1 引言
“Moldmaster Molding Line”是圣戈班(马鞍山)铸管有限公司投资建设的一条连铸生产线。该项目位于安徽省马鞍山市慈湖地区，项目总投资额数亿。主要包括连铸系统、供砂系统、干砂系统、精加工系统等。其中系统为本工程的核心部分，直接决定该工程项目的成功与否。
该项目总承包由荷兰GEMCO公司承建，安装由中机四建实施。自控系统共有三大部分，分别为连铸系统、供砂系统、干砂系统。其中供砂系统由GEMCO公司负责集成实施，其余两个系统由上海海得控制系统有限公司南京分公司负责集成实施。本文主要介绍连铸(Moldmaster)系统部分。

2 工艺描述
Moldmaster生产线共包括十个子系统，如图1所示。

图1 Moldmaster生产线

(1) Moldmaster，完成模型的更换和模箱的制作系统，可以同时处理A/B两种不同的模型;
(2) Rollover，主要完成模箱的反转，为合模系统做好准备;
(3) Walking beam，模箱的传输系统;
(4) Mold closing，合箱系统;
(5) Mold placing，模箱的搬移系统;
(6) Weight transfer，压块的搬移系统;
(7) Mold conveyor，模箱传输系统;
(8) Push off/Elevator，推进和提升系统;
(9) Punch out，打出系统，主要是将冷却后的产品从砂箱中打出;
(10) Splitter，分箱系统。
另外与该系统密切相关的辅助系统有干砂系统和供砂系统。干砂系统主要完成源砂的净化处理(灰尘、枝叶、垃圾等)和烘干;供砂系统主要完成工艺用砂的配置并为Moldmaster系统供砂。

3 系统配置
系统采用了性价比高的Premium 57系列PLC，同时考虑到该工艺生产线的分布特点，遵循经济、简单、易维护、可靠性等原则采用了该系列PLC中应用最为广泛的FIPIO总线方式，这样相关的一些输入输出设备可以就近安装。同时采用总线方式，使该系统的设计、成套、安装、调试、维护等工作的工作效率都得到了极大的提高，为该系统的顺利按期竣工提供了技术性的保证。
系统网络以及配置如图2所示。

图2 系统网络以及配置

4 FIPIO现场总线
FIPIO总线是TE公司主推的现场总线之一。该现场总线完全兼容FIP和WORLDFIP标准，最多可连接128个站点，距离远达15KM，可用于连接传感器、执行器和终端设备。
FIPIO主要支持的设备有:PLC;分布式模块;编程终端;监视系统;操作编程器;变频器;其他符合FIPIO标准的第三方设备。
FIPIO总线上设备共计可以连接128个站点，地址从0到127，其中0号站点预留为FIPIO主站管理器地址，63号站点预留为编程终端，其他地址都可以自由编址为输入输出设备。每个输入输出设备有地址编码DIP设置开关，软件设置需要和硬件设置相一致。
总线特性如下:总线类型:开放式的工业现场总线，WORLDFIP标准。拓扑结构:总线式。数据存取方式:主从结构，由总线仲裁器及FIPIO管理器负责处理。通讯速率:1Mbps。通讯距离:15000m。通讯介质:屏蔽双绞线(150Ω)。站点数量:128(0号站点预留为主站)。网段数量:最多44段。编程终端:默认地址为63。单段长度:电气网段段长为1000m，光纤网段段长为2500m或3000m(取决于光纤)
典型的FIPIO网络图如图3所示。

图3 FIPIO网络图

5 功能开发
主要实现功能:
(1) 系统总貌以及急停记忆查询功能;
(2) 各个子系统的详尽系统动态显示;
(3) 故障记录和历史查询(200个);
(4) 产品生产记录;
(5) 手动、自动操作模式;
(6) 记忆和系统恢复;
(7) 安全操作。
5.1 操作模式
该系统采用图形界面加结构化文本的编程方式(Graph7+ST)，采用图形编程方式简单、形象，非常适合于流程化编程和步序操作方式。主要工作方式分别为急停模式、手动模式、自动模式。操作模式参见图4所示。

图4 操作模式

(1) 急停:在该模式下，所有可执行设备闭锁输出，并将在电气回路中切断电源(硬件回路中采用安全继电器模块)，双通道保证系统的安全冗余。当急停按钮动作或安全门被违规打开时都将进入急停模式;
(2) 手动模式:主要供系统测试、调整、检修、维护等操作。该操作模式下没有联锁和保护;
(3)自动模式:该操作模式为系统的主要操作方式，可以实现连铸生产线的全自动化运行。
5.2 系统总貌和急停查询分析
本部分内容主要是整个系统的流程分析，供操作人员熟悉和学习使用;同时提供了整个系统的急停记忆和查询功能。如图5所示。

图5 急停记忆和查询功能

急停开关动作或安全门违规打开后将导致系统切换至急停模式，并将屏蔽系统的操作。整个系统中的急停操作按钮有数十个之多，并且有的按钮为短脉冲信号，当动作复位后，无法得知是那个系统或那个相关工段的操作人员操作。所以在PLC内将所有急停信号的动作情况记忆保存，便于再次启动前对系统有一个正确的分析和处理。待处理完毕后操作急停复位按钮对记忆系统复位，方可以开始系统地重新启动。

5.3 各个子系统动态显示
本部分为HMI系统最为常规的功能，主要完成系统的动态测试。如图示6(子系统)所示。

图6 子系统动态显示

5.4 故障分析
(1) 故障界面
由于该系统控制复杂，检测开关以及执行设备多而且大多设备安装拆卸极为不便，给系统的检修和维护带来很大困难。所以在本系统中我们设计并使用了大量的故障处理，使各种可能出现的故障分析、报告和汇总，给操纵人员在第一时间内了解设备运行和故障原因提供了可能和保障。界面如图7所示。

图7 故障分析界面1

图7是当前最新的五个故障显示，主要包括故障时间和内容。在内容描述栏中包含了故障设备和故障原因，供维护人员检修参考处理，处理完毕后操作故障复位按钮，清除当前故障。除了可以参看当前最新的故障外，还提供了历史故障的查询，设计保存最新的200个故障，在PLC内存允许的情况下，可以放得更大。如图8所示。

图8 故障分析界面2

每个页面可以显示20个故障，200个共分为10页分别显示，按键翻页察看完成。每个故障包含故障时间(年月日时分秒)和故障内容。主要实现如下样例(一个移动梁的前行动作):
(*advance walking beam*)
IF NOT Default_walking_beam THEN
RESET Sv_retract_walking_beam;SET Sv_advance_walking_beam;
(*walking beam advanced not reached after movement*)
IF %X32.1.T>100 THEN
Numdef:=603;SET Default_walking_beam;SR0;
END_IF;
END_IF;
如图8程序所示，如果系统无故障则执行工作梁的前推动作;正常情况下5s该动作既可以完成，如果超过10s，该动作还没有结束，则调用故障处理子程序SR0。
IF Numdef>=1 AND Numdef<=9999 AND Ptrdf<5 THEN
(* non-existent test number in the table *)
IF FIND_EQW(Tbndft:5,Numdef)=-1 THEN
(* storage of the number at the end of the table *)
Tbndft[Ptrdf]:=Numdef;
INC Ptrdf;
(* storage of the fault number in the event archiving buffer*)
IF Numdef<>Memdef THEN
Num_evenement:=Numdef; SR1;
END_IF;
END_IF;
END_IF;
RETURN;
故障处理子程序主要记录当前故障号，并调用故障处理子程序SR1，将当前故障以及故障发生的时间信息压入存储区:
(*Event number archiving *)
(* archiving table 5 word offset *)
Teven_1_0:995:=Teven_0_0:995;
(* archive event number, second, hour-minute, day-month, year *)
Teven_0_0:=Num_evenement;
Teven_0_1:=Seconde;
Teven_0_2:=Heure_minute;
Teven_0_3:=Jour_mois;
Teven_0_4:=Ann;
RETURN;
所以从Teven_1_0开始的1000个字保存最近的200个故障信息，每个故障占用5个字的空间。当故障发生后将可以在HMI上以故障描述的方式显示，供操作人员检修处理参考。如下所示:
“17:40 walking beam advanced not reached after movement”
这样操作人员就可以直接检查移动梁的到位信号是否正常或者移动梁的驱动部分是否正常。
(2) 系统处理的故障类型
●实际的故障信号:如过压、高温、热保护等;
●系统判断分析的故障:动作执行前信号有故障;主要是检测设备问题和误操作问题;动作执行后不到位信号;主要是检测设备问题或执行设备问题，如设备未动作、异常情况导致动作过慢等;
●I/O模块故障;
●通讯模块故障(上层以太网的检测);
●总线设备的断点检测。例如比如远程站点的异常退出，电源故障等。
5.5 产品分析
该部分主要完成系统生产状况的统计，主要包括:单件平均时间、系统每小时产品数量、系统累计运行时间、系统累计生产数量及类别、总要求生产数量、剩余待生产数量等。该部分功能完全在PLC内实现，HMI仅提供界面显示，如图9所示。

图9 产品分析界面

5.6 记忆和系统恢复
由于该系统相关的检测设备和执行设备较多，控制相对较为复杂。故障或紧急停机后，会有部分执行设备处于中间位置。如果由操作人员操作或系统自动使之到要求位置则十分麻烦，切有可能导致设备的冲突和撞击，所以本系统编写了大量的记忆程序。当系统因为故障或者紧急停机而闭锁设备动作后，自动保存当前状态。另外由于系统中有部分设备属液压驱动，紧急停机后这些设备会因为油压的原因而使位置有所变动(比如提升机构，在重压下可能慢慢降落)，所以要特别注意该类设备的状态分析。
5.7 安全操作
(1) 系统安全设计
系统中安全区域(危险区域)共有两个，其中一个是Moldmaster部分，当Stripper部分需要人为调整时，操作和维护人员必须进入该生产区域内部进行操作，同时系统其他部分保持正常运行不停机，这就带来了人员的安全问题。所以系统设计设置了安全操作，保证既不停止系统的整体运行又可以保证操作人员的人身安全。
(2) 安全操作设计
●由操作人员在危险区域外操作相关按钮，向系统发出安全操作指令;
●系统接到请求指令后首先完成当前一个周期的动作，满足相关条件后，闭锁该部分的自动执行;
●向操作人员发出授权指示，提示操作人员可以进入该区域操作;
●断开区域外隔离保护开关，并上锁;
●打开安全门，进入危险区域;
●合闸危险区域内隔离开关，驱动设备上电;
●依据就地操作盒调整设备;
●操作完毕后断开区域内隔离开关，退出该区域;
●关闭安全门，并上锁;
●合闸区域外的隔离开关;
●操作完成按钮，告知系统该操作完成;
●子系统继续转入自动模式。

6 结束语
该系统于2004年9月份开始投入使用，到目前为止已经运行一年有余，运行安全可靠，并且监控画面清晰，切换灵活，自动化程度高，减少了劳动强度,提高了劳动生产率,满足了生产过程的自动化控制，获得了一致好评。