 plc 完成。设有触摸屏的人机界面，可以根据生产需要修改生产参数。机组有启停 剪切和连续剪切两种工作方式，可根据需要选择。 2 2- -2 2- -2 2 飞剪作用飞剪作用 轧钢生产线是一个高速连续的自动化生产过程， 飞剪是热轧生产过程中的一个重要组成部分， 它对 高速移动中的带钢进行加工和整理，切除带钢头尾的不平齐部分，便于后续环节的进一步加工与处理， 飞剪控制系统的稳定性与可靠性对自动线生产的产品质量与效率起着十分重要的影响。 为保证飞剪控制 精度、 提高运行可靠性， 现在大部分系统都采用了高性能的数字控制系统装置来完成该部分的实时计算 与自动控制任务。 飞剪安装在轧机后面对轧件进行动态剪切（如图 2.3 所示）。在切头、切尾以及定尺剪切中，轧件 以匀速通过飞剪。当轧件达到设定位置且飞剪剪刃接触到轧件时开始剪切。这样，在运行过程中对轧件 进行剪切，不仅提高了生产效率，而且提高了剪切精度。 图 2.3 飞剪画面 fig. 2.3 picture of flying-shear 现代对于线材生产的要求是高质量、高速度、高产量，因此，在大多数国内高速线材生产线上都配 备有多台飞剪机，用以切除影响顺利轧制的轧件头部、尾部或在事故发生时及时对轧件进行碎断，这就 要求飞剪机必须具备响应速度快、控制精确、故障率低的工作特点，同时对飞剪的控制系统提出了更高 的要求。 本文所讨论的飞剪是由上下两个剪刃组成， 且互差 180 度， 通过机械连接到电动机轴上， 如图 2.4 所 示。在未进行剪切时，剪刃静止在原位 a。如果轧件正以速度 m v匀速运动，剪切时飞剪从原位开始加 速。当剪刃接触到轧件时，对轧件进行剪切，这个位置称为剪切位 b。此时，飞剪剪刃线速度必须与轧 件的运行速度同步。飞剪在脱离轧件的同时将轧件推出，此时剪切完成，这个位置称为剪切完成位 c。 此后飞剪开始减速，并要求能准确地停在原位 a。当然，要想十分准确地停在原位是很难的，但只要飞 剪停在原位超前一点或落后一点的位置都可认为剪刃回到了原位 a。这个超前与落后量不能太大，一般 在15以内便认为飞剪回到了原位。这样，飞剪运行一周完成一次剪切任务。飞剪能否准确地回到 15以内的原位 a 至关重要，它关系到剪切过程中的剪切精度和轧件的剪切周期。 河北工业大学硕士学位论文 7 图 2.4 飞剪示意图 fig. 2.4 flying-shear picture 飞剪经过加速-匀速-减速运动一个周期回到原位， 这就是一个定位过程， 需要通过计算机按一定 的控制算法才能很好地完成，该定位过程可解释如下：轧件匀速运动过程中，未达到设定长度时，飞剪 在 a 位处于静止状态；当轧件通过飞剪走过长度接近设定长度，但还未达到设定长度时，飞剪开始恒加 速启动； 当其速度达到与轧件运行速度同步时， 飞剪对轧件进行剪切， 然后以匀速运动到轧件脱离飞剪； 此后飞剪开始制动、停车并返回原位。为使停车时间最短且停车准确，飞剪的启动过程与制动停车过程 非常关键。 2-3 飞剪控制系统飞剪控制系统总体设计总体设计 本文设计的飞剪控制系统分成三部分，即检测单元、主控单元和调速单元，其控制系统结构如图 2.5 所示。其中检测单元包括：测量辊上测量带材通过长度的光码盘、剪刀上检测剪刃位移的光码盘、 剪刃位置检测接近开关；主控单元包括：plc、用于设定参数与过程数据显示的上位机；调速单元包括 调速装置 6ra70、测速电机以及操作按钮、指示灯等。 河北工业大学硕士学位论文 8 图 2.5 飞剪控制系统结构原理图 fig. 2.5 flying-shear control system principle chart 在上述控制系统中，plc 和飞剪传动装置之间采用 dp 网通讯，通讯字种类为 ppo4，允许 plc 向传 动装置传送控制字，同时传动装置也可以向 plc 传送状态字。控制字用了 3 个， 第 1 个控制字作为主控 制字，控制飞剪的启动和停止；第 2 个控制字是辅助控制字，控制传动装置内部的脉冲计数器；第 3 个控制字作为速度给定。状态字分别传送主状态字、飞剪电机实际速度、实际电流、实际转矩和传动装 置内部计数器的当前计数值。与飞剪剪刃同轴安装有一接近开关，用来确定剪刃初始位置。 上位机 操作台 m 调速单元 g 板材速度及 长度检测 测速机 飞剪电机 脉冲编码器 检测信号 profibus-dp 位置反馈 零位接近 开关 c p u 电 源 输 入 输 出 通 讯 计 数 器 s7 315-2dp plc 河北工业大学硕士学位论文 9 第三章第三章 飞剪控制系统中调速单元的设计飞剪控制系统中调速单元的设计 3-1 直流调速装置直流调速装置 在当今电气传动领域， 由于直流电动机具有极好的运行性能和控制特性， 因此在要求高起制动转矩、 快速响应和宽速度调节范围的可调电气传动中， 仍广泛采用直流电动机作为电机的直流调速系统。 目前， 由电力半导体器件构成的静止式变流装置作为直流调速系统的功率元件， 晶闸管(可控硅)变流器就是其 中一种 910。由晶闸管(可控硅)变流器供电的直流调速系统具有如下特点： 静止式变流； 变流效率高； 变流器的功率放大倍数大，可控制电机容量大； 变流器响应速度为毫秒数量级等等。 随着电气传动各相关领域的飞速发展，数字化已成为当前传动技术发展的趋势。从 80 年代中后期 起， 世界各大电气公司都在竞相开发数字式调速传动装置， 当前直流调速装置已发展到一个很高的技术 水平：功率元件采用可控硅；控制板采用表面安装技术；控制方式采用电源换相、相位控制。特别是由 于采用了 16 位(或 32 位)微处理器及其他先进技术， 使数字式直流调速装置具有很高的精度、 优良的控 制性能和强大的抗干扰能力， 在国内外已得到广泛应用。 全数字化直流调速装置作为最新控制水平的传 动方式更显示了强大优势。近年来，全数字化直流调速装置不断推出，为工程应用提供了优越的条件。 全数字化直流调速控制传动是指由三相交流电源直接供电， 用于直流电机电枢和励磁供电， 完成调 速任务。 其中单象限工作装置的电枢整流回路为三相桥式全控电路； 四象限工作装置的电枢整流回路为 反并联三相桥式全控电路。励磁整流回路采用单相半控桥，所有的控制、调节、监控及附加功能都由微 处理器来实现，且全部控制过程在 vlsi 技术和微机化硬件环境下以程序软件实现，系统内部信息交换 以数字方式进行。 全数字化的应用解决了模拟系统中电子元器件参数性能受环境因素影响的问题， 特别 是温度漂移问题，从而使系统精度的不可控影响因素得以消除，控制精度仅受微处理器字长、检测元件 精度的影响，从而达到极高品质的控制功能和水平。 全数字化直流调速装置具有如下特点： 装置本身带有参数设定单元，不需要其他任何附加设备便可完成参数的设定； 给定值和反馈值的输入既可采用数字量也可采用模拟量； 高性能的 16 位(有的已采用 32 位)微处理器承担电枢和励磁回路所有的调节和传动控制功能， 河北工业大学硕士学位论文 10 调节功能在软件中通过参数构成的程序块实现； 电压检测为数字化电压变送器，电流检测为数字化电流变送器，检测精度高； 使用通讯选件， 既可实现本装置与其他调速装置之间的对等通讯， 也可实现本装置与 plc 和上 位 pc 机之间的实时通讯； 具有完善的参数及状态显示、监控报警、故障诊断以及自适应、自学习等功能； 通过 pc 机和调试软件，还可实现远距离的参数设定、修改、显示、监控等功能。 3-2 西门子直流调速装置的特点西门子直流调速装置的特点 西门子直流调速装置是一个电枢可逆的逻辑无环流双闭环控制系统， 电流环为内环， 速度环为外环， 该装置用于将直流电供给他激直流电动机的电枢和磁场， 它借助于电枢电流反向， 可在四个象限内运行， 其中 1、3 象限为电动状态，2、4 象限为发电状态，电动机的调速是无级且分为两个区域，低于额定转 速采用恒力矩方式， 高于额定转速采用弱磁升速方式(即恒功率调速)。 该装置既适用于对换向和制动的 快速性要求较高的场合，如龙门刨床的主传动；也适用于对换向和制动的快速性要求不高的场合，如立 车、卧车、镬铣床的主传动。而且，配备一定的数字接口电路，该装置也可以作为数控机床的主传动。 因此，西门子直流调速装置是一个功能齐全比较理想的可控硅直流拖动装置 4。 此外，西门子直流调速系统的速度调节器还具有以下特点： (一) 电气特点 1. 速度调节器输出限幅值的变化规律(即电动机起动， 制动和弱磁升速电流变化规律)是速度的一次函 数。利用转速的信号直接来控制速度调节器的限幅值大小，可以减小电动机起动时的转速超调量和 制动时电动机的火花大小。 2. 速度和电流调节器都采用比例与积分分开的 p-i 调节器。 这样改变比例部分的参数而不影响积分参 数，反之亦然，整机调试极为方便。 3. 系统的可靠性高。 触发脉冲发生器所产生的信号是填充式的双脉冲制， 当系统处于本桥逆变和再生 制动(即触发脉冲工作在逆变区)，另加一个补充极限脉冲，该脉冲与自然换相点的夹角不随电网的 波动而改变，有效地防止系统逆变颠复的产生。当系统工作在正常稳速运行状态(即触发脉冲处于 整流区)，补充极限脉冲自然消失。系统除了采取一般性的保护方法外，还设置了相位和欠压两种 保护电路。 4. 系统转矩反向零电流间隔时间仅有 4-8 毫秒。在额定转速进行正、反向起动，过渡时间只有 0.2 秒 (与西门子电动机配套)。由于在电动机起、制动过程中，都有一个起始通态电流信号的产生。该信 河北工业大学硕士学位论文 11 号直接作用到电流调节器的输出级，加快了被打开整流桥的电流建立，缩短了系统的过渡过程，快 速性提高。速度和电流调节器是一个 p-i 调节器，且比例系数较大。这加快了系统的过渡过程，有 利于系统快速性。但比例系数过大则会引起振荡，因而必须适当选择比例系数，保证在最佳区域。 与直流调数系统配套的西门子电动机的转动惯量(即机电时间常数)小， 这也有利于加快系统的过渡 过程。 5. 系统调速范围宽(调速比 1：100)，低速性能好。正、反桥切换逻辑环节为两态，且分辨力强。(即 灵敏度高)，故可以扩大系统的低速运行区域，调速比增加。电流调节器的电流适应控制采用了比 例与积分分开控制的原理。电流断续时，比例和积分电容都增加，使系统低速轻载下运行平稳，调 速范围增宽。与本装置配套的西门子方电动机弱磁比为 1:3。利用弱磁升速可以把系统的调速比扩 大 3 倍之多。 6. 系统的控制板 a1 设置了给定积分器(即加速度调节器)。它的特点是能够保证电动机在起，制动过 程中的加速度，严格地按给定积分信号同步变化，使速度调节器始终在线性区运行，防止速度的超 调产生。 (二) 结构特点 1. 体积小，重量轻，易于实现机、电一体化。 2. 三相全控整流桥 12 只可控硅和阻容吸收元件安装在体积仅有 230 x260 x80mm 的散热器之上。装置 的体积和重量都大大减小。 3. 装置的固定件除散热器和几个接线螺杆是有色金属外， 其它都是采用塑料件。 这样不仅节约有色金 属材料，而且使装置的重量大大减轻。 4. 结构紧凑，灵活，布局合理，便于维修与调整。 5. 控制板均安装在可以翻转 180 度的活动支架上， 并且每块控制板边沿安装了具有刻度指示的可调电 位器和状态指示灯。这样给维修和操作带来极大的方便。 6. 控制板之间以及控制板与外部的连接线采用了代司通接插件。这样给装置的调试和安装带来方便。 速度调节器的输出经过小型纽子开关 s1 与电流调节器相连。当 s1 拨动到(i-regeln)位置，速度调 节器进行封锁， 速度给定值直接加入电流调节器的输入， 装置进行内环运行。 当 s1 拨动到(n 一 regeln) 位置，速度调节器封锁解除，速度调节器的输出与电流调节器的输入端短接，速度给定值加到速度调节 器的输入端，装置运行在双闭环状态，由此可见加入小型钮子开关 s1 给系统的调试带来极大的方便。 控制板 a4 紧靠功率单元触发脉冲的引线长度大大缩短有效地止干扰信号的引入， 提高了系统的可 靠性。 装置的通风机噪声小风量大借助机箱和散热器构成一个畅通的风道， 可控硅散热条件良好， 充分利 河北工业大学硕士学位论文 12 用了可控硅元件的容量。 3-3 双闭环直流调速单元的设计双闭环直流调速单元的设计 本文所设计的双闭环调速单元原理图如图 3.1 所示，外环为控制转速的速度调节器，用 asr 表示， 内环为控制电流的电流调节器，用 acr 表示。 图 3.1 双闭环系统原理图 fig. 3.1 principle of two closed-loop 其中，asr 的输入为实际转速与给定转速之差，输出则作为电流给定信号。acr 的输入为 asr 的输 出与电流反馈信号之差，输出则送入触发电路作为移相控制信号。基本控制原理是，给定信号和反馈信 号经过比较环节进入速度调节器， 以速度调节器的输出作为电流调节器的输入， 再用电流调节器的输出 作为可控硅触发装置的控制电压，改变电枢侧直流电压，从而调节直流电机的转速。从闭环反馈的结构 上看，电流环在里面，是内环；转速调节环在外面，成为外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系 统。从静特性和动态响应过程上看，这样组成的双闭环系统，在突加给定的过渡过程中表现为一个恒值 电流调节系统； 在稳态和接近稳态运行时又表现为无静差调速系统。 这样既发挥了转速和电流两个调节 器各自的作用，又避免了像单环系统那样两种反馈互相牵制的缺陷，从而获得了良好的静、动态品质。 图 3.2 所示的西门子 6ra70 系列整流装置主要采用直流调速系统的基本结构形式即转速和电流双闭 环调速系统。6ra70 系列整流装置分为单象限和四象限二种运行方式。控制方式有开环控制、速度闭环 控制、电流/转矩闭环控制、电势反馈闭环控制等。通过参数设置可任意选用；有功能强大的工艺附加 板 pt10 可实现工艺所要求的特殊功能，例如：卷取、开卷、同步及位置控制、升降设备及其他很多应 asr acr 调速装置 m 速度给定+ - 速度反馈 + - 电流反馈 控制回路 电机 供电系统 河北工业大学硕士学位论文 13 用；同时提供了一系列可以自由选用的软件模块、连接量、软开关；通过参数设定自由选择模拟、数字 测速接口；多种外围（输入/输出侧）保护器件可供选用；结构模块化可根据需要选配；内部构成高度 智能化、程序化；通过参数设置可实现装置的最佳控制性能；串行接口和通讯选件可使本装置与其他装 置、plc 或上位 pc 机实现数据传输通讯等等。 1. 单台装置输出额定电枢电流：15a2200a，额定励磁电流：3a85a。装置并联后输出额定电枢 电流可达 12000a。 2. 输入电压分为五个等级：400v/460v/575v/690v/830v。 3. 强大的通讯能力：simolnk 高速直接的装置-装置通讯，还可支持 profican-bus、devicenet、 uss 协议等。 4. 所有工艺板，通讯板 op1s 操作面板都可与新一代的 simovert masterdrives 矢量控制交流调 速产品通用。 河北工业大学硕士学位论文 14 图 3.2 6ra70 整流装置系统功能图 fig. 3.2 function of 6ra70 河北工业大学硕士学位论文 15 因此，本文设计的调速单元三相整流回路原理如图 3.3 所示。其中每个晶闸管都并联有阻容吸收回 路， 目的在于保护晶闸管。 电枢反接可逆调速系统对调速装置的容量要求大， 由于电枢电路的电感量小， 因而反向快速性好，适用于频繁起动、制动，并要求正、反转过渡时间短的生产机械，因此在工业生产 中应用较为广泛。在要求频繁正反转的生产机械中，经常采用的是两组晶闸管装置反并联的可逆线路。 图 3.3 调速单元三相整流回路 fig. 3.3 triphase commuting loop of timing cell 图 3.3 中，v11- v16 为正组变流器，其供电时，电动机正转；v21-v26 为反组变流器，其供电时， 电动机反转； 两组变流器为反并联联接且分别由两套触发装置控制， 可以灵活地控制电动机的可逆运转。 为防止电源短路，两组变流器不能同时处于整流状态。 6ra70 调速装置控制回路原理如图 3.4 所示。 河北工业大学硕士学位论文 16 图 3.4 6ra70 装置控制回路图 fig. 3.4 control loop of 6ra70 河北工业大学硕士学位论文 17 第四章第四章 飞剪控制系统中飞剪控制系统中 plc 及现场总线的设计及现场总线的设计 4-1 plc 简介简介 国际电工委员会， 1987 年的第三版对 plc 作了如下的定义： plc 是一种专门为工业环境下应用而设 计的数字运算操作的电子装置。 它采用可以编程序的存储器用来在其内部存储执行逻辑运算、 顺序运算、 记时、计算和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或 生产过程 56。 可编程控制器实际是一种工业控制计算机， 它的硬件结构与一般微机控制系统相似。 可编程控制器 主要由 cpu(中央处理器)、存储器、输入输出模块、编程器和电源五大部分组成。近年来发展成为应用 面极广的工业控制装置。它按照成熟而有效的继电器控制概念和设计思想，利用不断发展的新技术、新 电子器件，逐步成为具有特色的系列产品。plc 受到欢迎，是和它的优点分不开的： 1) 能承受恶劣的工业环境，具有很强的抗干扰能力。 2) 结构化模块，系统配置简单，维修和更换相当方便。 3) plc 可与工业现场信号直接输入输出相连接，针对不同的现场信号有相应的 fo 模件。输入信号 即可以是模拟量，又可以是开关量，且不必再考虑放大、a/d、d/a 转换等问题。 4) 编程简单且具有在线编程能力。 5) 可靠性强：plc 平均无故障间隔在 2 至 5 万小时以上，并具有很强的自检、监控、强制功能。 6) 功能齐全，它的适用性极强，几乎所有的控制要求，它都能满足。 7) 应用灵活，其标准的积木式硬件结构，以及模块化的软件设计，使得它不仅可以适应大小不同、 功能繁复的控制要求，而且可以适应各种工艺流程变更较多的场合。 8) 操作方便，维修容易，稳定可靠。 4-2 profibus 现场总线技术现场总线技术 4 4- -2 2- -1 profibus1 profibus 简介简介 profibus 是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产厂商的现场总线标准。广泛适用于制造业自 动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他领域自动化。它由三个兼容部分组成，即 profibus -dp(decentralized periphery) 、 profibus-pa(process automation) 和profibus-fms(fieldbus 河北工业大学硕士学位论文 18 message specification) 12。 profibus-dp 适合于加工自动化领域的应用，是一种高速、便宜的通信连接，专门为自动控制系统 和设备级分散的 i/o 之间进行通信设计。使用 profibus-dp 模块可取代 24 伏或 420 毫安的串联式信 号传输。直接数据链路映像（ddlm）提供的用户接口，使得对数据链路层的存取变的简单方便，传输可 使用 rs-485 传输技术或光纤媒体。 profibus-fms 意为现场信息规范，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等，用来 解决车间级通用性通信任务。 fms 包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务， llt 协调了不同的通信关系并向 fms 提供不依赖设备访问数据链路层， profibus-fms 可使用 rs-485 和光纤 传输技术。 profibus-pa 是专为过程自动化而设计的， 它可使传感器和执行器接在一根共用的总线上， 可应用 于本征安全领域。根据 ibc61158-2 国际标准，profibus-pa 可用双电缆总线供电技术进行数据通信， 数据传输采用扩展的profibus-dp协议和描述现场设备的profibus-pa行规， 使用电缆耦合器， profibus -pa 装置能很方便的连接到 profibus-dp 网络。 图 4.1 profibus 的应用 fig. 4.1 application of profibus profibus 是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术，可实 现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络， 从而为实现工厂综合自动化和现场设备 智能化提供了可行的解决方案。与其他的现场总线系统相比，profibus 的最大优点在于具有稳定的国 际标准 en50170 作保证并经实际应用验证具有普遍性。目前 profibus 应用的范围包括加工制造、过程 控制和自动化等领域。profibus 开放性和不依赖于生产厂商的通信的设想，已在 10 多万个成功应用中 得以实现 12。 4 4- -2 2- -2 profibus2 profibus 协议结构协议结构 河北工业大学硕士学位论文 19 profibus 协议结构是根据 is07489 国际标准， 以开发式互连(osi， open system interconnection) 为参考模型的。该模型共有 7 层：物理层，数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示层和应用层。 第一层（物理层）：物理层定义数据传送的物理属性。它提供用于建立、保持和断开物理连接的 机械的、电气的、功能的和过程的条件，即提供有关同步和比特流在物理媒体上的传输手段。典型的协 议有 ela-232-d。 第二层（数据链路层）：该层主要负责检测和更正错误，定义总线的访问方式。确保两个系统之 间位串的传送。典型的协议有高级数据链路控制协议 hdlc。 第三层（网络层）：它的主要功能是利用数据链路层所提供的相邻节点间无差错的数据传输功能， 通过路由选择和中继功能，实现两个系统间的连接。 第四层 （传输层） ： 负责完成开放系统间的数据传输控制。 主要功能是开放系统间数据的收发确认。 第五层（会话层）：负责建立、终止和监控通信的连接。主要任务实是使通讯关系同步。主要功能 是按照应用进程间的约定，按正确的顺序收、发数据，进行各种形式的对话。 第六层（表示层）：把数据从通讯系统的标准格式转化为设备制定的格式。 第七层（应用层）：使应用程序指定的通讯服务有效。 作为通用的参考模型，iso 的 osi 参考模型具备丰富和强大的功能，可以解决各方面遇到的问题。 但作为工艺控制底层网络的现场总线系统，由于其特殊的要求和具体的情况，完全没有必要采用 osi 的全部结构。 基于价格成本的因素和工业控制实时性准确性要求， 现场总线采取了简化的系统模型结构。 简化的参考模型采用典型的三层结构，包括：物理层、数据链路层和应用层。省去中间 3-6 层的同 时，考虑现场总线的通信特点，设置一个现场总线访问子层。它结构简单、协议直观、价格低廉，完全 能满足工业现场应用的性能要求。它的特点在于把流量控制和差错控制放在数据链路层进行。 profibus-dp 定义了 1、2 层和用户接口。第 3 层到第 7 层未加描述用户接口规定了用户及系统以 及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同 profibus-dp 设备的设备行为 1819。 profibus-pa 的数据传输采用扩展的 profibus-dp 协议。另外，pa 还描述了现场设备的 pa 行规。 根据 iec1158-2 标准，pa 的传输技术可以确保其本质安全性，而且，可以通过总线给现场设备供电。 使用连接器可以在 dp 上扩展 pa 网络。 profibus-fms 定义了 1、 2、 7 层， 应用层包括现场总线信息规范(fms， field message specification) 和低层接口(lli，lower layer interface)。fms 包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力 的通信服务。lli 协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第二层访问接口。 本文采用 profibus-dp 总线进行飞剪控制系统的设计。 4 4- -2 2- -3 profibus3 profibus- -dpdp 河北工业大学硕士学位论文 20 profibus-dp 用于现场层的高速数据传送， 主站周期的读取从站的输入信息并周期的向从站发送输 出信息。除周