一种热轧带钢平整机组自动化控制系统 【技术领域】
本发明涉及热轧带钢平整机控制技术领域，也涉及采用西门子公司的SIMATICTDC的实时多任务分布式控制系统。
背景技术
热轧带钢平整机组的生产要想获得理想的产品质量，要求控制系统必须快速、可靠实现热轧带钢平整机组逻辑顺控制(LCO)、速度协调控制(MRG)、辊缝设定控制（HGC）、延伸率控制、张力控制功能，完成生产过程控制。作为世界闻名的自动化公司，SIEMENS公司的SIMATICTDC（SIMATICTechnologyandDriveControl），即工艺和驱动自动化系统，是一种实时多任务的分布式数字控制系统，具有运行速度快、可靠性高、功能强大且容易组态等特点，擅长解决处理复杂的驱动、控制和通讯任务，是对SIMATICS7理想的扩充。
但是如何将SIMATICTDC控制系统在热轧带钢平整机组上组网应用，发挥其运算、通信和控制的潜能，提高热轧带钢平整机组的生产质量，并且具有生产管理控制高效、界面友好，便于操作的二级机系统，则是一项系统应用的研究课题，国内外尚无这方面的报道。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是提供一种热轧带钢平整机组自动化控制系统，发挥SIMATICTDC控制系统的运算、通信和控制的潜能，提高热轧带钢平整机组的生产质量，并且具有生产管理控制高效、界面友好，便于操作的二级机系统。
为解决上述技术问题，本发明一种热轧带钢平整机组自动化控制系统，包括生产管理控制站MNG、人机接口操作员工作站HMI、基础自动化控制机及通讯网络，其特征在于，
生产管理工作站MNG：用于通过网络从三级机接收或通过界面人工录入钢卷生产数据（PDI）、生成产品生产策略、收集生产实绩并上传三级机系统。三级机为工厂管理计算机系统，完成生产计划及物流管理。
人机接口操作员工作站HMI：用于显示主操作界面、辊缝设定控制（HGC）界面的生产控制及设备控制界面；完成生产计划手工调整、控制功能选择、生产过程数据监控、设备故障报警，生产报表打印；
基础自动化控制机：采用SIMATICTDC，用于实现热轧带钢平整机组逻辑顺控制(LCO)、速度协调控制(MRG)、辊缝设定控制（HGC）、延伸率控制、张力控制功能，完成热轧带钢平整机组的生产过程控制。
通讯网络：所述生产管理工作站、人机接口操作员工作站、基础自动化控制机之间采用EthernetTCP/IP网络通讯协议，基础自动化控制机与现场远程I/O通过ProfibusDP现场总线连接，现场传感器通过信号电缆与基础自动化控制机连接。
所述生产管理工作站MNG包括PDI数据管理模块、生产配方管理模块、生产排程管理模块和数据通信模块；所述PDI数据管理模块用于操作员手动输入原始钢卷数据，并对钢卷数据进行插入、删除、修改；所述生产配方管理模块用于编制准备生产钢卷的工艺数据方案；所述生产排程管理模块用于编制钢卷产品生产计划；所述数据通信模块用于接收三级机上的钢卷生产计划数据，并将钢卷生产归档数据上传给三级机。
所述PDI数据管理模块包括第一操作界面模块和第一数据操纵模块，
第一操作界面模块读取钢卷数据库的数据，以钢卷号为单位生成并显示钢卷数据和钢卷数据操纵按钮；钢卷数据操纵按钮包括插入按钮、删除按钮、修改按钮、剪切和打捆操作按钮、材质管理按钮；
第一数据操纵模块包括插入操作模块、删除操作模块、修改操作模块、剪切和打捆操作模块、材质管理模块；
插入按钮触发插入操作模块执行对钢卷数据库插入某钢卷数据操作；删除按钮触发删除操作模块执行删除钢卷数据库某钢卷数据的操作；修改按钮触发修改操作模块执行对钢卷数据库的某钢卷数据修改操作；剪切和打捆操作按钮触发剪切和打捆操作模块用于对钢卷数据库的某钢卷数据的分切卷和打捆属性进行设置；材质管理按钮触发材质管理模块是对钢卷数据库的某钢卷数据的钢质、密度和张力属性数据的一种设置管理；
所述生产配方管理模块用于编制准备生产钢卷的工艺数据方案，包括第二操作界面模块和第二数据操纵模块，
所述第二操作界面模块用于读取钢卷配方数据库的数据，生成并显示钢卷配方数据和钢卷配方数据操纵按钮；钢卷配方数据操纵按钮包括插入配方按钮、删除配方按钮、修改配方按钮；
所述第二数据操纵模块包括插入配方操作模块、删除配方操作模块、修改配方操作模块；插入配方按钮触发插入配方操作模块用于在钢卷配方数据库中增加配方记录；删除配方按钮触发删除配方操作模块用于在钢卷配方数据库中删除配方记录；修改配方按钮触发修改配方操作模块用于在钢卷配方数据库中针对某钢卷配方属性进行修改；
所述生产排程管理模块包括第三操作界面模块和第三数据操纵模块，
所述第三操作界面模块用于读取钢卷数据库的数据生成并显示钢卷数据列表，生成并显示准备生产钢卷数据列表，生成并显示排产按钮、吊销按钮、下达生产指令按钮；
所述第三数据操纵模块包括：排产操作模块，用于从钢卷数据列表选择某钢卷，并将其写入准备生产钢卷列表；吊销操作模块，用于从准备生产钢卷数据列表选择某钢卷，并将其从准备生产钢卷列表中删除；下达生产指令模块，用于从准备生产钢卷数据列表选择某钢卷，并将其数据传送到基础自动化控制系统，
排产按钮、吊销按钮、下达生产指令按钮分别触发排产操作模块、吊销操作模块、下达生产指令模块；
所述第三数据操纵模块还包括钢卷顺序的移动操作模块，用于在准备生产钢卷数据列表中选择所要调整的钢卷，对该钢卷在列表中的顺序进行调整；
所述钢卷删除操作模块，用于在准备生产钢卷数据列表中选择所要调整的钢卷，对该钢卷在列表中进行删除；
所述数据通信模块包括第四操作界面模块和第四数据操纵模块，
所述第四操作界面模块读取三级机钢卷计划数据库，生成三级机钢卷计划数据库列表，生成本机钢卷数据库列表和通信操纵按钮，包括接收按钮、退回按钮，接收按钮用于触发接收操作模块，退回按钮用于触发退回操作模块，
所述第四数据操纵模块包括接收操作模块、退回操作模块，接收操作模块用于将操作人员在三级机钢卷计划数据库列表中选择的钢卷，写入本机中的钢卷数据库；退回操作模块用于将操作人员在钢卷数据列表中选择的钢卷删除，写回到三级机钢卷计划数据库列表；
所述第四数据操纵模块还包括编辑归档模块，用于对钢卷生产归档数据进行修改操作；
所述第四操作界面模块还用于读取基础自动化系统的钢卷生产归档数据，生成钢卷生产归档数据列表、编辑归档数据按钮；编辑归档数据按钮触发编辑归档模块；
所述第四数据操纵模块还包括归档发送操作模块，用于将钢卷生产归档数据传送给三级机；
所述第四操作界面模块还用于生成发送钢卷实绩数据操作按钮，发送钢卷实绩数据操作按钮触发归档发送操作模块；
所述第四数据操纵模块还包括生产作业时间录入发送模块，用于对本班次的生产作业时间数据进行录入和上传给三级机系统。
所述第四操作界面模块还生成录入发送班作业时间按钮，录入发送班作业时间触发生产作业时间录入发送模块。
本发明的有益效果：体系结构合理，控制实时性高，实现热轧带钢平整线生产过程数据自动化采集、显示及上传、设备运行状态的显示及故障报警,发挥SIMATICTDC控制系统的运算、通信和控制的潜能，提高热轧带钢平整机组的生产质量，并且具有生产管理控制高效、界面友好，便于操作的二级机系统，可在热轧带钢平整线上推广应用。
【附图说明】
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。
图1为本发明的结构原理图。
图2表示了以MNG为核心的平整机组自动化控制系统的数据逻辑结构流程图。
图3表示了MNG所包括的PDI数据管理模块、生产配方管理模块、生产排程管理模块和数据通信模块四个主要功能模块。
图4表示了PDI数据管理模块针对钢卷数据库的五项操作框架图。
图5表示了生产配方管理模块针对钢卷生产配方数据库的插入、修改、删除配方的操作框架图。
图6表示了生产排程管理模块的流程框架图。
图7表示了本发明的NMG与三级机、基础自动化系统之间的数据流程图。
图8为MNG登录界面。
图9为MNG的四个模块的操作界面图。
图10为PDI数据管理模块的操作界面。
图11为PDI数据管理模块中点击增加钢卷按钮后地操作界面。
图12为PDI数据管理模块中修改或删除的钢卷操作界面。
图13为PDI数据管理模块中分切卷和打捆数据的操作界面。
图14为PDI数据管理模块中材质数据管理的操作界面。
图15为生产配方数据管理的操作界面。
图16为编制钢卷产品生产计划的操作界面。
图17为钢卷产品生产计划数据传送给基础自动化系统的操作界面。
图18为MNG与上位机数据通讯的操作界面。
图19为数据通信模块中MNG编辑归档数据的操作界面。
图20为数据通信模块中录入班作业时间并将数据上传给上位机的操作界面。
【具体实施方式】
如图1所示的本发明的结构原理图，热轧带钢平整机组自动化控制系统包括：
L3级：三级机为工厂管理计算机系统，完成生产计划及物流管理；
L2级：生产管理控制站MNG，用于通过网络从三级机接收或通过界面人工录入钢卷生产数据（PDI）、生成产品生产策略、收集生产实绩并上传三级机L3系统；
L1级：包括基础自动化控制机SIMATICTDC、远程I/O、人机接口操作员工作站HMI；
L0级：包括电气传动、机械传动、传感器。
其中，人机接口操作员工作站HMI用于显示主操作界面、辊缝设定控制（HGC）界面的生产控制及设备控制界面；完成生产计划手工调整、控制功能选择、生产过程数据监控、设备故障报警，生产报表打印；
基础自动化控制机：采用SIMATICTDC，用于实现热轧带钢平整机组逻辑顺控制(LCO)、速度协调控制(MRG)、辊缝设定控制（HGC）、延伸率控制、张力控制功能，完成热轧带钢平整机组的生产过程控制。
通讯网络：三级机、生产管理工作站、人机接口操作员工作站、基础自动化控制机之间采用EthernetTCP/IP网络通讯协议，基础自动化控制机与现场远程I/O通过ProfibusDP现场总线连接，现场传感器通过信号电缆与基础自动化控制机连接。
生产管理控制站MNG、人机接口操作员工作站HMI分别安装在PC机上，SIMATICTDC、远程I/OET200M、现场操作站OP及ProfibusDP网组成PLC系统。
图2表示了以MNG为核心的平整机组自动化控制系统的数据逻辑结构流程图。MNG分别与L3、TDC、HMI通讯，还可以接收人工录入数据。
图3表示了MNG所包括的PDI数据管理模块、生产配方管理模块、生产排程管理模块和数据通信模块四个主要功能模块。
图4表示了PDI数据管理模块针对钢卷数据库的五项操作框架图。
图5表示了生产配方管理模块针对钢卷生产配方数据库的插入、修改、删除配方的操作框架图。
图6表示了生产排程管理模块的流程框架图。排产操作模块从钢卷数据列表选择某钢卷，并将其写入准备生产钢卷列表；吊销操作模块从准备生产钢卷数据列表选择某钢卷，并将其从准备生产钢卷列表中删除；下达生产指令模块从准备生产钢卷数据列表选择某钢卷，并将其数据传送到基础自动化控制系统。
钢卷顺序的移动操作模块在准备生产钢卷数据列表中选择所要调整的钢卷，对该钢卷在列表中的顺序进行调整；钢卷删除操作模块在准备生产钢卷数据列表中选择所要调整的钢卷，对该钢卷在列表中进行删除。
图7表示了本发明的NMG与三级机、基础自动化系统之间的数据流程图。接收操作模块数据通信模块读取三级机钢卷计划数据库，生成三级机钢卷计划数据库列表，生成本机钢卷数据库列表；接收操作模块将操作人员在三级机钢卷计划数据库列表中选择的钢卷，写入本机中的钢卷数据库；退回操作模块将操作人员在钢卷数据库列表中选择的钢卷删除，写回到三级机钢卷计划数据库列表；
本机钢卷数据库中的钢卷数据通过排产操作生成准备生产钢卷列表，发送给基础自动化系统，基础自动化系统按照准备生产钢卷列表的数据生产，产生的钢卷生产归档数据发送给MNG，MNG通过编辑归档模块对钢卷生产归档数据进行编辑修改后或者直接通过归档发送操作模块传送到L3的钢卷实绩数据库中。
另外，MNG的生产作业时间录入发送模块接收操作人员对本班次的生产作业时间数据的录入，并上传给三级机的班组作业数据库，便于管理统计分析。
为进一步说明本发明，下面给出MNG的一个具体实施例。
实施例
MNG具体实现方式如下：
一、登录和退出系统
1.1启动WinCC，运行MNG，出现登录界面，见图8。
1.2输入用户名、口令，点击OK按钮进入系统。
在MNG主界面上显示的MNG界面主要分为PDI数据界面、生产排程界面、生产配方界面和与上位机数据通讯四个部分的操作，见图9所显示。
二、PDI数据管理模块的操作界面
若没有上位级计算机,原始数据通过操作员手动输入，操作人员可以对钢卷数据进行插入、删除、修改。操作流程：
点击图9的PDI数据界面按钮进入钢卷数据，则显示如图10所示的显示界面。
2.1插入操作：在屏幕中用鼠标键点击钢卷号的输入钢卷号数据，选择处理方式S-平整或C-重卷，钢质，以及输入相应的宽度、初始厚度、重量、延伸率等字段的数据，点击增加钢卷按钮插入此钢卷记录，见图11。
2.2修改和删除操作：点击图11的选择钢卷按钮可进入钢卷信息显示界面见图12，选择要修改或删除的钢卷号，自动返回主界面或点击图12返回按钮，若需要修改钢卷数据，在修改完相应数据后点击图11的保存钢卷按钮。如果删除，则直接点击图11删除钢卷按钮删除钢卷数据。
说明：
延伸率[%]=（初始厚度–最终厚度）/初始厚度x100%
重卷时，即处理方式选择为C，延伸率为零。
2.3分切卷和打捆
钢卷按长度和重量两种方式进行分切即剪切方式，包括：W-重量剪切，L-长度剪切，n-不切。操作流程如下：
点击图11剪切和打捆按钮进入分切卷和打捆数据，则显示图13右侧所示的“分切卷和打捆数据”界面。
2.3.1增加分切卷操作：在屏幕中用鼠标键选择剪切方式以及输入相应字段的数据，选择圆周打捆，点击增加分卷按钮插入此钢卷的分卷记录。
2.3.2修改或删除分卷操作：在分切卷列表框中用鼠标键选择要修改或删除的子钢卷号，若需要修改钢卷数据，在修改完相应数据后点击保存分卷按钮。如果删除，则直接点击删除分卷按钮删除分卷数据。
2.3.3点击返回按钮返回主界面。
2.4材质管理
材质管理是对钢质、密度和张力数据的一种管理，它应该在PDI数据输入之前建立。操作流程：
点击图14材质管理按钮进入材质数据管理，则显示如图14右下角所示的显示界面。
2.4.1增加操作：在屏幕中输入钢质以及相应字段的数据，点击增加按钮插入钢质记录。
2.4.2修改或删除操作：在钢质列表框中用鼠标键选择要修改或删除的钢质，若需要修改数据，在修改完相应数据后点击保存按钮。如果删除，则直接点击删除按钮删除钢质数据。
2.4.3点击返回按钮返回主界面。
三、生产配方管理的操作界面：
点击图9生产配方界面按钮进入生产配方数据，则显示如图15所示的显示界面。
3.1增加配方操作：在屏幕中输入配方号，选择处理方式和钢质以及输入相应字段的数据，点击增加配方按钮插入配方记录。
3.2修改或删除配方操作：在配方列表框中用鼠标键选择要修改或删除的配方号，若需要修改配方数据，在修改完相应数据后点击保存配方按钮。如果删除，则直接点击删除配方按钮删除配方记录数据。
3.3点击返回按钮返回主界面。
说明：对每个配方必须输入配方号，选择处理方式、钢质，输入宽度、入口厚度、延伸率或出口厚度等数据。
四、生产排程管理界面的操作流程：
点击图9生产排程界面按钮进入生产计划排产，则显示如图16所示的显示界面。
4.1排产操作：在屏幕钢卷列表框中选择准备生产的钢卷，点击配方搜索按钮在配方列表框有配方记录显示，点击排产按钮钢卷数据进入准备生产钢卷列表框中。
4.2吊销操作：在准备生产钢卷列表框中用鼠标键选择要吊销的钢卷号，点击吊销按钮数据则返回到钢卷列表框中。
4.3传送基础自动化操作：在准备生产钢卷列表框中用鼠标键选择要传送给PLC的钢卷号，点击下达生产指令按钮将钢卷数据传送给基础自动化系统，则显示如图17所示的显示界面。
4.3.1传送基础自动化操作：在屏幕子钢卷号列表框中用鼠标键选择要传送给基础自动化的子钢卷号，检查数据是否需要修改，正确则点击传送PLC按钮将钢卷数据传送给基础自动化。
4.3.2收回钢卷数据操作：在屏幕上点击收回钢卷数据按钮将已传送给基础自动化的钢卷数据，重新返回到准备生产钢卷列表框中。
说明：对钢卷有分切卷，要按子钢卷号从小到大的次序传送给基础自动化系统。
4.4、钢卷上移、下移和删除操作：在钢卷列表框中选择要调整钢卷号，点击钢卷上移、钢卷下移和删除钢卷按钮对钢卷数据进行调整。
五、数据通讯的操作流程：
点击图18与L3数据通讯按钮进入与上位机数据通讯界面，则显示如图19所示的显示界面。
5.1、接收操作：在屏幕L3钢卷列表框中选择准备接收的钢卷计划数据，点击接收按钮在L2接收计划列表框中有接收的钢卷记录显示。点击排产按钮钢卷数据进入准备生产钢卷列表框中。
5.2退回操作：在L2接收计划钢卷列表框中用鼠标键选择要退回的钢卷号，点击退回按钮数据则返回到钢卷列表框中。
5.3编辑归档数据操作：在钢卷生产实绩数据列表框里选中要修改的钢卷，点击编辑归档数据按钮对钢卷数据进行调整，则进入修改或生成钢卷归档数据显示界面，如图19所示。
5.3.1保存操作：在屏幕上点击保存按钮将生成钢卷数据或保存修改的钢卷数据。
5.3.2返回操作：在屏幕上点击返回按钮将返回到与上位机数据通讯界面上。
5.4发送钢卷实绩数据操作：在钢卷生产实绩数据列表框中显示准备传送给三级机的钢卷实绩数据，设定发送方式为手动Man或自动Auto（缺省为手动Man），传送记录数为单条记录One或全部记录All（缺省为单条One），点击发送实绩数据按钮将钢卷生产实绩数据传送给三级机系统。
5.5班作业时间操作：在与三级机数据通讯界面上，点击录入发送班作业时间按钮对本班次的作业数据进行录入和上传给三级机系统，则显示如图20所示的显示界面。
5.5.1发送操作：在屏幕上点击发送L3按钮将录入的班作业数据上传给上位机。
5.5.2返回操作：在屏幕上点击返回按钮将返回到与上位机数据通讯界面上。
每个钢卷轧制完后，相关数据，如钢卷重量、轧制时间、轧制量，将存放在MNG的相关表格里，然后完成相关报表打印。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。