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交流伺服控制系統(tǒng)在連鑄結(jié)晶器調(diào)寬中的應(yīng)用
時(shí)間:2007-06-01 09:37:00來源:lihan


基礎(chǔ)自動(dòng)化
基礎(chǔ)自動(dòng)化采用PLC和人機(jī)界面組成,主要完成結(jié)晶器調(diào)寬的操作,數(shù)據(jù)的設(shè)定和基本運(yùn)算,現(xiàn)場信號(hào)的采集、監(jiān)測(cè)信號(hào)的顯示,以及報(bào)警功能等等。
伺服控制器
MC控制器主回路
主回路由不可控三相橋式整流器、三相橋式PWM逆變器和中間直流環(huán)節(jié)等三部分構(gòu)成。在電網(wǎng)和變頻器之間加一個(gè)進(jìn)線電抗器,消除尖峰電壓、消除諧波。在直流母線側(cè)增加制動(dòng)單元,用于消除電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的回饋到電網(wǎng)的能量。PWM逆變器功率器件采用全控型IGBT管。變頻器輸出側(cè)加電抗器,能改善變頻器輸出電流的波形,降低電動(dòng)機(jī)的噪聲。伺服電機(jī)使用的是感應(yīng)伺服電動(dòng)機(jī)。
MC控制器控制回路
控制回路主要有兩部分組成:控制板CUMC板和 F01工藝板,F(xiàn)01工藝板實(shí)際就是采用帶速度、加速度預(yù)控制的位置前饋控制器,控制器集成了定位、轉(zhuǎn)速和同步角控制等功能,可以在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部直接實(shí)現(xiàn)電子軸和電子變速箱功能。F01工藝板有6種操作模式,根據(jù)工藝需要可以任意選擇。在每種模式下,F(xiàn)01工藝板根據(jù)實(shí)際需要有位置控制、帶速度予控制的位置控制、帶速度、加速度予控制的位置控制,顯示了MC運(yùn)動(dòng)控制器強(qiáng)大的軟件功能。在結(jié)晶器調(diào)寬交流伺服控制系統(tǒng)中應(yīng)用了F01工藝板,分別選用SET-UP(手動(dòng)模式) HOMING (校驗(yàn)?zāi)J剑㎝DI(自動(dòng)模式)三種模式,這三種模式分別是帶速度予控制的位置前饋控制器、帶速度、加速度予控制的位置前饋控制器、帶速度、加速度予控制的位置前饋控制器。
控制板CUMC板主要完成矢量變換功能,其內(nèi)部主要有五部分組成:位置控制器APR、速度控制器ASR、電流調(diào)節(jié)器(ACR)、位置反饋器,空間電壓矢量變換器。
位置反饋信號(hào)經(jīng)過計(jì)算后,分成兩路,一路作為位置信號(hào)實(shí)際值,進(jìn)入位置控制器(APR);另一路作為速度反饋實(shí)際值進(jìn)入速度控制器(ASR)。
位置控制器(APR)采用P調(diào)節(jié)器和PI調(diào)節(jié)器,將位置偏差作為輸入,完成位置控制策略功能,輸出作為速度的給定。速度控制器(ASR)采用PI調(diào)節(jié)器,輸入信號(hào)來自位置控制器和反饋信號(hào)的偏差,完成速度變化范圍的調(diào)速控制,滿足負(fù)載的工作需求。
電流調(diào)節(jié)器(ACR)由四部分組成:磁鏈控制器(AψR(shí))、轉(zhuǎn)矩控制器(ATR)、磁鏈觀測(cè)器、電壓轉(zhuǎn)換器。
磁鏈控制器(AψR(shí))采用PI調(diào)節(jié)器,AψR(shí)的給定值由函數(shù)發(fā)生器GF與轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器的偏差,其輸出信號(hào)作為定子電流磁鏈分量的電流值;
轉(zhuǎn)矩控制器(ATR)采用PI調(diào)節(jié)器,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出Tei與取自于轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器的轉(zhuǎn)矩反饋信號(hào)的偏差作為內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器ATR的給定值,其輸出信號(hào)作為定子電流轉(zhuǎn)矩分量的電流值;
磁鏈觀測(cè)器選用的是電流計(jì)算模型,計(jì)算在矢量變換模型中的轉(zhuǎn)子磁鏈ψr和它的定向相位角φ;
電壓轉(zhuǎn)換器的輸入來自AψR(shí) 和ATR的輸出,把電流值計(jì)算為磁鏈分量的電壓值和轉(zhuǎn)矩分量的電壓值。
西門子PWM調(diào)制方法采用空間電壓矢量法,空間電壓矢量變換器主要完成PWM調(diào)制,其輸入信號(hào)來自電壓變換器的磁鏈分量的電壓值、轉(zhuǎn)矩分量的電壓值和來自磁鏈觀測(cè)器計(jì)算所得的磁鏈相位角,經(jīng)矢量變換后得到定子三相每相指令電壓。
交流伺服控制系統(tǒng)硬件技術(shù)
基礎(chǔ)自動(dòng)化
PLC系統(tǒng)
結(jié)晶器調(diào)寬PLC系統(tǒng)作為連鑄機(jī)L1系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng),其系統(tǒng)設(shè)計(jì)本著可靠、先進(jìn)、開放的原則,綜合考慮系統(tǒng)的性能價(jià)格比,根據(jù)工藝方案和機(jī)械設(shè)備條件,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)盡可能統(tǒng)一,同時(shí)應(yīng)與其它L1級(jí)子系統(tǒng)保持一致。連鑄L1級(jí)PLC系統(tǒng)選用的是SIEMENS S7-400系列PLC。根據(jù)調(diào)寬工藝性能要求,PLC系統(tǒng)CPU 選擇S7-414-3,通過CP443通訊模塊與L1級(jí)工業(yè)以太網(wǎng)通訊,也可以通過PROFIBUS-DP接口與MC運(yùn)動(dòng)控制器和TP270通訊。
人機(jī)界面
根據(jù)工藝特點(diǎn)及現(xiàn)場環(huán)境,結(jié)晶器調(diào)寬人機(jī)界面選擇TP270操作面板。TP270屬于SIMATIC HMI(人機(jī)界面)產(chǎn)品系列中文本圖形觸模式操作面板,在性能上有以下特點(diǎn):簡單快速配置,配置數(shù)據(jù)是可以恢復(fù)的;可用標(biāo)準(zhǔn)WINDOWS工具進(jìn)行配置;使用軟鍵、功能鍵或觸??刂疲喕瞬僮?,也保障了操作的安全性,易于使用;和西門子PLC完美結(jié)合,使整個(gè)系統(tǒng)在硬件和軟件均達(dá)最優(yōu)化,尤其是通訊支持PROFIBUS-DP總線協(xié)議。
伺服控制系統(tǒng)
MC控制器
結(jié)晶器調(diào)寬伺服控制器選用的是西門子公司MASTERDRIVES MC運(yùn)動(dòng)控制器,該控制器是應(yīng)用于高動(dòng)態(tài)響應(yīng)循環(huán)機(jī)械控制的控制器,是完全智能化的控制系統(tǒng)。 MC控制器有以下特點(diǎn):
高動(dòng)態(tài)響應(yīng),高過載能力:MC驅(qū)動(dòng)器使用了32位DSP數(shù)字控制技術(shù),DSP器件內(nèi)部具有功能強(qiáng)大的硬件計(jì)算電路和特殊的總線結(jié)構(gòu),具有強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理功能;MC運(yùn)動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)器同時(shí)具有極高的過載因數(shù),250ms內(nèi)300%的過載能力。
通用性強(qiáng):它能夠控制任何型號(hào)的電機(jī),具有的模塊化、插入式可選編碼器功能模板可以完成所有的驅(qū)動(dòng)任務(wù),有支持脈沖編碼器(TTL/HTL)的SBP板,支持旋轉(zhuǎn)變壓器的SBR2板,支持多圈編碼器( EQN,EQI, EnDat/SSI或Sin/Cos)編碼器的SBM2 板,都可以非常容易地與系統(tǒng)相連接。
優(yōu)良的矢量控制驅(qū)動(dòng)器:智能性就驅(qū)動(dòng)處理技術(shù)和控制功能而言,自動(dòng)控制系統(tǒng)相當(dāng)可靠。它簡化了配置和服務(wù)工作,降低了系統(tǒng)成本和工程管理成本,是具有最高動(dòng)態(tài)響應(yīng)和分布式智能化的 VectorControl矢量控制驅(qū)動(dòng)器。
強(qiáng)大的通訊能力:MC運(yùn)動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)器具有支持各種現(xiàn)場總線的可選模板,這些接口模板的設(shè)置,顯著地增強(qiáng)了伺服單元與其它控制設(shè)備間的互聯(lián)能力。MC運(yùn)動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)器的各種通訊模板中有支持Profibus總線的CBP2板,支持CAN總線的CBC板,支持DeviceNet總線的CBD板,支持CC-Link總線的CBL板。其中Profibus-DP是當(dāng)今世界上最為成功和流行的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn),在Profibus CBP2功能模板上同級(jí)模塊之間能相互通訊,尤其在西門子產(chǎn)品系統(tǒng)集成中,更顯示其優(yōu)點(diǎn)。
伺服電機(jī)
交流伺服電機(jī)采用倫茲(MDSKARS090-22)三相交流異步伺服電動(dòng)機(jī),交流伺服電機(jī)克服了直流伺服電機(jī)存在的電刷、換向器等機(jī)械部件所帶來的各種缺點(diǎn),特別是交流伺服電機(jī)的過負(fù)荷特性和低慣性更體現(xiàn)出交流伺服系統(tǒng)的優(yōu)越性,感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固,制造容易,價(jià)格低廉。
位置反饋裝置
AC伺服系統(tǒng)中常用的位置傳感器不但要完成系統(tǒng)的位置檢測(cè),而且同時(shí)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)速度測(cè)量與轉(zhuǎn)子磁極位置檢測(cè),但在目前并不是所有的位置傳感器都能同時(shí)完成這三種檢測(cè)功能。各種位置傳感器都有其自身的固有特點(diǎn),要針對(duì)具體控制對(duì)象要求,選擇合適的位置傳感器。在結(jié)晶器調(diào)寬應(yīng)用環(huán)境,溫度高、振動(dòng)大,對(duì)于反饋裝置需要有較高環(huán)境適應(yīng)能力。旋轉(zhuǎn)變壓器的特點(diǎn)是本身結(jié)構(gòu)堅(jiān)固耐用,不怕振動(dòng)沖擊,可在高溫下工作。具有很強(qiáng)的適應(yīng)環(huán)境能力。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,利用軟件技術(shù)代替了旋轉(zhuǎn)變壓器的運(yùn)算電路,使其精度更高,可以作為磁極位置、電動(dòng)機(jī)速度和系統(tǒng)位置檢測(cè)用,結(jié)晶器調(diào)寬系統(tǒng)采用了旋轉(zhuǎn)變壓器做為位置檢測(cè)裝置。
交流伺服控制系統(tǒng)軟件技術(shù)特點(diǎn)
應(yīng)用軟件STEP7 和PROTOOL的技術(shù)特點(diǎn)
在結(jié)晶器調(diào)寬系統(tǒng)中,PLC編程使用STEP7 V5.3,STEP7是用于SIMATIC可編程邏輯控制器組態(tài)和編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包,它是SIMATIC工業(yè)軟件的組成部分,可以使用于帶有各種功能的SIMATIC S7-300/400系列PLC。軟件主要編程語言使用STL(語句表)、LAD(梯形圖)和FBD(功能框圖)。結(jié)晶器調(diào)寬操作界面TP270使用PROTOOL進(jìn)行組態(tài)及編程,PROTOOL是用于可視化過程的使用簡單、高性能的可視化軟件,可在Windows95/98,2000下運(yùn)行。
應(yīng)用軟件STEP7功能
結(jié)晶器調(diào)寬PLC軟件由OB(組織塊)、FC(功能塊)、DB(數(shù)據(jù)塊)、SFB和 SFC(系統(tǒng)功能塊和系統(tǒng)功能)四部分組成 。
OB(組織塊)是操作系統(tǒng)和用戶程序之間的接口。它們由操作系統(tǒng)調(diào)用并控制循環(huán)和中斷驅(qū)動(dòng)的程序的執(zhí)行以及PLC啟動(dòng),處理對(duì)錯(cuò)誤的響應(yīng)。調(diào)寬程序由五個(gè)OB塊組成,分別完成程序執(zhí)行和循環(huán)中斷以及對(duì)站故障的處理;
SFC(系統(tǒng)功能)是S7CPU為用戶提供了一些已經(jīng)編好程序的塊,可在程序中進(jìn)行調(diào)用。例如在DP通訊中使用了兩個(gè)SFC塊“DPRD_DAT”和”DPWR_DAT”,用于PLC和MC控制器之間的PROFIBUS DP 的數(shù)據(jù)傳輸;
DB(數(shù)據(jù)塊)用于存放程序工作時(shí)的變量數(shù)據(jù),每個(gè)FB、FC、或OB可以從共享DB中讀取數(shù)據(jù),或?qū)?shù)據(jù)寫入共享DB。程序中DB塊主要有三種,操作數(shù)據(jù)(TP270),通訊數(shù)據(jù)用于MC控制的DB和與L1級(jí)PLC和L2級(jí)服務(wù)器的DB塊;
FC(功能塊)是完成各種工藝功能的塊,一個(gè)FC包含一個(gè)程序部分。例如調(diào)寬程序FC有用于完成手動(dòng)操作的MANULLY的FC塊,完成校驗(yàn)操作的“CALIBRATION”FC塊,見圖4所示。


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