（控制理论与控制工程专业论文）精轧机组侧导板控制系统研究与问题解决.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 精轧机组侧导板控制系统研究及问题解决 摘要 宝钢2 0 5 0 热轧线是从德国西门子公司引进的，于1 9 8 9 年投产，至今已经十 多年，该机组自动化系统存在诸多问题，热轧粗轧机组已经于2 0 0 0 年改造完毕； 精轧机组也即将进行技术改造，目前精轧机组基础自动化系统仍是采用m m c 2 1 6 系统；由于精轧侧导板系统时常故障而影响轧制质量，甚至造成轧线停产事故； 而该系统程序结构混乱、人机界面不友好，使故障的确认很困难，本项目正是在 此背景下展开研究，研究内容如下： 1 对精轧侧导板系统进行调研、分析： 2 消化所有侧导板系统程序，研究其控制模型； 3 改善人机界面，实现快速故障定位； 4 研究行程传感器，实现对其进行在线检测； 5 零调和同步化控制模型研究； 6 三点式调节器研究，电机调节参数的优化设定。 首先，在充分调研分析基础之上，对热轧和精轧现状有一个透彻的了解，对 侧导板系统结构进行了详细的调查和研究，弄清了侧导板的控制原理。 其次，认真消化了侧导板控制系统的程序，分析了侧导板设计工艺，提取了 其控制模型。 然后，对各项专门论题进行了深入细致的研究，提出了解决方案并进行了现 场试验。 最后，对项目进行了总结、整理，编写了系统功能说明书，提交文档。 本项目的研究和实施，明显改善了侧导板的故障发生率，增加了技术人员快 速确定故障和解决故障的途径，保障了精轧侧导板的顺利运作，极大减少了因为 侧导板原因而造成的边际效益损失，同时，也为未来精轧机组的技术改造打下了 坚实的基础，提供了引导和借鉴。 编码 关键词：精轧机组侧导板基础自动化多微机系统基础服务系统脉冲 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t r e s e a r c ho rt h es i d eg u i d ec o n t r o l s y s t e m o ft h e f i n i n gr o l l i n g u n i ta n ds o l u t i o n st op r o b l e m s a b s t r a c t b a o s t e e l2 0 5 0 m m r o l l i n gm i l lu n i th a sb e e ni n t r o d u c e df r o ms i m e n sc o r p o r a t i o ni n g e r m a n yi n1 9 8 9f o rm o r et h a nt e ny e a r s ，t h ea u t o m a t i o ns y s t e mo ft h i sh o tr o l l i n g m i l lh a das e r i e so f p r o b l e m s ，t h eh o tr o l l i n g sr o u g h i n gm i l lh a sb e e n r e v a m p e ds i n c e 2 0 0 0 ；t h eh o tr o l l i n g sr e f i n i n gm i l lw i l lb ei n n o v a t e di nt h er e c e n tf u t u r e ，s of a r m m c 2 1 6 s y s t e mh a sb e e ni nu s ei nt h eb a s i ca u t o m a t i o no ft h er e f i n i n gm i l l ；s i n c e t h e r ea r em a n yf a u l t si nt h es i d eg u i d ec o n t r o ls y s t e mo ft h e r e f i n i n gm i l lf r o mt i m et o t i m e ，w h i c hr e s n i ti nt h ed e c l i n eo fq u a l i t yo ft h eh o tr o l l i n gs t r i p ，o re v e nt h es t o po f t h er o l l i n gl i n e t h e r e f o r et h e r ea r e p r o b l e m ss u c ha st h ec o n f u s e dp r o g r a m m i n g ，a w f u l h u m a ni n t e r f a c ee t co ft h es i d eg u i d ec o n t r o ls y s t e m ，w e j u s ts t a r to u rp r o j e c ta n d r e s e a r c ha c c o r d i n gt ot h ea b o v e b a c k g r o u n d ，t h ec o n t e n t so f t h er e s e a r c ha r ea sf o l l o w ： 1 a n a l y z ea n dr e s e a r c ht h es i d eg u i d es y s t e mo f r e f i n i n gr o l l i n g ； 2 c o m p r e h e n d a l lt h ep r o g r a m so fs i d eg u i d ec o n t r o ls y s t e ma n dr e s e a r c ht h e c o n t r o lm o d e l ； 3 i m p r o v e t h eh m i ，i no r d e rt oa s c e r t a i nf a u l tc a u s e q u i c k l y ； 4 r e s e a r c ht h e p u l s e e n e o d e ra n dm a k ei tc h e c k e d u po nl i n e ； 5 r e s e a r c ha n d o p t i m i z e t h ec a l i b r a t i o na n ds y n c h r o n i z a t i o n p r o c e d u r e ； 6 r e s e a r c h t h r e e - p o i n tp o s i t i o na d j u s t i n gf u n c t i o no fs i d eg u i d e ，a n dr e a l i z et h e p a r a m e t e rc o n f i g u r a t i o n o f m o t o r f i r s to f a l l ，o nt h eb a s i so fa n a l y s i sa n dr e s e a r c h ，w eh a dac l e a rc o n c e p t i o no ft h e c u r r e n tc o n d i t i o n so f h o t r o l l i n ga n dr e f i n i n gr o l l i n g ，m e a n w h i l ew es t u d i e dt h es y s t e m a r c n t e c t u r eo f t h es i d eg u i d ei nd e t a i l ，t h e nm a d et h ec o n t r o lt h e o r yo f t h es i d eg u i d e c l e a r s e c o n d l y , w e m a d ee f f o r t st ou n d e r s t a n da 1 1t h ec o d e so f 也es i d eg u i d ec o n t r o ls ”t e m a n d a n a l y z e dt h ed e v i s i n ga r t so f t h es i d eg u i d e ，t h e no b t a i nt h ec o n t r o lm o d e l t h e n , w e h a dac a r e 向la n d d e e pr e s e a r c ho ns e v e r a lp a r t i c u l a ri s s u e ，b m u g h to u tt h e s o l u t i o n sa n dd ot h er e l a t i v ee x p e r i m e n t a t i o nw i m r e a ls i t u a t i o n f i n a l l y , w es u m m a r i z e da n da r r a n g e dt h ep r o j e c t , c o m p l e t e dt h es y s t e mf u n c t i o n i n t r u c t i o n ，a n do f f e r e dt h ef i l e s b y t h er e s e a r c ha n d i m p l e m e n t o f t h i sp r o j e c t ，t h ef a u l tr a t i oo f t h es i d eg u i d e s y s t e m i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t h a sb e e no b v i o u s l yi m p r o v e d ；i no t h e ra s p e c t ，t h et e c h n i c i a nc a nf i n do u tt h ef a u l t c a u s eq u i c k l y , a n da s s u r et h a tt h es i d eg u i d ec a nw o r ks m o o t h l ya n ds t a b l y a st h e f r u i to ft h ep r o j e c t ，t h el o s sc a u s e db yf a u l t so ft h es gh a sb e e nl a r g e l yr e d u c e d ， m e a n w h i l e ，t h ep r o j e c th a sl a i das o l i df o u n d a t i o nf o rt h ea p p r o a c h i n gi n n o v a t i o no f t h er e f i n i n g r o l l i n gu n i t ，a n ds e tae x a m p l e a n dr e f e r e n c ef o rt h en e x t p r o j e c t k e yw o r d s ：h o tr o l l i n g u n i ts i d eg u i d eb a s i ca u t o m a t i o nm m c 2l6 b d 2 】6p u l s ee n c o d e r i v 末北走学硕士学住论文 声臻 声明 本人声羁耩呈交的学位论文是在浮簿的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的磷究成果，也不包含本人为获得其它学位蜀使用过的材料。 与我一同工作的月态对本研究所徽的任何贡献均已在论文中做了明 确的说明并表示致谢。 本人签名： 鑫絮： 蔼墩差 善。吼是f 。 末托太学硕士擎住论文 第一章绪论 。 背景介绍 第一章绪论 宝钢2 0 5 0 m m 热轧线是8 0 年代米从德国西门子公司引邀的，其技术装备 水平在当时是比较先进的。它采用了步进浆涟续加热炉：粗轧机主要用于宽度控 制，采用了短行程控制、反馈自动控制、前馈控制等，为3 4 逡续* l n 方式；精 霉i 糗月嚣门予公司黪c v c 筑撬，菇连续筑秘方式。 翔强1 - 1 所示，逐铸祝生产出带钢惹遴捌热孰车润板坯簿，褥送遂热热炉逶 行加热，再经过粗轧机莉的高压除鳞，然尉进入粗轧机，租轧机组有四个机架， r 2 为可逆式轧机，对带铜进行3 5 道次的轧制，r 3 和r 4 紧凑在一起，对带钢 进行涟轧，在粗轧机前设有立辊，对带钢进行侧压调宽；大侧聪容易引起带钢头 尾形残焦蓬形，因此带镪头蓬邦在进入糖毒t 搬缀蘸要壹飞剪切除，然磊带镪进入 耪霉l 梳缀，f 2 f 7 精筑枫对菸遂孬连转，程r 1 、r 2 、r 4 、f 7 螽以及1 号卷取巍 前均装有测宽仪，实现从加热炉n * l n 过程的计算机自动控制，最后由三个卷取机 分时辫取精轧后带钢。飞翦机架和f 2 f 7 机架前均设有侧导檄，f 1 机架前在侧 导板质还设有一对立辊，对带钢进行轧边和姆向。 础一聃t 趣鬟# 鞋f i v t 照慕柱鞋氇飞羹e l s e 4 ；越鞋盘舞箨 蕞鞋囊瞢羲a 岱卷取掂 t ，赛室挺b 蒜鞋覆虢羲释擢撞耩 嚣：蔓壤童囊拉帮p 虻t 羹壤塞囊控糍 图卜l 热轧2 0 5 0 m m 轧线示意图 侧导板系统主要的功能就是对中导向，通过实现侧导板的德鼹控制，让带钢 在褒逮乾割斡过程中糖确对孛，不致跑偏或鬻t 熬，否粥轻则造成热魏线魏傍产， 严鬟会造残璜毵羲糍颧裂等严重魏事菝，嚣藏铡导扳系统豹稳定、精确控毒l 有若 非常熬要的意义。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 侧导板系统概述 热轧2 0 5 0 精轧机架和飞剪机架之前均设有一套导板调宽装置，其主要功能为 对带钢进行导向对中，防止带钢跑偏，尤其当粗轧之后带钢平面偏差加大，而又 要轧制薄规格钢板时，导板的导向作用尤其重要。 1 1 2 1 飞剪前侧导板系统 如图卜2 所示，飞剪机架i u 两块测导扳机械同步，由交流绕线式电机通过变 速箱和齿条驱动，为了使静止状态能够定位，使用了一个定位制动器，即对电机 进行抱闸，当电机接通时，制动器已经上升；当电机确认静止状态后，制动器延 时下降，实施抱闸。凸轮开关和行程传感器( 增量式脉冲编码器) 用来获取终端 位置以及脉冲的输出，从而实现限位保护和前进退后行程的计算，在这里凸轮开 关和行程传感器连接在一起，联合驱动。 器；墨羞萎冀苎二鼎毳般芝嚣酬”“卜”2 “”“。 i 要嚣霁耋嚣哿2 图卜2 剪前导板系统结构 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 2f 2 f 7 机架前侧导板 如图卜3 示，精轧机架f 2 f 7 前两块侧导板通过细螺纹轴相连，由交流绕 线式电机通过变速箱和万向轴带动丝杆对侧导板进行驱动，其定位精度较高，可 达设定开度：s m m 。其制动为自身联锁，所以不需要对电机实施抱闸，这一点和 飞剪前侧导板不同，由于剪前导板控制定位精度要求不高，但是响应速度要快， 所以采用齿条传动，需要定位制动器进行抱闸。凸轮开关和行程传感器( 增量式 脉冲编码器) 同样用来获取终端位置和脉冲输出，实现限位保护和侧导板前进后 退行程的计算，凸轮开关和行程传感器连接在一起，联合进行驱动。 v - 9 3 舯l “( 1 1 0 9 3 * 6 0 ) = 1 3 9 7 m s s e 抟藉嚣麓转一i i = 每侧倒导扳动作l0 l l m 工作允许开度= 5 8 0 2 0 5 0 m 量大机棱开度= 5 5 0 2 0 7 0 硼 图卜3f 2 f 7 前导板系统结构 1 3 侧导板系统现状和存在的问题 1 3 1 侧导板系统现状分析 飞剪前侧导板和f 2 f 7 机架前侧导板在b a 控制中均采用三点式调节逐步逼 近的方式进行井度调节，其控制精度可以达到很高的水平，飞剪前导板由于要求 快速响应，采用齿条传动，其误差精度要求在3 0 m m 左右，精度要求较低，对侧 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 导板的三点式调节能够满足这一要求。而f 2 f 7 机架前侧导板因为带钢是快速 ( 可达l m s ) 连轧的形式通过精轧机组，对来料带钢的形状要求很高，不能有太 大的倾斜度，因此首先要求侧导板要有很高的定位精度，其次要求有较快的响应 速度，由于f 2 f 7 前侧导板采用丝杆反螺纹的方式带动侧导板进行开度调节， 其精度可达n 士5 m m ，但在三点式调节逐步逼近的控制模式下，其反应速度必然 较慢，因此要对带钢的进入有一个预知，这一点通过飞剪机架前边的测量辊来对 带钢进入精轧机组进行侦测来实现；当测量辊测得有带钢到来，就电文通知飞剪 和f 2 f 7 精轧机，然后飞剪前导板必须快速进行调节来达到设定的目标开度， 防止带钢跑偏。同时，f 2 f 7 前侧导板就利用这段时间进行开度调节，保持较高 的定位精度，以防止带钢倾斜过大，影响精轧质量。 在更换侧导板、机械变更、电气调整凸轮开关、更换行程传感器以及b a 系 统复位时，需要对侧导板进行零调，检验导板的机械结构、行程传感器、凸轮开 关触点是否正常，并存储同步化触点的位置值；如果当侧导板因故障急停，且故 障排除时，就不必再从头运行零调过程，只需运行同步化过程，把精同步触点的 值从过程机取回到b a 计算机，就可以获得侧导板对应的实际位置值，由此保持 计算机中的开度值和侧导板的实际开度是一致的。这样就完成了侧导板开度初始 化功能。 凸轮开关和行程传感器在侧导板系统中非常重要，凸轮开关用来标示终端位 置和同步化位置，它是一个行程开关，对极限位置进行保护，另一个作用是在零 调和同步化时标示粗同步电平及触发精同步信号，凸轮开关能够触发的六个信号 如下：b a 最大限位( 2 0 5 0 m m ) 、b a 最小限位( 6 0 0 m m ) 、机械最大限位( 2 0 7 0 m m ) 、 机械最小限位( 5 8 0 m m ) 、粗同步电平变换点( 1 8 6 0 士5 0 ) 、精同步点( 1 8 6 0 m m ) ； 行程传感器采用增量式脉冲编码器，用于计算侧导板的实际行程，从而得出实际 的开度值，码盘旋转一周输出4 8 0 0 个脉冲，其精度相当高，并且能够满足单侧侧 导板行程的要求。根据表1 一l 和表1 2 所示导板的传动参数，可用如下计算来证 明： 飞剪前侧导板： 表卜l 剪前导板齿条传动参数 |齿轮齿数= 2 4 ，齿距= 1 2 t u r n ，齿轮直径= 2 4 1 2 = 2 8 8 m m l 行程传感器码盘旋转一圈输出4 8 0 0 个脉冲 则单个脉冲代表的侧导板位移鼍2 8 8 ) 4 8 0 0 = 0 1 8 8 4 9 6 m m 脉冲，也就 一d 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 是说该脉冲编码器的位移分辨率就是o 1 8 8 4 9 6 。 f 2 f 7 前侧导板： 表卜2f 2 f 7 前导板丝杆传动参数 l丝杆螺距= 1 0 m m l行程传感器码盘旋转一圈输出4 8 0 0 个脉冲 则单个脉冲代表的侧导板位移= 1 0 4 8 0 0 = 0 0 0 2 0 8 3 m m 脉冲，也就是说该 脉冲编码器的位移分辨率为0 0 0 2 0 8 3 。 由上面的计算可以看出虽然飞剪前侧导板和f 2 f 7 前侧导板的定位精度都 较高，但是相对比之下，f 2 f 7 前侧导板的定位精度要比飞剪前导板的定位精度 高很多，这也正是上面解释过的两者的功能差异所造成的。 1 3 2 侧导板系统存在的问题 目前，侧导板系统主要有如下几种问题： 1 程序结构混乱 导板系统以及飞剪系统是精轧最后结束调试的，而且程序由不同风格的程序 员编制，尤其是零调、同步化、故障报信程序相当混乱，而且结构复杂，联锁条 件众多，时常造成导板零调、同步化过程失败，导板功能无法投入： 程序的可读性差 程序的注释多是德文，且与工艺过程对应不很准确；数据流与控制信号较多， 变量个数众多、含义不确切，变量操作很多是对硬件地址进行的； 2 人机界面不友好 由于人机界面很差，报信程序信息相当粗略，以至于很难得到有益帮助。难 以确认和分析故障发生的原因。影响故障的迅速排除。2 0 0 1 年由于导板零调无法 进行，导致功能无法投入，累计故障停机时间达到2 2 5 分钟，损失1 9 0 多万元的 边际效益；2 0 0 2 年1 月至6 月，导板零调累计故障停机时间达到2 2 0 分钟，损失 1 8 0 多万元的边际效益。 3 故障位置确定困难 在轧钢过程中改变规格或零调过程中，实际开口度与显示数值存在较大差异， 其原因主要有：丝杆间隙过大、丝母异常打滑、脉冲发生器损坏等，但由于目前 脉冲发生器无法在线检测，就很难判断故障原因，时常先更换脉冲发生器，观其 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 效果再作判断，导致故障时间加长，而且浪费备件资源。 4 系统适应性差 导板系统在当初设计时没有考虑到目前的生产节奏，导板采用三点式逐步逼 近控制方法，调节精度比较高，但调节时间较长，往往不能适应目前的轧制规格 多变特性，更不说采用先进的自由轧制方式，对增设短行程控制技术应给予可行 性研究： 5 任务管理繁多，功能规划不细 由于以上存在的诸多问题，导致导板易于发生故障，而发生故障后又不能尽 快解决，造成较大的经济损失。生产上迫切需要解决导板系统存在的问题，而2 0 5 0 精轧b a 计划要进彳亍改造，因此有必要对导扳控制系统进行深入的研究，解决目 前存在的各种问题并为以后b a 改造作好准备。 1 4 研究内容及意义 针对以上侧导板系统存在的问题，项目组均进行了深入细致的研究，并在充 分研究的基础之上予于解决，圆满完成了项目的各项内容，基本达到了合同规定 的各项技术指标。为以后进行的精轧机组技术整改打下了坚实的基础，提供了一 个可供借鉴的试验性范例。 在项目十个月的期限内，主要研究和完成了以下五个面内容： 1 消化大部分的系统程序，解析各个模块的相互关系，并最终提出侧导板 系统控制模型： 2 对基础自动化体系结构进行深入研究，对v e l 3 进行组态建模； 3 零调和同步化专题研究，解决零调同步化有关的问题； 4 行程传感器在线检测方案研究，提出软件解决方案； 5 系统故障查询数据库的提出和建模。 东北大学硕士学位论文 第二章侧导板系统体系结构分析 第二章侧导板系统体系结构分析 2 1 基础自动化( b a ) 概述 2 0 5 0 热轧线分为三个b a 控制区，分别是粗轧控制区、精轧控制区、卷取控 制区，其上一级控制为车间控制级，即过程自动化级。过程级主要对各种参数的 设定并接受和下发各种参数数据。基础自动化级主要用于采集和处理现场数据、 控制被控对象以及与上级系统进行通信。 2 1 1m m g 2 1 6 系统 基础自动化控制级采用m m c 2 1 6 多处理器分级结构，m m c 2 1 6 是在1 6 位微 处理器s , m 3 8 0 8 6 的基础上的一种功能很强的多微机处理系统。由于它采用组合 式结构可以扩充，因此用它可以满足各种不同复杂程度的任务，从简单设备单机 应用到生产过程自动化中构成分级的多微机系统都可用它。 1 v i i v i c 2 1 6 多微机系统有三个特点： 1 独立性 它是由若干的单元组成，它们各自都有自己的处理器、存储器和外部设备。 每个单元都可以独立处理分配给它的任务。 2 存储器的藕合 各处理器之间经过通信母线和配置好的通信存储器进行通信。 3 分级结构 为了扩展系统，各处理单元都可与子系统相连，从而能够构成分级系统 m m c 2 1 6 系统有一系列组件构成，主要包括处理单元v e 2 1 6 和一些可与它 们组合的各有不同功能的扩充组件，例如母线控制组件母线藕合器( b u k o ) 、构 成分级系统用的藕合组件通信单元( k o i v i e ) 和过程信号单元( p s f ) 以及与其 相连的专用的通信母线。 在m m c 2 1 6 系统中，一个多微机系统是由多台独立的微机组成，即每台系统 微型机都有自己的处理器、存储器和外部设备接口。其最基本的组成部分是带有 处理器s a b 8 0 8 6 的处理单元v e 2 1 6 。一般要对v e 2 1 6 进行扩充，并且能够构成 级联系统；为了达到此目的，可以进行组件扩充，除经过通信母线与v e 2 1 6 相连 外，同时也通过局部母线与其相连。在与其他微机的功能配合中，每台微机都要 独立完成分配给它的一定任务；当系统微机需要功能配合而交换数据时，要通过 东北大学硕士学位论文第二章侧导板系统体系结构分析 通信母线来实现；各系统微机都可经过通信母线对通信存储器进行存储，通信存 储器是所有微机都能存取的一个交叉存取地址区。 由于在多微机系统中，多个微机同时存取通信存储器可能发生冲突，因此 m m c 2 1 6 系统中采用以下方式对通讯存储器进行配置： 1 采用分布式通讯存储器，即通信存储器不集中在一个地方，而是分布在 多微机系统的所有单个微机上； 2 通信存储器采用双端口存储器，即v e 2 1 6 既能通过通信母线存取通信 存储器，也可以通过局部母线存取通信存储器与该处理单元相配的部分； 3 把通讯存储器进行分散处理，又采用双端口处理，从而可以避免通信母 线( m s ) 上数据的堵塞，大大提高了并行处理能力。 m m c 2 1 6 系统在做扩充时，需要有一些全局设备来供系统中的全部的微机使 用，例如全局存储器、过程信号单元( p s f ) 等组件，这时系统中的微机只能通 过通信母线来对其进行存取，其存储区域就是全局存储器。全局存储器与分布式 的通信存储器相反，它是集中式配置在通信母线上的，它没有双端口控制器，因 此对其存储只能通过通信母线，全局存储区可以存取所有本系统微机都能使用的 数据。 由于m m c 2 1 6 系统在作同一级扩充时，最多只能扩展八个v e 处理单元，在 许多应用场合，这根本无法满足需求，这时可以在各个微机上连接子系统，从而 构成分级系统。每个子系统又是一个m m c 2 1 6 组件框架组成，其内部也可以有 v e 2 1 6 处理单元，包括相应的外部设备接口和过程信号单元。 如图2 1 所示，该m m c 2 1 6 系统有两级系统构成，上级通信母线上有两个 v e 2 1 6 处理单元，并且分别进行了扩充，第一个v e 2 1 6 处理单元上扩充了两个通 信单元( 船叽伲) 组件，该类型组件可以双端口存取，即和通信母线相连接，同 时处理单元又能通过局部母线对其进行存取；通信单元的另外一个重要的功能就 是通过对局部母线进行扩充连接子系统，每个通信单元最多能连接两个子系统， 扩展局部母线和下级子系统通信母线要通过母线藕合器( b u k o ) 来进行藕合， 图中的子系统1 含有v e 2 1 6 处理单元，并且配置有本级过程信号单元( p s f ) ， 子系统2 不含有v e 2 1 6 处理单元，它不能处理任何任务，只是对上级系统过程信 号单元组件扩增。通过这样的组合分级结构，m m c 2 1 6 系统能够满足不同规模的 自动化系统的要求。 东北大学硕士学位论文第二章侧导板系统体系结构分析 通信母线 v e 2 1 6t 4 m c 处理单元 k o m em m c 通信单元 s p e x 姗c 存储器扩充组件( s p e l 4 ) b u k 0 m m c 母线藕合器 b u s t m m c 母线控制器 p s f过程信号接口单元 ( 智能子系统1 ，被动子系统2 ) 图2 - 1m m c 2 1 6 系统组态举例 2 1 2m e 2 1 6 处理单元及其配置组件 v e 2 1 6 处理单元是一个完整的单板机，如图2 2 所示，具有s a b 8 0 8 6 处理器， n d p 8 0 8 7 数字数据协处理器，中断控制器，局部存储器，定时器以及若干不同的 测试和辅助装置；另外v e 2 1 6 还有组成多微机系统所需要的接口。 s a b 8 0 8 6 处理器寻址范围为1 m 字节，采用5 m h z 晶振方案，能够利用 n d p 8 0 8 7 进行浮点运算，是一种高效的1 6 位处理器，能够适应p l m 高级编程 语言指令编程。 根据存储器藕合原理，在m m c 2 1 6 系统中对三种存取途径( 局部母线l b u s 、 扩充局部母线l e b u s 和通信母线k b u s ) 中的每一种都规定了一定的地址区。 寻址空间一共为l m 字节，被分成1 6 个段，每段各为6 4 k 字节。这些段都以十 六进制从0 到f 编号。经过局部母线( l b u s ) 只对0 - 3 段和d f 段编址，经过 东北大学硕士学位论文第二章侧导板系统体系结构分析 扩充的局部母线( l e b u s ) 对4 7 段编址，经过通信母线( k b u s ) 对8 - c 段编址。 如表2 1 所示。 图2 - 2v e 2 1 6 系统构成框图 通信单元k o m e 用于将v e 2 1 6 扩充一个多处理器的能分级的m m c 2 1 6 微型 机，为此，k o m e 有一个通信存储器，另外它还有传输扩充的局部母线( l e b u s ) 最多达两个子系统的接口。另外k o m e 还能扩充v e 2 1 6 局部存储器的存储区。 母线藕合器b u k o 把上级系统的扩充局部母线与子系统的通信母线藕合起 来，经过每个b u k o 藕合后，可把l e b u s 地址区扩大为6 4 2 1 0 字节的地址段。 v e 2 1 6 地址区内的地址段4 、5 、6 、7 都可选用。上级系统的v e 2 1 6 存取子系统 的全局存储区和通信存储区以及插在通信母线的接口和过程信号单元。相反，子 系统中的处理单元不能存取上级系统的通信母线。 过程信号行程器p s f 用来检测和输出过程信号，处理这些信号的单元有数字 输入输出单元和模拟输入输出单元。它们在种类上考虑了在信号电平、频率、信 号的时间特性、精度、耐压能力和电位隔离等方面的不同要求。根据不同的信号 形式和输入输出要求，m m c 2 1 6 系统有8 类p s f 组件，它们是数字输入( 电位 隔离和电位不隔离) 、数字输出( 电位隔离和电位不隔离) 、模拟输出( 电位隔离 查韭垄堂堡主堂堡垒墨茎三至塑兰垦墨坠墨竺塑坌堑 和电位不隔离) 、模拟输入( 电位隔离和电位不隔离) 。 o 局部数据 1 ( r a m e e p r o m ) 2 宝 3 l b u s ( 4 4 8 k b ) 宝 。 d 巴 e 代码饵p r o 旧 岔 系 f 统 4 _ 兰 5 子系统 寻 l e b u s ( 2 5 6 k b ) 址 6 ( 数据和过程信号) 7 空 8 间 分 9 配 全局存储 图 a k b u s ( 3 2 0 k b ) b c通信存储器& p s f 表2 - 1 删c 2 1 6 系统v e 2 1 6 寻址空间分配图 2 1 3v e l 3 存储空间组件分配 如图2 3 所示，为v e l 3 的1 m 存储空间在组件上的分配情况，v e l 3 上只有 一个k o m e 板，其存储空间的分配如图所示，具有e e p r o m 和e p r o m ；v e l 3 的予系统只有一个，就是立辊位置控制系统v e l 4 ；由于所有的过程信号形成器 p s f 都在下级母线上，所以v e l 3 要通过b u k o 来对下级母线进行访问；v e 2 1 6 自身的e p r o m 部分用来安装操作系统和系统数据。 东北大学硕士学位论文第二章侧导板系统体系结构分析 2 2 系统组态 v e l 3 存储空间分配图 囹 存储空间配置组件 口 存储空间没有配置组件 函 不确定 v e l 4 子系统 子系统2 子系统3 子系统4 k 0 眶2 k 0 舡1 s p e 4 b u k 0 图2 - 3r e l 3 存储空间的组件分配分示意图 如图2 4 所示，v e l 3 所在的飞剪系统的组态图，v e l 3 处理单元包括一个下 属子系统，就是v e l 4 和相关组件及k 2 母线构成的子系统，通过通信单元k o m e 把局部母线进行扩展，然后和母线藕合单元b u k o 板把k 1 母线和k 2 母线相连， v e l 3 为侧导板控制系统和立辊轧力控制，v e l 4 为立辊位置控制。k 1 母线上的 过程信号形成器对k 1 母线上的v e 来说，为全局设备，v e l l 、v e l 2 和v e l 3 都 1 2 件 | | | 组 。蕊僦黝勰黝 硎洲 刚邮刚衄开洲什叫件肿阡叶卧叶阡叶r册矸讲r 勰 勰黼黜黜翮麟蕊蕊翮翮一 一 东北大学硕士学位论文第二章侧导板系统体系结构分析 可通过k b u s 对其进行存取，但是通过对v e l 3 系统的研究，证明v e l 3 所有的 过程信号都是来自于k 2 母线上即v e l 4 所在的母线上的p s f ，该p s f 对v e l 3 来讲是局部设备，v e l 3 通过局部母线可对其访问，其访问地址4 e x x x h ，说明是 对其段4 子系统进行访问，因此v e l 3 中所有的数字输入信号、数字输出信号、 模拟输入信号、模拟输出信号以及脉冲计数信号，都来自于子系统的过程信号形 成器，当然，对v e l 4 而言，这些p s f 组件是全局设备，其地址是0 c e x x x h ，v e l 4 中的大部分过程信号都来自于对它而言是全局组件的p s f ，由图可知，v e l 4 又 进行了子系统的扩展，但这个扩展是无源扩展，其作用仅是v e l 4 把它的一路数 字输入信号设置在了这个被动子系统的p s f 上。 在通信方面，v e l 3 通过b u k o 板上的k s p 存储区和v e l 4 交换数据，进行 通信，另一方面，v e l 3 通过数据分配器向v e 0 2 ( 数据管理器) 发送实际值和故 障报文，v e 0 2 再转送c o r o s ：v e l 3 也接受v e 0 2 发送的设定值报文。 w d 为看门狗组件，对v e 处理单元进行监视，它最多可以监视4 个v e 。b u s t 为母线控制组件，当有几个存取要求时由它决定优先级。 飞翦秉绕s o s 图2 _ 4 基础自动化飞剪控制组态图 东北大学硕士学位论文 第二章侧导板系统体系结构分析 2 3 软件系统 2 3 1 基础服务系统b d 2 1 6 概述 基础服务系统b d 2 1 6 给用户提供了一系列有关于在多维微型计算机系统 m m c 2 1 6 中安全和有效操作一台单独微型机的重要的软件辅助方法。b d 2 1 6 大体 上有以下功能： 1 过程管理 在b d 2 1 6 方面，一个用于工业过程自动化的软件系统被分为若干个独立自主 的有运行能力的功能，即所谓的任务。在直接使用v e 2 1 6 硬件机构的基础上， b d 2 1 6 支配着一个具有转换功能和控制说明以及用于控制机械装置的框架，用此 框架能在一个软件系统内调度任务。 2 通过串联接口b d 2 1 6 的输入输出信息交换 输入输出信息交换，它有调用和用于输入输出的接口，输入输出是通过两个 v e 2 1 6 串联接口进行的 3 操作 就功能而言，b d 2 1 6 有操作命令。此外，它还有专门供用户使用的一个接口。 4 测试 可用b d 2 1 6 的测试部分测试任务，而不影响“剩余系统”的继续运行。 5 时间处理 b d 2 1 6 记录日期和时间，并给用户提供有关信息的存取。 6 任务的装载 由一生成系统赢接把任务装入m m c 2 1 6 计算机的r a m 和e e p r o m 存储器 7 起动和再运行 b d 2 1 6 执行所有必要的起动和再运行的功能，并使这个系统处于一个规定的 状态。 8 系统运行的特性 b d 2 1 6 能识别一系列的系统运行特性。当编程出错时，它给编程员提供相应 的出错标记。另外，还收集b d 2 1 6 可能出现的错误诊断的固定数据。 1 4 东北大学硕士学位论文 第二章侧导板系统体系结构分析 2 3 2 b d 2 1 6 过程管理 2 3 2 1 任务管理 根据b d 2 1 6 中断系统的结构和8 0 8 6 处理器的特性，b d 2 1 6 可以管理4 种类 型的任务： 1 n m i ( 非屏蔽中断) 任务 2 中断任务 3 后景任务 4 软件任务 n m i 任务： 该类型任务用于处理、显示系统运行特点或具有控制功能的信号。这些信号 在v e 2 1 6 中断控制器中与8 0 8 6 的n m i 端相连，因此，该中断信号不可屏蔽，n m i 任务类型优先级最高。 中断任务： 该类型任务用于处理在实时条件下必须做出反应的外部事件。根据中断控制 器的性能，中断触发信号也可以由软件产生( 通过i r s e t ) 。中断任务的优先级 高于后景任务，低于n m i 任务。中断任务可以通过中断控制器中输入端的屏蔽来 控制。 后景任务： 该类型任务用于处理时间要求不高的功能。在b d 2 1 6 后景机构组织下，这类 任务按照用户规定的顺序“无限循环”执行。中断任务能够中断后景任务，后景 任务之间不能相互中断。b d 2 1 6 软件系统中，后景任务优先级最低。 软件中断任务： 该类型任务可由系统中其它任务调用，它没有自己的优先级，按照调用它的 任务的优先运行。 2 3 2 2 系统管理 b d 2 1 6 最多能管理7 5 个不同的目标软件。所允许使用的任务号为1 - - 7 5 ，而 任务号1 2 6 是为b d 2 1 6 系统任务预留的，剩余4 9 个任务号可供用户使用。 根据最大任务数，b d 2 1 6 也能识别7 5 个矢量号，所允许使用的矢量号为o 一7 4 ， 矢量号的使用情况与任务类型有关。如表2 2 所示。 东北大学硕士学位论文第二章侧导板系统体系结构分析 表2 - 2 矢量号的分配 矢量号任务类型 0 - 3 1软件中断任务 3 2 - 3 9n m i 任务 4 0 5 5 中断任务 5 6 7 4后景任务 注：矢量号2 例外，规定用于n m i b d 2 1 6 基础服务系统规定一些矢量号由系统任务来占用，其占用如表2 3 所示。 2 3 2 3b d 2 1 6 中断控制系统 图2 - 5 所示，为了处理中断请求，在v e 2 1 6 中设有三个中断控制器( i r c l 3 ) ， 这三个控制器按照雏菊链式( 固定优先级) 相互连接在一起，用它们可以处理2 4 个不同的中断请求。但有1 1 个中断( 0 0 0 7 、1 0 、1 1 1 3 ) 不供用户使用， 它仅用于系统目的。 三个中断控制器由b d 2 1 6 进行驱动，其中断口的优先级是确定好的，优先级 从口0 0 ( 最高优先级) 到口1 1 5 ( 最低优先级) 。安排有i r c l 3 输出端，这些 输出端被接到8 0 8 6 处理器的i n t r 输入端上。另外，i r c l ( n m i 多路转换器) 的输出端被接在n m i ( 非屏蔽中断) 的输入端上( 8 0 8 6 处理器) 。由于采用这种 结构，因此在控制中断请求0 0 o 7 和中断请求1 o 1 1 5 之间的中断处理时能有 明显的区别。通过封锁8 0 8 6 处理器i n t r 输入端能够暂时停止对中断请求1 o 1 1 5 的响应。 另外8 个最高优先级的中断0 o o 7 ，它决定了一定的系统运行特点，或具 有系统控制功能。这8 个最高优先的中断不取决于i n t r 输入端的状态( 系统可 中断状态) ，而是通过n v i i 输入端送入系统。 如果考虑8 0 8 6 内非中断处理的任务，则有三个可以执行的硬件优先级，如表 2 4 所示 东北大学硕士学位论文 第二章侧导板系统体系结构分析 表2 - 3 矢量号的系统占用 矢量号任务号系统任务说明 0ls y d i v除零 l2s y s s 单步( 测试) + 2 ( 例外) 3s y n m in m i 程序 3 4s y h p 断点( 测试) 软 4溢h 件 件 中 断 51 4s y l a d装载 任 务 6 1 5s y b e d 连接 76s y i q中断应答 87s y t e s t 辅助测试 98s y a l 起动( r e s e t ) 1 0 - - 3 1供用户自由使用 3 29s y o k k b u s 应答延迟 3 31 0 s y o ll l e b u s 应答延迟 3 4 掉电 童 3 5 系统中断$ h 任 务 3 61 3s y w l再运行 3 72 3s y t i中断控制器测试 3 82 1s y p e n d p 8 0 8 7 出错 3 9 ( 未用)奇偶校验错误 4 01 6s y b g 输入驱动器u s a r t l 4 11 7s y a 6 输出驱动器u s a r t l 4 2t i m e r i * 中 4 31 8s y z g t i m e r 2 系统时问 断 任 务 4 4t i 啦r 3 * 4 5 5 3 供用户自由使用 5 4 输入驱动器u s a r t 2 5 5 输出驱动器u s a r t 2 任后 5 6 用户起动 务景 5 7 7 4 供用户自由使用 一1 7 一 东北大学硕士学位论文第二章侧导板系统体系结构分析 表2 4 任务类型优先级 ln m i 级( 0 )n m i 任务 l中断级( 1 )中断任务 i后景级( 2 )后景任务 n m i 级在这三个级中则是最高优先级，后景级是最低级。n m i 和中断级用于 相应的中断，后景级总是有源的。这些优先级中的每一级可以执行软件i n t 任务。 2 1 6 信号 b i ) 2 1 6 名稚任务 功能 o ks y q kk b u s 应菩延迟 q ls y q l 哪