1. 前言
馬鞍山鋼鐵股份有限公司H型鋼廠新線是一條軋制400x200以下中小規(guī)格H型鋼生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線機械設(shè)備由意大利DANIELI公司提供，全套自動化控制設(shè)備從TMEIC公司引進，這是一家東芝和三菱電機的合資公司，總部設(shè)在日本東京。整套系統(tǒng)總體設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計、應(yīng)用軟件、HMI系統(tǒng)和自動化二級均為TMEIC美國公司提供，HMI系統(tǒng)為Intellution公司的iFIX(3.5)。硬件設(shè)備即PLC控制系統(tǒng)、傳動控制系統(tǒng)、電機均為TMEIC公司產(chǎn)品，PLC系統(tǒng)為V系列3000，主傳動控制系統(tǒng)為TMdrive-30，輔傳動控制系統(tǒng)為TMdrive-10。
該生產(chǎn)線總體上分為加熱爐區(qū)、軋機區(qū)、冷床矯直區(qū)、冷鋸區(qū)、堆垛發(fā)貨區(qū)，由5個操作臺操作各自區(qū)域的設(shè)備，其自動化控制系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與整個系統(tǒng)相連。
2. 軋機區(qū)自動化系統(tǒng)總體配置
全廠整套網(wǎng)絡(luò)由用于連接L1級(現(xiàn)場控制層)、L2級(過程監(jiān)控層)、L3級(生產(chǎn)管理層)自動化系統(tǒng)，V-系列PLC，HMI系統(tǒng)的監(jiān)控級工業(yè)以太網(wǎng)，用于各PLC系統(tǒng)間高速通訊的基礎(chǔ)控制級TC-net網(wǎng)，用于PLC和傳動系統(tǒng)間通訊的Tosline總線，及連接現(xiàn)場遠程I/O的Profibus－DP總線組成，（我們有時也將最底層傳動級稱之為L0級，HMI系統(tǒng)稱之為L1.5級，介于L1級和L2級之間，公司最高級稱之為L4級）。本文從系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)角度來說明軋機區(qū)自動化系統(tǒng)的總體配置。iFIX和PLC間通信基于以太網(wǎng)TCP/IP標準協(xié)議。全線二級系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成如圖1。
2.1 現(xiàn)場控制
2.1.1 一級系統(tǒng)硬件介紹
軋機區(qū)主要工藝設(shè)備包括1臺除鱗機、3臺夾送輥、5臺粗軋機組、1臺火焰切割機、10臺中精軋機組、1臺曲柄式飛剪，鋼坯從加熱爐出來后，一次道次軋制成型。
一級為現(xiàn)場控制層，對現(xiàn)場電、液、氣的執(zhí)行對象及傳動系統(tǒng)進行控制，V系列－3000(Model 3000)是東芝公司的大型PLC系統(tǒng)。圖2為軋機區(qū)東芝集成控制器配置。
PLCA為軋機區(qū)東芝集成控制器，PLCB為其它區(qū)域的東芝集成控制器，通過TC-net局域網(wǎng)連接。PLCA帶有兩個擴展機架，輸入外部聯(lián)鎖信號，TMd-10傳動系列通過Tos-line與之通信。
主機架配置：機架型號BU74A，11插槽，4對擴展單元接口模板和CPU處理器模板，其中6個插槽帶站總線(with station bus)，2#、3#插槽固定，分別插TC-net控制總線接口模板和以太網(wǎng)接口模板； PS791S為主機架電源模板，IF721為擴展機架接口模板(對應(yīng)模板IF351)，2通道，每通道最多帶7個擴展單元；R3PU45為遠程控制CPU模板，用于控制遠程信號，兩塊該模塊，一塊專用于主軋機系統(tǒng)，一塊用于輔助設(shè)備；S3PU55為順序控制CPU模板，用戶程序在此模板中進行運算處理；EN751以太網(wǎng)接口模板，用于PLC與HMI、V-Tool間通訊；C3PU35為計算機CPU模板，完成各類系統(tǒng)服務(wù)器間基于EGD(Ethernet Global Data)以太網(wǎng)全局數(shù)據(jù)處理通信，EGD協(xié)議是美國GE公司基于以太網(wǎng)技術(shù)的數(shù)據(jù)交換協(xié)議，它以數(shù)據(jù)報文形式在一個發(fā)送者和多個發(fā)送者之間實現(xiàn)1400B數(shù)據(jù)高速傳送，數(shù)據(jù)發(fā)送時間間隔短，安全性強，不易丟失，各站為雙向角色，既是服務(wù)器也是客戶端；TN721為TC-net接口模板將各PLC系統(tǒng)及ODG（online Data Gathering）在線數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)連成局域網(wǎng)，用于各PLC間通訊； FA714為風扇單元。擴展機架配置：擴展機架型號BU35B，PS361為擴展機架電源模板，所有傳動信息及現(xiàn)場位置傳感器信息均通過接口模板進入擴展單元，再進入PLC系統(tǒng)；SN322為Tosline接口模板，用于PLC與傳動間通訊；PF311為Profibus 接口模板，用于PLC與高速遠程I/O間通訊。Profibus是Siemens公司開發(fā)并通過德國工業(yè)標準（DIN19245），歐洲標準（EN50170）和國際標準（IEC-61158）,PF311支持Profibus－DP網(wǎng)。對H型鋼生產(chǎn)線上關(guān)鍵設(shè)備飛剪系統(tǒng)而言，為保證系統(tǒng)的快速響應(yīng)性，飛剪信號不通過Profibus－DP網(wǎng)，而是直接到PLC系統(tǒng)，故其配置與其它擴展機架不同，主機架中的S3PU55—CSHR專為飛剪準備；SN322H—Tosline接口模板，用于飛剪的主傳動；SN322用于飛剪前夾送輥；PI314脈沖模板模板用于飛剪剪刃位置；CD332帶硬件輸入點進行中斷，屬于高速中斷數(shù)字量輸入/輸出模板，響應(yīng)很快，可檢測到外界信號的高速變化；DI334/DO334為標準數(shù)字量輸入/輸出模板。
2.1.2 一級系統(tǒng)軟件介紹
V系列PLC系統(tǒng)在V-Tool軟件包運行基礎(chǔ)上完成模板組態(tài)，它采用3種語言編程,遵循IEC標準：梯形圖(LD)、功能塊(FBD)以及順序塊（SFC）?；緟?shù)變量解釋如下：task指用戶所編寫的程序；Local variables指在本task中使用變量；Station(Global) variables指在同一站里的CPU中task通用變量；Controller(Global)variables指在某一CPU模塊中通用變量；I/Ovariables指在同一站內(nèi)通用變量，在多CPU系統(tǒng)中，對于輸出點必須定義到具體的CPU模板；System Global (Network)variables指TC-net局域網(wǎng)站中所有CPU中task通用變量。
task掃描時間可分設(shè)定參數(shù)掃描（constant scan）和動態(tài)掃描（floating scan）兩種。設(shè)定參數(shù)掃描指事先設(shè)定好掃描時間，恒定掃描由用戶設(shè)定掃描時間，動態(tài)掃描取決程序?qū)嶋H執(zhí)行時間。
2.2 過程監(jiān)控
整套網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)服務(wù)器使用較多，均為對實時性和可靠性要求很高的子系統(tǒng)：L2級系統(tǒng)1臺服務(wù)器，1臺HMI計算機作為服務(wù)器的客戶終端，在運行ORACLE大型數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上對數(shù)據(jù)進行處理；iFIX系統(tǒng)1臺服務(wù)器，各操作臺HMI計算機作為iFIX系統(tǒng)的客戶端；ODG系統(tǒng)1臺，用于實時采集現(xiàn)場各類數(shù)據(jù)，進行實時在線跟蹤；PLC系統(tǒng)6臺，主要起管理作用。
L2級為過程監(jiān)控層，由工業(yè)控制計算機和iFIX系統(tǒng)，TC-net局域網(wǎng)等組成工業(yè)以太網(wǎng)，工控機利用iFIX組態(tài)軟件通過PLC系統(tǒng)完成對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控，iFIX數(shù)據(jù)點管理獨立于畫面運行，數(shù)據(jù)點設(shè)定后立即反映現(xiàn)場狀態(tài)。L1級將從現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)送到計算機室，在SQL server數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行計算，并顯示動態(tài)參數(shù)，報警，數(shù)據(jù)存儲，同時對數(shù)據(jù)進行保存。iFIX針對工業(yè)應(yīng)用的所有硬件基本上都有接口，是專業(yè)從事監(jiān)控軟件的公司，現(xiàn)場實用性強，穩(wěn)定性好。其通信設(shè)計方便，與PLC間基于TCP/IP協(xié)議進行通訊。其L2級還提供給L1級軋機Setup數(shù)據(jù)，軋輥軸承座數(shù)據(jù)，鋸片管理數(shù)據(jù)，以及有關(guān)對數(shù)據(jù)處理的收集、存檔、分類等。L2級系統(tǒng)ORACLE數(shù)據(jù)庫專門有一部分用于iFIX服務(wù)器，對L2級的操作通過1臺HMI計算機來完成。
操作臺HMI為iFIX的客戶端，操作工在HMI上對生產(chǎn)設(shè)備進行操作，其指令通過PLC系統(tǒng)，在PLC系統(tǒng)內(nèi)部經(jīng)過邏輯運算后，發(fā)出控制指令給傳動，傳動實際運行數(shù)據(jù)再返回給PLC。傳動級自身就是1套網(wǎng)絡(luò)體系，其通訊通過Tosline－S20總線與PLC進行傳遞。PLC系統(tǒng)從傳動及現(xiàn)場收集到的實際數(shù)據(jù)通常存儲在iFIX系統(tǒng)的SQL server數(shù)據(jù)庫中，L2級系統(tǒng)再從該數(shù)據(jù)庫中提取數(shù)據(jù)進行運算處理。在L2級系統(tǒng)發(fā)生故障時，操作工可從該數(shù)據(jù)庫直接提取軋制圖表等參數(shù)送入PLC控制系統(tǒng)中，而不會相互沖突。這是我們這套網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)最顯著的特點。
2.3 生產(chǎn)管理
第L3級為生產(chǎn)管理層，在廠級層面上對進行產(chǎn)品全面跟蹤，包括產(chǎn)品分類并對客戶訂單和銷售進行跟蹤，對產(chǎn)品編制生產(chǎn)計劃，對原料及成品的庫存進行盤點，對產(chǎn)品成本進行測算，對廠級間的能源平衡進行調(diào)度，對配件進行管理等等。采用TCP/IP協(xié)議，可對ORACLE數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進行修改，已達到根據(jù)市場變化適時更改的目的。
3． 傳動控制
該生產(chǎn)線15臺軋機分粗軋機組5臺和中精軋機組10臺軋機，其中，2臺立輥軋機和2臺軋邊機功率600kw ，其它11臺軋機功率1300kw，主電機為交流異步電機，電機最高轉(zhuǎn)速為2000rpm。輔傳動電機，如飛剪2臺主電機、夾送輥3臺電機等等均為TMEIC公司產(chǎn)品。主傳動系統(tǒng)為東芝三菱的TMdrive－30，輔傳動控制系統(tǒng)為TMdrive-10，兩種均為PWM控制的交直交變頻矢量控制系統(tǒng)，功率元件采用絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。
主傳動選用了兩種容量的逆變器柜。
frame2000，輸入?yún)?shù)：1800Vdc,960Amps；輸出參數(shù)：1250Vac, 924Amps, 過負荷指標：150%-60s；用于1300kw的交流電機。
frame1500，輸入?yún)?shù)：1800Vdc, 720Amps；輸出參數(shù)：1250Vac, 693Amps, 過負荷指標：150%-60s；用于600kw的交流電機。
輔傳動逆變器柜類型較多，125KVA以下為抽屜式，有8、15、25、45、75、125KVA6種規(guī)格，根據(jù)每組輥道數(shù)的差異來選用不同容量控制系統(tǒng)，用于軋機區(qū)夾送輥及所有輥道的變頻控制；125KVA以上為柜式結(jié)構(gòu)，用于飛剪的2臺主電機。
逆變器的傳動矢量控制組成：速度給定環(huán)節(jié)、速度調(diào)節(jié)器、D/Q軸電流調(diào)節(jié)器、磁通調(diào)節(jié)器、電壓調(diào)節(jié)器、PWM控制器等組成。主板在矢量控制系統(tǒng)完成IGBT觸發(fā)信號后，把觸發(fā)脈沖傳送到逆變器，控制IGBT導通和關(guān)斷，得到所需電機近似于正弦波的輸入電壓和頻率，進而調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。圖3為矢量結(jié)構(gòu)圖。
PLC和傳動系統(tǒng)間通訊是Tosline總線，屬于串行通訊。ASC是一種星型耦合器，1臺星型耦合器最多可連接8臺逆變器。對本系統(tǒng)，1臺主軋機對應(yīng)1臺ASC，通過PLC系統(tǒng)SN322接口模板，與PLC控制器進行數(shù)據(jù)交換。Tosline-S20是具有2Mbit/s傳送速度的高速光纖數(shù)據(jù)通信裝置，通過它可與上位控制系統(tǒng)連接。光纖通信是一種無電磁干擾高質(zhì)量的通信方式，與PLC及其它傳動裝置，可實現(xiàn)最快1ms掃描通信。
4. 結(jié)論
TMEIC自動化控制系統(tǒng)包括傳動系統(tǒng)在完成調(diào)試投入生產(chǎn)以來，通過幾年來的運行表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，故障率很低，各項性能指標均達到設(shè)計要求。
轉(zhuǎn)載自：《冶金自動化》2014年8月增刊
