过程数据采集及故障在线诊断系统的网络设计

第31卷第3期2009年6月山东冶金ShandongMetallurgyVol.31No.3June2009摘要：结合PDA过程数据采集系统在冶金企业中的应用，分析便携式、TCP/IP、ProfibusDP、SimadynD、内存映像网、GDM连接到TDC和综合等几种数据采集及故障在线诊断系统的网络架构，为过程数据采集系统的软硬件选择及网络设计提供依据。关键词：过程数据采集；故障在线诊断；网络架构中中图分类号号：TP274文献标识码：A文章编号：1004-4620（2009）03-0057-02􀥜􀥜􀥜􀥜􀥜􀥜􀥜􀥜􀥜􀧜􀥜􀧜􀥜􀥜􀥜􀥜􀥜􀥜􀥜􀥜􀥜􀧜􀥜􀧜信息化建设信息化建设收稿日期：2008-08-19作者简介：郭冬梅，女，1970年生，1993年毕业于山东建材学院过程控制自动化专业，2006年毕业于北京科技大学控制工程专业，工程硕士。现为济钢自动化部高级工程师，从事电气自动化工程设计、软件编制、现场调试工作。1前言各种与轧钢有关的大型设备基本上都是高速运转，如中板轧机、厚板轧机、热连轧机、冷轧机、彩涂机、卷取机等，有的是ms级，有的甚至达μs级，要对这些设备的运行过程进行数据采集、调试和分析较为困难。过程数据采集（PDA）软件具有这方面的优势，可用来进行大型数字化控制系统的调试、试车、生产维护和故障分析等。2ibaPDA简介ibaPDA的特点是：1）服务器/客户端结构。现场数据的配置，数据采集、记录、趋势等任务在服务器/客户端结构上分发给多个程序。2）多客户端。多个客户端可访问同一台服务器。这样任何来自服务器的测量数据可以同时显示在不同的客户端上。3）海量信号。可用的信号的容量权有256、1024、2048和无信号数量限制容量。4）可调的采样时基。通常的采样时基被设定为1～1000ms，对快速的测量，较高的采样速率可用50μs。5）配置简单、即插即用。在I/O管理器对话框内，完成所有的组态设置，提供清晰简明的描述。而且组态的改变由服务器自动确认，ibaPDA-V6自动监测已连接的设备接口硬件并加到组态内。6）在线诊断。一个宽范围的数据源和接口可用来数据采集，如ibaFob，PROFIBUS，TCP/IP，OPC和内存映像网，这些数据源的每一个可以指定到一个任意号的对应模块或可以处理特定数量信号的设备。7）虚拟信号与表达式编辑器。通过表达式编辑器，用算术运算和逻辑运算生成虚拟信号。像原始数据信号可以被处理，它们可以被记录在数据文件中，同时还可以用作触发机制。8）灵活的数据记录。多种数据存储器被配置用来记录数据。每一个数据存储有自己的格式和独立的采样时基。3过程数据采集系统的网络架构PDA过程数据采集是基于PC的、建立在网络技术上的信号采集、存储系统，主要实现高速的数据采集及存储。信号输入由专门的PC卡负责，在外围条件允许的情况下，PDA系统可以以1ms的采样周期同步采集有限个模拟量和数字量，给分析高速控制系统的动态过程提供了很好的平台。3.1便携式便携式故障诊断系统由PDA软件、笔记本电脑、PCMCIA数据通信卡、连接光纤和并行数据采集单元PADU构成，可以完成128个模拟量和128个数字量信号的实时采集和分析，替代示波器和各种在线记录仪。网络设计架构见图1。数据采集单元PADUPCIMCIA笔记本电脑数据采集单元PADU......图1便携式数据采集及故障在线诊断系统3.2TCP/IPTCP/IP连接方式，PDA侧无需硬件，仅仅需要PDA软件和TCP/IPVIP软件包通信包，通过标准以太网接口卡，可以在线采集具有TCP/IP接口的控制系统中的全部数据，尤其与西门子S7系统可以进行无缝连接，非常适用于快速性要求不是特别高的自动化系统的调试和维护。网络设计架构见图2。西门子S7PLCCPUPC机以太网卡西门子S7PLC以太网卡CP343-1、CP443-1ibaPDAPC机图2TCP/IP数据采集及故障在线诊断系统某厂炼钢转炉控制系统采用此种通讯方式，由于网络及自身PLC的延时问题，达到1ms的采集速率不太可能，因此让PDA系统运行在WINXP操作平台下，以5ms的速率采集数据。为了保证数据的过程数据采集及故障在线诊断系统的网络设计郭冬梅（济南钢铁股份有限公司自动化部，山东济南250101）57山东冶金2009年6月第31卷完整性，将每座转炉的数据放在同一个DB块中，每个DB块分别建立与PDA的连接，共建立了4个TCPConnection，能传输64个整型数，以数据包的形式传送。每个包中包含32个整型数和32个开关量，PDA通过端口5001来接收数据包。数据可经过PDA后转换为*.dat文件，可以按时、天、月存放在电脑硬盘上，文件名称可以自动生成。3.3ProfibusDP该系统网络通过ProfibusDP监视设备DPM64，以ProfibusDP从站的方式接入到用户的ProfibusDP网络中，可以在线采集和监控控制系统中的全部数据，传送速率可达12Mbps，尤其与西门子S7PLC系统可以进行无缝连接。网络设计架构见图3。西门子S7PLCCPUPDAFCB卡多个ET200远程站PC机DPM64DP监控设备图3ProfibusDP数据采集及故障在线诊断系统3.4SimadynD整个系统是把7套SimadynD组成一个网，然后再与PDA进行通讯。在PDA侧采用FOB-SDPCI通讯卡与主SimadynD机架的通讯模块CS14进行通讯。CS14模块用于SimadynD主站和从站的连接，可以连接的从站数目是8个，每个从站使用CS22模板，可以高达8个从站被连接到CS14模块，连接中使用光缆。这种结构允许PDA系统和所有主站CPU以及连接到相同CS14接口模块的所有从站CPU（最多56个CPU）进行通讯。这种模式PDA侧需要1套PDA-1024软件，1套FOB-SDRequest软件包，1块FOB-SDPCI接口卡。网络设计架构见图4。Simadynd从站CS22PDAFOBSB卡PC机Simadynd主站CS14......Simadynd从站CS22图4SimadynD数据采集及故障在线诊断系统这种方式在梅钢热轧F3~F6主传动上以及在攀钢和济钢的厚板轧机上使用。在精轧机调试及运行中解决了如咬钢信号不可靠原因查找、弯辊平衡不稳定、压下系统噪音大等多起故障，给技术人员带来了很大方便。3.5内存映像网该网络特点是在原有设计的VME网络中，新增一个ibaPDA-PC节点，在新节点PC机内插入1块GE的VMIPCI5565卡，使ibaPDA-PC连接到VME网络。整个网络中使用的是高速内存光纤网络，数据传输速率高达2000Mbps。网络设计架构见图5。PC机......控制器VME5565网卡VMIPCI5565控制器VME5565网卡图5内存映像网数据采集及故障在线诊断系统此种网络设计方式将多个VME总线上的GEPAC700、PAC300控制器信号通过VME5565卡，连接到PDA数据系统中进行数据采集与监控分析。PDA侧需要1套实时数据检测软件PDA-1024和1块VMIPCI5565接口卡。3.6GDM连接到TDCPDA要连接到TDC处理器，需要FOB-TDC卡，此卡直接插在PDA服务器的PCI插槽中。由于CP52I0可以访问存储模板CP52M0中的数据，通过FOB-TDC和CP52I0，运行在服务器中的PDA就可以接受并记录与GDM机架相连的TDC系统的数据。在PDA侧为TDC创建地址本后，PDA直接选择需要监控的变量而无需修改TDC程序。此网络传输速率达640Mbps，需要1块PDA与TDC系统通讯的光纤卡ibaFOB-TDC和1套TDC系统的请求软件PDATDC-request软件包。网络设计架构见图6。......GDM机架网卡CP52I0FOBTDC卡ibaPDAPC机TDC控制器CP52A0网卡TDC控制器CP52A0网卡图6GDM连接到TDC数据采集及故障在线诊断系统此种网络模式在马钢第一轧钢厂TDC系统中得到很好的应用，济钢新厚板厂也将采用此种网络模式进行数据采集和调试诊断分析。3.7综合系统由工控机、PDA软件、各种通信接口板卡、光纤网络和数据接口单元构成的在线实时数据采集和监控系统，可以以1ms为周期，同步采集2048个甚至更多自动化系统信号，从而实现对整个控制系统和生产过程的监控、维护及故障诊断。目前已应用成功的综合数据采集网络：1）VMIPCI5565内存映像网TCP/IP模式，内存映像网采集控制器数据，TCP/IP监视L2过程计算机传送的轧制规程数据。2）FOB-SDPCISimadynD数据采集TCP/IP模式，FOB-SDPCI采集SimadynD控制器数据，TCP/IP监视L2过程计算机传送的轧制规程数据和SimadynD控制器发送给L2的现场设备实际值。3）FOB-TDC数据采集TCP/IP+ibaCom-L2B-8-8ProfibusDP模式，FOB-TDC采集TDC控制器数据，TCP/IP监视L2过程计算机传送的轧制规程数据，ProfibusDP采集S7-400PLC内的数据。4结束语在几种过程数据采集及故障在线诊断系统的网络架构中，便携式故障诊断系统多用于工程现场工程师调试及设备诊断；ProfibusDP及TCP/IP网络架构多适用于快速性不是很高的如炼钢、连铸等自动化控制系统；SimadynD数据采集、内存映像网数据采集、GDM连接到TDC数据采集（下转第61页）58整个调速系统各项运行指标的实时集中监控，便于全面了解整个轧机系统的运行情况。当监控软件启动时，首先进入的是成品轧机调速控制系统的监控主画面，该画面动态显示整个系统中设备的运行状态及运行参数。利用WinCC提供的变量记录编辑器，对系统的运行数据进行采集、显示和归档，并存于工控机内存中，可非常方便地查看过程变量的历史数据。调速系统组建的变量记录画面有：历史记录画面，显示整个系统中所有归档的过程变量，可选择切换监控的过程变量历史记录；趋势图画面，显示现场仪表的读数在一段时间内的数据和变化趋势。3新建调速系统的特点1）采用网络技术、计算机技术、直流调速技术对成品轧机调速控制系统改造后，直流电机以其良好的过负荷能力，实现了大规格产品生产时采用低速大转矩工作，小规格产品采用高转速低转矩工作，促进了产品品种的开发扩展。轧制速度最高可提高69.5%，提高了生产能力，适应了市场对中型材批量小、规格全的需求。2）成品轧机系统设备运行数据的自动采集、处理和记录，机前辊道自动控制的实现，以及轧件温度、支数等生产数据的及时应用和处理，明显减轻了操作人员的劳动强度，并提高了生产管理手段，推动了质量管理和绩效深层次发展，也满足了节能降耗发展需求。3）提高了关键设备装备水平，实现了对成品轧机的设备状态的实时监测，为维护人员提供故障判断及处理手段和依据，帮助其迅速、准确地发现并处理故障，从而降低故障停轧时间，确保生产顺行。4）网络平台的建立为扩展自动控制系统功能，进一步推动济钢中轧厂内部信息资源的共享和生产过程的统一管理，满足现代工业生产的发展需求提供了良好的途径。4结语型钢轧机存在控制系统落后、能源消耗高、不适应市场竞争等问题，采用先进的网络技术、计算机技术、直流调速技术，针对生产线关键部位进行投入少、施工简单、周期短、功能全的改造，明显提升了轧钢生产线产品开发、节能降耗及管理创新的水平，使轧钢生产工艺流程连续化、紧凑化、产品品种规格多样化，适应了当前轧钢技术的发展潮流，也是网络技术支持下的自动控制技术推动轧钢设备控制及工艺发展的一个典型应用事例。参考文献：［1］高鸿斌，孔美静，郝孟合.西门子PLC与工业控制网络应用［M］.北京：电子工业出版社，2006.［2］钟肇燊，冯太合，陈宇驹.西门子S7-300系列PLC及应用软件STEP7［M］.广州：华南理工大学出版社，2004.JinanSteel’sSpeed-regulatingControlSystemofSectionMillBasedonNetwork