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    （山東萊蕪鋼鐵集團(tuán)自動(dòng)化部，山東 萊蕪 271104）翟 諾，楊明華，趙 衛(wèi)
                     
    翟諾 （1980-）女，山東萊蕪人，大學(xué)，工程師，現(xiàn)就職于山東萊鋼集團(tuán)自動(dòng)化部，主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)化控制。

    摘要：本文以寬厚板自動(dòng)控制系統(tǒng)為例，詳細(xì)介紹了西門子TDC控制系統(tǒng)的特性及其應(yīng)用特點(diǎn)，重點(diǎn)突出GDM全局?jǐn)?shù)據(jù)內(nèi)存網(wǎng)的軟硬件配置實(shí)現(xiàn)方式，為那些對(duì)控制任務(wù)實(shí)時(shí)性要求很高，需高速控制和高速通訊的控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了可借鑒依據(jù)。

    關(guān)鍵詞：TDC；GDM；CFC

    Abstract: Considering thick plate automatic control system as an example,the paper introduces the characteristics of Siemens TDC control system and its applications, and underlines the implementation of software and hardware configuration of GDM global data of memory. This provides reference basis for the control systems that requires real-time control, and high speed control and communication.

    Key words: TDC; GDM; CFC

    1 前言

    萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司于2009年投產(chǎn)的年產(chǎn)180萬噸寬厚板生產(chǎn)線，其設(shè)備的基本組成如下：3座加熱爐，一臺(tái)四棍式萬能粗軋機(jī)，一臺(tái)精軋機(jī)，MUPIC冷卻系統(tǒng)，矯直機(jī)，定尺剪和切邊剪等設(shè)備。

    該控制系統(tǒng)分成以下三級(jí)：L2級(jí)過程控制級(jí)負(fù)責(zé)全線過程控制、過程日志、過程監(jiān)視、各區(qū)域模型優(yōu)化控制等任務(wù)；L1級(jí)基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)完成軋線順序控制、邏輯控制和各個(gè)設(shè)備控制；L0級(jí)傳動(dòng)控制級(jí)完成交直流電動(dòng)機(jī)的控制。L1級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由多套西門子TDC多CPU結(jié)構(gòu)高性能控制器和S7-400 PLC控制器組成。控制系統(tǒng)中采用了工業(yè)以太網(wǎng)、DP網(wǎng)和GDM網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)。由于充分考慮了熱連軋生產(chǎn)中信息流和數(shù)據(jù)流的特點(diǎn)，以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用分段和分層設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息的快慢分離、區(qū)域分流，有效減少了數(shù)據(jù)的擁堵。本系統(tǒng)中大量采用了Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線以連接操作臺(tái)，遠(yuǎn)程I/O，主、輔傳動(dòng)控制器等子系統(tǒng)，大大減少硬線數(shù)量，有效提高了系統(tǒng)的簡(jiǎn)潔性。

    2 TDC控制系統(tǒng)構(gòu)成

    L1基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)主要功能包括：微張力控制，可逆軋制控制，粗、精軋速度控制，粗軋電動(dòng)壓下控制，精軋液壓HAGC控制，板型控制ASC，終軋溫度控制等。眾所周知，板材軋機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜性和高速性主要體現(xiàn)在粗軋區(qū)和精軋區(qū)的控制上。僅精軋機(jī)架就集中了多個(gè)高速閉環(huán)控制回路，而且還有大量的解耦計(jì)算，同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)前饋、反饋和各種補(bǔ)償控制算法。這都需要功能強(qiáng)大的處理器的支持。而西門子TDC控制器正好可以滿足這種需求。

    SIMATIC-TDC采用了自由組態(tài)、模塊化的設(shè)計(jì)思想，使得系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)便于擴(kuò)展。系統(tǒng)可以快速實(shí)現(xiàn)閉環(huán)和開環(huán)控制，算術(shù)運(yùn)算以及系統(tǒng)監(jiān)視和信號(hào)通信等功能。SIMATIC-T DC擁有一套完整的模塊化的硬件和軟件設(shè)計(jì)思想模式，能夠保證硬件可以廣泛地滿足各種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。每個(gè)系統(tǒng)獨(dú)立的插件板可以直接插入獨(dú)立的控制單元。SIMATIC-TDC尤其適用于相關(guān)聯(lián)的大動(dòng)力及高精度的控制系統(tǒng)，適合于不同的交流、直流調(diào)速系統(tǒng)以及電力系統(tǒng)的控制和保護(hù)系統(tǒng)。

    SIMATIC-TDC采用的是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(固定時(shí)隙25μs)，采樣速度很快(最短100μs)，其中A/D采樣轉(zhuǎn)換時(shí)間約為20μs，D/A轉(zhuǎn)換輸出時(shí)間為4μs，D/I和D/O延時(shí)時(shí)間均為100μs，測(cè)試證明完全滿足在0.5ms內(nèi)完成從采集、計(jì)算到控制信號(hào)輸出的要求。強(qiáng)大的循環(huán)處理，高達(dá)5種采樣時(shí)間(T1～T5)，能夠進(jìn)行處理周期性中斷(T0)和非周期性中斷(I1～I(xiàn)8八級(jí)中斷)任務(wù)。基于基本采樣時(shí)間T0，可以定義5種采樣時(shí)間的周期中斷任務(wù)(T1～T5)以處理不同實(shí)時(shí)性要求的任務(wù)。

    L1控制系統(tǒng)根據(jù)功能要求結(jié)合SIMATIC-TDC系統(tǒng)的特點(diǎn)，分布式TDC控制系統(tǒng)站點(diǎn)間通過GDM交換數(shù)據(jù)，與區(qū)域其它控制器和畫面系統(tǒng)使用快速以太網(wǎng)通訊，與遠(yuǎn)程I/O和傳動(dòng)通過DP網(wǎng)通訊。具體網(wǎng)絡(luò)配置示意如圖1所示。
                                
                                    圖1  網(wǎng)絡(luò)配置示意圖
    3 GDM全局?jǐn)?shù)據(jù)內(nèi)存網(wǎng)的軟硬件配置實(shí)現(xiàn)

    3.1 GDM全局?jǐn)?shù)據(jù)內(nèi)存網(wǎng)的硬件配置

    全局?jǐn)?shù)據(jù)內(nèi)存GDM網(wǎng)是一種超高速通訊網(wǎng)絡(luò)，它主要應(yīng)用于西門子的SIMATIC TDC控制器系統(tǒng)中，具有下述特點(diǎn)：采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；通訊速率可達(dá)640Mbps；具有2M字節(jié)共享中央內(nèi)存；分站點(diǎn)與中央站點(diǎn)間通過光纖建立連接，最遠(yuǎn)距離為200米；一個(gè)GDM網(wǎng)絡(luò)最多可以支持44個(gè)站點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)最多達(dá)836個(gè)CPU模板之間的數(shù)據(jù)通訊；具備故障狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能。可以看出完全能夠滿足熱連軋系統(tǒng)對(duì)“高速通訊”的要求。精軋區(qū)和粗軋區(qū)域內(nèi)的TDC控制器全部接入超高速光纖內(nèi)存網(wǎng)，用于傳遞對(duì)控制任務(wù)實(shí)時(shí)性要求很高的控制數(shù)據(jù)。

    GDM組態(tài)也需要UR5213來作為專用機(jī)架，CP52M0需要組態(tài)到該機(jī)架的第一號(hào)槽，CP52IO組態(tài)到第二槽到第十二槽的其余槽位。該硬件組態(tài)不需要在Step7中組態(tài)。其余TDC機(jī)架，在硬件中需要組態(tài)CP52A0，該模板需要通過玻璃光纖與CP52IO相連。同機(jī)架TDC多個(gè)CPU之間通過安裝有CP52M0，CP52I0的GDM網(wǎng)實(shí)現(xiàn)同步。大量機(jī)架相互間可通過CP52A0與CP52I0相連接，實(shí)現(xiàn)多個(gè)機(jī)架間通訊。

    3.1.1 在SIMATIC Manager 中進(jìn)行硬件組態(tài)步驟

    （1）新建一個(gè)TDC項(xiàng)目。
   
    （2）選擇組態(tài)的硬件圖標(biāo)，雙擊打開。在HW Config中按照實(shí)際的機(jī)架組態(tài)所需的模板進(jìn)行組態(tài)。

    （3）保持 CPU 等其他模板的默認(rèn)屬性。

    （4）保存和編譯 CPU 的硬件組態(tài)。

    3.2 GDM全局?jǐn)?shù)據(jù)內(nèi)存網(wǎng)的軟件實(shí)現(xiàn)

    同一機(jī)架上的CPU與CPU之間的通訊，必須組態(tài)存儲(chǔ)器模板CP50MO。這樣在存儲(chǔ)器模板上可以提供8Mbyte的存儲(chǔ)緩沖區(qū)。

    CPU和CPU通訊，除了可以使用@GLOB功能塊來實(shí)現(xiàn)CPU之間的通訊，@GLOB功能塊還可以組態(tài)在任意CPU中。CPU-CPU之間的通訊通過使用CTV和CRV功能塊可以用于CPU之間大量數(shù)據(jù)的交換；也可以用于自定義接口的定制任務(wù)。

    通過在每一個(gè)機(jī)架上組態(tài)@SRACK，來實(shí)現(xiàn)不同機(jī)架間的數(shù)據(jù)交換。所有機(jī)架可以被基本同步，可以一致的系統(tǒng)時(shí)鐘，可以在任意時(shí)刻連接和斷開一個(gè)TDC機(jī)架。下面主要介紹不同機(jī)架間的數(shù)據(jù)交換的軟件實(shí)現(xiàn)。

    3.2.1 在SIMATIC Manager 中進(jìn)行軟件組態(tài)步驟

    （1）對(duì)于 TDC RACK1，新建CFC，命名為COM_Rack1，并雙擊打開。

    （2）插入@SRACK 功能塊到表中，連接在硬件組態(tài)中的硬件模板地址D1300B。即利用D1300B 模板作為接口通訊。并把該功能塊組態(tài)到T4 的采樣時(shí)間。因?yàn)樵摴δ軌K要求組態(tài)到32 ms <=TA <= 256 ms。

    （3）雙擊@SRACK功能塊，彈出該功能塊的屬性，選擇I/Os界面。N01～N44表示該機(jī)架的連接與之通訊其他機(jī)架的名稱，在默認(rèn)狀態(tài)下N05～N44是默認(rèn)不見的。A01～A44表示對(duì)應(yīng)的機(jī)架是否激活的狀態(tài)。通過取消N05，A05的標(biāo)記√，即可在功能塊中顯示。

    （4）分別插入CTV和CRV功能模塊，插入NOP1_I功能塊實(shí)現(xiàn)與其它機(jī)架數(shù)據(jù)整數(shù)交換。

    CTV功能塊的參數(shù)說明：

     CTS—連接在硬件組態(tài)中的硬件模板地址D1300B
    AT—設(shè)置通道名稱為A1_S
    MOD—定義為R，Refresh模式
    CRT—定義虛擬連接名稱為!A1S
   
    CRV功能塊的參數(shù)說明：
    AT—設(shè)置通道名稱為A1_R
    MOD—定義為R，Refresh模式
    CRT—定義虛擬連接名稱為!A1R

    （5）在 TDC RACK1中插入RTCM功能塊，TM連接硬件組態(tài)中的CPU模板。通過給IS一個(gè)上升沿，那么05年8月19日10點(diǎn)02分就設(shè)置給D01P01了。選擇機(jī)架槽中最靠左側(cè)的CPU作為時(shí)間源。
   
    （6）選擇TDC RACK5，注意需要修改默認(rèn)機(jī)架的名稱A000為A005。新建CFC，并命名為COM_Rack5，雙擊打開。像TDCRACK1一樣，在TDC RACK5中插入@SRACK功能塊到表中，連接在硬件組態(tài)中的硬件模板地址D1300B。即利用D1300B模板作為接口通訊。并把該功能塊組態(tài)到T4的采樣時(shí)間。因?yàn)樵摴δ軌K要求組態(tài)到32 ms<= TA <= 256 ms。

    （7）分別插入CTV和CRV功能模塊，插入NOP1_I功能塊實(shí)現(xiàn)與其它機(jī)架數(shù)據(jù)整數(shù)交換。

    （8）在TDC RACK5中，插入RTCM功能塊，連接TM到D1300B，意味著該機(jī)架的系統(tǒng)時(shí)間由CP52A0讀入。插入RTCABS功能塊，可以從中讀出系統(tǒng)時(shí)間。

    （9）分別編譯下載程序，由于TDC RACK1和TDC RACK5之間的發(fā)送和接收的通道名稱相同，即A1_S，A1_R。所以TDCRACK1和TDC RACK5即可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。這樣若和其它機(jī)架通訊只需要對(duì)應(yīng)的輸入輸出通道名稱相同。

    4 結(jié)束語

    該控制系統(tǒng)完全滿足板材的各項(xiàng)生產(chǎn)要求，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)軋鋼，達(dá)到國內(nèi)外先進(jìn)水平。大量光纖通信系統(tǒng)提高了通訊系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了高速控制和高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康模档猛茝V。

    參考文獻(xiàn)：

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    [3] （德）韋格曼. 西門子PROFIBUS工業(yè)通信指南[M]. 北京: 人民郵電出版社，2007.

    摘自《自動(dòng)化博覽》2010年第三期