SIEMENS自动化系统的架构设计及硬件功能解析

前言

在电气控制系统中，SIEMENS的自动控制系统广泛应用于国内外较先进的轧钢产线，是对传动设备与计算机控制系统密切联系的主流硬件设备和软件应用。其特点是功能强大，标准通用性强，可以同时用于多种主/副传动控制系统，实现对传动系统的参数设置、设备运行控制、操作界面、程序监控、数字信号、图形曲线、传动设备的实际状态、故障信息报警功能、远程连接等多种功能的控制。

1、SIEMENS自动化系统的描述

西门子使用基于微处理器的系统，实现基础自动化的所有功能——工艺控制，程序功能，支撑功能及介质系统。

自动化系统分为若干自动化单元，每个单元单独控制。各CPU平行运行，合作处理程序。各自动化单元连接至不同的设备，用以感应及促动（包括电源及传动控制）。传感器直接输入工艺控制，如压下系统，旋入系统及PLC主斜坡生成器等，通过实时线缆总线连接（副机架内部的平行总线，不同副机架的光纤耦合）互相通信，确保控制间的高动态换接，这对总体性能及轧制结果有重大影响。通过智能终端箱（远程I/O）发生连接，通过总线电缆连接至中央控制器。

2、SIEMENS控制系统架构

2.1数据SIMATIC以太网：星形网络配置。所有数据终端经过收发设备电缆点对点连接至星形耦合，或附加至光学收发设备-双光纤电缆。

2.2以下系统将连接至SIMATIC以太网总线系统：数字控制系统SIMATICTDC、数字控制系统SIMATICS7、专业计算机及操作工通信及监控系统、SIMATIC网络外部系统。

2.3现场总线网络PROFIBUS：SIMATIC网络PROFIBUS是一种功能强大的总线系统，用于中低媒介范围能力。SIMATIC网络PROFIBUS可连接可编程控制器，小型现场单元，以及各种自动化组件，如编程单元及计算机的组件。

2.4SIMOVERTMASTERDRIVES及SINAMICSSM120用于所有传动系统。

2.5SIMATICTDC用于高速工艺控制，二进制互锁，自动程序及轧机内开闭环控制

2.6SINAMICSSM150用于控制粗轧机及精轧机主传动电机

2.7SIMATICS7用于普通工艺控制，介质系统程序控制，冷床区，剪切线，精轧机区。

3、硬件功能解析

3.1SIMATICTDCPLC

SIMATICTDCPLCCPU用于自动化系统的主控制（数据处理，程序速度斜坡生成器）；粗轧机，立辊（如果使用），精轧机机架控制功能。本系统以机架为基础，根据自动化功能及快速控制环中直接连接在PLC的传感器数量、类型选择组件。

3.1.1副机架UR5213

副机架UR5213是SIMATICTDC的机械基础。副机架有集成系统电源及系统风机。高性能的64位后连线版总线允许数据在机架内部模块间传输。

3.1.2CPU551

CPU模块可进行普通开闭环控制及算术任务，约含有2.5x计算机SIMADYND性能（最新一代SIEMENSHW）CPU模块PM6.：

8数字输入，其中4个可中断

5×7LED点矩阵

就地服务串行RS232界面

MC5xx程序记忆模块插槽

取样时间100μs

32MBSDRAM

512KB同步高速缓存

266HZ

64位RISC浮点CPU

4MBflash

CPU在板电池支持缓冲

3.1.3通讯模块CP50M1

CP50M1通讯模块含有两个PROFIBUSDP/MPI界面及缓冲记忆，用于建立CPU间的通讯。界面可用作PROFIBUSDP/MPI主台，PROFIBUSDP从设备，同时亦可PROFIBUSDP/MPI从设备，PROFIBUSDP主台，MPI节点（站）。

3.1.4通讯模块CP51M1

CP51M1通讯模块提供工业以太网界面。使用这一模块可执行以下任务：

可同其他CP51M1，SIMATIC工业以太网模块交换处理数据

使用WINCC可视处理数据及信息：

3.1.5I/O模块SM500I/O：一块面板含有以下I/O容量：

8×AO+/-10V，8xAI+/-10V

16×DO24V，16xDI24V

4×SSI绝对值编码器输入，4×增量编码器输入

4×中断输入5V

CP52M0全局数据记忆（GMD）模式

GMD系统中央记忆大小为2MB，位于CP52M0全局记忆模块。这一模块处理耦合机架程序间传输的全部数据。后连线板总线处理CP52IOGDM界面模块与CP52M0间的数据传输。

CP52M0读出所有CP52IO光纤电缆界面错误及诊断记录器，安装在GDM副机架内部。探测所有光纤电缆界面中央操作状态并估算。结果输出至CP52M0数字输出，用于附加估算。

3.2.1CP52IOGDM界面模块：在副机架的CP52A0GDM通道模块通过光纤电缆连接到CP52IOGDM界面模块。

3.2.2CP52A0GDM通道模块：每个副机架配置CP52A0GDM通道模块，连接到GDM.

3.2.3UR5213副机架：GDM副机架不需配置应用软件。

3.2.4CP52M0及CP52IOGDM模块使用特殊模式操作，非常快。

3.3SIMATICS7PLC

SIMATICS7CPU线路是SIMATICPLC的介质终端。选择用以控制应用剪切及精轧线区介质系统控制，以及MULPIC，矫直机等。由于集成设计，可视化平台PCS7，使用S7-400PLC。

3.3.1Sub机架UR1：UR1机架是SIMATICS7的硬件基础。有18个插槽及电源。

3.3.2Sub机架UR2：UR2机架是SIMATICS7的硬件基础。有9个插槽及电源。

3.3.3CPU416：普通开闭环控制及算数任务CPU模块。主要参数如下所示：

集成用户记忆编程0.8MB，数据0.8MB

最大加载记忆64MB

最大计数器512，最大计时器512

UR1机架多计算最大4个CPU

最小循环时间10msec

集成时钟

CPU在板电池支持缓冲

CPU模块MPI界面集成

CPU模块PROFIBUSDP界面集成

3.3.4通讯模块CP443-5：提供附加PROFIBUSDP界面。

3.3.5通讯模块CP443-1：提供工业以太网界面。这一模块可同其他CP443-1，SIMATIC工业以太网模块交换处理数据：使用WINCC可视处理数据及信息，TCP/IP及ISO/OSI协议等功能。

3.4ET200非集中I/O系统

ET200是一个模块化远程I/O系统，分配SIMATICPLC控制器配置。允许程序直接相邻使用SIMATIC家族模块（在中央电气室或开关装置室或车间内）

ET200通过PROFIBUS-DP连接至SIMATICPLC（S7或TDC），集成PROFIBUS-DP界面现场装置直接连接至现场总线。ET200具有以下特性：

ET200在传感器及执行器附近。远程I/O按照现场位置分组。

ET200M用于传感器，执行器及主控台。ET200B用于小控制台及控制面板。

通过光纤电缆连接中央控制器及第一个ET200站。

COMPROFIBUS软件通过图解符号协助提供简洁方便的系统配置

更换模块方便，即使在供电状态未反向信号时亦可进行（热交换）

智能模块计数器，计时器及效验器

键编码插头：避免在更换模块时错误，总线单元及模块有“锁鈅”编码系统。因此，无法插入错误模块类型。

3.5SIMATICS7-300F急停PLC

急停系统分隔连线，诊断系统记录激活。由于通讯容量，每个急停PLC可以处理至多15个急停区域。

一个轧机区故障安全控制系统SIMATICS7-300F

紧急蘑菇按钮

PROFIBUS连接至面板控制系统及诊断系统

SIMATICS7-300F永久固定在分隔间，完全连线至终端。分隔间装有所有必要的附件，如电源，辅助回路断电器及继电器。

3.6SIMATICNET通讯

处理控制系统SIMATICNET使用工业通讯网SIMATICNET。所有SIMATICNET产品都是专用设计，用于工业应用。对于计算机网络，使用标准通讯组件，如从CISCO系统公司。使用以下SIMATICNET产品家族总线系统：工业以太网如系统总线10Mbps，100MBps线程；PROFIBUS-DP现场总线。

3.6.1工业以太网总线（H1）

工业以太网最多可连接1000个站。运行速率100个10Mbps或1000Mbps，提供大数据容量。支持TCP/IP协议及SINECH1OSI802.3，可使用三芯同轴电缆，工业双绞电缆及光纤电缆，以太网形状为星形。双绞电缆连接《100m，多模光颖连接》100m。

3.6.2PROFIBUSDP现场总线

PROFIBUS（ProcessFieldBus处理现场总线）是中低性能的强大网络。PROFIBUS达到EN50170要求，确保了连接组件开放，同其他标准一致。PROFIBUS的辅助主设备和从设备存取方法使用令牌传递原理。主动与被动网路站间有不同。只有主动站接收标识，即在特定时间内，传送授权从一个主动站传递到另一个主动站。系统自动探测站是否漏失或有新站加入网络，PROFIBUS网路形状为星形。分主动站和被动站：主动站包括PLC、工业计算机、编程单元；被动站包括ET200远程I/O单元、SIMOVERT主传动、SINAMICSSM120、整流器、传感器及执行器、外部系统、根据连接的距离，使用双绞电缆或光纤相关收发器（光学总线终端OBT）等。

4、结束语

利用SIEMENS的强大硬件及软件控制功能，在宽厚板轧线自动控制系统的设计和使用过程中，为设备控制及系统运行提供强大的技术支持，提高了产品控制质量，更好的优化系统参数，具有较高的系统稳定性，是国内各大钢铁产线自动控制系统的主流应用设备。