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S7-400在熱連軋步進(jìn)式加熱爐中的應(yīng)用
摘要：本文主要介紹了S7-400系列PLC在太原鋼鐵有限公司熱連軋廠步進(jìn)式加熱爐中的應(yīng)用。通過新舊系統(tǒng)的比較，突出了新系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)。對(duì)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、在調(diào)試中出現(xiàn)的問題及其解決方案也作了說明。針對(duì)項(xiàng)目實(shí)施的特點(diǎn)，在編程方面采取的解決方案在本文中也作了一定的介紹。
關(guān)鍵詞：步進(jìn)式加熱爐、 HMI、PROFIBUS、ET200、MIP網(wǎng)絡(luò)
Abstract ：This paper introduces that s7-400 PLC of application is in walking-beam furnace of hot strip in Tisco.This paper describes network of system、problem in debugging process and its way of resolution. For specialization of the project ，way of resolution about program is also simply described .
Key Words: walking-beam furnace 、HMI、RPOFIBUS、ET200。
一、 項(xiàng)目簡(jiǎn)介
1. 項(xiàng)目實(shí)施地及行業(yè)背景
本項(xiàng)目的使用方為太原鋼鐵有限公司熱連軋廠，太原鋼鐵有限公司位于山西省太原市尖草坪區(qū)，是我國(guó)最大的特種鋼生產(chǎn)基地，其主營(yíng)的不銹鋼、硅鋼等產(chǎn)品的市場(chǎng)占有率目前在國(guó)內(nèi)居于領(lǐng)先地位。
2. 項(xiàng)目簡(jiǎn)要工藝
本項(xiàng)目應(yīng)用于太鋼熱連軋步進(jìn)式加熱爐。項(xiàng)目實(shí)施后，實(shí)現(xiàn)了傳動(dòng)控制、燃燒控制的全自動(dòng)化操作。傳動(dòng)控制的功能是：實(shí)現(xiàn)機(jī)械電氣設(shè)備的自動(dòng)化操作、包括裝出料輥道、裝出鋼設(shè)備、步進(jìn)機(jī)械等。燃燒控制的功能是：實(shí)現(xiàn)溫度的精確控制、改善了爐膛氣氛、溫度場(chǎng)的分布。達(dá)到了從溫度、流量、壓力控制的整體系統(tǒng)的穩(wěn)定，適應(yīng)了太鋼生產(chǎn)節(jié)奏快、鋼種多、加熱制度復(fù)雜的要求。
3. 新舊系統(tǒng)的對(duì)比，及項(xiàng)目中使用的西門子自動(dòng)化產(chǎn)品的型號(hào)、數(shù)量、類型、控制對(duì)象。
舊項(xiàng)目使用西屋（WESTHOUSE）公司的WDPF控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)分為DPU及MAC兩部分，其中DPU用于加熱爐的燃燒控制、MAC系統(tǒng)用于加熱爐的機(jī)械電氣設(shè)備的控制。舊項(xiàng)目控制系統(tǒng)使用近十年之久，由于硬件老化、軟件升級(jí)困難，使得故障率增加，影響了生產(chǎn)的正常運(yùn)行。隨著近幾年加熱理論的不斷發(fā)展、新的燃燒技術(shù)已經(jīng)大規(guī)模地應(yīng)用，生產(chǎn)全自動(dòng)化操作理念已日益深入人心。由于受到舊有系統(tǒng)在硬件、軟件方面的限制，新的技術(shù)、理念無法實(shí)施。
本項(xiàng)目中，有三座加熱爐屬改造、一座新建。共使用了共9套S7-400型PLC。型號(hào)為：6ES7416-2XK02-0AB0。每座加熱爐使用兩套PLC分別作為傳動(dòng)控制、及燃燒控制，另有一套作為公用輔助設(shè)備的傳動(dòng)控制，取代原有的DPU及MAC系統(tǒng)。
本項(xiàng)目實(shí)施前，舊系統(tǒng)共用20面控制柜。項(xiàng)目實(shí)施后，在沒有減少輸入輸出點(diǎn)的情況下，新系統(tǒng)只使用8面控制柜。新硬件的使用，使得控制的精度、及處理的速度有了進(jìn)一步的提升。西門子軟件開發(fā)系統(tǒng)的支持，也使得一些新技術(shù)實(shí)現(xiàn)成為現(xiàn)實(shí)。
4. 以下為已經(jīng)投產(chǎn)的照片。其中圖A中所示為正在將冷坯裝入爐內(nèi)的情形，圖B中所示為正在將加熱后的鋼坯出爐時(shí)情形：
圖A
圖B
二、 控制系統(tǒng)構(gòu)成
1. 在本項(xiàng)目中每座加熱爐由于控制對(duì)象、實(shí)現(xiàn)功能的劃分、各配置兩套PLC分別用于傳動(dòng)控制、燃燒控制。每套PLC均由主機(jī)架部分與遠(yuǎn)程ET200分站組成。主機(jī)架均配置以太網(wǎng)卡與二級(jí)計(jì)算機(jī)及HMI服務(wù)器進(jìn)行通訊。各傳動(dòng)PLC與公共PLC間有大量的信號(hào)進(jìn)行交換，為了減少以太網(wǎng)的通訊負(fù)擔(dān)，保證信號(hào)的實(shí)時(shí)性，所以各傳動(dòng)PLC與公共PLC采用MPI網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。由于遠(yuǎn)程設(shè)備多、且有些遠(yuǎn)程設(shè)備在地理位置上比較集中，采用CPU通過PROFIBUS與遠(yuǎn)程ET200通訊的結(jié)構(gòu)既能保證了系統(tǒng)整體快速響應(yīng)，又能大大降低布線成本，是一個(gè)性價(jià)比極為合理的解決方案。
2. 以公共PLC的硬件配置圖為例，其它的硬件配置不在此贅述：
公共PLC硬件配置圖如圖1：
圖1
本項(xiàng)目的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖2：
在本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，公共PLC及燃燒PLC與二級(jí)服務(wù)器的通訊能通過以太網(wǎng)進(jìn)行，采用的協(xié)議類型為TCP/IP。公共PLC根據(jù)從二級(jí)服務(wù)器接收到電文再將其通過MPI網(wǎng)絡(luò)分發(fā)給各傳動(dòng)PLC。這樣做的目的是減少以太網(wǎng)的負(fù)荷，保證傳動(dòng)PLC與二級(jí)服務(wù)器通訊接口的統(tǒng)一性。燃燒系統(tǒng)各PLC單獨(dú)與二級(jí)服務(wù)器通訊，單獨(dú)接受來自二級(jí)服務(wù)器的電文。HMI系統(tǒng)采用SERVER/CLIENT構(gòu)架，傳動(dòng)及燃燒PLC與HMI服務(wù)器單獨(dú)通訊，各CLIENT再與HMI服務(wù)器單獨(dú)通訊。這樣做的目的同樣也是減少網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷，更能節(jié)省投資，減少在使用中的維護(hù)量。
圖2
在實(shí)際生產(chǎn)中的監(jiān)視畫面如圖3所示：
圖3
3. 以上的硬件配置、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是與使用方幾經(jīng)討論形成的。保證了系統(tǒng)整體的快速響應(yīng)、較少的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷、投資的經(jīng)濟(jì)性，這是一個(gè)較優(yōu)的配置方案。
三、 控制系統(tǒng)完成的功能
1. 對(duì)于步進(jìn)式加熱爐而言，步進(jìn)機(jī)構(gòu)的控制是其中的一個(gè)難點(diǎn)。它要求控制系統(tǒng)能夠平穩(wěn)實(shí)現(xiàn)鋼坯在爐內(nèi)的運(yùn)輸，避免對(duì)機(jī)械機(jī)構(gòu)造成沖擊。這就要求控制系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)來自傳感器的信號(hào)。由于現(xiàn)代工廠現(xiàn)場(chǎng)控制越來越復(fù)雜，這就使得PLC必須具備強(qiáng)大的邏輯及浮點(diǎn)計(jì)算能力、豐富的尋址方式、完整的與上位機(jī)通訊的協(xié)議、完善的數(shù)學(xué)函數(shù)功能。只有這樣的PLC才能夠完成滿足當(dāng)前工廠控制對(duì)象的要求。本項(xiàng)目使用的西門子S7-400的416型PLC滿足了這樣了要求，在傳動(dòng)控制的使用中成功實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)、準(zhǔn)確控制，坯料在輥道上的精確數(shù)據(jù)跟蹤。在燃燒控制的使用中利用其強(qiáng)大的浮點(diǎn)計(jì)算能力及完善的數(shù)學(xué)函數(shù)功能成功實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化燃燒。利用SIEMENS 在 STEP7中現(xiàn)有的通訊模塊實(shí)現(xiàn)了與公共PLC及燃燒PLC與二級(jí)計(jì)算機(jī)的TCP/IP通訊。
2. 項(xiàng)目實(shí)施中的難點(diǎn)及解決方案：
在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)新舊系統(tǒng)的更新，是本項(xiàng)目實(shí)施中面臨的最大難點(diǎn)。在項(xiàng)目的準(zhǔn)備前期，對(duì)新硬件系統(tǒng)進(jìn)行了盡可能多的硬件測(cè)試、及軟件模擬，對(duì)軟件的在線調(diào)試作了充分的準(zhǔn)備。在舊系統(tǒng)停用后的短期內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了硬件系統(tǒng)的快速替代布署。
在項(xiàng)目的實(shí)施中由于傳動(dòng)PLC之間采用MPI通訊，筆者在第一次項(xiàng)目實(shí)施中采用SIEMENS STEP7的程序庫(kù)自帶的程序塊進(jìn)行通訊。但在使用中發(fā)現(xiàn)利用程序塊的方式并不穩(wěn)定，每次在硬件配置后都會(huì)出現(xiàn)不明原因的中斷。由于項(xiàng)目實(shí)施周期短，根本沒有時(shí)間進(jìn)行原因的查找，故障診斷分析。由于西門子提供了全局變量的通訊方式，并且其硬件方式也是利用MPI網(wǎng)絡(luò)。筆者拋棄第一種方案，最終采用全局變量進(jìn)行傳動(dòng)PLC間的通訊。事實(shí)證明這種方案簡(jiǎn)單易行且相當(dāng)可靠。全局變量的通訊方式更多依賴于硬件配置，不需單獨(dú)編程，對(duì)于通訊的變量可直接引用，并且全局變量的硬件配置的下載可以在線進(jìn)行，PLC不需重啟。
全局變量的配置的部分界面如圖四所示：
圖四
在項(xiàng)目投入生產(chǎn)時(shí)由于通訊數(shù)據(jù)量的增加，逐漸暴露了一些在通訊測(cè)試、設(shè)備調(diào)試中未出現(xiàn)的問題。PLC與二級(jí)服務(wù)器的通訊會(huì)經(jīng)常發(fā)生PLC發(fā)送報(bào)文丟失的現(xiàn)象。經(jīng)仔細(xì)閱讀通訊文檔，發(fā)現(xiàn)發(fā)送的通訊程序塊并不能在一個(gè)CPU的掃描周期內(nèi)完成，筆者著手修改了程序，報(bào)文丟失的現(xiàn)象大大改善。試運(yùn)行一段時(shí)間后仍然有報(bào)文丟失的現(xiàn)象發(fā)生，不過發(fā)生的頻率已經(jīng)相當(dāng)少。但由于生產(chǎn)要求通訊的絕對(duì)良好，筆者在仔細(xì)排查生產(chǎn)中的人為因素、程序與通訊文檔的非一致性的干擾，最終認(rèn)定其中的原因可能還在通訊塊的特殊使用性上，其中的一些特性并未在文檔中體現(xiàn)出來。筆者著手進(jìn)行了通訊測(cè)試，發(fā)現(xiàn)發(fā)送通訊程序塊不能在同一掃描周期內(nèi)向同一端口發(fā)送兩條以上電文，其中第一條后的電文都將丟失。筆者馬上修改了程序，將發(fā)送的電文進(jìn)行延時(shí)、排隊(duì)處理，經(jīng)修改后運(yùn)行良好，徹底解決了與上位機(jī)的通訊問題。
3. 其中圖五所示：上部為工藝管道，下部為脈沖燃嘴，是典型的工藝設(shè)備。圖六為輸送冷坯輥道組，是工業(yè)爐的主要設(shè)備之一。
圖五
圖六
四、 項(xiàng)目運(yùn)行
項(xiàng)目中的改造部分及新建部分從2005年10月份正常投入以來運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了在傳動(dòng)控制、燃燒控制的全自動(dòng)化操作，盡量減少了設(shè)備操作對(duì)人的依賴，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。本項(xiàng)目大大降低了故障率，減少了解決故障的時(shí)間、保證了生產(chǎn)的連續(xù)、正常運(yùn)行，已經(jīng)取得良好的經(jīng)濟(jì)效益，受到了客戶的好評(píng)。
五、 應(yīng)用體會(huì)
本項(xiàng)目實(shí)施時(shí)間短，使用方要求在十二天時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)爐區(qū)控制系統(tǒng)達(dá)到正常生產(chǎn)狀態(tài)，由于控制系統(tǒng)的帶設(shè)備調(diào)試必須等到設(shè)備本體完畢后才能進(jìn)行，事實(shí)上的控制系統(tǒng)調(diào)試時(shí)間只有數(shù)天之久。9套PLC系統(tǒng)調(diào)試完畢，在數(shù)天之內(nèi)投入生產(chǎn)其難度可想而知。但由于西門子S7-400系列PLC強(qiáng)大的功能，其與其編程系統(tǒng)STEP7的結(jié)合，為自動(dòng)化控制提供了完美的解決方案。在程序設(shè)計(jì)的過程中，筆者始終秉持結(jié)構(gòu)化編程的理念，追求程序控制流程的線性化，即程序的靜態(tài)書寫結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)執(zhí)行順序的一致性。由于程序量極大，這種做法增加了程序的可讀性，便于理解、調(diào)試、測(cè)試和排錯(cuò)。針對(duì)項(xiàng)目控制對(duì)象自身的特點(diǎn)，由于不同加熱爐雖然有各個(gè)不同的細(xì)節(jié)特點(diǎn)，但其中的大部分控制對(duì)象控制特點(diǎn)類似。筆者對(duì)有共性的對(duì)象進(jìn)行了抽象，封裝。將對(duì)象在程序中做成單獨(dú)的程序塊，并在此程序塊中使用只與其相關(guān)的獨(dú)立的數(shù)據(jù)塊。做到了在單一的CPU中，使其與外部的對(duì)象的通訊以接口的方式來進(jìn)行。從而在本CPU中實(shí)現(xiàn)程序塊的對(duì)象化，在不同的CPU中實(shí)現(xiàn)了程序的跨控制器平臺(tái)的移植。實(shí)現(xiàn)了程序在結(jié)構(gòu)上的獨(dú)立性，提高了程序的復(fù)用性。幸運(yùn)的是S7-400及其開發(fā)平臺(tái)STEP7完全支持以上的操作。這一做法大大加快了軟件開發(fā)的進(jìn)程，降低了調(diào)試的難度�？傊甋7-400系列PLC及其軟件開發(fā)環(huán)境向使用者提供了一個(gè)具備一流的硬件基礎(chǔ)、界面友好、操作方便的自動(dòng)化開發(fā)平臺(tái)。用戶應(yīng)盡可能利用其強(qiáng)大的功能，為項(xiàng)目的順利實(shí)施提供有力的保障。
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