自動(dòng)化系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)及硬件功能解析

在電氣控制系統(tǒng)中，SIEMENS的自動(dòng)控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外較*的軋鋼產(chǎn)線，是對(duì)傳動(dòng)設(shè)備與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)密切的主流硬件設(shè)備和軟件應(yīng)用。其特點(diǎn)是功能強(qiáng)大，標(biāo)準(zhǔn)通用性強(qiáng)，可以同時(shí)用于多種主/副傳動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置、設(shè)備運(yùn)行控制、操作界面、程序監(jiān)控、數(shù)字信號(hào)、圖形曲線、傳動(dòng)設(shè)備的實(shí)際狀態(tài)、故障信息報(bào)警功能、遠(yuǎn)程連接等多種功能的控制。

    1、SIEMENS自動(dòng)化系統(tǒng)的描述

    西門子使用基于微處理器的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)自動(dòng)化的所有功能——工藝控制，程序功能，支撐功能及介質(zhì)系統(tǒng)。

    自動(dòng)化系統(tǒng)分為若干自動(dòng)化單元，每個(gè)單元單獨(dú)控制。各CPU平行運(yùn)行，合作處理程序。各自動(dòng)化單元連接至不同的設(shè)備，用以感應(yīng)及促動(dòng)（包括電源及傳動(dòng)控制）。傳感器直接輸入工藝控制，如壓下系統(tǒng)，旋入系統(tǒng)及PLC主斜坡生成等，通過(guò)實(shí)時(shí)線纜總線連接（副機(jī)架內(nèi)部的平行總線，不同副機(jī)架的光纖耦合）互相通信，確?？刂崎g的高動(dòng)態(tài)換接，這對(duì)總體性能及軋制結(jié)果有重大影響。通過(guò)智能終端箱（遠(yuǎn)程I/O）發(fā)生連接，通過(guò)總線電纜連接至*控制器。

    2、SIEMENS控制系統(tǒng)架構(gòu)

    2.1 數(shù)據(jù)SIMATIC 以太網(wǎng)：星形網(wǎng)絡(luò)配置。所有數(shù)據(jù)終端經(jīng)過(guò)收發(fā)設(shè)備電纜點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接至星形耦合，或附加至光學(xué)收發(fā)設(shè)備-雙光纖電纜。

    2.2 以下系統(tǒng)將連接至SIMATIC 以太網(wǎng)總線系統(tǒng)：數(shù)字控制系統(tǒng)SIMATIC TDC、數(shù)字控制系統(tǒng)SIMATIC S7、專業(yè)計(jì)算機(jī)及操作工通信及監(jiān)控系統(tǒng)、SIMATIC網(wǎng)絡(luò)外部系統(tǒng)。

    2.3 現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)PROFIBUS：SIMATIC網(wǎng)絡(luò)PROFIBUS是一種功能強(qiáng)大的總線系統(tǒng)，用于中低媒介范圍能力。SIMATIC 網(wǎng)絡(luò)PROFIBUS可連接可編程控制器，小型現(xiàn)場(chǎng)單元，以及各種自動(dòng)化組件，如編程單元及計(jì)算機(jī)的組件。

    2.4 SIMOVERT MASTER DRIVES及SINAMICS SM120用于所有傳動(dòng)系統(tǒng)。

    2.5 SIMATIC TDC用于高速工藝控制，二進(jìn)制互鎖，自動(dòng)程序及軋機(jī)內(nèi)開(kāi)閉環(huán)控制

    2.6 SINAMICS SM150用于控制粗軋機(jī)及精軋機(jī)主傳動(dòng)電機(jī)

    2.7 SIMATIC S7用于普通工藝控制，介質(zhì)系統(tǒng)程序控制，冷床區(qū)，剪切線，精軋機(jī)區(qū)。

    3、硬件功能解析

    3.1 SIMATIC TDC PLC

    SIMATIC TDC PLC CPU用于自動(dòng)化系統(tǒng)的主控制（數(shù)據(jù)處理，程序速度斜坡生成）；粗軋機(jī)，立輥（如果使用），精軋機(jī)機(jī)架控制功能。本系統(tǒng)以機(jī)架為基礎(chǔ)，根據(jù)自動(dòng)化功能及快速控制環(huán)中直接連接在PLC的傳感器數(shù)量、類型選擇組件。

    3.1.1 副機(jī)架UR5213

    副機(jī)架UR5213是SIMATIC TDC的機(jī)械基礎(chǔ)。副機(jī)架有集成系統(tǒng)電源及系統(tǒng)風(fēng)機(jī)。高性能的64位后連線版總線允許數(shù)據(jù)在機(jī)架內(nèi)部模塊間傳輸。

    3.1.2 CPU551

    CPU模塊可進(jìn)行普通開(kāi)閉環(huán)控制及算術(shù)任務(wù)，約含有2.5x計(jì)算機(jī)SIMADYN D性能（一代SIEMENS HW）CPU模塊PM6.：

• 8數(shù)字輸入，其中4個(gè)可中斷

• 5×7LED點(diǎn)矩陣

• 就地服務(wù)串行RS232界面

• MC5xx程序記憶模塊插槽

• 取樣時(shí)間100μs

• 32MB SDRAM

• 512KB同步高速緩存

• 266HZ

• 64位RISC浮點(diǎn)CPU

• 4MB flash

• CPU在板電池支持緩沖

    3.1.3通訊模塊CP50M1

    CP50M1通訊模塊含有兩個(gè)PROFIBUS DP / MPI界面及緩沖記憶，用于建立CPU間的通訊。界面可用作PROFIBUS DP / MPI主臺(tái)，PROFIBUS DP從設(shè)備，同時(shí)亦可PROFIBUS DP / MPI從設(shè)備，PROFIBUS DP主臺(tái)，MPI節(jié)點(diǎn)（站）。

    3.1.4通訊模塊CP51M1

    CP51M1通訊模塊提供工業(yè)以太網(wǎng)界面。使用這一模塊可執(zhí)行以下任務(wù)：

• 可同其他CP51M1，SIMATIC工業(yè)以太網(wǎng)模塊交換處理數(shù)據(jù)

• 使用WINCC可視處理數(shù)據(jù)及信息：

    3.1.5 I/O模塊SM500 I/O：一塊面板含有以下I/O容量：

• 8× AO +/- 10V， 8x AI +/- 10V

• 16× DO 24V， 16x DI 24V

• 4× SSI值編碼器輸入，4×增量編碼器輸入

• 4×中斷輸入5V

 3.2 CP52M0全局?jǐn)?shù)據(jù)記憶（GMD）模式

    GMD系統(tǒng)*記憶大小為2MB，位于CP52M0全局記憶模塊。這一模塊處理耦合機(jī)架程序間傳輸?shù)娜繑?shù)據(jù)。后連線板總線處理CP52IO GDM界面模塊與CP52M0間的數(shù)據(jù)傳輸。

    CP52M0讀出所有CP52IO光纖電纜界面錯(cuò)誤及診斷記錄器，安裝在GDM副機(jī)架內(nèi)部。探測(cè)所有光纖電纜界面*操作狀態(tài)并估算。結(jié)果輸出至CP52M0數(shù)字輸出，用于附加估算。

    3.2.1 CP52IOGDM界面模塊：在副機(jī)架的CP52A0GDM通道模塊通過(guò)光纖電纜連接到CP52IOGDM界面模塊。

    3.2.2 CP52A0GDM通道模塊：每個(gè)副機(jī)架配置CP52A0GDM通道模塊，連接到GDM.

    3.2.3 UR5213副機(jī)架：GDM副機(jī)架不需配置應(yīng)用軟件。

    3.2.4 CP52M0 及CP52IOGDM模塊使用特殊模式操作，非?？臁?/span>

    3.3 SIMATIC S7 PLC

    SIMATIC S7CPU線路是SIMATIC PLC的介質(zhì)終端。選擇用以控制應(yīng)用剪切及精軋線區(qū)介質(zhì)系統(tǒng)控制，以及MULPIC，矯直機(jī)等。由于集成設(shè)計(jì)，可視化平臺(tái)PCS7，使用S7-400PLC。

    3.3.1 Sub機(jī)架 UR1：UR1機(jī)架是SIMATIC S7的硬件基礎(chǔ)。有18個(gè)插槽及電源。

    3.3.2 Sub機(jī)架 UR2：UR2機(jī)架是SIMATIC S7的硬件基礎(chǔ)。有9個(gè)插槽及電源。

    3.3.3 CPU416：普通開(kāi)閉環(huán)控制及算數(shù)任務(wù)CPU模塊。主要參數(shù)如下所示：

• 集成用戶記憶編程0.8MB，數(shù)據(jù)0.8MB

• zui大加載記憶64MB

• zui大計(jì)數(shù)器512，zui大計(jì)時(shí)器512

• UR1機(jī)架多計(jì)算zui大4個(gè)CPU

• zui小循環(huán)時(shí)間10msec

• 集成時(shí)鐘

• CPU在板電池支持緩沖

• CPU模塊MPI界面集成

• CPU模塊PROFIBUS DP界面集成

    3.3.4通訊模塊CP443-5：提供附加PROFIBUS DP界面。

    3.3.5 通訊模塊CP443-1：提供工業(yè)以太網(wǎng)界面。這一模塊可同其他CP 443-1，SIMATIC工業(yè)以太網(wǎng)模塊交換處理數(shù)據(jù)：使用WINCC可視處理數(shù)據(jù)及信息，TCP/IP 及ISO/OSI協(xié)議等功能。

    3.4 ET200非集中I/O系統(tǒng)

    ET200是一個(gè)模塊化遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)，分配SIMATIC PLC控制器配置。允許程序直接相鄰使用SIMATIC家族模塊（在*電氣室或開(kāi)關(guān)裝置室或車間內(nèi)）

    ET200通過(guò)PROFIBUS-DP連接至SIMATIC PLC (S7 或TDC)，集成PROFIBUS-DP界面現(xiàn)場(chǎng)裝置直接連接至現(xiàn)場(chǎng)總線。ET200具有以下特性：

• ET200在傳感器及執(zhí)行器附近。遠(yuǎn)程I/O按照現(xiàn)場(chǎng)位置分組。

• ET200M用于傳感器，執(zhí)行器及主控臺(tái)。ET200B用于小控制臺(tái)及控制面板。

• 通過(guò)光纖電纜連接*控制器及*個(gè)ET200站。

• COM PROFIBUS軟件通過(guò)圖解符號(hào)協(xié)助提供簡(jiǎn)潔方便的系統(tǒng)配置

• 更換模塊方便，即使在供電狀態(tài)未反向信號(hào)時(shí)亦可進(jìn)行（熱交換）

• 智能模塊計(jì)數(shù)器，計(jì)時(shí)器及效驗(yàn)器

• 鍵編碼插頭：避免在更換模塊時(shí)錯(cuò)誤，總線單元及模塊有“鎖鈅”編碼系統(tǒng)。因此，無(wú)法插入錯(cuò)誤模塊類型。

    3.5 SIMATIC S7-300F急停PLC

    急停系統(tǒng)分隔連線，診斷系統(tǒng)記錄激活。由于通訊容量，每個(gè)急停PLC可以處理至多15個(gè)急停區(qū)域。

• 一個(gè)軋機(jī)區(qū)故障安全控制系統(tǒng)SIMATIC S7-300F

• 緊急蘑菇按鈕

• PROFIBUS連接至面板控制系統(tǒng)及診斷系統(tǒng)

    SIMATIC S7-300F*固定在分隔間，*連線至終端。分隔間裝有所有必要的附件，如電源，輔助回路斷電器及繼電器。

    3.6 SIMATIC NET通訊

    處理控制系統(tǒng)SIMATIC NET使用工業(yè)通訊網(wǎng)SIMATIC NET。所有SIMATIC NET產(chǎn)品都是設(shè)計(jì)，用于工業(yè)應(yīng)用。對(duì)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，使用標(biāo)準(zhǔn)通訊組件，如從CISCO系統(tǒng)公司。使用以下SIMATIC NET產(chǎn)品家族總線系統(tǒng)：工業(yè)以太網(wǎng)如系統(tǒng)總線10Mbps，100MBps線程；PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線。

    3.6.1 工業(yè)以太網(wǎng)總線（H1）

    工業(yè)以太網(wǎng)zui多可連接1000個(gè)站。運(yùn)行速率100個(gè)10Mbps或1000Mbps，提供大數(shù)據(jù)容量。支持TCP/IP協(xié)議及SINEC H1 OSI 802.3，可使用三芯同軸電纜，工業(yè)雙絞電纜及光纖電纜，以太網(wǎng)形狀為星形。雙絞電纜連接<100m，多模光穎連接>100m。

    3.6.2 PROFIBUS DP 現(xiàn)場(chǎng)總線

    PROFIBUS（Process Field Bus 處理現(xiàn)場(chǎng)總線）是中低性能的強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)。PROFIBUS 達(dá)到EN 50 170要求，確保了連接組件開(kāi)放，同其他標(biāo)準(zhǔn)一致。PROFIBUS的輔助主設(shè)備和從設(shè)備存取方法使用令牌傳遞原理。主動(dòng)與被動(dòng)網(wǎng)路站間有不同。只有主動(dòng)站接收標(biāo)識(shí)，即在特定時(shí)間內(nèi)，傳送*從一個(gè)主動(dòng)站傳遞到另一個(gè)主動(dòng)站。系統(tǒng)自動(dòng)探測(cè)站是否漏失或有新站加入網(wǎng)絡(luò)，PROFIBUS網(wǎng)路形狀為星形。分主動(dòng)站和被動(dòng)站：主動(dòng)站包括PLC、工業(yè)計(jì)算機(jī)、編程單元；被動(dòng)站包括ET 200 遠(yuǎn)程I/O單元、SIMOVERT主傳動(dòng)、SINAMICS SM120、整流器、傳感器及執(zhí)行器、外部系統(tǒng)、根據(jù)連接的距離，使用雙絞電纜或光纖相關(guān)收發(fā)器（光學(xué)總線終端OBT）等。

    4、結(jié)束語(yǔ)

    利用SIEMENS的強(qiáng)大硬件及軟件控制功能，在寬厚板軋線自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用過(guò)程中，為設(shè)備控制及系統(tǒng)運(yùn)行提供強(qiáng)大的，提高了產(chǎn)品控制質(zhì)量，更好的優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，具有較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性，是國(guó)內(nèi)各大鋼鐵產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)的主流應(yīng)用設(shè)備。