孟慶余

(濟(jì)南鋼鐵股份有限公司 熱連軋廠,山東 濟(jì)南 250101)

1 引言

濟(jì)鋼1700是國內(nèi)首家具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的薄板坯熱連軋生產(chǎn)線。經(jīng)過不斷更新改造,目前全線由2座步進(jìn)式加熱爐,1座蓄熱式加熱爐,1臺(tái)帶前小立輥的4輥可逆式粗軋機(jī),飛剪,6機(jī)架精軋機(jī)組,3臺(tái)卷取機(jī)和鋼卷運(yùn)輸系統(tǒng)等設(shè)備組成。其中精軋機(jī)主傳動(dòng)控制系統(tǒng)采用西門子新一代高速控制器TDC和SIMADYN-D。為了能夠更好地掌握主傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行情況,給生產(chǎn)調(diào)試和系統(tǒng)維護(hù)提供可靠數(shù)據(jù),并為故障分析提供依據(jù),由西門子公司與濟(jì)鋼熱連軋廠共同聯(lián)合設(shè)計(jì)開發(fā)了一套軋機(jī)主傳動(dòng)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)配置和特點(diǎn)

精軋機(jī)組有6個(gè)機(jī)架,共配置SIEMENS公司的SIMADYN-D交-交變頻全數(shù)字矢量控制系統(tǒng)6套,每架軋機(jī)1套,SIEMENS公司的 TDC全數(shù)字控制器1套,6機(jī)架公用。SIMADYN-D主要完成電流環(huán)計(jì)算和脈沖觸發(fā)任務(wù),配置了中央處理器PM6、擴(kuò)展模塊IT41,IT42以及ITDC、通訊模塊CS7+SS52,EP22+IS1。而TDC完成包括速度環(huán)計(jì)算在內(nèi)的其他所有功能,配置了中央處理器CPU551、通訊模塊CP50M0、信號(hào)模塊SM500。

TDC和SIMADYN-D專門針對開閉環(huán)控制任務(wù)設(shè)計(jì),采用精簡指令的CPU處理器,支持多處理器運(yùn)行,采樣速度快,有多種采樣時(shí)間(T0～T5),能夠很好地滿足傳動(dòng)系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性的要求。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

該套主傳動(dòng)控制系統(tǒng)具有掃描周期短、響應(yīng)快、過程變量多等特點(diǎn),由此對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提出很高的要求,采集系統(tǒng)不僅要求采樣周期短,而且還要有足夠大的數(shù)據(jù)采集量,同時(shí)還要有針對TDC和SIMADYN-D 2種控制器的采集端口和通道。為了配合控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的完整性和準(zhǔn)確性,通過分析對比不同的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),決定采用德國iba公司的PDA產(chǎn)品,其采樣周期最快可達(dá)1 ms,采集數(shù)據(jù)量最大達(dá)到1 024通道模擬量和1 024通道開關(guān)量,而且有針對TDC和SIMADYN-D控制器設(shè)計(jì)的不同的數(shù)據(jù)采集卡,能夠很好地滿足實(shí)際需要。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由一個(gè)數(shù)據(jù)采集工作站和若干數(shù)據(jù)分析工作站組成,如圖1所示。采集工作站設(shè)置在主傳動(dòng)電氣室,便于與控制器物理連接;分析工作站分設(shè)在各個(gè)電氣室和值班室便于進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。采集工作站與分析工作站之間通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)共享。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡圖Fig.1 Data acquisition system sketch

控制系統(tǒng)中TDC和SIMADYN-D控制器各自通過不同方式將傳動(dòng)系統(tǒng)的過程數(shù)據(jù)發(fā)送到采集工作站。數(shù)據(jù)采集工作站與控制系統(tǒng)間有2種數(shù)據(jù)通訊方式:一種是基于光纖通訊方式的數(shù)據(jù)接口與SIMADYN-D通訊,接收SIMADYN-D中的過程數(shù)據(jù);另一種是基于現(xiàn)場總線 PROFIBUSDP通訊方式的數(shù)據(jù)接口與TDC通訊,接收TDC中的過程數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成和實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)采集工作站組態(tài)

3.1.1 數(shù)據(jù)采集工作站硬件配置

采集工作站是一套基于 WINDOWS XP操作系統(tǒng)的工業(yè)PC機(jī),安裝了PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡及其驅(qū)動(dòng)程序的PC機(jī)的軟件系統(tǒng)。

硬件基本配置如下:處理器為Intel(R)Pentium(R)4 CPU 2.40 GHz;顯卡為NVIDIA Ge Force FX5200 128 MB顯存;硬盤80G;光驅(qū)為DVD刻錄機(jī)(數(shù)據(jù)備份使用);另配顯示器一臺(tái)便于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

在采集工作站PC機(jī)上安裝iba PDA數(shù)據(jù)采集卡FOB 4i PCI和L2B-PCI。其中FOB 4i PCI是專為連接SIMADYN-D控制器擴(kuò)展模塊PADU8(parallel analog digital units)設(shè)計(jì),適用于PC機(jī)PCI插槽的光纖通訊卡,提供4個(gè)單通道信號(hào)接口,每個(gè)通道信號(hào)處理速度可達(dá)5 Mbit/s,另外還提供通道狀態(tài)指示燈。該卡無硬件跳線,所有設(shè)置均通過 iba PDA軟件完成。L2B-PCI是專用于連接帶有PROFIBUS-DP接口的TDC控制器,適用于PC機(jī)PCI插槽的通訊卡,該通訊卡提供模擬量輸入通道和數(shù)字量輸入通道,LED狀態(tài)指示主站與從站狀態(tài),該卡所有設(shè)置也都是通過iba PDA軟件完成。

3.1.2 軟件組態(tài)

在采集工作站PC機(jī)上安裝iba PDA V5.20.1過程數(shù)據(jù)采集軟件(process data acquisition system)。該軟件支持自由創(chuàng)建通道數(shù)為32個(gè),每個(gè)通道又可以分別創(chuàng)建32個(gè)模擬量和32個(gè)開關(guān)量的采集通道。也就是說在無任何擴(kuò)展的情況下,就可以同時(shí)采集1 024個(gè)模擬量信號(hào)和1 024個(gè)數(shù)字量信號(hào),自由設(shè)置系統(tǒng)采樣時(shí)間。在一般情況下,這種數(shù)據(jù)采集量足以滿足傳動(dòng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄的需要。采集工作站從控制器中接收數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)保存成后綴名為*.dat格式的文件存儲(chǔ)在本地硬盤上。

在iba PDA上對FOB 4i PCI和L2B-PCI進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置,主要是設(shè)置數(shù)據(jù)采集卡的內(nèi)存地址,中斷模式和響應(yīng)超時(shí)監(jiān)視時(shí)間等參數(shù)。系統(tǒng)設(shè)置后,對需要采集和記錄的變量進(jìn)行組態(tài)。定義模塊類型和通道參數(shù)。針對不同的數(shù)據(jù)采集卡,設(shè)置不同的采集模塊類型,FOB 4i PCI選擇 sm64模塊,L2B-PCI選擇L2B模塊。通道參數(shù)包括采集變量的通道號(hào),通道名,變量范圍和顯示單位等參數(shù),同時(shí)在這里選擇采集的變量類型,分為模擬量和數(shù)字量2種。

設(shè)置完成后,PDA系統(tǒng)將自動(dòng)保存配置文件,生成*.pda和*.pdr文件。每次系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí),將自動(dòng)加載配置信息,無需重復(fù)設(shè)置。

3.2 TDC和SIMADYN-D控制系統(tǒng)組態(tài)

3.2.1 SIMADYN-D控制器組態(tài)

SIMADYN-D控制器中過程數(shù)據(jù)是通過PADU8采集單元寫入到采集工作站的。PADU8適用于系統(tǒng)調(diào)試和故障診斷等環(huán)境下記錄過程數(shù)據(jù)使用。模塊自帶8通道模擬量輸入和8通道數(shù)字量輸入端口。通過SC對SC多模光纖跳線可以進(jìn)行級(jí)聯(lián)擴(kuò)展。在本SIMADYN-D系統(tǒng)中進(jìn)行6級(jí)擴(kuò)展連接,擴(kuò)展結(jié)構(gòu)如圖2所示,經(jīng)過擴(kuò)展后變?yōu)?48通道模擬量輸入和48通道數(shù)字量輸入。

圖2 PADU8級(jí)聯(lián)擴(kuò)展示意圖Fig.2 PADU8 link extension sketch

SIMADYN-D控制器與PADU8間數(shù)據(jù)連接,通過在SIMADYN-D系統(tǒng)內(nèi)安裝I/O擴(kuò)展模塊IT42和模擬量輸出接口擴(kuò)展模塊SU10實(shí)現(xiàn)。借助軟件編程將需要采集的軋機(jī)主電機(jī)定子電壓、電流,勵(lì)磁電壓、電流等過程數(shù)據(jù)通過SU10擴(kuò)展模塊輸出到PADU8模擬量輸入通道上。

3.2.2 TDC控制器組態(tài)

TDC控制器中配置CP50M0模塊,用于實(shí)現(xiàn)TDC與采集工作站的 PROFIBUS-DP通訊。CP50M0是TDC通訊模塊,該模塊集成有2個(gè)PROFIBUS-DP/MPI接口,以及用于多處理器操作的8 MB的通訊緩沖區(qū),此模塊PROFIBUS-DP接口可作PROFIBUS-DP主站或從站。在做主站時(shí),相關(guān)參數(shù)需要通過編程,并下載至CP50M0模塊對應(yīng)接口上實(shí)現(xiàn)。

在采集系統(tǒng)中,TDC作為主站,PDA作為從站,相關(guān)參數(shù)通過西門子COM PROFIBUS軟件下載至CP50M0的X1接口,PROFIBUS-DP配置如圖3所示。

圖3 CP50M0配置程序Fig.3 CP50M0 configuration program sketch

TDC系統(tǒng)使用編程工具STEP7,CFC和D7-SYS進(jìn)行組態(tài)編程。在STEP7中完成硬件組態(tài)后,使用CFC和D7-SYS進(jìn)行軟件編程,程序內(nèi)容分為通訊初始化和數(shù)據(jù)寫入2部分。

1)通訊初始化。調(diào)用@PRODP功能塊初始化CP50M0的DP接口X1,分別定義硬件接口、站地址、通訊速率等參數(shù),參數(shù)設(shè)置完成,結(jié)束CP50M0與PDA之間PROFIBUS-DP通訊初始化。然后調(diào)用SER04A和SER04B功能塊,定義數(shù)據(jù)通道名稱和地址,實(shí)現(xiàn)PDA中符號(hào)地址與控制器中絕對內(nèi)存地址間轉(zhuǎn)換,完成數(shù)據(jù)采集功能初始化,初始化成功后,最終返回PDA應(yīng)答信號(hào)。

2)數(shù)據(jù)寫入。在初始化完成后,調(diào)用CTV數(shù)據(jù)發(fā)送功能塊(見圖4)定義PROFIBUS-DP通訊使用的虛擬連接通道、硬件接口和軟件通道名稱。使用B-W、B-DW和NOP8-I等具有數(shù)據(jù)傳送功能的功能塊,將所需數(shù)據(jù)如速度設(shè)定值、速度實(shí)際值、轉(zhuǎn)矩實(shí)際值、功率實(shí)際值等96個(gè)參數(shù)按照定義好的通道地址發(fā)送給采集站。

圖4 CTV數(shù)據(jù)發(fā)送功能塊Fig.4 CT V data transmitting block sketch

4 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)由若干數(shù)據(jù)分析工作站組成,分設(shè)于各個(gè)電氣室,便于隨時(shí)查看分析。分析工作站為普通工業(yè)用PC機(jī),通過安裝分析軟件iba Analyzer V5.0即可實(shí)現(xiàn)對采集站在以太網(wǎng)上共享的*dat數(shù)據(jù)文件的分析。

分析軟件系統(tǒng)具有齊全的分析功能,能夠滿足不同的需求,其功能包括:將打開的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行拆分和組合;察看數(shù)據(jù)FFT模式及進(jìn)行X-Y軸分析;豐富的數(shù)據(jù)處理工具,如算術(shù)、函數(shù)、處理集合等功能;信號(hào)濾波、統(tǒng)計(jì)、比較和極值處理功能;數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換輸出等功能。此外,分析系統(tǒng)還提供了豐富的數(shù)據(jù)連接和導(dǎo)出接口,可將數(shù)據(jù)導(dǎo)出為文本、圖表等其他格式文件,便于完成分析報(bào)告。

5 采集分析系統(tǒng)特點(diǎn)

采集分析系統(tǒng)特點(diǎn)如下。

1)采樣周期短,采集數(shù)據(jù)量大。這套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)最顯著的特點(diǎn)就是采樣周期短,最小采樣周期為1 ms,可以做到采樣周期小于處理器運(yùn)算周期,全面準(zhǔn)確地記錄處理器中過程數(shù)據(jù),能夠捕獲控制器中所有有價(jià)值的數(shù)據(jù)。為生產(chǎn)調(diào)試和故障分析提供詳盡數(shù)據(jù)。

2)系統(tǒng)硬件少,便于維護(hù)管理。采集系統(tǒng)硬件包括數(shù)據(jù)采集卡和PC機(jī),除此之外沒有任何A/D轉(zhuǎn)換等外圍設(shè)備,便于系統(tǒng)維護(hù)和管理。

3)采集系統(tǒng)軟件開發(fā)簡單,數(shù)據(jù)修改靈活方便。采集系統(tǒng)軟件開發(fā)在SIMATIC STEP7環(huán)境下使用的CFC(連續(xù)功能圖)語言完成。該語言具有簡單、形象的特點(diǎn)。通過簡單調(diào)用已有的標(biāo)準(zhǔn)功能塊,連接輸入輸出管腳就可完成軟件編程和系統(tǒng)開發(fā)。采集數(shù)據(jù)的修改靈活方便,僅需要定義數(shù)據(jù)地址和采集通道即可完成設(shè)置。

4)采集的數(shù)據(jù)具有極高的準(zhǔn)確性、可靠性。由于采集系統(tǒng)本身不含任何A/D轉(zhuǎn)換設(shè)備,所有的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換任務(wù)都在控制器內(nèi)部完成,經(jīng)過轉(zhuǎn)換后通過光纖和PROFIBUS-DP兩種可靠性極高的網(wǎng)絡(luò)媒介直接接入數(shù)據(jù)采集卡,系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和可靠性極高。

5)保存圖形數(shù)據(jù),便于分析,數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)功能強(qiáng)大。系統(tǒng)采集的過程數(shù)據(jù)以*.dat文件格式保存在硬盤上,由iba Analyzer軟件打開后,以圖形格式顯示(如圖5所示),便于分析員對不同時(shí)段,多個(gè)變量進(jìn)行數(shù)據(jù)對比分析,提高故障查找效率。同時(shí)ibaAnalyzer分析軟件還提供了豐富的分析工具,功能強(qiáng)大。

圖5 數(shù)據(jù)分析曲線Fig.5 Data acquisition curves sketch

6 結(jié)論

這套專為軋機(jī)主傳動(dòng)控制系統(tǒng)西門子TDC和SIMADYN-D控制器而設(shè)計(jì),由數(shù)據(jù)采集卡、PC機(jī)以及相關(guān)工具軟件組成的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng),充分利用西門子控制器的強(qiáng)大功能和特點(diǎn),以最精簡的系統(tǒng)硬件構(gòu)成和軟件設(shè)計(jì)完成了數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析的任務(wù)。該采集系統(tǒng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,能夠滿足生產(chǎn)的實(shí)際需要,為故障分析、生產(chǎn)調(diào)試等提供了大量有價(jià)值的數(shù)據(jù),實(shí)際應(yīng)用中取得了良好效果。這套采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用體現(xiàn)了目前先進(jìn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展方向,值得借鑒。

[1]鮑伯祥,陸章杰,王世寧.西門子 TDC編程及應(yīng)用指南[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.