西門子工業網絡在連鑄機控制系統中的應用

王巍 王利民 （天津天鐵冶金集團有限公司煉鋼廠，河北涉縣 056404)

西門子工業網絡在連鑄機控制系統中的應用

王巍 王利民 （天津天鐵冶金集團有限公司煉鋼廠，河北涉縣 056404)

介紹了天鐵集團煉鋼廠小方坯連鑄機控制系統既SIEMENS工業網絡通信技術中MPI通信、PROFIBUS通信、工業以太網通信技術的特點，該系統可以對工藝數據進行實時監控、在線修改、優化參數、記錄查詢等。使連鑄機的控制水平得到提高。保證了設備在工況惡劣，抗干擾性要求比較高的工業環境中正常運行。達到提高鋼坯質量、優化控制工藝、減少設備維護成本的目的。

連鑄機 控制 以太網 通信 技術 變頻器 可編程序控制器

1 概況

天鐵集團煉鋼廠小方坯連鑄機控制系統是采用SIEMENS S7 400系列可編程控制器，整個控制系統是由S7 400系列PLC 3套、SIEMENS ET 200M遠程I/O站4個、WinCC上位機操作站（HMI)2臺、EMERSON TD 3000變頻器16臺、SIEMESN OSM工控網絡交換機等設備組成，運用MPI、PROFIBUS DP和工業以太網通信技術來滿足控制系統的要求。

在連鑄機的自控系統中運用SIEMENS工業網絡通信技術，實現了以下功能和特點：

（1) 運用MPI網絡通信技術，實現了3臺PLC之間的數據交換與共享;

（2) 運用PROFIBUS DP網絡通信技術，實現了拉轎機速度與結晶器振動連鎖同步控制;

（3) 運用工業以太網網絡通信技術，實現上位機操作站與PLC系統的網絡連接。改善了二次冷卻水配水調節的精度，實現了對運行參數的實時監控、優化與調整。

2 工業網絡的功能和特點

連鑄機的控制系統結構見圖1。整個控制網絡結構由MPI網絡、PROFIBUS DP 1網絡、PROFIBUS DP 2網絡、工業以太網三部分組成。MPI網絡實現了3臺PLC之間的小范圍、小點數的現場級通信。PROFIBUS DP1網絡實現了PLC與ET 200 M遠程I/O站之間的數據傳輸，把I/O通道分散到實際需要的現場設備附近，從而降低了整個系統的工程費用和維護費用。PROFIBUS DP2網絡實現了PLC與變頻器設備之間的數據傳輸，提高了自動化過程的生產力和靈活性。工業以太網實現了PLC與上位機操作站之間的數據傳輸，可以對工藝數據進行實時監控、在線修改、優化參數、記錄查詢，以促進生產順利進行。

圖1 連鑄機控制系統結構圖

2.1 PLC與PLC之間的數據交換與共享

根據現場設備的安裝特點，每臺PLC柜之間相距2 m，通信數據量不大（8個字節)、網絡傳輸速率要求不高（187.5 kbit/s)，因此選用了MPI這種簡單經濟的網絡通信方式。采用其中的全局數據包通信方式實現PLC與PLC間的數據交換。這種通信方式是在配置PLC硬件的過程中，組態所需要通信的PLC站之間的發送區和接受區參數，不需要任何程序處理。全局數據（GD)表編程見表1。通過這種通信方式將3臺PLC連接在一起，使得3臺PLC設備之間實現少量數據共享成為可能，減少了線纜的敷設、節約了成本、降低了故障率。

表1 全局數據（GD)表

2.2 拉轎機速度與結晶器振動連鎖同步控制

2.2.1 拉轎機與結晶器同步控制是決定連鑄機鑄坯質量好壞的主要因素之一，如何做到高精度、低故障的同步控制是控制系統的關鍵。考慮到設備的因素，連鑄機是4流方坯連鑄機，每一臺PLC控制2流、每流包括3臺拉轎機電機和1臺結晶器振動電機，電機采用變頻控制。每臺拉矯機電機的安裝位置處在鑄坯不同的弧段上，因此每臺電機的輸出頻率各不同。因此，要按照設備工藝要求通過PLC編程運算出每臺電機的實際輸出頻率，通過變頻器來準確地控制電機轉速。在實際控制中結晶器振動電機的輸出頻率與拉轎機第一臺電機M1的頻率存在著線性關系，它們之間的變化規律要求必須同步變化。通過PLC編程運算，使拉轎機運行速度與結晶器振動之間的動態變化達到控制工藝要求。根據上述情況結合控制系統本身的特點，PLC設備的運算精度已經滿足了控制的需要，如果利用變頻器端子控制的方式，中間環節比較多對控制精度的影響比較大。因此，選用通過PLC設備運用PROFIBUS DP網絡通信方式來實現對變頻器的控制。

2.2.2 在控制系統中由于PROFIBUS DP 1網絡ET 200 M系統連接的DP接口，在設計中不允許接入變頻器的適配器，因此增加I M 467接口模板擴充PROFIBUS DP 2網絡接口。利用PROFIBUS DP 2網絡，變頻器通過現場總線適配器與PLC進行連接組成DP網絡。在通信過程中，考慮到現場對控制字和狀態字的需求情況采用PROFIBUS DP協議PPO類型作為數據傳遞格式，使用PPO4的類型格式。在編程過程中利用SIEMENS STEP 7編程軟件，準確地計算出每臺電機的實時輸出參數，在利用系統功能塊SFC14、SFC15來完成對變頻器狀態字與控制字的讀寫，最終來完成對變頻器的控制。

2.2.3 由于采用了PROFIBUS DP網絡通信的控制方式，減少了因為PLC與變頻器端子控制之間硬線連接所產生的中間環節，增強了設備運行的穩定性，降低了工人的工作強度。同時減少了線纜的使用量，減少了PLC模板的使用量節約了資金。PROFIBUS DP網絡結構圖見圖2。

2.3 改善二次冷卻水配水調節的精度，實現了對運行參數的實時監控、優化與調整

圖2 PROFIBUS DP網絡結構圖

2.3.1 在連鑄機控制系統中，工業以太網結構圖見圖3。

圖3 工業以太網結構圖

工業以太網是通過SIEMENS OSM工業網絡交換機，利用ITP標準電纜通過PLC設備的CP443-1通信模塊與上位機（HMI)設備的CP1613工業以太網卡相連接，組成網絡實現生產數據的實時通信功能，將PLC與上位機操作站連接進行數據交換和共享的。上位機操作站通過WinCC組態軟件實現了對生產數據的實時監控、在線調整修改運行參數等功能。選擇工業以太網作為PLC與上位機操作站連接的通信方式，主要是考慮到現場的工作環境處于高溫、潮濕、振動、電磁干擾等惡劣工況的特點，它支持星形和環形的網絡拓撲結構（目前使用的是星形結構，隨著我廠網絡建設的發展，還將對整個5個連鑄機系統進行光纖環網的改造)等特點。

2.3.2 二次冷卻水配水調節（二冷配水)控制精度的好壞直接影響了鑄坯的質量，二冷配水分為3段水控制。配水表的計算是配水調節控制的關鍵。每一個鋼種、斷面都有一個與之相對應的配水表。每臺連鑄機至少有15個配水表，如何把每個配水表的詳細參數及時準確的下傳到PLC中參與運算，選擇了通過上位機操作站運用工業以太網通信技術來實現此功能。將15個水表以水表號1～15的形式存入上位機中，將所需要的水表以水表號的形式選出將所有的參數在同一時刻下傳至PLC中，來實時調節配水參數，最終使得PLC系統按照配水參數的要求，根據實時拉速計算出每段水的實時給水量，保證鑄坯的質量。

2.3.3 每臺連鑄機需要實時監控的運行參數有300多個，需要實時修改調整和優化的參數有30多個，選擇工業以太網通信主要是從網絡安全和網絡速率的角度考慮的。由于目前采用的星形網絡拓撲結構，兩臺上位機操作站可以互為備用，進一步地保證了生產的順利進行。工業以太網的網絡速率是百兆的，可以避免數據延時的現象，保證了生產的穩定進行。在實際生產過程中，在線修改和優化控制參數是十分必要的。一些控制參數的正負百分比微調對連鑄機鑄坯質量的控制是十分重要的。因此，利用上位機操作站通過工業以太網對PLC系統的運算參數作實時的修改和優化，并且通過WinCC組態軟件對一些重要的參數進行記錄，為今后的品種鋼開發提供了依據。

在今后的網絡建設中，通過SIEMENS OSM設備利用光纖環網，將天鐵集團煉鋼廠5臺連鑄機運用工業以太網通信技術組成冗余結構網絡，以適應未來發展的需要。

3 結束語

3.1 西門子工業網絡在小方坯連鑄機控制系統上的成功運用，使天鐵集團煉鋼廠連鑄機的控制水平得以提高。滿足了生產過程現場級數據可存取性的要求，保證了設備能夠在高溫、潮濕、振動、空氣污濁、電磁干擾等工況惡劣、對抗干擾性要求比較高的工業場合正常運行。實現了對運行參數和工藝數據實時監控、在線修改和優化。為生產、研發、工藝監督等部門合理的優化生產流程、及時的調整工藝參數、有效地開展新鋼種的研發起到了促進的作用。

3.2 通過生產實踐表明，工業網絡通信技術的發展可以使設備運行的可靠性、安全性得以很好的改善，提高了鑄坯的質量，降低了工人的勞動強度，減少了設備投入和維護的成本。對企業的自動化控制水平的提升是一個很關鍵的推動因素，也使企業更具有競爭力。

[1]崔堅.西門子網絡通信指南（上、下)[M].北京：機械工業出版社，2005.

[2]王柏林.自動控制原理[M].北京：電子工業出版社，2005.

[3]韓安榮.通用變頻器及其應用[M].北京：機械工業出版社，2005.

Application of SIEMENS Industrial Network to CCM Control System

Wang Wei,Wang Limin

The paper introduces the control system of billet casting machine of Steel-making Subsidiary,Tiantie,and the characteristics of SIEMENS industrial network communication techniques of MPI,PROFIBUS and Ethernet,i.e.,process data real-time monitoring,online correction,parameter optimization and record enquiry,which raise the control level of the caster.The equipment can run normally in hostile industrial environment with strict requirement on anti-interference while the targets of improving billet quality,optimizing control process and reducing equipment maintenance cost are hit.

:caster,control,network,Ethernet,communication,technique,converter,PLC

（收稿 2010－10－20 責編 崔建華)

王巍，2008年于天津理工大學電器自動化專業畢業，助理工程師，現在天鐵集團煉鋼廠從事自動化控制技術工作。