熱軋線加熱爐燃控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊的優(yōu)化

邰曉宇

(唐山鋼鐵股份有限公司中厚板公司，河北 唐山 063000)

唐鋼中厚板公司軋鋼生產(chǎn)線加熱爐為步進(jìn)蓄熱式加熱爐，主要由加熱爐爐體、蓄熱室、換向系統(tǒng)以及燃料、供風(fēng)和排煙系統(tǒng)構(gòu)成。該種加熱爐通過蓄熱室提前預(yù)熱進(jìn)入爐腔內(nèi)的空氣和煤氣，減少熱量損耗，爐溫更加均勻，由于爐溫分布均勻，加熱質(zhì)量大大改善，產(chǎn)品合格率大幅度提高。蓄熱式燃燒是在相對(duì)的低氧狀態(tài)下彌散燃燒，沒有火焰中心，因此，不存在大量生成氮氧化物的條件。煙氣中氮氧化物含量低，有利于保護(hù)環(huán)境。在低氧燃燒狀態(tài)下，鋼坯的氧化損耗相應(yīng)的也會(huì)降低。節(jié)能，環(huán)保為其主要的特點(diǎn)。

1 功能構(gòu)成

燃燒控制系統(tǒng)分為兩個(gè)相互獨(dú)立的系統(tǒng)：儀表燃控系統(tǒng)、換向控制系統(tǒng)。

儀表燃控系統(tǒng)的主要功能構(gòu)成：以西門子S7-400PLC為控制核心，接收現(xiàn)場(chǎng)儀表檢測(cè)的各種燃燒相關(guān)數(shù)據(jù)，分析計(jì)算收集來的這些數(shù)據(jù)，最后通過自動(dòng)調(diào)節(jié)煤氣空氣調(diào)節(jié)閥門的閥門開度，來達(dá)到溫度的自動(dòng)控制。

由儀表檢測(cè)的相關(guān)數(shù)據(jù)包括：

（1）溫度：爐頂溫度、爐側(cè)墻溫度、排煙管道溫度

（2）流量：空氣總管流量，空氣支管流量，煤氣總管流量，空氣支管流量。

（3）壓力：空氣總管壓力，煤氣總管壓力，爐內(nèi)壓力，壓縮空氣壓力、各燃燒段煙氣氧含量值、各調(diào)節(jié)閥閥位反饋換向控制系統(tǒng)的主要功能構(gòu)成：以西門子S7-300為控制核心，控制加熱爐各個(gè)燒嘴換向系統(tǒng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行進(jìn)氣、排氣的動(dòng)作。同時(shí)，控制總管快切閥門和各支管快切閥門。

2 系統(tǒng)現(xiàn)狀

儀表燃控系統(tǒng)與換向控制系統(tǒng)通過MPI數(shù)據(jù)通訊的方式來進(jìn)行CPU之間的數(shù)據(jù)交換，并以同樣的方式與上位機(jī)畫面連接。

MPI 英文全稱Multipoint interface，是SIMATIC S7多點(diǎn)通信的接口，是一種適用于少數(shù)站點(diǎn)間通信的網(wǎng)絡(luò)，多用于連接上位機(jī)和少量PLC之間近距離通信。通過PROFIBUS電纜和接頭，將控制器S7-300或S7-400的CPU自帶的MPI編程口相互連接，以及與上位機(jī)網(wǎng)卡的編程口（MPI/DP口）通過PROFIBUS或MPI電纜連接即可實(shí)現(xiàn)MPI通訊。網(wǎng)絡(luò)中也可以不包括PC機(jī)而只包括PLC。MPI的通信速率為19.2K～12Mbit/s，但在實(shí)際應(yīng)用中直接連接S7-300CPU通信口的MPI網(wǎng)，其最高速率通常為187.5Kbit/s，否則就會(huì)報(bào)錯(cuò)。一個(gè)網(wǎng)段的最長通信距離為50米。

3 系統(tǒng)存在的問題與解決方案

由于MPI通訊本身的局限性，單網(wǎng)段通信距離最長50米。PLC室與操作臺(tái)距離較遠(yuǎn)，在日常生產(chǎn)中，經(jīng)常出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)閃斷，丟包現(xiàn)象。即使加上中繼器，效果仍然不理想。另外從成本角度考慮，每個(gè)工控機(jī)都必須單獨(dú)配置一塊西門子CP5611網(wǎng)卡來與MPI網(wǎng)絡(luò)適配，MPI網(wǎng)絡(luò)物理連接層采用的是PROFIBUS電纜和接頭，可擴(kuò)展性，與其他系統(tǒng)兼容性差，并且采購成本高。

最佳的解決方案是，把當(dāng)前MPI網(wǎng)絡(luò)替換成工業(yè)以太網(wǎng)，對(duì)比MPI網(wǎng)絡(luò)通訊，以太網(wǎng)通訊有以下幾方面優(yōu)勢(shì)：

（1）組建網(wǎng)絡(luò)成本低廉，采購渠道廣；

（2）可擴(kuò)展性強(qiáng)，尤其體現(xiàn)在與二級(jí)燃控模型進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，幾乎必須采用以太網(wǎng)通訊；

（3）傳輸速率高，傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾性強(qiáng)，尤其是當(dāng)采用光纖網(wǎng)絡(luò)時(shí)，傳輸距離可達(dá)到千米級(jí)別；

（4）兼容性好，通過以太網(wǎng)通信，該系統(tǒng)可以直接并入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中，與其他控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通訊，把全線自動(dòng)控制有機(jī)的結(jié)合為一體。

4 方案實(shí)施的步驟與細(xì)節(jié)

4.1 硬件的添加與硬件組態(tài)

在S7-400燃控系統(tǒng)中添加西門子以太網(wǎng)卡CP443-1，在S7-300換向系統(tǒng)中添加西門子以太網(wǎng)卡CP343-1，硬件安裝完畢后，還要在STEP7中更改相應(yīng)的硬件組態(tài)，編譯并下裝，CPU沒有報(bào)錯(cuò)說明配置沒有問題，如有報(bào)錯(cuò)，在CPU在線緩沖區(qū)中查看錯(cuò)誤信息，并做相應(yīng)的處理.分別給兩個(gè)CP設(shè)置好各自的IP地址，注意，兩個(gè)IP地址必須在一個(gè)網(wǎng)段，例如：192.168.0.2與192.168.0.3。

以上完成后，還要在PLC柜內(nèi)加裝一臺(tái)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，將燃控系統(tǒng)，換向系統(tǒng)，操作員站，工程師站，全部通過以太網(wǎng)線連接至此交換機(jī)，到此硬件的安裝完成。

4.2 建立兩個(gè)控制系統(tǒng)CPU之間的通訊

打開STEP7軟件，進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，首先刪除之前MPI通訊協(xié)議的組態(tài)。鑒于兩個(gè)CPU之間的數(shù)據(jù)交換不是太多，可以采用單邊通訊的協(xié)議。所謂單邊通訊是指，在一方PLC創(chuàng)建新的S7連接，伙伴PLC不用創(chuàng)建連接，主動(dòng)連接方在連接伙伴的數(shù)據(jù)塊內(nèi)進(jìn)行讀寫操作。由于400系列的PLC比300的性能要好，所以選用400的燃控系統(tǒng)CPU作為主動(dòng)連接方。

進(jìn)入NetPro進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，選中S7-400的CPU，選擇Insert New Connection，插入一個(gè)新的連接，選擇CPU315-2 DP最為連接伙伴，連接方式為S7連接，然后設(shè)置S7連接的屬性，選擇單邊模式（One-Way），本地CPU最為Client，伙伴CPU作為Server， Client訪問Server。[1]

如圖所示：S7-400的程序中利用單邊功能塊（GET，PUT）進(jìn)行單邊訪問，注意，兩邊的程序中都要預(yù)先新建好對(duì)應(yīng)的讀取DB塊，讀取要分開設(shè)置。

這樣就能達(dá)成連個(gè)獨(dú)立控制系統(tǒng)間的通訊，把之前MPI通訊的數(shù)據(jù)，放入通訊DB塊里，就能實(shí)現(xiàn)信息的傳遞。

4.3 操作員站PC機(jī)的設(shè)置與WINCC畫面的變量遷移

由于原系統(tǒng)是通過MPI通訊，現(xiàn)在已經(jīng)改為以太網(wǎng)通訊模式，所以PC機(jī)側(cè)的設(shè)置需要作出相應(yīng)的修改，打開STEP7中的SET PG/PC接口，把原設(shè)置MPI通訊模式改為TCP/IP模式。PC機(jī)IP地址設(shè)置也應(yīng)在192.168.0.的網(wǎng)段。

打開WINCC軟件，可以看到，原來變量組是在MPI連接下，所以需要變量遷移。在連接選項(xiàng)中選擇TCP/IP連接，然后新建驅(qū)動(dòng)程序的連接，選擇本地PC為服務(wù)器，新的變量組創(chuàng)建成功。

一般如果變量數(shù)量較少，種類不多的情況下，可以采用直接復(fù)制粘貼的方法，把MPI連接的變量直接復(fù)制到TCP/IP的變量下，但是相對(duì)于本項(xiàng)目來講，變量數(shù)多大2000多，直接復(fù)制粘貼的話，會(huì)出現(xiàn)以下未知的錯(cuò)誤。所以建議采用WINCC專用的變量導(dǎo)出導(dǎo)入工具DataMonitor Client，把MPI連接中的變量導(dǎo)出為EXCEL模式，然后再導(dǎo)入到TCP/IP的連接中，這樣會(huì)避免后期WINCC畫面運(yùn)行出現(xiàn)一些莫名其妙的錯(cuò)誤。

DataMonitor Client變量導(dǎo)入導(dǎo)出示意圖：

變量導(dǎo)入成功后，刪除MPI驅(qū)動(dòng)連接，重啟WINCC程序，激活項(xiàng)目運(yùn)行，檢查是否正常。

5 優(yōu)化后效果驗(yàn)證

網(wǎng)絡(luò)改造完成后，加熱爐區(qū)域全部為以太網(wǎng)通訊模式，可以隨時(shí)在交換機(jī)上通過連接以太網(wǎng)線增加冗余的操作員站，可以把該電氣室交換機(jī)并入工廠網(wǎng)絡(luò)，使工程師能遠(yuǎn)程監(jiān)控調(diào)試設(shè)備，排除設(shè)備故障；二級(jí)燃控模型服務(wù)器可以直接通過以太網(wǎng)，讀取PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)，發(fā)送給PLC的執(zhí)行指令；

以太網(wǎng)故障率低，維護(hù)簡(jiǎn)單，備件采購渠道廣泛，出現(xiàn)問題，可以和其他區(qū)域的設(shè)備共用備件，減少備件庫存量。尤其對(duì)于生產(chǎn)而言，可以避免由于網(wǎng)絡(luò)故障導(dǎo)致加熱爐直接停爐待產(chǎn)，對(duì)于減少燃燒消耗，提高經(jīng)濟(jì)效益有重大意義。

參考文獻(xiàn)

[1]SIEMENS S7-Communication in S7-PLC 2009.04