工業(yè)以太網(wǎng)在軋鋼廠連軋線電氣控制系統(tǒng)中的應用

傅立峰

(北滿特殊鋼有限責任公司，黑龍江 齊齊哈爾161041)

軋鋼廠連軋線是2011年11月份投產(chǎn)使用的。連軋線一共有兩條生產(chǎn)線，一條是由10架軋機組成的650、400連軋生產(chǎn)線，主要生產(chǎn)規(guī)格為Φ42～Φ200圓鋼。另一條是由2架軋機組成的850連軋生產(chǎn)線，主要生產(chǎn)規(guī)格為Φ210～Φ330圓鋼。兩條線預計年產(chǎn)鋼22.2萬t。兩條連軋線的自動化部分控制系統(tǒng)全都采用SIEMENS公司PLC控制系統(tǒng)，傳動部分控制系統(tǒng)全都采用SIEMENS公司6RA70系列、S120系列、6SE系列的傳動控制系統(tǒng)。兩條連軋線自動化控制系統(tǒng)之間以及與主控室操作畫面之間全都是通過工業(yè)以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)通信的。

1 工業(yè)以太網(wǎng)概述

工業(yè)以太網(wǎng)(Industrial Ethernet)是為工業(yè)應用專門設計的，它是遵循國際標準IEEE802.3(Ethernet)的開放式、多供應商、高性能的區(qū)域和單元網(wǎng)絡。工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)廣泛地應用于控制網(wǎng)絡的最高層，并且有向控制網(wǎng)絡的中間層和底層(現(xiàn)場層)發(fā)展的趨勢。

1.1 工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)點

工業(yè)以太網(wǎng)采用TCP/IP協(xié)議，可以通過以太網(wǎng)將自動化系統(tǒng)連接到企業(yè)內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)、外部互聯(lián)網(wǎng)和因特網(wǎng)。不需要額外的硬件設備，就可以實現(xiàn)管理網(wǎng)絡與控制網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)共享，即實現(xiàn)“管理一體化”。不需要專用的軟件，可以用IE瀏覽器訪問控制終端的數(shù)據(jù)。通過交換技術可以提供實際上沒有限制的通信性能。

以太網(wǎng)的靈活性好，現(xiàn)有的設備可以不受影響地發(fā)展。可以采用冗余的網(wǎng)絡拓撲結構，可靠性高。通過有線電話網(wǎng)、無線電話網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，可以用以太網(wǎng)實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)交換。

1.2 工業(yè)以太網(wǎng)的特點

工業(yè)以太網(wǎng)通信由于管理層和車間層的控制器之間或控制器與PC之間的通信，一般數(shù)據(jù)量較大，傳輸距離較遠，傳輸速率快，可以適應環(huán)境惡劣和抗干擾要求高的工業(yè)場合。工業(yè)以太網(wǎng)有以下特點:

(1)與IEEE802.3和IEEE802.3u兼容，產(chǎn)品的設計制造充分考慮到工業(yè)應用的需要。

(2)抗干擾能力強，可以用于嚴酷的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境。

(3)采用標準導軌，容易安裝和更換，能方便的組成各種網(wǎng)絡拓撲結構。

(4)10Mbit/s/100Mbit/s自適應傳輸速率，最多1 024個網(wǎng)絡節(jié)點，網(wǎng)絡最大范圍為150km。

(5)可用DC24V冗余供電，實現(xiàn)冗余連接。

(6)故障自動恢復，網(wǎng)絡出現(xiàn)故障時(例如斷線或交換機故障)最大網(wǎng)絡重構時間小于0.3s。

(7)快速的網(wǎng)絡故障定位和診斷。

(8)支持虛擬局域網(wǎng)技術，將網(wǎng)絡劃分為幾個虛擬的子網(wǎng)，可以有效地減輕網(wǎng)絡負荷。

1.3 TP電纜與RJ－45連接器

西門子的工業(yè)以太網(wǎng)可以采用雙絞線、光線和無線方式進行通信。

TP Cord電纜是8芯的屏蔽雙絞線，連接到RJ－45連接器有兩種線序，見表1。RJ－45電纜有交叉連接和直接連接這兩種連接方式。

表1 TPCord電纜與RJ－45連接器的線序

電纜兩端的RJ－45連接器采用不同的線序為交叉連接，見圖1，交叉連接電纜用于兩臺設備(例如PC和PLC)的以太網(wǎng)接口之間的直接連接。

圖1 交叉連接

電纜兩端的RJ－45采用相同的線序為直接連接，見圖2，直通連接電纜用于PC、PLC等設備與交換機(或集線器)之間的連接。

圖2 直接連接

西門子交換機采用自適應技術，可以自動檢測線序，連接西門子交換機時可以采用上述的任意一種連接方式。

1.4 光纖

光纖通過光學頻率范圍內(nèi)的電磁波，沿光纜無輻射傳輸數(shù)據(jù)，不受外部電磁場的干擾，沒有接地問題，重量輕、容易安裝。光纖的傳導芯是一種低衰減的光學透明材料。既使線纜彎曲，光束也能在芯體和周圍材料之間通過完全反射傳輸，光纜包裹在一層保護套內(nèi)。有兩種不同類型的光纜，標準玻璃光纜可以在室內(nèi)和室外使用;托曳式玻璃光纜用于室內(nèi)或室外以及需要移動的應用場合。

1.5 工業(yè)以太網(wǎng)的構成

典型的工業(yè)以太網(wǎng)由以下網(wǎng)絡器件組成:

(1)連接部件包括FC快速連接插座，電氣連接模塊(ELM)，電氣交換模塊(ESM)，光纖交換模塊(OSM)和光纖電氣轉(zhuǎn)換模塊(MC TP11)。

(2)通信媒體可以采用普通雙絞線、快速連接雙絞線、工業(yè)屏蔽雙絞線和光纖。

(3)CPU集成的PN接口和工業(yè)以太網(wǎng)通信處理器用于將PLC連接到工業(yè)以太網(wǎng)。

(4)PG/PC的工業(yè)以太網(wǎng)通信處理器用于將PG/PC連接到工業(yè)以太網(wǎng)。

2 軋鋼廠連軋線自動化控制系統(tǒng)的組成

連軋線自動化控制系統(tǒng)包括兩部分，一部分是650、400連軋線電氣控制系統(tǒng);另一部分是850連軋線電氣控制系統(tǒng)。

2.1 650、400連軋線自動化控制系統(tǒng)的組成

本系統(tǒng)采用SIEMENS公司的PLC系統(tǒng)，硬件包括S7－416一套和S7－414兩套，分別是中軋區(qū)PLC300系統(tǒng)、精軋區(qū)PLC400系統(tǒng)及冷床收集區(qū)PLC500系統(tǒng);三套PLC共計18個ET200M遠程站I/O，2個OS操作員站，1個ES操作站，三套S7－414站間采用光線工業(yè)以太網(wǎng)(ETHERNET)進行通信。

2.2 850連軋線自動化控制系統(tǒng)的組成

本系統(tǒng)采用SIEMENS公司的PLC系統(tǒng)，硬件包括S7－416一套，是PLC200系統(tǒng)、7個ET200M遠程站I/O，2個OS操作員站，與650、400連軋線共用1個ES操作站，與650、400連軋線三套PLC系統(tǒng)之間采用光線工業(yè)以太網(wǎng)(ETHERNET)進行通信。

2.3 650、400連軋線和850連軋線之間的以太網(wǎng)通

3 工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)卡與通信處理器

3.1 用于PC的工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)卡

(1)CP1612 PCI以太網(wǎng)卡和CP1512 PCMCIA以太網(wǎng)卡提供RJ－45接口，與配套的軟件包一起支持以下的通信服務:傳輸協(xié)議ISO和TCP/IP、PG/OP通信、S7通信、S5兼容通信(SEND/RECEIVE)，支持OPC通信。

(2)CP1515是符合IEEE802.11b的無線通信網(wǎng)卡，應用于RLM(無線鏈路模塊)和可移動計算機。

(3)CP1613是帶微處理器的PCI以太網(wǎng)卡，使用AUI/ITP接口或RJ－45接口，可以將PG/PC連接到以太網(wǎng)網(wǎng)絡。用CP1613可以實現(xiàn)時鐘的網(wǎng)絡同步。與有關的軟件一起，CP1613支持以下的通信服務:ISO和TCP/IP通信協(xié)議、PG/OP通信、S7通信、S5兼容通信和TF協(xié)議，支持OPC通信。

3.2 S7－300/400的工業(yè)以太網(wǎng)通信處理器

(1)S7－300/400工業(yè)以太網(wǎng)通信處理器有下列特點:

通過UDP連接或群播功能可以向多用戶發(fā)送數(shù)據(jù);

CP443－1可以用網(wǎng)絡時間協(xié)議(NTP)提供時鐘同步;

可以選擇KeepAlive功能;

使用TCP/IP的WAP功能，通過電話網(wǎng)絡，CP可以實遠距離編程和對設備進行遠程調(diào)試;

可以實現(xiàn)OP通信多路轉(zhuǎn)換，最多連接16個OP;

使用集成在STEP 7中的NCM，提供范圍廣泛的診斷功能，包括顯示CP的操作狀態(tài)。

(2)CP343－1/CP443－1通信處理器

CP343－1/CP443－1分別用于S7－300和S7－400的全雙工以太網(wǎng)通信處理器，通信速率為10Mbit/s或100Mbit/s。CP343－1的15針D形插座用于連接工業(yè)以太網(wǎng)，允許AUI和雙絞線接口之間自動轉(zhuǎn)換，RJ－45插座用于工業(yè)以太網(wǎng)的快速連接，可以使用電話線通過IS－DN連接互聯(lián)網(wǎng)。CP443－1有ITP，RJ－45和AUI接口。

CP343－1/CP443－1在工業(yè)以太網(wǎng)上獨立處理數(shù)據(jù)通信，有自己的處理器。通過他們S7－300/400可以與編程器、計算機、人機界面裝置和其他S7和S5 PLC進行通信。

3.3 通信處理器CP443－1在軋鋼廠連軋線自動化控制系統(tǒng)中的使用程序

PLC300站與PLC400站通信的雙方通過調(diào)用AG_SEND/AG_RECV(FC5/FC6)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

AG_SEND/AG_RECV在程序編輯器左邊窗口的文件夾“庫SIMATIC_NET_CPCP400”中。

在PLC300站OB1中編寫調(diào)用FC6的接收程序:

ID:組態(tài)時指定的連接ID;

LADDR:組態(tài)時指定的CP起始地址;

RECV:存放接收數(shù)據(jù)的地址區(qū);

NDR:每次接收完新數(shù)據(jù)產(chǎn)生一個脈沖;

ERROR:錯誤標志位;

STATUS:錯誤狀態(tài)字;

LEN:實際接收的數(shù)據(jù)長度。

PLC300站的FC5發(fā)送程序在OB35中編寫，ACT是FC5“AG_SEND”的發(fā)送使能位，ACT為1狀態(tài)時發(fā)送數(shù)據(jù)。為了實現(xiàn)周期性的數(shù)據(jù)發(fā)送，令ACT一直為1狀態(tài)，如果在OB1中調(diào)用FC5，每個掃描循環(huán)周期都要發(fā)送一次，發(fā)送將過于頻繁。因此將發(fā)送程序放在中斷循環(huán)周期為默認值100ms的OB35中。如果設置ACT的實參為一個位地址(例如M0.0)，可以用它來控制是否發(fā)送數(shù)據(jù)。

在PLC300站的OB35中編寫調(diào)用FC5的發(fā)送程序:

ACT:發(fā)送使能位，為1時發(fā)送數(shù)據(jù);

ID:組態(tài)時指定的連接ID;

LADDR:組態(tài)時指定的CP起始地址;

SEND:存放要發(fā)送的數(shù)據(jù)的地址區(qū);

LEN:發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù);

DONE:每次發(fā)送成功產(chǎn)生一個脈沖;

ERROR:錯誤標志位;

STATUS:錯誤狀態(tài)字。

在PLC400站中的發(fā)送程序和接收程序基本上相同，其區(qū)別僅在于LADDR的值。

4 結語

軋鋼廠連軋線自動化控制系統(tǒng)投入運行后，工業(yè)以太網(wǎng)通信至今沒有發(fā)生過故障。從提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量方面來講，一年就收回改造費用。尤其是采用的工業(yè)以太網(wǎng)通信方式，使我們知道了工業(yè)以太網(wǎng)通信在工業(yè)現(xiàn)場應用的重要性。因為有了工業(yè)以太網(wǎng)通信這種通信方式，可以減少自動化控制系統(tǒng)PLC之間以及與其它各種各樣的自動化設備之間繁瑣的接線。同時可靠行、穩(wěn)定大大的增強。

［1］廖常初.［S7－300/400 PLC應用技術］.北京:機械工業(yè)出版社，2011，1－425.