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案例頻道一、 前言
萊蕪鋼鐵股份有限公司軋鋼廠熱軋窄帶鋼生產(chǎn)線加熱爐步進梁PLC系統(tǒng)核心控制部分為西門子S7-300系列PLC，通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線協(xié)議連接主控室、液壓站、操作輔臺、控制室各ET200M分站，組建分布控制網(wǎng)絡(luò)，同時利用成熟的MPI總線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)連接加熱爐主控室、液壓站、操作輔臺3臺人機界面，組成完整、高效的HMI網(wǎng)絡(luò)，這種集散控制方式大大提高了系統(tǒng)功能。
二、硬件配置與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
1、硬件配置：
統(tǒng)：包括1臺編程器，3臺人機界面（HMI）；第二部分為過程控制核心，也可稱為主站，是由一套S7-300系列PLC，包括相應(yīng)的I/O模塊、通訊處理模塊、計數(shù)模塊等；第三部分由3個ET200M組成，采用現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP進行連接，主要包括加熱爐外圍設(shè)備所有開關(guān)量、模擬量輸入/輸出控制信號的采集、處理和控制。
1）編程器及各HMI操作站
編程器：采用Dell 170L商用機，CPU為P4-3.0G，256RAM，軟件平臺Microsoft
Windows 2000，采用西門子STEP7編程軟件完成PLC程序編寫工作，采用西門子窗口控制中心WinCC建立人機界面。
HMI操作站：分別為主控室、液壓站、操作輔臺。其中主控室HMI正常作為爐區(qū)設(shè)備狀態(tài)顯示、故障診斷、爐內(nèi)鋼坯跟蹤，以及部分功能選擇；液壓站HMI主要用于步進梁的手動操作控制以及正常的設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)控，操作輔臺HMI主要作為爐區(qū)上料端設(shè)備狀態(tài)顯示、故障診斷。
2）PLC硬件參數(shù)：
主站：SIMATIC S7-300 CPU：314-2DP 128K RAM
I/O ： 64K數(shù)字量或4K模擬量
從站：3套ET200M分布式I/O站分別安裝在液壓站、操作輔臺、控制室。ET200M是一個模塊化的I/O站，采用擴展總線可連接8個S7-300 PLC的信號模板和功能模板，通過IM153接口模板把ET200M連接到PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線上，最大傳輸速率是12Mbps. 操作輔臺ET200M主要完成裝爐端上料輥道、推鋼機、裝料爐門等設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與通訊；液壓站ET200M主要完成液壓站泵閥的啟停及順序控制信號的采集與通訊；控制室 ET200M主要完成各種輥道、推鋼機、出鋼機等設(shè)備的控制信號的采集與輸出,中央處理器通過Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)訪問I/O模塊。
2、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與工作原理：
本系統(tǒng)設(shè)有一條MPI總線和一條PROFIBUS-DP總線，采用雙絞線纜，最大傳輸速率12Mb/s (與傳輸距離有關(guān))，MPI用于主站與HMI之間的數(shù)據(jù)傳輸；PROFIBUS-DP用于主站與3個ET200M之間的數(shù)據(jù)傳輸。
1）PLC通訊網(wǎng)絡(luò)分為兩部分：MPI， PROFIBUS-DP。
（1）MPI（多點通訊接口）
MPI多點通訊接口，主要用于連接主站S7-300 PLC和編程器之間的數(shù)據(jù)通訊以及連接主站S7-300 PLC和上位機、HMI之間的數(shù)據(jù)通訊，包括將上位機的設(shè)定值送到PLC或HMI進行控制，PLC將I/O信號模板采集到的數(shù)據(jù)送到上位機進行處理。 數(shù)據(jù)傳輸率為187.5kbps，相鄰站之間的距離無中繼器可達50m。
（2）PROFIBUS是按照DIN19245來進行標(biāo)準(zhǔn)化的。采用三種協(xié)議模型：PROFIBUS-FMS（現(xiàn)場總線信息規(guī)范）、PROFIBUS-PA（過程自動化），PROFIBUS-DP（分布式的I/O）。
2）工作原理：在總線系統(tǒng)里，每個站共享傳輸介質(zhì)，當(dāng)一個站接受到傳輸介質(zhì)的訪問信號，通道訪問控制就確定了。PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線使用一種混合式的訪問方法（具有低層的主-從站用令牌傳送），在PROFIBUS-DP上，當(dāng)主站接受到令牌，它獲得訪問總線系統(tǒng)的權(quán)力，當(dāng)規(guī)定時間過去后，它把令牌傳到網(wǎng)絡(luò)上的下一個站，從站并不接受令牌，它們是由所屬的主站來直接尋址。它允許少量數(shù)據(jù)的高速循環(huán)通訊，具有高度的容錯性、數(shù)據(jù)的完整性、標(biāo)準(zhǔn)信息幀結(jié)構(gòu)、在操作過程中可自由的訪問每個站等優(yōu)點。數(shù)據(jù)傳輸率可達12Mbps,可用雙絞線和光纜傳輸數(shù)據(jù)，可自動識別從站的數(shù)據(jù)傳輸速率。
二、 系統(tǒng)完成的主要功能：
加熱爐PLC改造完成的主要功能有：加熱爐步進梁各種運行過程的自動控制；裝料端、出料端自動控制；出鋼機行程自動定位；預(yù)測出鋼；換步距控制；爐內(nèi)鋼坯位置跟蹤；雙步距控制；步進梁自動復(fù)位；步進梁升降曲線設(shè)定等。其中技術(shù)難度在于：如何確定爐內(nèi)鋼坯的具體位置，而最終影響到能否自動出鋼。而實現(xiàn)推鋼機、步進梁、出鋼機、裝出料輥道、裝出料爐門的全過程自動屬于邏輯順序控制，既要充分滿足工藝上的各種連鎖要求，又要所有設(shè)備都保留手動和自動兩種控制，手動主要用于調(diào)試和單機試車，完成各種設(shè)備的單體動作，自動用于正常生產(chǎn)。下面就各個主要功能進行詳細(xì)介紹：
1、 加熱爐步進梁各種運行過程自動控制
步進式加熱爐步進梁正循環(huán)為正常生產(chǎn)狀態(tài)，逆循環(huán)主要用于倒鋼，踏步是為了避免爐內(nèi)鋼坯在生產(chǎn)中斷時防止加熱不均造成黑印而設(shè)計的。正循環(huán)分為上升上段、前進段、下降上段、下降下段、后退段、上升下段六個時段，每個時段都是先加速、后勻速、最后減速的過程。在步進梁正循環(huán)過程中，關(guān)鍵是步進梁啟動的各種工作條件要充分考慮清楚：首先正常情況下推鋼機推鋼到位，啟動步進梁；如果步進梁在“自動啟動”狀態(tài)下，遇到空步標(biāo)志，且推鋼機到達后極限，此時步進梁自動啟動；在雙步運行中，雙步第一步步進梁自動啟動。步進梁六個時段順序控制中，前一個時段的停止點是下一個時段運行的必要條件
2、 出鋼機行程自動定位
加熱爐原先設(shè)計中是利用安裝在不同位置限位開關(guān)，確定出鋼機前限位、后限位、超前限位、超后限位，從而確定出鋼機停止的位置。由于出鋼機行程不可調(diào)節(jié)，經(jīng)常出現(xiàn)挑不到鋼、挑到一半鋼坯而出現(xiàn)鋼坯掉下來砸爐頭或一次挑兩支鋼的情況。在此次PLC改造中，出鋼機行程采用兩種定位方式：固定位置和自動定位。所謂固定位置即行程設(shè)定值確定出鋼機行程；自動定位即利用編碼器和計數(shù)模塊準(zhǔn)確記錄出鋼機的行程，將當(dāng)前準(zhǔn)備出鋼的那一只鋼到出鋼線的距離作為出鋼機的前進行程設(shè)定，編碼器采集的脈沖信號通過計數(shù)模塊傳輸給PLC作為出鋼機行程的反饋值，為了避免出鋼機啟動后對步進梁的沖擊，在程序中作了P調(diào)節(jié)器控制出鋼機的運行速度曲線。在實際運行中發(fā)現(xiàn)，由于步進梁的誤差，有時會造成出鋼機行程設(shè)定與當(dāng)前出鋼的實際位置存在偏差，因此在3#操作臺上設(shè)置了“出鋼機設(shè)定行程加（減）”按鈕開關(guān)，每個執(zhí)行周期加減5mm，根據(jù)開關(guān)執(zhí)行時間的長短來控制加減行程的多少，用來修正出鋼機自動定位的設(shè)定值。
3、 位置點信號處理
帶鋼加熱爐最初設(shè)計中采用接近開關(guān)檢測各個時段的減速點和停止點，由于步進梁的運行誤差，實際運行曲線是一個不規(guī)則的平行四邊形，經(jīng)常出現(xiàn)找不到原點及各個減速停止點，影響加熱爐的正常運行。在此次加熱爐PLC改造中，除了保留原先的接近開關(guān)外，還分別在加熱爐控制升降和平移的缸體上安裝位置傳感器，采用國際先進的位置檢測元件―德國巴魯夫BTL5位置傳感器對加熱爐的升降和平移位置進行檢測，精確度達微米級，從而提高了控制精度。在位置點的處理上，程序中是這樣作的：在水平距離6cm，垂直距離5cm范圍內(nèi)就認(rèn)為是原點；將位置傳感器檢測到的反饋值與設(shè)定值進行比較，當(dāng)反饋值小于等于設(shè)定值時就認(rèn)為到達減速點或停止點。程序中是采用限位開關(guān)還是位置傳感器確定減速停止點，由操作工在3#臺上的計算機上進行選擇。
4、 爐內(nèi)鋼坯位置跟蹤及預(yù)測出鋼
爐內(nèi)鋼坯位置跟蹤是加熱爐PLC改造中的一個技術(shù)難點，能否得到每支鋼坯的準(zhǔn)確位置，將會直接影響到能否實現(xiàn)自動出鋼。在原先的設(shè)計中，鋼坯跟蹤是靠理論計算的，步進梁每走一步，鋼坯位置累加一個步距，而在實際情況中，由于步進梁平移存在誤差，理論計算就會將每一步的誤差累計，這樣一支鋼從入爐到處出爐，理論計算位置與實際位置相差甚遠(yuǎn)，根本無法實現(xiàn)真正意義上的自動出鋼。在此次改造中，為了準(zhǔn)確跟蹤爐內(nèi)每一只鋼的位置，一是在硬件上安裝了位置傳感器，精確測量步進梁走過的每一步步距，二是在程序上人為的將加熱爐縱向分為85個區(qū)域，定義每個區(qū)域的指針地址及其地址所對應(yīng)的鋼坯屬性，包括空步標(biāo)志、坯首標(biāo)志、鋼坯步距，進入爐內(nèi)的第 i支鋼的地址記為p，那么它的屬性是否是坯首，是否是空步，以及走過的步距都記錄下來，當(dāng)步進梁走下一步時，這支鋼的地址自動加為p+1，相對應(yīng)的屬性坯首和空步標(biāo)志自動傳遞到p+1地址中來，步距則是已走過的步距加上當(dāng)前步進梁所走的步距之和，從而實現(xiàn)了每一支鋼坯位置的在線跟蹤。判斷累加步距是否大于推鋼線到出鋼線的距離，如果大于，將出鋼緩沖區(qū)置位，并將累計步距加上設(shè)定執(zhí)行步距，如果大于推鋼線到出鋼線的距離，則預(yù)測有鋼信號置位，步進梁再走下一步時，自動啟動出料端出鋼；如果不大于，則預(yù)測有鋼信號不置位，只是步進梁再走一步，而出料端不動作。
5、步進梁自動復(fù)位功能
在原先加熱爐控制中，如果出現(xiàn)了步進梁回不到原點，就到爐底手動操作升降與平移，使其到達原點，在這次加熱爐PLC改造中，增加了“步進梁自動復(fù)位”功能?！安竭M梁自動復(fù)位”按鈕同樣也是設(shè)置在３＃臺的計算機上，步進梁復(fù)位時，先將步進梁動作的六個時段全部復(fù)位，然后執(zhí)行從下降下、后退到上升下段程序，一般情況下，一個循環(huán)就可使步進梁回到原點。
6、加熱爐各段曲線設(shè)定
加熱爐原控制系統(tǒng)中各時段運行速度是通過調(diào)節(jié)比例閥放大板來實現(xiàn)的，由于比例閥放大板是由分立元件作成的，有時難免會出現(xiàn)參數(shù)偏移等故障，而且速度的調(diào)節(jié)是由工程技術(shù)人員完成的，操作工調(diào)節(jié)時只不過是憑感覺，沒法測量。在這次加熱爐PLC改造中，去除了比例閥放大板，而直接采用曲線設(shè)定，由工程技術(shù)人員或操作工直接在計算機上設(shè)定各個時段的減速點和停止點。
7、雙步距控制：
為了適應(yīng)市場的發(fā)展和初軋車間的轉(zhuǎn)產(chǎn)，帶鋼車間的原料規(guī)格發(fā)生了變化，不止是360mm和400mm規(guī)格，有些規(guī)格超出了最大步距，在此次改造中，新增加了雙步距控制功能，以便適應(yīng)企業(yè)長足發(fā)展的需要。具體內(nèi)容是：輸入設(shè)定步距，判斷設(shè)定步距是否大于最大步距設(shè)定值，如果大于，就將雙步標(biāo)志置位，同時也將雙步第一步標(biāo)志位置位，步進梁走第一步時，推料端與步進梁動作，出料端不動；當(dāng)步進梁走第二步時，推料端不動，步進梁走一步空步，出料端動作出鋼。
8、加熱爐運行狀態(tài)監(jiān)控：
分別在主控室、液壓站、操作輔臺設(shè)立了3個人機界面，進行加熱爐各種運行狀態(tài)監(jiān)控及故障報警。每個人機界面設(shè)立了主畫面、參數(shù)設(shè)定、操作輔臺、液壓站、鋼坯跟蹤等畫面。
主畫面顯示顯示步進梁設(shè)備各種運行狀態(tài)，六個運行時段及各段時間顯示，步進梁的各種功能選擇，如步進梁復(fù)位、出鋼機自動定位等；
參數(shù)設(shè)定畫面可以對步進梁六個運行時段的減速點、停止點進行設(shè)定，進行步距選擇：360步距、400步距、雙步距；鋼坯跟蹤畫面主要完成爐內(nèi)每一支鋼坯的位置跟蹤。
液壓站畫面顯示加熱爐手動操作及液壓站各類泵閥運行狀態(tài)；
操作輔臺畫面對裝料端操作臺各種操作及指示進行狀態(tài)監(jiān)控；
二、 幾點體會：
本系統(tǒng)軟件編程量特別大，同時在編程中，結(jié)合Step7軟件編程的特點，運用了大量技巧，使得程序結(jié)構(gòu)明朗清晰、簡潔易讀。
1、 本系統(tǒng)中，硬件方面采用集散控制思路，減少控制電纜，采用區(qū)域間數(shù)據(jù)通訊傳輸，減少故障點，增加了傳輸速度與系統(tǒng)的可靠性。
2、 軟件編程方面運用了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計思路，將相對獨立、集中的控制放到一個程序功能或功能塊中，例如FC10（自動正循環(huán)時序控制）、FC11（裝料端程序）、FC22（傳步距設(shè)置）、FB10（加熱爐數(shù)據(jù)計算）、FB12（加減速曲線設(shè)定）等。
3、 在主程序中，只是滿足各種條件下的功能及功能塊的調(diào)用，使得程序的可讀性強。
4、 編程中采用了大量的過程數(shù)據(jù)，使得程序的修改簡單，即程序中定義了大量的過程數(shù)據(jù)，將所有經(jīng)常使用的I/O點傳輸給過程數(shù)據(jù)，這樣使用的優(yōu)點一是如果修改了I/O點地址，只是修改定義過程數(shù)據(jù)一個地方，不必將程序中所有涉及到此I/O點的地方都進行修改；二是過程數(shù)據(jù)的使用大大縮短了程序的運行時間，過程數(shù)據(jù)屬于程序的中間變量，不必每次使用都從外部I/O地址中調(diào)用，提高了系統(tǒng)運行速度。
三、 運行效果
本系統(tǒng)運行效果良好，各項指標(biāo)及控制功能均達到了設(shè)計預(yù)期目標(biāo)，實現(xiàn)了加熱爐全過程自動控制，S7-300 PLC和PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，在控制相對集中的地點設(shè)立ET200M從站，減少了大量控制電纜，降低了故障隱患，減少了改造的勞動強度，提高了改造的技術(shù)含量與步進式加熱爐自動控制水平。加熱爐全過程自動控制的應(yīng)用大大降低了操作工的勞動強度。在主電機室設(shè)立加熱爐HMI界面實現(xiàn)對加熱爐的運行狀態(tài)監(jiān)控，取消了1KZ值班室，優(yōu)化了值班人員的組合配置，充實了日常點檢定修的力量，提高了維護檢修效率。特別是步進梁雙步距的成功開發(fā)，在軋制超寬規(guī)格鋼坯時，雙步距控制方式比之以前的走一步空一步控制方式，每支鋼節(jié)省9秒鐘，大大提高了軋制節(jié)奏，為提高帶鋼的產(chǎn)量做出了突出貢獻。
參考文獻：
1、《STEP 7 V5.1 編程使用手冊》 西門子電氣傳動有限公司 2003
2、《SIMATIC WinCC組態(tài)手冊》 西門子電氣傳動有限公司 2001
3、《SIMATIC S7-300可編程序控制器產(chǎn)品目錄》 西門子電氣傳動有限公司 2001
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號