L1基础自动化.doc

5.1 L1基础自动化5.1.1 概要请查阅附录2第二节设备概览。其中阐明了供货的完整的自动化系统结构，而且也展示了基础自动化的硬件配置。5.1.1.1 基础自动化系统概览基础自动化由一些PLC组成。所有的PLC都是基于SIMATIC微处理器系统。连续的数据链接SIMATIC网工业以太网都适用于这些PLC和专用2级系统之间的通讯。同样，用于探测和执行的电气设备，包括传动控制和电源都连接到了基础自动化的PLC。SIMATIC NET PROFIBUS连接用于和这些设备通讯。此外，连续链接到这些PLC的智能远程I/O（ET200）也应用于所有区域。基础自动化的PLC从过程计算机和操作员从HMI的输入接收组织数据。实际过程数据，比如轧机状态和有关的测量值都以符号、数值、矩形条和图形的形式显示在HMI过程终端上。更多的信息请查阅5.1.2节系统说明。5.1.1.2 基础自动化系统的任务本节详细说明隶属于轧板厂基础自动化的PLC。5.1.3节至5.1.9节将描述分配给它们的任务。l 公共控制部分： 数据设定操作 材料跟踪 轧线协同 主令速度发生器 模拟轧制 除鳞控制l 机架控制部分： 轧机管理 电动机械辊缝控制EGC 液压辊缝控制HGC 支撑辊平衡 工作辊/弯辊平衡WRB 工作辊窜辊WRS 轧机调零 换辊控制 侧导板控制 机架冷却和除鳞控制 工艺控制： 自动辊缝控制AGC 动态凸度控制DPC 车间观察模式控制PVPC Plan View Pattern Control 锥形控制TAC 操纵控制l 热矫直机控制和加速冷却控制 热矫直机主令控制功能 矫直机辊缝调节 过载保护 换辊 加速冷却控制l 冷床和检查床控制l 切头剪控制l 双边剪控制l 定尺剪控制l 精整线控制l 热处理线后热矫直机控制 热矫直机主令控制功能 热矫直机辊缝控制HGC 过载保护 换辊l 支持功能（介质系统） 润滑系统Hydraulics 液压系统Lubrication 甘油系统Grease 高压除鳞系统l 紧急系统 急停l HMI接口l 其他自动化供货商的接口l 工艺检测接口基础自动化系统保障了高效的自动化运转和对过程的控制。5.1.1.3 控制系统和操作原理过程控制系统应当将操作员从日常工作中解脱出来，只要工艺允许，应允许设备自动运行。过程数据和设备状况都被测量和监控。不正常和错误都显示在操作员站。操作人员监控流程、管理设定值并起/停设备。操作员能直接通过手动操作干预独立的功能模块，如出现不正常的生产顺序。这些任务都有带操作员控制功能、内嵌诊断功能、在线帮助功能和其他途径的基础自动化系统支持。因此，甚至是在非正常的操作条件下，快速可靠的设备操作都成为可能。通过作为过程窗口的操作员站（OS），可以对整个工厂实现操作和监控。维护和操作人员可以通过标准和应用软件明确显示来跟踪生产过程。传统的工作原理将仅仅用于当操作员站不是考虑用于工艺前提的情况下。（见2.5.6节，操作员站）5.1.1.4 系统模拟特性自动化系统包括扩展模拟功能。模拟可以用于软件设计、测试、调试和维护。这个特性包括对独个元件（如一个轧机机架）和完整的工厂的带或不带起动器动作的模拟。l 单个模块的模拟设计期间（如液压辊缝控制）。模块的输入和输出都通过软件模拟。这个阶段不能模拟工艺功能（如压力）。l 自动化系统测试的模拟（在设计以后）。在综合测试期间可以测试单个操纵系统。在这个阶段起动器均为不可用。l 完整的自动化系统的模拟（在现场）虚拟现场自动化系统的功能可以通过对钢板的传送模拟进行测试。这个模拟在没有起动器动作的情况下实现。所有的过程输出将转换为一个安全状态。这个功能也可用于某个起动器还未启用的调试阶段。操作员的看到和感觉到的就像是在轧制一块真正的钢板。这个特性同样可用于在没有材料损失风险的情况下培训操作员。l 完整的自动化系统（现场）运作模拟虚拟轧制这个功能允许模拟带起动器动作的轧制（如主传动、厚度调节）。这个阶段包含对单个正确次序的活动的模拟。这个功能在常规维护检查轧机固有功能之后、第一次轧制之前非常有用。模拟功能的主要优点如下： 安全测试 短期调试 工艺系统的预调试 维护关机后的快速重启 无损产品的操作员培训模拟功能对设计和整个设备生命周期期间提供了很广范围内的支持。5.1.1.5 二期一期系统可以简单扩展额外的硬件和二期设备所必要的附加功能。5.1.2 系统详细说明西门子为提出的工艺控制使用如下系统。二进制联锁、自动顺序控制的SIMATIC S7 PLC。l 中高速闭环控制和同步处理的SIMATIC TDC PLCl 二进制和模拟I/O接口的远程I/O系统ET200l 用于各种自动控制部件的相互联络和外围设备（如测量总计、远程I/O等）的通讯的工业以太网总线（快速以太网开关）和Profibus（现场总线）。Type: SIMATIC S7-400 ：附图SIMATIC S7中央单元Type: SIMATIC TDC： 附图SIMATIC TDC单元5.1.2.1 PLC5.1.2.1.1 SIMATIC S7-400SIMATIC S7-400系统已经被设计用作生产和过程自动化中的系统解决方案。SIMATIC S7-400主要特性是像大量分解一样的高速的处理和通讯性能，如存储器。连接到SIMATIC编程工具，SIMATIC S7-400提供非常有效的组态和编程，特别是广泛的包含大量的工程的自动化解决方案。SIMATIC S7-400系统基本上包含一块底板、一个电源和一个CPU。模块设计仅仅只需要遵守简单的插槽规则就可实现。多样的模块可被用于中央扩展和包含ET200的分布式结构的简易安装；这导致了低费用的备件量。模块化是SIMATIC S7-400的一个重要特性。强大的背板总线和可以直接连接到CPU的通讯接口允许大量通讯线路的高性能运作。通讯接口模块可以随意的用于SIMATIC S7-400以适应以后的各自的应用需求。信号模块是SIMATIC S7-400到过程自动化的接口。大量的不同的数字模块和模拟模块使得那些各自任务所需的的I/O成为可用。5.1.2.1.2 SIMATIC S7 300F PLC-紧急系统附图：Simatic S7 300F (自动防故障装置PLC)紧急系统包括如下设备的提供：l 一个自动防故障逻辑控制系统SIMATIC S7 300Fl 紧急启动器如蘑菇状按钮，信号绳开关，座席开关l 连接到工厂控制系统和诊断系统的以太网总线SIMATIC S7 300F永久地固定在一个柜子里并到终端的接线齐全。柜子装配了所有必需的附件如电源，辅助设备电路断路器和继电器。紧急系统柜：柜体保护等级：IP20单柜尺寸：l 宽度：1200mml 深度：600mml 高度：2200mml 重量：200Kg紧急系统的功能描述请查看本节5.1.8。5.1.2.1.3 SIMATIC TDC使用SIMATIC TDC控制系统可以实现非常复杂的闭环控制和扩展通讯。SIMATIC TDC是个高科技子机架系统（基于Rasck）并且可以最多支持21个模块。特殊应用的个别组态、所需的计算执行单元、数字、模拟、增量和绝对值编码器连接以及串行接口都可以彼此结合。为了实现一个真正有效的可同步的多处理器系统，所有SIMATIC TDC子机架上的模块都通过一个高性能的64位背板总线彼此连接。通过全局数据存储器即中央存储器，可以跨越所有联网的子机架在系统中所有的CPU模块之间进行数据交换。分布式外围设备都通过带有主和/或从功能的Profibus DP接口连接。使用100M/bit的TCP/IP接口，许多SIMATIC站和第三方系统以及主机可以实现高性能的联网。5.1.2.1.3.1 全局数据存储器GDM全局数据存储器是SIMATIC TDC自动控制系统的中心部件。它使得在独立机架和功能单元以及诊断系统PDA（过程数据采集）之间可以实现高速的通讯。系统在一个机架上执行，同时在它上面实现中央数据存储。不同的伙伴通过光纤连接到每个接口模块可以最多支持4个伙伴的中央全局数据存储器。个别的SIMATIC-TDC机架，包括所有的在它上面执行的功能单元，都是由一个单独的伙伴实现的。作为最大组态它最多可带44个机架，因此，也就是通过GDM最多可实现836个功能单元之间的相互连接。5.1.2.1.3.2 全局数据存储器GDM的工作特性独立接口模块的数据传输共达640兆波特。因此，作为一个大约10个机架的典型配置，数据的连贯性可以达到低于0.8毫秒，明显的低于单个功能单元的周期时间。那就意味着GDM比得上并行的机架连接，并且可以说一个机架中的所有独立功能单元都可以被看作是并行连接的。这种结构和这些功能特性为基础自动化已经实现的个别闭环控制系统提供了特别的优势。特别是如下几点：l 快速而集中的数据管理允许简单的可扩展的通讯系统而不需要额外的设计工作。l 集中的数据管理提供到PDA（过程数据采集）诊断系统的中央通道，从而可以清晰随意的取得独立功能单元中的所有变量。这些变量通过功能单元的目录取得，这也就意味着完全的符号和数据一致通道。l 由于在现有周期时间下进行高速数据传输，下级数字控制器之间的通常停机次数（usual dead times）被完全消除，因此可以取得改良的控制器响应。l 高速通讯确保了主传动的时间同步设定值的给定。这对于加速和减速次数有特别的重要性，速度控制器可以可靠地取得同步设定值，因此避免了厚度误差。l 高速数据一致性和时间同步实现了同步事件标记，这使得故障信息可以随后就发出。5.1.2.1.3.3 GDM和数据日志系统的接口数据日志系统也可以通过中央接口连接到GDM。这样数据日志系统就可以通过TDC中执行的功能目录随意访问所有独立功能单元中的所有变量并同时记录它们。5.1.2.1.4 Simatic PCS7工程系统5.1.2.3.1.1 介绍基础自动化中的工艺控制和step控制系统是结合在一起的，以确保轧板厂的工艺步骤可以满足关于产品质量和产量产量的目标。带有规定选择功能性的基础自动化的结构关注的是轧板厂（FM）轧制模式的工艺保护能否满足。目标是达到最高的精确性和的成品最佳公差。5.1.2.3.1.2 同种自动化系统轧板厂基础自动化为实现工艺控制和顺序控制使用可在多机模式下运行的基于高速微处理器的SIMATIC TDC和SIMATIC S7自动控制系统。Simatic TDC是个64位的VME（VME = Versa Module Europa)最新一代系统，带有在工程系统中自动ID机制和参数化的功能。CPU属于Risc（精简指令集计算机）处理器，是用来达到高计算能力货解决复杂的自动控制控制任务的。如果需要可以20个CPU板在一个自动控制机架上并行运行（最多21个插槽）。为保证同步多处理所有Simatic TDC机架内的CPU板可以通过强大的64位背板总线相连接。Simatic TDC背板总线允许在不同的板之间以近似于最快的处理器周期时间交换数据。根据应用需求21块板可以在一块Simatic TDC机架上运行，来达到必要的计算性能或实现数字、模拟、增量型和绝对值编码器接口。每个功能单元直接连接到它们所需的探测器和起动器上。为达到最快的工艺控制，功能单元都直接连接到了它们的工艺探测器上。所有的Simatic TDC机架之间通过GDM通讯。1个GDM最多可支持44个Simatic TDC机架并行运行。每个自动控制机架”A”上的Simatic TDC CPU可以给每个自动控制机架”B”上的CPU传递数据。1个GDM最多可支持836个Simatic TDC CPU并行运行。带有正规外围设备的传动系统的连接由带主和/或从功能的Profibus-DP实现。到现场的连接都是通过智能终端箱（远程I/O）实现，它们都通过总线电缆连接到自动控制单元。这允许分布式组态并保证了：简易的维护和信号监控l 一个连接尽量少的终端节点确保更大的可靠性l 可观的节约了电缆并减少了安装费l 基建时较低的电缆铺设费用l 执行式的较短停机时间通过强大的100Mbit/S的TCP/IP板可以连接很多SIMATIC TDC站，例如和画面系统（WinCC）、和其他伙伴系统（例如测量装置）或和过程自动化系统（2级）。工艺控制也通过GDM直接连接到PDA（过程数据采集系统）以为测试、监控、错误记录和下线计算取得高速的在线数据采集。5.1.2.3.1.3 工程设计SIMATIC PCS7提供了由自动控制组件SIMATIC S7、SIMATIC TDC和SIMATIC WinCC实现的一个完全集成的设计系统，并且支持工厂范围的工程处理。基于现代的软件结构，SIMATIC Manager提供了系统范围内的工程设计管理平台。SIMATIC Manager建立了对对象（数据）的通道和工具。它管理程序，压缩并归档工程。他同时支持系统组件的视图和现场的工艺视图。以这种方式，所有的现场数据都可以管理得与现场指定结构一致。整个设计工程同属于同一个数据库，这将在上线和下线设计及调试阶段自动实现。工艺层级提供设计系统，该系统提供将工厂的工艺结构转变成SIMATIC PCS7系统的组态以及以图表、报告和运行图的对象形式反映出来的手段。工厂的功能选择以逻辑层级的形式呈现在屏幕上。为了这个目的，对象必须安排在对象层级以内并且与工厂的工艺结构保持一致。为实现高性能的工艺控制的标准工具都是通过为工艺控制的基本工具CFC（顺序功能图）和为SIMATIC TDC中顺序控制的基本工具SFC（连续功能图）来实现的。SIMATIC S7的顺序控制将通过工具集STEP7实现，它同样是SIMATIC Manager的一个基本工具。SIMATIC设计工具集的工艺和闭循环控制符合IEC（国际电工委员会）标准61131-3。SIMATIC Manager包括库、STEP7、CFC、SFC、SCL和WinCC。SIMATIC PCS7 Engineering System包括如上所述并通过数据库连接。可视化系统SIMATIC WinCC（Windows控制中心）同样基于SIMATIC Manager内部的同一个数据库。利用所谓的“映射函数”，设计数据库和WinCC可视系统之间的通讯将被建立。设计数据的一致性检查在任何时候都可以实现。SIMATIC PCS7的设计、数据库和可视化系统都基于相同的操作系统Windows。设计、调试和维护可直接从图形化设计系统取得服务。为访问所有的子机架上的CPU模块采用了MPI（多点接口）连接。在在线模式下，参数可以修改（如放大系数），新块可以置入或去除，可以直接在SIMATIC TDC内部插入或去除连接。利用所谓的用户表参数，模拟值和状态信号可以以表格形式在线从CPU中读出。过程数据采集系统可以通过GDM从SIMATIC TDC中在控制器循环时间内从每个CPU板读出测量值和状态信号。SIMATIC TDC系统内部的从每个CPU板发出的数据请求可以通过随机存取工程内部的所有可用连接器来实现。文档由SIMATIC PCS7设计工具实现。因此打印出单页、部分文档或全部文档就完全成为可能。文档的产生同样基于SIMATIC Manager数据库。因此在整个设计过程（下线，在线）中一个真实的数据库保证了真实的文档。5.1.2.2 远程I/O系统-ET200分布式设备组态已经在自动控制技术中获得公认，为了增加可观的设备适应性和可靠性时，它便用于减少布线费用。ET200是为实现SIMATIC PLC（可编程逻辑控制器）的分布式组态的模块化远程I/O系统。在现场级，标准PROFIBUS-DP现场总线处理数据传输。这允许在整个自动控制前景中进行无故障（trouble-free）数据交换。PROFIBU-DP的接口页集成在SIMATIC S7或SIMATIC TDC的CPU里。整个SIMATIC S7或SIMATIC TDC范围内仅使用一个软件压缩包（STEP7）。组态、参数化、编程、启动和测试都可以在这个接口上实现。ET200分布式I/O系统实现了模拟/数字输入和输出和SIMATIC PLC的中央控制器的连接。ET200同样允许在分布式组态中使用智能I/O模块。远程I/O的数量和类型将在基础设计和基础设计评论时根据机械供应商的电机和元器件（M&C）表的需求决定。远程I/O ET200家族附图。ET200有如下特性：l ET200安装在探测器和启动附近。远程I/O的分组参考现场位置实施l ET200是PROFIBUS-DP现场总线的被动站（从站）。最大的数据传输速率是12Mbit/sl 中央控制器和第一个ET200站是通过光纤电缆连接的。这条总线段与其它所有ET200站都是通过双绞线进行连接的l 清晰简易的系统组态和图解符号的修改l 甚至在带电和不需要断开信号线的情况下（热交换技术）简易地更换模块l 带可选计数器、计时器和比较仪的智能模块l 为避免更换模块时出现错误，总线装置和模块有一个“上锁和解锁”编码系统。因此，插上了错误类型的模块也不影响l 带有IP20保护等级的位模块分布式I/O机架l 精确适合自动控制任务的位模块设计l 由输入/输出模块、面向过程模块和电机启动器组成l 也可用于有严格时间限制的任务l 为实现高有效性的线路精确诊断ET200远程I/O固定安装在接线盒、工作台或用于MCC的隔离柜内。为额外的I/O模块提供20的节余。设备终端都是防短路设计并且LED也可显示状态。5.1.2.3 SIMATIC NET网和通讯系统5.1.2.3.1 快速以太网5.1.2.3.1.1 快速以太网交换技术由于自动控制系统不断增加的数据量，如可视化数据、测量值、过程计算机数据，先前的网络拓扑结构达到了它们的性能极限。为了解决这个新能问题，一个新的使用交换装置和高速端口的网络拓扑结构被采用。因此，可以实现清晰的网络划分。为了连接当前的HUB技术，即所有的数据都会分发到所有的接收子系统，新的交换技术可以仅仅传输指定的数据到所选定的子系统。此外，当前的传输速率瓶颈在客户/服务器模式的应用中也可以通过使用100Mbit/s高速端口消除。通过新交换技术，ISO/OSI和TCP/IP协议可以并行传输。提供的网络组件是一个产品家族中的一部分而且将集中管理。交换技术的网络拓扑实例：连接到网络的有下述系统：l SIMATIC S7/TDC可编程逻辑控制计算机l 服务器端和客户端的可视化系统l 诊断系统l 设计PC/PGl 带ISO/OSI或TCP/IP协议的扩展系统（如厚度规格）l 过程计算机5.1.2.3.2 Simatic Net ProfibusPROFIBUS（process field bus过程现场总线）是一个中低性能范围的强大网络。它基于欧洲标准EN 50 170，第二册，PROFIBUS。为了满足EN 50 170的需求，PROFUBUS确保对所有第三方的满足这个标准的组件提供开放的连接。PROFUBUS被用来连接如下系统：l SIMATIC S7l SIMOVOERT主传动系统l ET200远程I/O系统l 带PROFIBUS接口的探测器和起动器 PROFIBUS系统和站的数量将在外部规格说明书中指定。操作原理PROFIBUS访问方法是采用带下级主/从站的令牌传递原则。但活跃网络和非活跃网络站点有区别。可以连接带PROFIBUS标准的如下站点：l 活跃站点 如可编程控制器、工业计算机、编程装置和其它控制器l 非活跃站点 现场装置，如起动器、探测器、阀只有活跃站点接收令牌，如在指定时间内从一个活跃站点传输授权到另一个活跃站点。系统自动检测是否一个站已经被撤掉或一个新站是否已经加入到了网络。技术特性访问方法 带下级主/从站的令牌传递方法最大数据传输速率 9.6-12000kbit/s,可选传输模式 连续位传输最大站数量 127传输距离 9.6km网络类型 基带方式应用 单元和区域网络标准 欧洲标准EN 50170，第二册，PROFIBUS协议 PROFIBUS-DP传输媒介 屏蔽双绞双核线 光纤电缆5.1.2.4 过程数据记录请参考5.7节 诊断。5.1.3 轧机区自动控制功能下图给出了轧机区1级自动控制结构以及同2级的接口的概览供参考。轧板厂1级基础自动化包括如下单元:1级工艺控制(TCS)1级顺序控制和区域协调(SCS)5.1.3.1 通用功能PLC的”通用功能”即基础自动化和过程自动化的连接。在每个道次计划表预算和重计算后，过程自动化传输轧板厂参考值（等于设定值）到这个PLC。基础自动化的第一次计算是在钢板卸下操作后进行的。基于设定，1级线路协调者履行下级轧板厂顺序控制的职能。（见本文档5.1.3.1.3节）当道次轧制时，基础自动化扫描测量装置和探测器。测量值通过快速以太网被传递到过程自动化。基于实际反馈，过程自动化为剩余道次计算最佳设定。这个过程将一直反复直至道道最终道次为止。最终道次轧制后钢板被传送到下一道工序。通用功能PLC的任务如下：5.1.3.1.1 设定数据处理设定数据处理系统在每个道次计划表预算和重计算后从过程自动化接收设定值。它存储这些设定值并根据不同基础自动化功能的需求传送并分配这些设定值到个别控制器中去。如AGC，升降系统、边部控制、主传动等。系统的各种智能节点之间处理的数据以报文的方式传输。数据报文由单独功能进行加载和传送。数据通过GDM（SIMATIC TDC）、Profibus DP（辅传动、分布式IO）或快速以太网通讯（测量装置、SIMATIC S7、过程计算机等等）传输。5.1.3.1.2