工業(yè)通訊技術(shù)在轉(zhuǎn)爐喂絲機控制系統(tǒng)的應用

陳慶

摘要：該文主要介紹了西門子工業(yè)以太網(wǎng)及PROFIBUS現(xiàn)場總線兩種通訊技術(shù)的技術(shù)特點和典型應用，通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)與鋼鐵工業(yè)自動化系統(tǒng)相結(jié)合實現(xiàn)高效應用。

關(guān)鍵詞：工業(yè)以太網(wǎng)；現(xiàn)場總線；EM277

1背景

隨著煉鋼生產(chǎn)工藝對自動化要求越來越高，工業(yè)通訊技術(shù)應用于工廠的設(shè)備控制及管理的各個系統(tǒng)，我廠兩座轉(zhuǎn)爐喂絲機控制系統(tǒng)共有四套，控制站均采用西門子S7-200PLC進行控制，再通過西門子PROFIBUS現(xiàn)場總線通信技術(shù)與西門子S7-300PLC主站通信聯(lián)網(wǎng)，同時將該主站通過西門子工業(yè)以太網(wǎng)，與轉(zhuǎn)爐1#氬站、2#氬站兩套人機界面操作站進行通信，該系統(tǒng)采用主從式現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)，多機系統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)不同轉(zhuǎn)爐操作站對每個喂絲機系統(tǒng)的監(jiān)控顯示、故障報警及報表記錄等。

2西門子工業(yè)通訊技術(shù)

2.1西門子工業(yè)以太網(wǎng)

西門子工業(yè)以太網(wǎng)是經(jīng)過現(xiàn)場驗證的技術(shù)，符合IEEE802.3標準，并提供100MBit/s快速以太網(wǎng)技術(shù)，并基于工業(yè)標準，利用了交換以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，具有很高的網(wǎng)絡(luò)安全性、可操作性和實效性，同時低成本、高實效性、高擴展性，使不同設(shè)備和廠商很容易互聯(lián)，運用不同的物理介質(zhì)和構(gòu)成不同的拓撲結(jié)構(gòu)，能實現(xiàn)管理層網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)自動化控制網(wǎng)絡(luò)的無縫連接。

2.2西門子現(xiàn)場總線

PROFIBUS是一種應用較為廣泛的現(xiàn)場總線，其總線標準是國際總線標準IE61158的重要組成部分，基于它的開放式性，是制造業(yè)自動化主要應用的協(xié)議內(nèi)容，包括兼容的三個部分：PROFIBUS-DP（Decentralized periphery），PROFIBUS-PA（Process automation），PROFIBUS-FMS（Fieldbus message specification）。其中DP是一種高速低成本通訊，用于工業(yè)自動化分散設(shè)備間的高速信息傳輸。

3轉(zhuǎn)爐喂絲機控制系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)

煉鋼轉(zhuǎn)爐車間四套喂絲機實時監(jiān)控系統(tǒng)采用不同通訊技術(shù)實現(xiàn)分散監(jiān)控，一是由1個主站和4個子站PLC組成西門子PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線網(wǎng)，子站采用西門子S7-200的PLC對每臺喂絲機進行信號實時采集、監(jiān)測和控制，通過通信模塊EM277接人西門子PROFIBUS現(xiàn)場總線，再由S7-300PLC主站系統(tǒng)集中實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊和信息交換。二是由S7-300PLC主站通過工業(yè)以太網(wǎng)通訊模塊CP343與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機進行通訊，將各個轉(zhuǎn)爐操作站的HMI上位機設(shè)置不同網(wǎng)絡(luò)地址，分別接人交換機，實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)通訊，進行對喂絲機分散監(jiān)測和控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如（圖1）：

4系統(tǒng)工藝要求

轉(zhuǎn)爐每臺喂絲機分別都有各兩臺兩通道絲線自動喂絲機，采用PLC及其配套電氣儀表設(shè)備，實現(xiàn)對各個轉(zhuǎn)爐出鋼工序中加入不同合金包芯線控制，鋼包喂絲過程中根據(jù)工藝要求設(shè)定的種類和長度進行變化控制，且在該過程中能保持最佳的喂絲速度和準確的長度控制，從而使絲線在進入鋼包中能精確控制，實現(xiàn)降低絲線成本。操作人員可根據(jù)不同的鋼種工藝要求，在上位機操作界面上選擇相應品種的絲線喂絲分路，設(shè)定相應的喂絲速度和長度，選擇遠程/就地操作按鈕等一系列的指令后啟動喂絲，畫面實時顯示喂絲過程相應的參數(shù)，系統(tǒng)控制程序根據(jù)事先設(shè)定好的參數(shù)進行自動實時比較計算，實現(xiàn)精確可靠的自動喂絲，整個喂絲過程可介入人工干預，有效避免現(xiàn)場突發(fā)事件造成的生產(chǎn)異常。喂絲系統(tǒng)還提供系統(tǒng)故障報警、診斷和查詢功能，便于操作人員和維護人員及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障原因并盡快處理使系統(tǒng)恢復正常工作。

5系統(tǒng)實現(xiàn)控制功能

5.1預置功能

既可通過控制面板，也可通過上位機，對包芯線的喂線長度、喂線速度以及退線長度進行預置。

5.2顯示功能

喂絲機開始運行后，控制面板可瞬時顯示喂線速度和喂線的累計長度。

若用戶要求，則通過喂絲機上的串行通訊接口，還能不斷地把當前的喂線速度和已喂線長傳給上位機，而且還能隨時在上位機處查看所預置的線長、線速以及線卷剩余長度等。

5.3記憶功能

本機不僅記憶所預置的全部參數(shù)，而且還能在關(guān)機后再開機時，把上次喂線操作的喂線參數(shù)顯示在顯示屏上。

5.4調(diào)速功能

無論是在進行參數(shù)預置，還是在進行操作時，也無論是什么操作模式下，都可根據(jù)需要，在0-420m/min范圍內(nèi)，對喂線速度進行選擇或調(diào)節(jié)。

5.5自動回退功能

當喂絲機在自動模式下達到設(shè)定長度時，喂絲機將自動停止，然后低速按設(shè)定值自動回退絲線。

5.6走行功能

該喂絲機可選裝走行裝置，配備直線/旋轉(zhuǎn)小車，可以實現(xiàn)喂絲機前進后退，左右旋轉(zhuǎn)。

5.7故障提示功能

在喂絲過程中，如果所顯示的喂線速度遠低于預置速度（例如發(fā)生了斷線或嚴重打滑）時，控制儀表會用閃光信號進行報警；當預置線和長度大于線卷的剩余長度時，儀表會發(fā)出提示信號。

5.8防止計假數(shù)功能

在喂絲過程中，如果出現(xiàn)了打滑或斷線，從動計數(shù)輪將不轉(zhuǎn)（即不計數(shù)），從而防止計假數(shù)的發(fā)生。

5.9簡化操作功能

以最少的按鈕（鍵）完成多種功能的操作，在連續(xù)進行喂線的操作中，如果不需要改變操作模式，本機只需按一下“啟動”，則機器就會自動按照前次喂絲操作的參數(shù)進行工作。

5.10自動保護和故障停車功能

系統(tǒng)啟動時，當系統(tǒng)出現(xiàn)過載、過流、過壓、欠壓或變頻器故障時，機器會自動停止運轉(zhuǎn)。

5.11適用性強

根據(jù)喂絲速度可自動調(diào)節(jié)正壓力，以適用相應的不同芯粉標準號要求，從而保證冶金效果。

6系統(tǒng)硬件和軟件

6.1現(xiàn)場總線通訊硬件

控制系統(tǒng)采用西門子S7-200系列PLC，通訊模塊采用EM277模塊來進行信號采集，再通過西門子專用總線電纜連接到帶有PROFIBUS-DP總線通訊接口的西門子S7-300系列PLC。

6.2工業(yè)以太網(wǎng)通訊硬件

西門子S7-300系列PLC通過以太網(wǎng)通訊模塊CP343進行組態(tài)設(shè)置以太網(wǎng)通訊地址，采用超五類網(wǎng)絡(luò)線連接到工業(yè)以太網(wǎng)交換機，同時操作員站的人機界面電腦網(wǎng)卡上分別設(shè)置不同的以太網(wǎng)通訊地址也接人交換機。

6.3系統(tǒng)軟件

在工業(yè)計算機上安裝監(jiān)控軟件采用人機界面友好、功能強大的西門子STEP7及WINCC軟件，進行兩種網(wǎng)絡(luò)通訊的組態(tài)設(shè)置。

7網(wǎng)絡(luò)通訊的建立

7.1工業(yè)以太網(wǎng)通訊

通過使用西門子SIMATIC Manager管理軟件，對PLC中CP343進行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，工控機通過本機網(wǎng)絡(luò)接口用網(wǎng)絡(luò)線直接連接PLC，設(shè)置不同的IP地址、協(xié)議、站號，然后將IP地址下載到的S7-300PLC中即可。

操作站監(jiān)控系統(tǒng)由工控機安裝西門子Wincc軟件，在軟件中設(shè)置不同的IP地址、協(xié)議、站號等，通過工業(yè)交換機與S7-300PLC通訊，完成對系統(tǒng)的過程信號采集、狀態(tài)監(jiān)視、控制、報警及歷史趨勢記錄。

7.2現(xiàn)場總線通訊

安裝西門子專用的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)工具-STEP 5.5和通訊模塊EM277的GSD文件，首先在STEP5.5硬件組態(tài)中添加EM277的GSD文件，并建立一個所需要的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)，在該網(wǎng)絡(luò)上添加子站，并設(shè)置每個站的地址、協(xié)議、站號、波特率等參數(shù)，再將網(wǎng)絡(luò)組態(tài)在主站硬件組態(tài)中下載。同時從站EM277模塊上的撥碼開關(guān)必須要與組態(tài)的站號地址保持一致才能正常通訊。

8系統(tǒng)通訊技術(shù)特點

兩種通訊網(wǎng)絡(luò)都基于西門子公司提供的開放的、適用于工業(yè)環(huán)境下不同控制級別的通訊系統(tǒng)，這些通信系統(tǒng)均符合國家、國際標準及ISO/OSI網(wǎng)絡(luò)參考模型。主站ST-300CPU通過現(xiàn)場總線與EM277連接，波特率為1.5MBit/s，響應速度在1ms以內(nèi)，同時EM-277模塊能讀寫S7-200CPU中的定義的不同變量數(shù)據(jù)塊，最多可連接126個節(jié)點。管理控制層網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機與操作員站進行數(shù)據(jù)通訊，通信速率為100MBit/s，所以該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊速度快、能力強、擴展性好，并能實現(xiàn)兩種網(wǎng)絡(luò)無縫連接的全雙工通訊。

9結(jié)束語

鋼鐵工業(yè)的基礎(chǔ)自動化要求越來越高，通過不同工業(yè)通訊技術(shù)可以很方便生產(chǎn)工藝實現(xiàn)遠程監(jiān)控和全自動控制，在轉(zhuǎn)爐鋼包喂絲機控制系統(tǒng)中，利用西門子工業(yè)以太網(wǎng)及現(xiàn)場總線兩種通訊技術(shù)，實現(xiàn)各個PLC控制站之間以及各操作員站的網(wǎng)絡(luò)通訊，進行實時監(jiān)控顯示和管理，取得了良好的運行效果，該系統(tǒng)運行安全可靠、穩(wěn)定，具有很高的應用、推廣價值。