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2002年初，安鋼第四軋鋼廠（無縫鋼管廠）為提升產品檔次、提高產品質量及適應市場能力，新增微張力減徑機。由于前道工序流程較長，來料溫度明顯偏低，無法滿足微張力減徑機開軋溫度的要求，需在微張力減徑機前對來料進行二次加熱。受現場工藝條件限制，經投資效益分析比較，在國內率先采用中頻在線感應加熱設備代替傳統的再加熱爐對鋼管進行二次加熱。此套感應加熱設備采用了先進的二級計算機網絡控制，分別為：基礎自動化級、過程控制級。
1 基礎自動化級
選用西門子公司S7-300系列可編程序控制器構成集散式結構。根據項目工況及控制量數量，設置一個主站和三個從站，各站間采用冗余化設計的profibus-DP網絡聯接。[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。
● 實現輥道速度自動控制。
● 實現與后道工序（微張力減徑機）間速度、溫度等信號的通訊。
● 輔助水循環系統水泵的控制。
● 各電源柜與水循環系統運行中異常信號報警與保護。
● 實現控制方式的自動/手動轉換及緊急停車功能
該站設置的主要I/0點有：
● 來自現場紅外線測溫儀的測溫信號四組（進口與出口各一組，三組感應器之間兩組）。
● 輥道速度檢測信號（來自脈沖編碼器）兩組。
● 來自微張力減徑機的入口速度信號與故障信號。
● 輔助水循環系統的水位、水壓、水溫等數字輸入信號。
● 輥道、水泵開、停與電機過載信號。
● 自動/手動轉換與緊急停車信號。
該站PLC控制器主要配置如下：[2]
● 中央處理器選用CPU-315-2DP。主要技術數據為:
工作存儲器（集成） 64KB
負載存儲器 96KB RAM 可擴展512KB(存儲器卡)
MPI 最大節點數64；通訊波特率187.5K波特
DP接口 允許從站數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
● 數字量輸入模塊 SM 321;DI32×2V DC
● 數字量輸出模塊 SM 322;DO32×2V DC
● 電源模塊 PS 307 5A
● MPI總線連接器 （用于與計算機間的通訊）
● PROFIBUS-DP 總線連接器（用于與從站間的通訊）
● FEPROM 存儲卡
● 后備電池
1.2 從站配置
三個從站采用遠程ET200M站，各對應一臺加熱電源，從站應完成如下功能：
● 控制電源開停、電源斷路器開停、中頻電源啟動/停止等操作
● 中頻電源功率給定與調節
● 電源柜水壓與水溫保護
● 綜合報警信號輸出
● 中頻電壓、電流信號反饋
每一從站的主要I/O點配置如下：
● 電源啟動成功檢測信號
● 水壓、水溫及控制板綜合故障檢測信號
● 中頻電壓、電流反饋信號
● 控制電源、電源斷路器、中頻電源啟動/停止等操作信號
● 直流電壓模擬量控制信號
從站的配置為（一個從站）：
● 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
● 數字量輸入模塊 SM 321;DI32×2V DC
● 數字量輸出模塊 SM 322;DO32×2V DC
● 電源模塊 PS307 5A
● PROFIBUS 總線連接器
1.3 通訊設置
PLC系統主站與各從站間采用PROFIBUS-DP現場總線實現適時通訊，其主要參數設置如下：[2]
傳輸速率：1.5 M bit/s
主站固定掃描時間：26.357ms
從站同步功能
總線行規：DP行規
通訊區域大?。?2字節
通訊故障診斷地址：1022
由于通訊距離較長，主站和從站間加裝RS485中繼器兩個，同時，DP網兩端設有源總路線終端（Active Bus Terminal），確保在某一從站掉電時系統通訊不受影響。
ISO/OSI通信標準模型由七層級組成，并分成兩類。一類是面向用戶的第五層到第七層，另一類是面向網絡的第一層到第四層。第一層到第四層描述從一個地方傳輸到另一個地方，第五層到第七層給用戶提供適當的方式去訪問網絡系統。PROFIBUS協議采用ISO/OSI模型的第一層、第二層和第七層。從用戶角度看，PROFIBUS提供了三種通信協議類型：DP、FMS和PA。而PROFIBUS-DP使用了第一層和第二層，這種精簡的結構保證了數據的高速傳送，特別適合可編程控制器與現場分散的I/O設備之間的通信。[4]
工控機（操作員站和工程師站）通過MPI網與PLC系統相聯，網絡參數設置如下：
傳輸速率：187.5 k bit/s
通訊協議：SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE
網絡通訊卡：CP5611（MPI）
設操作員站和工程師站各一個，通過MPI網和CPU-315-2DP相連。
操作員站選用研華工業控制計算機，采用Windows2000系統，配置西門子公司的WinCC上位組態控制軟件，可完成如下功能：
● 感應加熱設備運行中各種參數及設備狀態的動畫顯示、監視，如來料進出口溫度、輥道運行速度、各段電源功率輸出當前值、電源運行狀態及各種設備異常報警信號、水循環系統水位、水壓、水溫等信號。
● 實現加熱過程所需的各種工藝設定，如被加熱鋼管規格、鋼種、出口鋼管要求溫度、加熱速度限制等。這些設定值被二級獲取后會調整相應的工藝制度，然后再下傳給一級基礎自動化執行，使鋼管能夠達到設定值，從而滿足生產要求。若沒有新的工藝設定值輸入，一級基礎自動化將一直按照此工藝制度去執行。但是對二級傳達的各種制度和指令不能做任何修改、設定。
● 通過觸摸屏完成輥道開/停、循環水泵開/停、電源啟動/停止、自動/手動轉換、緊急停車等操作。
● 實現手動狀態下電源功率、輥道速度的人工調整。
工程師站同樣選用工控機，除WinCC上位組態控制軟件外，配置STEP7軟件，可實現PLC各種運行數據的在線監控及設備故障自診斷，在操作員站出現通訊故障時還可全面接管其功能。
MPI通信是當通信速率要求不高、通信數據量不在時，可以采用的一種簡單經濟的通信方式。CP5611是一種PCI卡，用于臺式電腦編程和通信，此卡具有網絡診斷功能，通信速率最高可達12Mbit/s。S7-300與HMI產品之間的MPI通信不需要STEP7軟件組態，也不需要編寫任何程序，只須在HMI組態軟件上設置一下相關通信參數即可。[4]
2 過程控制級
用工業控制計算機通過以太網與操作員站、工程師站、微張減工控機完成適時通訊，實現上位管理與控制。其功能為：
● 通過工藝控制軟件，根據操作員站設定的鋼管生產規格及鋼管進\出溫度等，產生生產流程中的各種工藝制度，如微張力減徑機軋機速度設定、感應加熱加熱制度等，在生產過程中直接下傳給一級基礎自動化去執行。
● 實現感應加熱與微張力減徑機間的速度協調控制與匹配。
● 其它工藝參數的輸入。
● 實現與前、后道工序的協同控制。
● 完成各種工藝參數的記錄, 如終軋溫度記錄、加熱記錄、軋制記錄及加熱溫度曲線顯示、數據打印、系統的信息管理。
整個計算機控制系統的硬件配置如圖4-1所示：[5]
工業以太網符合國際標準IEEE802.3，是為工業應用專門設計的，是開放式、多供應商、高性能的功能強大的區域和單元網絡，是目前工控界最為流行的網絡技術。工業以太網已經廣泛地用于控制網絡的最高層，為SIMATIC NET提供了一個無縫集成到管理網絡和互聯網。[3]
以太網具有以下優點：
● 可以采用冗余的網絡拓撲結構，可靠性高；
● 通過交換技術可以提供實際上沒有限制的通信性能；
● 靈活性好，現有的設備可以不受影響地擴張；
● 在不斷發展的過程中具有良好的向下兼容性，保證了投資的安全；
● 易于實現管理控制網絡的一體化；
3 應用效果
3.1 設備自2002年4月投用以來，常規生產規格可在線提溫200℃以上，基本滿足了工藝要求，電耗穩定在50KWh/t以下，實現了高效低耗運行。
3.2 整個網絡運行穩定，通訊速度快，可視化管理提高。
3.3 通過二級網絡控制，實現了生產管理簡單、系統穩定、操作簡便、產量高、產品質量高。
4 結束語
感應加熱設備采用二級計算機網絡控制，實現了現場技術、PLC技術、以太網技術、可視化人機接口技術與生產管理技術為一體，適應了現代工廠生產節奏快和自動化的特點，大大促進了生產和提高了產品產量和質量。
參考文獻
[1]. Siemens AG.S7-300 可編程序控制器硬件和安裝手冊.北京：1999
[2]. 皮壯行.可編程序控制器的系統設計與應用實例.北京：機械工業出版社，2003
[3]. 張浩、譚克勤、朱守云. 現場總線與工業以太網絡應用技術手冊(第二冊) . 上海：上?？茖W技術出版社，2004
[4]. 崔堅、李佳、楊光.Siemens Industrial Communication guide.北京：機械工業出版社，2005
[5]. 瘳常初.S7-300/400 PLC 應用技術. 北京：機械工業出版社，2005
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號