摘要：介绍了我国自主研制的河北中钢钢铁有限公司5机架全连续冷连轧机组控制系统的设计开发情况，重点介绍了该系统自动控制网络系统的功能分布、网络结构、网络配置和网间互联。该系统可作为全连续冷连轧简易网络系统的参照，目前运行良好。

关键词：全连续冷连轧机；控制系统；网络系统

河北中钢钢铁有限公司5机架全连续冷连轧机组是国内自主设计、研制的第1条投人实际生产应用的冷连轧生产线。该生产线设计年产能力为40万t，产品规格为厚0．3～2．0mm、宽600～1020mm。该生产线的机械部分由北京钢铁设计研究总院设计施工，北京科技大学高效轧制国家工程研究中心结合国家重大技术装备研制项目(科技攻关)计划，承担了整条生产线控制系统的设计开发。下面主要介绍其中的控制网络系统。

1功能分布

    现代全连续冷连轧计算机控制系统按功能层次一般可划分为5个等级：(1)L₄级(经营决策级)：投入产出决策、合同管理、生产计划、日志、报表等；(2)L₃级(生产管理级)：物流跟踪、库存管理、质量控制、日志、报表等；(3)L₂级(工艺过程监控级)：过程控制、过程监视、优化控制、过程日志等；(4)L₁级(基础自动化级)：顺序控制、逻辑控制、自动控制

环节等，同时提供过程值和消息，并转发动作命令；(5)L₀级(执行控制级)：单体动作、单体元件控制等。

    由于全连续冷连轧自动控制系统控制功能多且集中，因此要求自动控制系统必须是高速控制和高速通信的实时集成控制系统，即RTI系统(Real Time Integrated Control System)。控制系统各个层次的响应时域如图1所示。

2  网络结构

    对应于控制系统功能层次的划分，控制网络作为控制系统实现功能的基础，也呈现出分层的结构。河北中钢5机架冷连轧控制系统的网络结构如图2所示。

    该网络层次可分为L₂级、L₁级、L₀级。L₂为过程监控级，也可称为命令给定系统。根据生产管理和工艺控制要求连续向下级输出给定值及工艺控制命令，属于“特慢”过程，要求反应时  间为500～l00ms；L₁为基础自动化级，完成机组的顺序逻辑控制，属于“慢”过程，要求反应时间为100～50ms；L₀为执行控制级，直接面向现场机械、液压和电气设备，完成传动和压下    控制，其更多地利用单体设备的快速特性，产生  实时和协调动作，属于“快”过程，要求反应时  间为32～2ms。另外，为将来L₃级的投入预留了网络接口。     

  网络拓扑结构采用分段和分层设计，充分考虑了全连续冷连轧生产中信息流和数据流的特点，以实现数据和信息的快慢分离、区域分流。

3  网络配置

3．1工艺过程监控L₂级网

该层网络包含了过程监控、报警显示、数据络归档、轧制策略选择、设定计算及自学习自适应等功能，网络类型为以太网。考虑实际需求，本系统的数据不需要分布到多个服务器，所以过程监控系统是在网络基础上，以组态软件SIMATIC WINCC(WindowsControl Center)为平台，采用多用户状态下的C／S(Client／Server)结构，构成了客户机／服务器结构。其中S₁作为监控系统的服务器，HMI一1、HMI一2和HMI一3作为其客户机。服务器S₁以数据库管理为基础，接收并监控轧制规程的设定值和现场实际数据显示，客户机对数据进行共享显示。服务器和客户机之间通过TCP／IP协议的以太网通信。根据以太网的通信方式和客户机与服务器之间的数据流动情况，为了不影响主网通信效率，在网络结构中将数据监控用的计算机用一个交换机连接，组成子网E₂网，以达到和主网E₀“数据隔离”的目的。

    在本系统中S_l本质上是一个动态数据分配器，主要完成顺序控制和逻辑控制的数据给定任务。其包含3个数据库：PDI(Primary Data In—formation)数据库：存储以各种形式输入计算机的生产计划、钢卷数据等数据；RDI(Roll DataInformation)轧辊数据库：存储轧辊辊径等相关信息；HDB(History DB)历史数据库：存储长期数据，作为最优化计算的数据源。S₁包含一个钢卷进程管理器，一方面从RDI数据库和PDI数据库(传统上是从三级过来)中取出已进入轧制线管理范围的钢卷相关数据传给S_o进行计算，并接收S₀的计算结果；另一方面，按照一级过来的跟踪信号进行钢卷列队以及各个钢卷设定参数的下放。

    S₀属于设定和优化计算机，要求利用历史数据，根据生产线实际情况对轧制规程和材料数据进行离线处理，不断优化有关参数，同时根据轧制策略进行负荷分配和轧制参数的设定计算，并将计算结果发送给S₁。S₀包含3个数据库：轧制策略数据库、轧制材料数据库、工程数据库。S₀通过以太网与服务器S₁连接，S₀进行设定计算和最优化计算所需要的相关数据可通过以太网到S₁相关的数据库获取。

    由于命令级要完成数据管理、产品跟踪和轧制规程的优化等任务，数据处理量大，要求处理速度较高，因而整个系统围绕高速、高效来配置。服务器采用研华IPC一610整机，PCA一600VE工业主板，P42．4CPU，KmxDDR512M内存，ST40GHHD，10M／100M以太网交换机。

3．2基础自动化L1级网络

    全连续冷连轧机组的顺序逻辑控制是在基础自动化级完成的。该级网络中PIC通过以太网连接。其中主要包括3台SIMATIC S7—400可编程控制器和1台高性能控制器SIMATIC TDC(Technology Driver Contro1)。4台控制器根据功能要求和区域分布实行分区控制、协调动作，并通过主网E₀以太网互相通信。SIMATIC S7—400采用以太网通信模板CP443—1，TDC采用CP5100实现以太网通信。

    为了调试方便，便于发现故障，在E₀主网上通过以太网接入3台编程器，分别对各个控制器进行实时监控。

    在基础自动化级中除E₀主网外还存在E₃子网，用于完成测厚仪系统的网络组态。河北中钢5机架冷连轧机组共使用了3台测厚仪，对应存在3台测厚仪服务器，和1台测厚仪数据显示服务器，通过1台以太网交换机连接，完成内部数据交换，同时与E₂子网连接以获取厚度设定值，并发送厚度及其偏差的实际反馈值。

3．3执行控制L₀级网络

    执行控制级网络是PLC和现场设备之间的连接链路，通信方式主要是现场总线和硬线方式，数据通信量较少，但要求响应时间快，满足实时性要求。

    全连续冷连轧生产线控制功能多，控制点分散，为了减少硬线连接，从而减少事故点，实现了分散控制。现场执行级的操作台、箱、柜及传统控制器和液压控制系统采用Profibus—DP现场总线和相对应PLC相连接，形成现场执行级FCS(Field Control System)网络结构。Profibus－DP为令牌通信主从方式，通信速率最高可达12Mb／s，并可通过．Repeater扩展通信距离，是一种开放的、数字化的、多点通信的底层控制网络。

    本系统SIMATIC S7—400所采用的416—2DP  CPU内置Profibus—DP接口可直接接人Profibus—DP网。远程站采用的是ET200M，配置IMl53用于完成Profibus—DP的通信。传动系统采用全数字直流调速装置SIMOREG DC Master 6RA70系列，该控制器提供Profibus—DP网络通信接口。

    为了保证传输速率，测厚仪、张力计和编码器等仪表控制系统采用硬线，直接和相关控制单元连接。

4网络通信

    全连续冷连轧计算机自动化控制系统较复杂、性能要求很高，各种控制功能必须有序、协调地运行，才能完成整个生产过程的自动化控制。为此，必须有稳定可靠的网络通信，以保证顺畅地数据交换和数据流动。

    在本系统的整个通信网络中包含多台不同功能的PC机、SIEMENS可编程控制器、现场远程站和数字传动系统，相互之间都存在数据交换。因为主要控制设备采用的是SIEMENS的相关产品，所以PLC、远程站和传动系统之间的通信采用相应的通信功能模块即可解决。

    过程监控和设定值发送建立在西门子视窗控制中心SIMATIC  WINCC基础之上。作为SIMATIC全集成自动化系统的重要组成部分，WINCC能确保与SIMATIC S5和S7系列的方便连接和高效通信。通信结构层次如图3所示。

    建立WINCC和PLC之间的通信一般分以下几步：

    (1)建立WINCC站与自动化系统之间的物理连接。包括在SIMATIC S7—400上配置通信模板CP443—1，在SIMATIC TDC上配置CP5100通信模板。WINCC站的PC机上应配置普通以太网网卡或SIEMENS专用工业以太网通信网卡CP1613。WINCC站和控制器之间通过TCP／IP协议的以太网建立连接，从而建立起相互间的物理连接。

    (2)在WINCC项目中添加适当的通道驱动程序，利用其通道单元构成WINCC和控制器之间的接口。SIMATIC S7—400使用SIMATICS7 Protocol Suite作为通道驱动程序，而SIMATIC TDC使用TDC  PMC TCP作为通道驱动程序。

    (3)在通道驱动程序适当的通道单元下建立与指定通信伙伴的连接。在SIMATIC S7 Protocol  Suite通道驱动程序下包含多个通道单元，例如MPI方式、PROFIBUS方式、TCP/IP方式和Industry Ethernet方式等。本系统主要采用TCP/IP方式通过以太网以IP地址为桥梁建立和通信伙伴的连接。

    (4)在连接下建立变量。WINCC中的变量通过变量地址的方式和过程控制器中的变量建立连接，发送设定值或接收反馈值。

5河北中钢冷连轧机组控制网络系统特点

    河北中钢全连续冷连轧控制网络系统是典型的分层、分布式网络结构，其特点是：

    (1)控制结构清晰、层次分明，充分体现出实时集成控制的特点；

    (2)功能分配和网络配置合理，尽可能地减少了网络通信量；

    (3)采用具有变换功能的交换式以太网，极大地提高了网络性能，相当于增加了网络通信带宽，减小了通信延迟的可能性，将通信冲突减至最低程度，从而达到通信确定性和实时性的要求；

    (4)以太网和现场总线技术相结合，既发挥了现场总线实时性、安全性、可靠性和环境适应性，又发挥了以太网的优势，实现了彻底的分散控制，使得以太网的高速性、可扩展性和开放性毫不费力地移植到管控一体化系统中；

    (5)控制功能完备、可靠、高效。

    本套控制网络系统满足了全连续冷连轧过程中对高速通信和高速控制的要求，充分体现了实时集成控制系统RTI的特点，是在可靠性前提下对国外引进的大型冷连轧机电气控制网络系统进行的压缩，可以作为全连续冷连轧简易网络系统的一个参照。目前在河北中钢冷轧板厂已经投人使用，并且运行良好。

                                                                                            (北京科技大学高效轧制国家工程研究中心)