作者：1、霍啟軍，2、刁建華 周 濤 陳錦標 通訊地址：（1 山東大學電氣工程學院 山東 濟南 250014；2 濟南鋼鐵集團總公司中板廠 山東 濟南 250101） 文章從系統(tǒng)硬件組態(tài)和軟件設計方面介紹了全數字控制系統(tǒng)SIMADYN D在中板液壓AGC中的開發(fā)與應用。 1 前言 濟鋼中板廠四輥軋機于1987年建成投產，最初上過一套液壓AGC系統(tǒng)，由于多種原因沒有成功應用，所以一直采用電動壓下。為了更好的控制板形，提高鋼板質量，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劃檢修時間進行了設備安裝與調試。改造后的液壓AGC控制系統(tǒng)采用德國SIEMENS公司的SIMADYN D數字控制系統(tǒng)，系統(tǒng)改造非常成功，投運至今沒有任何故障。 2 系統(tǒng)特點 由于中板生產的特殊性，要想獲得理想的產品質量，液壓AGC技術是必不可少的，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。隨著對國內市場的不斷開發(fā)，作為世界聞名的自動化公司，SIEMENS公司的產品在國內工廠中的占有率已經名列前矛，SIMADYN D是一種實時多任務的分布式數字控制系統(tǒng)，具有運行速度快、可靠性高、功能強大且容易組態(tài)等特點，是實現液壓AGC功能的一種理想的控制系統(tǒng)。特點如下： 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，最小運行周期可達0.1ms，應用程序的控制回路的運行周期可到0.6ms左右；PM6是32/64位的CPU，其主頻為64/128MHz，有DRAM 8Mbytes，SRAM 256Kbytes，最小運行周期可達0.1ms, 應用程序的控制回路的運行周期可到0.5ms左右。 2.2 功能強 SIMADYN D控制系統(tǒng)是一種多處理器、多任務實時控制系統(tǒng)，一個機架中最多可以配置8個CPU，每個CPU中又可以并行處理67個任務，每個任務中最多可以包含10000個功能模塊，而且可以根據需要，對每個功能模塊配置時鐘周期（T1－T5）。 2.3 編程靈活 SIMADYN D的開發(fā)軟件使用的是基于UNIX操作系統(tǒng)面向圖形的配置語言STRUC G和面向List的語言STRUC L，同時也支持基于Windows操作系統(tǒng)面向圖形的配置語言CFC。用戶可以根據自己的需要靈活選用不同的編程語言對系統(tǒng)進行配置。 2.4 產品種類齊全、可擴展性強 SIMADYN D控制系統(tǒng)擁有豐富的硬件模塊。機架有6槽、12槽、24槽三種，同時還有各種各樣的I/O模塊和接口模塊，用戶可以根據自己的實際情況任意選用不同的機架、電源、處理器、I/O模塊和接口模塊，從而構成滿足各種要求的控制系統(tǒng)。同時該系統(tǒng)還可以通過DP網、工業(yè)以太網與SIEMENS 的PLC和其他自動化公司的產品聯用。 3 系統(tǒng)硬件構成 與目前國際上通用的軋機AGC控制系統(tǒng)結構模式一樣濟鋼中板廠的四輥軋機液壓AGC控制系統(tǒng)分為兩級：過程控制級和基礎自動化級。 3.1 過程控制級 過程控制級包括一臺ALPHA機和一臺過程服務器：其中ALPHA機通過以太網接收基礎自動化級送來的來料信息——鋼種、來料厚度、目標厚度、來料溫度等（由操作工在WinCC監(jiān)控站上輸入），以及基礎自動化級實時傳送過來的各種過程參數（輥縫、壓力、溫度、電壓、電流、轉速、力矩等），在線計算出一個實用的軋制規(guī)程，并實時傳送到 基礎自動化級，控制相應的執(zhí)行機構動作，并存貯軋制過程數據；過程服務器通過以太網接收、存貯軋制過程數據（包括來料信息——鋼種、來料厚度、目標厚度、來料溫度等，以及各種過程參數——輥縫、壓力、溫度、電壓、電流、轉速、力矩等），并可以通過數據庫在線查看實時軋制數據，或在線、離線分析歷史數據。 3.2基礎自動化級 基礎自動化級 包括1個SIMADYN D機架、一臺WinCC監(jiān)控站和兩個ET200站的。 3.2.1 SIMADYN D機架 液壓AGC控制器采用SIEMENS公司的SIMADYN D(簡稱SD)系統(tǒng),SIMADYN D是整個控制系統(tǒng)的核心，它以一個24槽機架作為框架，帶有L—BUS和C—BUS及電源。其中包括三個CPU 模塊（PM5：其中第一個CPU中運行HGC（液壓APC）軟件，第二個CPU中運行AGC軟件，第三個CPU中運行AGC邏輯控制軟件。）、一個存貯器模塊（MM4）、兩個I/O模塊（一個IT41、一個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，主要用于采集電動碼盤（脈沖計數器），輥縫（16位模入），壓力（16位模入），及四輥主傳動控制系統(tǒng)電壓、電流、轉速、力矩（12位模入）等信息；控制執(zhí)行機構（壓下電機、伺服閥：16位模出）、一個通訊母板（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H1網卡（CSH11：用于SIMADYN D與WinCC監(jiān)控站的通訊），見下圖（圖二）： 3.2.2 WinCC監(jiān)控站 WinCC監(jiān)控站經過內插的CP1613通過SIEMENS 的工業(yè)以太網（H1網）與SIMADYN D進行通訊。WinCC監(jiān)控站運行的監(jiān)控軟件為SIEMENS公司的WINCC,選用256點WINCC完全版。開發(fā)的人機界面軟件HMI顯示的內容有圖形、數據等，還有軟開關供操作工操作。WinCC監(jiān)控站接收SIMADYN D的實時數據輥縫、壓力、溫度、工作狀態(tài)及主傳動電壓、電流、轉速、力矩等，再經以太網（TC/PIP協議）將這些數據傳送到過程控制級，同時接收上位機計算出來的軋制規(guī)程，并下載到SIMADYN D中執(zhí)行。WinCC監(jiān)控站還用于顯示相應的軋制過程數據及工作狀態(tài)，供操作工監(jiān)控。另外，人工規(guī)程和來料信息——鋼種、來料厚度、目標厚度、來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遠程I/O接口，包括模入、模出、開入、開出等。 其中3#站作為SIMADYN D的遠程I/O，通過一根通訊電纜將軋鋼操作臺上的按鈕、指示燈、顯示儀表等與SIMADYN D連接起來，大大減小了電纜數量；4#站則用于連接一些現場信號（溫度、熱檢、液壓站等信號）。 3.2.4 檢測系統(tǒng)： 壓下控制系統(tǒng)的檢測系統(tǒng)包括電動碼盤、電動位移傳感器、液壓位移傳感器、壓力傳感器、測溫儀、熱檢器、測寬儀、測厚儀等。 3.2.5 執(zhí)行機構 壓下控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構由電動壓下和液壓壓下兩部分組成。電動壓下的執(zhí)行機構是壓下電機，由SIMADYN D系統(tǒng)計算出壓下速度設定值并輸出相應的電壓信號，控制壓下電機驅動電動壓下螺絲上下移動；液壓壓下的執(zhí)行機構是伺服閥，其控制信號也由SIMADYN D系統(tǒng)通過模擬量給出，控制伺服閥的開口方向和開口度，驅動游缸上下移動。 4系統(tǒng)軟件功能 濟鋼中板廠的四輥軋機現主要用于精軋機，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，控制系統(tǒng)中還預留、設計了單機架軋鋼的功能，一旦需要，很快就可以調試投用。利用SIMADYN D編程軟件STRUC G開發(fā)的用戶程序,建立了各種控制的數學模型，具有APC（位置自動控制）、AGC（厚度自動控制）、自動輥縫清零(或叫自動壓靠)、保護（過壓、過壓差、液柱過高或過低等）等自動功能，以及輥縫微調、鐮刀彎調節(jié)等人工干預功能。 下圖是STRUC G開發(fā)的用戶程序示例： 4.1 APC（位置自動控制） 在實際軋鋼過程中，控制系統(tǒng)根據過程控制機下達的設定位置，通過調節(jié)伺服閥控制油缸的移動，使軋輥到達目標位置（定位精度為±0.01mm）。（在單機架生產時，則首先通過壓下電機，控制壓下螺絲動作使軋輥到達某一范圍即停下來，再通過調節(jié)伺服閥控制油缸的移動，來補償電動定位誤差，使APC的最終定位精度達到±0.01mm。） 4.2 AGC（厚度自動控制） 包括絕對值和相對值兩種。在過程控制級投用時，采取絕對值AGC方式，由過程控制機向SIMADYN D發(fā)送每一道次的壓力設定值和輥縫設定值，SIMADYN D則根據實測壓力計算出AGC調節(jié)量；在過程控制級未投用時，采取相對值AGC方式，過程控制機不參與控制，SIMADYN D在咬鋼以后鎖定一個壓力值作為本道次的壓力設定值，然后將實測壓力和此設定值比較，計算出AGC調節(jié)量。AGC調節(jié)量被疊加到輥縫設定值中，控制輥縫動態(tài)調整以減小同板差。 4.3自動輥縫清零(或叫自動壓靠) 包括電動輥縫清零和液壓輥縫清零。當需要做輥縫標定（清零）時，操作人員只需在操作臺上將相應的開關扳到“壓靠”位置，油缸間自動下壓到1250噸（可以更改壓力設定值），并保持5秒，自動將將液壓輥縫清零。 4.4保護 為了保證設備和系統(tǒng)的安全可靠，該系統(tǒng)設計了多種保護措施。如過壓保護（壓力和）、過壓差保護，當兩側壓力和超過3000t或兩側壓力差大于500t時，立即打開快泄閥，使油缸中的液壓油迅速流回液壓站，從而使軋輥快速抬升，保護軋輥；液柱過高或過低保護，由于油缸行程的限制，對其中的液柱高度就有一定的要求，如果液柱過高或過低則表明系統(tǒng)不正常，立即打開快泄閥。當這些保護或其它故障現象出現時，在WinCC監(jiān)控站上會立即顯示出相應的報警信息來。 4.5 人工干預 為了操作的靈活、方便，該系統(tǒng)保留了一些人工干預功能。例如在自動軋鋼時，操作工可以根據當時的實際情況，稍微調大或調小輥縫設定值，以得到最佳產品厚度；也可以稍微調大或調小輥縫差設定值，以得到最理想的板形。同時，該系統(tǒng)具有記憶功能，在進行大批量的同一規(guī)格產品軋制時，操作工可以將某一塊鋼板的軋制表記憶下來作為該規(guī)格后面產品的軋制規(guī)程。另外，本系統(tǒng)還具有半自動和全手動軋鋼功能。半自動是由操作工來控制道次的切換，而由計算機來擺輥縫；全手動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控制電動壓下螺絲來擺輥縫軋鋼。 5運行效果 濟鋼中板廠四輥軋機改造后的壓下控制系統(tǒng)自從今年年初投用以來，運行非?？煽?，沒有出現過系統(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、穩(wěn)定性好等特點。 6作者簡介 霍啟軍，男，30歲，電氣工程師。1996年7月畢業(yè)于山東工程學院電氣工程系，獲工學學士學位，山東大學電氣工程學院2004級工程碩士研究生在讀。現主要從事自動化控制系統(tǒng)的開發(fā)與研究工作。電話：0531－8866237；E-mail:hqjjn@163.com 或hqjjn@sina.com