作者：1、霍啟軍，2、刁建華 周 濤 陳錦標(biāo) 通訊地址：（1 山東大學(xué)電氣工程學(xué)院 山東 濟(jì)南 250014；2 濟(jì)南鋼鐵集團(tuán)總公司中板廠 山東 濟(jì)南 250101） 文章從系統(tǒng)硬件組態(tài)和軟件設(shè)計(jì)方面介紹了全數(shù)字控制系統(tǒng)SIMADYN D在中板液壓AGC中的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。 1 前言 濟(jì)鋼中板廠四輥軋機(jī)于1987年建成投產(chǎn)，最初上過(guò)一套液壓AGC系統(tǒng)，由于多種原因沒(méi)有成功應(yīng)用，所以一直采用電動(dòng)壓下。為了更好的控制板形，提高鋼板質(zhì)量，總公司決定投資為中板廠新上一套液壓AGC系統(tǒng)。在2003年12月至2004年1月利用中板廠幾次計(jì)劃?rùn)z修時(shí)間進(jìn)行了設(shè)備安裝與調(diào)試。改造后的液壓AGC控制系統(tǒng)采用德國(guó)SIEMENS公司的SIMADYN D數(shù)字控制系統(tǒng)，系統(tǒng)改造非常成功，投運(yùn)至今沒(méi)有任何故障。 2 系統(tǒng)特點(diǎn) 由于中板生產(chǎn)的特殊性，要想獲得理想的產(chǎn)品質(zhì)量，液壓AGC技術(shù)是必不可少的，而AGC要取得理想的效果，首先要求控制系統(tǒng)必須快速、可靠。隨著對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的不斷開(kāi)發(fā)，作為世界聞名的自動(dòng)化公司，SIEMENS公司的產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)工廠中的占有率已經(jīng)名列前矛，SIMADYN D是一種實(shí)時(shí)多任務(wù)的分布式數(shù)字控制系統(tǒng)，具有運(yùn)行速度快、可靠性高、功能強(qiáng)大且容易組態(tài)等特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)液壓AGC功能的一種理想的控制系統(tǒng)。特點(diǎn)如下： 2.1 算速度快 SIMADYN D控制系統(tǒng)的主流CPU是PM5和PM6（PM4已經(jīng)很少再用），其中PM5是32位的CPU，其主頻為32MHz，有DRAM 4Mbytes，SRAM 64Kbytes，最小運(yùn)行周期可達(dá)0.1ms，應(yīng)用程序的控制回路的運(yùn)行周期可到0.6ms左右；PM6是32/64位的CPU，其主頻為64/128MHz，有DRAM 8Mbytes，SRAM 256Kbytes，最小運(yùn)行周期可達(dá)0.1ms, 應(yīng)用程序的控制回路的運(yùn)行周期可到0.5ms左右。 2.2 功能強(qiáng) SIMADYN D控制系統(tǒng)是一種多處理器、多任務(wù)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，一個(gè)機(jī)架中最多可以配置8個(gè)CPU，每個(gè)CPU中又可以并行處理67個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)中最多可以包含10000個(gè)功能模塊，而且可以根據(jù)需要，對(duì)每個(gè)功能模塊配置時(shí)鐘周期（T1－T5）。 2.3 編程靈活 SIMADYN D的開(kāi)發(fā)軟件使用的是基于UNIX操作系統(tǒng)面向圖形的配置語(yǔ)言STRUC G和面向List的語(yǔ)言STRUC L，同時(shí)也支持基于Windows操作系統(tǒng)面向圖形的配置語(yǔ)言CFC。用戶可以根據(jù)自己的需要靈活選用不同的編程語(yǔ)言對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置。 2.4 產(chǎn)品種類齊全、可擴(kuò)展性強(qiáng) SIMADYN D控制系統(tǒng)擁有豐富的硬件模塊。機(jī)架有6槽、12槽、24槽三種，同時(shí)還有各種各樣的I/O模塊和接口模塊，用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際情況任意選用不同的機(jī)架、電源、處理器、I/O模塊和接口模塊，從而構(gòu)成滿足各種要求的控制系統(tǒng)。同時(shí)該系統(tǒng)還可以通過(guò)DP網(wǎng)、工業(yè)以太網(wǎng)與SIEMENS 的PLC和其他自動(dòng)化公司的產(chǎn)品聯(lián)用。 3 系統(tǒng)硬件構(gòu)成 與目前國(guó)際上通用的軋機(jī)AGC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式一樣濟(jì)鋼中板廠的四輥軋機(jī)液壓AGC控制系統(tǒng)分為兩級(jí)：過(guò)程控制級(jí)和基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)。 3.1 過(guò)程控制級(jí) 過(guò)程控制級(jí)包括一臺(tái)ALPHA機(jī)和一臺(tái)過(guò)程服務(wù)器：其中ALPHA機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)接收基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)送來(lái)的來(lái)料信息——鋼種、來(lái)料厚度、目標(biāo)厚度、來(lái)料溫度等（由操作工在WinCC監(jiān)控站上輸入），以及基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)實(shí)時(shí)傳送過(guò)來(lái)的各種過(guò)程參數(shù)（輥縫、壓力、溫度、電壓、電流、轉(zhuǎn)速、力矩等），在線計(jì)算出一個(gè)實(shí)用的軋制規(guī)程，并實(shí)時(shí)傳送到 基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)，控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，并存貯軋制過(guò)程數(shù)據(jù)；過(guò)程服務(wù)器通過(guò)以太網(wǎng)接收、存貯軋制過(guò)程數(shù)據(jù)（包括來(lái)料信息——鋼種、來(lái)料厚度、目標(biāo)厚度、來(lái)料溫度等，以及各種過(guò)程參數(shù)——輥縫、壓力、溫度、電壓、電流、轉(zhuǎn)速、力矩等），并可以通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)在線查看實(shí)時(shí)軋制數(shù)據(jù)，或在線、離線分析歷史數(shù)據(jù)。 3.2基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí) 基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí) 包括1個(gè)SIMADYN D機(jī)架、一臺(tái)WinCC監(jiān)控站和兩個(gè)ET200站的。 3.2.1 SIMADYN D機(jī)架 液壓AGC控制器采用SIEMENS公司的SIMADYN D(簡(jiǎn)稱SD)系統(tǒng),SIMADYN D是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它以一個(gè)24槽機(jī)架作為框架，帶有L—BUS和C—BUS及電源。其中包括三個(gè)CPU 模塊（PM5：其中第一個(gè)CPU中運(yùn)行HGC（液壓APC）軟件，第二個(gè)CPU中運(yùn)行AGC軟件，第三個(gè)CPU中運(yùn)行AGC邏輯控制軟件。）、一個(gè)存貯器模塊（MM4）、兩個(gè)I/O模塊（一個(gè)IT41、一個(gè)IT42：IT是與PM5直接通訊的快速I/O板，有AI、AO、DI、DO及脈沖輸入等接口，主要用于采集電動(dòng)碼盤（脈沖計(jì)數(shù)器），輥縫（16位模入），壓力（16位模入），及四輥主傳動(dòng)控制系統(tǒng)電壓、電流、轉(zhuǎn)速、力矩（12位模入）等信息；控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)（壓下電機(jī)、伺服閥：16位模出）、一個(gè)通訊母板（CS7：其中SS4用于SIMADYN D與編程站的通訊，SS52用于SIMADYN D與ET200的通訊）和一個(gè)H1網(wǎng)卡（CSH11：用于SIMADYN D與WinCC監(jiān)控站的通訊），見(jiàn)下圖（圖二）： 3.2.2 WinCC監(jiān)控站 WinCC監(jiān)控站經(jīng)過(guò)內(nèi)插的CP1613通過(guò)SIEMENS 的工業(yè)以太網(wǎng)（H1網(wǎng)）與SIMADYN D進(jìn)行通訊。WinCC監(jiān)控站運(yùn)行的監(jiān)控軟件為SIEMENS公司的WINCC,選用256點(diǎn)WINCC完全版。開(kāi)發(fā)的人機(jī)界面軟件HMI顯示的內(nèi)容有圖形、數(shù)據(jù)等，還有軟開(kāi)關(guān)供操作工操作。WinCC監(jiān)控站接收SIMADYN D的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)輥縫、壓力、溫度、工作狀態(tài)及主傳動(dòng)電壓、電流、轉(zhuǎn)速、力矩等，再經(jīng)以太網(wǎng)（TC/PIP協(xié)議）將這些數(shù)據(jù)傳送到過(guò)程控制級(jí)，同時(shí)接收上位機(jī)計(jì)算出來(lái)的軋制規(guī)程，并下載到SIMADYN D中執(zhí)行。WinCC監(jiān)控站還用于顯示相應(yīng)的軋制過(guò)程數(shù)據(jù)及工作狀態(tài)，供操作工監(jiān)控。另外，人工規(guī)程和來(lái)料信息——鋼種、來(lái)料厚度、目標(biāo)厚度、來(lái)料溫度等也要操作工在此輸入。 3.2.3 ET200站 ET200站包括兩組ET200遠(yuǎn)程I/O接口，包括模入、模出、開(kāi)入、開(kāi)出等。 其中3#站作為SIMADYN D的遠(yuǎn)程I/O，通過(guò)一根通訊電纜將軋鋼操作臺(tái)上的按鈕、指示燈、顯示儀表等與SIMADYN D連接起來(lái)，大大減小了電纜數(shù)量；4#站則用于連接一些現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)（溫度、熱檢、液壓站等信號(hào)）。 3.2.4 檢測(cè)系統(tǒng)： 壓下控制系統(tǒng)的檢測(cè)系統(tǒng)包括電動(dòng)碼盤、電動(dòng)位移傳感器、液壓位移傳感器、壓力傳感器、測(cè)溫儀、熱檢器、測(cè)寬儀、測(cè)厚儀等。 3.2.5 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 壓下控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由電動(dòng)壓下和液壓壓下兩部分組成。電動(dòng)壓下的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是壓下電機(jī)，由SIMADYN D系統(tǒng)計(jì)算出壓下速度設(shè)定值并輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)，控制壓下電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)壓下螺絲上下移動(dòng)；液壓壓下的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是伺服閥，其控制信號(hào)也由SIMADYN D系統(tǒng)通過(guò)模擬量給出，控制伺服閥的開(kāi)口方向和開(kāi)口度，驅(qū)動(dòng)游缸上下移動(dòng)。 4系統(tǒng)軟件功能 濟(jì)鋼中板廠的四輥軋機(jī)現(xiàn)主要用于精軋機(jī)，壓下控制系統(tǒng)采取“液壓全程”方式，油缸最大行程為80mm，正常工作行程為0－60mm。同時(shí)，控制系統(tǒng)中還預(yù)留、設(shè)計(jì)了單機(jī)架軋鋼的功能，一旦需要，很快就可以調(diào)試投用。利用SIMADYN D編程軟件STRUC G開(kāi)發(fā)的用戶程序,建立了各種控制的數(shù)學(xué)模型，具有APC（位置自動(dòng)控制）、AGC（厚度自動(dòng)控制）、自動(dòng)輥縫清零(或叫自動(dòng)壓靠)、保護(hù)（過(guò)壓、過(guò)壓差、液柱過(guò)高或過(guò)低等）等自動(dòng)功能，以及輥縫微調(diào)、鐮刀彎調(diào)節(jié)等人工干預(yù)功能。 下圖是STRUC G開(kāi)發(fā)的用戶程序示例： 4.1 APC（位置自動(dòng)控制） 在實(shí)際軋鋼過(guò)程中，控制系統(tǒng)根據(jù)過(guò)程控制機(jī)下達(dá)的設(shè)定位置，通過(guò)調(diào)節(jié)伺服閥控制油缸的移動(dòng)，使軋輥到達(dá)目標(biāo)位置（定位精度為±0.01mm）。（在單機(jī)架生產(chǎn)時(shí)，則首先通過(guò)壓下電機(jī)，控制壓下螺絲動(dòng)作使軋輥到達(dá)某一范圍即停下來(lái)，再通過(guò)調(diào)節(jié)伺服閥控制油缸的移動(dòng)，來(lái)補(bǔ)償電動(dòng)定位誤差，使APC的最終定位精度達(dá)到±0.01mm。） 4.2 AGC（厚度自動(dòng)控制） 包括絕對(duì)值和相對(duì)值兩種。在過(guò)程控制級(jí)投用時(shí)，采取絕對(duì)值A(chǔ)GC方式，由過(guò)程控制機(jī)向SIMADYN D發(fā)送每一道次的壓力設(shè)定值和輥縫設(shè)定值，SIMADYN D則根據(jù)實(shí)測(cè)壓力計(jì)算出AGC調(diào)節(jié)量；在過(guò)程控制級(jí)未投用時(shí)，采取相對(duì)值A(chǔ)GC方式，過(guò)程控制機(jī)不參與控制，SIMADYN D在咬鋼以后鎖定一個(gè)壓力值作為本道次的壓力設(shè)定值，然后將實(shí)測(cè)壓力和此設(shè)定值比較，計(jì)算出AGC調(diào)節(jié)量。AGC調(diào)節(jié)量被疊加到輥縫設(shè)定值中，控制輥縫動(dòng)態(tài)調(diào)整以減小同板差。 4.3自動(dòng)輥縫清零(或叫自動(dòng)壓靠) 包括電動(dòng)輥縫清零和液壓輥縫清零。當(dāng)需要做輥縫標(biāo)定（清零）時(shí)，操作人員只需在操作臺(tái)上將相應(yīng)的開(kāi)關(guān)扳到“壓靠”位置，油缸間自動(dòng)下壓到1250噸（可以更改壓力設(shè)定值），并保持5秒，自動(dòng)將將液壓輥縫清零。 4.4保護(hù) 為了保證設(shè)備和系統(tǒng)的安全可靠，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多種保護(hù)措施。如過(guò)壓保護(hù)（壓力和）、過(guò)壓差保護(hù)，當(dāng)兩側(cè)壓力和超過(guò)3000t或兩側(cè)壓力差大于500t時(shí)，立即打開(kāi)快泄閥，使油缸中的液壓油迅速流回液壓站，從而使軋輥快速抬升，保護(hù)軋輥；液柱過(guò)高或過(guò)低保護(hù)，由于油缸行程的限制，對(duì)其中的液柱高度就有一定的要求，如果液柱過(guò)高或過(guò)低則表明系統(tǒng)不正常，立即打開(kāi)快泄閥。當(dāng)這些保護(hù)或其它故障現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，在WinCC監(jiān)控站上會(huì)立即顯示出相應(yīng)的報(bào)警信息來(lái)。 4.5 人工干預(yù) 為了操作的靈活、方便，該系統(tǒng)保留了一些人工干預(yù)功能。例如在自動(dòng)軋鋼時(shí)，操作工可以根據(jù)當(dāng)時(shí)的實(shí)際情況，稍微調(diào)大或調(diào)小輥縫設(shè)定值，以得到最佳產(chǎn)品厚度；也可以稍微調(diào)大或調(diào)小輥縫差設(shè)定值，以得到最理想的板形。同時(shí)，該系統(tǒng)具有記憶功能，在進(jìn)行大批量的同一規(guī)格產(chǎn)品軋制時(shí)，操作工可以將某一塊鋼板的軋制表記憶下來(lái)作為該規(guī)格后面產(chǎn)品的軋制規(guī)程。另外，本系統(tǒng)還具有半自動(dòng)和全手動(dòng)軋鋼功能。半自動(dòng)是由操作工來(lái)控制道次的切換，而由計(jì)算機(jī)來(lái)擺輥縫；全手動(dòng)則是在油缸中保持一固定高度的液柱，而完全由操作工手動(dòng)控制電動(dòng)壓下螺絲來(lái)擺輥縫軋鋼。 5運(yùn)行效果 濟(jì)鋼中板廠四輥軋機(jī)改造后的壓下控制系統(tǒng)自從今年年初投用以來(lái)，運(yùn)行非?？煽?，沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)系統(tǒng)故障，并且具有定位精度高（定位誤差≤±0.01mm）、操作靈活、容易維護(hù)、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。 6作者簡(jiǎn)介 霍啟軍，男，30歲，電氣工程師。1996年7月畢業(yè)于山東工程學(xué)院電氣工程系，獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，山東大學(xué)電氣工程學(xué)院2004級(jí)工程碩士研究生在讀?，F(xiàn)主要從事自動(dòng)化控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與研究工作。電話：0531－8866237；E-mail:hqjjn@163.com 或hqjjn@sina.com