西門子6ES7214-1AD23-0XB8介紹說明

寶鋼1580mm熱連軋是我國目前工藝較**、自動化程度較高的現代化熱帶鋼連軋機組。它廣泛采用當今世界上既**又成熟的裝備技術，如SP定寬側壓機、PC軋機、邊部加熱器、全數字化變頻控制裝置、環形網拓撲計算機綜合控制系統等。1580mm熱軋配置的基礎自動化是從日本三菱電機引進的。本文在簡述基礎自動化系統構成的基礎上，從系統剖析的角度，詳細介紹DUM2(Dataway of Unit-type Module class)網站、多PLC控制系統、MDWS-600S1綜合控制網絡、EIC系統總線、DRIO(數據大道遠程I／O)等環節的構成、控制功能及特點。

1　系統構成
寶鋼1580mm熱連軋基礎自動化是具有綜合功能的控制系統，對現場設備實行分散控制、集中監視與管理。整個系統由多PLC控制系統、MDWS-600S1數據大道、DUM2網站、EIC系統總線及相連設備、DRIO、MDS(設備監視診斷系統)等部分組成，5個多PLC控制系統分別完成熱軋板坯庫、加熱爐、粗軋、精軋、卷取等區域的板坯自動跟蹤及所有設備的自動控制，系統構成如圖1所示。
該系統廣泛采用網絡通信技術，將有關控制裝置連接起來構成一個多網絡控制及管理的完整系統。主要網絡有：MDWS-600S1光纖環網將上位機SCC、多PLC控制系統、DRIO以及MDS連接起來；EIC系統總線實現了PLC與PLC、PLC與OPS等之間的通信。DRIO、RIO將一些重要的距離控制器較遠的信息收集起來，送往MDWS-600S1網絡或EIC系統總線。另外，MDS對全廠35kV、6kV真空斷路器進行遙控操作，對各種主要的電氣和機械設備進行狀態監視和故障診斷，對主要電氣設備的檢測數據進行計算分析，以獲得較佳的設備維護信息。

2　DUM2網站
DUM2是MDWS-600S1網與多PLC控制系統之間的連接裝置，簡稱為網站。DUM2網站硬件構成如圖2所示。圖中M3為光開關卡；NI-11單元由QRCA卡和QSDA卡組成，主要完成循環／會話通信的協處理、網絡／單元RAS(可靠性、可用性、可維護性)監視和傳送控制／管理等功能；MS-20為供電電源；M2為風機控制及驅動卡。其中，NI-11單元可連接兩個維修工具，即600S1-PP和SYS-PP，600S1-PP主要用于站的設定、信息管理、600S1網狀態及故障事件跟蹤等功能；SYS-PP用于DUM2網站的初始數據設定和故障詳細報表顯示。
從圖2可知，DUM2必須經過站接口單元才能與多PLC控制系統相連，該接口單元由主卡(FTDF)、母線緩沖卡(FTFF、FB5F)構成。其中，主卡用于DUM2與多PLC控制系統之間的信息交換。

3　多PLC控制系統
多PLC控制系統是從原來的一臺PLC(MELC-650)單獨系統發展而來，它通過多路控制器把多臺PLC有機地結合起來組成一個大規模的控制系統。各PLC通過EIC總線接口卡與EIC系統總線相連，多路控制器經DUM2網站上掛MDWS-600S1環網。多路控制器下掛公共I／O單元，較多可擴展8個。
3.1　主要規格
多PLC控制系統較多可連接8臺PLC，資源共享較多可達64KW，所有PLC共享一個4KW公共存儲器，過程I／O、RIO可實現專有化或多個PLC共有化。DRIO經過MDWS-600S1環網與多PLC控制系統相連。
3.2　系統公共總線裁定
多路控制器具有對公共總線競爭進行協調控制的功能，可針對各CPU請求對公共總線進行裁定、存取，總線裁定時間較長為1μs。CPU對公共總線的占用權采取先請求先取的原則，對公共總線的占用僅供一臺CPU選用，并對占用時間進行監視。另外，對公共總線的裁定按如下優先級進行控制：(1)CPU對公共總線的占用遵循優先級高優先的原則，當總線占用時，CPU對總線請求開放進行等待。(2)幾臺CPU同時對總線請求時，按優先級順序進行排定：CPU0＞CPU1＞…＞CPU7。
3.3　公共存儲器
多PLC控制系統中的多路控制器具有校驗備份功能，CPU與數據大道間的數據存取、CPU間的相互監視機能等均需借助多路控制器中的公共存儲器來實現。
3.4　PLC
該系統中PLC選用三菱電機制造的MELC-650，它是一種能實現高速順序控制、高級演算控制、閉環控制、觸摸控制等集電氣、儀表、計算機于一體的高性能多功能控制器。CPU單元由CPU卡、協處理器／EIC總線接口卡、卡、I／O緩沖存儲器卡及電源卡等組成。其中，CPU卡配有執行POL、DDC、SCOL語言的32位微處理器，還配有程序存儲器和數據存儲器；協處理器部分包括EIC系統總線的分散處理支持系統(DPSS)，具有與OPS／PP通信的功能；EIC系統總線接口部分實際上有兩個回路，便于實現雙重化，正常情況下，一個回路用于循環通信，另一個回路用于會話通信；卡執行電源監視、故障監視功能，并將所監視的狀態顯示在顯示板上。另外，一個CPU較多可接8個I／O單元(局部)，而每個I／O單元較多可插8塊I／O卡，每個CPU的AI／AO／DI／DO各256W，共用內存56KW，本站內存64KW，每通道的循環內存16KW。MELC-650控制器軟件編程采用結構化、分層化、模塊化，block是軟件的較小功能模塊，每個功能模塊較小執行時間為10ms，以10ms為單位可設定運行周期。這樣，可使軟件的編制、維護更具有靈活性，對今后的改造也顯得更容易。

4　MDWS-600S1綜合控制網絡
MDWS-600S1綜合控制網絡是實現上位機SCC、DRIO、多PLC控制系統、MDS之間通信的數據大道，它采用FDDI標準，以光纖作為傳遞媒體，傳遞速率為100Mb/s，采用令牌傳遞方式。
在FDDI拓撲中的所有連接都是雙向鏈路，在一個完全連接的主干環中，雙向鏈路支持反向循環的雙環。MDWS-600S1環網的拓撲邏輯是將所有節點逐個串行連接成一個封閉的環路。信息傳遞是單向的，正常時一條環工作，一條環備用，兩條環的信息傳遞相反。每個節點從**個節點接收信息，向其后的一個節點傳遞信息。信息正常傳遞時沿環路而行，直至目的節點。每個節點的工作站(DUM2)對信息有地址識別能力，如果DUM2判斷信息中的地址符合本站地址，則接入本站，然后傳給本站下面的多路控制器，再根據信息中的目的地址對各CPU進行分配。如果信息中的地址與本站地址不符，則繼續傳送，直至返回發送站。
4.1　通信方式
MDWS-600S1環形網絡的通信方式為循環、會話2種，其控制方法采用令牌進行控制，令牌可理解為“通行”，網絡上任意一個工作站要發送信息就必須獲得一個空令牌，然后把這個空令牌變成忙令牌，才可向目的工作站發送數據，被目的工作站接收后，忙令牌再變成空令牌傳遞給下站。由于令牌是沿環網逐次傳送，所以每個工作站均可獲得發送信息的機會。另外，由于MDWS-600S1網使用光纜作為物理介質，采用FDDI標準，故可能有幀信息在環網上傳遞。
4.2　RAS機能
從圖1可知，MDWS-600S1環網在整個控制系統中起著較其重要的作用，正如人體的“”。在系統設計中，必須考慮環網的性，增強RAS機能，為此采取以下措施。
(1)對優先權進行控制。當某些信息的傳輸對實時性有要求，它們就可獲得優先傳輸權力，這種優先權在網絡初始化時設定。
(2)對令牌的保存。當某些故障或錯誤出現時，可能會導致令牌的丟失。另外，有時還會發生幀信息在環網上循環打轉而沒有工作站對它進行。MDWS-600S1網對上述兩種情況采取的方法是：對**種情況，在每個站設一個令牌計時器，監控令牌繞環時間，當經過若干時間后，仍未收到令牌，就認為令牌已丟失，重新發一個令牌；對后一種情況，采取的監控方法是把每一個經過它傳輸的幀信息中的監控位置“1”，經過一段時間后，如果它又看到一個監控位為“1”的幀通過，則可得知發送該幀信息的工作站沒有，監控器就會主動將該幀信息改為令牌發送。
(3)當環網中某些工作站死機或某段光纜故障時，可通過旁路開關雙環自動短接，形成單環；當故障點時，又自動恢復。
(4)對信息在傳輸過程中產生的錯誤，在循環通信時采取錯誤信息，循環糾正；在會話通信方式時，要求再發送。

5　EIC系統總線(MDWS-700)
EIC總線實現了PLC與PLC、PLC與OPS操作站的連接，PLC又把電氣傳動控制、儀表控制、RIO站連接起來，這樣就組成一個開放式的綜合控制系統——EIC系統。該系統可通過網絡適配器與上位機、工程師維護站進行數據存取。
EIC總線是一個具有較高信賴度的控制總線，可進行總線異常監視和總線在線自動切換及恢復功能。其較大傳送速率為40Mb/s，傳送媒體可以是同軸電纜，也可以是光纜，同軸電纜的傳送路徑總長較長為500m，光纜較長為2km。數據傳送方式有循環、會話、廣播式3種。

6　DRIO裝置
DRIO是綜合控制網絡(MDWS-600S1)上的循環數據和自身所接的PIO卡之間進行數據交換的重要裝置，其構成如圖4。DRIO把其它站設備得到的循環輸入數據從自身的PIO卡輸出；相反，把PIO卡輸入的信號數據，通過MDWS-600S1網以循環方式傳送給其它設備。這樣，可以實現上位機、MDWS-600S1上控制系統、DRIO及其它設備對有關數據、信號的共享，大大提高整個系統的控制水平和監視能力。

7　結束語
寶鋼1580mm熱連軋基礎自動化系統自1996年12月正式投入使用，一直連續可靠運行。由于該系統采用MDWS-600S1環網，用光纖作為傳輸媒體，抗干擾性能大大提高，同時采用多PLC控制系統，使整個系統的性大大增強。隨著計算機網絡的廣泛應用、計算機控制技術的迅速發展及工業自動化要求的不斷提高，這種采用網絡技術、由PLC組成的計算機控制系統在我國冶金行業及其它工業控制系統中具有深遠的推廣價值。

作者簡介：趙月根，男，1966年生，工程師，主要從事計算機控制系統、交流調速控制系統的研究及電氣技術管理工作

FRACAS是“Failure Reporting, Analysis and Corrective bbbbbb System”的縮寫，意為“故障報告、分析和糾正措施系統”，有時也稱為“故障信息閉環管理系統”。FRACAS利用"信息反饋，閉環控制"的原理，通過一套規范化的程序，使產品發生的故障能得到及時報告，查清原因，正確糾正，防止再現，從而實現產品可靠性增長，達到對產品可靠性的預期要求。
FRACAS是一種工作系統，也是一種信息系統。在建立FRACAS系統時，首先要建立FRACAS管理機構，以**FRACAS各個流程順利進行，直到閉環；其次要有相應的FRACAS管理規范，**FRACAS能夠按科學化、規范化、制度化的方法對故障信息進行閉環管理；另外還需要建立FRACAS軟件平臺，通過FRACAS管理軟件管理FRACAS在各個流程中產生的各項信息，保數據的完整性和可利用性，提高FRACAS的運行效率。
利用FRACAS技術可以對產品的故障信息進行完善的閉環管理，建立故障信息數據庫，積累企業可靠性工程經驗，并可為其它可靠性工作項目的實施提供良好的數據支持和經驗支持。因此，FRACAS技術非常適合于解決上柴公司當前存在的可靠性問題。
只有引入**的故障信息閉環管理系統，才能地對產品故障實施閉環管理，才能充分地利用可靠性數據，持續提高產品的質量和可靠性水平，并為上柴公司的后續發展提供堅實的**。經過調研和可行性分析，上柴公司決定與國內的可靠性技術咨詢公司——北京運通恒達科技有限公司（簡稱“運通公司”）合作，引入FRACAS技術，力求從根本上解決上述問題。
2004年8月，上柴公司正式與運通公司確立合作關系，雙方共同組建FRACAS項目組，按以下三個步驟建立上柴公司的FRACAS系統：
第一步：FRACAS 需求分析。分析FRACAS的工作范圍、目的、要求、流程和方法，建立上柴公司FRACAS 管理規范；
第二步：通過調研引進合適的FRACAS 軟件，按上柴公司FRACAS 需求和管理規范進行配置；
第三步：FRACAS 試運行，發現問題并解決問題。
需求分析
在進行FRACAS 需求分析前，項目組首先對上柴公司存在的可靠性問題進行了分析和診斷， 根據FRACAS技術的要求，結合上柴公司的企業特征和產品特點，在以下幾個方面進行需求分析：
1. FRACAS組織機構
在上柴公司成立故障糾正**（Corrective bbbbbb Board－CAB），作為故障信息管理的組織機構，其日常事務由可靠性管理科負責管理。CAB建立了故障信息閉環管理的程序和方法，制定了《上柴公司故障信息閉環管理程序和方法》，為研發、質量、生產、售后服務等部門規定了FRACAS 責任，對配件的供應商也規定了故障信息管理要求。
2. 故障信息
柴油機產品的故障信息來源于兩個方面：一個是柴油機的三包信息，利用現有的CRM系統記錄柴油機故障報修信息，是用戶反饋的信息，屬于現場信息；另一個是公司內部柴油機質量問題的信息，包括柴油機產品在內廠各個部門出現的任何故障信息。對這兩個方面的信息都要求完整、及時地導入到FRACAS中。
3. 故障信息閉環管理
故障信息閉環管理是FRACAS的核心，經對項目的分析和討論，將上柴公司的故障信息管理劃分為四個環節（見圖1）：
a. 故障報告：確定要進入閉環管理的故障信息，對故障信息進行詳細的描述，并進行初步分析和歸類，生成故障報告。
b. 故障分析：尋找并確定故障根原因，提出建議性的糾正措施，生成故障分析報告；
c. 故障糾正：確定糾正措施，并對糾正措施進行分析，確定糾正措施的實施計劃、實施效果、遺留問題等，生成糾正措施報告。
d. 故障閉環：分析糾正風險，確定故障是否得到根本解決，舉一反三，提出防止故障再次出現的主動措施；
4. 故障信息再利用
通過FRACAS 建立故障信息數據庫，研究再利用的規則和方法，使FRACAS信息能夠充分地得到再利用，為其它的可靠性工作提供數據基礎和經驗支持。項目在以下幾個方面進行信息再利用的需求分析：
a. 建立柴油機產品故障模式手冊，為FMEA工作提供支持；
b. 建立柴油機產品可靠性評估方法，對柴油機產品進行B10、MTBF等可靠性參數的評估；
c. 識別柴油機產品的可靠性關鍵件，為其制定可靠性設計準則，為后續產品的研發提供經驗支持；
d. 建立柴油機產品的可靠性增長計劃，促進產品持續性的可靠性改進。
根據FRACAS需求分析，構建FRACAS體系，改變傳統的碎片式管理模式，不但能夠對當前故障進行有效的閉環管理，還能預防未來新產品發生類似的故障，通過預防和改進實現產品可靠性增長。
FRACAS的實現
根據FRACAS需求分析，應配以相應的專業軟件來輔助開展FRACAS工作。利用FRACAS專業軟件，可以系統、科學地管理FRACAS工作中各個環節的信息，從根本上實現電子化的信息管理模式，避免重復性工作，較大地提高FRACAS的工作效率。同時可以將數據保存在統一的數據庫中，便于統計和分析，有利于FRACAS信息的再利用。
經過調研和分析，上柴公司決定選擇美國Relex公司的Relex FRACAS軟件作為上柴FRACAS系統的配套軟件。
由上柴公司和運通公司的技術人員組成的項目小組根據FRACAS的需求分析結果，研究并確定了Relex FRACAS軟件工作流程（見圖2）和定制方案，共同完成了軟件的定制。
Relex FRACAS的軟件定制主要包括以下幾個方面：
a. 對實施人員進行角色定制，為每個成員*工作任務，落實工作責任，授予相應權限，配以工作界面，實現各司其職、責任到位；
b. 對FRACAS的信息流程、內容和界面進行定制，實現工作界面的統一化和規范化，辦公流程的自動化，便于FRACAS工作管理人員進行集中統一管理；
c. 對數據進行分析和計算定制，確定產品的關鍵件、重要件、故障頻發件等，定制各種統計分析圖，定制在各種情況下的MTTF和MTBF值等可靠性參數值的計算方法，定制可靠性設計準則和故障模式手冊的生成規則；
d. 定制異常情況的報警處理，彌補了日常工作中管理上的一些漏洞和對重大事件的緊急處理等；
e. 針對管理人員定制實時監控模塊，幫助管理人員即時掌握產品故障狀況和判斷故障發展趨勢。
實施效果
FRACAS實施項目小組完成定制工作后，便開始在上柴公司選擇部分部門進行FRACAS試運行，在試運行過程中尋找更有效、更符合上柴公司實際狀況的FRACAS解決方法。通過不斷運行和改進，較終形成了一個成熟的FRACAS 系統。
FRACAS 系統的成功實施使上柴公司實現了對柴油機各級產品故障信息的規范化管理，集中精力從根本上解決重大故障和重復故障，實現可靠性增長，增強市場競爭力，降低全壽命周期費用；同時，利用FRACAS系統還可為其它的可靠性工作提供數據基礎，促進上柴公司針對柴油機產品的可靠性工作的全面開展。

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