基于Profinet 通信的鋼絲熱鍍鋅生產(chǎn)線智能調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王青葉

（天津工業(yè)職業(yè)學(xué)院，天津300400）

0 引言

《中國(guó)制造2025》提出的推進(jìn)信息化和工業(yè)化深度融合，大力發(fā)展智能制造則是這條必經(jīng)之路上的突破口、制高點(diǎn)和主攻方向。而工業(yè)控制技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人、3D 打印、視覺技術(shù)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)熱門技術(shù)的深度融合，為智能制造業(yè)的發(fā)展提供了有力的技術(shù)支持?，F(xiàn)有的鋼絲熱鍍鋅生產(chǎn)線一般是采用基于西門子公司的S7-200 PLC 和MM420 變頻器的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)備陳舊，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性欠佳，鍍鋅不均勻和漏鍍的問題時(shí)有發(fā)生，偶爾還會(huì)發(fā)生故障，影響生產(chǎn)，且加工不同規(guī)格的鋼絲還需人工調(diào)節(jié)鍍鋅速度。

本文介紹了一種升級(jí)的鋼絲熱鍍鋅生產(chǎn)線智能調(diào)速系統(tǒng)，在加工鋼絲時(shí)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線智能調(diào)速，可有效避免度鋅不均勻和漏鍍的問題。

1 鋼絲熱鍍鋅生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介

1.1 熱鍍鋅鋼絲的生產(chǎn)工藝

熱鍍鋅也稱熱浸鋅，是將鋼鐵工件經(jīng)過除油、除銹，呈現(xiàn)出無污、浸潤(rùn)的表面，立即浸入到預(yù)先融熔好的鋅液鍍槽中去，在工件表面形成一層鋅鍍層保護(hù)膜的方法。這層保護(hù)膜的耐腐蝕性能力強(qiáng)，可以有效延長(zhǎng)鋼鐵工件的使用年限。鋼絲的熱鍍鋅工藝不同于其他類型的鋼鐵工件的熱鍍鋅工藝，鋼絲的熱鍍鋅生產(chǎn)工藝如下[1]：

工字輪放線→熱水洗→電解脫脂→熱水洗→清水洗→電解酸洗→水洗→復(fù)合溶劑處理→烘干→內(nèi)加熱熱浸鋅→氮?dú)饽ㄊ谩ぷ州営?jì)米收線→成品。

1.2 熱鍍鋅鋼絲的性能要求

近年來隨電力、交通、通訊、建筑事業(yè)迅速發(fā)展，熱鍍鋅鋼鐵工件需求量持續(xù)增加，對(duì)鋼鐵工件的防護(hù)要求也越來越嚴(yán)格。熱鍍鋅鋼絲品質(zhì)要求：表面光滑、干凈，沒有裂紋、起刺、傷痕和銹蝕，鋅層均勻、致密，熱鍍鋅覆蓋能力好、附著力強(qiáng)、耐腐蝕性持久和持久度強(qiáng)，具有優(yōu)良的韌性和彈性。

1.3 影響熱鍍鋅鋼絲品質(zhì)的主要原因

（1）不同規(guī)格、不同品種鋼絲，其生產(chǎn)工藝要求不同，例如粗細(xì)不同鋼絲和高、中碳鋼絲的電解酸洗和熱浸鋅等時(shí)間和溫度是不相同的，如果不能及時(shí)調(diào)整熱鍍鋅生產(chǎn)線的速度，勢(shì)必會(huì)影響熱鍍鋅鋼絲品質(zhì)。

（2）在熱鍍鋅鋼絲的生產(chǎn)加工過程中，生產(chǎn)條件在隨時(shí)隨地的發(fā)生著變化，例如熔融的熱浸鋅溫度會(huì)上下波動(dòng)，如果不能動(dòng)態(tài)調(diào)整熱鍍鋅生產(chǎn)線的速度，也會(huì)影響熱鍍鋅鋼絲品質(zhì)。

終上所述，要對(duì)現(xiàn)有鋼絲熱鍍鋅生產(chǎn)線的調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)和改造。具體要求：當(dāng)鋼絲的生產(chǎn)規(guī)格、鋪層面、品種等發(fā)生變化或者當(dāng)生產(chǎn)環(huán)境的某一項(xiàng)條件改變時(shí)，只需在人機(jī)界面的設(shè)備上輸入熱鍍鋅生產(chǎn)線的速度，該系統(tǒng)在鋼絲鍍鋅過程中，熱鍍鋅生產(chǎn)線也能夠進(jìn)行在線、實(shí)時(shí)智能調(diào)速。這樣可以實(shí)現(xiàn)在同一條生產(chǎn)線上生產(chǎn)不同規(guī)格、不同品種、不同鋪層面質(zhì)量的高品質(zhì)鍍鋅鋼絲。

2 鋼絲熱鍍鋅生產(chǎn)線調(diào)速系統(tǒng)控制升級(jí)方案

2.1 傳統(tǒng)的變頻調(diào)速系統(tǒng)

在現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域，大多數(shù)變頻調(diào)速系統(tǒng)是使用PLC 通過模擬量或者通過數(shù)字量控制變頻器調(diào)速。這種調(diào)速方式是：PLC 完全通過變頻器端子的硬接線來實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的控制與調(diào)速，其參數(shù)需要預(yù)先設(shè)定好的，變頻器只能按照預(yù)先設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行調(diào)速，不能在線實(shí)時(shí)調(diào)速；而且變頻器的運(yùn)行狀態(tài)信息不能有效的反饋，參數(shù)也不能在線修改和調(diào)整，這使得變頻調(diào)速的應(yīng)用具有一定的局限性。

2.2 升級(jí)后的智能調(diào)速系統(tǒng)

升級(jí)后的鋼絲熱鍍鋅生產(chǎn)線智能調(diào)速系統(tǒng)是：使用PLC 通過工業(yè)以太網(wǎng)（這里使用西門子公司的Profinet 通訊，簡(jiǎn)稱PN）對(duì)西門子G120C 變頻器進(jìn)行控制，PLC 對(duì)變頻器的起、停、正反轉(zhuǎn)、調(diào)速以及頻率等參數(shù)信息實(shí)施在線給定和反饋等，都只是通過一根網(wǎng)絡(luò)線來實(shí)現(xiàn)，這大大提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性和穩(wěn)定性。

鋼絲熱鍍鋅智能調(diào)速控制系統(tǒng)主要構(gòu)成包括：工業(yè)以太網(wǎng)、觸摸屏MCGS 7062TI、西門子PLC S7—1200 系列的CPU1215C 以及西門子變頻器G120C PN 等。整體控制方案如圖1 所示。

圖1 智能調(diào)速系統(tǒng)的控制方案

（1）工業(yè)以太網(wǎng)：它采用開放的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，使用透明而統(tǒng)一的TCP/IP 協(xié)議，以太網(wǎng)已成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主要通信標(biāo)準(zhǔn)。文中智能調(diào)速系統(tǒng)中使用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，這種交換機(jī)設(shè)備專用于工業(yè)環(huán)境，為復(fù)雜的工業(yè)控制提供實(shí)時(shí)、可靠的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸。因?yàn)楣I(yè)以太網(wǎng)采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換交換方式，并且內(nèi)置智能報(bào)警設(shè)計(jì)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況，所以這種交換機(jī)在提高以太網(wǎng)通信速度的同時(shí)，可以使得以太網(wǎng)在震動(dòng)、濕氣、溫度、電磁干擾等惡劣危險(xiǎn)的工業(yè)環(huán)境中保證穩(wěn)定可靠運(yùn)行。工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)以其較高的防護(hù)等級(jí)（一般IP40）、較強(qiáng)的電磁兼容性（EMS 4 級(jí)）、穩(wěn)定的工作性能為鋼絲熱鍍鋅生產(chǎn)線智能調(diào)速系統(tǒng)提供有力的通信保障。

（2）人機(jī)對(duì)話技術(shù)：本智能調(diào)速系統(tǒng)的人機(jī)對(duì)話設(shè)施采用昆侖通泰的觸摸屏MCGS 7062TI，這款觸摸屏性價(jià)高，支持工業(yè)以太網(wǎng)通信。工作人員可以方便地通過觸摸屏，設(shè)置電解酸洗的酸度、熔融鋅液的溫度、待鍍鋅鋼絲的規(guī)格、鋼絲熱鍍鋅生產(chǎn)線的運(yùn)行速度等參數(shù)；也可通過觸摸屏監(jiān)測(cè)以上實(shí)時(shí)生產(chǎn)要素。

（3）PLC 控制技術(shù)：本智能調(diào)速系統(tǒng)的控制技術(shù)采用可靠性高、通用性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)的PLC 控制技術(shù)，即西門子S7－1200 系列CPU-1215C-AC/DC/Rly。這是一款繼電器型PLC，14 輸入/10 輸出，集成2AI/2AO，有兩個(gè)Profinet（基于工業(yè)以太網(wǎng)，具有很好的實(shí)時(shí)性，可直接連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備）接口。其中一個(gè)Profinet 口連接工業(yè)交換機(jī)，通過交換機(jī)可以與生產(chǎn)線的各個(gè)從站、變頻器等設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸；另一個(gè)Profinet 口連接人機(jī)對(duì)話設(shè)備，一方面負(fù)責(zé)接受來自觸摸屏的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置或控制信息，一方面上傳各個(gè)生產(chǎn)要素的信息，實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)交互。

（4）變頻技術(shù)：文中智能調(diào)速系統(tǒng)的傳動(dòng)部分采用變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)，它是通過改變交流電機(jī)工作電壓的頻率和幅度來平滑控制交流電機(jī)速度及轉(zhuǎn)矩，以實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)無級(jí)調(diào)速。本智能調(diào)速系統(tǒng)采用德國(guó)西門子公司的G120C PN 變頻器，這款變頻器支持基于Profinet 的周期過程數(shù)據(jù)交換和變頻器參數(shù)訪問，即PLC 可以通過Profinet 來控制變頻器的啟停和調(diào)速，以及讀取變頻器狀態(tài)數(shù)字信息和電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速。使得傳動(dòng)系統(tǒng)得以在線、實(shí)時(shí)平滑無級(jí)調(diào)速。

3 鋼絲熱鍍鋅生產(chǎn)線調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 調(diào)速系統(tǒng)硬件組態(tài)

（1）使用西門子TIA PORTAL 軟件創(chuàng)建項(xiàng)目。創(chuàng)建項(xiàng)目時(shí)，為了不影響軟件的使用功能，項(xiàng)目名稱及項(xiàng)目的根目錄盡可能使用英文，最好不要使用中文或包含中文。

（2）在已建的項(xiàng)目中添加PLC 設(shè)備[2]。在設(shè)備樹中選擇S7-1200→CPU→CPU1215C AC/DC/RLY→6ES7 215-1HG31-0XB0，選擇版本號(hào)V3.0。

（3）添加變頻器設(shè)備G120C[3]。該設(shè)備需要從硬件目錄中選擇：其它現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備→PROFINET IO →Drives →Siemens AG → SINAMICS →SINAMICS G120C PN 6SL3210-1KE11-8UF2 V4.7。如果在硬件目錄中沒有“其它現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備”，可以將目錄中的“過濾”取消選中狀態(tài)，即可出現(xiàn)其他現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

（4）完成PLC 與變頻器的網(wǎng)絡(luò)連接組態(tài)。單擊藍(lán)色提示“未分配”，以插入站點(diǎn)，選擇主站“PLC_1.PROFINET”接口，即可完成網(wǎng)絡(luò)連接的組態(tài)。

（5）設(shè)置S7-1200 的PLC 名稱和分配IP 地址。選擇CPU1215C AC/DC/RLY，點(diǎn)擊“以太網(wǎng)地址”；分配IP 地址；修改Profinet 設(shè)備的名稱，該名稱可自定義，但必須是英文。

（6）設(shè)置變頻器G120C PN 設(shè)備名稱和分配IP地址。選擇G120C PN，點(diǎn)擊“以太網(wǎng)地址”，分配IP地址；修改Profinet 設(shè)備的名稱，該名稱可自定義，但必須是英文。

分配IP 地址時(shí)，須注意，子網(wǎng)掩碼必須一致，可以都是255.255.255.0；而每臺(tái)設(shè)備的IP 地址必須不同，但是，如果在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，IP 地址的前三段必須一致，最后一段必須不同。例如，這里PLC 的IP地址設(shè)置為192.168.2.1，變頻器的IP 地址就可以設(shè)置為192.168.2.2。

（7）組態(tài)G120C 的報(bào)文。西門子的G120C 的報(bào)文有兩種，分別是標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文和西門子報(bào)文，文中的G120C 的報(bào)文采用的是標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文2。若想使PLC 通過PN 來控制G120C 的啟停與調(diào)速，須明白報(bào)文的組成、含義及應(yīng)用。其中標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文2 的報(bào)文內(nèi)容見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文2 的報(bào)文內(nèi)容

組態(tài)變頻器G120C 時(shí)，將硬件目錄中“Standard telegram1，PZD-2/2”拖到“設(shè)備概覽”視圖的插槽中，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)分配了輸入輸出地址。其中輸入輸出是針對(duì)PLC 來講的，起始地址可自定義，但結(jié)束地址是系統(tǒng)根據(jù)起始報(bào)文編號(hào)和起始地址自動(dòng)改變的，人為無法修改。本調(diào)速系統(tǒng)中，輸入地址的起始地址是10，輸出地址的起始地址為20 開始，則控制字1 對(duì)應(yīng)的地址為QW20，狀態(tài)字1 對(duì)應(yīng)的地址為IW10，轉(zhuǎn)速設(shè)定值（32 位）對(duì)應(yīng)地址為QW22，轉(zhuǎn)速實(shí)際值（32 位）對(duì)應(yīng)地址為IW12。

有關(guān)控制字和狀態(tài)字定義可以在此簡(jiǎn)單解釋：STW1 的第0 位是啟停變頻器G120C 的控制位，當(dāng)STW1.0=1，變頻器啟動(dòng)，當(dāng)STW1.0=0 時(shí)，變頻器停止。在鋼絲熱鍍鋅智能調(diào)速控制系統(tǒng)中，使用MOVE 指令可將QW20.0 置位為1，變頻器啟動(dòng)；使用MOVE 指令可將QW20.0 置位為0，變頻器停止。

（8）下載硬件配置。下載時(shí)，需注意PG/PC 的接口類型選擇PN/IE；PG/PC 的接口一定要選擇與所使用計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)適配器一致的名稱；PLC 的IP 地址的子網(wǎng)掩碼與所使用計(jì)算機(jī)的一致，接口子網(wǎng)的連接選擇PN/IE_1 即可；然后搜索設(shè)備，找到之后，點(diǎn)擊下載即可。

3.2 變頻器G120C 的配置

配置變頻器G120C 時(shí)，其名稱須與硬件組態(tài)的第（6）步中名稱完全一致，注意區(qū)分大小寫。

3.3 電機(jī)的啟停和調(diào)速的軟件設(shè)計(jì)

在觸摸屏上組態(tài)一個(gè)啟動(dòng)按鈕、一個(gè)停止按鈕，兩個(gè)信息輸出框、一個(gè)信息輸入框。將表2 中的數(shù)據(jù)信息組態(tài)到對(duì)應(yīng)的元件元素中區(qū)即可。

在PLC 智能調(diào)速的程序設(shè)計(jì)中，只需使用4 個(gè)MOVE 指令，即可完成PLC 與變頻器之間的數(shù)據(jù)傳輸。變頻器的操作只需要將電機(jī)的額定電壓、額定電流等相關(guān)參數(shù)提前設(shè)置進(jìn)去即可。

表2 組態(tài)數(shù)據(jù)信息

4 結(jié)語

本智能調(diào)速系統(tǒng)，采用了西門子公司的Profinet工業(yè)以太網(wǎng)通訊、昆侖通泰的觸摸屏MCGS 7062TI人機(jī)對(duì)話，西門子S7－1200 系列PLC、西門子G120C 變頻等一系列技術(shù)，對(duì)鋼絲熱鍍鋅生產(chǎn)線調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了智能升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了PLC 對(duì)變頻器的起、停、正反轉(zhuǎn)、調(diào)速以及頻率等參數(shù)信息在線的給定和反饋。該智能調(diào)速系統(tǒng)硬件接線非常簡(jiǎn)單，PLC程序設(shè)計(jì)思路淺顯易懂，能夠?qū)崿F(xiàn)在線實(shí)時(shí)靈活調(diào)速，能有效避免出現(xiàn)鋼絲鍍鋅不均勻、漏鍍等缺陷問題，確實(shí)提升了熱鍍鋅鋼絲的品質(zhì)。