1、收稿日期 : 2005204215基金项目 : 国家“十五”重大装备研制项目 (ZZ0113A040201)作者简介 : 何纯玉 (1973 - ) ,男 ,辽宁辽中人 ,东北大学讲师 ,博士 ; 吴 迪 (1952 - ) ,男 ,辽宁绥中人 ,东北大学教授 ,博士生导师 第 27卷第 2期2 0 0 6 年 2 月东 北 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 )Journal of Northeastern University (Natural Science)Vol127 ,No. 2Feb. 2 0 0 6文章编号 : 100523026 (2006) 0220173204中厚板轧
2、制过程计算机控制系统结构的研制何纯玉 , 吴 迪 , 王 君 , 王国栋(东北大学 轧制技术及连轧自动化国家重点实验室 , 辽宁 沈阳 110004)摘 要 : 介绍了中厚板轧机过程控制系统的组成和功能 ,根据中厚板轧制过程的特点 ,详细分析了模块间数据的通讯方式 在现场应用的基础上 ,提出了系统软件的设计规划 ,建立了通讯与模型相分离的两层进程的软件体系结构 ,完全满足了过程控制系统运行的安全和稳定 ,简化了系统的调试和维护 软件体系结构采用了易于扩展的开放性设计 ,使其适用性更强 ,这种结构同样适用于冷却过程计算机系统的开发 关 键 词 : 中厚板轧机 ;过程控制 ;数据通讯 ;多线程 ;
3、事件调度中图分类号 : TG 335 文献标识码 : A中厚板轧机是轧钢设备中的主力轧机之一 ,代表着一个国家钢铁工业发展的水 平 1 目前 ,随着我国中厚板轧机生产线的新建和改造 ,我国中厚板轧机的数量已位于世界前列 ,但是 ,国内的较先进的轧机计算机控制系统多从国外引 进 2 9 消化吸收国外先进经验 ,研制适用于中厚板过程控制模型开发和调试的计算机软件平台 ,提高我国中厚板控制水平 ,是十分迫切的任务 在设计和开发中厚板过程计算机开发平台时 ,基于以下原则 : 系统具有开放性 ,采用易于扩展的软硬件配置 ,便于系统的维护和升级 ; 建立完善的任务调度功能 ,使用线程和进程技术 ,基于任务
4、的同步与灵活的通讯配置使系统形成一个资源共享、并发同步的环境 ,并提高系统的容错能力和自恢复能力 ; 对生产过程的事件进行封装 ,建立过程控制模型触发事件的数据通讯接口 ,保证数据传递过程的安全和快速 ; 系统可进行离线调试 ,仿真生产现场触发事件 ,测试模型的健壮性 ,方便过程控制模型的调试和开发 ,缩短调试时间 1 系统组成和功能中厚板轧制过程计算机控制系统常采用三级设计 ,一级为基础自动化级 ,二级为过程控制级 ,三级为生产管理级 过程计算机基于工业以太网与 PLC 和 HM I (人机界面 ) 进行数据通讯 ,采集生产现场数据 ,并将计算结果传递给基础自动化 ,参与生产过程的控制 图
5、1为中厚板过程控制系图 1 系统网络结构图Fig. 1 Structure chart of system network统典型的网络结构图 人机界面系统使用一个单独的网络 ,这样做使无关联的数据分布于两个网段中 ,减少数据的干扰 ,加快数据传输的速度 以太网在生产现场的应用也便于系统在基础自动化级和过程控制级的基础上扩展到生产管理级 1. 1 基础自动化中厚板轧机基础自动化的主要任务包括轧区辊道控制、主传动控制、电动压下位置自动控制(APC) 、液压厚度自动控制 (A GC) 、偏心补偿、数据通讯以及轧机的清零、刚度测试等功 能 10 控制系统利用 PROFIBUS DP 连接远程 I/ O
6、、轧线检测仪表、变频器等设备 ,完成信号传递和指令控制 ,并保证各设备之间的信号连锁 压下控制系统采用电动压下 APC 和液压A GC 联合控制方案 电动压下控制是以辊缝设定值为目标值 ,根据控制算法 ,求出最优的压下电机速度输出曲线 ,高速预摆辊缝 ;液压 A GC 的目标是消除轧制过程中钢板的厚度公差 ,系统根据轧制过程中实测数据及轧机的弹、塑性曲线计算出辊缝的调节量 ,控制液压系统完成辊缝的调节过程 ,补偿电动 APC 的位置误差 为便于生产管理和过程计算机投入 ,将中厚板轧机的运行划分为手动轧钢、半自动轧钢、自动轧钢和检修四种方式 ,过程计算机只在轧机的半自动和自动方式下才投入工作 ,
7、各种工作方式的功能定义如表 1 所示 表 1 轧机运行方式定义Table 1 Definition of mill operation procedures轧钢方式 液压系统 控 制 系 统 过程计算机 操作员站手动 油柱高度固定 电动压下位置由操作工控制 ,电动 APC 不投入 ,液压 A GC 不工作 按照时间顺序采集轧制过程实测数据存储于过程计算机中 显示轧制道次、实测轧制力、实际辊缝值等数据 半自动轧钢 正常投入 按设定的操作员规程或过程机规程摆辊缝 ,轧制过程中 ,允许操作工对未轧道次的辊缝设定进行调整和修正 过程计算机根据人机界面的触发调用过程控制模型进行轧制规程的预计算 显示各道
8、次预设定数据和实际轧制过程数据 自动轧钢 正常投入 按过程计算机设定的轧制规程自动摆辊缝 ,轧制过程中只允许操作工进行辊缝微调控制 跟踪轧件的位置 ,过程模型进行轧制规程的预计算、修正计算和自学习计算 同上检修 可以泄荷 设备的运行由操作台控制 不工作 显示轧机工况1. 2 过程控制系统过程控制计算机根据生产现场采集的数据实现钢板跟踪、任务调度、规程优化计算及过程数据存储等任务 ,并通过通讯接口及时将模型的计算规程发送给基础自动化和人机界面 图 2 给出了中厚板过程控制计算机系统软件结构 图 2 过程控制系统模块结构Fig. 2 Module coufiguration of process
9、control system过程控制计算机中的跟踪调度模块负责与数据通讯模块交换数据 ,对生产现场数据 (热金属检测仪信号、测温仪信号、轧制过程的实时数据 )和人机界面系统中的触发信号 (入炉触发、出炉触发、轧废回炉确认、跟踪队列修正 )进行过滤和处理 ,获得系统可以识别的事件 ,调度其他模块协同工作 2 通讯接口规划轧线数据以标准模拟量信号或以数字量信号方式进入 PLC ,经过标定和编码后存入相应的数据块 ,由人机界面读取或发送给过程机进行处理 过程计算机与人机界面服务器、基础自动化之间的通讯均为双向数据传递 ,过程计算机需要实时接收基础自动化的采集数据 ,监视人机界面中触发变量的变化 ,并
10、及时地将计算规程数据发送给基础自动化 过程计算机与 PLC 和人机界面的通讯方式如图 3 所示 过程计算机和人机界面服务器之间的数据交换采用 OPC(OL E for Process Control) 技术 ,OPC是一项建立在 COM (Component Object Model) 技术基础上的公开的技术规 范 11 目前常见的人机界面系统均支持 OPC 协议 ,过程计算机作为人机界面服务器的 OPC 客户端 ,监视人机界面服务器中触发变量值的改变 ,按事件的功能定义调用相关函数完成对触发的处理 对实时性要求较高的生产数据采集由过程计算机和基础自动化直接进471 东北大学学报 (自然科学版
11、 ) 第 27 卷行数据通讯 ,要求过程计算机和 PLC 中安装以太网卡 ,建立连接前在过程计算机和基础自动化中各自按顺序定义发送、接收的数据变量 ,基于TCP/ IP 协议 ,通过系统通讯函数实现数据的快速发送和接收 图 3 过程计算机通讯方式Fig. 3 Communication mode of process computer3 系统架构设计过程控制系统采用多线程结构设计 ,多线程环境中的各个模块线程具有独立性 ,可以实现任务的并发处理 ,并容易共享进程内资源 ,简化了数据的规范管理 过程控制系统基于事件触发方式运行 ,为了保证过程控制计算机对采集数据的和触发的快速响应 ,过程控制软件
12、在设计上采用事件调度方式 ,协调各模块之间的关系 过程控制系统软件设计规划如下 : 系统由通讯模块、跟踪调度模块、数据管理模块、过程模型计算模块组成 ,处于同一进程中 ; 跟踪调度模块为主调线程 ,其他模块与跟踪调度模块进行事件通讯 ; 模块线程间采用全局变量实现数据共享和传递 ; 采用自定义消息进行事件触发 ,实现模块间通讯 ; 使用信号量保证模块间的任务同步 采用此规划设计的过程计算机软件系统如图4 所示 ,各模块属于同一进程中的多个线程 ,通过跟踪模块的事件调度 ,实现了模块间协调有序的运行管理 图 4 过程计算机软件系统结构Fig. 4 Software system structur
13、e of process computer过程计算机中的数据通讯模块主要负责与PLC和人机界面进行通讯 ,其实时性高于其他线程 ,具有相对独立性 为减少过程模型的调试时间 ,方便系统通讯功能的调试和过程控制软件的维护 ,有必要将过程通讯模块从原有进程中分离出来 ,形成一个独立的进程 ,通过建立接口规范使通讯过程标准化 ,简化过程控制系统的开发和调试 修正后的通讯与模型相分离的两层进程结构与原来的单一进程结构相比 ,处理方式更加灵活 ,模型进程只需负责处理少量的触发事件和接收通讯进程传来的数据 ,而不用关心具体数据的外部来源 ,通讯进程与模型进程之间各负其责 ,简化了过程控制模型的后期调试工作
14、修正后的过程计算机控制系统软件设计规划如下 : 系统由通信进程和模型进程组成 ; 进程之间通过事件传递消息 ,通过共享内存传递数据 ; 通讯进程负责与PLC 和人机界面通讯 ,通过可随时修改的标签实现对通讯变量的管理 ,并可以对接收数据进行实时记录和查看 ; 通讯进程可以按照设定的通讯变量自动产生与模型进程联系的数据结构 ,建立与模型进程之间的标准通讯接口 ,并实现对触发事件的封装 ; 模型进程中的跟踪调度模块负责对通讯进程传递的事件进行解释处理 ,协调数据管理模块和过程计算模块的运行 ,调度进程中的事件 修正后的过程计算机进程、模块线程之间关系如图 5 所示 图 5 过程计算机系统进程之间的
15、关系Fig. 5 Relation among different processes in computer control system571第 2 期 何纯玉等 : 中厚板轧制过程计算机控制系统结构的研制过程计算机控制软件系统建立在 Windows2000 Advance Serve 操作系统上 ,采用了 VisualC + + 作为语言模型与通讯开发平台 ,应用 SQLServer 2000 作为后台数据服务器 ,使用面向对象的设计模式对整个控制系统进行了规划和开发 ,并建立了线程、进程间事件调度的基础类库 ,使系统结构具有较强的灵活性、复用性与扩展性 ,便于调试和二次开发 4 结 语
16、(1) 中厚板生产工艺复杂 ,开发中厚板过程计算机控制系统是一项复杂的任务 ,不仅要保证系统的计算和控制精度 ,同时要协调好基础自动化、人机界面与过程控制模型之间的通讯关系 (2) 基于工业以太网络 ,建立了通讯进程和模型进程的两层进程的过程计算机软件结构 ,封装了过程控制软件中的通讯环节 ,便于对系统触发事件的跟踪管理 ,简化了过程控制软件的编程和维护 ,缩短了轧制过程控制模型的调试时间 (3) 通过在中厚板轧制过程计算机系统的应用实践 ,表明了这种系统架构设计的合理性 ,能够保证数据安全、快速、稳定的传递 ,同时这种结构的插件式配置 ,也容易实现功能上的扩充 ,同样适用冷却过程计算机控制系
17、统的开发 参考文献 : 1 孙本荣 ,王有铭 中厚板生产 M 北京 :冶金工业出版社 , 1993. 7 - 13(Sun B R , Wang Y M. Production of medi um plate M .Beijing : Metallurgical Industry Press , 1993. 7 - 13. ) 2 马占华 ,董世文 酒钢中厚板轧机的控制轧制与控制冷却J 钢铁 , 1999 ,34 (7) :35 - 37(Ma Z H , Dong S W. Controlled rolling process control ; data communication ; multithreading ; event scheduling( Received A pril 15 , 2005)671 东北大学学报 (自然科学版 ) 第 27 卷
