熱軋自動控制系統(tǒng)SIMATIC TDC改造升級

于新樂，臧 滔，劉曉宇，范建鑫

（北京首鋼股份有限公司設(shè)備部自動化室，河北遷安 064404）

引言

首鋼一熱軋西門子SIMATIC TDC自動化控制系統(tǒng)原采用的CP50M0 DP通訊模塊、CP5100以太網(wǎng)通訊模塊、機旁換輥箱操作面板PC677、粗軋和精軋WinCC畫面服務(wù)器等硬件均已停產(chǎn)。老版本的上位、下位軟件對新板卡不具備兼容性，以及HMI舊版本客戶端為Win 2000操作系統(tǒng)，目前市場上已很難找到備件，當前只能通過虛擬機技術(shù)來完成HMI客戶端的替代，但系統(tǒng)穩(wěn)定性不高。經(jīng)過系統(tǒng)科學(xué)的分析，熱軋SIMATIC TDC控制系統(tǒng)及HMI客戶端升級功能實現(xiàn)迫在眉睫。因此我們從分析當前自動化控制系統(tǒng)現(xiàn)狀入手，確定升級技術(shù)方案的各項工作計劃，分析技術(shù)可行性，確保升級工作萬無一失，經(jīng)過各方努力推進，在預(yù)定的期間內(nèi)完成升級工作，確保一熱軋SIMATIC TDC控制系統(tǒng)改造升級功能實現(xiàn)。

1 一級SIMATIC TDC自動化控制系統(tǒng)升級迫切性及技術(shù)可行性研究

公司組織相關(guān)部門的專家和專業(yè)技術(shù)人員于對升級方案進行了系統(tǒng)論證，結(jié)合外部市場形勢，最終決定升級工作實施。西門子TDC控制模塊（CP50M0，CP5100），軋機機旁換輥箱操作面板PC677均已停產(chǎn)，備件采購困難。一熱軋軋線CP50M0和CP5100裝用量分別為38塊和18塊，軋機機旁換輥箱PC677操作面板軋線裝用量為8臺，庫存?zhèn)浼S逐年消耗已不足以支撐產(chǎn)線穩(wěn)定運行生產(chǎn)。軋線操作臺WinCC畫面服務(wù)器停產(chǎn)、操作系統(tǒng)升級；原HMI客戶端電腦要求安裝Win 2000操作系統(tǒng)，目前市場上主流臺式機電腦已采用Win 7Win 10系統(tǒng)，也面臨升級HMI客戶端的需求。鑒于上述客觀情況對于SIMATIC TDC自動化控制系統(tǒng)升級工作已迫在眉睫刻不容緩。

下文從升級工作的技術(shù)可行性方面來進行分析和闡述，先將一熱軋基礎(chǔ)自動化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和硬件配置做簡要介紹。硬件系統(tǒng)采用西門子TDC系列產(chǎn)品，生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)從控制思想和網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)上采用的是區(qū)域控制器群結(jié)構(gòu)，GDM網(wǎng)是一種超高速通訊網(wǎng)絡(luò)，它主要應(yīng)用于西門子的SIMATIC TDC控制器系統(tǒng)中，多采用星型拓撲結(jié)構(gòu)；通訊速率可達640 Mbaud；具有2 M字節(jié)共享中央內(nèi)存；分站點與中央站點間通過光纖建立連接，最遠距離為200 m；一個GDM網(wǎng)絡(luò)最多可以支持44個站點，可以實現(xiàn)最多達836個CPU模板之間的數(shù)據(jù)通訊。

一熱軋控制系統(tǒng)共分為精軋區(qū)和粗軋區(qū)兩個控制器集群，控制器集群內(nèi)的TDC機架全部接GDM網(wǎng)，用于傳遞對控制任務(wù)實時性要求很高的控制數(shù)據(jù)，能滿足熱連軋系統(tǒng)對“高速通訊”的要求。區(qū)域控制器群的功能可分為兩層：上層為本區(qū)的綜合控制層，完成邏輯順序控制,接收過程機設(shè)定值，向過程機發(fā)送數(shù)據(jù),處理全區(qū)域性的功能；下層為機架控制器,負責(zé)控制一個或幾個機架的一項或幾項功能，并與數(shù)字傳動一起完成設(shè)備的控制功能；這種多層的通訊網(wǎng),根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸快慢的不同要求分流，提高了通信效率。在粗軋與精軋的兩個控制器群之間，由于信息的交換不需要那么的“高速”，對時間的要求也不是那么的“嚴格”，因此采用了以太網(wǎng)的通訊方式。在一熱軋，連接現(xiàn)場的數(shù)字量信號主要使用的是profibus-DP（9.6 K～12 Mbps）總線，對速度響應(yīng)要求不很嚴格的輔傳動也是使用的是Profibus-DP，而對速度響應(yīng)要求嚴格的主傳動則是直接使用GDM網(wǎng)絡(luò)光纖通信。

一熱軋HMI系統(tǒng)使用的是西門子的WinCC系統(tǒng)，粗精軋分開，分別有一個WinCC服務(wù)器。WinCC服務(wù)器直接和各個TDC使用以太網(wǎng)通訊，粗精軋WinCC之間使用OPC協(xié)議[1]通訊,見圖1。

圖1 RM&FM GDM通訊數(shù)據(jù)交換示意圖

根據(jù)工藝技術(shù)要求一熱軋硬件軟件升級內(nèi)容涵蓋具體內(nèi)容為：升級 HMI上位機客戶端18臺，粗軋 4臺，精軋 4臺、卷曲 5臺、RM&FM共用5臺，換輥機旁操作箱觸摸屏9臺，其中FM 換輥 6臺、RM換輥換錘頭3臺。服務(wù)器7臺，其中RM/FMWinCC服務(wù)器共4臺，RMFM-TDC服務(wù)器 2臺、文件服務(wù)器 1臺。

TDC 升級內(nèi)容：粗軋 6個機架（R1、R2、側(cè)壓機、立輥、COMMON、GDM）; 精軋 10個機架(F1-F6、出口入口、COMMON、傳動頭柜、GDM);卷曲 4個 TDC機架（卷曲機 3個、COMMON）。其中硬件部分:粗軋部分的 CP50M0-升級-CP50M1;CP5100-升級-CP51M1。軟件部分：PCS7 6.0版本升級到PCS7 8.0SP2;WinCC6.0升級到WinCC7.2版本，同時將所有在線的控制程序和HMI畫面程序轉(zhuǎn)化到新軟件版本環(huán)境下運行。一級自動化升級軟、硬件內(nèi)容見表1。

表1 一熱軋一級自動化升級硬件、軟件內(nèi)容列表

將上述升級項目進行分解，經(jīng)過硬件單機和系統(tǒng)性的離線測試及相關(guān)軟件的兼容性測試，再與相關(guān)升級案例詳細對比，經(jīng)多方專業(yè)專家認定為此升級項目技術(shù)可行，開始啟動升級相關(guān)工作。

2 一級SIMATIC TDC自動化控制系統(tǒng)升級實施

在升級各項所需的計算機硬件、板卡及軟件到貨后，需要進行服務(wù)器、客戶端操作系統(tǒng)設(shè)置設(shè)置，服務(wù)器采用 windows 2008 R2；WinCC HMI客戶端采用 window7 Ultimate sp1；計算機服務(wù)器操作系統(tǒng)設(shè)置上不允許自動關(guān)機及自動升級服務(wù)，主機電 源 節(jié) 能 設(shè) 置 ：“high performance” “turn off display--never”“put the computerto sleep—nevel”。禁止數(shù)據(jù)執(zhí)行保護功能，禁止電腦自動進入休眠狀態(tài)，授權(quán)分區(qū)禁止磁盤檢測，對未授權(quán)的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)置為私有權(quán)限，登陸設(shè)置關(guān)閉啟動音樂、關(guān)閉用戶選擇界面，采用經(jīng)典模式登陸，禁止自動運行。PCS7客戶端不需要關(guān)閉防火墻，WinCC服務(wù)器為避免發(fā)生問題防火墻需要關(guān)閉。關(guān)掉復(fù)雜密碼設(shè)置、設(shè)置關(guān)機授權(quán)、設(shè)置桌面瀏覽器等；最后進行相關(guān)工控軟件和常用工具軟件（經(jīng)兼容性測試正常）的安裝。

操作系統(tǒng)和相關(guān)軟件安裝完畢后，達到運行TDC程序和WinCC程序的軟件環(huán)境的前提下，開始進行關(guān)鍵的TDC程序、WinCC程序的版本轉(zhuǎn)換，此項工作是整個升級工作中的關(guān)鍵。項目轉(zhuǎn)化升級SIMATIC TDC程序，對 SIMATIC TDC進行配置，對 WINCC畫面進行設(shè)計。

程序轉(zhuǎn)化是在既定的軟件環(huán)境下程通過實際操作，完成程序內(nèi)部復(fù)雜變換的操作過程，通過文字描述其簡要原理和重點部分內(nèi)容：安裝 PCS7 8.0SP2D7-SYS(V8.0+UPD1)wincc7.2相關(guān)升級包tool Set sp2 435_update_pcs7TDC Transfer（需授權(quán)）、TDC_Library（c65_CIS_ 庫文件）。版本轉(zhuǎn)換升級升級時間按每個 CPU計算為 1-2分鐘。opinion設(shè)置中設(shè)置Creatmaplist生成 A106_2.TXT3文件；Creataddressbook生成 A106_2.adr文件。使用 note pad++軟件行進新舊程序的上述兩個生成文件的對比修正，此過程是保證轉(zhuǎn)換后的程序能夠在編譯過程中順利通過。具體操作是導(dǎo)入新的庫文件，library import，將新編譯庫文件單獨導(dǎo)入，導(dǎo)入成功后刪除舊的庫文件，如果刪除不成功會彈出對話框提示失敗原因，按提示處理解決再次導(dǎo)入庫文件，數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入按照 CPU進行，每個 CPU都導(dǎo)入完畢后再進行下裝程序、編譯程序。

庫文件導(dǎo)入完畢后，要跟原來的PCS7數(shù)據(jù)庫進行對比，使用 Notepad++軟件對比功能，分別打開新舊數(shù)據(jù)庫文件，從上至下，逐條進行核實，尤其是升級變化的數(shù)據(jù)庫當數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，要在程序中找到對應(yīng)的位置對語法格式進行修改。升級涉及的數(shù)據(jù)庫為8個，其中傳動數(shù)據(jù)庫比較特殊，分別涵蓋在3個庫文件中，對應(yīng)的位置是：Program File(X86)—SIEMENS---STEP7—s7cfc---sdblocks的 fbaqin.a、fbaqin.msk和makqin.msk。對比調(diào)整語法是為了避免后續(xù)的編譯下裝程序時出現(xiàn)錯誤，參見圖2。

由于新的軟件平臺和舊的軟件平臺差異性的存在，TDC-WinCC對Mappling要求非常嚴格，以前我們在程序修改時好多小的細節(jié)：如注釋不標準、文本注釋格式錯誤、畫面頭文件雙重定義等。這些非法字符等對于升級后的程序來說，在新程序編譯時，會檢測到某些錯誤，造成無法編譯和下裝。因此必須將錯誤進行查找并改正。

圖2 TDC程序轉(zhuǎn)化流程圖

上述各項工作內(nèi)容完成后，開始在TDC程序中完成WinCC服務(wù)器冗余與TDC通訊連接通道的建立，程序和原WinCC連接只有一個通道，升級后增加了WinCC備用服務(wù)器，程序通道被占用需找到Spare port使用，增加新的通道和WinCC通訊。具體操作如下：

將原程序進行復(fù)制，SYS_COI41_P01_STNHMI復(fù)制為SYS_COI41_P01_STNHMI2，在后者程序內(nèi)編寫圖3所示的路由。其中VM塊中NA為通道數(shù)量，最大值為 150。LI塊為TDC跟WinCC連接塊，其通道參數(shù)要小于150（內(nèi)部定義數(shù)值）。

圖3 TDC-WinCC冗余服務(wù)器通訊路由圖

完成升級TDC硬件板卡的組態(tài)工作，WinCC服務(wù)器與軋線二級系統(tǒng)的接口測試，完成后將WinCC服務(wù)器、客戶端、OS換輥小車客戶端安裝完成后，下裝編譯后的TDC程序和HMI畫面，聯(lián)網(wǎng)進行模擬離線測試，按RM、FM、CM區(qū)域分別由工藝操作專家對畫面及運行監(jiān)控測試，發(fā)現(xiàn)問題及時修改，為后續(xù)在線測試及試運行打下堅實基礎(chǔ)。

3 一級SIMATIC TDC自動化控制系統(tǒng)升級組織實施在線測試及功能實現(xiàn)

為確保一熱軋中修期間一級自動化系統(tǒng)升級能夠順利進行，安排新系統(tǒng)的上線測試工作。測試安排經(jīng)過詳細討論和周密安排，從時間、人員組織及工作流程實施上進行有效把控，對各項功能進行測試發(fā)現(xiàn)問題及時處理改進，為最終上線做充足準備。

上線測試流程及工作內(nèi)容共分為4步：第1步是進行測試前的各項準備工作，在測試前一天完成。第2步分是生產(chǎn)停機，按照正常操作過程，將設(shè)備停止關(guān)閉。第3步是切換新系統(tǒng)將粗軋、精軋、卷取的新程序下裝到存儲卡上并下裝，系統(tǒng)各數(shù)學(xué)模型計算正常。例如：粗軋壓下分配計算模型、溫度計算模型、軋制特性參數(shù)計算模型等[2]。第4步是新系統(tǒng)上線及測試。測試后觀察自動化系統(tǒng)運行狀態(tài)及設(shè)備狀態(tài)情況監(jiān)控，確保自動化系統(tǒng)運行正常，同時確認現(xiàn)場機電設(shè)備的運行狀態(tài)，標定設(shè)備并填寫粗、精軋標定記錄表，確認各標定值準確無誤，在線信息處理、分析、診斷和優(yōu)化系統(tǒng)[3]，確認正常后扎線進行模擬軋制，完成模擬軋制后新系統(tǒng)投入熱試。

2017年6月29日-7月15日利用熱軋年度中修期間對一級自動化TDC升級項目正式上線，上線過程與各項測試過程同步進行，對于上線及測試中發(fā)現(xiàn)的問題及時處理，最終在7月15日中修結(jié)束，升級系統(tǒng)正常投入生產(chǎn)，一熱軋SIMATIC TDC控制系統(tǒng)改造升級功能實現(xiàn)。

4 一級SIMATIC TDC自動化控制系統(tǒng)升級實施過程存在問題的解決

一級自動化SIMATIC TDC升級項目，由于硬件、軟件平臺的升級造成系統(tǒng)調(diào)整工作量大，大量技術(shù)細節(jié)需要關(guān)注測試，涉及到WinCC畫面腳本的調(diào)整修改，WinCC畫面服務(wù)器與TDC和二級通訊報文的測試工作，及新系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊方面的調(diào)整測試等多方面工作，每個細節(jié)都決定著升級工作的功敗垂成。參與到此項目的技術(shù)人員付出大量的心血來解決項目實施過程中出現(xiàn)的技術(shù)問題，確保項目實施。下面對升級過程中出現(xiàn)的問題及解決辦法通過下面章節(jié)做簡要的概述，供大家借鑒。

在做mapping的過程中，下裝畫面程序，修改部分操作工反映的畫面錯誤（TEXT錯誤，顏色顯示錯誤），修改畫面“RC”換輥標識底色，淺藍色更改為深藍色；彈出框“Revove next PDH data"修改設(shè)置，彈出正常。編譯精軋TDC程序，mapping精軋和卷曲項目，更改E2 RCH Status顯示設(shè)置，會隨著換輥模式的改變而改變。精軋HMI與急停PLC通訊錯誤，在WINCC的硬件設(shè)置里把急停的通訊由舊的MPI改為以太網(wǎng)通訊，重啟后正常。

在粗軋新更換的CP50M1機架R1和Edger H5燈不亮，查看手冊H5燈為初始化狀態(tài)顯示，綠色表示初始化成功，更換新的CP50M1，R1問題解決，Edger 2個H5依然不亮，修改硬件配置并更換插槽，問題依舊，將R1新更換的CP50M1更換到Edger上，燈仍然不亮。將沒有連線的空余DP口在硬件配置中配好DP主站，重新編譯下載后問題解決。E2 RollingChang畫面上RollingChange的模式不會變，檢查腳本后，發(fā)現(xiàn)有錯，修改后解決。

預(yù)上線時反應(yīng)SFC有些畫面上顯示不出來，把所有最新的SFC的XML文件拷貝到一個文件夾，在TDC服務(wù)器上做一個Batch文件，統(tǒng)一拷貝到每臺機器，問題得到解決。

在粗扎和精軋反應(yīng)DP診斷有問題，由于新的DP診斷與老項目用的控件不是同一種方式，生成新的DP網(wǎng)絡(luò)配置文件，檢查并修改腳本，連接變量，問題解決。Syn畫面 strip ID顯示異常，更新慢而且與板坯寬度、厚度、溫度等信息不匹配。C Script腳本StripID_RM_VB&StellGrade_RM_VB停止后未被激活，重啟該C腳本后正常。在測試二級畫面時，如畫面主服務(wù)器停掉，切換到冗余服務(wù)器后，再切回到主服務(wù)器，畫面上二級數(shù)據(jù)會有問題，查找原因是RM_MASTER不會自動切換到主服務(wù)器，在服務(wù)器上增加腳本L2_COMM.PAS,SET_FM_MASTER.PAS,"CIS_START_L2_COMM.FCT"使得在主服務(wù)器啟動后，會自動把RM_MASTER切換到主服務(wù)器上，并且把冗余服務(wù)器上二級的watch dog停掉，在主服務(wù)器上自動啟動。

升級過程中機架MAENT關(guān)聯(lián)的畫面莫名變慢，WinCC服務(wù)器操作不暢，時而卡阻；通過拆分TDC與WINCC通道 MAENT機架有5個CPU，將通訊數(shù)據(jù)最多的LCS分出建立新通道，由于LCS CPU有獨立的前綴 FX而其他CPU為FC，不用更改tag，TDC編譯，WINCC mapping后，CPU1-4 通訊數(shù)據(jù)恢復(fù)130，CPU5通訊恢復(fù)為240左右；12個小時左右后,CPU1-4通道數(shù)據(jù)激增至1200左右，LCS保持不變，畫面開始變慢，操作受阻。拉臨時網(wǎng)線從TDC到交換機，問題依然；使用wireshark監(jiān)控數(shù)據(jù)通訊內(nèi)容，找到原因為COILBOX SFC數(shù)據(jù)量大并以100ms的周期反復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)。禁SFC與畫面的通訊，問題基本解決；同時更改MAENT P01 HMI&HMI2與HMI通訊塊的地址從DP卡更改為本CPU以降低背板的負荷，同時降低掃描周期從T2改為T3。重啟機架后，開啟SFC后數(shù)據(jù)維持在330左右，問題解決。

5 結(jié)語

針對一級自動化升級項目實施，從實施的迫切性和技術(shù)可行性分析出發(fā)結(jié)合生產(chǎn)實際情況，在近八個月的時間將自動化軟件、硬件的升級，WinCC服務(wù)器冗余，時鐘同步等相關(guān)內(nèi)容升級完成。提升了參與項目技術(shù)人員的能力和水平，粗軋區(qū)域 TDC升級了 CP50M0、CP5100 到 CP50M1、CP51M1，DP網(wǎng)絡(luò)組態(tài)操作更加便捷，而精軋、卷曲系統(tǒng)機架仍使用 CP50M0、CP5100,DP網(wǎng)絡(luò)組態(tài)仍需在 com profibus軟件下進行。WinCC畫面服務(wù)器分為主、從冗余設(shè)計，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定運行能力同時離線測試過程中解決部分問題，而與升級部分相關(guān)聯(lián)的外部通訊要在預(yù)測試階段、和上線階段充分測試，通過預(yù)上線測試發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，形成中修升級項目的應(yīng)急預(yù)案，最終通過不懈努力，2160熱軋SIMATIC TDC控制系統(tǒng)升級項目成功實施。