WO2012175361A1 - Metallbearbeitungsanlage, insbesondere walzwerk - Google Patents

Metallbearbeitungsanlage, insbesondere walzwerk Download PDF

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WO2012175361A1
WO2012175361A1 PCT/EP2012/061048 EP2012061048W WO2012175361A1 WO 2012175361 A1 WO2012175361 A1 WO 2012175361A1 EP 2012061048 W EP2012061048 W EP 2012061048W WO 2012175361 A1 WO2012175361 A1 WO 2012175361A1
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Achim Koch
Eugen METZUL
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    • G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
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    • G05B2219/25—Pc structure of the system
    • G05B2219/25343—Real time multitasking

Definitions

  • Metalworking plant in particular rolling mill
  • the invention relates to a metalworking plant, in particular a rolling mill, comprising at least one rolling stand, wherein each rolling mill comprises at least one drive and / or at least one actuator and / or at least one sensor, wherein the metalworking system comprises a device for automatic operation, wherein the device for automatic Operating at least one automation system and wherein between the at least one automation system and the at least one drive and / or at least one actuator and / or at least one sensor, a data transmission line is arranged.
  • a central control in a switching house over which the rolling mill can be operated automatically. This is a centrally controlled system via which the actuation of all elements (drives, actuators, data acquisition via sensors) takes place. Between the central control computer and the individual rolling stands, a data bus is available for this purpose.
  • the invention has for its object to enable automation of a generic metalworking system, the complexity of the system is reduced.
  • the solution of this object by the invention is characterized in that the data transmission line between the automation system and the Drives, actuators or sensors of the rolling stands is a field bus, which is formed by a real-time Ethernet.
  • the real-time capable Ethernet acts here preferably as a high-speed fieldbus.
  • the metalworking plant usually has a plurality of rolling stands. It can be a cold rolling mill.
  • one or more central processing units (CPU) of the automation system are connected to the real-time capable Ethernet as fieldbus.
  • the automation system may include a man-machine interface.
  • the automation system may further include or be associated with a technological control system.
  • Each rolling stand may be associated with a communication system associated with the rolling stand and the real-time capable Ethernet.
  • each rolling stand can be assigned a control system which is connected to the rolling stand and the real-time capable Ethernet.
  • each rolling stand can be assigned a drive system which is connected to the rolling stand and the real-time capable Ethernet.
  • a real-time capable Ethernet (real-time Ethernet) is used for communication.
  • This preferably represents a fieldbus system.
  • a single computer network from the control level of Rolling mill up to the field devices (drives, actuators, sensors of a roll stand) to create. It is essential that the requirements regarding the working speed are met (mostly isochronous cycle times of less than 1 ms). This ensures that the synchronicity of the rolling mill plant components is ensured via isochronous data frames in the real-time network.
  • Ethernet is a technology that enables the exchange of data in the form of data packets between the connected devices.
  • the data transmission line is a field bus which is formed by a real-time capable Ethernet.
  • a fieldbus is usually a standard for device communication in automation technology (in particular a Profibus (Process Field Bus)).
  • Profibus Process Field Bus
  • the fieldbus connects field devices such as drives, actuators and sensors to the automation system (centrally located computer).
  • the proposed structure of a control arrangement thus allows automatic operation of a metalworking machine, in particular a metalworking line.
  • Figure 1 is a schematic representation of a roll stand, with a
  • Automation system in the form of a centrally located computer communicates via a data transmission line in the form of a real-time capable Ethernet, and
  • Figure 2 is a schematic representation of a rolling mill with a number
  • FIG. 1 the hardware of an automation system of a rolling mill is outlined.
  • a switching house 14 is provided, in the lower part of the figure is the field 15.
  • an automation system 6 is provided which has at least one central processing unit (CPU) 8.
  • CPU central processing unit
  • the individual rolling stands 2 are arranged, of which in Fig. 1 only one is indicated.
  • a rolling stand 2 comprises (at least) one drive 3, (at least) one actuator 4 and (at least) one sensor 5.
  • the actuator 4 can be subdivided into a valve 4 'and a cylinder 4 ".
  • the proposed architecture is characterized by a multi-core CPU system 8, which is connected to the rolling stands 2 via a real-time Ethernet 7 acting as a high-speed fieldbus.
  • a multi-core CPU system 8 which is connected to the rolling stands 2 via a real-time Ethernet 7 acting as a high-speed fieldbus.
  • the power supply and the required networks are in the field 15.
  • FIG. 1 A more concrete embodiment of a rolling mill 1 according to the invention for the purpose of its automation can be seen in FIG.
  • a switching house 14 or decentralized automation systems (centrally arranged computer) 6 is provided in a switching house 14 or decentralized automation systems (centrally arranged computer) 6 is provided.
  • the individual rolling stands 2 are provided, which are connected via a data transmission line 7 in the form of real-time capable Ethernet with the automation system 6.
  • the automation system 6 comprises a human-machine interface 9 as well as a technological control system 10 which specifies technological frame data for the automatic operation of the rolling mill 1.
  • the human-machine interface 9 is presently designed as a conventional PC.
  • an automation system 1 1 is provided, which is connected to the real-time capable Ethernet 7.
  • the connection between the automation system 1 1 and the individual rolling stands 2 takes place via a further section of the real-time capable Ethernet 7, which is marked with 7 '.
  • This type of integration of the communication system 1 1 applies analogously to a control system 12 and a drive system 13, which are arranged in the same manner between the automation system 6 and the individual rolling stands 2.
  • a measurement data acquisition 16 is equally integrated into the system. This is also connected to the real-time capable Ethernet 7 in conjunction.
  • the communication system 1 1, the control system 12 and the drive system 13 are also connected via a memory coupling 17 with the measurement data acquisition 16.
  • the communication system 1 1, the control system 12 and the drive system 13 may further have a Profibus 18.
  • CPU Central Processing Unit

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Metallbearbeitungsanlage (1), insbesondere ein Walzwerk, umfassend mindestens ein Walzgerüst (2), wobei jedes Walzgerüst (2) mindestens einen Antrieb (3) und/oder mindestens einen Aktuator (4) und/oder mindestens einen Sensor (5) umfasst, wobei die Metallbearbeitungsanlage (1) eine Einrichtung zum automatischen Betrieb aufweist, wobei die Einrichtung zum automatischen Betrieb mindestens ein Automatisierungssystem (6) aufweist und wobei zwischen dem mindestens einen Automatisierungssystem (6) und dem mindestens einen Antrieb (3) und/oder mindestens einen Aktuator (4) und/oder mindestens einen Sensor (5) eine Datenübertragungsleitung (7) angeordnet ist. Um bei der Automatisierung der Metallbearbeitungsanlage die Komplexität des Systems zu reduzieren, sieht die Erfindung vor, dass die Datenübertragungsleitung (7) ein Feldbus ist, der durch ein echtzeitfähiges Ethernet gebildet wird.

Description

Metallbearbeitungsanlage, insbesondere Walzwerk
Die Erfindung betrifft eine Metallbearbeitungsanlage, insbesondere ein Walzwerk, umfassend mindestens ein Walzgerüst, wobei jedes Walzgerüst mindestens einen Antrieb und/oder mindestens einen Aktuator und/oder mindestens einen Sensor umfasst, wobei die Metallbearbeitungsanlage eine Einrichtung zum automatischen Betrieb aufweist, wobei die Einrichtung zum automatischen Betrieb mindestens ein Automatisierungssystem aufweist und wobei zwischen dem mindestens einen Automatisierungssystem und dem mindestens einen Antrieb und/oder mindestens einen Aktuator und/oder mindestens einen Sensor eine Datenübertragungsleitung angeordnet ist. Bei Metallbearbeitungsanlage, insbesondere bei Walzwerken, dieser Art ist es bekannt, in einem Schalthaus eine zentrale Steuerung vorzusehen, über die das Walzwerk automatisch betrieben werden kann. Hiermit liegt ein zentral gesteuertes System vor, über das die Betätigung aller Elemente (Antriebe, Aktuatoren, Datenerfassung über Sensoren) erfolgt. Zwischen dem zentralen Steuerungsrechner und den einzelnen Walzgerüsten ist hierfür ein Datenbus vorhanden.
In nachteiliger Weise hat dies eine relativ hohe Komplexität des Gesamtsystems zur Folge, um einen automatischen Betrieb zu ermöglichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Automatisierung einer gattungsgemäßen Metallbearbeitungsanlage zu ermöglichen, wobei die Komplexität des Systems reduziert wird. Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Datenübertragungsleitung zwischen dem Automatisierungssystem und den Antrieben, Aktuatoren bzw. Sensoren der Walzgerüste ein Feldbus ist, der durch ein echtzeitfähiges Ethernet gebildet wird.
Das echtzeitfähige Ethernet fungiert hierbei bevorzugt als Hochgeschwindigkeits- Feldbus.
Die Metallbearbeitungsanlage weist in der Regel eine Mehrzahl von Walzgerüsten auf. Sie kann ein Kaltwalzwerk sein. Gemäß einer speziellen Konzeption der Erfindung steht eine oder mehrere Central Processing Units (CPU) des Automatisierungssystems mit dem echtzeitfähigen Ethernet als Feldbus in Verbindung steht.
Das Automatisierungssystem kann eine Mensch-Maschine-Schnittstelle aufweisen.
Das Automatisierungssystem kann weiterhin ein technologisches Regelungssystem aufweisen oder mit einem solchen in Verbindung stehen. Jedem Walzgerüst kann ein Kommunikationssystem zugeordnet sein, das mit dem Walzgerüst und dem echtzeitfähigen Ethernet in Verbindung steht. Ferner kann jedem Walzgerüst ein Regelungssystem zugeordnet sein, das mit dem Walzgerüst und dem echtzeitfähigen Ethernet in Verbindung steht. Schließlich kann jedem Walzgerüst ein Antriebssystem zugeordnet sein, das mit dem Walzgerüst und dem echtzeitfähigen Ethernet in Verbindung steht.
Zu der hier verwendeten Nomenklatur sei folgendes angemerkt:
Erfindungsgemäß wird ein echtzeitfähiges Ethernet (Echtzeit-Ethernet) zur Kommunikation eingesetzt. Dieses stellt bevorzugt ein Feldbus-System dar. Hiermit kann erreicht werden, ein einziges Rechnernetz von der Leitebene des Walzwerks bis hin zu den Feldgeräten (Antriebe, Aktuatoren, Sensoren eines Walzgerüsts) zu schaffen. Wesentlich dabei ist, dass die Anforderungen hinsichtlich der Arbeitsgeschwindigkeit erfüllt werden (zumeist isochrone Zykluszeiten von weniger als 1 ms). Damit wird erreicht, dass die Synchronität der Walzwerks-Anlagenteile über isochrone Datenrahmen im echtzeitfähigen Netzwerk sichergestellt wird.
Beim Ethernet handelt es sich um eine Technologie, die den Datenaustausch in Form von Datenpaketen zwischen den angeschlossenen Geräten ermöglicht.
Erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass die Datenübertragungsleitung ein Feldbus ist, der durch ein echtzeitfähiges Ethernet gebildet wird. Bei einem Feldbus handelt es sich üblicherweise um einen Standard für die Geräte-Kommunikation in der Automatisierungstechnik (insbesondere um einen Profibus (Process Field Bus)). Der Feldbus verbindet im Walzwerk Feldgeräte wie Antriebe, Aktuatoren und Sensoren mit dem Automatisierungssystem (zentral angeordneten Computer).
Die vorgeschlagene Struktur einer Regelungsanordnung erlaubt also einen automatischen Betrieb einer Metallbearbeitungsmaschine, insbesondere einer Metallbearbeitungsstraße.
Durch den Einsatz von Echtzeit-Ethernet basierten Feldbussen im Bereich der Walzwerksautomatisierung können bisher nicht mögliche, flache Automatisierungsstrukturen sowohl im Bereich der Hardware (das heißt zum Beispiel betreffend Aktuatoren, Sensoren und Automatisierungsgeräte) - gegebenenfalls verteilt auf unterschiedliche Anlagenteile - als auch im Bereich der Automatisierungs-Software realisiert werden. Damit ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Komplexität der klassischen, zentralen Mehrprozessorsysteme aufzubrechen und wesentlich zu reduzieren. Somit lässt sich eine gesamte Automatisierung beispielsweise eines Walzwerkes auf eine Minimalzahl an Automatisierungssystemen und die notwendigen dezentralen Ein- bzw. Ausgaben reduzieren.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Walzgerüsts, das mit einem
Automatisierungssystem in Form eines zentral angeordneten Computers über eine Datenübertragungsleitung in Form eines echtzeitfähigen Ethernets in Verbindung steht, und
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Walzwerks mit einer Anzahl
Walzgerüsten gemäß Fig. 1 .
In Figur 1 ist die Hardware eines Automatisierungs-Systems eines Walzwerks skizziert. Im oberen Bereich der Figur ist ein Schalthaus 14 vorgesehen, im unteren Bereich der Figur befindet sich das Feld 15. Im Schalthaus 14 ist ein Automatisierungssystem 6 vorgesehen, der mindestens eine Central Processing Unit (CPU) 8 aufweist. Im Feld 15 sind die einzelnen Walzgerüste 2 angeordnet, von denen in Fig. 1 nur eines angedeutet ist.
Ein Walzgerüst 2 umfasst im Ausführungsbeispiel (mindestens) einen Antrieb 3, (mindestens) einen Aktuator 4 und (mindestens) einen Sensor 5. Der Aktuator 4 kann vorliegend noch unterteilt werden in ein Ventil 4' und einen Zylinder 4".
Wesentlich ist, dass die Kommunikation zwischen dem Automatisierungssystem 6 und dem bzw. jedem Walzgerüst 2 über eine Datenübertragungsleitung 7 erfolgt, die als echtzeitfähiges Ethernet ausgebildet ist. Die vorgeschlagene Architektur zeichnet sich durch ein Mehrkern-CPU-System 8 aus, das über ein Echtzeit-Ethernet 7 - fungierend als Hochgeschwindigkeits- Feldbus - mit den Walzgerüsten 2 verbunden ist. Vorteilhafter Weise befindet sich lediglich die Stromversorgung und die benötigten Netzwerke im Feld 15.
Eine konkretere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Walzwerks 1 zwecks dessen Automatisierung ist in Fig. 2 zu sehen. Hier ist zunächst zu sehen, dass in einem Schalthaus 14 oder auch dezentral Automatisierungssysteme (zentral angeordneter Computer) 6 vorgesehen ist. Im Feld 15 sind die einzelnen Walzgerüste 2 vorgesehen, die über eine Datenübertragungsleitung 7 in Form des echtzeitfähigen Ethernets mit dem Automatisierungssystem 6 in Verbindung stehen.
Das Automatisierungssystem 6 umfasst vorliegend eine Mensch-Masch ine- Schnittstelle 9 sowie ein technologisches Regelsystem 10, das technologische Rahmendaten zum automatischen Betrieb des Walzwerks 1 vorgibt. Die Mensch- Maschine-Schnittstelle 9 ist vorliegend als üblicher PC ausgebildet.
Nahe am Feld 15 ist ein Automatisierungssystem 1 1 vorgesehen, das mit dem echtzeitfähigen Ethernet 7 verbunden ist. Die Verbindung zwischen dem Automatisierungssystem 1 1 und den einzelnen Walzgerüsten 2 erfolgt über einen weiteren Abschnitt des echtzeitfähigen Ethernets 7, der mit 7' markiert ist.
Diese Art der Einbindung des Kommunikationssystems 1 1 gilt analog für ein Regelungssystem 12 und ein Antriebssystem 13, die in derselben Weise zwischen dem Automatisierungssystem 6 und den einzelnen Walzgerüsten 2 angeordnet sind.
Eine Messdatenerfassung 16 ist gleichermaßen in das System eingebunden. Diese steht ebenfalls mit dem echtzeitfähigen Ethernet 7 in Verbindung. Das Kommunikationssystem 1 1 , das Regelungssystem 12 und das Antriebssystem 13 sind über eine Speicherkopplung 17 ebenfalls mit der Messdatenerfassung 16 verbunden.
Das Kommunikationssystem 1 1 , das Regelungssystem 12 und das Antriebssystem 13 können des weiteren über einen Profibus 18 verfügen.
Bezugszeichenliste:
I Metallbearbeitungsanlage (Walzwerk)
2 Walzgerüst
3 Antrieb
4 Aktuator
4' Ventil
4" Zylinder
5 Sensor
6 Automatisierungssystenn (zentral angeordneter Connputer)
7 Datenübertragungsleitung (echtzeitfähiges Ethernet) 7' Abschnitt des echtzeitfähigen Ethernets
8 Central Processing Unit (CPU)
9 Mensch-Maschine-Schnittstelle
10 technologisches Regelungssystem
I I Automatisierungssystem (Kommunikationssystem)
12 Regelungssystem
13 Antriebssystem
14 Schalthaus
15 Feld
16 Messdatenerfassung
17 Speicherkopplung

Claims

Patentansprüche:
1 . Metallbearbeitungsanlage (1 ), insbesondere Walzwerk (1 ), umfassend mindestens ein Walzgerüst (2), wobei jedes Walzgerüst (2) mindestens einen Antrieb (3) und/oder mindestens einen Aktuator (4) und/oder mindestens einen Sensor (5) umfasst, wobei die Metallbearbeitungsanlage (1 ) eine Einrichtung zum automatischen Betrieb aufweist, wobei die Einrichtung zum automatischen Betrieb mindestens ein Automatisierungssystem (6) aufweist und wobei zwischen dem mindestens einen Automatisierungssystem (6) und dem mindestens einen Antrieb (3) und/oder mindestens einen Aktuator (4) und/oder mindestens einen Sensor (5) eine Datenübertragungsleitung (7) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenübertragungsleitung (7) ein Feldbus ist, der durch ein echtzeitfähiges Ethernet gebildet wird.
2. Metallbearbeitungsanlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das echtzeitfähige Ethernet (7) als Hochgeschwindigkeits-Feldbus fungiert.
3. Metallbearbeitungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Mehrzahl von Walzgerüsten (2) aufweist.
4. Metallbearbeitungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Kaltwalzwerk ist.
5. Metallbearbeitungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Central Processing Unit (CPU) (8) des Automatisierungssystem (6) mit dem echtzeitfähigen Ethernet (7) in Verbindung steht.
6. Metallbearbeitungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Automatisierungssystem (6) eine Mensch- Maschine-Schnittstelle (9) aufweist.
7. Metallbearbeitungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Automatisierungssystem (6) ein technologisches Regelungssystem (10) aufweist oder mit einem solchen in Verbindung steht.
8. Metallbearbeitungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Walzgerüst (2) ein Kommunikationssystem (1 1 ) zugeordnet ist, das mit dem Walzgerüst (2) und dem echtzeitfähigen Ethernet (7) in Verbindung steht.
9. Metallbearbeitungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Walzgerüst (2) ein Regelungssystem (12) zugeordnet ist, das mit dem Walzgerüst (2) und dem echtzeitfähigen Ethernet (7) in Verbindung steht. Metallbearbeitungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Walzgerüst ein Antriebssystem (13) zugeordnet ist, das mit dem Walzgerüst (2) und dem echtzeitfahigen Ethernet (7) in Verbindung steht.
PCT/EP2012/061048 2011-06-24 2012-06-12 Metallbearbeitungsanlage, insbesondere walzwerk WO2012175361A1 (de)

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