自动化系统的架构设计及硬件功能解析

自动化系统的架构设计及硬件功能解析

在电气控制系统中，SIEMENS的自动控制系统广泛应用于国内外较*的轧钢产线，是对传动设备与计算机控制系统密切的主流硬件设备和软件应用。其特点是功能强大，标准通用性强，可以同时用于多种主/副传动控制系统，实现对传动系统的参数设置、设备运行控制、操作界面、程序监控、数字信号、图形曲线、传动设备的实际状态、故障信息报警功能、远程连接等多种功能的控制。

    1、SIEMENS自动化系统的描述

    西门子使用基于微处理器的系统，实现基础自动化的所有功能——工艺控制，程序功能，支撑功能及介质系统。

    自动化系统分为若干自动化单元，每个单元单独控制。各CPU平行运行，合作处理程序。各自动化单元连接至不同的设备，用以感应及促动（包括电源及传动控制）。传感器直接输入工艺控制，如压下系统，旋入系统及PLC主斜坡生成等，通过实时线缆总线连接（副机架内部的平行总线，不同副机架的光纤耦合）互相通信，确保控制间的高动态换接，这对总体性能及轧制结果有重大影响。通过智能终端箱（远程I/O）发生连接，通过总线电缆连接至*控制器。

    2、SIEMENS控制系统架构

    2.1 数据SIMATIC 以太网：星形网络配置。所有数据终端经过收发设备电缆点对点连接至星形耦合，或附加至光学收发设备-双光纤电缆。

    2.2 以下系统将连接至SIMATIC 以太网总线系统：数字控制系统SIMATIC TDC、数字控制系统SIMATIC S7、专业计算机及操作工通信及监控系统、SIMATIC网络外部系统。

    2.3 现场总线网络PROFIBUS：SIMATIC网络PROFIBUS是一种功能强大的总线系统，用于中低媒介范围能力。SIMATIC 网络PROFIBUS可连接可编程控制器，小型现场单元，以及各种自动化组件，如编程单元及计算机的组件。

    2.4 SIMOVERT MASTER DRIVES及SINAMICS SM120用于所有传动系统。

    2.5 SIMATIC TDC用于高速工艺控制，二进制互锁，自动程序及轧机内开闭环控制

    2.6 SINAMICS SM150用于控制粗轧机及精轧机主传动电机

    2.7 SIMATIC S7用于普通工艺控制，介质系统程序控制，冷床区，剪切线，精轧机区。

    3、硬件功能解析

    3.1 SIMATIC TDC PLC

    SIMATIC TDC PLC CPU用于自动化系统的主控制（数据处理，程序速度斜坡生成）；粗轧机，立辊（如果使用），精轧机机架控制功能。本系统以机架为基础，根据自动化功能及快速控制环中直接连接在PLC的传感器数量、类型选择组件。

    3.1.1 副机架UR5213

    副机架UR5213是SIMATIC TDC的机械基础。副机架有集成系统电源及系统风机。高性能的64位后连线版总线允许数据在机架内部模块间传输。

    3.1.2 CPU551

    CPU模块可进行普通开闭环控制及算术任务，约含有2.5x计算机SIMADYN D性能（一代SIEMENS HW）CPU模块PM6.：

• 8数字输入，其中4个可中断

• 5×7LED点矩阵

• 就地服务串行RS232界面

• MC5xx程序记忆模块插槽

• 取样时间100μs

• 32MB SDRAM

• 512KB同步高速缓存

• 266HZ

• 64位RISC浮点CPU

• 4MB flash

• CPU在板电池支持缓冲

    3.1.3通讯模块CP50M1

    CP50M1通讯模块含有两个PROFIBUS DP / MPI界面及缓冲记忆，用于建立CPU间的通讯。界面可用作PROFIBUS DP / MPI主台，PROFIBUS DP从设备，同时亦可PROFIBUS DP / MPI从设备，PROFIBUS DP主台，MPI节点（站）。

    3.1.4通讯模块CP51M1

    CP51M1通讯模块提供工业以太网界面。使用这一模块可执行以下任务：

• 可同其他CP51M1，SIMATIC工业以太网模块交换处理数据

• 使用WINCC可视处理数据及信息：

    3.1.5 I/O模块SM500 I/O：一块面板含有以下I/O容量：

• 8× AO +/- 10V， 8x AI +/- 10V

• 16× DO 24V， 16x DI 24V

• 4× SSI值编码器输入，4×增量编码器输入

• 4×中断输入5V

 3.2 CP52M0全局数据记忆（GMD）模式

    GMD系统*记忆大小为2MB，位于CP52M0全局记忆模块。这一模块处理耦合机架程序间传输的全部数据。后连线板总线处理CP52IO GDM界面模块与CP52M0间的数据传输。

    CP52M0读出所有CP52IO光纤电缆界面错误及诊断记录器，安装在GDM副机架内部。探测所有光纤电缆界面*操作状态并估算。结果输出至CP52M0数字输出，用于附加估算。

    3.2.1 CP52IOGDM界面模块：在副机架的CP52A0GDM通道模块通过光纤电缆连接到CP52IOGDM界面模块。

    3.2.2 CP52A0GDM通道模块：每个副机架配置CP52A0GDM通道模块，连接到GDM.

    3.2.3 UR5213副机架：GDM副机架不需配置应用软件。

    3.2.4 CP52M0 及CP52IOGDM模块使用特殊模式操作，非常快。

    3.3 SIMATIC S7 PLC

    SIMATIC S7CPU线路是SIMATIC PLC的介质终端。选择用以控制应用剪切及精轧线区介质系统控制，以及MULPIC，矫直机等。由于集成设计，可视化平台PCS7，使用S7-400PLC。

    3.3.1 Sub机架 UR1：UR1机架是SIMATIC S7的硬件基础。有18个插槽及电源。

    3.3.2 Sub机架 UR2：UR2机架是SIMATIC S7的硬件基础。有9个插槽及电源。

    3.3.3 CPU416：普通开闭环控制及算数任务CPU模块。主要参数如下所示：

• 集成用户记忆编程0.8MB，数据0.8MB

• zui大加载记忆64MB

• zui大计数器512，zui大计时器512

• UR1机架多计算zui大4个CPU

• zui小循环时间10msec

• 集成时钟

• CPU在板电池支持缓冲

• CPU模块MPI界面集成

• CPU模块PROFIBUS DP界面集成

    3.3.4通讯模块CP443-5：提供附加PROFIBUS DP界面。

    3.3.5 通讯模块CP443-1：提供工业以太网界面。这一模块可同其他CP 443-1，SIMATIC工业以太网模块交换处理数据：使用WINCC可视处理数据及信息，TCP/IP 及ISO/OSI协议等功能。

    3.4 ET200非集中I/O系统

    ET200是一个模块化远程I/O系统，分配SIMATIC PLC控制器配置。允许程序直接相邻使用SIMATIC家族模块（在*电气室或开关装置室或车间内）

    ET200通过PROFIBUS-DP连接至SIMATIC PLC (S7 或TDC)，集成PROFIBUS-DP界面现场装置直接连接至现场总线。ET200具有以下特性：

• ET200在传感器及执行器附近。远程I/O按照现场位置分组。

• ET200M用于传感器，执行器及主控台。ET200B用于小控制台及控制面板。

• 通过光纤电缆连接*控制器及*个ET200站。

• COM PROFIBUS软件通过图解符号协助提供简洁方便的系统配置

• 更换模块方便，即使在供电状态未反向信号时亦可进行（热交换）

• 智能模块计数器，计时器及效验器

• 键编码插头：避免在更换模块时错误，总线单元及模块有“锁鈅”编码系统。因此，无法插入错误模块类型。

    3.5 SIMATIC S7-300F急停PLC

    急停系统分隔连线，诊断系统记录激活。由于通讯容量，每个急停PLC可以处理至多15个急停区域。

• 一个轧机区故障安全控制系统SIMATIC S7-300F

• 紧急蘑菇按钮

• PROFIBUS连接至面板控制系统及诊断系统

    SIMATIC S7-300F*固定在分隔间，*连线至终端。分隔间装有所有必要的附件，如电源，辅助回路断电器及继电器。

    3.6 SIMATIC NET通讯

    处理控制系统SIMATIC NET使用工业通讯网SIMATIC NET。所有SIMATIC NET产品都是设计，用于工业应用。对于计算机网络，使用标准通讯组件，如从CISCO系统公司。使用以下SIMATIC NET产品家族总线系统：工业以太网如系统总线10Mbps，100MBps线程；PROFIBUS-DP现场总线。

    3.6.1 工业以太网总线（H1）

    工业以太网zui多可连接1000个站。运行速率100个10Mbps或1000Mbps，提供大数据容量。支持TCP/IP协议及SINEC H1 OSI 802.3，可使用三芯同轴电缆，工业双绞电缆及光纤电缆，以太网形状为星形。双绞电缆连接<100m，多模光颖连接>100m。

    3.6.2 PROFIBUS DP 现场总线

    PROFIBUS（Process Field Bus 处理现场总线）是中低性能的强大网络。PROFIBUS 达到EN 50 170要求，确保了连接组件开放，同其他标准一致。PROFIBUS的辅助主设备和从设备存取方法使用令牌传递原理。主动与被动网路站间有不同。只有主动站接收标识，即在特定时间内，传送*从一个主动站传递到另一个主动站。系统自动探测站是否漏失或有新站加入网络，PROFIBUS网路形状为星形。分主动站和被动站：主动站包括PLC、工业计算机、编程单元；被动站包括ET 200 远程I/O单元、SIMOVERT主传动、SINAMICS SM120、整流器、传感器及执行器、外部系统、根据连接的距离，使用双绞电缆或光纤相关收发器（光学总线终端OBT）等。

    4、结束语

    利用SIEMENS的强大硬件及软件控制功能，在宽厚板轧线自动控制系统的设计和使用过程中，为设备控制及系统运行提供强大的，提高了产品控制质量，更好的优化系统参数，具有较高的系统稳定性，是国内各大钢铁产线自动控制系统的主流应用设备。