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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線加熱爐步進梁PLC系統核心控制部分為西門子S7-300系列PLC，通過PROFIBUS-DP現場總線協議連接主控室、液壓站、操作輔臺、控制室各ET200M分站，組建分布控制網絡，同時利用成熟的MPI總線網絡通訊技術連接加熱爐主控室、液壓站、操作輔臺3臺人機界面，組成完整、高效的HMI網絡，這種集散控制方式大大提高了系統功能。
二、硬件配置與網絡結構
1、硬件配置：
統：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，包括相應的I/O模塊、通訊處理模塊、計數模塊等；第三部分由3個ET200M組成，采用現場總線PROFIBUS-DP進行連接，主要包括加熱爐外圍設備所有開關量、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正常作為爐區設備狀態顯示、故障診斷、爐內鋼坯跟蹤，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備運行狀態監控，操作輔臺HMI主要作為爐區上料端設備狀態顯示、故障診斷。
2）PLC硬件參數：
主站：SIMATIC S7-300 CPU：314-2DP 128K RAM
I/O ： 64K數字量或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、裝料爐門等設備的數據采集與通訊；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、出鋼機等設備的控制信號的采集與輸出,中央處理器通過Profibus-DP網絡訪問I/O模塊。
2、網絡結構與工作原理：
本系統設有一條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)，MPI用于主站與HMI之間的數據傳輸；PROFIBUS-DP用于主站與3個ET200M之間的數據傳輸。
1）PLC通訊網絡分為兩部分：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和編程器之間的數據通訊以及連接主站S7-300 PLC和上位機、HMI之間的數據通訊，包括將上位機的設定值送到PLC或HMI進行控制，PLC將I/O信號模板采集到的數據送到上位機進行處理。 數據傳輸率為187.5kbps，相鄰站之間的距離無中繼器可達50m。
（2）PROFIBUS是按照DIN19245來進行標準化的。采用三種協議模型：PROFIBUS-FMS（現場總線信息規范）、PROFIBUS-PA（過程自動化），PROFIBUS-DP（分布式的I/O）。
2）工作原理：在總線系統里，每個站共享傳輸介質，當一個站接受到傳輸介質的訪問信號，通道訪問控制就確定了。PROFIBUS-DP現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，當主站接受到令牌，它獲得訪問總線系統的權力，當規定時間過去后，它把令牌傳到網絡上的下一個站，從站并不接受令牌，它們是由所屬的主站來直接尋址。它允許少量數據的高速循環通訊，具有高度的容錯性、數據的完整性、標準信息幀結構、在操作過程中可自由的訪問每個站等優點。數據傳輸率可達12Mbps,可用雙絞線和光纜傳輸數據，可自動識別從站的數據傳輸速率。
二、 系統完成的主要功能：
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；預測出鋼；換步距控制；爐內鋼坯位置跟蹤；雙步距控制；步進梁自動復位；步進梁升降曲線設定等。其中技術難度在于：如何確定爐內鋼坯的具體位置，而最終影響到能否自動出鋼。而實現推鋼機、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，又要所有設備都保留手動和自動兩種控制，手動主要用于調試和單機試車，完成各種設備的單體動作，自動用于正常生產。下面就各個主要功能進行詳細介紹：
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為正常生產狀態，逆循環主要用于倒鋼，踏步是為了避免爐內鋼坯在生產中斷時防止加熱不均造成黑印而設計的。正循環分為上升上段、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。在步進梁正循環過程中，關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”狀態下，遇到空步標志，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
加熱爐原先設計中是利用安裝在不同位置限位開關，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節，經常出現挑不到鋼、挑到一半鋼坯而出現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定值確定出鋼機行程；自動定位即利用編碼器和計數模塊準確記錄出鋼機的行程，將當前準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定，編碼器采集的脈沖信號通過計數模塊傳輸給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調節器控制出鋼機的運行速度曲線。在實際運行中發現，由于步進梁的誤差，有時會造成出鋼機行程設定與當前出鋼的實際位置存在偏差，因此在3#操作臺上設置了“出鋼機設定行程加（減）”按鈕開關，每個執行周期加減5mm，根據開關執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定值。
3、 位置點信號處理
帶鋼加熱爐最初設計中采用接近開關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則的平行四邊形，經常出現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范圍內就認為是原點；將位置傳感器檢測到的反饋值與設定值進行比較，當反饋值小于等于設定值時就認為到達減速點或停止點。程序中是采用限位開關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、 爐內鋼坯位置跟蹤及預測出鋼
爐內鋼坯位置跟蹤是加熱爐PLC改造中的一個技術難點，能否得到每支鋼坯的準確位置，將會直接影響到能否實現自動出鋼。在原先的設計中，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，根本無法實現真正意義上的自動出鋼。在此次改造中，為了準確跟蹤爐內每一只鋼的位置，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個區域，定義每個區域的指針地址及其地址所對應的鋼坯屬性，包括空步標志、坯首標志、鋼坯步距，進入爐內的第 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，當步進梁走下一步時，這支鋼的地址自動加為p+1，相對應的屬性坯首和空步標志自動傳遞到p+1地址中來，步距則是已走過的步距加上當前步進梁所走的步距之和，從而實現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，將出鋼緩沖區置位，并將累計步距加上設定執行步距，如果大于推鋼線到出鋼線的距離，則預測有鋼信號置位，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、步進梁自動復位功能
在原先加熱爐控制中，如果出現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“步進梁自動復位”功能。“步進梁自動復位”按鈕同樣也是設置在３＃臺的計算機上，步進梁復位時，先將步進梁動作的六個時段全部復位，然后執行從下降下、后退到上升下段程序，一般情況下，一個循環就可使步進梁回到原點。
6、加熱爐各段曲線設定
加熱爐原控制系統中各時段運行速度是通過調節比例閥放大板來實現的，由于比例閥放大板是由分立元件作成的，有時難免會出現參數偏移等故障，而且速度的調節是由工程技術人員完成的，操作工調節時只不過是憑感覺，沒法測量。在這次加熱爐PLC改造中，去除了比例閥放大板，而直接采用曲線設定，由工程技術人員或操作工直接在計算機上設定各個時段的減速點和停止點。
7、雙步距控制：
為了適應市場的發展和初軋車間的轉產，帶鋼車間的原料規格發生了變化，不止是360mm和400mm規格，有些規格超出了最大步距，在此次改造中，新增加了雙步距控制功能，以便適應企業長足發展的需要。具體內容是：輸入設定步距，判斷設定步距是否大于最大步距設定值，如果大于，就將雙步標志置位，同時也將雙步第一步標志位置位，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、加熱爐運行狀態監控：
分別在主控室、液壓站、操作輔臺設立了3個人機界面，進行加熱爐各種運行狀態監控及故障報警。每個人機界面設立了主畫面、參數設定、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備各種運行狀態，六個運行時段及各段時間顯示，步進梁的各種功能選擇，如步進梁復位、出鋼機自動定位等；
參數設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；
操作輔臺畫面對裝料端操作臺各種操作及指示進行狀態監控；
二、 幾點體會：
本系統軟件編程量特別大，同時在編程中，結合Step7軟件編程的特點，運用了大量技巧，使得程序結構明朗清晰、簡潔易讀。
1、 本系統中，硬件方面采用集散控制思路，減少控制電纜，采用區域間數據通訊傳輸，減少故障點，增加了傳輸速度與系統的可靠性。
2、 軟件編程方面運用了結構化程序設計思路，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（自動正循環時序控制）、FC11（裝料端程序）、FC22（傳步距設置）、FB10（加熱爐數據計算）、FB12（加減速曲線設定）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用，使得程序的可讀性強。
4、 編程中采用了大量的過程數據，使得程序的修改簡單，即程序中定義了大量的過程數據，將所有經常使用的I/O點傳輸給過程數據，這樣使用的優點一是如果修改了I/O點地址，只是修改定義過程數據一個地方，不必將程序中所有涉及到此I/O點的地方都進行修改；二是過程數據的使用大大縮短了程序的運行時間，過程數據屬于程序的中間變量，不必每次使用都從外部I/O地址中調用，提高了系統運行速度。
三、 運行效果
本系統運行效果良好，各項指標及控制功能均達到了設計預期目標，實現了加熱爐全過程自動控制，S7-300 PLC和PROFIBUS-DP網絡結構的應用，在控制相對集中的地點設立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用大大降低了操作工的勞動強度。在主電機室設立加熱爐HMI界面實現對加熱爐的運行狀態監控，取消了1KZ值班室，優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，在軋制超寬規格鋼坯時，雙步距控制方式比之以前的走一步空一步控制方式，每支鋼節省9秒鐘，大大提高了軋制節奏，為提高帶鋼的產量做出了突出貢獻。
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