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2002年初，安鋼第四軋鋼廠（無縫鋼管廠）為提升產(chǎn)品檔次、提高產(chǎn)品質(zhì)量及適應(yīng)市場(chǎng)能力，新增微張力減徑機(jī)。由于前道工序流程較長(zhǎng)，來料溫度明顯偏低，無法滿足微張力減徑機(jī)開軋溫度的要求，需在微張力減徑機(jī)前對(duì)來料進(jìn)行二次加熱。受現(xiàn)場(chǎng)工藝條件限制，經(jīng)投資效益分析比較，在國內(nèi)率先采用中頻在線感應(yīng)加熱設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)的再加熱爐對(duì)鋼管進(jìn)行二次加熱。此套感應(yīng)加熱設(shè)備采用了先進(jìn)的二級(jí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制，分別為：基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)、過程控制級(jí)。
1 基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)
選用西門子公司S7-300系列可編程序控制器構(gòu)成集散式結(jié)構(gòu)。根據(jù)項(xiàng)目工況及控制量數(shù)量，設(shè)置一個(gè)主站和三個(gè)從站，各站間采用冗余化設(shè)計(jì)的profibus-DP網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接。[1]
1.1 主站配置
該站要完成的主要功能為：
● 來料及出料溫度的在線檢測(cè)。
● 實(shí)現(xiàn)輥道速度自動(dòng)控制。
● 實(shí)現(xiàn)與后道工序（微張力減徑機(jī)）間速度、溫度等信號(hào)的通訊。
● 輔助水循環(huán)系統(tǒng)水泵的控制。
● 各電源柜與水循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行中異常信號(hào)報(bào)警與保護(hù)。
● 實(shí)現(xiàn)控制方式的自動(dòng)/手動(dòng)轉(zhuǎn)換及緊急停車功能
該站設(shè)置的主要I/0點(diǎn)有：
● 來自現(xiàn)場(chǎng)紅外線測(cè)溫儀的測(cè)溫信號(hào)四組（進(jìn)口與出口各一組，三組感應(yīng)器之間兩組）。
● 輥道速度檢測(cè)信號(hào)（來自脈沖編碼器）兩組。
● 來自微張力減徑機(jī)的入口速度信號(hào)與故障信號(hào)。
● 輔助水循環(huán)系統(tǒng)的水位、水壓、水溫等數(shù)字輸入信號(hào)。
● 輥道、水泵開、停與電機(jī)過載信號(hào)。
● 自動(dòng)/手動(dòng)轉(zhuǎn)換與緊急停車信號(hào)。
該站PLC控制器主要配置如下：[2]
● 中央處理器選用CPU-315-2DP。主要技術(shù)數(shù)據(jù)為:
工作存儲(chǔ)器（集成） 64KB
負(fù)載存儲(chǔ)器 96KB RAM 可擴(kuò)展512KB(存儲(chǔ)器卡)
MPI 最大節(jié)點(diǎn)數(shù)64；通訊波特率187.5K波特
DP接口 允許從站數(shù)64
● 模擬量輸入模塊SM 331:AI8×12位
● 模擬量輸出模塊 SM 332;AO8×12位
● 數(shù)字量輸入模塊 SM 321;DI32×2V DC
● 數(shù)字量輸出模塊 SM 322;DO32×2V DC
● 電源模塊 PS 307 5A
● MPI總線連接器 （用于與計(jì)算機(jī)間的通訊）
● PROFIBUS-DP 總線連接器（用于與從站間的通訊）
● FEPROM 存儲(chǔ)卡
● 后備電池
1.2 從站配置
三個(gè)從站采用遠(yuǎn)程ET200M站，各對(duì)應(yīng)一臺(tái)加熱電源，從站應(yīng)完成如下功能：
● 控制電源開停、電源斷路器開停、中頻電源啟動(dòng)/停止等操作
● 中頻電源功率給定與調(diào)節(jié)
● 電源柜水壓與水溫保護(hù)
● 綜合報(bào)警信號(hào)輸出
● 中頻電壓、電流信號(hào)反饋
每一從站的主要I/O點(diǎn)配置如下：
● 電源啟動(dòng)成功檢測(cè)信號(hào)
● 水壓、水溫及控制板綜合故障檢測(cè)信號(hào)
● 中頻電壓、電流反饋信號(hào)
● 控制電源、電源斷路器、中頻電源啟動(dòng)/停止等操作信號(hào)
● 直流電壓模擬量控制信號(hào)
從站的配置為（一個(gè)從站）：
● 接口模塊 IM153
● 模擬量輸入模塊SM 331:AI8×12位
● 模擬量輸出模塊 SM 332;AO8×12位
● 數(shù)字量輸入模塊 SM 321;DI32×2V DC
● 數(shù)字量輸出模塊 SM 322;DO32×2V DC
● 電源模塊 PS307 5A
● PROFIBUS 總線連接器
1.3 通訊設(shè)置
PLC系統(tǒng)主站與各從站間采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)適時(shí)通訊，其主要參數(shù)設(shè)置如下：[2]
傳輸速率：1.5 M bit/s
主站固定掃描時(shí)間：26.357ms
從站同步功能
總線行規(guī)：DP行規(guī)
通訊區(qū)域大小：32字節(jié)
通訊故障診斷地址：1022
由于通訊距離較長(zhǎng)，主站和從站間加裝RS485中繼器兩個(gè)，同時(shí)，DP網(wǎng)兩端設(shè)有源總路線終端（Active Bus Terminal），確保在某一從站掉電時(shí)系統(tǒng)通訊不受影響。
ISO/OSI通信標(biāo)準(zhǔn)模型由七層級(jí)組成，并分成兩類。一類是面向用戶的第五層到第七層，另一類是面向網(wǎng)絡(luò)的第一層到第四層。第一層到第四層描述從一個(gè)地方傳輸?shù)搅硪粋€(gè)地方，第五層到第七層給用戶提供適當(dāng)?shù)姆绞饺ピL問網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。PROFIBUS協(xié)議采用ISO/OSI模型的第一層、第二層和第七層。從用戶角度看，PROFIBUS提供了三種通信協(xié)議類型：DP、FMS和PA。而PROFIBUS-DP使用了第一層和第二層，這種精簡(jiǎn)的結(jié)構(gòu)保證了數(shù)據(jù)的高速傳送，特別適合可編程控制器與現(xiàn)場(chǎng)分散的I/O設(shè)備之間的通信。[4]
工控機(jī)（操作員站和工程師站）通過MPI網(wǎng)與PLC系統(tǒng)相聯(lián)，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置如下：
傳輸速率：187.5 k bit/s
通訊協(xié)議：SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE
網(wǎng)絡(luò)通訊卡：CP5611（MPI）
設(shè)操作員站和工程師站各一個(gè)，通過MPI網(wǎng)和CPU-315-2DP相連。
操作員站選用研華工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，采用Windows2000系統(tǒng)，配置西門子公司的WinCC上位組態(tài)控制軟件，可完成如下功能：
● 感應(yīng)加熱設(shè)備運(yùn)行中各種參數(shù)及設(shè)備狀態(tài)的動(dòng)畫顯示、監(jiān)視，如來料進(jìn)出口溫度、輥道運(yùn)行速度、各段電源功率輸出當(dāng)前值、電源運(yùn)行狀態(tài)及各種設(shè)備異常報(bào)警信號(hào)、水循環(huán)系統(tǒng)水位、水壓、水溫等信號(hào)。
● 實(shí)現(xiàn)加熱過程所需的各種工藝設(shè)定，如被加熱鋼管規(guī)格、鋼種、出口鋼管要求溫度、加熱速度限制等。這些設(shè)定值被二級(jí)獲取后會(huì)調(diào)整相應(yīng)的工藝制度，然后再下傳給一級(jí)基礎(chǔ)自動(dòng)化執(zhí)行，使鋼管能夠達(dá)到設(shè)定值，從而滿足生產(chǎn)要求。若沒有新的工藝設(shè)定值輸入，一級(jí)基礎(chǔ)自動(dòng)化將一直按照此工藝制度去執(zhí)行。但是對(duì)二級(jí)傳達(dá)的各種制度和指令不能做任何修改、設(shè)定。
● 通過觸摸屏完成輥道開/停、循環(huán)水泵開/停、電源啟動(dòng)/停止、自動(dòng)/手動(dòng)轉(zhuǎn)換、緊急停車等操作。
● 實(shí)現(xiàn)手動(dòng)狀態(tài)下電源功率、輥道速度的人工調(diào)整。
工程師站同樣選用工控機(jī)，除WinCC上位組態(tài)控制軟件外，配置STEP7軟件，可實(shí)現(xiàn)PLC各種運(yùn)行數(shù)據(jù)的在線監(jiān)控及設(shè)備故障自診斷，在操作員站出現(xiàn)通訊故障時(shí)還可全面接管其功能。
MPI通信是當(dāng)通信速率要求不高、通信數(shù)據(jù)量不在時(shí)，可以采用的一種簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的通信方式。CP5611是一種PCI卡，用于臺(tái)式電腦編程和通信，此卡具有網(wǎng)絡(luò)診斷功能，通信速率最高可達(dá)12Mbit/s。S7-300與HMI產(chǎn)品之間的MPI通信不需要STEP7軟件組態(tài)，也不需要編寫任何程序，只須在HMI組態(tài)軟件上設(shè)置一下相關(guān)通信參數(shù)即可。[4]
2 過程控制級(jí)
用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)與操作員站、工程師站、微張減工控機(jī)完成適時(shí)通訊，實(shí)現(xiàn)上位管理與控制。其功能為：
● 通過工藝控制軟件，根據(jù)操作員站設(shè)定的鋼管生產(chǎn)規(guī)格及鋼管進(jìn)\出溫度等，產(chǎn)生生產(chǎn)流程中的各種工藝制度，如微張力減徑機(jī)軋機(jī)速度設(shè)定、感應(yīng)加熱加熱制度等，在生產(chǎn)過程中直接下傳給一級(jí)基礎(chǔ)自動(dòng)化去執(zhí)行。
● 實(shí)現(xiàn)感應(yīng)加熱與微張力減徑機(jī)間的速度協(xié)調(diào)控制與匹配。
● 其它工藝參數(shù)的輸入。
● 實(shí)現(xiàn)與前、后道工序的協(xié)同控制。
● 完成各種工藝參數(shù)的記錄, 如終軋溫度記錄、加熱記錄、軋制記錄及加熱溫度曲線顯示、數(shù)據(jù)打印、系統(tǒng)的信息管理。
整個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件配置如圖4-1所示：[5]
工業(yè)以太網(wǎng)符合國際標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3，是為工業(yè)應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的，是開放式、多供應(yīng)商、高性能的功能強(qiáng)大的區(qū)域和單元網(wǎng)絡(luò)，是目前工控界最為流行的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)廣泛地用于控制網(wǎng)絡(luò)的最高層，為SIMATIC NET提供了一個(gè)無縫集成到管理網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)。[3]
以太網(wǎng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
● 可以采用冗余的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可靠性高；
● 通過交換技術(shù)可以提供實(shí)際上沒有限制的通信性能；
● 靈活性好，現(xiàn)有的設(shè)備可以不受影響地?cái)U(kuò)張；
● 在不斷發(fā)展的過程中具有良好的向下兼容性，保證了投資的安全；
● 易于實(shí)現(xiàn)管理控制網(wǎng)絡(luò)的一體化；
3 應(yīng)用效果
3.1 設(shè)備自2002年4月投用以來，常規(guī)生產(chǎn)規(guī)格可在線提溫200℃以上，基本滿足了工藝要求，電耗穩(wěn)定在50KWh/t以下，實(shí)現(xiàn)了高效低耗運(yùn)行。
3.2 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定，通訊速度快，可視化管理提高。
3.3 通過二級(jí)網(wǎng)絡(luò)控制，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)管理簡(jiǎn)單、系統(tǒng)穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)便、產(chǎn)量高、產(chǎn)品質(zhì)量高。
4 結(jié)束語
感應(yīng)加熱設(shè)備采用二級(jí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)、PLC技術(shù)、以太網(wǎng)技術(shù)、可視化人機(jī)接口技術(shù)與生產(chǎn)管理技術(shù)為一體，適應(yīng)了現(xiàn)代工廠生產(chǎn)節(jié)奏快和自動(dòng)化的特點(diǎn)，大大促進(jìn)了生產(chǎn)和提高了產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量。
參考文獻(xiàn)
[1]. Siemens AG.S7-300 可編程序控制器硬件和安裝手冊(cè).北京：1999
[2]. 皮壯行.可編程序控制器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003
[3]. 張浩、譚克勤、朱守云. 現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)手冊(cè)(第二冊(cè)) . 上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2004
[4]. 崔堅(jiān)、李佳、楊光.Siemens Industrial Communication guide.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005
[5]. 瘳常初.S7-300/400 PLC 應(yīng)用技術(shù). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)