基于TDC和SIMADYN-D控制器的數據采集分析系統

孟慶余

(濟南鋼鐵股份有限公司 熱連軋廠,山東 濟南 250101)

1 引言

濟鋼1700是國內首家具有自主知識產權的薄板坯熱連軋生產線。經過不斷更新改造,目前全線由2座步進式加熱爐,1座蓄熱式加熱爐,1臺帶前小立輥的4輥可逆式粗軋機,飛剪,6機架精軋機組,3臺卷取機和鋼卷運輸系統等設備組成。其中精軋機主傳動控制系統采用西門子新一代高速控制器TDC和SIMADYN-D。為了能夠更好地掌握主傳動系統運行情況,給生產調試和系統維護提供可靠數據,并為故障分析提供依據,由西門子公司與濟鋼熱連軋廠共同聯合設計開發了一套軋機主傳動數據采集分析系統。

2 數據采集系統設計

2.1 控制系統配置和特點

精軋機組有6個機架,共配置SIEMENS公司的SIMADYN-D交-交變頻全數字矢量控制系統6套,每架軋機1套,SIEMENS公司的 TDC全數字控制器1套,6機架公用。SIMADYN-D主要完成電流環計算和脈沖觸發任務,配置了中央處理器PM6、擴展模塊IT41,IT42以及ITDC、通訊模塊CS7+SS52,EP22+IS1。而TDC完成包括速度環計算在內的其他所有功能,配置了中央處理器CPU551、通訊模塊CP50M0、信號模塊SM500。

TDC和SIMADYN-D專門針對開閉環控制任務設計,采用精簡指令的CPU處理器,支持多處理器運行,采樣速度快,有多種采樣時間(T0～T5),能夠很好地滿足傳動系統對實時性的要求。

2.2 數據采集系統

該套主傳動控制系統具有掃描周期短、響應快、過程變量多等特點,由此對數據采集系統提出很高的要求,采集系統不僅要求采樣周期短,而且還要有足夠大的數據采集量,同時還要有針對TDC和SIMADYN-D 2種控制器的采集端口和通道。為了配合控制系統,實現數據采集的完整性和準確性,通過分析對比不同的數據采集系統,決定采用德國iba公司的PDA產品,其采樣周期最快可達1 ms,采集數據量最大達到1 024通道模擬量和1 024通道開關量,而且有針對TDC和SIMADYN-D控制器設計的不同的數據采集卡,能夠很好地滿足實際需要。

數據采集系統由一個數據采集工作站和若干數據分析工作站組成,如圖1所示。采集工作站設置在主傳動電氣室,便于與控制器物理連接;分析工作站分設在各個電氣室和值班室便于進行數據分析。采集工作站與分析工作站之間通過以太網實現采集數據共享。

圖1 數據采集系統簡圖Fig.1 Data acquisition system sketch

控制系統中TDC和SIMADYN-D控制器各自通過不同方式將傳動系統的過程數據發送到采集工作站。數據采集工作站與控制系統間有2種數據通訊方式:一種是基于光纖通訊方式的數據接口與SIMADYN-D通訊,接收SIMADYN-D中的過程數據;另一種是基于現場總線 PROFIBUSDP通訊方式的數據接口與TDC通訊,接收TDC中的過程數據。

3 數據采集系統組成和實現

3.1 數據采集工作站組態

3.1.1 數據采集工作站硬件配置

采集工作站是一套基于 WINDOWS XP操作系統的工業PC機,安裝了PCI總線的數據采集卡及其驅動程序的PC機的軟件系統。

硬件基本配置如下:處理器為Intel(R)Pentium(R)4 CPU 2.40 GHz;顯卡為NVIDIA Ge Force FX5200 128 MB顯存;硬盤80G;光驅為DVD刻錄機(數據備份使用);另配顯示器一臺便于數據的實時監控。

在采集工作站PC機上安裝iba PDA數據采集卡FOB 4i PCI和L2B-PCI。其中FOB 4i PCI是專為連接SIMADYN-D控制器擴展模塊PADU8(parallel analog digital units)設計,適用于PC機PCI插槽的光纖通訊卡,提供4個單通道信號接口,每個通道信號處理速度可達5 Mbit/s,另外還提供通道狀態指示燈。該卡無硬件跳線,所有設置均通過 iba PDA軟件完成。L2B-PCI是專用于連接帶有PROFIBUS-DP接口的TDC控制器,適用于PC機PCI插槽的通訊卡,該通訊卡提供模擬量輸入通道和數字量輸入通道,LED狀態指示主站與從站狀態,該卡所有設置也都是通過iba PDA軟件完成。

3.1.2 軟件組態

在采集工作站PC機上安裝iba PDA V5.20.1過程數據采集軟件(process data acquisition system)。該軟件支持自由創建通道數為32個,每個通道又可以分別創建32個模擬量和32個開關量的采集通道。也就是說在無任何擴展的情況下,就可以同時采集1 024個模擬量信號和1 024個數字量信號,自由設置系統采樣時間。在一般情況下,這種數據采集量足以滿足傳動系統數據記錄的需要。采集工作站從控制器中接收數據,并將數據保存成后綴名為*.dat格式的文件存儲在本地硬盤上。

在iba PDA上對FOB 4i PCI和L2B-PCI進行系統設置,主要是設置數據采集卡的內存地址,中斷模式和響應超時監視時間等參數。系統設置后,對需要采集和記錄的變量進行組態。定義模塊類型和通道參數。針對不同的數據采集卡,設置不同的采集模塊類型,FOB 4i PCI選擇 sm64模塊,L2B-PCI選擇L2B模塊。通道參數包括采集變量的通道號,通道名,變量范圍和顯示單位等參數,同時在這里選擇采集的變量類型,分為模擬量和數字量2種。

設置完成后,PDA系統將自動保存配置文件,生成*.pda和*.pdr文件。每次系統啟動時,將自動加載配置信息,無需重復設置。

3.2 TDC和SIMADYN-D控制系統組態

3.2.1 SIMADYN-D控制器組態

SIMADYN-D控制器中過程數據是通過PADU8采集單元寫入到采集工作站的。PADU8適用于系統調試和故障診斷等環境下記錄過程數據使用。模塊自帶8通道模擬量輸入和8通道數字量輸入端口。通過SC對SC多模光纖跳線可以進行級聯擴展。在本SIMADYN-D系統中進行6級擴展連接,擴展結構如圖2所示,經過擴展后變為 48通道模擬量輸入和48通道數字量輸入。

圖2 PADU8級聯擴展示意圖Fig.2 PADU8 link extension sketch

SIMADYN-D控制器與PADU8間數據連接,通過在SIMADYN-D系統內安裝I/O擴展模塊IT42和模擬量輸出接口擴展模塊SU10實現。借助軟件編程將需要采集的軋機主電機定子電壓、電流,勵磁電壓、電流等過程數據通過SU10擴展模塊輸出到PADU8模擬量輸入通道上。

3.2.2 TDC控制器組態

TDC控制器中配置CP50M0模塊,用于實現TDC與采集工作站的 PROFIBUS-DP通訊。CP50M0是TDC通訊模塊,該模塊集成有2個PROFIBUS-DP/MPI接口,以及用于多處理器操作的8 MB的通訊緩沖區,此模塊PROFIBUS-DP接口可作PROFIBUS-DP主站或從站。在做主站時,相關參數需要通過編程,并下載至CP50M0模塊對應接口上實現。

在采集系統中,TDC作為主站,PDA作為從站,相關參數通過西門子COM PROFIBUS軟件下載至CP50M0的X1接口,PROFIBUS-DP配置如圖3所示。

圖3 CP50M0配置程序Fig.3 CP50M0 configuration program sketch

TDC系統使用編程工具STEP7,CFC和D7-SYS進行組態編程。在STEP7中完成硬件組態后,使用CFC和D7-SYS進行軟件編程,程序內容分為通訊初始化和數據寫入2部分。

1)通訊初始化。調用@PRODP功能塊初始化CP50M0的DP接口X1,分別定義硬件接口、站地址、通訊速率等參數,參數設置完成,結束CP50M0與PDA之間PROFIBUS-DP通訊初始化。然后調用SER04A和SER04B功能塊,定義數據通道名稱和地址,實現PDA中符號地址與控制器中絕對內存地址間轉換,完成數據采集功能初始化,初始化成功后,最終返回PDA應答信號。

2)數據寫入。在初始化完成后,調用CTV數據發送功能塊(見圖4)定義PROFIBUS-DP通訊使用的虛擬連接通道、硬件接口和軟件通道名稱。使用B-W、B-DW和NOP8-I等具有數據傳送功能的功能塊,將所需數據如速度設定值、速度實際值、轉矩實際值、功率實際值等96個參數按照定義好的通道地址發送給采集站。

圖4 CTV數據發送功能塊Fig.4 CT V data transmitting block sketch

4 數據分析系統

數據分析系統由若干數據分析工作站組成,分設于各個電氣室,便于隨時查看分析。分析工作站為普通工業用PC機,通過安裝分析軟件iba Analyzer V5.0即可實現對采集站在以太網上共享的*dat數據文件的分析。

分析軟件系統具有齊全的分析功能,能夠滿足不同的需求,其功能包括:將打開的數據文件進行拆分和組合;察看數據FFT模式及進行X-Y軸分析;豐富的數據處理工具,如算術、函數、處理集合等功能;信號濾波、統計、比較和極值處理功能;數據格式轉換輸出等功能。此外,分析系統還提供了豐富的數據連接和導出接口,可將數據導出為文本、圖表等其他格式文件,便于完成分析報告。

5 采集分析系統特點

采集分析系統特點如下。

1)采樣周期短,采集數據量大。這套數據采集系統最顯著的特點就是采樣周期短,最小采樣周期為1 ms,可以做到采樣周期小于處理器運算周期,全面準確地記錄處理器中過程數據,能夠捕獲控制器中所有有價值的數據。為生產調試和故障分析提供詳盡數據。

2)系統硬件少,便于維護管理。采集系統硬件包括數據采集卡和PC機,除此之外沒有任何A/D轉換等外圍設備,便于系統維護和管理。

3)采集系統軟件開發簡單,數據修改靈活方便。采集系統軟件開發在SIMATIC STEP7環境下使用的CFC(連續功能圖)語言完成。該語言具有簡單、形象的特點。通過簡單調用已有的標準功能塊,連接輸入輸出管腳就可完成軟件編程和系統開發。采集數據的修改靈活方便,僅需要定義數據地址和采集通道即可完成設置。

4)采集的數據具有極高的準確性、可靠性。由于采集系統本身不含任何A/D轉換設備,所有的數據轉換任務都在控制器內部完成,經過轉換后通過光纖和PROFIBUS-DP兩種可靠性極高的網絡媒介直接接入數據采集卡,系統采集的數據準確性和可靠性極高。

5)保存圖形數據,便于分析,數據分析系統功能強大。系統采集的過程數據以*.dat文件格式保存在硬盤上,由iba Analyzer軟件打開后,以圖形格式顯示(如圖5所示),便于分析員對不同時段,多個變量進行數據對比分析,提高故障查找效率。同時ibaAnalyzer分析軟件還提供了豐富的分析工具,功能強大。

圖5 數據分析曲線Fig.5 Data acquisition curves sketch

6 結論

這套專為軋機主傳動控制系統西門子TDC和SIMADYN-D控制器而設計,由數據采集卡、PC機以及相關工具軟件組成的數據采集分析系統,充分利用西門子控制器的強大功能和特點,以最精簡的系統硬件構成和軟件設計完成了數據采集和數據分析的任務。該采集系統的各項數據指標均達到了設計要求,能夠滿足生產的實際需要,為故障分析、生產調試等提供了大量有價值的數據,實際應用中取得了良好效果。這套采集系統的設計與應用體現了目前先進數據采集系統的一個發展方向,值得借鑒。

[1]鮑伯祥,陸章杰,王世寧.西門子 TDC編程及應用指南[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007.