1．引言
在熱軋生產線上，粗軋是一道重要的生產工序，它為精軋進一步精加工生產做了充分的準備。
本文是根據某熱軋廠的粗軋電氣控制系統改造的項目實例來對TDC 的應用實施進行闡述。
由加熱爐加熱到目標溫度的出爐板坯首先經過高壓水除鱗箱清除氧化鐵皮，然后進入粗軋機架區域。粗軋的主要作用是通過對加熱到目標溫度的板坯進行多道次的軋制，將帶鋼軋薄到目標厚度，為下一步的精軋軋制做好準備。
下面具體談一下粗軋控制系統的硬件配置和功能。
2．粗軋控制系統
在該項目中，使用了Siemens 的SIMATIC TDC 作為控制系統的硬件設備。TDC 控制系統是多CPU 系統，計算能力強、運算速度快，能夠實現高速、復雜的控制任務，系統的實時性好，能夠實現開環和閉環的過程控制和計算?？梢越鉀Q非常復雜的調節和各種通信任務。
SIMATIC TDC 具有以下突出的特性：
. 模塊化的系統結構，硬件可擴展；
. 采樣時間間隔短，可達100ms，特別適用動態控制任務；
. 中央處理器采用64 位結構，具有最大性能；
. 同步多處理器運行，每個機架最多可有20 個CPU；
. 可最多同步耦合44 個機架；
. 使用STEP7 組態工具進行圖形化組態：連續功能圖(CFC) 和順序功能圖（SFC）
下圖為Simatic TDC 框架的示意。
圖1：Simatic TDC 框架示意圖
機架使用SIMATIC TDC 電磁屏蔽19" 機架UR5213，該機架允許硬件擴展，具有較高的性能裕量。它適用于墻壁安裝和箱柜安裝，配裝有一個具有冷卻和內部監控功能的集成電源。總共有21 個槽位用于擴展模板，并可通過64 位背板總線連接。對于較高的性能要求，在一個機架內可最多有20 個同步CPU 模板多處理器運行，可有44 個機架相互連接在一起，該項目使用的CPU 是CPU550。
I/O 模板使用SM500，SM500 I/O 模板提供有豐富的選項，用于連接分布式I/O。除了16 點二進制輸入/ 輸出以外，它還具有8 點模擬量輸入/ 輸出以及4 點積分型模擬量輸入。另外，還可連接4 個增量位置編碼器和4 個絕對值編碼器。使用6 個LED 指示模板的運行狀態。
通訊模板使用CP50M0、CP5100。通訊模板CP50M0 和CP5100 可提供高性能的通訊，用于： 調試(CP50M0)；過程控制；HMI。它們可以控制功能強大的協議，包括：MPI； PROFIBUSDP；使用TCP/IP 或UDP 的快速以太網。另外，還為各種不同的CPU，提供有一個8 MB 的通訊存儲器。
該項目使用了全局數據存儲器GDM，通過全局數據存儲器(GDM) ， 安裝有CP52x0 的大量機架相互之間可以進行通訊（該項目使用CP52A0），運算能力幾乎可以無限制擴展。
通過光纖電纜和共享存儲器，可最多有44 個機架聯網。除了幾個機架之間的通訊之外，使用GDM，還可實現同步( 采樣時間、時鐘時間) 和報警功能。刷新時間<1ms。
系統的硬件設備主要包括：5 臺SIMTIC TDC，分別用作主站和各單元的控制，通過GDM 相連接，用于TDC 之間的快速數據交換。GDM 又與過程數據分析計算機相連。這樣可保證PDA（Process Data Acquisition）快速收集到各臺TDC 的實時數據，對這些數據進行及時的處理，使處理分析結果在最短的時間得出，對故障診斷及生產和操作起到指導作用。4 臺HMI 操作顯示終端、1 臺HMI 服務器、1 套過程數據分析終端（PDA）、5 臺TDC開發站、打印機等。通過Ethernet 連接了PLC 控制設備和終端設備。
SIMATIC TDC 通過PROFIBUS-DP 同遠程I/O 設備—ET200 連接。TDC 的一般的I/O 信號都是通過ET200 遠程IO 設備相連接的，快速輸入輸出通過SM500 板來實現。
該系統的硬件配置圖如下：
圖2：粗軋基礎自動化控制系統配置圖
編程使用CFC 的方式。連續功能圖的編程方式比較方便，也是應用比較多的一種編程方式。
HMI 畫面用WinCC 來制作。WinCC 是一個專門用于處理生產和過程自動化中圖形顯示和操作控制任務的工業和技術中樞系統。該系統可實現工業控制方面的圖形顯示、信息存檔，以及報警等功能。其特點是具有強大的驅動程序界面，畫面更新快速響應，以及存檔功能可靠，因此能保證很好的實用性。
WinCC 系統提供了適用于工業控制的用于圖形顯示、信息存檔的模塊以及報警模塊等。其功能強大的驅動程序界面，畫面快速的刷新，以及安全可靠的存檔功能，保證其具有很高的實用性。除系統功能外，WinCC 提供了用戶解答的開放的界面。這些界面將使得WinCC 解決全公司范圍內的自動化問題成為可能。其訪問存檔數據是通過標準界面ODBC和SQL 的方法進行的。插入目標文件是通過OLE2.0 以及OLE 客戶控制（OCX）的方法來解決的。這些技術使得WinCC 在Windows 環境下成為一個有能力的通信伙伴。
3．粗軋控制系統控制方式及主要功能
該系統的控制方式共有三種：手動方式，半自動方式和全自動方式。
手動方式即維護操作方式。此種方式不能用于生產，此方式僅用于維修工作，調整工作，換輥和標定過程。設定值只可通過手動干預相應的控制對象來進行預設定。
半自動方式即道次計劃方式。道次計劃的數據從存儲在WinCC 上的道次計劃數據表取出，直接向基礎自動化裝載并進行生產。在半自動方式下，軋制過程所必須的傳動設備、傳動設備組和控制功能均根據當前的道次計劃進行自動控制。在任何時間，只要不超過限定值，手動干預都是允許的。手動干預的設定值優先于自動狀態下的設定值傳送給基礎自動化。
全自動方式。在該方式下，基礎自動化的全部功能及過程計算機投入運行，板坯每次軋制的道次計劃數據由過程計算機傳送給基礎自動化系統，基礎自動化系統根據道次計劃表中的設定數據來完成對粗軋機架和各設備的控制。軋制的流程由基礎自動化系統自動控制。壓下設定值和速度設定值由基礎自動化系統，按照當時的板坯跟蹤狀態進行投入。必要的材料跟蹤信號及實績值由基礎自動化系統傳送給過程計算機，以便過程計算機對板坯進行跟蹤以及數學模型的計算。運行方式通過人機接口HMI 進行選擇。在全自動方式下，軋制過程所必須的傳動設備、傳動設備組和控制功能均根據當前的道次計劃進行自動控制。在任何時間，只要不超過限定值，手動干預都是允許的。手動干預的設定值優先于自動狀態下過程計算機下達的設定值。
粗軋控制系統主要功能有軋機壓下控制，軋線協調，材料跟蹤，設定值分配，實際值收集，輔助的功能有側導板控制、標定、換輥等。
下面簡要介紹一下主要的控制功能：
軋機壓下控制是在要求時間內將軋輥的位置自動地控制到預先給定的目標值上，使輥縫與目標位置之差保持在允許的偏差范圍之內。在壓下位置控制過程中，壓下位置設定值通過過程控制計算機來設定，也可以在操作畫面上人工給出。壓下位置實際值可以通過安裝在電動機上的脈沖編碼器所測量的脈沖數換算出來。將當時的位置實際值與位置設定值進行比較，壓下螺絲將軋輥移動到距離設定位置允許的偏差范圍之內。
軋線協調控制機架前后輥道以及主傳動的傳動速度控制，其次還包括進鋼條件的詢問，過程畫面機架狀態的顯示，故障的報警，板坯的擺動等。
材料跟蹤的目的是根據材料在軋線中的位置來確定各相關設備的動作，進行設定值的輸出。材料跟蹤功能的實現通過在軋線上位置準確定義的熱金屬檢測器信號、軋制力信號和軋制方向信號來監視和計算板坯位置。這樣就可以確定板坯頭部和尾部的位置了。當材料到達軋線上某一特定位置時，順序控制就啟動某一設備的動作。實現這些動作所需要的數據來自道次計劃表。
對于粗軋的立輥機架而言，主要是寬度的控制，包括短行程控制（SSC）和自動寬度控制（AWC）。
短行程控制（SSC）是在進行板坯頭部或尾部的軋制時，如果立輥的輥縫與在進行板坯中部軋制時的設定輥縫相同，板坯的頭部和尾部會產生魚尾形狀，從而影響了產品的收得率。為提高材料的利用率，減少這種現象的發生，要采用短行程控制。短行程控制的原理是準確檢測板坯頭部和尾部位置，并給出相應的頭部和尾部寬度修正值。從而使頭部及尾部板寬略寬于板坯中部。再經過以后立輥道次的軋制，頭部和尾部又趨近于正常的和中部差不多的寬度，從而提高板坯收得率。
自動寬度控制（AWC）就是根據軋制力誤差算出相應的寬度補償值。通過板坯各位置的軋制力檢測就可給出相應位置的寬度修正值，這樣可以保證寬度控制精度達到理想的要求。由于這兩種控制時間響應都要求快速響應，所以都是通過液壓系統來實現的。
4．結束語
通過使用Siemens 公司的PLC 產品Simatic TDC 在粗軋電氣控制系統上的實踐應用。
使我對Simatic TDC 的軟、硬件有了進一步的深入理解。使用CFC 的編程方式非常方便。該粗軋電氣控制系統自投入運行以來，一直穩定運行，得到了用戶的肯定。
