冷连轧机液压AGC系统中的分布式计算机控制.pdf

w w w .b z f x w .c o m 2 0 0 7年 3月 第 3 5卷 第 3 期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS Ma t ．2 0 0 7 Vo 1 ． 3 5 No ． 3 冷连轧机液压 A G C系统中的分布式计算机控制 王益群 ，孙孟辉，张伟 燕山大学机械工程学院，河北秦皇岛 0 6 6 0 0 4 摘要高速冷连轧机是典型的复杂机电系统，而液压 A G C是其消除厚差 ，提高成品精度的重要手段。 随着计算机技术 的发展 ，带钢冷轧生产规模的扩大，对带钢成品精度要求的进一步提高 ，要求冷连轧机液压 A G C系统综合控制进一步完 善 ，集中式计算机控制系统已经不能满足液压 A G C系统高速控制的要求，分布式计算机系统已成为其主流控制系统。本文 结合冷连轧生产实际，对分布式控制系统以及连轧自动化计算机控制的发展历程做了论述，同时给出了基于分布式工业控 制系统的连轧过程 自动化液压 A G C计算机控制系统结构。冷连轧机液压 A G C计算机控制系统分为基础 自动化级和过程 自 动化级，它们之间的通信由以太网来完成 ，以适应连轧控制系统控制高速化、精密化、智能化的要求。 关键词液压 A G C；分布式控制系统；冷连轧自动化；计算机控制 中图分类号T G 3 3 4 ． 9 ；T P 2 7 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 0 7 31 2 0 4 Di s t r i b u t e d Co mp u t e r Co n t r o l i n Hy d r a u l i c AGC S y s t e m o f Ta n d e m Co l d Ro l l i n g M i l l W ANG Yi q u n，S UN Me n g h ui ，ZHANG W e i C o l l e g e o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， Y a n s h a n U n i v e r s i t y ，Q i n h u a n g d a o H e b e i 0 6 6 0 0 4，C h i n a Ab s t r a c t Hi g h s p e e d t a n d e m c o l d r o l l i n g mi l l i s t h e t y p i c a l c o mp l i c a t e d e l e c t rome c h an i c al s y s t e m ，an d t h e h y d r a u l i c AG C i s i t s i mp o r t an t me an s wh i c h e l i mi n a t e s t h e t h i c k n e s s d e v i a t i o n an d i mp r o v e s t h e p r e c i s i o n o f s t rip p r o d u c t ． F o l l o w i n g t h e d e v e l o p me n t o f t h e c o mp u t e r t e c h n o l o g y，a n d t h e e x t e n d i n g o f t h e manu f a c t u r e s i z e o f s t ri p，t h e r e q u e s t t o t h e p r e c i s i o n o f t h e s t ri p p r o d u c t i s i n c r e a s e d ， t h e g e n e r al c o n tr o l o f t h e h y d r a u l i c AG C o f t h e t an d e m c o l d rol l i n g mi l l, i s r e q u e s t e d t o b e i mp r o v e d mu c h mo r e ． T h e c e n t r ali z e d c o mp u t e r c o n t rol s y s t e m h as n o t s a t i s fi e d t h e r e qu e s t o f t h e h i【g h - s p e e d c o n tr o l i n t h e h y d r a u l i c AGC s y s t e m． T h e d i s t ri b u t e d c o n t r o l s y s t e m b e c o me s t h e ma i n s tr e a m o f t h e c o n t r o l s y s t e m g r a d u all y ． A c c o r d i n g t o t h e p r a c t i c al p r o d u c t i o n，t h e d i s t ri b u t e d c o mp u t e r c o n t rol s y s t e m an d t h e d e v e l o p me n t al c o u r s e o f t h e c o mp u t e r c o n t r o l i n the t an d e m c o l d rol l i n g mi ll w e r e d i s c u s s e d，an d t h e s t r u c t u r e o f c o mp u t e r c o n t r o l s y s t e m o f a u t o ma t i c h y d r a u l i c AGC o f t h e t an d e m c o l d rol l i n g p r o c e s s b as e d o n t h e d i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m W as g i v e n ． T h e r e a r e t h e b asi c a u t o ma t i o n l e v e l an d t h e p r o c e s s a u t o ma t i o n l e v e l i n t h e h y dra u l i c AGC c o mp u t e r c o n tro l s y s t e m o f t h e t an d e m c o l d rol l i n g mi ll ， w h i c h c o m m u n i c a t e w i t h t h e E t h e r n e t ． I t C an s a t i s t h e h i g h - s p e e d ，p r e c i s i o n and a p t i t u d e r e que s t o f t h e t a n d e m rol l i n g c o n t rol s ys t e m ． Ke y wo r d sHy dr a u l i c AGC；D i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m； T an d e m c o l d rol l i n g a u t o ma t i o n； C o mp u t e r c o n t r o l 0 引言 由于轧机自动化水平及对板带材的质量要求越来 越高，所以对连轧机液压 A G C 板厚 自动控制系 统控制性能的要求也越来越高，连轧过程自动化计算 机控制系统已成为冷连轧机不可缺少的组成部分。同 时，由于高速冷连轧机是典型的复杂机电系统 ，控 制系统 13 益精密化与复杂化 ，分布式控制已成为连轧 机计算机控制系统结构的主流。 分布式控制系统综合了计算机 、通信 、屏幕显示 和控制技术 ，能够集 中控制、集中操作和集中管理， 系统中的各台计算机均可独立工作，并通过通讯网络 互连在一起，相互传递信息，相互协调工作，实现了 系统的总体功能。本文论述了冷连轧过程计算机控制 系统的发展历程，给出了基于分布式工业控制系统的 冷连轧过程液压 A G C系统计算机控制结构 ，以达到 连轧过程控制系统控制高速化、精密化与智能化的要 求 。 1 分布式控制系统 1 9 7 5年 H o n e y w e l l 公 司 生 产 出 T D C 2 0 0 0 T o t M D i s t ri b u t e d C o n t r o 1 ，这是一种具有多微处理器的集 中分布式控制系统 ，克服了计算机集中控制系统的致 命弱点，T D C 2 0 0 0标志着分布式控制系统的诞生 J 。 分布式控制系统 D i s t r i b u t e d C o n t r o l S y s t e m，D C S 亦称集散控制系统，其本质是采用分散控制和集中管 理的设计思想、分层治理和综合协调的设计原则，并 采用层次化的体系结构，从下到上依次分为直接控制 层、操作监控层、生产管理层和决策管理层。分布式 控制系统是以多台直接数字控制 D D C计算机为 基础 ，集成了多台操作 、监控和管理计算机，并采用 层次化的体系结构，从而构成 了集 中分布型控制系 统。分布式控制系统现在是过程计算机控制领域的主 流系统 ，它随着计算机技术 、控制技术、通信技术和 屏幕显示技术的发展而不断更新和提高，现已广泛应 用 于工业 自动化 。 基金项目国家 自然科学基金资助项 目 6 0 4 7 4 0 4 4 ；河北省 自然基金资助项 目 E 2 0 0 4 0 0 0 2 2 维普资讯 第 3期 王益群 等冷连轧机液压 A G C系统中的分布式计算机控制 1 2 1 1 ． 1 分布式控制 系统的特点 分布式控制系统的最大特点是分散控制和集中管 理并存。分布式控制系统的分散性是广义的，不但是 指分散控制 ，还有地域分散 、设备分散、功能分散和 危险分散的含义。分散的目的是为了提高系统的可靠 性和安全性；而集中性是指集中操作、集中控制和集 中管理，分布式控制系统的通信网络和分布式数据库 是集中性的具体体现 ，用通信网络把物理分散的设备 构成统一的整体，用分布式数据库实现全系统的信息 集成，进而达到信息共享 。 分布式控制系统是具有数字通信能力的控制系 统，它基于数字技术 ，除了现场 的变送和执行单元 外，其余的处理均采用数字方式。同时，分布式控制 的整个功能分成若干台不同的计算机去完成，各个计 算机之间通过网络实现相互 间的协调和系统的集成。 在 D C S中，检测、计算和控制由称为现场控制站的 计算机完成，而人机界面则由称为操作员站的计算机 完成 。综上所述，分布式控制系统具有以下特点 1 分散控制和集中管理并存； 2 以回路控制为主要功能； 3 除变送器和执行单元外，各种控制功能及 通讯 人机界 面均 采用数字技 术 ； 4 以计算机的 C R T 、键盘、鼠标代替仪表盘 形成系统人机界面 ； 5 回路控制功能由现场控制站完成，系统可 有多 台现场控制站 ，每 台控制一部分 回路 ； 6 系统 中所 有 的 现场控 制 站 、操 作员 站均 通 过数字通讯 网络实现连接。 1 ． 2 分布式控制 系统的结构体 系 自第一套分布式控制系统诞生以来，世界上有几 十家自动化公司推出了上百种分布式控制系统，虽然 这些系统各不相同，但在体系结构上却大同小异，所 不同的只是采用了不同的计算机 、不同的网络或不同 的设备。 最基本的分布式控制系统包括 4个组成部分现 场控制站 ，操作员站，工程师站和通讯网络，其典型 结构如图 1 所示。 图 1 典型的分布式控制系统结构 现场控制站 是 D C S的核 心 ，系统 主要 的控 制功 能 由它来完成。现场控制站的硬件一般都采用专 门的 工业计算机系统，其中除了计算机系统所必需的运算 器 主 C P U 、存储器外，还包括 了现场测量单元、 执行单元的输入输出设备，即过程量 I ／ O或现场I ／ O。 现场控制站内部逻辑部分和现场部分的连接，一般采 用与工业计算机相匹配的内部并行总线。现在 ，由于 现场总线技术的快速发展，使用现场总线作为现场 I ／ O模块 和主处理 器的连 接已经很普遍 。 操作员站主要完成人机界面的功能，一般采用桌 面型通用计算机系统，其配置与常规的桌面系统相 同，但要求有大尺寸的显示器和高性能的图形处理 器。 工程师站的主要作用是对分布式控制系统进行组 态。组态是分布式控制系统的上位机部分 ，是用户与 控制系统的接口，完成控制系统中现场设备运行的组 态 ，从而实现对系统的控制 ，是系统不可缺少的组成 部分 。组态是离线进行的，一旦组态完成，系统就 具备了运行能力。当系统在线运行时，工程师站可以 在系统 中设 置人 机 界面 来实 现 人对 系统 的管理 与监 控 ，还有诸如报警 、报表 以及历史数据存储等功 能。 服务器的主要功能是完成监督控制层的工作 ，如 整个生产装置乃至全厂 的运行状态监视 、对生产过程 各个部分出现的异常情况的及时发现并及时处置 、向 更高层的生产调度和生产管理，直至企业经营等管理 系统提供实时数据和执行调节控制操作等。除此之 外，还可以有许多执行特定功能的计算机，如专门记 录历史数据 的历史数据站 等。 由于采用分散控制 ，所以必须通过通信网络将系 统的各个站连接起来 ，这就是所谓的集中管理。分布 式控制系统的各个站之间必须实现有效的数据传输， 以实现系统总体的功能，因此通信网络的实时性 、可 靠性和数据通讯能力关系到整个系统的性能。随着以 太网技术的逐渐成熟 ，越来越多的工业 自动化控制系 统将采用以太网作为通信网络，以太网相对于现场总 线技术 ，开放性更好 J 。 2冷连轧过程液压 A G C中的分布式计算机控制 从 2 O世纪 5 O年代开始 ，随着电子技术和 自动控 制理论 的发展 ，美 国首先在轧钢生产 中采用 晶体管逻 辑控制、厚度 自动控制等新技术 ，使轧钢 自动化程度 有较大的提高；1 9 6 8年以后，逐步在带钢冷连轧机 上实现了计算机控制 。从计算机控制系统结构上 看 ，代表这一时期轧钢领域最高技术水平的冷连轧机 的控制系统主要是采用中小型计算机进行集中控制， 而集中控制有很大的局限性。随着微型计算机工业的 崛起 ，分布式控制系统逐渐取代了原有的连轧机集 中 控制系统 ，并采用 了直接数字控制 。 维普资讯 1 2 2 机床与液压 第 3 5卷 冷连轧过程液压 A G C中的分布式计算机控制， 是由几级计算机来实现全面控制，以达到控制板厚精 度的目的。而系统的各级按并行方式工作，很多轧制 参数采集和控 制功能都分散到各个 “ 子系统” 中。 在这类计算机控制系统中，采用高速网将控制冷连轧 机组的各控制器连成一个控制器群以解决各控制器间 的快速数据交换。系统由基础 自动化级和过程 自动化 级构成。其结构如图2 所示。 图 2 冷连轧过程中的分布式控制系统 基础 自动化控制器 由 P C C P C B a s e d C o n t r o 1 及 H P C 高性能控制器组成 ，其中 H P C为基于现场 总线 的多 C P U控 制器 ，主要用 于快 速控 制功 能 ，包 括质量控制 A G C，液压数字控制器 A P C等。各传动 控制器和系统控制器之间通过各种现场总线来进行通 信。 在基础 自动化级内，采用高速网后分为两层 上 层为用于质量控制的控制器 例如厚度控制、板形 控制 ，下层为主传动数字控制器和机架控制器。机 架控制器实际上是本机架各液压机 构 液压压下、 弯辊、窜辊的液压数字控制器 。液压控制器又 称为机架控制器 ，带有多个 C P U以分别控制本机架 的各个液压系统。 过程 自动化级实际上是几台微机外加必要的外 设 ，过程 自动化级主要用于向基础 自动化级传送各种 设定值以及存储各种数据。过程计算机中定义的数据 包括 轧制工艺参数；设备参数；应用程序使用的共 同数据。除此之外，还要 建立各种数 据文件，主要 有 过程记录报表 、运行报表 、故 障报表等报表文 件；物料跟踪数据文件；数学模型文件以及报警信息 文件等 。 连轧机液压 A G C系统分布式计算机控制采用了统 一 的人机界面系统 H M I ，系统的服务器通过通信网 络与基础自动化级和过程 自动化级交换数据，以便显 示其画面。人机界面系统采用了 “ 操作员站 辅助功 能键盘 少量开关” 的方式，大大简化了操作台、操 作箱的设计u 。依以上所述，操作员站为带有大屏幕 彩显的 P c机，主要用来显示控制系统的状态以及参 数。辅助功能键盘和开关主要用于紧急状态的操作， 由远程 I ／ O通过现场总线连到系统服务器。 冷连轧机液压 A G C分布式计算机控制系统采用 了分散控制的策略，这样 的系统灵活性和可靠性更 强，但由于各个控制器以及系统的各个部分各 自独 立，所以通信 在分 布式控 制系统 中就显得尤 为重 要 。同时，正是由于以太网以及 D P网在连轧过程 计算机控制系统的广泛应用 ，提高了数据通信的速 度 ，使得冷连轧计算机系统能够朝着分布式计算机控 制系统方向发展。 在连轧计算机控制系统中，各质量控制器之间的 数据交换可通过定义全局变量来解决 ；而其与传动控 制器之间通过 P R O F I B U S D P网来进行通讯。基础 自 动化 、过程 自动化 以及人机界面系统之 间，采用高速 以太网进行通讯 。 从控制系统的拓扑结构上来讲，冷连轧机液压 A G C计算机控制系统正朝着超高速网结构和区域控 制群结构两个方向发展。超高速网结构的特点是所有 控制器都平铺地连接在过程 自动化级和基础自动化级 之间的超高速网上 ，利用超高速网的宽频带 ，各控制 器 以及过程 自动化级 、基础 自动化级之 间以多种速度 交换数据。而区域控制群结构的特点是采用高速网将 控制冷连轧机组的各控制器连成一个控制群以解决各 控制器件的快速数据交换。无论是超高速网结构，还 是区域控制群结构都能够解决超高速数据交换 的问 题 ，满足冷连轧机高速通信、高速控制的要求。 由于采用分散控制，工业通信技术在连轧分布式 控制系统中的作用尤为重要，解决分布式系统中的超 高速数据交换，研究适合于冷连轧过程液压 A G C系 统的通信协议 ，开发高性能的通讯光纤，都有重要的 价值。与此同时 ，适合于工业现场的故障诊断与预报 技术的研发对于连轧现场生产来说 ，也是需要解决的 问题 。 3结束语 随着 自动化技术 、计算机技术和工业通信技术的 发展，以及对冷轧带钢成品精度的要求越来越高，冷 连轧过程控制系统 日益精密化、智能化。本文结合冷 连轧生产实际，对分布式控制系统以及连轧 自动化计 算机控制的发展历程做了论述，同时给出了基于分布 式工业控制系统的连轧过程 自动化液压 A G C计算机 控制系统结构 ，冷连轧机液压 A G C计算机控制系统 分为基础自动化级和过程 自动化级，它们之间的通信 由以太网来完成。与此同时，研究适应冷连轧机液压 A G C系统分布式计算机控制结构特点的数据通信技 术和故障诊断与预报技术，开发高性能的主 C P U控 维普资讯 第 3期 王益群 等冷连轧机液压 A G C系统中的分布式计算机控制 1 2 3 制器 ，将现 场 总线技 术 和 以太 网应 用 于连 轧控 制 系 统 ，都将会进一步促进冷连轧机控制系统的运行、维 护与发展 。 参考文献 【 1 】国家自然科学基金委员会工程与材料科学部 ． 机械与 制造科学 [ M]．北京 科学出版社， 2 0 0 6 8 9 ． 【 2 】 R a h k o n e n ． D i s t ri b u t e d I n d u s t ri a l C o n t r o l S y s t e m s - a C r i t i - c al R e v i e w R e g a r d i n g O p e n n e s s[ J ]． C o n t r o l E n g i n e e ri n g P r a c t i c e ，1 9 9 5 ，3 8 1 1 5 51 1 6 2 ． 【 3 】 王锦标 ． 计算机控制系统 [ M]． 北京 清华大学出版 社 ， 2 0 0 4 2 4 7 2 4 9 ． 【 4 】 王常力， 罗安 ． 分布式控制系统 D C S 设计与应用 实例 [ M]．北京‘ 电子工业出版社 ， 2 0 0 4 1 3 9 ． 【 5 】N a g a r a j a n K a n d a s a m y ， J o h n P ． H a y e s ， B ri a n T ．M u r r a y ． D e p e n d a b l e c o mmu n i c a t i o n s y n t h e s i s f o r d i s t rib u t e d e m- b e d d e d s y s t e m s[ J ]． R e l i a 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动与控制分会名誉主任委员，中国机械工程学会常务理 事，浙江大学流体传动与控制国家重点实验室学术委员会 副主任委员 ，国家自然科学基金专家评审组专家 ，机械工 程学报编委，中国机械工程杂志编委，中国工程机械学报、 中国塑性工程学报、液压气动与密封、流体传动与控制等 杂志编委。研究方向为电液伺服控制技术、轧机板形板厚 控制技术，获国家科技进步二等奖 1 项 ，省部级成果奖 8 项，出版专著 3部，发表论 文 2 0 0余 篇。孙孟 辉，男， 1 9 8 1 年生，燕山大学 机械工程学 院博 士研 究生。张伟 ， 男，1 9 7 1年生，燕 山大学机械工程学 院副教授。电话 0 3 3 58 0 5 1 2 6 0，1 3 5 1 3 3 5 3 5 9 6。 E ma i l s u n me n g h u i 1 9 8 1 y a h o o ． c o m． c a 。 收 稿 日期 2 o 0 l 61 0 2 5 广州震高机械有限公司 “ 冷室压铸机“项目通过广州市科技局验收 2 0 0 7年 1 月 1 6日，由震高公司承担的广州市科技攻关引导项 目 “ 节能环保数控冷室压铸机的研制”通过 专家组评审验收 。 该项 目的研究对象是集机械和液压技术 、电气控制技术 、数字化控制技术及节能技术于一体的为压铸行业 配套的重大先进装备，它以汽车工业中高品质铝合金铸件的发展需要为市场导向，以关键技术为依托。其关键 技术和创新点主要集中在电控方面的创新，在压铸机控制系统中应用数控技术代替传统的 P L C控制；采用震 高公司拥有知识产权的高效节能的无烟囱熔化炉的设计。 项目的立项，顺应 了汽车、摩托车等零部件制造业及相关行业提高产品质量 、节约能源 、降低成本 、减少 污染、提高经济效益的迫切需求。本项 目的研制成功及产业化推广，将有效促进广东乃至全国汽车行业、压铸 行业以及经济领域众多相关行业的技术进步。目前，随着项 目的完成 ，震高公司已建立 了冷室压铸机的研究 、 生产基地 ，先后研制出 C C M1 3 0 、1 8 0 、2 6 8 、3 6 8等 4个机型，其中 C C M一1 3 0和 C C M一1 8 0小型冷室机作为国 内独家生产，投入市场后受到用户欢迎，呈现出供不应求的良好局面。 广州机械科学研究院 “ P T F E摩擦密封件“项目通过验收 2 0 0 7年 1 月 1 8日，由广研院密封所承担的广州市科技成果重点推广项 目 “ 聚合物纳米复合材料及高性能 P a T E摩擦密封件”顺利通过了专家组验收。 该项 目主要是开发 P E T吹瓶压缩机用的无油润滑 F E密封组件 ，研制高性能 F E复合材料及密封组件 的生产工艺，使 P E T吹瓶机用无油润滑 P T F E密封组件产品质量达到或接近国外先进水平，替代进 口产品，并 制定无油润滑密封件相关行业标准。本项 目研制的耐高温 、高压无油润滑密封件 ，可以大幅度提高密封件的使 用寿命，降低用户的生产成本 ，提高我国食品包装行业的国际竞争力。通过本项 目的研究 ，还可以促进机械密 封行业新材料、新结构、新工艺、新技术的发展，促进密封行业的技术进步与技术创新 ，具有重要的社会和经 济效益 。 维普资讯