FM458在热连轧卷取机上的应用

刘巨伟

卷取机是热连轧生产线的重要组成部分，面对越来越激烈的市场竞争，客户对卷形的要求越来越高，对卷取机的控制也提出了更高的要求。

在卷取区，控制系统主要完成带钢头部咬入、助卷辊踏步、卷取和末架精轧机间张力恒定收卷、带尾出末架精轧机后卷取和夹送辊间恒张力运行、带尾检测卷取机减速运行、带尾准确停车等。

其中很多功能特别是踏步功能对控制器的实时性要求较高。因此我们在选择控制器时综合考虑多方面因素后选择了高性能处理器FM458作为卷取区工艺控制器。

1 硬件系统

1.1 现场信号分布

现场每一套卷取机主要信号如下：

（1） 助卷辊液压缸有杆腔压力传感器（4～20 mA） 信号。

（2） 助卷辊液压缸无杆腔压力传感器（4～20 mA） 信号。

（3） 卷筒涨缩缸有杆腔压力传感器（4～20 mA） 信号。

（4） 卷筒涨缩缸无杆腔压力传感器（4～20 mA） 信号。

（5） 助卷辊位移传感器 （SSI） 信号。

（6）卷筒涨缩位移传感器（SSI）信号。

（7） 助卷辊升降伺服阀 （4～20 mA） 信号。

（8） 卷筒涨缩伺服阀 （4～20 mA） 信号。

1.2 FM458特性

FM 458－1 DP模块集成了PROFIBUS－DP连接接口；拥有64位RISC浮点处理器；最短循环时间 0．1 ms（通常为 0．5 ms）；用于通讯任务的 32 位控制器；以及可确保在FM 458－1 DP应用模块与其扩展模块之间快速传送数据的本地扩展总线（LE总线）[1]。

EXM 438－1是FM 458－1 DP的I/O扩展模块，它具有8路增量型编码器通道；4路绝对值型编码器通道 (SSI或EnDat)；5路12位±10 V电压型模拟量输入通道；4路12位±10 V电压型模拟量输出通道；4路16位±10 V电压型模拟量输出通道；16路24 V数字量输入通道；8路24 V数字量输出通道。通过LE总线与FM 458－1 DP模板进行快速数据交换，由P总线为其提供电源。

EXM 438/EXM 438－2是 FM 458－1 DP 的通讯扩展模块，可以使用PROFIBUS DP或SIMOLINK进行高速通讯，该模块同样通过LE总线与FM 458－1 DP模板快速交换数据，同样由P总线为其提供电源。

2 系统组成

FM 458－1 DP应用模块共有 3种方式与SIMATIC CPU进行通讯。（1）使用过程中断可从CPU接收4个字节。（2） 通过SIMATIC I/O访问可发送和接收128个字节。（3）使用数据块/集可发送和接收大量数据。

其中方式（1）响应最快，但是通讯量也最少，只有极其重要的信号才使用此方式；采用方式（2），当FM 458－1 DP应用模块调用读写语句时，将会立即在存储器中读取或写入数据，其响应速度取决于读写语句的扫描周期，但是通讯量也非常有限；第三种方式通讯量最大，但是响应时间也最长，只有对实时性要求不高的数据通讯才使用此方式，例如HMI数据等。

为了减少FM 458－1 DP应用模块与SIMATIC CPU之间的通讯量，提高重要数据的实时性，将夹送辊、助卷辊，卷筒的传动装置直接连接到了FM 458－1 DP应用模块集成的PROFIBUS－DP接口上。另外，将所有辊道的传动装置连接到SIMATIC CPU集成的PROFIBUS－DP接口上，并通过上面所述的方式（2）接入FM458－1DP应用模块。

为了便于检测元器件和伺服阀信号的长距离传输，一般都选用4～20 mA的电流信号，但是由于EXM 438－1只有±10V电压型模拟量通道，所以必须要增设加变换器才能连接现场的信号。另外，由于这些传感器和伺服阀都安装在设备上，离主电室很远，需要通过很长的电缆才能接到主机架的EXM 438－1上。而要把这些信号连入控制系统有两种方案可供选择。其中之一是在现场安装端子箱，把所有信号先连入端子箱，然后再铺设长电缆到主电室，通过变换器与EXM 438－1相连，最终接入FM 458－1 DP应用模块。方案二是在现场安装控制箱，里面安装的ET200M远程站带有4～20 mA电流型模拟量输入输出模板和绝对值型编码器模板，通过PROFIBUS－DP网络接入FM 458－1 DP应用模块。

方案一的优点是输入输出速度快。但是增加了长电缆和变换器成本以及电缆铺设工作量，而且加装变换器还增加了故障点。

方案二的优点是成本相对低，故障点相对少，但是能否满足FM 458－1 DP应用模块高速运算的要求却是此方案可行与否的关键点。

本套轧机精轧出口最高线速度是12 m/s，空卷筒直径为Ø762 mm，通过计算可知每个助卷辊踏步的最长周期可达66 ms左右，将FM 458－1 DP应用模块的Basic sampling time设为T0=1．5 ms，助卷辊的踏步控制采用T1=2×T0=3 ms，这个运算周期可以满足此生产线助卷辊踏步控制的实时性要求。

为了提高实时性，按照前面已经叙述过的将夹送辊、助卷辊，卷筒等的传动装置直接连接到FM 458－1 DP模块集成的 PROFIBUS－DP接口上，再加上ET200M远程站的I/O信号，则在这段PROFIBUS－DP网络上共需要输入154个字节，输出92个字节。当PROFIBUS－DP网络的速率设为3 Mbps时，PROFIBUS－DP网络的总线循环时间（典型Ttr）[2]为2．2 ms，可以满足需要，所以方案二是完全可行的。

为了调试和后期维护的方便，我们选用了iba数据采集分析系统，采集模块选用ibaBM－DPM－S－64，此模块有两个独立的PROFIBUS－DP接口，可以作为两个独立的PROFIBUS－DP从站接入两段独立的PROFIBUS－DP网络，每个从站可以提供28个模拟量和32个数字量的数据采集。在此项目中正好可以分别接入控制两个卷取机的两块FM 458－1 DP应用模块中。但是这样一来又在每段PROFIBUS－DP网络中增加了120个字节的输出量，使PROFIBUS－DP网络的总线循环时间（典型Ttr）变为了2．9 ms。对此只能通过提高PROFIBUS－DP网络的速率来降低PROFIBUS－DP网络的总线循环时间（典型Ttr）。而如果将PROFIBUS－DP网络的速率提高到 6 Mbps，则PROFIBUS－DP网络的总线循环时间（典型Ttr） 变为1．6 ms，完全可以满足控制程序实时性的需要。

但是，由于PROFIBUS－DP网络的传输速率与传输距离成反比，当PROFIBUS－DP网络的速率为6 Mbps时，最长传输距离大约为100 m，而主电室距离现场的控制箱网络线长度大概为200 m，可见电气网络已经不能满足现场的需要，只能改用光纤网络，在此项目中选用SIMATIC NET OLM/G12 PROFIBUS－DP网络光纤连接模块，且所使用多模玻璃光纤的传输距离可以达到3 km。在主电室连接完传动装置后，先通过此模块将PROFIBUS－DP电气网络转为光纤网络，然后再与现场的控制箱连接（见图1）。

图1 硬件配置

3 软件系统

FM 458-1 DP应用模块所使用的编程软件是CFC/SFC(可选)。其中的CFC是一种简洁的图形编程工具，采用IEC1131标准。

使用CFC将有助于节省时间和费用，同时能大大简化系统的组态和维护。用以功能块为基础的CFC进行编程时，由于系统配置了很多预编程的功能块，而且每个功能块都有一个参数表，可根据实际工艺要求选择不同的参数。每个CFC由6页组成，功能块在CFC中的连接直接用鼠标点接，而功能块之间的连接可以在不同的CFC之间的不同页面上进行，连接标记由系统自动标出。因此，采用CFC可以完成很复杂的大型控制任务，主要用于连续过程的自动化控制任务的组态。

FM 458-1 DP应用模块和传动装置中的T400工艺模板都是从SIMADYN D系统演变来的，它们的编程语言也同为CFC编程语言，所以本项目传动装置中并没有配置T400工艺模板，T400工艺模板的功能全部由FM 458-1 DP应用模块实现。

本项目中FM 458-1 DP应用模块实现的主要功能有：速度逻辑控制、侧导板短行程控制、上夹送辊压下逻辑控制、卷径计算、张力控制、加减速动态力矩补偿、空载力矩补偿、摩擦力矩补偿、侧导板开口度夹送辊辊缝等的自动位置控制（APC）、助卷辊踏步控制、带钢尾部自动定位控制等。

4 结语

在实际生产过程中，FM458工作稳定可靠，编程界面友好，功能强大，便于修改，易于维护，能很好的融入S7-400的控制架构中，实现系统间的无缝连接，完全满足控制精度的要求，卷形质量获得用户认可。

[1]SIEMENS.FM 458-1 DP用户手册 [M].2006.6.

[2]侯维岩.令牌目的循环时间Ttr对现场总线PROFIBUS测控周期的影响 [J].仪器仪表学报.2005.4.