基于工业PC和PLC的中厚板轧机监控系统.pdf

系统与装置 基于工业 P C和 P L C的中厚板轧机监控系统 牛文勇 ， 王君 ， 李建平 ， 张殿华 ， 张其生。 ， ,g - N ， 陈建华 1 ． 东北大学轧制技术及琏轧自动化国家重点实验室， 辽宁沈阳 1 1 0 0 0 6 ； 2 ． 首钢总公司中厚板厂 [ 摘要]基于中厚板轧机液压 A G C计算机监控系统的设计和调试实践 ． 详细介绍了该监控系统的硬件和软 件配置 、 功 能分配 、 数据流程及应用程序结构 ， 剖析 了该监控系统的 网络通信 方式和运行机理 I 关键词] 中厚板轧机 ； A GC； P L C； 工业以太网 ； 监控 【 中图分类号 】 T G3 3 3 ． 7 。 1 ； TP 2 7 3 [ 文献标识码】 B [ 文章编号】 1 0 0 0 - 7 0 5 9 2 0 0 1 0 6 0 0 3 3 0 4 M o ni t o r a nd c o nt r ol s y s t e m of t h e p l a t e mi l l ba s e d o n i nd u s t r i a l PC a nd PLC N I U We n ． y o n g 。 WA N G J u n _ L I J i a n - p i n g ． Z H A N G D i a n h u ， Z H A N G Qi s h e n Z HAO S h e n g - g u ． C HE N J i a n h u e 1 S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f Ro l l i n g a n d Au t o ma t i o n o f No r t h e a s t e r n Un i v e r s it y ， S h e n y a n g 1 1 0 0 0 6 ， Ch i n a 2 P L a t e R o l l i n g Mi l l o f S h o u g a n g Gr o u p C o mp a n y Ab s t r a c t To e x p l i c a t e t h e h a r d wa r e a n d s o f t wa r e c o n f i g u r a t i o n，f u n c t i o n a s s i g n me n t ．d a t a flo w a n d a p p t i c a t i o n p r o g r a m s t r u c t u r e o f t h e mo n i t o r i n g s y s t e m o n t h e b a s i s o f s y s t e m d e s i g n i n g a n d d e b u g g i n g o f a p L a t e md L h y d r a u l i c AGC c o mp u t e r mo n i t o r i n g s y s t e m ．Th e n e t wo r k c o mmu n i c a tio n mo d e a n d o p e r a t i o n p r i n c i p l e o f t h e a o p e r v i s o r y s y s t e m a r e d i s s e c t e d Ke y wo r d s p l a t e rai l ；AGC；PL C；i n d u s t r i a l Et h e r n e t ；s u p e r v i s o r y 0 前言 首钢 中厚板厂 3 3 4 0 mm 四辊精轧机原压下 装置为电动压下 ， 该设备刚度低 、 问隙大， 测试手 段不完备 ，轧制厚度控制都是靠人工看指针盘操 作 ， 不能带载进行动态调节 ， 厚度控制精度低 ， 难 以实现负偏差交货 ， 造成企业资源的浪费。 为提高产品厚度精度 ， 实现负偏差轧制 ， 提高 成材率 ，由东北大学轧制技术及连轧自动化 国家 重点实验室负责，对该轧机的控制系统进行了大 规模改造 ，增设了液压压下系统和 A GC所必须 的顶帽传感器、液压缸位移传感器、轧制力传感 器、 液压缸油压传感器、 板宽测量仪、 红外高温测 量仪等检钡 4 仪表， 并增加了由P L C和工业 P C机 组成的两级计算机监控系统，使轧机性能得以充 分发挥 ， 产品质量大幅度提高， 轧制过程数据处理 与记录的准确性和速度大大提高， 操作人员的劳 动强度明显下 降。 1 系统组成和功能 监控系统分为基础 自动化级和过程计算机 级， 过程机完成高精度的设定计算， 基础自动化完 成高响应性能的 AG C和 AP C闭环控制。基础 自 动化级采用西门子 s 7 ． 4 0 0 P L C和 O P 4 7 操作员 站 ， 二者通过 MPI Mu l t i P o i n t I n t e r f a c e 连接 ； 过程机采用工业计算机， 过程机和P L C之间通过 工业以太网连接。整个系统组成如图 1 所示。 f 过 机 } _ 圃过 程 计 算 机 L。 。。 。。 。 。 。’ ’。 。。 。。 。。 。 。’ 。一 L 1 E 级 匝 -蔓 厂 I 塞 堡 星 塑l 图 1监控 系统组成 收稿 日 期1 2 0 0 0 - 1 2 4 ； 【 修改稿收到日 期1 2 0 0 0 - 1 2 - 0 4 作者简介1 牛文勇 1 9 6 7 一 ． 男， 甘肃泾川 ． 工程师 ． 硕士， 主要从事轧钢自动化和计算机控制系统的研究与开发应用。 冶金自动化2 0 0 1 年 第 6期 3 3 维普资讯 系统与装置 1 ． 1 监控系统硬件配置 1 P L C系统配置 P L C完成与精 轧机 相关 的所 有逻辑控 制 、 A 控制、 A P C闭环控制、 故障判断与故障信息 记录等任务。 由于 C P U一 4 1 6 具有强大的处理和运 算能力， 整个系统只采用了 1 块 C P U模板。P L C 系统配置见表 1 2 过程机、 操作员站和编程器的硬件及软件 配 置 过程机完成钢板原始数据输入和记录，轧制 规程的设定计算和优化，轧制过程数据记录等功 能；O P 4 7 操作员站作为人机接口安装在主操作 台上， 实现轧制规程的调用、 修改， 轧线设备运行 状态监视和轧制过程数据监视功能；编程器用于 对 P L C的编程 、 调试等。 过程机为研华 I P C 6 1 0 工业计算机；编程器 为笔记本电脑，配备一 台适配器后可以通过串行 通信 口对 P L C编程 ；操作员站 O P 4 7是采用 T F T Th i n F i l m Tr a n s i s t o r L C D技术的高性能 表 l P L C系统 配置 名称 通道t 点 敏 功能 P W S 1 0 7 U． 41 6 一 模拟量输A A J I 6 C LA N “ 模拟量输出 A O 1 6 k i n 数字输入 DI 】 6 0 P N T 数字输出 13 0 1 2 8 P 上业以太 网 P L C系统电源 逻辑 及数学运算 液 缸 位移 和 直流 传 动系统 的 乜 流 迪度等橙洲 主机皿压下 电机浊度 最定． 伺服 闷电流 殴定 、 过程变量删试 娩 嗣建 器 丛热 属椅恻 器的 状态检测 ． 开关厦接触器等状 态 椅测 ． 电动压下 位置 轧制 山 、 温 度 、 宽 度 、 厚 度 检 测 1 1 码 式 直流 渊速 器 、 电动 雎 F逻辑 控 制 ． 指示灯 、 B C D码词速 盛币等 1 过程机 业 以太网通情 平面显示一体机， 具有体积小、 耗电省、 可靠性高、 寿命长 、不易受振动冲击和辐射干扰等优点 。具 体的系统配置如表 2 1 ． 2 监控系统 的软件平台 表 2 过 程机 、 操作 员站和编程器硬件配置 1 监控组态软件 Wi n C C Wi n C C是基于 Wi n d o ws 9 5 ／ 9 8 ／ N T 的面向 对象的3 2 位应用软件， 采用面向对象的软件技术 开发 它不仅提供了在工业上用于图形显示 、信 息处理、 归档和报表的基本功能模块， 还提供了用 户文档、过程控制软件包和开放开发工具等可选 软件包。 Wi n C C的数据管理器采用结构化的数据 存储方式存储组态数据 如变量表、 文字信息 和 过程数据 如过程信息、 测量值和用户数据记录 ， 这种存储方式保证了无论是组态数据还是运行过 程数据都可以准确无误地读取 2 P L C编程软件 S t e p 7 S t e p 7是 基 于 Wi n d o w s 9 5 ／ 9 8 ／ NT 的 s 7 3 0 0 ／ 4 0 0 P L C标准软件包 通过 S t e p 7 ， 用户 3 4 可以进行系统配置和程序 的编写、 凋试 ， 在线诊断 P L C硬件状态、控制 P L C的运彳 _亍 状态和 I ／O通 道的状态等。 1 ． 3通信网络 工业以太网是西门子 P L C的高速工业控制 网络， 它是一种总线型结构的局域网， 传送速度高 达 1 0 Mb ／ s ， 主要用于区间级 、 单元级和设备级 ， 实现管理 、监控及控制功能。当通信负荷量小于 网络能力的 3 0 ％时 ， 网上各站 随机发送数据相互 碰撞的机会大大减少 ，使以太网的实时性大大提 高， 从而确保了过程机和 P 【 c系统的快速数据交 换 能力 。 MP I 是集成在 s 7 3 0 0 ／ 4 0 0 C P U上的连接编 程装置的标准接13 ， 其通信速率为 l 8 7 ． 5 K b ／ s Met al l ur g i c al I ndus t r y Aut oma t i on 2 0 01 No 6 维普资讯 基 于工业 P C和 P L C的 中厚板轧 机监控 系统 带 MP I 接 口的 C P U 可以直接连人阿 2 数据的采集和传递 根据分工 ，基础 自动化和过程计算机完成各 自不同的任务并进行彼此间的数据传递 过程机 和操作员站 的 Wi n C C数据管理器经 由各 自的通 oP 4 7 操作员站 图形监视、 数据显示、 J l 信 Hw 显 示 、趋 势 曲 线 I l” ” u 匿董 錾H l 二 l 数 J 轧 制 规 程 修 改 保 存 l f 熹 需一 i 器 J 刚 度 测 试 控 制 ，监 视 l 』 I P C过程计算机 圉 形 监 柱 、 数 据 显 示 、 1 数 据 记 录 、故障信息 存档、 趋势曲线 ， 报表 输出 w。 “ C C 原始数据／轧制规程 数 输、 修改、 保存 据 管 调 零 数 据 记 录 囊 刖度曲线生成 轧制规程优化 M P 信网络读写数据 ，数据管理器按照通信协议在后 台不断更新数据，用户程序对数据的读取和修改 则通过标签 T a g 实现。用户只需在标签管理器 中定义标签的地址 、数据格式等后就可 在程序 中应用它们。数据的流动和传递方向如图 2 所 工 业 以 太 网 故障信息 记录数据块 刚度删试、 诵零数据块 轧制过程 数据块 构 数据『 l O P 4 7 、 I P C 变换J 数据交换公 控制』 l 用数据块 l 绝对值 A G C 轧 制 参 数l r 压 力A G C 设定数据块l 1 电 动A P C 一} 液压 A P C ． 一一一一一．．．．．．一一一一一一一一一。一．．．．．一．一一一一．一．．．． 图 2 数据流 动和传递示意 习、。 2 ． 1 过程数据的采集和输出 所有轧制过程数据都 由 P L C采集 ， 这些数据 以标准模拟量信号或以数字量 B C D码方式进 入 P L C， 采集的数据经过标定和工程化处理后存 人轧制过程数据块。过程机和操作员站用户程序 根据需要读取数据，并对数据进行图形显示、归 挡、 打印输出等处理 另外， P L C将一部分重要数 据 以模拟 指针或 B C D码方式 输 出到操作 台显 不 。 由于受 Wi n C C数据更新速度所限， 瞬间 持 续时间小于 2 5 0 ms 的故障状态往往不能正确判 断和记录，为此将故障判断和故障数据记录功能 移到P L C中， 由P L C判断并记录故障数据， 然后 将故障信息和数据送人 Wi n C C的故障信息和故 障记录数据库。刚度测试和轧机调零 的数据也由 P L C记录到数据块后再传给过程机。 轧制规程及设定参数由过程计算机或操作员 站 确认 后 送到 P L C P L C根 据这 些 数据进 行 A G C控制和其它控制的设定计算， 设定计算的数 据包括 AGC设定值、 电动压下速度 、 液压缸位置 冶金 自动化2 0 0 1年第 6 期 模 拟 输 出 数 字 输 出 模拟表指示 直漉电动压下 液伍伺 8 硅 放大器 B C D码显示 运行 、 逻辑控制 状态指示 等， 控制参数由 P L C的模拟输出或数字输出口输 出到相应的执行机构。 2 ． 2数据的传递 由于过程机和操作员站之间的数据交换和传 递都是通过 P L C实现的，为此在 P L C中建立了 专 门用于数据交换 的公用数 据块 ，并在 wi n C C 的全局脚本 Gl o b a I S c r i p t 中建立相应的数据交 换用户程序。数据交换采用事件触发控制方式， 当满足特定的触发条件时触发数据交换程序，发 送方数据交换程序置位数据传送开始标志并将需 要传送的数据进人数据交换公用数据块， 在传送 结束后置位结束信号；接收方在接到对方发送结 束信号后开始从数据交换公用数据块读取数据， 数据读取完成后将所有数据传送标志复位，为下 次数据传送做好准备。数据交换的程序流程如图 3 所示。 3监控应用程序 监控应用程序主要包括监控图形系统、故障 信息系统 、 数据记录和报表系统 4个部分 ， 这些部 分相互结合， 实现了监控系统的状态监视 、 数据录 人 、 故障报警与记录、 数据记录和报表打印功能。 3 5 一 m 一移 流 寓 一 呲 抛 掘 一 桩 掳 扮 一 岢 闺 一 1 一 维普资讯 基于工业 l ， 【 ’ 和 P 1 C的中厚板轧机监控系统 ／开始 数据交换控制 、 ，开始 数据交换控制 标簦值改变 ／ 标签值改变 厂 l Y 】 数据送公用数据 块 l l 读取公用数据块数据 j ； 赴 l 上 赢 读 取 碗 ＼／ 、 、、 ／ l Y Y l 置位发送完成标 志l l 复位数据 交换控制标签 图 3 过程机 和操作员站数据交换流程 3 ． 1 轧制过程图形系统 轧制过程图形系统处理过程操作中所有屏幕 上的输入和输出信号， 是操作员／ 工程师了解和修 改轧制过程数 据的最直 观的界 面。按 照分 工不 同，过程机图形系统和操作员站图形系统有所不 同。过程机图形系统主要包括原始数据录入、轧 制规程录入／ 修改、 轧制过程数据监视、 轧机刚度 曲线 、 故障信息、 趋势显示等图形； 操作员站主要 包括原始数据读取确 认／ 修改、 轧制规程的读取／ 确认／ 修改、 故障信息、 趋势显示、 轧机调零控制、 刚度测试控制、 轧制状态／ 数据监视等图形。这些 动态图形使操作员／工程师能够方便快捷地了解 到自己所需要的信息。 3 ． 2 故障信息及其存档 故障信息系统提供在生产过程中出现的故障 和操作状态以及自动化过程的综合信息，并可以 显示 当前和历史 的进程 ，监控生产过程事件和 Wi n C C系统事件， 并以图形、 打印等方式输出所 记录的故障信息。故障信息记录的故障属性包 括 故障编号、 发生时问、 故障级别、 故障类型、 相 应的过程数据等。 故障信息系统有短期归档和顺序归档两种方 式。本 系统采用短期归档方式，短期归档库可以 存储 1 0 0 0 0条信息， 以循环档案库的方式存储在 硬盘中。 3 ． 3数据记录 过程数据记录可以记录单个测量点或一组测 量点的值 ， 本系统对重要的过程数据采用周期性记 录方式记录 ， 其他需要记录的数据采用事件触发方 式记录。 记录的数据可以以趋势曲线或表格形式输 3 6 出到屏幕上 ， 或以报表形式输出到打印机。 过程机上用 Wi n C C的“ 用户文档” 功能进行 工程数据记录 ，工程记录的数据为每一炉钢的原 始数据和统计数据 总块数、 轧废块数、 回炉块数、 变规格块数等 ； 每一块钢各个道次的实际轧制过 程数据 辊缝、 出人口温度 、 轧制力 、 压下量 、 出 口 厚度等 及一些非过程数据 来料宽度、 终轧宽度、 终轧厚度及轧制时间 。 3 ． 4报表输出 报表系统将在过程 中记录的数据打印输出到 打印纸或打印到文件，用户定义的打印任务可以 按小时 、 天、 星期及月报等形式循环输 出记录的数 据 ，特定事件或操作人员也可 以触发打印操作。 故障信息顺序报表将输入的故障信息立即打印输 出到打印机上 逐行打印 4运行效果 该系统于 1 9 9 9 年 1 1 月投入使用，应用效果 良好 监控系统的投入使操作员的操作更为方便 快捷， 控制手段更为现代化， 操作的差错率和工作 强度大幅度降低； 同时， 检测和数据记录手段的更 新使数据的检测记录更为准确 、 迅速和全面， 为技 术人员进行数据分析提供了可靠的依据和丰富的 数据资源， 为提高成材率、 降低生产消耗提供了高 质量的控制方式，为进一步提高产品质量夯实了 基础。 经考核， 液压位置控制的定位精度选到 0 ． 0 1 mm， 响应频率为9 H z 左右。经对实物产品的测 量检查 、 统计平均， 同板差为 0 ． 0 4 4 F i l m、 命中率 为 9 6 、 0 ％ ，异 板 差 为 0 ． 0 6 mm、命 中 率 为 9 5 、 7 1 ％， 板凸度为 0 、 1 2 3mm。各项指标均达到 了设计要求，成品指标达到国内先进水平。负差 盈重率 由 1 9 9 9年 的 1 ． 6 5 ％提高到 2 0 0 0年 第 1 季度 的 2 ． 0 9 ％。 6 ～8 mm 等过去手 动轧钢废品率 较高的产品， 成材率比 1 9 9 9 年提高 1 、 7 4 ％， 达到 8 8 ． 9 6 ％。负差盈重率、 薄规格成品成材率创出中 板厂历史最好水平。 参考文献】 t l 邱公伟可编程控制器网培通信及应用【 M】 ． 北京 清华大学 出版杜 ， 2 0 0 0 ． 2 】 凌澄 P c总线工业控制系统精粹 【 M】 ． 北京 清华大学出 版杜 ， 1 9 9 8 ． 编辑 魏斯江】 Me t a l l u r g i c al I n d u s t r y ． Au t o m a t i o n 2 0 0 1 No 6 维普资讯