CN102553937A - 一种五机架冷连轧机组基础自动化控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种五机架冷连轧机组基础自动化控制系统，包括PLC控制器组群、HPC控制器组群、轧机现场控制台、实时数据采集系统、开发与调试系统及系统通讯网络。本发明可实现自动换辊功能，减少换辊时间，易于生产维护，极大降低建设投资和维护成本；实现高速闭环控制功能，保证现场的连续高速生产；实现高速数据采集功能，系统能够安全高效运行，满足冷连轧机组高速闭环控制系统故障分析时对监测数据毫秒级的需要；实现调试控制功能单元顺利进行，保证基础自动化系统在程序修改后结构的完全统一。采用高速光纤内存映像网通讯网络，并通过HPC功能之间数据缓存实现高速数据交换，实现实时数据采集系统的高速数据采集。

Description

一种五机架冷连轧机组基础自动化控制系统

技术领域

本发明属于冷轧基础自动化控制领域，尤其涉及一种适用于五机架冷连轧机组的基础自动化控制系统硬件配置组成。

背景技术

随着现代计算机技术的飞速发展，当代冷轧带钢生产实现了高度的自动化、连续化和高精度化。由于对冷轧薄板质量的要求越来越高，计算机控制系统已成为冷轧尤其是冷连轧不可或缺的组成部分。随着液压控制系统的广泛应用，加上生产线的主要控制功能大部分集中于轧辊-轧件形成的变形区控制，冷连轧基础自动控制系统具有以下两个特点：

1、高速控制

液压系统要求控制周期为10ms，机电系统要求控制周期为20ms，因此一般均采用多控制器且控制器内采用多中央处理器（CPU）的结构。对于连轧机组而言，除了一些顺序逻辑控制可以采用通用的可编程控制器（PLC）外，大部分功能要求实现高速控制，控制周期一般为1～10ms。为此需要大量采用高性能控制器（HPC），且HPC为基于总线控制器（VME）控制总线技术的多CPU控制器。

2、高速通讯

由于轧机的多个控制功能，如轧制力、轧制速度、厚度控制、张力控制、板形控制等，最终都是作用在变形区，因此不同的控制目标之间存在着较强的耦合作用，如厚度-板形、速度-张力、速度-厚度等，从而使控制参数表现为非线性的特点，需要相互传递补偿信息，数据更新亦往往要求在1～2ms，因而CPU 与本控制器内其它CPU 的通讯和CPU 与本区内的另一个控制器的CPU 的通讯，都要求控制周期为1～2ms。两个控制器间的通讯和基础自动化级与过程控制级的通讯，要求控制周期为10ms。因此采用多层次网络结构，快慢数据分层，其关键是基础自动化控制器间采用高速数据网通讯。

基于以上特点，新一代冷轧带钢生产线使用的计算机控制系统主要有以下两种结构：

1、控制群结构

此结构是将用于一个控制区的控制器用高速网络连接成一个控制群，每一个控制群由两层组成，第一层为主管控制器和人机界面站，第二层为机架控制器数字传动。多个控制器群构成的基础自动化部分和过程自动化部分通过以太网相连，每一个控制群仅有区域主管控制器挂在以太网上。这种多层通信网络结构使快慢数据分流，从而提高了系统的通信效率。

2、超高速网络结构

超高速网络结构是以一条通信速度高达100Mb/s 的光纤环形网作为通信主网，过程自动化级的小型机、基础自动化级的控制器（PLC、VME 总线控制器）、人机界面站都挂在主网上。由于主网的通信速度较高，可以在网上采取数据分流的方法，以满足现代轧钢控制系统对于高速通信的要求。

当代冷轧带钢生产使用的酸轧联合机组中，连轧机机组电气控制系统一般采用由现场控制级（Level 0级）、基础自动化控制级（Level 1级）、过程自动化控制级（Level 2级）组成的三级控制系统。基础自动化控制级是生产线自动控制系统中用来完成连轧机组所有设备的顺序控制和各种高速闭环控制的计算机系统。现有的冷连轧机组基础自动化控制系统主要由PLC组群和基于VME控制总线技术的高性能控制器组群两部分组成。其中PLC控制器组群主要用于顺序控制和其它一些对速度要求不高的控制功能。一般包括10-12套PLC控制系统。高性能控制器组群主要用于轧机的高速闭环控制，按功能划分可分为两层：第一层为区域主管控制功能，包括所有质量控制和工艺控制用控制器；第二层为数字电气传动及机架控制器，而机架控制器实际上为数字液压传动控制器，一般包括8-10套高性能控制器系统。除此之外还包括有大量用于基础自动化控制系统开发调试使用的工程师站、服务器、打印机、HMI操作员站、现场数据采集系统等设备。

目前，国内冷轧厂所使用的冷连轧机组基础自动化控制系统普遍是由国外引进的成套进口设备，虽然具有自动化程度高，系统控制稳定的特点，然而现有国外各大电气公司为冷连轧生产线提供的基础自动化控制系统规模都比较庞大，组件多、系统结构复杂，不仅极大增加了用户的投资成本，而且延长了建设和调试准备周期，存在见效慢和投资回收期较长的问题。同时，由于备品备件仍需进口解决，导致维护维修困难，既增加了设备维护成本，又存在着由于到货时间长而影响生产的严重缺陷。

发明内容

本发明旨在提供一种适用于五机架冷连轧机组基础自动化控制系统，通过合理的硬件组成和科学配置，达到改善五机架冷连轧机组自动控制系统的执行功能，缩短建设周期，降低设备投资和生产维护成本的目的。

为此，本发明所采取的解决方案是：

一种五机架冷连轧机组基础自动化控制系统，包括PLC控制器组群、HPC控制器组群、轧机现场控制台、实时数据采集系统、系统开发与调试计算机系统以及基础自动化控制系统网络。

所述控制功能的PLC控制器组群由3套用于顺序控制和对响应速度要求不高的辅助PLC控制系统组成；包括供电模块3个、CPU模块5个、Profibus DP通讯模块10个、以太网通讯模块3个、信号模块6个。

所述HPC控制器组群由用于轧机高速闭环控制的区域主管控制功能框架、轧机质量控制功能框架及2个机架控制功能框架组成；包括CPU模块16个、Profibus DP通讯模块11个、以太网通讯模块7个、信号模块11个、高速光纤内存映像网通讯模块4个。

所述轧机现场控制台包括轧机主控制台、轧机入口控制箱、轧机出口控制箱、一～五机架控制箱及轧机出口钢卷传送控制箱。

所述实时数据采集系统包括计算机主机1台、Profibus DP接口数据采集卡1个、高速光纤内存映像网数据采集卡1个。

所述基础自动化控制系统开发与调试计算机系统包括工程师站3台套、服务器3 台套、打印机1台、工业以太网交换机1台。

所述基础自动化控制系统网络包括Profibus通讯网络、工业以太网通讯网络和高速光纤内存映像网通讯网络。

与已有技术相比，本发明的有益效果为：

1、现有的国内外对于顺序控制如机架换辊功能和出入口设备控制普遍采取高级处理器，如SIMENSE的SIMADYN-D、CONVERTEAM的HPC来实现。本发明采用3套辅助PLC控制系统，顺序功能实现则通过工业以太网实现数据交互，完全可以达到功能要求，不仅可实现自动换辊功能，大大减少换辊时间，平均2分钟即可完成机架换辊功能，提高生产效率；而且易于生产维护，极大降低建设投资和维护成本，可减少投资90%。

2、目前，国内外用于轧机高速闭环控制的HPC控制器组群普遍采用7个电源框架、23个CPU模块、16个PROFIBUS通讯模块、15个以太网通讯模块、7个高速光纤内存映像网通讯模块的配置方式。本发明在功能整合的基础上，采取全新的一、五机架控制功能和二～四机架应用一套系统处理，极大减少了系统组件，实现了高速闭环控制功能，保证了现场的连续高速生产，成品质量完全达到了标准要求。

3、现有的数据采集系统普遍采取计算机主机自带通用通讯接口，其采集速度无法满足对高速闭环控制系统监控数据毫秒级的要求；另外采用专用数据采集卡进行数据采集，虽然其速度可以达到1个毫秒，且可以同时处理几千个数据，但在冷连轧机采集不同功能数据时，需配置4台PDA计算机主机系统、2个Profibus-DP数据采集卡（1个酸洗PLC数据采集，1个轧机PLC数据采集）、1个高速光纤内存映像网数据采集卡，用于采集HPC控制系统实时数据以及1个用于采集传动控制系统实时数据的高速光纤内存映像网数据采集卡。本发明经功能优化整合，在减少硬件配置的同时，可以实现高速数据采集功能，系统能够安全高效的运行，完成对机组自动控制系统及其在运行过程中的各种状态参数进行实时监测，满足冷连轧机组高速闭环控制系统故障分析时对监测数据毫秒级的需要。

4、本发明基础自动化控制系统开发与调试计算机系统配置根据控制系统功能分类，并考虑到现场调试和使用维护方便，因此本发明配置可缩短故障处理时间，提高生产运行效率，实现调试控制功能单元顺利进行，通过工程师站调用服务器上的程序在线，保证基础自动化系统在程序修改后程序结构的完全统一。

5、现有冷连轧机系统网络主要采用二层通讯网络，即以太网和Profibus-DP通讯网络，Profibus-DP通讯网络用于现场远程站、传动系统及第三方设备与基础自动化控制系统的数据通讯、PLC控制系统数据采集等；工业以太网通讯网络用于一级PLC控制系统和HPC控制系统间数据通讯，一、二级间数据通讯、HMI人机界面通讯、与酸洗线的数据通讯、程序开发及调试计算机系统通讯等。本发明基于冷连轧机基础自动化控制系统各控制功能单元之间需要快速交互数据的特点，除采用以上两种通讯方式外，还采用全新的高速光纤内存映像网通讯网络，并通过HPC功能之间数据缓存（GDM）来实现高速数据交换，并且实现实时数据采集系统的高速数据采集。从而可以实现高速数据采集功能，系统功能单元之间准确快速交互数据，保证基础自动化系统能够安全高效的运行。

附图说明

图1为PLC控制器组群配置图。

图2为HPC控制器组群配置图。

图3为轧机现场控制台配置图。

图4为基础自动化控制系统通讯网络图。

具体实施方式

PLC控制器组群、HPC控制器组群、轧机现场控制台、实时数据采集系统、系统开发与调试计算机系统及基础自动化控制系统网络六部分所组成。具体配置为：

一、PLC控制系统：

由于PLC控制器主要用于辅助设备顺序控制和其它一些对响应速度要求不高的控制功能，因此其对系统响应时间的要求不高，一般在几十毫秒到几百毫秒之间。现有的各种PLC控制器产品都可以满足冷连轧生产线工作要求。由图1可见，本发明PLC控制器组群系由3套辅助PLC控制系统所组成，其具体硬件配置为：

1、辅助PLC控制系统1：

1个支持多CPU的PLC控制器框架；

1个电源供电模块；

2个CPU模块；

5个用于连接现场远程站的PROFIBUS DP扩展型通讯模块；              

1个用于与其它控制功能单元进行数据通讯的以太网通讯模块。

其中：CPU1用于一、五机架换辊控制功能。为了尽量减小热轧来料厚度偏差对冷轧产品质量的影响，一机架一般配置为6辊轧机。五机架作为轧机末端的成品机架，是带钢板形控制最为关键的控制环节，需具有足够的带钢平直度调控能力，因此五机架一般配置为6辊轧机。

CPU2用于二、三、四机架换辊控制功能。二、三、四机架一般配置为4辊轧机，这样配置既可以满足生产工艺的要求，又可以降低投资成本。

2、辅助PLC控制系统2：

1个支持多CPU的PLC控制器框架；

1个电源供电模块；

2个CPU模块。

其中：CPU1用于轧机入出口设备控制和成品钢卷传送系统控制功能。

CPU2用于轧机三站控制和其它生产用介质的控制功能。

5个用于连接现场远程站的PROFIBUS DP扩展型通讯模块；              

1个用于与其它逻辑控制单元进行数据通讯的以太网通讯模块。

3、辅助PLC控制系统3：

辅助PLC控制系统3用于急停控制。急停控制系统作为轧机安全生产最主要的控制设备，采用冗余故障安全型控制器。其硬件配置包括：

1个支持多CPU的冗余PLC控制器框架

1个电源供电模块。

1个CPU模块。

1个用于与其它逻辑控制单元进行数据通讯的以太网通讯模块。

4个用于连接现场各设备的多通道故障安全型数字量输出模块。

2个用于连接现场各急停信号输入设备的多通道故障安全型数字量输入模块。

如信号模块需要添加，可选用带有扩展机架功能的PLC控制器对该系统进行扩展。

二、HPC控制器组群：

HPC控制器组群主要用于轧机的高速闭环控制。其拓扑结构采用的是区域控制器群结构，可分为三大部分：区域主管控制功能框架；轧机质量控制功能框架；机架控制功能框架。其各HPC控制器间采用高达200-400Mb/s 的高速光纤内存映像网络相连接，其具体配置见图2。

1、区域主管控制功能框架：

1个电源框架；

4个CPU模块；

3个用于连接现场检测信号和现场设备控制信号的信号输入输出模块模块；

4个 用于连接现场远程站和传动系统的PROFIBUS通讯模块；

3个 以太网通讯模块；

1个 高速光纤内存映像网通讯模块。

其中：CPU1：轧机模拟功能；轧制设定值处理；轧机实际值处理；HMI显示接口。

CPU2：物料跟踪；楔形轧制控制。

CPU3: 生产线协调控制。

CPU4：轧机速度斜坡控制。

2、轧机质量控制功能框架:

1个电源框架；

3个CPU模块：

CPU1：轧机厚度控制；轧机前滑控制；

CPU2: 轧机张力控制；

CPU3：板形控制。

3个用于连接现场检测信号和现场设备控制信号的信号输入输出模块模块；

2个 用于连接现场远程站和第三方设备的PROFIBUS通讯摸板；

2个 以太网通讯模块；

1个 高速光纤内存映像网通讯模块。

3、机架控制功能框架：

包括1号和2号机架控制功能框架。其中1号框架用于完成一、五两个机架的各种控制功能的实现，2号框架用于完成二、三、四机架的各种控制功能的实现。一、五两个机架大多配置为6辊轧机，二、三、四机架大多配置为4辊轧机。

（1）、机架控制功能框架1:

1个电源框架；

5个CPU模块：

CPU1：机架标定；通讯接口；手动功能 ；HMI显示接口；

CPU2：一机架压下系统；一机架轧辊偏心补偿；

CPU3: 一机架弯辊系统；一机架串辊系统；

CPU4：五机架压下系统； 

CPU5: 五机架弯辊系统；五机架串辊系统。

2个用于连接现场检测信号和现场设备控制信号的信号输入输出模块模块；

2个用于连接现场远程站的PROFIBUS通讯摸板；

1个 以太网通讯模块；

1个 高速光纤内存映像网通讯模块。

（2）、机架控制功能框架2：

1个电源框架

4个CPU模块

CPU1：机架标定；通讯接口；手动功能；HMI显示接口；

CPU2：二机架压下控制；二机架弯辊控制；

CPU3: 三机架压下控制；三机架弯辊控制；

CPU4：四机架压下控制；四机架弯辊控制。

3个用于连接现场检测信号和现场设备控制信号的信号输入输出模块模块；

3个用于连接现场远程站的PROFIBUS通讯摸板；

1个 以太网通讯模块；

1个 高速光纤内存映像网通讯模块。

三、轧机现场控制台：

轧机现场控制台用于现场操作人员对连轧机组进行生产操作，其具体配置见图3。包括有：

轧机入口控制箱：用于轧机入口设备的操作人员现场控制。使用现场远程站通过Profibus DP网络接入PLC和HPC控制系统。

轧机一～五机架控制箱，包括轧机一机架控制箱、轧机二机架控制箱、轧机三机架控制箱、轧机四机架控制箱、轧机五机架控制箱。用于轧机一～五机架设备的操作人员现场控制。使用现场远程站通过Profibus DP网络接入PLC和HPC控制系统。使用HMI远程站通过工业以太网接入HMI系统。

轧机出口控制箱：用于轧机出口设备的操作人员现场控制。使用现场远程站通过Profibus DP网络接入PLC和HPC控制系统。

轧机出口钢卷传送控制箱：用于轧机出口钢卷传送设备的操作人员现场控制。使用现场远程站通过Profibus DP网络接入PLC和HPC控制系统。

轧机主控制台：用于连轧机组连续生产的操作控制。使用现场远程站通过Profibus DP网络接入PLC和HPC控制系统。使用HMI远程站通过工业以太网接入HMI系统。

四、实时数据采集系统：

带钢冷连轧机组生产工艺极其复杂，对自动化控制系统控制精度及系统响应速度有着极高的要求。为了保证系统能够安全高效的运行，需要对机组自动控制系统及其在运行过程中的各种状态参数进行实时监测。为了满足冷连轧机组高速闭环控制系统故障分析时对监测数据毫秒级的需要，对冷连轧机组自动化控制系统需要单独配置一套毫秒级的数据采集系统。

现有数据采集系统有两类：一类使用计算机主机自带的通用通讯接口进行数据采集，一种使用专用数据采集卡进行数据采集。使用专用数据采集卡进行数据采集，其速度可以达到1个毫秒，且可以同时处理几千个数据信号。这里采用的是使用专用数据采集卡的数据采集系统。具体配置见图4。其包括有：

    软件或硬件授权1个；

硬件：计算机主机1台；

Profibus DP数据采集卡1块，用于采集PLC控制系统实时数据；

高速光纤内存映像网数据采集卡1块，用于采集HPC控制系统实时数据。

软件：数据采集系统应用软件1套。

五、基础自动化控制系统开发与调试计算机系统：

用于冷连轧机组基础自动化控制系统控制程序的开发和生产线现场调试使用。见图4。

HPC工程师站2台

PLC工程师站1台

HPC开发用服务器1台

PLC开发用服务器1台

文件服务器1台

网络激光打印机一台

以太网交换机1台

六、基础自动化控制系统网络：

在分级自动化控制系统中，各控制级之间数据通讯按照不同的通讯需求，可分成多个网络。见图4，其中包括：

Profibus通讯网络。用于现场远程站、传动系统及第三方设备与基础自动化控制系统的数据通讯、PLC控制系统数据采集等。

工业以太网通讯网络。用于一级PLC控制系统和HPC控制系统间数据通讯，一、二级间数据通讯、HMI人机界面通讯、与酸洗线的数据通讯、程序开发及调试计算机系统通讯等。

高速光纤内存映像网通讯网络。用于基础自动化控制系统中HPC控制系统各控制功能单元间的高速数据交换及实时数据采集系统高速数据采集。

Claims (1)

1.一种五机架冷连轧机组基础自动化控制系统，包括PLC控制器组群、HPC控制器组群、轧机现场控制台、实时数据采集系统、系统开发与调试计算机系统以及基础自动化控制系统网络；其特征在于:

所述PLC控制器组群由用于顺序控制和对响应速度要求不高的控制功能的3套辅助PLC控制系统组成；包括供电模块3个、CPU模块5个、Profibus DP通讯模块10个、以太网通讯模块3个、信号模块6个；

所述HPC控制器组群由用于轧机高速闭环控制的区域主管控制功能框架、轧机质量控制功能框架及2个机架控制功能框架组成；包括CPU模块16个、Profibus DP通讯模块11个、以太网通讯模块7个、信号模块11个、高速光纤内存映像网通讯模块4个；

所述轧机现场控制台包括轧机主控制台、轧机入口控制箱、轧机出口控制箱、一～五机架控制箱及轧机出口钢卷传送控制箱；

所述实时数据采集系统包括计算机主机1台、Profibus DP接口数据采集卡1个、高速光纤内存映像网数据采集卡1个；

所述基础自动化控制系统开发与调试计算机系统包括工程师站3台套、服务器3 台套、打印机1台、工业以太网交换机1台；

所述基础自动化控制系统网络包括Profibus通讯网络、工业以太网通讯网络和高速光纤内存映像网通讯网络。

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