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• 關鍵詞：                                                                PLC                                                                自動化

• 摘要：介紹TMEIC公司用于馬鞍山鋼鐵股份有限公司H型鋼廠新線軋機區自動化系統的總體配置，對自動化系統的主要控制功能、通信網絡進行了說明及分析。

1. 前言

馬鞍山鋼鐵股份有限公司H型鋼廠新線是一條軋制400x200以下中小規格H型鋼生產線，該生產線機械設備由意大利DANIELI公司提供，全套自動化控制設備從TMEIC公司引進，這是一家東芝和三菱電機的合資公司，總部設在日本東京。整套系統總體設計、控制系統設計、應用軟件、HMI系統和自動化二級均為TMEIC美國公司提供，HMI系統為Intellution公司的iFIX(3.5)。硬件設備即PLC控制系統、傳動控制系統、電機均為TMEIC公司產品，PLC系統為V系列3000，主傳動控制系統為TMdrive-30，輔傳動控制系統為TMdrive-10。

該生產線總體上分為加熱爐區、軋機區、冷床矯直區、冷鋸區、堆垛發貨區，由5個操作臺操作各自區域的設備，其自動化控制系統通過以太網與整個系統相連。

2. 軋機區自動化系統總體配置

全廠整套網絡由用于連接L1級(現場控制層)、L2級(過程監控層)、L3級(生產管理層)自動化系統，V-系列PLC，HMI系統的監控級工業以太網，用于各PLC系統間高速通訊的基礎控制級TC-net網，用于PLC和傳動系統間通訊的Tosline總線，及連接現場遠程I/O的Profibus－DP總線組成，（我們有時也將最底層傳動級稱之為L0級，HMI系統稱之為L1.5級，介于L1級和L2級之間，公司最高級稱之為L4級）。本文從系統網絡角度來說明軋機區自動化系統的總體配置。iFIX和PLC間通信基于以太網TCP/IP標準協議。全線二級系統結構構成如圖1。2.1 現場控制

2.1.1 一級系統硬件介紹

軋機區主要工藝設備包括1臺除鱗機、3臺夾送輥、5臺粗軋機組、1臺火焰切割機、10臺中精軋機組、1臺曲柄式飛剪，鋼坯從加熱爐出來后，一次道次軋制成型。

一級為現場控制層，對現場電、液、氣的執行對象及傳動系統進行控制，V系列－3000(Model 3000)是東芝公司的大型PLC系統。圖2為軋機區東芝集成控制器配置。

   PLCA為軋機區東芝集成控制器，PLCB為其它區域的東芝集成控制器，通過TC-net局域網連接。PLCA帶有兩個擴展機架，輸入外部聯鎖信號，TMd-10傳動系列通過Tos-line與之通信。

主機架配置：機架型號BU74A，11插槽，4對擴展單元接口模板和CPU處理器模板，其中6個插槽帶站總線(with station bus)，2#、3#插槽固定，分別插TC-net控制總線接口模板和以太網接口模板； PS791S為主機架電源模板，IF721為擴展機架接口模板(對應模板IF351)，2通道，每通道最多帶7個擴展單元；R3PU45為遠程控制CPU模板，用于控制遠程信號，兩塊該模塊，一塊專用于主軋機系統，一塊用于輔助設備；S3PU55為順序控制CPU模板，用戶程序在此模板中進行運算處理；EN751以太網接口模板，用于PLC與HMI、V-Tool間通訊；C3PU35為計算機CPU模板，完成各類系統服務器間基于EGD(Ethernet Global Data)以太網全局數據處理通信，EGD協議是美國GE公司基于以太網技術的數據交換協議，它以數據報文形式在一個發送者和多個發送者之間實現1400B數據高速傳送，數據發送時間間隔短，安全性強，不易丟失，各站為雙向角色，既是服務器也是客戶端；TN721為TC-net接口模板將各PLC系統及ODG（online Data Gathering）在線數據監控系統連成局域網，用于各PLC間通訊； FA714為風扇單元。擴展機架配置：擴展機架型號BU35B，PS361為擴展機架電源模板，所有傳動信息及現場位置傳感器信息均通過接口模板進入擴展單元，再進入PLC系統；SN322為Tosline接口模板，用于PLC與傳動間通訊；PF311為Profibus 接口模板，用于PLC與高速遠程I/O間通訊。Profibus是Siemens公司開發并通過德國工業標準（DIN19245），歐洲標準（EN50170）和國際標準（IEC-61158）,PF311支持Profibus－DP網。對H型鋼生產線上關鍵設備飛剪系統而言，為保證系統的快速響應性，飛剪信號不通過Profibus－DP網，而是直接到PLC系統，故其配置與其它擴展機架不同，主機架中的S3PU55—CSHR專為飛剪準備；SN322H—Tosline接口模板，用于飛剪的主傳動；SN322用于飛剪前夾送輥；PI314脈沖模板模板用于飛剪剪刃位置；CD332帶硬件輸入點進行中斷，屬于高速中斷數字量輸入/輸出模板，響應很快，可檢測到外界信號的高速變化；DI334/DO334為標準數字量輸入/輸出模板。

2.1.2 一級系統軟件介紹

V系列PLC系統在V-Tool軟件包運行基礎上完成模板組態，它采用3種語言編程,遵循IEC標準：梯形圖(LD)、功能塊(FBD)以及順序塊（SFC）。基本參數變量解釋如下：task指用戶所編寫的程序；Local variables指在本task中使用變量；Station(Global) variables指在同一站里的CPU中task通用變量；Controller(Global)variables指在某一CPU模塊中通用變量；I/Ovariables指在同一站內通用變量，在多CPU系統中，對于輸出點必須定義到具體的CPU模板；System Global (Network)variables指TC-net局域網站中所有CPU中task通用變量。

task掃描時間可分設定參數掃描（constant scan）和動態掃描（floating scan）兩種。設定參數掃描指事先設定好掃描時間，恒定掃描由用戶設定掃描時間，動態掃描取決程序實際執行時間。

2.2 過程監控

整套網絡系統服務器使用較多，均為對實時性和可靠性要求很高的子系統：L2級系統1臺服務器，1臺HMI計算機作為服務器的客戶終端，在運行ORACLE大型數據庫的基礎上對數據進行處理；iFIX系統1臺服務器，各操作臺HMI計算機作為iFIX系統的客戶端；ODG系統1臺，用于實時采集現場各類數據，進行實時在線跟蹤；PLC系統6臺，主要起管理作用。

L2級為過程監控層，由工業控制計算機和iFIX系統，TC-net局域網等組成工業以太網，工控機利用iFIX組態軟件通過PLC系統完成對現場設備的監控，iFIX數據點管理獨立于畫面運行，數據點設定后立即反映現場狀態。L1級將從現場采集的數據送到計算機室，在SQL server數據庫對數據進行計算，并顯示動態參數，報警，數據存儲，同時對數據進行保存。iFIX針對工業應用的所有硬件基本上都有接口，是專業從事監控軟件的公司，現場實用性強，穩定性好。其通信設計方便，與PLC間基于TCP/IP協議進行通訊。其L2級還提供給L1級軋機Setup數據，軋輥軸承座數據，鋸片管理數據，以及有關對數據處理的收集、存檔、分類等。L2級系統ORACLE數據庫專門有一部分用于iFIX服務器，對L2級的操作通過1臺HMI計算機來完成。

操作臺HMI為iFIX的客戶端，操作工在HMI上對生產設備進行操作，其指令通過PLC系統，在PLC系統內部經過邏輯運算后，發出控制指令給傳動，傳動實際運行數據再返回給PLC。傳動級自身就是1套網絡體系，其通訊通過Tosline－S20總線與PLC進行傳遞。PLC系統從傳動及現場收集到的實際數據通常存儲在iFIX系統的SQL server數據庫中，L2級系統再從該數據庫中提取數據進行運算處理。在L2級系統發生故障時，操作工可從該數據庫直接提取軋制圖表等參數送入PLC控制系統中，而不會相互沖突。這是我們這套網絡系統最顯著的特點。

2.3 生產管理

第L3級為生產管理層，在廠級層面上對進行產品全面跟蹤，包括產品分類并對客戶訂單和銷售進行跟蹤，對產品編制生產計劃，對原料及成品的庫存進行盤點，對產品成本進行測算，對廠級間的能源平衡進行調度，對配件進行管理等等。采用TCP/IP協議，可對ORACLE數據庫數據進行修改，已達到根據市場變化適時更改的目的。

3． 傳動控制

該生產線15臺軋機分粗軋機組5臺和中精軋機組10臺軋機，其中，2臺立輥軋機和2臺軋邊機功率600kw ，其它11臺軋機功率1300kw，主電機為交流異步電機，電機最高轉速為2000rpm。輔傳動電機，如飛剪2臺主電機、夾送輥3臺電機等等均為TMEIC公司產品。主傳動系統為東芝三菱的TMdrive－30，輔傳動控制系統為TMdrive-10，兩種均為PWM控制的交直交變頻矢量控制系統，功率元件采用絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。

主傳動選用了兩種容量的逆變器柜。

frame2000，輸入參數：1800Vdc,960Amps；輸出參數：1250Vac, 924Amps, 過負荷指標：150%-60s；用于1300kw的交流電機。

frame1500，輸入參數：1800Vdc, 720Amps；輸出參數：1250Vac, 693Amps, 過負荷指標：150%-60s；用于600kw的交流電機。

輔傳動逆變器柜類型較多，125KVA以下為抽屜式，有8、15、25、45、75、125KVA6種規格，根據每組輥道數的差異來選用不同容量控制系統，用于軋機區夾送輥及所有輥道的變頻控制；125KVA以上為柜式結構，用于飛剪的2臺主電機。

逆變器的傳動矢量控制組成：速度給定環節、速度調節器、D/Q軸電流調節器、磁通調節器、電壓調節器、PWM控制器等組成。主板在矢量控制系統完成IGBT觸發信號后，把觸發脈沖傳送到逆變器，控制IGBT導通和關斷，得到所需電機近似于正弦波的輸入電壓和頻率，進而調節電機轉速。圖3為矢量結構圖。

PLC和傳動系統間通訊是Tosline總線，屬于串行通訊。ASC是一種星型耦合器，1臺星型耦合器最多可連接8臺逆變器。對本系統，1臺主軋機對應1臺ASC，通過PLC系統SN322接口模板，與PLC控制器進行數據交換。Tosline-S20是具有2Mbit/s傳送速度的高速光纖數據通信裝置，通過它可與上位控制系統連接。光纖通信是一種無電磁干擾高質量的通信方式，與PLC及其它傳動裝置，可實現最快1ms掃描通信。

4. 結論

TMEIC自動化控制系統包括傳動系統在完成調試投入生產以來，通過幾年來的運行表明，該系統穩定可靠，故障率很低，各項性能指標均達到設計要求。

轉載自：《冶金自動化》2014年8月增刊