吉志明，孫 抗，韓 明

(首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063200)

0 引言

某酸軋5機(jī)架連軋機(jī)組由西馬克設(shè)計(jì)，支撐輥徑向軸承和止推軸承、工作輥止推軸承和中間輥止推軸承使用稀油潤滑方式。這種潤滑方式在使用過程中存在耗油量大和潤滑油泄露造成乳化液皂化值升高的問題。為了解決這一問題，對(duì)軸承潤滑系統(tǒng)進(jìn)行改造，由目前的稀油潤滑方式改為油氣潤滑方式。油氣潤滑系統(tǒng)為獨(dú)立的控制系統(tǒng)，由1個(gè)主站、5個(gè)衛(wèi)星站和Siemens PLC控制柜等組成。軋機(jī)控制系統(tǒng)采用TMEIC nv系列PLC作為主控制器。為實(shí)現(xiàn)油氣潤滑主站的液位、壓力和各機(jī)架軸承的油氣流量等信號(hào)參與軋機(jī)的運(yùn)行控制，采用Proibus-DP通訊方式建立TMEIC PLC與Siemens PLC之間通訊。通過監(jiān)控畫面實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控油氣潤滑系統(tǒng)的功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

油氣潤滑系統(tǒng)為獨(dú)立的控制系統(tǒng)，由1個(gè)主站、5個(gè)衛(wèi)星站、Siemens PLC控制柜等組成。油氣潤滑主站向5個(gè)衛(wèi)星站供給潤滑油，1號(hào)～5號(hào)油氣衛(wèi)星站對(duì)應(yīng)地向1號(hào)～5號(hào)機(jī)架工作輥和中間輥止推軸承、支撐輥軸承、前后測張輥壓輥軸承供送油氣。每個(gè)油氣衛(wèi)星站內(nèi)都設(shè)置有油量分配裝置，對(duì)供油主站供送來的油進(jìn)行二次分配，在油氣混合塊里和壓縮空氣進(jìn)行混合并形成紊流狀油氣混合物，通過管道直接輸送至軸承座內(nèi)。

軋機(jī)控制系統(tǒng)采用TMEIC nv系列PLC作為控制器。油氣潤滑系統(tǒng)和軋機(jī)控制系統(tǒng)之間采用Profibus-DP通訊方式，主站液位、壓力、軸承座油氣流量等信號(hào)發(fā)送給TMEIC PLC參與各個(gè)機(jī)架的控制，同時(shí)油氣潤滑操作畫面的遠(yuǎn)程啟動(dòng)、停止等信號(hào)發(fā)送給Siemens PLC來控制主站和衛(wèi)星站的啟停。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

油氣潤滑遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)可分成3部分，如圖1所示。

本地控制：油氣潤滑系統(tǒng)采用Siemens S7-315系列PLC控制主站齒輪泵的運(yùn)行和各衛(wèi)星站油氣分配。

通訊：Siemens S7-315系列PLC與TMEIC PLC之間采用Profibus-DP通訊方式，實(shí)現(xiàn)2個(gè)PLC之間的數(shù)據(jù)交換。操作畫面通過工業(yè)以太網(wǎng)與TMEIC PLC通訊。

遠(yuǎn)程控制：L2級(jí)操作界面監(jiān)控油氣潤滑系統(tǒng)各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，遠(yuǎn)程啟動(dòng)和停止主站和衛(wèi)星站以及故障復(fù)位等操作。

1.3 控制要求

操作人員可通過操作畫面遠(yuǎn)程監(jiān)控油氣潤滑系統(tǒng)各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，遠(yuǎn)程啟停主站和衛(wèi)星站。油氣潤滑系統(tǒng)的液位、壓力、軸承座油氣流量等信號(hào)參與各個(gè)機(jī)架的控制，信號(hào)異常時(shí)能觸發(fā)產(chǎn)線降速或停車。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

油氣潤滑遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的硬件配置如圖2所示，主要由TMEIC nv系列PLC、TC-net I/O loop 網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)HUB、PA912模塊、DP/DP Coupler 、Siemens PLC和油氣潤滑設(shè)備等組成。以Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)為界面，可將該油氣潤滑遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)分成3部分：本體控制、遠(yuǎn)程控制和Profibus-DP通訊。本地控制由Siemens PLC完成，遠(yuǎn)程控制由TMEIC PLC 和IFIX操作畫面完成。

圖2 油氣潤滑遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)硬件配置

2.1 本地控制硬件設(shè)計(jì)

油氣潤滑系統(tǒng)由REBS 公司提供，主要由油氣潤滑主站、5個(gè)衛(wèi)星站、管道、油氣分配器、自動(dòng)補(bǔ)油站等設(shè)備組成。油氣潤滑主站由油箱、齒輪泵、高壓過濾器、高壓蓄能器、液位計(jì)、壓力表和Siemens PLC組成。齒輪泵采用間歇式工作制，根據(jù)泵出油口壓力進(jìn)行控制，即低于50 bar時(shí)運(yùn)行高于70 bar時(shí)停止；泵安裝在油箱頂部，泵出口的潤滑油由管道連接至1號(hào)～5號(hào)衛(wèi)星站。衛(wèi)星站主要由遞進(jìn)式分配器、油氣混合塊、油路電磁閥、油氣流量計(jì)、油路過濾器和預(yù)空氣過濾器等設(shè)備組成。油氣分配器安裝在軸承座內(nèi)，向軸承內(nèi)輸送油氣。Siemens PLC 采用S7-315，用于對(duì)油壓、氣壓、油氣流量、分配器等設(shè)備進(jìn)行控制。

2.2 遠(yuǎn)程控制硬件設(shè)計(jì)

酸軋5機(jī)架連軋機(jī)組采用TMEIC nv系列PLC，用于生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制。各個(gè)機(jī)架支撐輥、中間輥和工作輥的軸承油氣流量等信號(hào)參與軋機(jī)軋制過程控制，因此遠(yuǎn)程控制部分硬件設(shè)計(jì)在原TMEIC nv系列PLC基礎(chǔ)之上進(jìn)行擴(kuò)展。nv系列PLC主要由背板BU866、電源模塊PS891、CPU模塊PU866、TC-net網(wǎng)絡(luò)通訊模塊TN821、以太網(wǎng)通訊模塊EN811模塊和遠(yuǎn)程I/O模塊組成。

CPU模塊PU866通過TC-net I/O loop網(wǎng)絡(luò)與PA912模塊通訊。TC-net I/O loop現(xiàn)場總線可采用電氣或光學(xué)傳輸線路，采用環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最大傳輸速率為100 Mbps。采用電氣線路時(shí)各站之間的最大傳輸距離為10 m，總傳輸距離為100 m；采用光學(xué)傳輸線路時(shí)各站之間的最大傳輸距離為2 km，總傳輸距離為4 km。

PA912模塊是一種在TC-net I/O loop總線和Profibus-DP總線之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的模塊，具有數(shù)據(jù)傳輸速度快、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。PA912模塊采用TC-net I/O loop現(xiàn)場總線與CPU模塊PU866連接，通過Profibus-DP總線與分布式IO設(shè)備連接。PA912模塊作為主站通過Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)與各子站之間數(shù)據(jù)交換，再通過TC-net I/O loop網(wǎng)絡(luò)將Profibus-DP子站設(shè)備的輸入/輸出數(shù)據(jù)發(fā)送給CPU模塊進(jìn)行處理。

2.3 Profibus-DP通訊設(shè)計(jì)

采用DP/DP Coupler連接2個(gè)不同Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)2個(gè)主站網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)通訊，2個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通訊速率和站地址可以不同。2個(gè)網(wǎng)絡(luò)電氣隔離，一個(gè)網(wǎng)段故障不影響另一個(gè)網(wǎng)段的運(yùn)行。數(shù)據(jù)通訊區(qū)最高可以達(dá)244字節(jié)輸入和244字節(jié)的輸出。網(wǎng)絡(luò)1的輸入?yún)^(qū)必須和網(wǎng)絡(luò)2的輸出區(qū)完全對(duì)應(yīng)，同樣網(wǎng)絡(luò)2的輸入?yún)^(qū)必須和網(wǎng)絡(luò)1的輸出區(qū)完全對(duì)應(yīng),否則會(huì)造成通訊故障。

3 Profibus-Dp網(wǎng)絡(luò)配置

3.1 Profibus-Dp配置工具

“Anybus Nettool for Profibus”軟件是一個(gè)功能強(qiáng)大的 Profibus 配置工具，可以創(chuàng)建完整的 Profibus-Dp 網(wǎng)絡(luò)配置，并下載到 HMS ABM-DPV1 Profibus master 模塊內(nèi)。該軟件采用圖形化工作臺(tái)，可以快速創(chuàng)建 Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)配置項(xiàng)目。利用集成的在線功能，可以將 Profibus 配置下載到主模塊，并且可以有效地在線監(jiān)控和修改連接的子站模塊的 I/O 數(shù)據(jù)。創(chuàng)建的 Profibus 項(xiàng)目以 xml格式存儲(chǔ)，允許第三方應(yīng)用程序輕松處理配置數(shù)據(jù)。

3.2 導(dǎo)入GSD通訊文件

GSE文件和GSD文件是供貨廠家提供的通訊文件，用來對(duì)站點(diǎn)信息進(jìn)行描述，主要包括：用于組態(tài)的數(shù)據(jù)、參數(shù)、診斷、報(bào)警和設(shè)備標(biāo)識(shí)等內(nèi)容。在使用“Anybus Nettool for Profibus”軟件組態(tài)之前，首先要導(dǎo)入PA912模塊和DP/DP Coupler 模塊對(duì)應(yīng)的GSD文件。SiemensDP/DP Coupler模塊的通訊文件為SI018070.GSE。TMEIC PA912模塊的通訊文件為TSB_0C32.GSD。

3.3 繪制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

打開“Anybus Nettool for Profibus”軟件，點(diǎn)擊“新建”按鈕創(chuàng)建一個(gè)新的項(xiàng)目。從左側(cè)菜單欄中分別將PA912模塊和DP/DP Coupler模塊拖動(dòng)到新項(xiàng)目內(nèi)，如圖3所示。

圖3 圖絡(luò)拓?fù)鋱D

3.4 修改主站和從站參數(shù)

PA912模塊作為Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)的主站，其通訊地址必須設(shè)置為1，否則在TMEIC編程軟件nv-Tool內(nèi)無法導(dǎo)入配置文件?？偩€中所有設(shè)備必須支持主站所設(shè)定的傳輸速率。每個(gè)總線分段最多可連接32個(gè)設(shè)備，允許的最遠(yuǎn)傳輸距離同設(shè)定的傳輸速率的關(guān)系如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸速率與網(wǎng)線長度關(guān)系

在本設(shè)計(jì)中，PA912模塊與Siemens DP/DP Coupler模塊之間的電纜長度大約為150米，設(shè)置波特率為1500 Kbit/s，協(xié)議類型選擇DP，如圖5所示。

圖5 PA912模塊通訊設(shè)置

DP/DP Coupler模塊的DP1作為Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)1的從站，其地址設(shè)定范圍為3～125。如果從站地址超出這個(gè)設(shè)定范圍，nv-Tool導(dǎo)入組態(tài)文件時(shí)會(huì)報(bào)錯(cuò)。DP/DP Coupler模塊的通訊數(shù)據(jù)有consistent型和unconsistent型。根據(jù)實(shí)際通訊數(shù)據(jù)的數(shù)量，選擇通訊所需的輸入、輸出數(shù)據(jù)的長度。在本次數(shù)據(jù)通訊設(shè)計(jì)中需要64 Bytes輸入和8 Bytes輸出，選擇Consistent類型數(shù)據(jù)。輸入數(shù)據(jù)的地址范圍選擇0～63，輸出數(shù)據(jù)的地址范圍選擇0～7。

3.5 下載組態(tài)文件

在“Anybus Nettool for Profibus”軟件內(nèi)對(duì)Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)組態(tài)完成后，將當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)組態(tài)配置保存為.XML文件。使用專用的USB轉(zhuǎn)RS-232C電纜，USB端插到電腦USB接口，9針接口端插到PA912模塊CONFIG端口。下載前需要在軟件內(nèi)設(shè)置通訊端口，該通信端口的地址要與電腦中Prolific USB-to-Serial Comm Port對(duì)應(yīng)的端口一致。在下載期間，PA912模塊上的光纖端口和Profibus-Dp通訊端口不允許連接電纜，否則將無法建立通訊連接。將網(wǎng)絡(luò)組態(tài)配置文件下載到PA912模塊內(nèi)后，將PA912模塊切換到MAINT模式再切換到RUN模式使配置文件生效。

3.6 創(chuàng)建輸入、輸出變量

打開nv-Tool軟件，將Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)1的組態(tài)文件導(dǎo)入到PA912模塊內(nèi)。打開輸入變量窗口，創(chuàng)建輸入信號(hào)，數(shù)據(jù)類型選擇WORD，Task選擇RIO。輸出信號(hào)創(chuàng)建方法與輸入信號(hào)相同。如圖6所示，所有變量創(chuàng)建完成后，需要將輸入變量和輸出變量注冊到TC-net 100 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，以便CPU可以讀取和數(shù)據(jù)處理。

圖6 創(chuàng)建變量

4 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

油氣潤滑遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要由通訊數(shù)據(jù)處理、潤滑主站狀態(tài)監(jiān)控、各衛(wèi)星站狀態(tài)監(jiān)控、手動(dòng)及自動(dòng)啟停潤滑系統(tǒng)和操作畫面等部分組成。

4.1 油氣潤滑主站狀態(tài)監(jiān)控

油氣潤滑主站向5個(gè)衛(wèi)星站供給潤滑油，主站設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)直接影響軋機(jī)的運(yùn)行。如圖7所示，主站控制系統(tǒng)正常信號(hào)與齒輪泵的運(yùn)行反饋、泵出口壓力、油箱液位、過濾器狀態(tài)等信號(hào)有關(guān)。主站控制系統(tǒng)正常信號(hào)參與軋機(jī)的速度控制，該信號(hào)丟失后不允許軋機(jī)提速。

圖7 主站控制連鎖

4.2 各油氣潤滑衛(wèi)星站狀態(tài)監(jiān)控

1號(hào)～5號(hào)油氣潤滑衛(wèi)星站對(duì)應(yīng)地向1號(hào)～5號(hào)機(jī)架工作輥和中間輥止推軸承、支撐輥軸承供送油氣。各機(jī)架的油氣潤滑系統(tǒng)正常信號(hào)的控制連鎖相同，以1號(hào)機(jī)架為例介紹其控制邏輯。如圖8所示，衛(wèi)星站控制系統(tǒng)正常信號(hào)與壓縮空氣壓力、潤滑油壓力、工作輥軸承油氣流量、中間輥軸承油氣流量和支撐輥輥軸承油氣流量等信號(hào)有關(guān)。其中，軸承的油氣流量低信號(hào)由傳動(dòng)側(cè)軸承流量低信號(hào)和操作側(cè)軸承流量低信號(hào)組成。各機(jī)架的油氣潤滑系統(tǒng)正常信號(hào)參與軋機(jī)相應(yīng)機(jī)架的運(yùn)行連鎖控制，該信號(hào)丟失會(huì)導(dǎo)致軋機(jī)停車。

圖8 衛(wèi)星站控制連鎖

4.3 油氣潤滑系統(tǒng)啟動(dòng)順控

操作人員可在HMI畫面上分別啟動(dòng)主站和各衛(wèi)星站，亦可選擇順控來自動(dòng)啟動(dòng)油氣潤滑系統(tǒng)。啟動(dòng)順控如圖9所示，點(diǎn)擊“開始”按鈕，先啟動(dòng)主站齒輪泵，待主站各設(shè)備狀態(tài)信號(hào)正常后依次啟動(dòng)各衛(wèi)星站。

圖9 油氣潤滑系統(tǒng)啟動(dòng)順控

4.4 操作界面設(shè)計(jì)

油氣潤滑操作界面具備監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制的功能。如圖10所示，監(jiān)控部分主要用于顯示主站的液位、過濾器狀態(tài)、主管道油壓狀態(tài)和1號(hào)～5號(hào)衛(wèi)星站的氣閥、油閥、各個(gè)軸承內(nèi)的流量狀態(tài)。遠(yuǎn)程控制部分主要用于啟停潤滑主站和各衛(wèi)星站，以及報(bào)警信息遠(yuǎn)程復(fù)位。操作人員通過操作界面監(jiān)控油氣潤滑系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

圖10 油氣潤滑系統(tǒng)遠(yuǎn)程操作畫面

5 結(jié)論

在軋機(jī)各機(jī)架軸承的潤滑方式改造項(xiàng)目中，采用Profibus-DP通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)TMEIC nv 系列PLC與Siemens PLC 之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸，在此基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)了油氣潤滑遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了油氣潤滑重要信號(hào)參與軋機(jī)運(yùn)行控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控油氣系統(tǒng)狀態(tài)的功能。該技改項(xiàng)目投入運(yùn)行有兩年多的時(shí)間，潤滑油每月消耗量由30桶降低至12桶，有效解決了大量潤滑油泄漏問題和降低對(duì)乳化液皂化值的影響，有利于帶鋼質(zhì)量的提升。對(duì)于類似設(shè)備生產(chǎn)線的設(shè)備改造，該文具有重要的借鑒意義。