| 荣获“2005年度工控及自动化领域优秀案例”有奖评选 三等奖 |
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| | 专家点评： |
| | 该论文是一篇设计总结。介绍了宽厚板工程加热炉瓦，轧机瓦和剪切瓦自动化硬件设备的配置情况和I/O点的数量及I/O模块的配置。
宽厚板轧机的自动控制是相当复杂的，尤其是精轧机的自动厚度控制（AGC）、自动宽度设控制（AWC）、自动板型控制（AFC）这些功能为何实现论文没有提及。目前国内新上的4300mm和5000mm宽厚板轧机在控轧控冷技术上又有新的突破。其数学模型都存于服务器中。对于配置图中的服务主要是生产管理功能，介绍地也欠详细，尤其是PDI原始数据的采集和生产计划的形式没有L3级的情况下，如何实现的。
论文对宽厚板轧机控制系统的国产化，自主集成有一定参考价值。
点评人：宋道峰 |
济钢宽厚板一期工程是济钢"九五"规划的重点工程,建成投产后,可生产造船板、碳素结构板、锅炉板、高压容器板、低合金板、桥梁板、汽车大梁板、海洋采油平台板、高强度板、管线板、军用装甲板和其他工业用板等，因此自动化系统系统要求高，系统要求反应速度快、联网功能强、可靠。经过对多家国外自动化生产厂家的考察，我们选择了
Siemens公司生产的
PLC及传动设备 分以下分三部分介绍：
SIMATIC-S7系统
传动系统
计算机管理网
第一部分 SIMATIC-S7系统
当今，在瞬息万变的工业自动化控制领域中，可编程控制器可谓是品种繁多良莠不齐，而德国SIEMENS公司最新推出的SIMATIC_S7控制器，不但具有可编程控制器的含义，而且意味着更多的内容。那就是：全集成自动化。它代表了一种将生产制造和工艺过程领域统一起来的革命性的新方法。从而使所有的软硬件都能合成为一个系统。这种集成包括三个方面：
在数据管理方面：数据仅需输入一次，整个工厂即可获得该 数据。
在配置与编程方面：所有单元和系统都由一个全集成且模块化的系统进行配置、编程、启动、测试和监控。
在通讯方面：不用编程，只需填一下表格即可完成。
因此，它成为当今自动化领域的佼佼者。基于上述特点，济钢在宽厚板工程中的全部自动化控制系统均采用SIEMENS公司生产的SIMATIC－S7产品。下面就简要介绍一下SIMATIC-S7产品在该工程中具体应用情况。
一、系统组成
该工程按工艺要求将整个电控系统分成四部分，每部分采取I/O站分散布置，并利用
Profibus－FMS网实现多个PLC通讯、数据交换、对电器设备及工艺过程进行操作、控制、管理。这四部分分别是：
(1) 加热炉本体
(2) 加热炉后
(3) 轧机区
(4) 剪切区
1.加热炉本体
两座加热炉的仪控计算机采用了两套CPU413－1型可编程控制器，每套PLC负责控制一座加热炉的全部仪表。用来完成加热炉各过程工艺参数的数据采集与过程控制。在软件方面将先进的模糊控制与经典的PID控制相结合以达到加热炉最佳燃烧的控制效果。该系统还与管理网络进行通讯，传输生产过程参数、接收管理与控制信息。
1.1主要检测与控制项目
1） 加热炉第一加热段钢坯温度检测、炉内温度检测与调节，一段煤气流量检测，热风流量检测与调节，煤气热风压力检测。
2） 加热炉第二加热段钢坯温度检测、炉内温度检测与调节、二段煤气流量检测，热风流量检测与调节，煤气热风压力检测。
3） 加热炉第三加热段钢坯温度检测、炉内温度检测与调节、三段煤气流量检测、热风流量检测与调节、煤气热风压力检测。
4） 加热炉第一、第二加热段之间、加热炉第二、第三加热段之间，炉头、炉尾温度检测。
5） 加热炉炉膛压力检测、与调节。
6） 煤气总管压力检测与调节。
7） 热风管压力检测与调节。
8） 煤气、热风温度检测。
9） 钢坯出炉温度检测。
10） 换热器前后烟道温度检测。
11） 气化冷却汽泡温度、压力检测、液位检测与调节。
1.2 PLC硬件组成：
中央处理单元CPU 2块：CPU413-1
8路模拟量输入模板14块
8路模拟量输出模板4块
32点数字量输入模板2块
16点数字量输出模板2块
通讯模板2块：CPU443-5
电源模板2 块
1.3每套主机控制的I/O点数如下：
模拟量输入56点
模拟量输出16点
数字量输入32点
数字量输出16点
加热炉炉温主副控制原理图见图一：
图一
2.加热炉后：
加热炉后PLC控制系统主要用来控制12套
西门子生产的6RA24直流调速装置，用来完成两座加热炉的进料与排钢。坯料由天车放在受料台上，然后逐块用推料机送上受料辊道，并经进炉辊道后由各自的推钢机送入加热炉中进行加热，待坯料被加热至1059－1200度时，将坯料由炉内推出到加热炉出炉辊道上，系统自动记录与显示进炉的料坯数量。该系统由一个本地单元和一个扩展单元组成。
2.1硬件组成如下：
中央处理单元CPU412-1 1块
电源模块1块10A
32点数字量输入模板15块
16点数字量输出模板15块
接口模板2块
通讯模板2块
2.2 其控制的I/O点数如下：
数字量输入：480点
数字量输出：240点
2.3控制设备范围
本系统共控制如下设备：
一套受料辊道
七套进炉辊道
四套推钢机
四套钢坯计数器
2.4控制方式
采用集
中控制方式，整个操作集中在炉前操作室的二个操作台上，通过改变操作台上的主令给定，实现可逆式有级调速。当遇到紧急情况时，可通过操作台上的禁止按钮来终止整个系统的运行。
程序流程框图见图二。
3. 粗轧机区
使用一套CPU414－2DP型可编程控制器来完成轧机APC及测温，测厚，测宽等轧制线上的工艺操作控制。
3.1主要控制项目如下：
实现精确的压下APC控制
粗轧机前、精轧机后、轧机间钢坯温度测量
在线钢坯跟踪检测
粗轧机后钢坯测宽
钢坯进料与钢板成品重量测量
轧机轧制压力、轧辊辊缝、轧制速度测量
主
电机扭力测量、振动测量、轴瓦温度测量
3.2该系统由一个本地单元和3个扩展单元组成，其具体硬件组成如下：
中央处理单元CPU414-2DP 1块
电源模板 4块
高速计数模板 2块
8路模拟量输出模板 2块
8路模拟量输入模板 2块
16点继电器输出模板 4块
16点数字量输出模板 1块
16点数字量输入模板 20块
接口模板 4块
通讯模板 1块
3.3其控制的I/O点数如下：
模拟量输入 16点
模拟量输出 16点
数字量输入 320点
数字量输出 80点
图二
4.剪切区
使用一套CPU314－1型可编程控制器来完成剪切区的工艺操作控制。具体控制内容如下：钢板的输送、定位、定尺、划线、剪切。主要设备包括：一套电磁移钢机、二套纵剪辊道、一套剪间辊道、一套横剪定尺辊道、一套液压电磁阀、激光划线机、升降定位挡板。
4.1该系统由一个本地单元和3个扩展单元组成， 其具体硬件组成如下：
中央处理单元CPU314-1 1块
电源模板 4块
接口模板 4块
16点数字量输入模板 7块
16点数字量输出模板 25块
4.2其控制的I/O点数如下：
数字量输入 112点
数字量输出 400点
二、软件部分
软件包括两部分：STEP7标准软件和可选软件包。
1.编程软件采用STEP7，主要完成下列任务：
硬件的组态与参数设置
通讯的定义
编写用户程序
测试、启动与维护
文件建档
2.在该工程中还使用了下列三种软件包
高速计数模块软件包 用来完成压下计量任务
闭环控制软件包--用来实现闭环控制问题
模糊控制软件包--用来实现加热炉的最佳燃烧控制问题
集合以上软件运行在WINDOWS95环境下，具有友好的用户界面和全方位的在线帮助，操作简单，方便易学。
为生成用户程序STEP7提供了下列三种标准化变成语言：
语句表（STL）
梯形图（LAD）
功能方框图（FBD）
用户可选择最适于工作任务和自身条件的语言编程
通过使用发现该软件有如下特点：
软件为用户提供了全面而综合的帮助功能，使用户能在较短的时间内快速了解全部系统。STEP7编程语言提供了非常丰富的指令集，它使复杂功能的编程变得简单快捷。
提供了结构化的程序设计方法：STEP7以块形式管理用户编写的程序和数据，可以通过调用语句将它们组成结构化的用户程序，增加了程序的可读性和易维护性。
系统为用户提供了大量预先编制的功能块，用户可直接使用使用这些功能块，从而大大缩短了编程时间。
数据采取集中存贮方式，仅需输入一次所有的软件单元即可得到
符号由一个统一的符号表进行管理，本工程范围的所有工具均可使用。
便捷的管理单元，处理整个工程的管理事务，协调所有的工具并管理由用户制作的所有应用系统。
三、编程方法
编写用户程序在内装STEP7的PG740编程器或PC机上进行，编程语言采用的是梯形图方式。既可使用MPI口或Profibus网在线编程也可离线进行。程序调试完毕后用锁保护钥匙进行程序锁存保护，并把调试好的程序下装到FLASH卡后插入CPU中作为程序后备。
四、网络通讯
通过网络可以将分散的PLC连接起来，以实现多个PLC之间的数据交换与通讯，在宽厚板厂我们使用了Profibus－FMS网把所有S7－400系列可编程控制器连接起来，实现了全部现场数据的集中显示，工艺设备联锁及调度管理等功能
在实现上，硬件只需增加一块CP443通讯模板，软件不需要任何编程，只使用连接表格就可简单地解决谁与谁通讯的问题，在任何时候任何地点都可对其进行修改。
通讯协议采用了S7－FUNCTION，该协议及对应的通讯功能块均集成在CPU中，用户可在程序中直接调用。
网络拓扑图如图三：
五、实时监控
挂在Profibus网上的上位机可通过内装WinCC控制软件来实现操作员控制和实时监控任务。WinCC是运行在Windows95或WindowsNT环境下的面向对象的工业监控软件。它采用"SybasekSQLhAnywhere"数据库来存储数据，它能自动组织和存储要为特定项目显示的所有数据，并作为一个图标显示出来。这是一个32位的应用程序，适用于Windows95和WindowsNT以及在单
图三
用户系统中独立运行和在客户机/服务器组态中运行，它特别适用于数据的快速存储，因此最能满足过程自动化系统的要求，通过编程界面ODBC或SQL可以访问数据库中的数据。对数据库的操作是安全的，保证存储在数据库的数据安全稳定可靠。通过WinCC还可以访问用户程序和Windows应用程序，因此可使用Excel和PowerkPoint及其它文件来创建用户满意的项目。WinCC可将过程或生产中发生的事件清楚地记录下来并提供给各种功能模块以实现图形显示、信息处理、测量处理及报表等功能。
在宽厚板工程中，它完成以下功能：
工艺流程画面显示
生产过程控制画面
运行参数显示
主要参数的历史趋势
报表生成及打印
六、先进的测试与诊断功能
测试功能：S7提供了大量的测试功能来检测用户程序。这些功能能够使你对所有的块和变量状态进行监视，以便实现快速启动和快速故障检修。
信息功能：中央处理单元提供如下信息：
CPU的类型与版本
CPU的性能参数
内存使用情况
PLC实际状态
用户程序诊断：在用户程序中可以使用各种块来处理用户程序中的错误。当错误发生时，CPU就调用相应的功能块，并自动提供错误类型、错误地点及何时出错等详细信息，以供用户参考
诊断缓存区：CPU还提供诊断缓存区，用来评估诊断事件的历史。
七、系统特点
高速指令执行，使系统有极快的响应速度
允许多个CPU并行处理，增强了其功能能适应高速和多种计算的能力
坚固、全封闭的模块，能承受恶劣的工业环境
在操作运行时可插拔模块
隐藏在前面板后的接线端子连接器，使接线变得方便和整洁
丰富和完善的指令系统，使用户编程随心所欲
功能强大的通讯模板允许点对点连接以及同Profibus和工业以太网总线系统间的连接。
系统功能：CPU内部集中了用于通讯或程序控制的丰富的系统功能模块，为编程提供了便利的条件
分布式控制有利于复杂工业现场的集中控制
系统软件、硬件具有极强的纠错和抗干扰能力。
网络功能强、可靠性高。
系统提供的诊断功能，增强了系统的纠错与排错能力，使系统更加实 用安全。
友好的用户界面，全面的帮助功能，使用户操作起来更加方便简单。
系统造价低、性能价格比高。
八、系统运行情况
该系统自九八年初投运以来，一直可靠、稳定运行，受到使用单位好评
第二部分 电气传动系统
1.四辊轧机主传动：
四辊轧机上、下辊分别由两台同步电动机驱动，四辊轧机同步电动机由上海电机厂生产。为了保证控制系统的精度和技术先进性，便于维护，降低故障率，控制系统采用SIEMENS的 SIMADYN D多处理器交-- 交变频传动装置，并配备国产功率柜，主要控制功能如下：
速度、电流调节
正反向点动爬行
速度和电流自适应
加速度控制
上、下辊速度差控制
上、下电机负荷平衡调节
电机温度、超速保护等
1.1 SIMADYN D交--交变频主传动控制系统硬件配置如下：
1.2 软件：采用STRVC G V4.3.1
1.3 电机参数：
同步电机： 3500KW 1570V 1358A
12极 5/12Hz 50/120rpm
Ien=441A Ven=169V
1.4进线电抗器接线方式 : 双星接线
2.宽厚板辅助传动
宽厚板付传动系统全线采用SIEMENS公司的6RA24全数字直流调速装置主要分为四辊轧机压下系统，机前、机后辊道系统，加热炉推钢机及推钢棍道系统，精轧机过渡辊道系统，矫直机及机前、机后辊道系统，剪切区传动系统，共约38套6RA24全数字直流调速装置。
3、运行情况：
自98年初宽厚板投产以来，SIEMENS公司的SIMADYNkD系统及全部6RA24装置运行一直正常，保证了宽厚板的正常生产。
第三部分 计算机管理网络系统
宽厚板厂计算机管理网络系统是构架在西门子PLC控制网络基础上的对生产进行实时动态管理的系统，系统通过网桥同PLC网络相连，结合现场检测手段和生产操作规程，以最少的人工干预，做到信息传递准确及时，操作方便，管理先进。系统的主要功能有：生产计划调度管理、原料场管理、与PLC网络通讯、物料在线跟踪及相应的数据处理（包括加热炉装出钢、轧机、矫直机、剪子等）、成品管理、兼顾产品质量检验和经营管理。系统的数据来源为人工录入的生产指令、原始数据和来自PLC的检测数据。
一、系统结构
系统采用Client/Server结构，网络操作系统为WindowsNT3.51，SQLHServer6.5forWindowsNT，客户机编程语言为PowerBuilderl4.0，网络介质为粗缆和8芯五类线，系统的硬件产品有：网络服务器2台、工作站20台（其中2台为PLC上位机）、中继器2个、HUB 3个。网络结构图见图四：
图四
二、系统功能
1、生产计划调度管理
根据生产安排下达日生产计划和班生产计划，根据生产、质量等指标的完成情况输出生产日报，查询各个工作区域的生产情况及原料、成品的库存情况
2、原料管理
输入来料原始数据，根据班生产计划编制钢坯装炉卡片，使整个生产线根据钢坯装炉卡片组织生产，对不合格钢坯（包括过烧、欠烧的坯料）进行处理，对以装炉的钢坯进行查询、重新登记和删除处理，对原料入厂情况进行统计、查询、分析。
3、与PLC网络通讯
以PLC上位机作网桥，插上以太网卡，连接Profibus网络和以太网，在数据采集工作站上编制程序，将网桥工作站上WinCC提供的.DBF文件（DBF文件中的数据由WinCC写入)中的数据取出，并写入网络数据库中。
4、物料在线跟踪
物料跟踪自钢坯装炉开始，经出炉、粗轧、矫直、1#剪、2#剪、3#剪，到达成品收集。
物料跟踪主要依据现场检测到的信号和生产设备的运动情况，对轧件进行跟踪，并记录相应的生产参数（如出炉温度、开轧温度、终轧温度、成品钢板的实际尺寸等）轧件完成后，将取得完整的生产数据，当有意外情况时，可手动处理。
各工作站（装炉、出炉、粗轧、矫直、1#剪、2#剪、3#等）可监视本工作区的生产情况，并可查询班生产计划和钢坯装炉卡片。
5、成品管理
成品收集工作站根据成品钢板的实际尺寸、化学性能和表面状况,将完成生产的钢板判定为各种类型的成品（合格、协议等）存入成品数据库，并根据现在成品库的情况指定的垛位存放钢板。
成品工作站的功能有查询目前在成品库的库存情况（按钢种、规格、垛位等条件），统计本班的成品入库情况，统计目前在成品库的库存情况，根据用户购买产品的情况更新成品库的数据并打印钢板出库单，查询班生产计划和钢坯装炉卡片。
6、产品质量检验和经营管理
在需进行质量检查的工作站输入检查项目的结果，如化学成分、物理性能、几何尺寸等。
在成品工作站完成钢板的销售管理。该系统的使用将使企业的现代化、信息化的环境下进行，为企业生产的优质、高效提供了有利保证。
第四部分 运行情况总结
宽厚板自九八年初投产以来，SIEMENS控制系统运行稳定、可靠，性能指标达到了设计要求，控制系统达到了国内领先水平。SIMATIC－400系统在济钢 宽厚板的应用，在当时是国内第一个最大的用户。
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