（山東萊蕪鋼鐵集團自動(dòng)化部，山東 萊蕪 271104）翟 諾，楊明華，趙 衛
                     
    翟諾 （1980-）女，山東萊蕪人，大學(xué)，工程師，現就職于山東萊鋼集團自動(dòng)化部，主要研究方向為自動(dòng)化控制。

    摘要：本文以寬厚板自動(dòng)控制系統為例，詳細介紹了西門(mén)子TDC控制系統的特性及其應用特點(diǎn)，重點(diǎn)突出GDM全局數據內存網(wǎng)的軟硬件配置實(shí)現方式，為那些對控制任務(wù)實(shí)時(shí)性要求很高，需高速控制和高速通訊的控制系統的實(shí)現提供了可借鑒依據。

    關(guān)鍵詞：TDC；GDM；CFC

    Abstract: Considering thick plate automatic control system as an example,the paper introduces the characteristics of Siemens TDC control system and its applications, and underlines the implementation of software and hardware configuration of GDM global data of memory. This provides reference basis for the control systems that requires real-time control, and high speed control and communication.

    Key words: TDC; GDM; CFC

    1 前言

    萊蕪鋼鐵集團有限公司于2009年投產(chǎn)的年產(chǎn)180萬(wàn)噸寬厚板生產(chǎn)線(xiàn)，其設備的基本組成如下：3座加熱爐，一臺四棍式萬(wàn)能粗軋機，一臺精軋機，MUPIC冷卻系統，矯直機，定尺剪和切邊剪等設備。

    該控制系統分成以下三級：L2級過(guò)程控制級負責全線(xiàn)過(guò)程控制、過(guò)程日志、過(guò)程監視、各區域模型優(yōu)化控制等任務(wù)；L1級基礎自動(dòng)化級完成軋線(xiàn)順序控制、邏輯控制和各個(gè)設備控制；L0級傳動(dòng)控制級完成交直流電動(dòng)機的控制。L1級計算機控制系統由多套西門(mén)子TDC多CPU結構高性能控制器和S7-400 PLC控制器組成?？刂葡到y中采用了工業(yè)以太網(wǎng)、DP網(wǎng)和GDM網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò )通訊系統。由于充分考慮了熱連軋生產(chǎn)中信息流和數據流的特點(diǎn)，以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )拓撲結構采用分段和分層設計，以實(shí)現數據和信息的快慢分離、區域分流，有效減少了數據的擁堵。本系統中大量采用了Profibus-DP現場(chǎng)總線(xiàn)以連接操作臺，遠程I/O，主、輔傳動(dòng)控制器等子系統，大大減少硬線(xiàn)數量，有效提高了系統的簡(jiǎn)潔性。

    2 TDC控制系統構成

    L1基礎自動(dòng)化級主要功能包括：微張力控制，可逆軋制控制，粗、精軋速度控制，粗軋電動(dòng)壓下控制，精軋液壓HAGC控制，板型控制ASC，終軋溫度控制等。眾所周知，板材軋機系統的復雜性和高速性主要體現在粗軋區和精軋區的控制上。僅精軋機架就集中了多個(gè)高速閉環(huán)控制回路，而且還有大量的解耦計算，同時(shí)還要實(shí)現前饋、反饋和各種補償控制算法。這都需要功能強大的處理器的支持。而西門(mén)子TDC控制器正好可以滿(mǎn)足這種需求。

    SIMATIC-TDC采用了自由組態(tài)、模塊化的設計思想，使得系統的結構便于擴展。系統可以快速實(shí)現閉環(huán)和開(kāi)環(huán)控制，算術(shù)運算以及系統監視和信號通信等功能。SIMATIC-T DC擁有一套完整的模塊化的硬件和軟件設計思想模式，能夠保證硬件可以廣泛地滿(mǎn)足各種系統的設計要求。每個(gè)系統獨立的插件板可以直接插入獨立的控制單元。SIMATIC-TDC尤其適用于相關(guān)聯(lián)的大動(dòng)力及高精度的控制系統，適合于不同的交流、直流調速系統以及電力系統的控制和保護系統。

    SIMATIC-TDC采用的是實(shí)時(shí)操作系統(固定時(shí)隙25μs)，采樣速度很快(最短100μs)，其中A/D采樣轉換時(shí)間約為20μs，D/A轉換輸出時(shí)間為4μs，D/I和D/O延時(shí)時(shí)間均為100μs，測試證明完全滿(mǎn)足在0.5ms內完成從采集、計算到控制信號輸出的要求。強大的循環(huán)處理，高達5種采樣時(shí)間(T1～T5)，能夠進(jìn)行處理周期性中斷(T0)和非周期性中斷(I1～I8八級中斷)任務(wù)?；诨静蓸訒r(shí)間T0，可以定義5種采樣時(shí)間的周期中斷任務(wù)(T1～T5)以處理不同實(shí)時(shí)性要求的任務(wù)。

    L1控制系統根據功能要求結合SIMATIC-TDC系統的特點(diǎn)，分布式TDC控制系統站點(diǎn)間通過(guò)GDM交換數據，與區域其它控制器和畫(huà)面系統使用快速以太網(wǎng)通訊，與遠程I/O和傳動(dòng)通過(guò)DP網(wǎng)通訊。具體網(wǎng)絡(luò )配置示意如圖1所示。
                                
                                    圖1  網(wǎng)絡(luò )配置示意圖
    3 GDM全局數據內存網(wǎng)的軟硬件配置實(shí)現

    3.1 GDM全局數據內存網(wǎng)的硬件配置

    全局數據內存GDM網(wǎng)是一種超高速通訊網(wǎng)絡(luò )，它主要應用于西門(mén)子的SIMATIC TDC控制器系統中，具有下述特點(diǎn)：采用星型拓撲結構；通訊速率可達640Mbps；具有2M字節共享中央內存；分站點(diǎn)與中央站點(diǎn)間通過(guò)光纖建立連接，最遠距離為200米；一個(gè)GDM網(wǎng)絡(luò )最多可以支持44個(gè)站點(diǎn)，可以實(shí)現最多達836個(gè)CPU模板之間的數據通訊；具備故障狀態(tài)監測功能?？梢钥闯鐾耆軌驖M(mǎn)足熱連軋系統對“高速通訊”的要求。精軋區和粗軋區域內的TDC控制器全部接入超高速光纖內存網(wǎng)，用于傳遞對控制任務(wù)實(shí)時(shí)性要求很高的控制數據。

    GDM組態(tài)也需要UR5213來(lái)作為專(zhuān)用機架，CP52M0需要組態(tài)到該機架的第一號槽，CP52IO組態(tài)到第二槽到第十二槽的其余槽位。該硬件組態(tài)不需要在Step7中組態(tài)。其余TDC機架，在硬件中需要組態(tài)CP52A0，該模板需要通過(guò)玻璃光纖與CP52IO相連。同機架TDC多個(gè)CPU之間通過(guò)安裝有CP52M0，CP52I0的GDM網(wǎng)實(shí)現同步。大量機架相互間可通過(guò)CP52A0與CP52I0相連接，實(shí)現多個(gè)機架間通訊。

    3.1.1 在SIMATIC Manager 中進(jìn)行硬件組態(tài)步驟

    （1）新建一個(gè)TDC項目。
   
    （2）選擇組態(tài)的硬件圖標，雙擊打開(kāi)。在HW Config中按照實(shí)際的機架組態(tài)所需的模板進(jìn)行組態(tài)。

    （3）保持 CPU 等其他模板的默認屬性。

    （4）保存和編譯 CPU 的硬件組態(tài)。

    3.2 GDM全局數據內存網(wǎng)的軟件實(shí)現

    同一機架上的CPU與CPU之間的通訊，必須組態(tài)存儲器模板CP50MO。這樣在存儲器模板上可以提供8Mbyte的存儲緩沖區。

    CPU和CPU通訊，除了可以使用@GLOB功能塊來(lái)實(shí)現CPU之間的通訊，@GLOB功能塊還可以組態(tài)在任意CPU中。CPU-CPU之間的通訊通過(guò)使用CTV和CRV功能塊可以用于CPU之間大量數據的交換；也可以用于自定義接口的定制任務(wù)。

    通過(guò)在每一個(gè)機架上組態(tài)@SRACK，來(lái)實(shí)現不同機架間的數據交換。所有機架可以被基本同步，可以一致的系統時(shí)鐘，可以在任意時(shí)刻連接和斷開(kāi)一個(gè)TDC機架。下面主要介紹不同機架間的數據交換的軟件實(shí)現。

    3.2.1 在SIMATIC Manager 中進(jìn)行軟件組態(tài)步驟

    （1）對于 TDC RACK1，新建CFC，命名為COM_Rack1，并雙擊打開(kāi)。

    （2）插入@SRACK 功能塊到表中，連接在硬件組態(tài)中的硬件模板地址D1300B。即利用D1300B 模板作為接口通訊。并把該功能塊組態(tài)到T4 的采樣時(shí)間。因為該功能塊要求組態(tài)到32 ms <=TA <= 256 ms。

    （3）雙擊@SRACK功能塊，彈出該功能塊的屬性，選擇I/Os界面。N01～N44表示該機架的連接與之通訊其他機架的名稱(chēng)，在默認狀態(tài)下N05～N44是默認不見(jiàn)的。A01～A44表示對應的機架是否激活的狀態(tài)。通過(guò)取消N05，A05的標記√，即可在功能塊中顯示。

    （4）分別插入CTV和CRV功能模塊，插入NOP1_I功能塊實(shí)現與其它機架數據整數交換。

    CTV功能塊的參數說(shuō)明：

     CTS—連接在硬件組態(tài)中的硬件模板地址D1300B
    AT—設置通道名稱(chēng)為A1_S
    MOD—定義為R，Refresh模式
    CRT—定義虛擬連接名稱(chēng)為!A1S
   
    CRV功能塊的參數說(shuō)明：
    AT—設置通道名稱(chēng)為A1_R
    MOD—定義為R，Refresh模式
    CRT—定義虛擬連接名稱(chēng)為!A1R

    （5）在 TDC RACK1中插入RTCM功能塊，TM連接硬件組態(tài)中的CPU模板。通過(guò)給IS一個(gè)上升沿，那么05年8月19日10點(diǎn)02分就設置給D01P01了。選擇機架槽中最靠左側的CPU作為時(shí)間源。
   
    （6）選擇TDC RACK5，注意需要修改默認機架的名稱(chēng)A000為A005。新建CFC，并命名為COM_Rack5，雙擊打開(kāi)。像TDCRACK1一樣，在TDC RACK5中插入@SRACK功能塊到表中，連接在硬件組態(tài)中的硬件模板地址D1300B。即利用D1300B模板作為接口通訊。并把該功能塊組態(tài)到T4的采樣時(shí)間。因為該功能塊要求組態(tài)到32 ms<= TA <= 256 ms。

    （7）分別插入CTV和CRV功能模塊，插入NOP1_I功能塊實(shí)現與其它機架數據整數交換。

    （8）在TDC RACK5中，插入RTCM功能塊，連接TM到D1300B，意味著(zhù)該機架的系統時(shí)間由CP52A0讀入。插入RTCABS功能塊，可以從中讀出系統時(shí)間。

    （9）分別編譯下載程序，由于TDC RACK1和TDC RACK5之間的發(fā)送和接收的通道名稱(chēng)相同，即A1_S，A1_R。所以TDCRACK1和TDC RACK5即可以實(shí)現數據交換。這樣若和其它機架通訊只需要對應的輸入輸出通道名稱(chēng)相同。

    4 結束語(yǔ)

    該控制系統完全滿(mǎn)足板材的各項生產(chǎn)要求，可實(shí)現全自動(dòng)軋鋼，達到國內外先進(jìn)水平。大量光纖通信系統提高了通訊系統的穩定性，實(shí)現了高速控制和高速數據傳輸的目的，值得推廣。

    參考文獻：

    [1] 鮑伯祥. 西門(mén)子TDC編程及應用指南[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

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    [3] （德）韋格曼. 西門(mén)子PROFIBUS工業(yè)通信指南[M]. 北京: 人民郵電出版社，2007.

    摘自《自動(dòng)化博覽》2010年第三期