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伺服驱动技术在水平连铸中的应用与分析

水平连铸技术是20世纪80年代出现的连铸新技术。由于水平连铸工艺简单，效率高，产品质量好，故在冶金行业得到了广泛应用。拉坯技术是水平连铸技术的核心，为了使液态金属在结晶器里的结晶更加充分、均匀，拉坯的拖动系统要通过驱动电机完成拉--推--停--拉的往复变速运动。这就对驱动系统的响应时间、跟随性、同步性等技术指标提出了很高的要求。广州铜材厂的450mm双流铜带卷水平连铸机列是具有较高技术装备水平的设备。

其主要技术参数:

生产品种:H62、H65、H68、H90、Hpb-通讯电缆1、QSN6..1、Hpb等;

带材规格:(14～16)×(330～450)mm;

带卷内径: ф500-ф800mm;

带卷外径: ф1600mm(最大);

最大卷重: 4000kg。

整体控制系统概况

PLC系统配置

PLC采用德国西门子公司 S为主站， ET200M远程I/O、OP37人机界面为从站的集散控制系统(通过PROFIBUS-DP络)，工艺操作命令的传递，数据的设定与采集均以通讯的方式完成。

PLC系统配置如图1所示：

图1 PLC系统配置

传动控制系统

牵引机采用交流伺服驱动结合西门子FM354定位模块控制，实现引拉、反推等一系列动作。

喂料辊采用直流传动，传动控制装置为ABB的DCS500，运行于基速以下，以牵引机的平均速度运行，并根据运行情况正负5%范围内自动调节。

左右卷取机的夹送辊电机均采用交流变频控制。

伺服控制系统的构成

交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分，主要有两大类:永磁同步(ＳＭ型)电动机交流伺服系统和感应式异步(ＩＭ型)电动机交流伺服系统。

其中，永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟，具备了十分优良的低速性能，并可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。

本系统采用西门子的1FT5型永磁同步电动机与SIMODRIVE611A交流伺服驱动装置和FM354伺服驱动模块构成牵引机的交流伺服系统。

伺服控制系统框图如图2所示。

图2 伺服控制系统框图

FM354是高性能的伺服驱动定位模块。其主要应用是通过伺服电机实现广泛的定位任务，用于从简单的点到点定位任务到对响应、精度和速度要求极高的复杂运动方式。其工作原理:对于简单的点到点定位任务，用S7 CPU指定终点位置和移动速度;对于复杂的任务，通过编程方式用DIN66025参数化格式建立运动方程。FM354处理轴的实际定位是用模拟驱动接口(-10到+10V)控制驱动器，编码器(SSI或增量)报告目前轴的位置，FM354利用此信息来修正输出电压。

SIMODRIVE611A交流伺服驱动系统是采用模块式结构，由一个主电源模块及各轴的控制模块组成，电源模块为每个轴控制模块提供直流母线电压，并监控各控制模块的运行。控制模块则根据NCK的指令驱动各轴电机以某一速度运行或停止。所有的模块都采用了统一的模块化设计电源通信以及功率模块与闭环控制插入单元之间的接口都采用标准化设计，是一种可灵活配置的交流变频调速伺服系统。系统工作方框图如图3所示。

图3 SIMODRIVE611A的工作方框图

其工作原理是“直流无刷驱动”。直流电机中的机械整流子被一个无弧电子换向器所取代，转子角度编码器把伺服电机转子位置传给电子换向器，通过对变频器功率部分开关元件的控制，来确保驱动装置向转子所在位置的绕组提供电流。速度控制环采用速度实时检测控制算法，使电机的低速性能得到进一步提高，速度波动和转矩波动降到最低。

具有紧凑性，模块化设计，节省空间;各进给模块可任意组合;通过跳线改变各轴控制宝顶瓦器的参数，以实现与伺服电机的最优配合;电流控制、速度控制采用串联式模拟量闭环控制特点。

1FT5型交流伺服电机，专用于在SIMODRIVE 611A变频系统下工作。它具有较高的动态性能、高可靠性及非常低的维护要求。其主要特点有:在整个速度设定范围内,该伺服电机都能确保恒定连续的扭矩;600V的母线电压，使该电机体积更小;热量的发散，特别是产生于定子绕组和定子铁心的热量，都可以通过具有良好热传导能力的电机外壳直接散发出去，因此该电机不需要外部冷却;具有良好的防水、防油保护能力。

伺服控制系统的应用及分析

定位模块FM354的应用

伺服驱动系统与FM354定位模块主要控制功能是实现对机列中牵引机进行连续/周期性的微动推拉控制。

FM354伺服电机控制模块，发送驱动指令，实现进给定位及轨迹跟踪，接收编码器的定位信息。为了能使FM354正常工作，首先必须安装FM354的驱动程序及相应的参数化工具。然后对其进行硬件组态，组态过程中最重要的步骤就对FM354进行相应的参数计算与设置。

FM354调用参数化工具可以设置的参数包括以下几大类:机器数据(Macine Data)、增量尺寸(Incerment Sizes)、所控设备补偿数据(Tool Offset Data)、移动程序(Traversing Programs)、用户数据(User Data)。参数配置完成后需要将配置数据下载到PLC。

对FM354进行编程控制必须调用其标准功能块库中的FC1(INIT_DB)、FC2(MODE_WR)、FC3(RD_COM)及用户数据块UDT1，并将用户数据块UDT1生成为数据块DB1，如需对其进行诊断调用FC4(DIAG_RD)、FC6(DIAG_INF)，进行测量控制调用FC5(MSRMENT)。

在OB100中调用功能块FC1其程序段如下:

… …

CALL “INIT_DB” file://初始化用户数据块

DB_NO:=W#16#1 万能实验机的基本特点就是可以低本钱实现大吨位// DB块号

CH_NO:=B#16#1 // 通道号

LADDR:=272// FM354模块在硬件配置中的地址

… …

在用户功能块中调用FC2、FC3可实现FM354在多种的工作模式下的灵活应用。其调用功能块FC2为例其程序段如下:

… …

L B#16#11 file://选择工作模式

T B0 file://写入在用户DB块中的工作模式号

CALL “MODE_WR” file://调用相应工作模式

DB_NO:=W#16#1 file://DB块号

RET_V4、严禁在工作状态下调剂工控箱电位器微调旋钮AL := MW12 file://返回值

ANBR file://二进制结果

S M2.1 file://错误指示

… …

系统过程的分析

引拉技术是水平连铸技术的核心，拉坯的拖动系统要通过驱动电机完成拉--推--停--拉的往复变速运动。根据不同的工艺要求需不同的变速运动曲线。

在FM354中预设多组不同移动程序及PLC程序控制通过SIMODRIVE611A交流伺服驱动的可实现不同的变速运动曲线。

以一种铜带坯的拉铸工艺曲线:反推--拉伸--反推--停的分析如下:

其速度运动分析曲线如图4中蓝线所示。

图4 速度运动分析曲线

曲线的反推--拉伸--反推可通FM354的移动程序控制伺服系统实现。停时间部份在PLC中设置延时实现，以方便在引拉过程中根据实际情况在人机界面OP37中即时调整。

FM-354的移动程序的格式

N-G (G1, G2, G3)-X/t-F-M (M1, M2, M3)-D-L-P。

如，反推:1mm;拉伸:12.5mm;反推:1mm

反推速度:300mm/min;拉伸速度:1500mm/min

则FM354的移动程序如图5所示。

图5 FM354的移动程序

其中：

N5、N10、N15、N20:(Block number)为块号;

G91:(relative measure input)为相对测量输入;

G43:(Positive tool offset)为正向所控设备偏移(所控设备的偏移量);

Xms=Xset-(D)

G44:(Negative tool offset)为负向所控设备偏移;

Xms=Xset+(D)

Xms:为测量系统位置;Xset:为程序设定位置;D:为所控设备的偏移量;

X/t:Position / dwell time(位置/驻留时间)

F:F电话电缆eedrate(喂料速率)

D1、D2、D3:(Tool offset number)是有效的所控设备偏移量号，其值是预先设置在偏侈量表中。

M0 :(Stop at end of block)为在块结束时停止

M18:(Endless loop)为不断循环。

在正常运行时采集到的实际速率运行曲线及伺服实际运动位置曲线如图6、图7所示：

图6 实际速率运行曲线

图7 实际运动位置曲线

在FM354中可预设多组不同的移动程序，根据带坯不同材质及规格，在人机界面OP37中调用相应的移动程序，形成相应的引拉曲线。

系统改进与优化

当整个系统运行正常后，应注意如下方面的系统改进与优化：

·平板电脑参数优化调整:如:速度、增益、加(减)速度、停时间及各项机器数据、监控参数等，以使系统进入最佳工作状态。

·机械部分调整:如正、反向间隙，传动系统精度等进行测量调整，使机械系统达到最佳。当机械调整后，还应对系统参数进行微调，以使其运行在最佳并提出化工行业需将投资重心转移至新材料状态。

·机械精度补偿:如消除减速箱等机械传动部分的正、反向间隙，可将该值输入系统相应补偿数据参数，系统可自动补偿。

·调整在PLC中喂料辊速度给定值的整定计算与补偿给定。

·根据带坯不同材质及规格，增设相应的引拉曲线来适配，并在PLC与OP37中增设相应程序调用。

结语

经过对该系统改进与优化，系统的稳定性与生产效率得到较大的提升。实际运行说明，该伺服驱动系统的响应时间、跟随性、同步性具有高精度、高可靠性及反应快速的特点。本系统具有组态灵活、高可靠性、操作简单、技术先进等特点。(end)