控制网

    （山东莱芜钢铁集团自动化部，山东 莱芜 271104）翟 诺，杨明华，赵 卫
                     
    翟诺 （1980-）女，山东莱芜人，大学，工程师，现就职于山东莱钢集团自动化部，主要研究方向为自动化控制。

    摘要：本文以宽厚板自动控制系统为例，详细介绍了西门子TDC控制系统的特性及其应用特点，重点突出GDM全局数据内存网的软硬件配置实现方式，为那些对控制任务实时性要求很高，需高速控制和高速通讯的控制系统的实现提供了可借鉴依据。

    关键词：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

    莱芜钢铁集团有限公司于2009年投产的年产180万吨宽厚板生产线，其设备的基本组成如下：3座加热炉，一台四棍式万能粗轧机，一台精轧机，MUPIC冷却系统，矫直机，定尺剪和切边剪等设备。

    该控制系统分成以下三级：L2级过程控制级负责全线过程控制、过程日志、过程监视、各区域模型优化控制等任务；L1级基础自动化级完成轧线顺序控制、逻辑控制和各个设备控制；L0级传动控制级完成交直流电动机的控制。L1级计算机控制系统由多套西门子TDC多CPU结构高性能控制器和S7-400 PLC控制器组成。控制系统中采用了工业以太网、DP网和GDM网等多种网络通讯系统。由于充分考虑了热连轧生产中信息流和数据流的特点，以太网网络拓扑结构采用分段和分层设计，以实现数据和信息的快慢分离、区域分流，有效减少了数据的拥堵。本系统中大量采用了Profibus-DP现场总线以连接操作台，远程I/O，主、辅传动控制器等子系统，大大减少硬线数量，有效提高了系统的简洁性。

    2 TDC控制系统构成

    L1基础自动化级主要功能包括：微张力控制，可逆轧制控制，粗、精轧速度控制，粗轧电动压下控制，精轧液压HAGC控制，板型控制ASC，终轧温度控制等。众所周知，板材轧机系统的复杂性和高速性主要体现在粗轧区和精轧区的控制上。仅精轧机架就集中了多个高速闭环控制回路，而且还有大量的解耦计算，同时还要实现前馈、反馈和各种补偿控制算法。这都需要功能强大的处理器的支持。而西门子TDC控制器正好可以满足这种需求。

    SIMATIC-TDC采用了自由组态、模块化的设计思想，使得系统的结构便于扩展。系统可以快速实现闭环和开环控制，算术运算以及系统监视和信号通信等功能。SIMATIC-T DC拥有一套完整的模块化的硬件和软件设计思想模式，能够保证硬件可以广泛地满足各种系统的设计要求。每个系统独立的插件板可以直接插入独立的控制单元。SIMATIC-TDC尤其适用于相关联的大动力及高精度的控制系统，适合于不同的交流、直流调速系统以及电力系统的控制和保护系统。

    SIMATIC-TDC采用的是实时操作系统(固定时隙25μs)，采样速度很快(最短100μs)，其中A/D采样转换时间约为20μs，D/A转换输出时间为4μs，D/I和D/O延时时间均为100μs，测试证明完全满足在0.5ms内完成从采集、计算到控制信号输出的要求。强大的循环处理，高达5种采样时间(T1～T5)，能够进行处理周期性中断(T0)和非周期性中断(I1～I8八级中断)任务。基于基本采样时间T0，可以定义5种采样时间的周期中断任务(T1～T5)以处理不同实时性要求的任务。

    L1控制系统根据功能要求结合SIMATIC-TDC系统的特点，分布式TDC控制系统站点间通过GDM交换数据，与区域其它控制器和画面系统使用快速以太网通讯，与远程I/O和传动通过DP网通讯。具体网络配置示意如图1所示。
                                
                                    图1  网络配置示意图
    3 GDM全局数据内存网的软硬件配置实现

    3.1 GDM全局数据内存网的硬件配置

    全局数据内存GDM网是一种超高速通讯网络，它主要应用于西门子的SIMATIC TDC控制器系统中，具有下述特点：采用星型拓扑结构；通讯速率可达640Mbps；具有2M字节共享中央内存；分站点与中央站点间通过光纤建立连接，最远距离为200米；一个GDM网络最多可以支持44个站点，可以实现最多达836个CPU模板之间的数据通讯；具备故障状态监测功能。可以看出完全能够满足热连轧系统对“高速通讯”的要求。精轧区和粗轧区域内的TDC控制器全部接入超高速光纤内存网，用于传递对控制任务实时性要求很高的控制数据。

    GDM组态也需要UR5213来作为专用机架，CP52M0需要组态到该机架的第一号槽，CP52IO组态到第二槽到第十二槽的其余槽位。该硬件组态不需要在Step7中组态。其余TDC机架，在硬件中需要组态CP52A0，该模板需要通过玻璃光纤与CP52IO相连。同机架TDC多个CPU之间通过安装有CP52M0，CP52I0的GDM网实现同步。大量机架相互间可通过CP52A0与CP52I0相连接，实现多个机架间通讯。

    3.1.1 在SIMATIC Manager 中进行硬件组态步骤

    （1）新建一个TDC项目。
   
    （2）选择组态的硬件图标，双击打开。在HW Config中按照实际的机架组态所需的模板进行组态。

    （3）保持 CPU 等其他模板的默认属性。

    （4）保存和编译 CPU 的硬件组态。

    3.2 GDM全局数据内存网的软件实现

    同一机架上的CPU与CPU之间的通讯，必须组态存储器模板CP50MO。这样在存储器模板上可以提供8Mbyte的存储缓冲区。

    CPU和CPU通讯，除了可以使用@GLOB功能块来实现CPU之间的通讯，@GLOB功能块还可以组态在任意CPU中。CPU-CPU之间的通讯通过使用CTV和CRV功能块可以用于CPU之间大量数据的交换；也可以用于自定义接口的定制任务。

    通过在每一个机架上组态@SRACK，来实现不同机架间的数据交换。所有机架可以被基本同步，可以一致的系统时钟，可以在任意时刻连接和断开一个TDC机架。下面主要介绍不同机架间的数据交换的软件实现。

    3.2.1 在SIMATIC Manager 中进行软件组态步骤

    （1）对于 TDC RACK1，新建CFC，命名为COM_Rack1，并双击打开。

    （2）插入@SRACK 功能块到表中，连接在硬件组态中的硬件模板地址D1300B。即利用D1300B 模板作为接口通讯。并把该功能块组态到T4 的采样时间。因为该功能块要求组态到32 ms <=TA <= 256 ms。

    （3）双击@SRACK功能块，弹出该功能块的属性，选择I/Os界面。N01～N44表示该机架的连接与之通讯其他机架的名称，在默认状态下N05～N44是默认不见的。A01～A44表示对应的机架是否激活的状态。通过取消N05，A05的标记√，即可在功能块中显示。

    （4）分别插入CTV和CRV功能模块，插入NOP1_I功能块实现与其它机架数据整数交换。

    CTV功能块的参数说明：

     CTS—连接在硬件组态中的硬件模板地址D1300B
    AT—设置通道名称为A1_S
    MOD—定义为R，Refresh模式
    CRT—定义虚拟连接名称为!A1S
   
    CRV功能块的参数说明：
    AT—设置通道名称为A1_R
    MOD—定义为R，Refresh模式
    CRT—定义虚拟连接名称为!A1R

    （5）在 TDC RACK1中插入RTCM功能块，TM连接硬件组态中的CPU模板。通过给IS一个上升沿，那么05年8月19日10点02分就设置给D01P01了。选择机架槽中最靠左侧的CPU作为时间源。
   
    （6）选择TDC RACK5，注意需要修改默认机架的名称A000为A005。新建CFC，并命名为COM_Rack5，双击打开。像TDCRACK1一样，在TDC RACK5中插入@SRACK功能块到表中，连接在硬件组态中的硬件模板地址D1300B。即利用D1300B模板作为接口通讯。并把该功能块组态到T4的采样时间。因为该功能块要求组态到32 ms<= TA <= 256 ms。

    （7）分别插入CTV和CRV功能模块，插入NOP1_I功能块实现与其它机架数据整数交换。

    （8）在TDC RACK5中，插入RTCM功能块，连接TM到D1300B，意味着该机架的系统时间由CP52A0读入。插入RTCABS功能块，可以从中读出系统时间。

    （9）分别编译下载程序，由于TDC RACK1和TDC RACK5之间的发送和接收的通道名称相同，即A1_S，A1_R。所以TDCRACK1和TDC RACK5即可以实现数据交换。这样若和其它机架通讯只需要对应的输入输出通道名称相同。

    4 结束语

    该控制系统完全满足板材的各项生产要求，可实现全自动轧钢，达到国内外先进水平。大量光纤通信系统提高了通讯系统的稳定性，实现了高速控制和高速数据传输的目的，值得推广。

    参考文献：

    [1] 鲍伯祥. 西门子TDC编程及应用指南[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社，2007.

    [2] 吉顺平. 西门子PLC与工业网络技术[M]. 北京: 机械工业出版社，2008.

    [3] （德）韦格曼. 西门子PROFIBUS工业通信指南[M]. 北京: 人民邮电出版社，2007.

    摘自《自动化博览》2010年第三期