步進(jìn)式加熱爐多級(jí)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

田 海，靳珂珂，袁有擴(kuò)，徐 聰

（內(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，包頭 014010）

最初，包鋼無(wú)縫鋼管廠步進(jìn)式加熱爐控制系統(tǒng)是由西門子SIMATIC S5-135U通過(guò)端子接線的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)式加熱爐區(qū)域的設(shè)備進(jìn)行控制。由于系統(tǒng)老化、線路繁多、故障率高等原因，因此對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行改造升級(jí)。利用先期企業(yè)管理層的工業(yè)以太網(wǎng)集成該層下面各個(gè)子網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)管控目的。通過(guò)采用S7-300系列PLC和多種通信協(xié)議來(lái)解決新老設(shè)備不兼容的問(wèn)題，溝通了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、生產(chǎn)監(jiān)控層和企業(yè)管理層的聯(lián)系[1]，將獨(dú)立的、分散的設(shè)備有機(jī)地融合到一起，實(shí)現(xiàn)了控制的實(shí)時(shí)性和管理的高效性。

1 系統(tǒng)工藝和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 加熱爐系統(tǒng)工藝的簡(jiǎn)介

該廠步進(jìn)式加熱爐工藝流程如圖1所示。

圖1 步進(jìn)式加熱爐工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of walking beam type reheating furnace

由于鋼管在淬火和回火兩階段的傳動(dòng)方式相同，因此以淬火爐為例介紹步進(jìn)式加熱爐的工藝。

操作員根據(jù)不同的鋼管外徑將原料鋼管按順序鋪放到爐外的上料臺(tái)架上，通過(guò)由液壓缸驅(qū)動(dòng)的上料裝置，將鋼管從臺(tái)架上移動(dòng)到進(jìn)料輥道。進(jìn)料時(shí)刻到，淬火爐爐門上升，淬火爐內(nèi)外進(jìn)料輥道同時(shí)快速旋轉(zhuǎn)，將鋼管送到淬火爐中進(jìn)行熱處理。鋼管到淬火爐內(nèi)的定位和測(cè)長(zhǎng)測(cè)速由鋼管定位裝置（二個(gè)光電開(kāi)關(guān)）及PLC控制完成。鋼管進(jìn)入爐內(nèi)到位后，爐內(nèi)外進(jìn)料輥道停止轉(zhuǎn)動(dòng)。在淬火爐內(nèi)通過(guò)步進(jìn)機(jī)構(gòu)動(dòng)梁的正循環(huán)動(dòng)作，經(jīng)過(guò)淬火爐的加熱段、保溫段鋼管被加熱到工藝要求的溫度（850℃～1000℃）。步進(jìn)梁將鋼管托送到淬火爐內(nèi)出料懸臂輥道上，出料爐門上升，淬火爐內(nèi)外出料輥道同時(shí)快速旋轉(zhuǎn)，將鋼管傳送到爐外輥道上[2]。

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為3層：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、生產(chǎn)監(jiān)控層、企業(yè)管理層，如圖2所示。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Network chart of monitor system

（1）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層

主要功能是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與生產(chǎn)監(jiān)控層的通信。對(duì)于不帶DP通信接口的設(shè)備通過(guò)ET200M接入到Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于帶有DP通信的設(shè)備，例如，西門子變頻器G120（爐內(nèi)外輥道變頻調(diào)速）直接通過(guò)自帶的DP接口接入Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)[3]，成為該DP網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)從站。FM355-2C（步進(jìn)式加熱爐內(nèi)溫度控制）溫度控制模塊可以通過(guò)ET200M直接接入到PN網(wǎng)絡(luò)，提高溫控的實(shí)時(shí)性和可靠性。僅支持Modbus協(xié)議的設(shè)備，通過(guò)PB-M總線橋接入DP網(wǎng)絡(luò)。

（2）生產(chǎn)監(jiān)控層

生產(chǎn)監(jiān)控層主要完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。通過(guò)采用CPU315-2PN/DP作為主控制器，實(shí)現(xiàn)Profibus和Profinet的數(shù)據(jù)透明通信[4]。該CPU有兩類通信接口。DP接口用來(lái)和現(xiàn)場(chǎng)的DP設(shè)備進(jìn)行通信；PN口由兩個(gè)組成：其中一個(gè)用來(lái)作為2類主站完成對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的報(bào)警和動(dòng)態(tài)顯示等；另一個(gè)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)接入到Profinet網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)管理層通信。

（3）企業(yè)管理層

采用雙環(huán)冗余光纖以太網(wǎng)構(gòu)成的企業(yè)管理層是已建成的控制網(wǎng)絡(luò)的最高層。通過(guò)生產(chǎn)監(jiān)控層的主控制器CPU315-2PN/DP將主站監(jiān)控到的數(shù)據(jù)有選擇性地上傳到企業(yè)管理層。同時(shí)，管理層用戶可以方便地通過(guò)TCP/IP協(xié)議直接接入到該層，通過(guò)Wincc7.0組態(tài)軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行調(diào)度和統(tǒng)一管控。

2 系統(tǒng)的硬件配置

2.1 傳動(dòng)部分的硬件配置

操作臺(tái)通過(guò)S7-300系列PLC 主機(jī)及遠(yuǎn)程裝置ET200M機(jī)架上的I/O口接收操作信號(hào)和驅(qū)動(dòng)非智能設(shè)備，由液壓站的ET200M完成電機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)、油箱實(shí)時(shí)壓力和液位的顯示及液壓比例板對(duì)步進(jìn)梁動(dòng)梁的控制。

系統(tǒng)中輥道電機(jī)的控制采用了西門子變頻器MM440的升級(jí)版本G120系列變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)全新的模塊化設(shè)計(jì)，可方便地應(yīng)用于對(duì)安全要求苛刻的環(huán)境。

Modbus協(xié)議到Profibus-DP協(xié)議間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通過(guò)PB-M總線橋來(lái)實(shí)現(xiàn)[5]。PB-M總線橋在Profibus網(wǎng)絡(luò)一側(cè)是 Profibus從站，地址范圍是 0～126。Profibus從站地址通過(guò)產(chǎn)品正面的兩個(gè)十進(jìn)制旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)SA來(lái)設(shè)置。若從站地址大于99，還需要通過(guò)產(chǎn)品背面的功能選擇開(kāi)關(guān)SW 4（系統(tǒng)采用4撥碼方式）來(lái)配合完成。Modbus主/從站的設(shè)置通過(guò)總線橋功能撥碼開(kāi)關(guān)SW2來(lái)實(shí)現(xiàn)（ON為從站，OFF為主站）。

2.2 燃燒系統(tǒng)的硬件配置

淬火爐沿爐長(zhǎng)方向分為預(yù)熱段、加熱段和保溫段[6]。其中預(yù)熱段不需要燃燒提供熱量，因此不需要燒嘴。淬火爐有8個(gè)溫控區(qū)，加熱段和保溫段沿爐寬各分為四個(gè)區(qū)?；鼗馉t同樣有12個(gè)溫控區(qū)。其中加熱段、保溫段和均溫段沿爐寬各分為4個(gè)區(qū)。每個(gè)溫區(qū)都采用獨(dú)立的溫控方式，包括一個(gè)S型熱電偶和4個(gè)脈沖燒嘴。

由于淬火爐和回火爐在熱處理過(guò)程中，溫度的閉環(huán)回路比較多，從而需要CPU分出更多的資源來(lái)滿足大量的PID回路運(yùn)算，影響了CPU對(duì)其他任務(wù)的處理效率。西門子FM355-2C溫度閉環(huán)模塊是專門為流量、壓力、溫度等模擬量的閉環(huán)控制而設(shè)計(jì)[7]。通過(guò)使用FM355-2C，所有的溫度數(shù)據(jù)采集和PID控制算法將由其完成，不需要主控制器的CPU參與控制，因此不會(huì)對(duì)CPU造成負(fù)擔(dān)?！昂髠淠Ｊ健笔窃撃K的一個(gè)很關(guān)鍵的功能，能保障在主站CPU發(fā)生故障或者停止的情況下，F(xiàn)M355-2C能連續(xù)獨(dú)立的運(yùn)行，避免了因CPU停止造成的燃燒系統(tǒng)的失控。

雙擊SETP7硬件配置界面的FM355-2C模塊，出現(xiàn)FM355-2C的參數(shù)設(shè)定界面并對(duì)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如圖3所示。

圖3 FM355-2C的參數(shù)設(shè)定界面Fig.3 Interface of FM355-2C parameter settings

FM355-2C主要參數(shù)設(shè)定包括：

（1）模塊輸入類型設(shè)置，由于現(xiàn)場(chǎng)傳感器采用的是S型熱電偶，因此，單擊“Sensor type”選擇S型熱電偶。

（2）控制類型的選擇，單擊進(jìn)入“Control algorithm”選擇PID控制。

（3）模塊輸出類型選擇，現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用的是脈沖控制器MPT700，因此選擇4～20mA。

MPT700是專門控制一組或者兩組燒嘴的脈沖控制器。MPT700能夠?qū)M355-2C模塊給定的模擬量信號(hào)（4～20mA）轉(zhuǎn)換成符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際控制情況的百分比類型，根據(jù)其給定信號(hào)的大小和設(shè)定的操作模式對(duì)一組（4～8個(gè)）燒嘴進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。為了滿足溫控的要求（爐溫均勻度±5℃和鋼管全長(zhǎng)溫度均勻性小于10℃），在脈沖燃燒控制中，脈沖燒嘴只存在開(kāi)或關(guān)兩種工作狀態(tài)。脈沖燃燒技術(shù)較于連續(xù)燃燒具有爐溫波動(dòng)下、控制響應(yīng)快、調(diào)節(jié)范圍大等優(yōu)點(diǎn)。

3 系統(tǒng)的軟件配置

系統(tǒng)智能設(shè)備具體數(shù)據(jù)融合的方式差別較大，以下通過(guò)兩種智能設(shè)備數(shù)據(jù)集成的具體過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 西門子溫度閉環(huán)模塊FM 355-2C接入Profinet網(wǎng)絡(luò)

FM355-2C模塊可以裝在S7-300的中央機(jī)架上，也可以安裝在遠(yuǎn)程裝置ET200M中[8]。本系統(tǒng)中FM355-2C模塊通過(guò)ET200M接入Profinet網(wǎng)絡(luò)。

首先安裝FM355-2C所提供的軟件包，然后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中FM355-2C在ET200M的插槽中的實(shí)際位置，在STEP7中對(duì)其硬件組態(tài)，雙擊打開(kāi)FM355-2C的參數(shù)設(shè)定界面并進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。

為了通過(guò)PLC程序?qū)M355-2C進(jìn)行控制，必須在PLC程序中編寫入控制程序。編寫程序如下：

（1）在STEP7重啟動(dòng)組織塊OB100中對(duì)其背景數(shù)據(jù)塊中的“COM RST”（DB52.DBX8.0）進(jìn)行置位，實(shí)現(xiàn)模塊初始化。

（2）在 STEP7中斷組織塊 OB35中調(diào)用庫(kù)中“FM355-2 Temp Control”的 FB52 塊（FMT_PID），將FM355-2C連接到用戶程序。標(biāo)明硬件組態(tài)通道號(hào)（CHANNEL）和地址（MOD_ADDR）。

（3）編寫PLC程序，將每個(gè)溫控區(qū)要求的溫度數(shù)據(jù)傳遞到 FB52塊的外部設(shè)定 SP_RE（DB52.DBD12）。

3.2 智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器通過(guò)Modbus的RTU協(xié)議轉(zhuǎn)接到Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)

Modbus協(xié)議是一種主/從方式的通信協(xié)議，主要用于控制器之間的通信[9]。Modbus協(xié)議具有兩種不同的傳輸字符的模式：ASCII模式和RTU（二進(jìn)制）模式。本系統(tǒng)選用的PB-M總線橋和智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器只使用RTU模式。

通過(guò)STEP7軟件對(duì)其進(jìn)行硬件組態(tài)，在硬件目錄下的“Profibus-DP/Gateway”目錄下面找到PB-BMM/V32。將該硬件拖拽到Profibus-DP主站系統(tǒng)上設(shè)為DP從站（從站站號(hào)為5），雙擊打開(kāi)其屬性，選“Parameter Assignment”對(duì)其相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。具體參數(shù)配置如下：波特率=9600 b/s；校驗(yàn)方式=無(wú)校驗(yàn)；數(shù)據(jù)更新模式=At Evry MD End；等待回答時(shí)間=50ms。

PB-M總線橋提供了不同的報(bào)文類型，用來(lái)滿足智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器具體數(shù)據(jù)通信的需求。在STEP7硬件組態(tài)中PB-B-MM/V32目錄下有1#～39#個(gè)槽位（邏輯上）。其中1#和2#均已被占用，用于Modbus通信接口的狀態(tài)字和控制字。其余37個(gè)槽位都能插入一個(gè)Modbus的通信模塊，每個(gè)通信模塊帶有一種功能的報(bào)文類型。下面以本系統(tǒng)中用于控制潤(rùn)滑電機(jī)的智能電機(jī)保護(hù)器讀取24個(gè)輸出線圈0xxxx（功能碼01H）狀態(tài)為例，介紹通信的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

第1步 選中3#槽位，然后右邊硬件窗口目錄下 “PB-B-MM/V32”中找到“read 24 bits（0xxxx）”雙擊添加到3#槽。

第2步 進(jìn)一步設(shè)定Modbus參數(shù)，雙擊3#槽中的“read 24 bits（0xxxx）”選擇“Parameter Assignment”，設(shè)置 “從站地址=5”和“起始地址=20”。

完成參數(shù)設(shè)定后，建立的Modbus至Profibus的數(shù)據(jù)映射關(guān)系，如圖4所示。

圖4 Modbus至Profibus的數(shù)據(jù)映射關(guān)系Fig.4 Data mapping relation of Modbus to Profibus

其中，IB1～I(xiàn)B3是 Profibus主站分配給這個(gè)Modbus模塊的Profibus輸入地址，對(duì)應(yīng)Modbus報(bào)文讀到的24bits（0xxxx）。通過(guò)這種方式就能實(shí)現(xiàn)Profibus到Modbus數(shù)據(jù)的通信。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)多協(xié)議通信方式的運(yùn)用，使本次步進(jìn)式加熱爐自控系統(tǒng)改造滿足了新老設(shè)備之間數(shù)據(jù)無(wú)縫融合、節(jié)約成本和企業(yè)管理層管控的需求。同時(shí)，通過(guò)采用西門子溫度閉環(huán)模塊FM355-2C，步進(jìn)式加熱爐中大量回路的PID控制計(jì)算和信號(hào)采樣由FM355-2C完成，減少了主控制器CPU的負(fù)擔(dān)，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、精確性和可靠性。本系統(tǒng)采用的控制方法對(duì)其他同類改造系統(tǒng)有一定的參考價(jià)值。

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