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1．引言

    在熱軋生產(chǎn)線(xiàn)上，粗軋是一道重要的生產(chǎn)工序，它為精軋進(jìn)一步精加工生產(chǎn)做了充分 的準(zhǔn)備。本文是根據(jù)某熱軋廠的粗軋電氣控制系統(tǒng)改造的項(xiàng)目實(shí)例來(lái)對(duì)TDC 的應(yīng)用實(shí)施進(jìn)行闡 述。 由加熱爐加熱到目標(biāo)溫度的出爐板坯首先經(jīng)過(guò)高壓水除鱗箱清除氧化鐵皮，然后進(jìn)入粗軋機(jī)架區(qū)域。粗軋的主要作用是通過(guò)對(duì)加熱到目標(biāo)溫度的板坯進(jìn)行多道次的軋制，將帶鋼 軋薄到目標(biāo)厚度，為下一步的精軋軋制做好準(zhǔn)備。

    下面具體談一下粗軋控制系統(tǒng)的硬件配置和功能。

2．粗軋控制系統(tǒng)

    在該項(xiàng)目中，使用了Siemens 的SIMATIC TDC 作為控制系統(tǒng)的硬件設(shè)備。TDC 控制系 統(tǒng)是多CPU 系統(tǒng)，計(jì)算能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)高速、復(fù)雜的控制任務(wù)，系統(tǒng)的實(shí) 時(shí)性好，能夠?qū)崿F(xiàn)開(kāi)環(huán)和閉環(huán)的過(guò)程控制和計(jì)算。可以解決非常復(fù)雜的調(diào)節(jié)和各種通信任 務(wù)。

    SIMATIC TDC 具有以下突出的特性：

? 模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，硬件可擴(kuò)展；
? 采樣時(shí)間間隔短，可達(dá)100ms，特別適用動(dòng)態(tài)控制任務(wù)；
? 中央處理器采用64 位結(jié)構(gòu)，具有最大性能；
? 同步多處理器運(yùn)行，每個(gè)機(jī)架最多可有20 個(gè)CPU；
? 可最多同步耦合44 個(gè)機(jī)架；
? 使用STEP7 組態(tài)工具進(jìn)行圖形化組態(tài)：連續(xù)功能圖(CFC) 和順序功能圖（SFC）

下圖為Simatic TDC 框架的示意。

圖1：Simatic TDC 框架示意圖

    機(jī)架使用SIMATIC TDC 電磁屏蔽19" 機(jī)架UR5213，該機(jī)架允許硬件擴(kuò)展，具有較高 的性能裕量。它適用于墻壁安裝和箱柜安裝，配裝有一個(gè)具有冷卻和內(nèi)部監(jiān)控功能的集成 電源。總共有21 個(gè)槽位用于擴(kuò)展模板，并可通過(guò)64 位背板總線(xiàn)連接。對(duì)于較高的性能 要求，在一個(gè)機(jī)架內(nèi)可最多有20 個(gè)同步CPU 模板多處理器運(yùn)行，可有44 個(gè)機(jī)架相互連接在一起，該項(xiàng)目使用的CPU 是CPU550。 I/O 模板使用SM500，SM500 I/O 模板提供有豐富的選項(xiàng)，用于連接分布式I/O。除了 16 點(diǎn)二進(jìn)制輸入/ 輸出以外，它還具有8 點(diǎn)模擬量輸入/ 輸出以及4 點(diǎn)積分型模擬量輸 入。另外，還可連接4 個(gè)增量位置編碼器和4 個(gè)絕對(duì)值編碼器。使用6 個(gè)LED 指示模板 的運(yùn)行狀態(tài)。 通訊模板使用CP50M0、 CP5100。通訊模板CP50M0 和CP5100 可提供高性能的通訊， 用于： 調(diào)試(CP50M0)；過(guò)程控制；HMI。它們可以控制功能強(qiáng)大的協(xié)議，包括：MPI； PROFIBUS DP；使用TCP/IP 或UDP 的快速以太網(wǎng)。另外，還為各種不同的CPU，提供有一個(gè)8 MB 的 通訊存儲(chǔ)器。 該項(xiàng)目使用了全局?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器GDM，通過(guò)全局?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器(GDM) ， 安裝有CP52x0 的 大量機(jī)架相互之間可以進(jìn)行通訊（該項(xiàng)目使用CP52A0），運(yùn)算能力幾乎可以無(wú)限制擴(kuò)展。 通過(guò)光纖電纜和共享存儲(chǔ)器，可最多有44 個(gè)機(jī)架聯(lián)網(wǎng)。除了幾個(gè)機(jī)架之間的通訊之外， 使用GDM，還可實(shí)現(xiàn)同步( 采樣時(shí)間、時(shí)鐘時(shí)間) 和報(bào)警功能。刷新時(shí)間<1ms。 系統(tǒng)的硬件設(shè)備主要包括：5 臺(tái)SIMTIC TDC，分別用作主站和各單元的控制，通過(guò) GDM 相連接，用于TDC 之間的快速數(shù)據(jù)交換。GDM 又與過(guò)程數(shù)據(jù)分析計(jì)算機(jī)相連。這樣可保證PDA（Process Data Acquisition）快速收集到各臺(tái)TDC 的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn) 行及時(shí)的處理，使處理分析結(jié)果在最短的時(shí)間得出，對(duì)故障診斷及生產(chǎn)和操作起到指導(dǎo)作用。4 臺(tái)HMI 操作顯示終端、1 臺(tái)HMI 服務(wù)器、1 套過(guò)程數(shù)據(jù)分析終端（PDA）、5 臺(tái)TDC 開(kāi)發(fā)站、打印機(jī)等。通過(guò)Ethernet 連接了PLC 控制設(shè)備和終端設(shè)備。 SIMATIC TDC 通過(guò)PROFIBUS-DP 同遠(yuǎn)程I/O 設(shè)備—ET200 連接。TDC 的一般的I/O 信 號(hào)都是通過(guò)ET200 遠(yuǎn)程IO 設(shè)備相連接的，快速輸入輸出通過(guò)SM500 板來(lái)實(shí)現(xiàn)。

    該系統(tǒng)的硬件配置圖如下：

    編程使用CFC 的方式。連續(xù)功能圖的編程方式比較方便，也是應(yīng)用比較多的一種編程方式。HMI 畫(huà)面用WinCC 來(lái)制作。WinCC 是一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于處理生產(chǎn)和過(guò)程自動(dòng)化中圖形顯示 和操作控制任務(wù)的工業(yè)和技術(shù)中樞系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制方面的圖形顯示、信息存 檔，以及報(bào)警等功能。其特點(diǎn)是具有強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)程序界面，畫(huà)面更新快速響應(yīng)，以及存檔 功能可靠，因此能保證很好的實(shí)用性。 WinCC 系統(tǒng)提供了適用于工業(yè)控制的用于圖形顯示、信息存檔的模塊以及報(bào)警模塊 等。其功能強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)程序界面，畫(huà)面快速的刷新，以及安全可靠的存檔功能，保證其具 有很高的實(shí)用性。除系統(tǒng)功能外，WinCC 提供了用戶(hù)解答的開(kāi)放的界面。這些界面將使得 WinCC 解決全公司范圍內(nèi)的自動(dòng)化問(wèn)題成為可能。其訪問(wèn)存檔數(shù)據(jù)是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)界面ODBC 和SQL 的方法進(jìn)行的。插入目標(biāo)文件是通過(guò)OLE2.0 以及OLE 客戶(hù)控制（OCX）的方法來(lái)解 決的。這些技術(shù)使得WinCC 在Windows 環(huán)境下成為一個(gè)有能力的通信伙伴。

3．粗軋控制系統(tǒng)控制方式及主要功能

    該系統(tǒng)的控制方式共有三種：手動(dòng)方式，半自動(dòng)方式和全自動(dòng)方式。 手動(dòng)方式即維護(hù)操作方式。此種方式不能用于生產(chǎn)，此方式僅用于維修工作，調(diào)整工 作，換輥和標(biāo)定過(guò)程。設(shè)定值只可通過(guò)手動(dòng)干預(yù)相應(yīng)的控制對(duì)象來(lái)進(jìn)行預(yù)設(shè)定。 半自動(dòng)方式即道次計(jì)劃方式。道次計(jì)劃的數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)在WinCC 上的道次計(jì)劃數(shù)據(jù)表取 出，直接向基礎(chǔ)自動(dòng)化裝載并進(jìn)行生產(chǎn)。在半自動(dòng)方式下，軋制過(guò)程所必須的傳動(dòng)設(shè)備、 傳動(dòng)設(shè)備組和控制功能均根據(jù)當(dāng)前的道次計(jì)劃進(jìn)行自動(dòng)控制。在任何時(shí)間，只要不超過(guò)限 定值，手動(dòng)干預(yù)都是允許的。手動(dòng)干預(yù)的設(shè)定值優(yōu)先于自動(dòng)狀態(tài)下的設(shè)定值傳送給基礎(chǔ)自 動(dòng)化。 全自動(dòng)方式。在該方式下，基礎(chǔ)自動(dòng)化的全部功能及過(guò)程計(jì)算機(jī)投入運(yùn)行，板坯每次 軋制的道次計(jì)劃數(shù)據(jù)由過(guò)程計(jì)算機(jī)傳送給基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)，基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)根據(jù)道次計(jì)劃 表中的設(shè)定數(shù)據(jù)來(lái)完成對(duì)粗軋機(jī)架和各設(shè)備的控制。軋制的流程由基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)自動(dòng)控 制。壓下設(shè)定值和速度設(shè)定值由基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)，按照當(dāng)時(shí)的板坯跟蹤狀態(tài)進(jìn)行投入。必 要的材料跟蹤信號(hào)及實(shí)績(jī)值由基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)傳送給過(guò)程計(jì)算機(jī)，以便過(guò)程計(jì)算機(jī)對(duì)板坯 進(jìn)行跟蹤以及數(shù)學(xué)模型的計(jì)算。運(yùn)行方式通過(guò)人機(jī)接口HMI 進(jìn)行選擇。在全自動(dòng)方式下， 軋制過(guò)程所必須的傳動(dòng)設(shè)備、傳動(dòng)設(shè)備組和控制功能均根據(jù)當(dāng)前的道次計(jì)劃進(jìn)行自動(dòng)控 制。在任何時(shí)間，只要不超過(guò)限定值，手動(dòng)干預(yù)都是允許的。手動(dòng)干預(yù)的設(shè)定值優(yōu)先于自 動(dòng)狀態(tài)下過(guò)程計(jì)算機(jī)下達(dá)的設(shè)定值。 粗軋控制系統(tǒng)主要功能有軋機(jī)壓下控制，軋線(xiàn)協(xié)調(diào)，材料跟蹤，設(shè)定值分配，實(shí)際值 收集，輔助的功能有側(cè)導(dǎo)板控制、標(biāo)定、換輥等。

    下面簡(jiǎn)要介紹一下主要的控制功能：

    軋機(jī)壓下控制是在要求時(shí)間內(nèi)將軋輥的位置自動(dòng)地控制到預(yù)先給定的目標(biāo)值上，使輥 縫與目標(biāo)位置之差保持在允許的偏差范圍之內(nèi)。在壓下位置控制過(guò)程中，壓下位置設(shè)定值 通過(guò)過(guò)程控制計(jì)算機(jī)來(lái)設(shè)定，也可以在操作畫(huà)面上人工給出。壓下位置實(shí)際值可以通過(guò)安 裝在電動(dòng)機(jī)上的脈沖編碼器所測(cè)量的脈沖數(shù)換算出來(lái)。將當(dāng)時(shí)的位置實(shí)際值與位置設(shè)定值 進(jìn)行比較，壓下螺絲將軋輥移動(dòng)到距離設(shè)定位置允許的偏差范圍之內(nèi)。 軋線(xiàn)協(xié)調(diào)控制機(jī)架前后輥道以及主傳動(dòng)的傳動(dòng)速度控制，其次還包括進(jìn)鋼條件的詢(xún) 問(wèn)，過(guò)程畫(huà)面機(jī)架狀態(tài)的顯示，故障的報(bào)警，板坯的擺動(dòng)等。 材料跟蹤的目的是根據(jù)材料在軋線(xiàn)中的位置來(lái)確定各相關(guān)設(shè)備的動(dòng)作，進(jìn)行設(shè)定值的 輸出。材料跟蹤功能的實(shí)現(xiàn)通過(guò)在軋線(xiàn)上位置準(zhǔn)確定義的熱金屬檢測(cè)器信號(hào)、軋制力信號(hào) 和軋制方向信號(hào)來(lái)監(jiān)視和計(jì)算板坯位置。這樣就可以確定板坯頭部和尾部的位置了。當(dāng)材 料到達(dá)軋線(xiàn)上某一特定位置時(shí)，順序控制就啟動(dòng)某一設(shè)備的動(dòng)作。實(shí)現(xiàn)這些動(dòng)作所需要的 數(shù)據(jù)來(lái)自道次計(jì)劃表。 對(duì)于粗軋的立輥機(jī)架而言，主要是寬度的控制，包括短行程控制（SSC）和自動(dòng)寬度 控制（AWC） 短行程控制（SSC）是在進(jìn)行板坯頭部或尾部的軋制時(shí)，如果立輥的輥縫與在進(jìn)行板 坯中部軋制時(shí)的設(shè)定輥縫相同，板坯的頭部和尾部會(huì)產(chǎn)生魚(yú)尾形狀，從而影響了產(chǎn)品的收 得率。為提高材料的利用率，減少這種現(xiàn)象的發(fā)生，要采用短行程控制。短行程控制的原 理是準(zhǔn)確檢測(cè)板坯頭部和尾部位置，并給出相應(yīng)的頭部和尾部寬度修正值。從而使頭部及 尾部板寬略寬于板坯中部。再經(jīng)過(guò)以后立輥道次的軋制，頭部和尾部又趨近于正常的和中 部差不多的寬度，從而提高板坯收得率。 自動(dòng)寬度控制（AWC）就是根據(jù)軋制力誤差算出相應(yīng)的寬度補(bǔ)償值。通過(guò)板坯各位置 的軋制力檢測(cè)就可給出相應(yīng)位置的寬度修正值，這樣可以保證寬度控制精度達(dá)到理想的要 求。由于這兩種控制時(shí)間響應(yīng)都要求快速響應(yīng)，所以都是通過(guò)液壓系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

4．結(jié)束語(yǔ)

    通過(guò)使用Siemens 公司的PLC 產(chǎn)品Simatic TDC 在粗軋電氣控制系統(tǒng)上的實(shí)踐應(yīng)用。 使我對(duì)Simatic TDC 的軟、硬件有了進(jìn)一步的深入理解。使用CFC 的編程方式非常方便。該 粗軋電氣控制系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來(lái)，一直穩(wěn)定運(yùn)行，得到了用戶(hù)的肯定.