西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)在連鑄機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

王巍 王利民 （天津天鐵冶金集團(tuán)有限公司煉鋼廠，河北涉縣 056404)

西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)在連鑄機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

王巍 王利民 （天津天鐵冶金集團(tuán)有限公司煉鋼廠，河北涉縣 056404)

介紹了天鐵集團(tuán)煉鋼廠小方坯連鑄機(jī)控制系統(tǒng)既SIEMENS工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)中MPI通信、PROFIBUS通信、工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)的特點(diǎn)，該系統(tǒng)可以對工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控、在線修改、優(yōu)化參數(shù)、記錄查詢等。使連鑄機(jī)的控制水平得到提高。保證了設(shè)備在工況惡劣，抗干擾性要求比較高的工業(yè)環(huán)境中正常運(yùn)行。達(dá)到提高鋼坯質(zhì)量、優(yōu)化控制工藝、減少設(shè)備維護(hù)成本的目的。

連鑄機(jī) 控制 以太網(wǎng) 通信 技術(shù) 變頻器 可編程序控制器

1 概況

天鐵集團(tuán)煉鋼廠小方坯連鑄機(jī)控制系統(tǒng)是采用SIEMENS S7 400系列可編程控制器，整個控制系統(tǒng)是由S7 400系列PLC 3套、SIEMENS ET 200M遠(yuǎn)程I/O站4個、WinCC上位機(jī)操作站（HMI)2臺、EMERSON TD 3000變頻器16臺、SIEMESN OSM工控網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等設(shè)備組成，運(yùn)用MPI、PROFIBUS DP和工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)來滿足控制系統(tǒng)的要求。

在連鑄機(jī)的自控系統(tǒng)中運(yùn)用SIEMENS工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了以下功能和特點(diǎn)：

（1) 運(yùn)用MPI網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了3臺PLC之間的數(shù)據(jù)交換與共享;

（2) 運(yùn)用PROFIBUS DP網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了拉轎機(jī)速度與結(jié)晶器振動連鎖同步控制;

（3) 運(yùn)用工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)操作站與PLC系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接。改善了二次冷卻水配水調(diào)節(jié)的精度，實(shí)現(xiàn)了對運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時監(jiān)控、優(yōu)化與調(diào)整。

2 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的功能和特點(diǎn)

連鑄機(jī)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。整個控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由MPI網(wǎng)絡(luò)、PROFIBUS DP 1網(wǎng)絡(luò)、PROFIBUS DP 2網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)以太網(wǎng)三部分組成。MPI網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了3臺PLC之間的小范圍、小點(diǎn)數(shù)的現(xiàn)場級通信。PROFIBUS DP1網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了PLC與ET 200 M遠(yuǎn)程I/O站之間的數(shù)據(jù)傳輸，把I/O通道分散到實(shí)際需要的現(xiàn)場設(shè)備附近，從而降低了整個系統(tǒng)的工程費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用。PROFIBUS DP2網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了PLC與變頻器設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，提高了自動化過程的生產(chǎn)力和靈活性。工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了PLC與上位機(jī)操作站之間的數(shù)據(jù)傳輸，可以對工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控、在線修改、優(yōu)化參數(shù)、記錄查詢，以促進(jìn)生產(chǎn)順利進(jìn)行。

圖1 連鑄機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 PLC與PLC之間的數(shù)據(jù)交換與共享

根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的安裝特點(diǎn)，每臺PLC柜之間相距2 m，通信數(shù)據(jù)量不大（8個字節(jié))、網(wǎng)絡(luò)傳輸速率要求不高（187.5 kbit/s)，因此選用了MPI這種簡單經(jīng)濟(jì)的網(wǎng)絡(luò)通信方式。采用其中的全局?jǐn)?shù)據(jù)包通信方式實(shí)現(xiàn)PLC與PLC間的數(shù)據(jù)交換。這種通信方式是在配置PLC硬件的過程中，組態(tài)所需要通信的PLC站之間的發(fā)送區(qū)和接受區(qū)參數(shù)，不需要任何程序處理。全局?jǐn)?shù)據(jù)（GD)表編程見表1。通過這種通信方式將3臺PLC連接在一起，使得3臺PLC設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)少量數(shù)據(jù)共享成為可能，減少了線纜的敷設(shè)、節(jié)約了成本、降低了故障率。

表1 全局?jǐn)?shù)據(jù)（GD)表

2.2 拉轎機(jī)速度與結(jié)晶器振動連鎖同步控制

2.2.1 拉轎機(jī)與結(jié)晶器同步控制是決定連鑄機(jī)鑄坯質(zhì)量好壞的主要因素之一，如何做到高精度、低故障的同步控制是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵?？紤]到設(shè)備的因素，連鑄機(jī)是4流方坯連鑄機(jī)，每一臺PLC控制2流、每流包括3臺拉轎機(jī)電機(jī)和1臺結(jié)晶器振動電機(jī)，電機(jī)采用變頻控制。每臺拉矯機(jī)電機(jī)的安裝位置處在鑄坯不同的弧段上，因此每臺電機(jī)的輸出頻率各不同。因此，要按照設(shè)備工藝要求通過PLC編程運(yùn)算出每臺電機(jī)的實(shí)際輸出頻率，通過變頻器來準(zhǔn)確地控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。在實(shí)際控制中結(jié)晶器振動電機(jī)的輸出頻率與拉轎機(jī)第一臺電機(jī)M1的頻率存在著線性關(guān)系，它們之間的變化規(guī)律要求必須同步變化。通過PLC編程運(yùn)算，使拉轎機(jī)運(yùn)行速度與結(jié)晶器振動之間的動態(tài)變化達(dá)到控制工藝要求。根據(jù)上述情況結(jié)合控制系統(tǒng)本身的特點(diǎn)，PLC設(shè)備的運(yùn)算精度已經(jīng)滿足了控制的需要，如果利用變頻器端子控制的方式，中間環(huán)節(jié)比較多對控制精度的影響比較大。因此，選用通過PLC設(shè)備運(yùn)用PROFIBUS DP網(wǎng)絡(luò)通信方式來實(shí)現(xiàn)對變頻器的控制。

2.2.2 在控制系統(tǒng)中由于PROFIBUS DP 1網(wǎng)絡(luò)ET 200 M系統(tǒng)連接的DP接口，在設(shè)計中不允許接入變頻器的適配器，因此增加I M 467接口模板擴(kuò)充PROFIBUS DP 2網(wǎng)絡(luò)接口。利用PROFIBUS DP 2網(wǎng)絡(luò)，變頻器通過現(xiàn)場總線適配器與PLC進(jìn)行連接組成DP網(wǎng)絡(luò)。在通信過程中，考慮到現(xiàn)場對控制字和狀態(tài)字的需求情況采用PROFIBUS DP協(xié)議PPO類型作為數(shù)據(jù)傳遞格式，使用PPO4的類型格式。在編程過程中利用SIEMENS STEP 7編程軟件，準(zhǔn)確地計算出每臺電機(jī)的實(shí)時輸出參數(shù)，在利用系統(tǒng)功能塊SFC14、SFC15來完成對變頻器狀態(tài)字與控制字的讀寫，最終來完成對變頻器的控制。

2.2.3 由于采用了PROFIBUS DP網(wǎng)絡(luò)通信的控制方式，減少了因?yàn)镻LC與變頻器端子控制之間硬線連接所產(chǎn)生的中間環(huán)節(jié)，增強(qiáng)了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，降低了工人的工作強(qiáng)度。同時減少了線纜的使用量，減少了PLC模板的使用量節(jié)約了資金。PROFIBUS DP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖見圖2。

2.3 改善二次冷卻水配水調(diào)節(jié)的精度，實(shí)現(xiàn)了對運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時監(jiān)控、優(yōu)化與調(diào)整

圖2 PROFIBUS DP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.3.1 在連鑄機(jī)控制系統(tǒng)中，工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖見圖3。

圖3 工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

工業(yè)以太網(wǎng)是通過SIEMENS OSM工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，利用ITP標(biāo)準(zhǔn)電纜通過PLC設(shè)備的CP443-1通信模塊與上位機(jī)（HMI)設(shè)備的CP1613工業(yè)以太網(wǎng)卡相連接，組成網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時通信功能，將PLC與上位機(jī)操作站連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和共享的。上位機(jī)操作站通過WinCC組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)了對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)控、在線調(diào)整修改運(yùn)行參數(shù)等功能。選擇工業(yè)以太網(wǎng)作為PLC與上位機(jī)操作站連接的通信方式，主要是考慮到現(xiàn)場的工作環(huán)境處于高溫、潮濕、振動、電磁干擾等惡劣工況的特點(diǎn)，它支持星形和環(huán)形的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（目前使用的是星形結(jié)構(gòu)，隨著我廠網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的發(fā)展，還將對整個5個連鑄機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行光纖環(huán)網(wǎng)的改造)等特點(diǎn)。

2.3.2 二次冷卻水配水調(diào)節(jié)（二冷配水)控制精度的好壞直接影響了鑄坯的質(zhì)量，二冷配水分為3段水控制。配水表的計算是配水調(diào)節(jié)控制的關(guān)鍵。每一個鋼種、斷面都有一個與之相對應(yīng)的配水表。每臺連鑄機(jī)至少有15個配水表，如何把每個配水表的詳細(xì)參數(shù)及時準(zhǔn)確的下傳到PLC中參與運(yùn)算，選擇了通過上位機(jī)操作站運(yùn)用工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)此功能。將15個水表以水表號1～15的形式存入上位機(jī)中，將所需要的水表以水表號的形式選出將所有的參數(shù)在同一時刻下傳至PLC中，來實(shí)時調(diào)節(jié)配水參數(shù)，最終使得PLC系統(tǒng)按照配水參數(shù)的要求，根據(jù)實(shí)時拉速計算出每段水的實(shí)時給水量，保證鑄坯的質(zhì)量。

2.3.3 每臺連鑄機(jī)需要實(shí)時監(jiān)控的運(yùn)行參數(shù)有300多個，需要實(shí)時修改調(diào)整和優(yōu)化的參數(shù)有30多個，選擇工業(yè)以太網(wǎng)通信主要是從網(wǎng)絡(luò)安全和網(wǎng)絡(luò)速率的角度考慮的。由于目前采用的星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，兩臺上位機(jī)操作站可以互為備用，進(jìn)一步地保證了生產(chǎn)的順利進(jìn)行。工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)速率是百兆的，可以避免數(shù)據(jù)延時的現(xiàn)象，保證了生產(chǎn)的穩(wěn)定進(jìn)行。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，在線修改和優(yōu)化控制參數(shù)是十分必要的。一些控制參數(shù)的正負(fù)百分比微調(diào)對連鑄機(jī)鑄坯質(zhì)量的控制是十分重要的。因此，利用上位機(jī)操作站通過工業(yè)以太網(wǎng)對PLC系統(tǒng)的運(yùn)算參數(shù)作實(shí)時的修改和優(yōu)化，并且通過WinCC組態(tài)軟件對一些重要的參數(shù)進(jìn)行記錄，為今后的品種鋼開發(fā)提供了依據(jù)。

在今后的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，通過SIEMENS OSM設(shè)備利用光纖環(huán)網(wǎng)，將天鐵集團(tuán)煉鋼廠5臺連鑄機(jī)運(yùn)用工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)組成冗余結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，以適應(yīng)未來發(fā)展的需要。

3 結(jié)束語

3.1 西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)在小方坯連鑄機(jī)控制系統(tǒng)上的成功運(yùn)用，使天鐵集團(tuán)煉鋼廠連鑄機(jī)的控制水平得以提高。滿足了生產(chǎn)過程現(xiàn)場級數(shù)據(jù)可存取性的要求，保證了設(shè)備能夠在高溫、潮濕、振動、空氣污濁、電磁干擾等工況惡劣、對抗干擾性要求比較高的工業(yè)場合正常運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)了對運(yùn)行參數(shù)和工藝數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)控、在線修改和優(yōu)化。為生產(chǎn)、研發(fā)、工藝監(jiān)督等部門合理的優(yōu)化生產(chǎn)流程、及時的調(diào)整工藝參數(shù)、有效地開展新鋼種的研發(fā)起到了促進(jìn)的作用。

3.2 通過生產(chǎn)實(shí)踐表明，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展可以使設(shè)備運(yùn)行的可靠性、安全性得以很好的改善，提高了鑄坯的質(zhì)量，降低了工人的勞動強(qiáng)度，減少了設(shè)備投入和維護(hù)的成本。對企業(yè)的自動化控制水平的提升是一個很關(guān)鍵的推動因素，也使企業(yè)更具有競爭力。

[1]崔堅(jiān).西門子網(wǎng)絡(luò)通信指南（上、下)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2]王柏林.自動控制原理[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[3]韓安榮.通用變頻器及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

Application of SIEMENS Industrial Network to CCM Control System

Wang Wei,Wang Limin

The paper introduces the control system of billet casting machine of Steel-making Subsidiary,Tiantie,and the characteristics of SIEMENS industrial network communication techniques of MPI,PROFIBUS and Ethernet,i.e.,process data real-time monitoring,online correction,parameter optimization and record enquiry,which raise the control level of the caster.The equipment can run normally in hostile industrial environment with strict requirement on anti-interference while the targets of improving billet quality,optimizing control process and reducing equipment maintenance cost are hit.

:caster,control,network,Ethernet,communication,technique,converter,PLC

（收稿 2010－10－20 責(zé)編 崔建華)

王巍，2008年于天津理工大學(xué)電器自動化專業(yè)畢業(yè)，助理工程師，現(xiàn)在天鐵集團(tuán)煉鋼廠從事自動化控制技術(shù)工作。