西门子模块6ES7215-1AF40-0XB0

介绍测温取样系统的控制主要功能，基本结构及配置。并给出系统应用实例，介绍系统的控制实现过程。该系统是PLC和变频器成功的组合运用，取得了很好的效果。

前言
提高炼钢的自动化水平，对保障炼钢钢水质量、提高炼钢的劳动生产率起着至关重要的作用。由于钢厂厂区结构紧凑，生产场地设计局促，生产流程如果完全由人工手动控制完成容易造成钢水输送紧张以致不畅；另外操作环境恶劣对人工操作也具有一定的难度和危险度。因此，在炼钢过程中实现全自动控制非常重要，使得整个设备操作更加安全、可靠，大大的提高了整个炼钢工艺的连续性，减少了故障率，同时也提高了炼钢的劳力生产率。
测温取样装置是为了在炼钢出钢后对钢水进行测温及取样，为炼钢过程控制提供温度及化学成份参数，作为炼钢过程工艺操作的依据。我所于2004年2月承建上海宝钢集团一钢公司炼钢区及不锈钢炼钢区测温取样装置的设计和研究。该测温取样装置是为配合不锈钢及碳钢热轧板卷技术改造项目炼钢工程配套而建，总共设计有十一套测温取样自动控制系统。

1、测温取样装置简介
测温取样装置由机械设备、仪表系统和自动控制系统三部分组成的机电一体品设备。机械设备包括钢结构平台、测温取样枪本体，探头存储箱组成。钢结构平台直接安装并固定在预先制作的基础上，用于给测温取样枪本体安装提供支撑和设备检修提供条件。仪表系统选用现今各大钢厂普遍应用的贺利氏电测骑士数字测温取样仪表。自动控制系统由基于西门子的S7-300 PLC站， ET200M远程站以及6ES70系列变频器和组成。通过ProFibus-DP现场总线实现与测温取样系统远程I/O站ET200M、6ES70系列变频器之间的通讯。

2、测温取样装置型式及主要参数
    2.1 型式：支撑台加测温枪本体；
    2.2 电机减速机：3.7KW，380V，50Hz，1500rpm，电机内制动，带手动释放；
    2.3 测温取样枪传动方式：双排链传动；
    2.4 位置行程控制：限位开关，增量型编码器；
    2.5 装置的大行程：7220mm
    2.6 装置运行速度： 30m/min~3m/min；
    2.7停位精度：±20mm
    2.8 行程计算参数：(行程值：指测温枪位于初始位时，从测温探头到液面的距离)

3、控制原理分析、系统组成
    3.1 控制原理分析
    系统控制主要是在装钢水的钢包抵达指定工作位后，由上一级系统发出指令控制测温取样装置工作。装置行走由变频器控制，由上、下限位开关对枪体上、下运行做极限保护，由编码器计数测量枪体行走行程进行调速停位、测量进入钢水液面行程，保证测温取样的准确性，测温取样仪表发出信号实现迅速回位、准确停车及温度信号采集，完成一次动作循环。在此同时通过悬挂式补偿导线将测温的温度信号传输到相关控制单元及仪表上反映。
    3.2控制系统组成
    3.2.1 控制系统电气组成
   综合分析测温取样机械和工艺对控制系统的要求，控制系统采用如下图1的硬件结构。

                                  图1：系统总体硬件配置结构图

     控制系统采用西门子SIMATIC S7-300 PLC作为基础控制装置，根据枪体设备的实际需要采用分布式模式，在现场安装有现场操作箱，将I/O子站安装在枪体框架上，枪体上相应的控制信号直接送入子站，子站只需要一根PROFIBUS－DP现场通讯总线和一根电源线与PLC总站相连实现信息的上下传输，给现场操作带来很大的方便，同时，由于电气室和测温取样装置之间有一定间距，因此采用该控制方式减少了用户在电缆上的投资，也减少了铺设电缆所需的设备材料和人力资源，同时还减少了从现场到电气室的硬线连接，从而增加了信号的可靠性，为以后的检修和维护都带来了方便。另外该系统这样的配置方式具有很好的可扩展性，如果现场需求有所变化，增加控制信号或改进控制自动化程度，都可直接将信号就近接入到I/O子站，方便设计及施工。
     3.2.2 控制系统仪表组成
     本系统采用贺利氏电测骑士数字测温取样仪表DTK-A-II，该仪表具有**的的模式、可靠的性能和超强的数据处理功能，以及可靠的部件和面向系统的操作软件确保测量数据的**可靠。仪表主要用于浸入式测温，通过测枪端部的热电偶来测量温度，可连续测温，具有完善的数据输出功能。
4、控制系统应用软件
    4.1 PLC软件功能：
    根据装置动作要求，在PLC软件控制中，测温取样装置分为手动、半自动和自动三种工作方式，三种方式的切换在现场操作装置上完成。装置可一次性完成测温及取样功能，也能分别完成测温和取样功能。
    1）手动控制。手动控制主要用于现场设备维护和检修，不受任何外部联锁条件限制，操作工由此检测设备运行的可靠性及系统运行的可靠性。除此，也可在实际的生产中使用，只是要求操作工的熟练程度要高。
    2）半自动控制。半自动控制主要用于在已知钢水液面深度的情况下，人工选择枪体行走行程，进行测温取样操作，同时实现单独的取样功能。在现场设备维护和检修时，是检测设备准确定位停车精度的主要方式，这要求编码器信号读入及处理的可靠性高。
    3）自动控制。自动控制主要应用于生产实践中，无需人工干涉,独立完成设备所要达到的工艺要求，这要求测温取样仪表发出信号的可靠性高，控制系统响应快，变频控制可靠。
    操作开始应保证测温枪在初始位也即在编码器的校零位，钢水罐车到达测温取样位，测温取样探头安装完毕，根据上一工序提供的钢水液面参数设定行程档位（半自动方式下）或不设定行程档位（自动方式下），准备开始工作。测温取样功能执行完毕，使得测温枪回到初始位也即在编码器的校零位，编码器计数清零。
    4.2 S7-300和6ES70变频器通讯参数设置：
    枪体的行走完全由6ES70变频器控制，控制指令由S7-300向变频器发出。在此系统中，我们需要在变频器中增加一块CBP Profibus通讯板完成S7-300与变频器中CUVC板的通讯。PLC和变频器通过通讯传送控制状态如图2所示。

                                    图2：PLC和变频器通讯
    4.2.1 实现通讯在PLC软件编程中的工作
    在STEP7编程中需要调用系统功能块SFC14和SFC15，SFC15是PLC向变频器进行写控制，实现对变频电机的启/停、加/减速、急停、故障停车等控制信号的传递，SFC14是PLC向变频器进行读控制，实现对当前变频电机运行状态等控制信号的传递。
    4.2.2 实现通讯对变频器应做的工作
S7-300和变频器CUVC板之间通讯，S7-300发送给变频器CUVC板的参数在CUVC板中设置，如下表所示：

5、结束语
整套控制系统经过现场调试后，经过近两年的运行，系统良好稳定，测温取样成功率高，控制精度高，满足了现场的工艺要求，达到了预期的效果。由于系统的运行效果好，又节约劳力，该厂在二期建设中也上了该系统，至今设备已调试完毕且投入使用，控制效果均良好。

数字控制机床，简称数控机床（NC ， Numerical Control）,是三十年来综合应用集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品，在机械制造设备中具有高精度、高效率、高自动化和高柔性化等优点。数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比，是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。

南京高基数控设备制造有限公司是一家在江浙地区小有名气的数控设备制造商，其生产的数控设备在许多领域有着广泛的应用。原来该公司机床多数采用进口的变频器和伺服控制器，自2006年已逐步采用高士达电气的600型机床专用变频器和8L伺服控制器系列。

下面主要介绍高士达产品在CK6132A-750机床，XK650数控铣床和VMC650立式加工中心的应用：

高基数控生产的CK6132A-750型数控机床适合加工各种盘类、轴类零件，能实现端面、外圆、切槽、内孔、圆弧、任意角度锥面、螺纹、管螺纹及多头螺纹的车削。其主要参数为：

在数控机床中，出于加工周期的要求，对于变频器而言，要求加减速时间短，高士达GS600L变频器加减速性能非常优异，由于在设计中考虑到了现场应用的问题，当开启了FCL功能后，在CK6132A数控车床上0～2000vrm加速只需0.8秒，减速1.2秒。相比其他品牌的产品，大幅节省了加工周期。

而变频器本身提供的转矩补偿功能又可确保机床在低速重切削时有强劲的切削力;在这款CK6132A-750型数控机床的X、Z轴则采用了高士达HS8L系列交流伺服驱动器，这款驱动器采用了当今流行的美国TI公司的DSP芯片作为主CPU，以串行方式与系统连接，显示设置系统状态，修改参数，适用多种应用场合。采用的矢量控制算法利用率高，零矢量均分又减小了转矩脉动，而电流低通滤波和独特的数字电流采样办法及抑制停车振动的措施，确保系统的低速性能，调速比1：10000以上。

无论是加工端面、外圆或内孔及任意角度锥面，HS8L伺服驱动±1脉冲的位置滞后保证了产品的表面均匀的丝路和极高的粗糙度。

高基公司生产的XK650数控铣床和VMC650立式加工中心也采用了高士达系列产品，此系列机床特别适合中小批量高精度模具加工，通常情况下模具的轮廓精度、尺寸精度、表面粗糙度要求都比较高，这就对机床提出了更严峻的考验。

在这款机床中，X、Y、Z三轴均采用了高士达HS8L全数字交流伺服驱动器，加工精度要求电气部分要能够快速响应，而高士达HS8L系列全数字交流伺服驱动器有着极高的响应性能，位置滞后达±1脉冲，又可以配置大闭环上位机，为系统的进一步升级使用预留了空间。

主轴采用高士达GS600L机床专用型变频器， GS600L机床专用型变频器输出频率高达400HZ，频率精度0.01HZ，使主轴转速更高更**，高启动转矩和半动/自动转矩提升功能给机床提供更强劲的动力。

通过在南京高基公司数控系统上的应用，证明高士达电气的系列产品具有极强的可靠性和适应性，重要的是在此领域内，能够同时提供两种产品的厂家国内还没有第二家，可以预期高士达电气会以其的技术和可靠的品质获得用户的赞许