自動化系統(tǒng)的架構設計及硬件功能解析

在電氣控制系統(tǒng)中，SIEMENS的自動控制系統(tǒng)廣泛應用于國內外較*的軋鋼產線，是對傳動設備與計算機控制系統(tǒng)密切的主流硬件設備和軟件應用。其特點是功能強大，標準通用性強，可以同時用于多種主/副傳動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對傳動系統(tǒng)的參數(shù)設置、設備運行控制、操作界面、程序監(jiān)控、數(shù)字信號、圖形曲線、傳動設備的實際狀態(tài)、故障信息報警功能、遠程連接等多種功能的控制。

    1、SIEMENS自動化系統(tǒng)的描述

    西門子使用基于微處理器的系統(tǒng)，實現(xiàn)基礎自動化的所有功能——工藝控制，程序功能，支撐功能及介質系統(tǒng)。

    自動化系統(tǒng)分為若干自動化單元，每個單元單獨控制。各CPU平行運行，合作處理程序。各自動化單元連接至不同的設備，用以感應及促動（包括電源及傳動控制）。傳感器直接輸入工藝控制，如壓下系統(tǒng)，旋入系統(tǒng)及PLC主斜坡生成等，通過實時線纜總線連接（副機架內部的平行總線，不同副機架的光纖耦合）互相通信，確保控制間的高動態(tài)換接，這對總體性能及軋制結果有重大影響。通過智能終端箱（遠程I/O）發(fā)生連接，通過總線電纜連接至*控制器。

    2、SIEMENS控制系統(tǒng)架構

    2.1 數(shù)據SIMATIC 以太網：星形網絡配置。所有數(shù)據終端經過收發(fā)設備電纜點對點連接至星形耦合，或附加至光學收發(fā)設備-雙光纖電纜。

    2.2 以下系統(tǒng)將連接至SIMATIC 以太網總線系統(tǒng)：數(shù)字控制系統(tǒng)SIMATIC TDC、數(shù)字控制系統(tǒng)SIMATIC S7、專業(yè)計算機及操作工通信及監(jiān)控系統(tǒng)、SIMATIC網絡外部系統(tǒng)。

    2.3 現(xiàn)場總線網絡PROFIBUS：SIMATIC網絡PROFIBUS是一種功能強大的總線系統(tǒng)，用于中低媒介范圍能力。SIMATIC 網絡PROFIBUS可連接可編程控制器，小型現(xiàn)場單元，以及各種自動化組件，如編程單元及計算機的組件。

    2.4 SIMOVERT MASTER DRIVES及SINAMICS SM120用于所有傳動系統(tǒng)。

    2.5 SIMATIC TDC用于高速工藝控制，二進制互鎖，自動程序及軋機內開閉環(huán)控制

    2.6 SINAMICS SM150用于控制粗軋機及精軋機主傳動電機

    2.7 SIMATIC S7用于普通工藝控制，介質系統(tǒng)程序控制，冷床區(qū)，剪切線，精軋機區(qū)。

    3、硬件功能解析

    3.1 SIMATIC TDC PLC

    SIMATIC TDC PLC CPU用于自動化系統(tǒng)的主控制（數(shù)據處理，程序速度斜坡生成）；粗軋機，立輥（如果使用），精軋機機架控制功能。本系統(tǒng)以機架為基礎，根據自動化功能及快速控制環(huán)中直接連接在PLC的傳感器數(shù)量、類型選擇組件。

    3.1.1 副機架UR5213

    副機架UR5213是SIMATIC TDC的機械基礎。副機架有集成系統(tǒng)電源及系統(tǒng)風機。高性能的64位后連線版總線允許數(shù)據在機架內部模塊間傳輸。

    3.1.2 CPU551

    CPU模塊可進行普通開閉環(huán)控制及算術任務，約含有2.5x計算機SIMADYN D性能（一代SIEMENS HW）CPU模塊PM6.：

• 8數(shù)字輸入，其中4個可中斷

• 5×7LED點矩陣

• 就地服務串行RS232界面

• MC5xx程序記憶模塊插槽

• 取樣時間100μs

• 32MB SDRAM

• 512KB同步高速緩存

• 266HZ

• 64位RISC浮點CPU

• 4MB flash

• CPU在板電池支持緩沖

    3.1.3通訊模塊CP50M1

    CP50M1通訊模塊含有兩個PROFIBUS DP / MPI界面及緩沖記憶，用于建立CPU間的通訊。界面可用作PROFIBUS DP / MPI主臺，PROFIBUS DP從設備，同時亦可PROFIBUS DP / MPI從設備，PROFIBUS DP主臺，MPI節(jié)點（站）。

    3.1.4通訊模塊CP51M1

    CP51M1通訊模塊提供工業(yè)以太網界面。使用這一模塊可執(zhí)行以下任務：

• 可同其他CP51M1，SIMATIC工業(yè)以太網模塊交換處理數(shù)據

• 使用WINCC可視處理數(shù)據及信息：

    3.1.5 I/O模塊SM500 I/O：一塊面板含有以下I/O容量：

• 8× AO +/- 10V， 8x AI +/- 10V

• 16× DO 24V， 16x DI 24V

• 4× SSI值編碼器輸入，4×增量編碼器輸入

• 4×中斷輸入5V

 3.2 CP52M0全局數(shù)據記憶（GMD）模式

    GMD系統(tǒng)*記憶大小為2MB，位于CP52M0全局記憶模塊。這一模塊處理耦合機架程序間傳輸?shù)娜繑?shù)據。后連線板總線處理CP52IO GDM界面模塊與CP52M0間的數(shù)據傳輸。

    CP52M0讀出所有CP52IO光纖電纜界面錯誤及診斷記錄器，安裝在GDM副機架內部。探測所有光纖電纜界面*操作狀態(tài)并估算。結果輸出至CP52M0數(shù)字輸出，用于附加估算。

    3.2.1 CP52IOGDM界面模塊：在副機架的CP52A0GDM通道模塊通過光纖電纜連接到CP52IOGDM界面模塊。

    3.2.2 CP52A0GDM通道模塊：每個副機架配置CP52A0GDM通道模塊，連接到GDM.

    3.2.3 UR5213副機架：GDM副機架不需配置應用軟件。

    3.2.4 CP52M0 及CP52IOGDM模塊使用特殊模式操作，非常快。

    3.3 SIMATIC S7 PLC

    SIMATIC S7CPU線路是SIMATIC PLC的介質終端。選擇用以控制應用剪切及精軋線區(qū)介質系統(tǒng)控制，以及MULPIC，矯直機等。由于集成設計，可視化平臺PCS7，使用S7-400PLC。

    3.3.1 Sub機架 UR1：UR1機架是SIMATIC S7的硬件基礎。有18個插槽及電源。

    3.3.2 Sub機架 UR2：UR2機架是SIMATIC S7的硬件基礎。有9個插槽及電源。

    3.3.3 CPU416：普通開閉環(huán)控制及算數(shù)任務CPU模塊。主要參數(shù)如下所示：

• 集成用戶記憶編程0.8MB，數(shù)據0.8MB

• zui大加載記憶64MB

• zui大計數(shù)器512，zui大計時器512

• UR1機架多計算zui大4個CPU

• zui小循環(huán)時間10msec

• 集成時鐘

• CPU在板電池支持緩沖

• CPU模塊MPI界面集成

• CPU模塊PROFIBUS DP界面集成

    3.3.4通訊模塊CP443-5：提供附加PROFIBUS DP界面。

    3.3.5 通訊模塊CP443-1：提供工業(yè)以太網界面。這一模塊可同其他CP 443-1，SIMATIC工業(yè)以太網模塊交換處理數(shù)據：使用WINCC可視處理數(shù)據及信息，TCP/IP 及ISO/OSI協(xié)議等功能。

    3.4 ET200非集中I/O系統(tǒng)

    ET200是一個模塊化遠程I/O系統(tǒng)，分配SIMATIC PLC控制器配置。允許程序直接相鄰使用SIMATIC家族模塊（在*電氣室或開關裝置室或車間內）

    ET200通過PROFIBUS-DP連接至SIMATIC PLC (S7 或TDC)，集成PROFIBUS-DP界面現(xiàn)場裝置直接連接至現(xiàn)場總線。ET200具有以下特性：

• ET200在傳感器及執(zhí)行器附近。遠程I/O按照現(xiàn)場位置分組。

• ET200M用于傳感器，執(zhí)行器及主控臺。ET200B用于小控制臺及控制面板。

• 通過光纖電纜連接*控制器及*個ET200站。

• COM PROFIBUS軟件通過圖解符號協(xié)助提供簡潔方便的系統(tǒng)配置

• 更換模塊方便，即使在供電狀態(tài)未反向信號時亦可進行（熱交換）

• 智能模塊計數(shù)器，計時器及效驗器

• 鍵編碼插頭：避免在更換模塊時錯誤，總線單元及模塊有“鎖鈅”編碼系統(tǒng)。因此，無法插入錯誤模塊類型。

    3.5 SIMATIC S7-300F急停PLC

    急停系統(tǒng)分隔連線，診斷系統(tǒng)記錄激活。由于通訊容量，每個急停PLC可以處理至多15個急停區(qū)域。

• 一個軋機區(qū)故障安全控制系統(tǒng)SIMATIC S7-300F

• 緊急蘑菇按鈕

• PROFIBUS連接至面板控制系統(tǒng)及診斷系統(tǒng)

    SIMATIC S7-300F*固定在分隔間，*連線至終端。分隔間裝有所有必要的附件，如電源，輔助回路斷電器及繼電器。

    3.6 SIMATIC NET通訊

    處理控制系統(tǒng)SIMATIC NET使用工業(yè)通訊網SIMATIC NET。所有SIMATIC NET產品都是設計，用于工業(yè)應用。對于計算機網絡，使用標準通訊組件，如從CISCO系統(tǒng)公司。使用以下SIMATIC NET產品家族總線系統(tǒng)：工業(yè)以太網如系統(tǒng)總線10Mbps，100MBps線程；PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線。

    3.6.1 工業(yè)以太網總線（H1）

    工業(yè)以太網zui多可連接1000個站。運行速率100個10Mbps或1000Mbps，提供大數(shù)據容量。支持TCP/IP協(xié)議及SINEC H1 OSI 802.3，可使用三芯同軸電纜，工業(yè)雙絞電纜及光纖電纜，以太網形狀為星形。雙絞電纜連接<100m，多模光穎連接>100m。

    3.6.2 PROFIBUS DP 現(xiàn)場總線

    PROFIBUS（Process Field Bus 處理現(xiàn)場總線）是中低性能的強大網絡。PROFIBUS 達到EN 50 170要求，確保了連接組件開放，同其他標準一致。PROFIBUS的輔助主設備和從設備存取方法使用令牌傳遞原理。主動與被動網路站間有不同。只有主動站接收標識，即在特定時間內，傳送*從一個主動站傳遞到另一個主動站。系統(tǒng)自動探測站是否漏失或有新站加入網絡，PROFIBUS網路形狀為星形。分主動站和被動站：主動站包括PLC、工業(yè)計算機、編程單元；被動站包括ET 200 遠程I/O單元、SIMOVERT主傳動、SINAMICS SM120、整流器、傳感器及執(zhí)行器、外部系統(tǒng)、根據連接的距離，使用雙絞電纜或光纖相關收發(fā)器（光學總線終端OBT）等。

    4、結束語

    利用SIEMENS的強大硬件及軟件控制功能，在寬厚板軋線自動控制系統(tǒng)的設計和使用過程中，為設備控制及系統(tǒng)運行提供強大的，提高了產品控制質量，更好的優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，具有較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性，是國內各大鋼鐵產線自動控制系統(tǒng)的主流應用設備。