CN102298361B - 一种连续退火生产线急停系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种连续退火生产线急停系统及控制方法，对退火炉区及出口区急停系统重新分区，拓扑传动急停网络，增补大量急停模块，提高急停系统运行和通讯的可靠性；通过优化传动变频器的急停加速度，重新设计传动急停继电器网络，保证机组急停情况下的安全保护，防止断带、堆钢事故的发生：把炉区重要风机及导辊与急停系统分离，保证急停情况下炉区的安全；进行急停CPU与线上CPU的以太网通讯，增加网络通讯和硬线通讯的冗余通讯，实现硬件与软件协同控制紧急停车，提高整个急停系统的可靠性和安全等级，为机械设备提供了可靠的紧急停车保护。
Description
技术领域
本发明属于自动控制技术领域，尤其涉及一种冷轧连续退火机组异常情况的紧急停车系统及其控制方法。
背景技术
急停系统是冷轧连续退火机组控制系统中的重要组成部分，其作用在于机组处于人身危险或重大设备故障状态时，通过系统程序自动判断或由人工方式及时停车，从而避免事故的发生或将事故损失降为最低。
某冷轧厂1450mm连续退火机组的紧急停车控制系统是经改造而成的，原设计中急停中央处理器(简称CPU)采用欧洲皮尔斯急停PSS系列，全线传动控制系统采用法国阿尔斯通公司的高速处理器HPC系列的Vmic7750，光整液压控制系统采用德国西门子公司的高速处理器FM458，连退炉区工艺控制系统采用西门子公司的S400系列处理器。全线急停按钮以硬线形式进急停处理器的输入模板，急停处理器经过简单运算和逻辑判断将输出信号以硬线形式传送给阿尔斯通和西门子处理器。
如此复杂及多样式的工业控制急停系统在国际应用中十分鲜见，因而也使其急停系统不可避免地存在着如下重要缺陷：
一是原设计急停信息无法保存，通讯接口只有硬线电缆，无法满足现场大量信息传输的需要，且各控制器之间无备用通讯接口，传动变频器急停无备用通讯接口设计。在阿尔斯通或西门子处理器故障情况下无法保证机组协调停车，容易产生断带、堆钢事故，存在着设备无法按保护区域停电等潜在隐患。
二是目前国内外采用皮尔斯急停系统设计的方案往往采用现场总线(简称DP)通讯网络作为急停处理器和其他处理器之间通讯的手段，但由于处理器有阿尔斯通和西门子两大类型，报文格式统一后其信息传输总量无法满足人机界面中记录急停诊断信息的要求，且阿尔斯通处理器的DP通讯网络已经无法扩容，而要想满足急停系统的需要，不仅需要大幅度增加资金投入，而且对技术上提出了更高的要求。
发明内容
本发明的目的就是针对上述缺陷，提供一种投资省、见效快，简单易行，便于操作，能提高机组紧急停车的安全性，减少机组断带、堆钢事故的紧急停车系统及其控制方法。
为此，本发明所采取的解决方案是：
一种连续退火生产线急停系统，采用阿尔斯通高速处理器A、西门子高速处理器E及皮尔斯急停中央处理器I，连通线上以太网，增设以太网交换机Q、阿尔斯通以太网通讯模块B、阿尔斯通数字量输出模块D、西门子以太网通讯模块F、西门子数字量输出模块G、西门子现场总线网络通讯模块H、皮尔斯以太网通讯模块K、皮尔斯急停数字量输入模块J以及各设备的传动急停继电器N；建立各处理器之间数据交换的以太网，铺设阿尔斯通和西门子处理器与皮尔斯急停处理器之间的硬线电缆以及皮尔斯急停处理器与全线传动电机和液压系统之间的硬线电缆；以太网交换机Q分别与阿尔斯通以太网通讯模块BI和BII、西门子以太网通讯模块F、皮尔斯以太网通讯模块K连接；阿尔斯通数字量输出模块DI、DII均连接皮尔斯急停数字量输入模块J，皮尔斯急停数字量输入模块J还与西门子数字量输出模块G相连；皮尔斯急停数字量输出模块L分别连接液压急停继电器P和各传动急停继电器N，各传动急停继电器N与接于阿尔斯通现场总线网络通讯模块C上的变频器M连接。
所述的以太网包括以太网I、以太网II和以太网III；以太网I包括阿尔斯通以太网通讯模块BI和BII、西门子以太网通讯模块F、皮尔斯以太网通讯模块K；以太网II由数据交换机S及与其连接的阿尔斯通以太网通讯模块R组成；以太网III则由数据交换机S及连接的人机界面T所构成。
一种连续退火生产线急停系统控制方法，其具体步骤为：
1、分区：根据工艺条件将现场分为入口上料、焊接、清洗工艺段，退火工艺段，光整工艺段，剪边、出口卸料工艺段四大区，计16个急停控制分区；每一大区由单独的阿尔斯通或西门子处理器进行控制，实行分段停车。
2、编写阿尔斯通高速处理器A和西门子高速处理器E与皮尔斯急停中央处理器I的通讯程序，定义通讯报文接口，形成以太网急停通讯网络；编写阿尔斯通高速处理器A和西门子高速处理器E死机状态检测程序，使程序在无法执行急停指令时通过硬线电缆通知皮尔斯急停中央处理器I。
3、拓扑传动急停网络，增加各设备和系统的传动急停继电器N和急停输入输出模块L，编写皮尔斯急停中央处理器I在阿尔斯通高速处理器A和西门子高速处理器E死机情况下，控制全线传动系统和液压系统急停、断电保护的处理程序，使阿尔斯通高速处理器A或西门子高速处理器E故障情况下急停装置仍有效；将皮尔斯急停中央处理器I急停输入信号设置为手动操作按钮、阿尔斯通高速处理器A和西门子高速处理器E以太网通讯报文、阿尔斯通高速处理器A和西门子高速处理器E硬线输入信号3种模式；皮尔斯急停中央处理器I急停输出信号设置为与阿尔斯通全线传动控制系统高速处理器A和西门子高速处理器E的以太网报文通讯、对全线传动电机和液压系统的硬线输出两部分，通过分布在各传动电机的传动急停继电器N和液压系统的液压急停继电器P进行急停操作。
4、编写传动变频器M在急停时的速度控制程序，优化全线所有传动电机的停车速度以及加速度，实行分段减速停车；通过传动急停继电器N对传动变频器M的内置急停程序进行触发，将其中断优先级设为最高，一旦变频器M接收到硬线急停命令，将按照变频器M预设停车速度减速停车；
5、编写阿尔斯通现场总线技术网络通讯子站识别及控制程序，定义现场总线技术网络通讯报文，重新定义炉区排烟风机及导辊的设备现场总线地址，并在现场总线通讯程序中将上述现场总线地址屏蔽，使其不接受急停指令；
6、编写人机界面T的诊断画面程序，将皮尔斯急停中央处理器I的实时处理信息通过以太网传输到阿尔斯通高速处理器A内，再将阿尔斯通高速处理器A内的急停实时信息通过通讯接口传输到数据交换机中，使人机界面T能够实时显示和保留急停诊断信息。
本发明的有益效果为：
由于对炉区及出口区域急停进行重新分区，拓扑传动急停网络，增补大量急停模块，提高急停系统运行和通讯的可靠性；通过优化传动变频器的急停加速度，新增并重新设计传动急停继电器网络，保证机组急停情况下的安全保护，防止断带、堆钢事故的发生：区别急停对象，把炉区重要风机及导辊与急停系统分离，保证急停情况下炉区的安全；进行急停CPU与线上CPU的以太网通讯，增加网络通讯和硬线通讯的冗余通讯，实现硬件与软件协同控制紧急停车，提高整个急停系统的可靠性，并进而提高整个机组急停系统的安全等级，为机械设备提供了可靠的紧急停车保护。
附图说明
附图为连续退火生产线急停系统结构框图。
图中：阿尔斯通高速处理器A，阿尔斯通以太网通讯模块BI和BII，阿尔斯通现场DP总线网络通讯模块C，阿尔斯通数字量输出模块DI、DII，阿尔斯通以太网通讯模块R；西门子高速处理器E，西门子以太网通讯模块F，西门子数字量输出模块G，西门子现场DP总线网络通讯模块H；皮尔斯急停中央处理器I，皮尔斯急停数字量输入模块J，皮尔斯以太网通讯模块K、皮尔斯急停数字量输出模块L；人机界面T，数据交换机S，以太网交换机Q，传动急停继电器N，变频器M，液压急停继电器P，西门子现场总线网络远程输入输出子站O。黑色粗实线表示以太网I，红色实线表示以太网II，点划线框内的是以太网III，蓝色虚线表示硬线电缆通讯。
具体实施方式
下面，结合附图对本发明作进一步说明。
由附图可见，本发明主要包括人机界面T、数据交换机S、阿尔斯通全线传动控制系统高速处理器A、西门子高速处理器E、皮尔斯急停中央处理器I、变频器M、液压急停继电器P及西门子现场总线网络远程输入输出子站O，以及后增设的以太网交换机Q、多台传动急停继电器N、硬线电缆I和硬线电缆II。同时，本发明还在阿尔斯通、西门子和皮尔斯三个处理器内相应增加了部分模块，即阿尔斯通以太网通讯模块BI和BII、阿尔斯通数字量输出模块DI、DII，阿尔斯通以太网通讯模块R、，西门子以太网通讯模块F、西门子数字量输出模块G、西门子现场DP总线网络通讯模块H、皮尔斯以太网通讯模块K、皮尔斯急停数字量输入模块J、皮尔斯急停数字量输出模块L。
变频器M主要使传动装置通过DP网络与阿尔斯通高速处理器A通讯；西门子现场总线网络远程输入输出子站O使液压控制系统通过DP网络与西门子处理器通讯；以太网交换机Q用于各处理器之间的通讯；阿尔斯通以太网通讯模块R用于人机界面T画面显示的数据交换；数据交换机S用于人机界面T的画面显示；人机界面T用于急停诊断信息显示。以太网包括以太网I、以太网II和以太网III；以太网I包括阿尔斯通以太网通讯模块BI和BII、西门子以太网通讯模块F、皮尔斯以太网通讯模块K；以太网II由数据交换机S及与其连接的阿尔斯通以太网通讯模块R组成；以太网III则由数据交换机S及连接的人机界面T所构成。以太网I用于各处理器之间的数据交换，以太网II用于阿尔斯通全线传动控制系统高速处理器A与数据交换机S之间的数据交换，以太网III用于人机界面T与数据交换机S之间的数据交换。现场DP总线网络用于处理器与其子站设备之间的数据交换；硬线电缆一是用于阿尔斯通高速处理器A和西门子处理器E与皮尔斯急停中央处理器I之间的硬线通讯；二是用于皮尔斯急停中央处理器I与全线传动电机和液压系统之间的硬线通讯。
本发明连续退火生产线急停系统的连接方式为：以太网交换机Q分别与阿尔斯通以太网通讯模块BI和BII、西门子以太网通讯模块F、皮尔斯以太网通讯模块K连接；阿尔斯通数字量输出模块DI、DII均连接皮尔斯急停数字量输入模块J，皮尔斯急停数字量输入模块J还与西门子数字量输出模块G相连；皮尔斯急停数字量输出模块L分别连接液压急停继电器P和各传动急停继电器N，各传动急停继电器N与接于阿尔斯通现场总线网络通讯模块C上的变频器M连接。
本发明连续退火生产线急停系统控制方法的具体步骤为：
一、分区。分区是急停系统设计的重要组成部分，需要根据生产线的实际情况按照不同的工艺要求进行分区，当某一部分出现问题，可根据分区进行单独停车。连续退火生产线按照工艺点的重要性及全线活套位置的分布状况，将急停区域划分为入口上料、焊接、清洗工艺段；退火工艺段；光整工艺段；剪边、出口卸料工艺段四个大区，并对四个工艺段再根据功能区域进行细分，共划分为16个急停控制区域。全部生产线布置若干台传动电机和若干个液压系统。通过辊子传送，将带钢从开卷机上展开并依次输送到上述四个工艺段，经过各段工艺点的精确调整，使带钢满足各种使用需求，最后由卷曲机将带钢重新卷为钢卷，作为成品输出。四个工艺段可根据要求产生不同的工艺速度和带钢张力，每一个工艺段由单独的阿尔斯通或西门子处理器进行控制。当出现急停时，可进行分段停车处理，即某一个工艺段出现故障，仅需对当前工艺段进行停车处理，而不必进行全线停车；如果故障得以及时消除，当前工艺段及时起车，则对其他工艺段不会产生任何影响。例如，如果连退机组的最重要工艺段是退火工艺段，如果光整工艺段出现故障，由于光整与退火工艺段之间有出口活套进行缓冲，仅需对光整工艺段进行停车处理，同时取消光整工艺后(光整辊缝打开)，便可顺利起车。同时经过退火的带钢可保存到出口活套中，而不必导致炉区停车产生数十吨的废品。而原先的急停系统设计没有考虑到生产线的工艺条件，生产线上任何一点的故障急停都会导致退火工艺段停车。
二、原设计急停控制系统采用皮尔斯急停中央处理器I，全线传动控制系统采用阿尔斯通处理器A，炉区工艺段控制系统和光整工艺液压控制分别采用西门子处理器E。因此，原设计仅能通过皮尔斯系统现场DP总线网络通讯技术与控制全线传动电机的阿尔斯通处理器A和控制炉区工艺的西门子处理器E形成DP通讯网络，与控制光整工艺液压系统的西门子处理器E进行硬线电平触发通讯，没有办法形成一套整合的通讯网络。同时，DP网络的最大报文通讯量只能控制在256Byte，通讯速度最大只能控制在1.5Mbps。对通讯的数据量和及时性产生极大制约，影响急停控制系统的反应速度。同时使用硬线通讯必须增加大量的硬线接线以满足现场如此巨大的数据交换量，增加了不必要的故障隐患。为此，本发明使用皮尔斯公司的ETH-2通讯模板和皮尔斯标准的以太网通讯程序，并在阿尔斯通和西门子处理器内编写适合皮尔斯以太网报文标准的通讯程序，定义了通讯报文接口。将皮尔斯急停中央处理器I与阿尔斯通和西门子不同型号、不同标准处理器实现了完全的以太网急停通讯网络。同时以太网通讯使得最大报文量增加大到1024KB，通讯速度也提高到100Mbps。为急停系统通讯稳定、诊断功能开发创造了条件。
三、控制急停逻辑的有一个独立的皮尔斯急停中央处理器I，该处理器通过现场采集的信号和阿尔斯通、西门子处理器的通讯信号进行逻辑判断。产生急停输出信号返回给阿尔斯通和西门子处理器，控制全线传动分段停车。原设计的皮尔斯急停系统仅接收现场急停按钮信号，根据分区产生急停命令并通过以太网通讯控制全线阿尔斯通和西门子处理器。当阿尔斯通或西门子处理器出现故障无法执行急停指令时，全线急停控制失效。本发明急停系统拓补了传动急停网络，增加大量急停继电器和急停输入输出模块，可由皮尔斯急停处理器产生硬件输出信号控制全线所有的传动电机和液压系统，从而提高急停系统运行和通讯的安全可靠性，使得阿尔斯通或西门子处理器故障的情况下，急停装置仍有效。本发明将皮尔斯的急停输入信号分为3个部分：
1、全线操作台的急停按钮。出现事故时由操作工手动操作，信号通过硬线输入急停系统；
2、阿尔斯通和西门子处理器的以太网通讯报文。当阿尔斯通和西门子处理器诊断出全线运行的异常状态时，通过报文通讯通知急停处理器；
3、阿尔斯通和西门子处理器的硬线输入信号。当阿尔斯通或西门子处理器出现异常故障无法控制相应区域设备时，报文通讯已经无法保证信息的准确性，故障信号将通过硬线输入给急停系统。
皮尔斯急停输出信号分为2个部分：
1、与阿尔斯通和西门子处理器以太网报文通讯。当急停系统接收到阿尔斯通和西门子处理器的急停报文后，急停处理器根据分区，给各处理器发出指令，各处理器对全线传动电机和液压系统进行相应的控制操作；
2、对全线传动电机和液压系统的硬线输出。当阿尔斯通或西门子处理器出现故障时，急停系统通过硬线输出信号给相应工艺段的设备发出停止命令，通过分布在各传动电机的传动急停继电器N和液压系统的液压急停继电器P进行急停操作。
四、在阿尔斯通和西门子处理器无故障状态下，可根据接收到的急停命令进行分段减速停车，并有效保证全线带钢张力，不会产生重大的堆钢、断带事故。但一旦这些处理器失效，则急停系统只能依靠硬线连接控制全线传动电机。同时，必须为每一个工艺段的传动电机和液压系统配置适当的停车命令，使得各段带钢按照同一速度减速停车。通过对变频器M内配置急停控制程序，将皮尔斯处理输出的硬线通过传动急停继电器N对内置急停程序进行触发，并将其中断优先级设为最高，一旦变频器M接收到硬线急停命令，可按照变频器M内的预设停车速度减速停车。对全线所有的传动变频器M都要按照该方式进行传动急停继电器N的安装、急停程序编写和停车速度配置。
五、阿尔斯通和西门子处理器通过现场DP总线网络与所有的传动电机的变频器M进行报文通讯。报文内容包括变频器的通讯地址(该地址唯一，作为识别变频器的唯一参数)、变频器的控制命令、变频器的设定速度等。当阿尔斯通和西门子处理器接收到来自急停处理器的急停命令时，其通过现场DP总线网络报文通知各变频器停车。但是挂在同一条现场DP总线网络上的不仅只有传动电机的变频器M，还有其他的一些通过DP通讯的设备，这些设备其中有些是在急停发生时不能停止工作的。例如退火炉排烟风机，一旦排烟风机停止工作，则退火炉无法将燃烧的废气排除，将会发生炉膛烧穿、爆炸等重大事故，因此在急停时要对这些设备进行特殊控制。本发明通过在阿尔斯通和西门子处理器内新增急停DP通讯地址识别程序，将急停时不能停车的重要设备通过通讯地址在通讯报文中进行屏蔽，当急停命令产生时不对这些设备进行急停操作。
六、本发明的人机界面T采用风和公司的Intouch编写。由于原设计中皮尔斯急停中央处理器I只能提供现场DP总线网络通讯接口，受到通讯量和通讯形式的制约，无法在人机界面T上提供实时、详细的诊断信息。本发明首先将急停中央处理器I的实时处理信息通过以太网通讯传输到阿尔斯通处理器A内，再将阿尔斯通处理器A内的急停实时信息通过阿尔斯通以太网通讯模块R以OPC为通讯接口传输到Intouch的数据交换机中，使得人机界面T能够显示实时、详细的急停诊断信息，同时还可以对急停故障进行保留，以便进行故障分析。
Claims (3)
1.一种连续退火生产线急停系统，包括阿尔斯通高速处理器A、西门子高速处理器E、皮尔斯急停中央处理器I，其特征在于，增设以太网交换机Q、阿尔斯通以太网通讯模块B、阿尔斯通数字量输出模块D、西门子以太网通讯模块F、西门子数字量输出模块G、西门子现场总线网络通讯模块H、皮尔斯以太网通讯模块K、皮尔斯急停数字量输入模块J以及各设备的传动急停继电器N；建立各处理器之间数据交换的以太网，铺设阿尔斯通高速处理器A和西门子高速处理器E与皮尔斯急停中央处理器I之间的硬线电缆以及皮尔斯急停中央处理器I与全线传动电机和液压系统之间的硬线电缆；
以太网交换机Q分别与阿尔斯通以太网通讯模块BI和B II、西门子以太网通讯模块F、皮尔斯以太网通讯模块K连接；阿尔斯通数字量输出模块DI、DII均连接皮尔斯急停数字量输入模块J，皮尔斯急停数字量输入模块J还与西门子数字量输出模块G相连；皮尔斯急停数字量输出模块L分别连接液压急停继电器P和各传动急停继电器N，各传动急停继电器N与接于阿尔斯通现场总线网络通讯模块C上的变频器M连接。
2.根据权利要求1所述的连续退火生产线急停系统，其特征在于，所述的以太网包括以太网I、以太网II和以太网III；以太网I包括阿尔斯通以太网通讯模块BI和BII、西门子以太网通讯模块F、皮尔斯以太网通讯模块K；以太网II由数据交换机S及与其连接的阿尔斯通以太网通讯模块R组成；以太网III则由数据交换机S及连接的人机界面T所构成。
3.一种应用权利要求1所述连续退火生产线急停系统的控制方法，其特征在于，具体步骤与方法为：
(1)、分区：根据工艺条件将现场分为入口上料、焊接、清洗工艺段，退火工艺段，光整工艺段，剪边、出口卸料工艺段四大区，计16个急停控制分区；每一大区由单独的阿尔斯通或西门子处理器进行控制，实行分段停车；
(2)、编写阿尔斯通高速处理器A和西门子高速处理器E与皮尔斯急停中央处理器I的通讯程序，定义通讯报文接口，形成以太网急停通讯网络；编写阿尔斯通高速处理器A和西门子高速处理器E死机状态检测程序，使程序在无法执行急停指令时通过硬线电缆通知皮尔斯急停中央处理器I；
(3)、拓扑传动急停网络，增加各设备和系统的传动急停继电器N和急停输入输出模块，编写皮尔斯急停中央处理器I在阿尔斯通高速处理器A和西门子高速处理器E死机情况下，控制全线传动系统和液压系统急停、断电保护的处理程序，使阿尔斯通高速处理器A或西门子高速处理器E故障情况下急停装置仍有效；将皮尔斯急停中央处理器I急停输入信号设置为手动操作按钮、阿尔斯通高速处理器A和西门子高速处理器E以太网通讯报文、阿尔斯通高速处理器A和西门子高速处理器E硬线输入信号3种模式；皮尔斯急停中央处理器I急停输出信号设置为与阿尔斯通高速处理器A和西门子高速处理器E的以太网报文通讯、对全线传动电机和液压系统的硬线输出两部分，通过分布在各传动电机和液压系统的传动急停继电器N进行急停操作；
(4)、编写传动变频器M在急停时的速度控制程序，优化全线所有传动电机的停车速度以及加速度，实行分段减速停车；通过传动急停继电器N对传动变频器M的内置急停程序进行触发，将其中断优先级设为最高，一旦变频器M收到硬线急停命令，将按照变频器M预设停车速度减速停车；
(5)、编写阿尔斯通现场总线技术网络通讯子站识别及控制程序，定义现场总线技术网络通讯报文，重新定义炉区排烟风机及导辊的设备现场总线地址，并在现场总线通讯程序中将上述现场总线地址屏蔽，使其不接受急停指令；
(6)、编写人机界面T的诊断画面程序，将皮尔斯急停中央处理器I的实时处理信息通过以太网传输到阿尔斯通全线传动控制系统高速处理器A内，再将阿尔斯通全线传动控制系统高速处理器A内的急停实时信息通过通讯接口传输到数据交换机中，使人机界面T能够实时显示和保留急停诊断信息。
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