基于Profinet 通信的鋼絲熱鍍鋅生產線智能調速系統的設計

王青葉

（天津工業職業學院，天津300400）

0 引言

《中國制造2025》提出的推進信息化和工業化深度融合，大力發展智能制造則是這條必經之路上的突破口、制高點和主攻方向。而工業控制技術、工業機器人、3D 打印、視覺技術、大數據、云計算、物聯網等先進熱門技術的深度融合，為智能制造業的發展提供了有力的技術支持。現有的鋼絲熱鍍鋅生產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，該系統設備陳舊，系統的穩定性和安全性欠佳，鍍鋅不均勻和漏鍍的問題時有發生，偶爾還會發生故障，影響生產，且加工不同規格的鋼絲還需人工調節鍍鋅速度。

本文介紹了一種升級的鋼絲熱鍍鋅生產線智能調速系統，在加工鋼絲時，可實現實時在線智能調速，可有效避免度鋅不均勻和漏鍍的問題。

1 鋼絲熱鍍鋅生產工藝簡介

1.1 熱鍍鋅鋼絲的生產工藝

熱鍍鋅也稱熱浸鋅，是將鋼鐵工件經過除油、除銹，呈現出無污、浸潤的表面，立即浸入到預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膜的方法。這層保護膜的耐腐蝕性能力強，可以有效延長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→復合溶劑處理→烘干→內加熱熱浸鋅→氮氣抹拭→工字輪計米收線→成品。

1.2 熱鍍鋅鋼絲的性能要求

近年來隨電力、交通、通訊、建筑事業迅速發展，熱鍍鋅鋼鐵工件需求量持續增加，對鋼鐵工件的防護要求也越來越嚴格。熱鍍鋅鋼絲品質要求：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、耐腐蝕性持久和持久度強，具有優良的韌性和彈性。

1.3 影響熱鍍鋅鋼絲品質的主要原因

（1）不同規格、不同品種鋼絲，其生產工藝要求不同，例如粗細不同鋼絲和高、中碳鋼絲的電解酸洗和熱浸鋅等時間和溫度是不相同的，如果不能及時調整熱鍍鋅生產線的速度，勢必會影響熱鍍鋅鋼絲品質。

（2）在熱鍍鋅鋼絲的生產加工過程中，生產條件在隨時隨地的發生著變化，例如熔融的熱浸鋅溫度會上下波動，如果不能動態調整熱鍍鋅生產線的速度，也會影響熱鍍鋅鋼絲品質。

終上所述，要對現有鋼絲熱鍍鋅生產線的調速系統進行升級和改造。具體要求：當鋼絲的生產規格、鋪層面、品種等發生變化或者當生產環境的某一項條件改變時，只需在人機界面的設備上輸入熱鍍鋅生產線的速度，該系統在鋼絲鍍鋅過程中，熱鍍鋅生產線也能夠進行在線、實時智能調速。這樣可以實現在同一條生產線上生產不同規格、不同品種、不同鋪層面質量的高品質鍍鋅鋼絲。

2 鋼絲熱鍍鋅生產線調速系統控制升級方案

2.1 傳統的變頻調速系統

在現代工業控制領域，大多數變頻調速系統是使用PLC 通過模擬量或者通過數字量控制變頻器調速。這種調速方式是：PLC 完全通過變頻器端子的硬接線來實現對變頻器的控制與調速，其參數需要預先設定好的，變頻器只能按照預先設計的方案進行調速，不能在線實時調速；而且變頻器的運行狀態信息不能有效的反饋，參數也不能在線修改和調整，這使得變頻調速的應用具有一定的局限性。

2.2 升級后的智能調速系統

升級后的鋼絲熱鍍鋅生產線智能調速系統是：使用PLC 通過工業以太網（這里使用西門子公司的Profinet 通訊，簡稱PN）對西門子G120C 變頻器進行控制，PLC 對變頻器的起、停、正反轉、調速以及頻率等參數信息實施在線給定和反饋等，都只是通過一根網絡線來實現，這大大提高了系統的實時性、可靠性和穩定性。

鋼絲熱鍍鋅智能調速控制系統主要構成包括：工業以太網、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 智能調速系統的控制方案

（1）工業以太網：它采用開放的網絡標準，使用透明而統一的TCP/IP 協議，以太網已成為工業控制領域的主要通信標準。文中智能調速系統中使用工業以太網交換機，這種交換機設備專用于工業環境，為復雜的工業控制提供實時、可靠的以太網數據傳輸。因為工業以太網采用存儲轉換交換方式，并且內置智能報警設計監控網絡運行狀況，所以這種交換機在提高以太網通信速度的同時，可以使得以太網在震動、濕氣、溫度、電磁干擾等惡劣危險的工業環境中保證穩定可靠運行。工業以太網交換機以其較高的防護等級（一般IP40）、較強的電磁兼容性（EMS 4 級）、穩定的工作性能為鋼絲熱鍍鋅生產線智能調速系統提供有力的通信保障。

（2）人機對話技術：本智能調速系統的人機對話設施采用昆侖通泰的觸摸屏MCGS 7062TI，這款觸摸屏性價高，支持工業以太網通信。工作人員可以方便地通過觸摸屏，設置電解酸洗的酸度、熔融鋅液的溫度、待鍍鋅鋼絲的規格、鋼絲熱鍍鋅生產線的運行速度等參數；也可通過觸摸屏監測以上實時生產要素。

（3）PLC 控制技術：本智能調速系統的控制技術采用可靠性高、通用性強、抗干擾能力強的PLC 控制技術，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Profinet（基于工業以太網，具有很好的實時性，可直接連接現場設備）接口。其中一個Profinet 口連接工業交換機，通過交換機可以與生產線的各個從站、變頻器等設備進行實時數據傳輸；另一個Profinet 口連接人機對話設備，一方面負責接受來自觸摸屏的各項參數設置或控制信息，一方面上傳各個生產要素的信息，實現信息實時交互。

（4）變頻技術：文中智能調速系統的傳動部分采用變頻驅動技術，它是通過改變交流電機工作電壓的頻率和幅度來平滑控制交流電機速度及轉矩，以實現交流電機無級調速。本智能調速系統采用德國西門子公司的G120C PN 變頻器，這款變頻器支持基于Profinet 的周期過程數據交換和變頻器參數訪問，即PLC 可以通過Profinet 來控制變頻器的啟停和調速，以及讀取變頻器狀態數字信息和電機實際轉速。使得傳動系統得以在線、實時平滑無級調速。

3 鋼絲熱鍍鋅生產線調速系統的設計

3.1 調速系統硬件組態

（1）使用西門子TIA PORTAL 軟件創建項目。創建項目時，為了不影響軟件的使用功能，項目名稱及項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）在已建的項目中添加PLC 設備[2]。在設備樹中選擇S7-1200→CPU→CPU1215C AC/DC/RLY→6ES7 215-1HG31-0XB0，選擇版本號V3.0。

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

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

（5）設置S7-1200 的PLC 名稱和分配IP 地址。選擇CPU1215C AC/DC/RLY，點擊“以太網地址”；分配IP 地址；修改Profinet 設備的名稱，該名稱可自定義，但必須是英文。

（6）設置變頻器G120C PN 設備名稱和分配IP地址。選擇G120C PN，點擊“以太網地址”，分配IP地址；修改Profinet 設備的名稱，該名稱可自定義，但必須是英文。

分配IP 地址時，須注意，子網掩碼必須一致，可以都是255.255.255.0；而每臺設備的IP 地址必須不同，但是，如果在同一個網絡中，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地址設置為192.168.2.1，變頻器的IP 地址就可以設置為192.168.2.2。

（7）組態G120C 的報文。西門子的G120C 的報文有兩種，分別是標準報文和西門子報文，文中的G120C 的報文采用的是標準報文2。若想使PLC 通過PN 來控制G120C 的啟停與調速，須明白報文的組成、含義及應用。其中標準報文2 的報文內容見表1。

表1 標準報文2 的報文內容

組態變頻器G120C 時，將硬件目錄中“Standard telegram1，PZD-2/2”拖到“設備概覽”視圖的插槽中，系統會自動分配了輸入輸出地址。其中輸入輸出是針對PLC 來講的，起始地址可自定義，但結束地址是系統根據起始報文編號和起始地址自動改變的，人為無法修改。本調速系統中，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 對應的地址為QW20，狀態字1 對應的地址為IW10，轉速設定值（32 位）對應地址為QW22，轉速實際值（32 位）對應地址為IW12。

有關控制字和狀態字定義可以在此簡單解釋：STW1 的第0 位是啟停變頻器G120C 的控制位，當STW1.0=1，變頻器啟動，當STW1.0=0 時，變頻器停止。在鋼絲熱鍍鋅智能調速控制系統中，使用MOVE 指令可將QW20.0 置位為1，變頻器啟動；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，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算機的網絡適配器一致的名稱；PLC 的IP 地址的子網掩碼與所使用計算機的一致，接口子網的連接選擇PN/IE_1 即可；然后搜索設備，找到之后，點擊下載即可。

3.2 變頻器G120C 的配置

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

3.3 電機的啟停和調速的軟件設計

在觸摸屏上組態一個啟動按鈕、一個停止按鈕，兩個信息輸出框、一個信息輸入框。將表2 中的數據信息組態到對應的元件元素中區即可。

在PLC 智能調速的程序設計中，只需使用4 個MOVE 指令，即可完成PLC 與變頻器之間的數據傳輸。變頻器的操作只需要將電機的額定電壓、額定電流等相關參數提前設置進去即可。

表2 組態數據信息

4 結語

本智能調速系統，采用了西門子公司的Profinet工業以太網通訊、昆侖通泰的觸摸屏MCGS 7062TI人機對話，西門子S7－1200 系列PLC、西門子G120C 變頻等一系列技術，對鋼絲熱鍍鋅生產線調速系統進行了智能升級，實現了PLC 對變頻器的起、停、正反轉、調速以及頻率等參數信息在線的給定和反饋。該智能調速系統硬件接線非常簡單，PLC程序設計思路淺顯易懂，能夠實現在線實時靈活調速，能有效避免出現鋼絲鍍鋅不均勻、漏鍍等缺陷問題，確實提升了熱鍍鋅鋼絲的品質。