雙邊剪夾送輥監控系統的設計與實現

1 引言
雙邊剪機組是軋鋼廠精整車間的關鍵設備之一,主要負責對成型后的鋼板進行毛邊剪切,使之成為最終成品。整個雙邊剪機組從控制角度可分為主剪系統、夾送輥和輥道控制系統、橫移系統、間隙調整系統、激光劃線系統、鋼板對正系統等6個子系統。為了防止鋼板在剪切的過程中跑偏,確保鋼板的剪切尺寸和送板步長,雙邊剪8臺夾送輥的同步性控制非常重要。某軋鋼廠雙邊剪機組控制系統的改造項目中,采用了基于PROFIBUS總線的分布式全數字雙邊剪夾送輥傳動控制方案,用以取代傳統的模擬量控制系統。
為了對改造后的雙邊剪夾送輥傳動控制系統的運行狀態進行實時監控,方便機組的量化管理,采用西門子組態軟件WINCC作為上位機監控系統的開發平臺,用于開發機組的狀態監控和數據管理系統。WINCC是優秀的工控組態軟件,特別是WINCC V6.0推出以后,在軟件體系結構網絡結構以及數據庫管理等方面都有了很大的改進,使得它的功能更加完善,系統更加開放,組態更加靈活[1]。但是由于WINCC的變量歸檔周期過長(最短也要500ms),不能滿足高速數據采集的要求。為了突破WINCC這個組態瓶頸,充分利用WINCC的開放性特點,采用C腳本編寫高速數據采集的全局動作,用于對多個數據的打包接收和處理,并用Visual C++開發ActiveX控件用于高速數據曲線的顯示。

2 監控系統的總體結構
基于PROFIBUS總線的分布式全數字雙邊剪夾送輥傳動控制系統的總體結構如圖1所示,自上而下可劃分為監視級﹑控制級和現場級三個層次。

圖1 雙邊剪夾送輥控制系統的總體結構

2.1 監視級
監視級僅由一臺研華IPC610型工控機組成。工控機作為PROFIBUS-DP 2類主站,配置了通訊處理器CP5613,通過PROFIBUS DP標準協議實現與控制級之間的通訊。監視級不直接參與生產過程的控制,而是通過WINCC開發監控軟件,實現以下功能:過程監視畫面的開發、8臺直流電機的速度和電流數據的采集與顯示、控制系統主要參數的顯示與設置、系統故障監測、雙邊剪機組運行狀況監測等。
2.2 控制級
控制級采用一臺S7 PLC 412-2DP作為控制主站,是整個夾送輥傳動控制系統的核心。利用STEP7軟件進行整個控制級的硬件組態及控制程序的編寫與調試,主要完成以下功能:
(1) 根據雙邊剪機組的工藝要求,控制各夾送輥的運轉。為保證鋼板在剪切過程中不跑偏,必須確保對8臺夾送輥進行同步性控制,因此設置了多種“主從控制”方式[2]。
(2) 完成與主剪控制PLC的信息交換。S7-400 PLC從主剪控制PLC接收夾送輥啟動、停止和壓板壓下等信號。反饋給主剪控制PLC驅動器準備好、驅動器故障、電機風機準備好、電機風機故障等信號。
(3) 為監視級采集現場數據,同時接收來自監視級的控制指令。
2.3 現場級
現場級由8套直流電機控制柜構成。每個控制柜都安裝了一臺6RA70全數字直流調速裝置和智能分布式從站ET200M。6RA70用于實現對驅動夾送輥的直流電機進行速度和力矩控制,而控制柜的開關量和面板操作及顯示裝置均通過ET200M來控制。6RA70和ET200M智能從站分別通過CBP2通訊模塊和IM153接口模塊,接入PROFIBUS-DP總線,實現與控制級PLC的通訊。

3 監測數據采集方案
3.1 WINCC通訊原理
WINCC使用變量管理器對變量進行集中管理。變量管理器的任務是從控制系統(如PLC)中取出請求的變量值。這個過程通過集成在WINCC項目中的通訊驅動程序來完成。通訊驅動程序利用其通道單元構成WINCC與過程處理之間的接口。變量管理器到控制系統的基于硬件的連接是利用通訊處理器(如CP5613)來實現的。WINCC驅動程序使用通訊處理器向PLC發送請求消息,然后,通訊處理器將PLC回答消息請求的過程值發回WINCC變量管理器。WINCC與PLC之間的數據交換是監控系統的基礎。因此,在利用WINCC進行監控系統開發之前必須先進行變量組態,確定數據采集方案。

3.2 常規過程變量的組態
首先在變量管理器中添加SIMATIC S7 Protocol Suite驅動程序,在PROFIBUS通道單元下建立一個與S7 PLC的連接。對于常規的過程變量,如控制系統的故障信息、每臺電機的運行狀態以及機組的工況等信號,由于更新周期比較長(通常不小于500ms),只要進行數據類型、變量地址等常規組態即可,變量管理器自動完成對這些變量的處理,還可以充分利用WINCC強大的過程值歸檔功能進行歸檔。
3.3 電流和轉速數據的高速采集
在雙邊剪夾送輥控制系統的調試和故障分析過程中,各夾送輥驅動電機的電流和轉速曲線是非常重要的依據,因此要求能夠在上位機監控系統中實時監視8臺電機的電流和轉速曲線。為了得到比較平滑的電流和轉速曲線,至少需要每20ms采集一個電流和轉速數據,然而WINCC最短的變量更新周期為250ms,最短的歸檔周期為500ms,顯然常規的過程變量組態功能無法滿足電流和轉速的高速采集的要求。
為了滿足采集快速改變的過程值或用于組合一臺設備的多個測量點等場合的需要,WINCC提供了消息幀變量。在自動化系統中,多個過程值可以被寫入連續的數據塊并以消息幀形式發送到WINCC,存儲在WINCC的原始數據變量中。原始數據變量的格式和長度均不是固定的,只有發送者和接收者能解釋其內容,WINCC不能對其進行解釋。
利用上述方法,在WINCC上為每臺電機的電流和轉速分別組態一個原始數據變量,變量長度為52個字節。前50個字節依次存儲25個過程變量值(每個電流和轉速值均占兩個字節),最后兩個字節存儲一個標志變量,用于指示最新的采樣值在該結構中的存放位置。然后在PLC中使用循環中斷組織塊OB35,將循環周期設為20ms,并為WINCC組態的每一個原始數據變量分配相對應的數據緩沖區(存儲結構與WINCC中的原始數據變量的結構一致)。當每次中斷后,PLC從每臺6RA70上采集一個電流和轉速值,并按時間先后次序寫入相應的數據緩沖區,為了區分每次寫入的采樣值的時序,需要將最新寫入的采樣值在數據緩沖區的位置保存到最后兩個字節。這樣,在WINCC上每隔500ms采集一次原始數據變量,而每個原始數據變量中包含了25個過程值,從而間接獲得了20ms的數據采集周期。
WINCC不能直接對原始數據變量進行處理,但是可以通過WINCC提供的C腳本編寫用于處理原始數據變量的全局動作,在該全局動作中,調用WINCC內部函數GetTagRaw()來更新原始數據變量,并對其中的消息幀內容進行拆包處理,最后將分解出來的電流和轉速的采樣值按照特定的格式保存到有關的數據文件中去,為了便于查詢歷史數據,給每個數據包打上系統時間戳。整個全局動作的程序流程如圖2所示。

圖2 高速數據采集全局動作的流程圖

4 監控軟件開發
監視級的監控軟件主要利用西門子的組態軟件WINCC6.0進行二次開發完成,同時利用Visual C++6.0開發專門用于顯示電機電流和轉速曲線的ActiveX控件并嵌入到監控系統中。
4.1 監控軟件的功能分析及組態
整個監控軟件按照工廠現場的具體功能要求進行設計，根據組態軟件的特點，監控系統各項功能都在單獨的圖形畫面中得以體現。按照監控系統的主要功能，組態了以下基本畫面:
(1) 主畫面:當WINCC項目運行后自動顯示該畫面，主畫面上方為該監控系統的名稱，工廠標志以及日期時間等信息，下方為功能切換按鈕，中間部分為子畫面顯示區。
(2) 剪切過程子畫面:該畫面動態模擬雙邊剪的剪切過程,能夠準確而形象的反映夾送輥的起停、正反轉、上輥的壓下與臺升、送板過程以及壓板壓下等狀態。動畫是通過C腳本編寫代碼在后臺修改各圖形元件的屬性實現的。
(3) 虛擬操作臺子畫面:該畫面將操作臺及8套電機控制柜的面板上的主要操作機構(如按鈕，轉換開關等)及顯示元件(如指示燈)集中在一起，形成一個虛擬操作臺。通過該畫面，可以直觀而全面的了解機組的運行狀態，并且可以根據需要實現與實際操作臺同等的操作功能。
(4) 故障檢測及報警子畫面:該畫面集中顯示和管理機組的故障和報警信息，主要通過調用WINCC內置的報警控件實現。
(5) 工藝參數設定子畫面:該畫面用于設置剪切步長,剪切速度等重要的工藝參數。
(6) 臺帳及報表子畫面:該畫面統計機組的重要運行數據,如正常運行時間、故障時間、停機時間等,并且以直方圖和表格等形式顯示和打印機組的各種報表。
(7) 電流和速度曲線子畫面:在該畫面上嵌入自行開發的電流和轉速曲線控件,用于實時顯示8套夾送輥直流電機的電流和轉速曲線。
4.2 電流和速度曲線控件的設計[3]
由于電機的電流和轉速等數據不是通過WINCC進行歸檔，而是保存在自定義的數據文件中，因而不能使用WINCC的曲線顯示控件進行顯示，需要自行開發ActiveX控件，實現電機電流和轉速數據的圖形顯示功能。ActiveX是基于COM的可視化控件結構的商標名稱。它是一種封裝技術，提供封裝COM組件并將其置入應用程序的一種方法。Visual C++提供了多種開發ActiveX控件的方法，但是相對而言,利用MFC ActiveX ControlWizard向導的方法更加容易而且快捷。該控件除了能夠實時顯示電流和轉速曲線這個基本功能外,還實現了歷史曲線查詢、曲線保存、打印曲線等附加功能。WINCC是一個很好的ActiveX容器，在操作系統中注冊的所有ActiveX控件都可以被WINCC調用，因此將編好的控件注冊后直接嵌入WINCC的電流和速度曲線子畫面即可。

5 結束語
利用WINCC開發監控系統,具有簡單易學、開發周期短、可靠性高等優點，通過豐富的通訊驅動程序實現與控制系統的無縫接入。同時,由于WINCC支持C腳本和ActiveX等開放性接口,所以可以利用第三方開發工具擴展監控系統的功能。該系統已于2005年4月投入現場使用,并連續運行至今,各項技術指標均達到預期要求,取得了良好的經濟效益。