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(jī)械設(shè)備由意大利DANIELI公司提供，全套自動(dòng)化控制設(shè)備從TMEIC公司引進(jìn)，這是一家東芝和三菱電機(jī)的合資公司，總部設(shè)在日本東京。整套系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、應(yīng)用軟件、HMI系統(tǒng)和自動(dòng)化二級(jí)均為TMEIC美國(guó)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(dòng)控制系統(tǒng)、電機(jī)均為TMEIC公司產(chǎn)品，PLC系統(tǒng)為V系列3000，主傳動(dòng)控制系統(tǒng)為TMdrive-30，輔傳動(dòng)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(jī)區(qū)、冷床矯直區(qū)、冷鋸區(qū)、堆垛發(fā)貨區(qū)，由5個(gè)操作臺(tái)操作各自區(qū)域的設(shè)備，其自動(dòng)化控制系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)與整個(gè)系統(tǒng)相連。
2. 軋機(jī)區(qū)自動(dòng)化系統(tǒng)總體配置
全廠整套網(wǎng)絡(luò)由用于連接L1級(jí)(現(xiàn)場(chǎng)控制層)、L2級(jí)(過(guò)程監(jiān)控層)、L3級(jí)(生產(chǎn)管理層)自動(dòng)化系統(tǒng)，V-系列PLC，HMI系統(tǒng)的監(jiān)控級(jí)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(jí)TC-net網(wǎng)，用于PLC和傳動(dòng)系統(tǒng)間通訊的Tosline總線，及連接現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程I/O的Profibus－DP總線組成，（我們有時(shí)也將最底層傳動(dòng)級(jí)稱之為L(zhǎng)0級(jí)，HMI系統(tǒng)稱之為L(zhǎng)1.5級(jí)，介于L1級(jí)和L2級(jí)之間，公司最高級(jí)稱之為L(zhǎng)4級(jí)）。本文從系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)角度來(lái)說(shuō)明軋機(jī)區(qū)自動(dòng)化系統(tǒng)的總體配置。iFIX和PLC間通信基于以太網(wǎng)TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。全線二級(jí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成如圖1。
2.1 現(xiàn)場(chǎng)控制
2.1.1 一級(jí)系統(tǒng)硬件介紹
軋機(jī)區(qū)主要工藝設(shè)備包括1臺(tái)除鱗機(jī)、3臺(tái)夾送輥、5臺(tái)粗軋機(jī)組、1臺(tái)火焰切割機(jī)、10臺(tái)中精軋機(jī)組、1臺(tái)曲柄式飛剪，鋼坯從加熱爐出來(lái)后，一次道次軋制成型。
一級(jí)為現(xiàn)場(chǎng)控制層，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電、液、氣的執(zhí)行對(duì)象及傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)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(jī)區(qū)東芝集成控制器配置。
PLCA為軋機(jī)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(guò)TC-net局域網(wǎng)連接。PLCA帶有兩個(gè)擴(kuò)展機(jī)架，輸入外部聯(lián)鎖信號(hào)，TMd-10傳動(dòng)系列通過(guò)Tos-line與之通信。
主機(jī)架配置：機(jī)架型號(hào)BU74A，11插槽，4對(duì)擴(kuò)展單元接口模板和CPU處理器模板，其中6個(gè)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(jī)架電源模板，IF721為擴(kuò)展機(jī)架接口模板(對(duì)應(yīng)模板IF351)，2通道，每通道最多帶7個(gè)擴(kuò)展單元；R3PU45為遠(yuǎn)程控制CPU模板，用于控制遠(yuǎn)程信號(hào)，兩塊該模塊，一塊專用于主軋機(jī)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(jìn)行運(yùn)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(jì)算機(jī)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?jǐn)?shù)據(jù)處理通信，EGD協(xié)議是美國(guó)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(bào)文形式在一個(gè)發(fā)送者和多個(gè)發(fā)送者之間實(shí)現(xiàn)1400B數(shù)據(jù)高速傳送，數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間間隔短，安全性強(qiáng)，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(fēng)扇單元。擴(kuò)展機(jī)架配置：擴(kuò)展機(jī)架型號(hào)BU35B，PS361為擴(kuò)展機(jī)架電源模板，所有傳動(dòng)信息及現(xiàn)場(chǎng)位置傳感器信息均通過(guò)接口模板進(jìn)入擴(kuò)展單元，再進(jìn)入PLC系統(tǒng)；SN322為Tosline接口模板，用于PLC與傳動(dòng)間通訊；PF311為Profibus 接口模板，用于PLC與高速遠(yuǎn)程I/O間通訊。Profibus是Siemens公司開(kāi)發(fā)并通過(guò)德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（DIN19245），歐洲標(biāo)準(zhǔn)（EN50170）和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（IEC-61158）,PF311支持Profibus－DP網(wǎng)。對(duì)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(hào)不通過(guò)Profibus－DP網(wǎng)，而是直接到PLC系統(tǒng)，故其配置與其它擴(kuò)展機(jī)架不同，主機(jī)架中的S3PU55—CSHR專為飛剪準(zhǔn)備；SN322H—Tosline接口模板，用于飛剪的主傳動(dòng)；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(diǎn)進(jìn)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(cè)到外界信號(hào)的高速變化；DI334/DO334為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字量輸入/輸出模板。
2.1.2 一級(jí)系統(tǒng)軟件介紹
V系列PLC系統(tǒng)在V-Tool軟件包運(yùn)行基礎(chǔ)上完成模板組態(tài)，它采用3種語(yǔ)言編程,遵循IEC標(biāo)準(zhǔn)：梯形圖(LD)、功能塊(FBD)以及順序塊（SFC）。基本參數(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(duì)于輸出點(diǎn)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(shí)間可分設(shè)定參數(shù)掃描（constant scan）和動(dòng)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(shí)間，恒定掃描由用戶設(shè)定掃描時(shí)間，動(dòng)態(tài)掃描取決程序?qū)嶋H執(zhí)行時(shí)間。
2.2 過(guò)程監(jiān)控
整套網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)服務(wù)器使用較多，均為對(duì)實(shí)時(shí)性和可靠性要求很高的子系統(tǒng)：L2級(jí)系統(tǒng)1臺(tái)服務(wù)器，1臺(tái)HMI計(jì)算機(jī)作為服務(wù)器的客戶終端，在運(yùn)行ORACLE大型數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；iFIX系統(tǒng)1臺(tái)服務(wù)器，各操作臺(tái)HMI計(jì)算機(jī)作為iFIX系統(tǒng)的客戶端；ODG系統(tǒng)1臺(tái)，用于實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)各類數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)在線跟蹤；PLC系統(tǒng)6臺(tái)，主要起管理作用。
L2級(jí)為過(guò)程監(jiān)控層，由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和iFIX系統(tǒng)，TC-net局域網(wǎng)等組成工業(yè)以太網(wǎng)，工控機(jī)利用iFIX組態(tài)軟件通過(guò)PLC系統(tǒng)完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控，iFIX數(shù)據(jù)點(diǎn)管理獨(dú)立于畫面運(yùn)行，數(shù)據(jù)點(diǎn)設(shè)定后立即反映現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)。L1級(jí)將從現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)送到計(jì)算機(jī)室，在SQL server數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并顯示動(dòng)態(tài)參數(shù)，報(bào)警，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。iFIX針對(duì)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(chǎng)實(shí)用性強(qiáng)，穩(wěn)定性好。其通信設(shè)計(jì)方便，與PLC間基于TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通訊。其L2級(jí)還提供給L1級(jí)軋機(jī)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(duì)數(shù)據(jù)處理的收集、存檔、分類等。L2級(jí)系統(tǒng)ORACLE數(shù)據(jù)庫(kù)專門有一部分用于iFIX服務(wù)器，對(duì)L2級(jí)的操作通過(guò)1臺(tái)HMI計(jì)算機(jī)來(lái)完成。
操作臺(tái)HMI為iFIX的客戶端，操作工在HMI上對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行操作，其指令通過(guò)PLC系統(tǒng)，在PLC系統(tǒng)內(nèi)部經(jīng)過(guò)邏輯運(yùn)算后，發(fā)出控制指令給傳動(dòng)，傳動(dòng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)再返回給PLC。傳動(dòng)級(jí)自身就是1套網(wǎng)絡(luò)體系，其通訊通過(guò)Tosline－S20總線與PLC進(jìn)行傳遞。PLC系統(tǒng)從傳動(dòng)及現(xiàn)場(chǎng)收集到的實(shí)際數(shù)據(jù)通常存儲(chǔ)在iFIX系統(tǒng)的SQL server數(shù)據(jù)庫(kù)中，L2級(jí)系統(tǒng)再?gòu)脑摂?shù)據(jù)庫(kù)中提取數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理。在L2級(jí)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，操作工可從該數(shù)據(jù)庫(kù)直接提取軋制圖表等參數(shù)送入PLC控制系統(tǒng)中，而不會(huì)相互沖突。這是我們這套網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)最顯著的特點(diǎn)。
2.3 生產(chǎn)管理
第L3級(jí)為生產(chǎn)管理層，在廠級(jí)層面上對(duì)進(jìn)行產(chǎn)品全面跟蹤，包括產(chǎn)品分類并對(duì)客戶訂單和銷售進(jìn)行跟蹤，對(duì)產(chǎn)品編制生產(chǎn)計(jì)劃，對(duì)原料及成品的庫(kù)存進(jìn)行盤點(diǎn)，對(duì)產(chǎn)品成本進(jìn)行測(cè)算，對(duì)廠級(jí)間的能源平衡進(jìn)行調(diào)度，對(duì)配件進(jìn)行管理等等。采用TCP/IP協(xié)議，可對(duì)ORACLE數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，已達(dá)到根據(jù)市場(chǎng)變化適時(shí)更改的目的。
3． 傳動(dòng)控制
該生產(chǎn)線15臺(tái)軋機(jī)分粗軋機(jī)組5臺(tái)和中精軋機(jī)組10臺(tái)軋機(jī)，其中，2臺(tái)立輥軋機(jī)和2臺(tái)軋邊機(jī)功率600kw ，其它11臺(tái)軋機(jī)功率1300kw，主電機(jī)為交流異步電機(jī)，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為2000rpm。輔傳動(dòng)電機(jī)，如飛剪2臺(tái)主電機(jī)、夾送輥3臺(tái)電機(jī)等等均為TMEIC公司產(chǎn)品。主傳動(dòng)系統(tǒng)為東芝三菱的TMdrive－30，輔傳動(dòng)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(dòng)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(guò)負(fù)荷指標(biāo)：150%-60s；用于1300kw的交流電機(jī)。
frame1500，輸入?yún)?shù)：1800Vdc, 720Amps；輸出參數(shù)：1250Vac, 693Amps, 過(guò)負(fù)荷指標(biāo)：150%-60s；用于600kw的交流電機(jī)。
輔傳動(dòng)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(lái)選用不同容量控制系統(tǒng)，用于軋機(jī)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(tái)主電機(jī)。
逆變器的傳動(dòng)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(hào)后，把觸發(fā)脈沖傳送到逆變器，控制IGBT導(dǎo)通和關(guān)斷，得到所需電機(jī)近似于正弦波的輸入電壓和頻率，進(jìn)而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。圖3為矢量結(jié)構(gòu)圖。
PLC和傳動(dòng)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(tái)星型耦合器最多可連接8臺(tái)逆變器。對(duì)本系統(tǒng)，1臺(tái)主軋機(jī)對(duì)應(yīng)1臺(tái)ASC，通過(guò)PLC系統(tǒng)SN322接口模板，與PLC控制器進(jìn)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(guò)它可與上位控制系統(tǒng)連接。光纖通信是一種無(wú)電磁干擾高質(zhì)量的通信方式，與PLC及其它傳動(dòng)裝置，可實(shí)現(xiàn)最快1ms掃描通信。
4. 結(jié)論
TMEIC自動(dòng)化控制系統(tǒng)包括傳動(dòng)系統(tǒng)在完成調(diào)試投入生產(chǎn)以來(lái)，通過(guò)幾年來(lái)的運(yùn)行表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，故障率很低，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
轉(zhuǎn)載自：《冶金自動(dòng)化》2014年8月增刊
