CN201804225U - 一种热连轧仿真系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及热连轧的仿真轧钢系统，它包括TDC控制系统、GDM全局数据存储、MNG二级机、仿真控制终端，所述TDC控制系统、MNG二级机、仿真控制终端通过以太网组网连接；TDC控制系统的DP通讯模板通过远程I/O模块连接现场设备的部分传感器，TDC控制系统的IO扩展接口模块连接现场设备的速度编码信号、位置传感信号；MNG二级机用于管理和设定模拟热连轧的参数；仿真控制终端与TDC控制系统实施通讯连接，接收TDC控制系统采集的现场信号以及相应的仿真控制指令，并且提供人机交互的操作控制界面，供操作员进行操作控制。本系统采用西门子TDC控制器建立了热连轧仿真系统，具有极强的实时性，本系统能使控制模型及过程计算通过外部接口得到实证，便于改进模型。
Description
技术领域
本实用新型涉及热连轧的仿真轧钢系统。
背景技术
仿真系统是对现实系统的某一层次抽象属性的模仿，人们可以利用仿真系统对现实系统的一些问题做出决策，利用仿真系统试验得到所需信息。带钢热连轧是一个复杂的系统，连轧控制又是一个具有多种选择的过程，研究各种控制方式的优劣及它们之间的动态联系是提高热连轧系统效率重要举措。但实际轧机有生产任务，庞大的连轧机组不可能对各种控制方案一一试用。
现有的热连轧仿真存在的问题是：（1）仿真的实时性差，有待提高。例如对精轧高速闭环控制回路和大量的解耦计算这样复杂、高阶、快速响应过程来说，从输入控制信号到规程计算所需时间快达几毫秒，而常规的仿真只借助辅助工具如MATLAB/SIMULINK等，辅助软件的仿真速度需几秒甚至几十秒，在几毫秒内根本无法完成热连轧的动态过程计算，这也是仿真结果与实际情况有很大区别的原因之一。（2）现有仿真系统缺少外部接口，不能与传感器等现场设备直接连接，无法进行离线实时调试，不能减轻实际系统调试的负担。（3）控制模型仿真效果与实际情况差距大，无法得到实证。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种热连轧仿真系统，解决现有仿真系统的实时性差，缺少外部接口，不能与传感器等现场设备直接连接，无法进行离线实时调试；仿真效果与实际情况差距大，无法得到实证的缺点。
为解决上述技术问题，本实用新型提供一种热连轧仿真系统，包括TDC控制系统、MNG二级机、仿真控制终端，所述TDC控制系统、MNG二级机、仿真控制终端通过以太网组网连接；
TDC控制系统的DP通讯模板通过远程I/O模块连接现场设备的部分传感器，TDC控制系统的IO扩展接口模块连接现场设备的速度编码信号、位置传感信号，并且根据采集的现场数据发出相应的仿真控制指令；MNG二级机用于管理和设定模拟热连轧的参数；仿真控制终端与TDC控制系统实施通讯连接，用于接收TDC控制系统采集的现场信号以及相应的仿真控制指令，并且提供人机交互的操作控制界面，供操作员进行操作控制。
作为改进，本实用新型还包括GDM全局数据存储，所述GDM全局数据存储与TDC控制系统通过光纤连接，GDM用于仿真过程中的数据通讯缓存和数据交换，实现高速通讯。
进一步的，所述TDC控制系统包括2台TDC控制器，两台TDC控制器均通过光纤连接所述GDM全局数据存储。
更加优化的，所述TDC控制控制器通过OLM光电转换器连接所述远程I/O模块，所述OLM光电转换器与远程I/O模块之间用光纤连接。
针对常规仿真存在的缺点，本仿真系统能够随意按照实际情况，组合出可能的不同热连轧轧制控制系统，结合生产现场的实际数据进行实时仿真，完成对连轧过程的控制优化。（1）本系统采用西门子最先进的TDC工艺控制器建立了热连轧仿真系统，具有极强的实时性、采样时间可达100μs,速度与实际轧钢完全一致，能实时响应复杂的动态过程计算。（2）本系统提供外部接口，能与传感器等现场设备以实时速度运行，将设备作为真实系统的一部分运行于系统中。这对现场设备离线实时调试带来方便，节约实际系统调试时间。（3）本系统能使控制模型及过程计算通过外部接口得到实证，便于改进模型。
本仿真系统是全国首次使用TDC控制系统模拟热轧的现场轧钢过程，具有很强的实时性，不仅对设计热连轧控制系统、消化吸收轧钢过程控制技术有很大帮助，而且还可以用离线模拟结果与生产实际情况做比较，调整模型参数，降低在线编程、调试和上机运行的风险、降低了生产成本，具有很高的实用价值。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型的技术方案作进一步具体说明。
图1为是热连轧仿真系统结构原理图。
图2为是热连轧仿真系统运行原理图。
图3为热连仿真系统的具体操作控制流程图。
具体实施方式
如图1所示的热连轧仿真系统结构原理图，包括：
一、TDC控制系统。主要包括2套TDC控制器TDC-1、TDC-2，TDC控制器均采用UR5213通用机架，UR5213支持硬件扩展，具有较高的性能裕量，配装有一个具有冷却和內部监控功能的集成电源，共有21个槽位用于模板扩展。模板通过64位VME背板总线进行通讯。对于较高的性能要求，在一个机架内可以支持20个CPU处理器同步运行，允许44个机架互相连接。
TDC-1的UR5213通用机架内安装以下模板：
一个CPU551模板：可实现高性能的开环及闭环控制功能。采用64位RISC处理器，时钟频率266MHz，同步高速缓存512KB，SDRAM达到32MB。同时配备一块4MB的程序存储卡MC500。
一个SM500专用IO通讯模板：提供了模拟量、数字量I/O及增量型和绝对值编码器的输入接口，共60个I/O通道。
一个CP50M1远程站DP通讯模板：集成了两个PROFIBUS DP/MPI接口，并集成了8MB通讯缓存。
一个CP52A0专用GDM网络通讯模板：与GDM主机架的CP51配合使用，构成GDM网络的通讯。
一个CP51M1以太网通讯模板：工业以太网模板，集成了8MB通讯缓存。
TDC-2的UR5213通用机架内安装以下模板：一个CPU551模板、一个CP50M1远程站DP通讯模板和一个CP51M1以太网通讯模板。
二、GDM全局数据存储，它是TDC控制系统中独有的一种通讯系统，通讯周期小于1ms，实现高速通讯。系统采用的GDM网络系统机架主要使用了以下通讯模板：
一个CP52M0缓存模板：提供了GDM网络的通讯缓存，缓存容量为2MB，所有在GDM网络中的CPU模板可以通过此通讯缓存进行数据交换。
一个CP52IO接口模板：接口模板与CP52M0存储器模板共同使用组成GDM网络主机架，每个GDM从机架通过CP52A0接入模板与CP52IO接口模板连接，通讯介质为光纤。
三、IO扩展接口模块。本实施例中使用了四块IO扩展接口模块，每块IO扩展接口模块采用专用电缆与SM500连接，分别为：
（1）SU13：与SM500的X1端口连接，提供模拟量输出8路、模拟量输入8路、积分模拟量输入4路。
（2）SB70：与SM500的X3端口连接，提供8点继电器输出。
（3）SB70：与SM500的X3端口连接，提供8点数字量输入。
（4）SU12：与SM500的X3端口连接，提供绝对值编码器输入2路。
四、ET200M远程站包括以下模块：提供DC24V、5A电源的PC307电源模板；DP通讯模板IM153-1；16位DI、DO模块；8位AO、AI模块；SSI模块；FM350-2计数器模块。
五、供电系统。硬件环境接入220V交流电源，通过空气开关分别提供给TDC、GDM机架和ET200站，220V电源通过TDC机架和ET200站自带的电源系统转换为24VDC电源供给各个模块使用。SITOP电源将220V交流电源转换为24V直流电源供应给OLM使用。
六、网络配置，包括：
（1）以太网：两套TDC控制器通过CP51M1模板接入以太网网络，通过以太网网络与二级机MNG、人机交互式管理PC电脑连接，实现在线编程和数据通讯。
（2）GDM网：两套TDC控制器机架通过光纤和GDM网络机架连接，构成基本简单的全局数据存储器GDM网络，实现不同的TDC机架间的数据高速传输。
（3）DP网：远程站和TDC之间通过DP网络连接，实现IO的扩展。由于设计了OLM，所以可以通过DP网络转光纤增加DP远程站的数量，实验光纤的远程通讯能力。
七、热连轧仿真系统运用了STEP7编程环境，采用CFC编程语言编制应用软件进行过程。S7-CFC（Continuous Function Chart 连续功能图表）不同于以往的S7300、S7400的编程，而是根据强大的预制程序库通过绘制功能图表，用简单的连线自动生成程序，可以降低成本，减少以往编程会出现的错误。S7-CFC编程界面为图形界面，包括若干个Chart。仿真系统在Chart中以图形的方式插入已经编制好的块，指定这些块之间的连接关系，也可以为这些块分配输入输出地址，其生成的块可以以SCL代码的形式出现，最终将生成STL代码。系统将代码下载到TDC中即可执行。
八、二级机MNG用于进行模拟轧钢的各种数据设定，包括粗轧轧机模型设定值、立辊模型设定值、精轧模型设定值、卷取设定值。
九、人机交互式仿真控制终端上设置了热连轧仿真控制操作界面，仿真控制界面包括两大部分：热连轧二级设定，热连轧全线仿真。
如附图2所示，使用TDC控制系统模拟热连轧由粗轧区到精轧区，最后至卷取区的轧制过程，成功实现了具有高效实时性的热连轧仿真系统。本系统操作过程可分为以下6个步骤。
①启动TDC控制系统和画面系统；
②在画面中选择钢种；
③在仿真系统二级设定画面对粗轧、精轧、卷取的重要参数设定，下发给TDC；
④点击画面中“模轧控制”，显示模轧控制画面；
⑤在模轧控制画面中选择进刚模式，可以选择“进刚”或“连续进刚”；
⑥点击模轧控制画面中“模轧启动”，全线仿真画面开始模轧。
图3为仿真系统的具体操作控制流程图，本系统的TDC程序分三大模块：粗轧模块，精轧模块，卷取模块。每个模块模拟控制相应区域的设备，并如实反映在WINCC画面中。首先TDC程序由粗轧模块读取轧制数据进行粗轧模拟轧制，粗轧模拟完毕将模拟的带钢数据传给精轧；然后精轧模块读取数据模拟精轧轧钢，再将精轧数据传给卷取区；最后卷取模块根据带钢数据做卷径等计算，模拟带钢卷取过程，完成本次模拟轧制。如果轧钢模式选择连续进钢，程序将循环进行。TDC程序接收的轧机轧制数据如粗轧道次等都由二级设定，TDC程序计算的轧机辊缝等重要轧制参数的实际值会显示在轧钢全线仿真画面中。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种热连轧仿真系统，其特征在于，包括TDC控制系统、MNG二级机、仿真控制终端，所述TDC控制系统、MNG二级机、仿真控制终端通过以太网组网连接；
TDC控制系统的DP通讯模板通过远程I/O模块连接现场设备的部分传感器，TDC控制系统的IO扩展接口模块连接现场设备的速度编码信号、位置传感信号，并且根据采集的现场数据发出相应的仿真控制指令；MNG二级机用于管理和设定模拟热连轧的参数；仿真控制终端与TDC控制系统实施通讯连接，用于接收TDC控制系统采集的现场信号以及相应的仿真控制指令，并且提供人机交互的操作控制界面，供操作员进行操作控制。
2.根据权利要求1所述的热连轧仿真系统，其特征在于，还包括GDM全局数据存储，所述GDM全局数据存储与TDC控制系统通过光纤连接，GDM用于仿真过程中的数据通讯缓存和数据交换，实现高速通讯。
3.根据权利要求2所述的热连轧仿真系统，其特征在于，所述TDC控制系统包括两台TDC控制器，两台TDC控制器均通过光纤连接所述GDM全局数据存储。
4.根据权利要求1或2或3所述的热连轧仿真系统，其特征在于，所述TDC控制控制器通过OLM光电转换器连接所述远程I/O模块，所述OLM光电转换器与远程I/O模块之间用光纤连接。
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| GR01 | Patent grant | ||
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
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Effective date of registration: 20170105 Address after: 430080 Wuhan Industrial Zone, Hubei Province Road No. two, No. 10 Patentee after: Wuhan Iron & Steel Engineering Technology Group Co., Ltd. Address before: 430080 Friendship Avenue, Hubei, Wuhan, No. 999 Patentee before: Wuhan Iron & Steel (Group) Corp. |
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