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案例详细
标题网络控制系统在感应加热设备中的应用
技术领域
行业
简介本文介绍了S7－300系列PLC与PROFIBUS－DP、以太网组成二级计算机网络控制系统在感应加热设备在的应用。
内容
0　引言
        2002年初，安钢第四轧钢厂（无缝钢管厂）为提升产品档次、提高产品质量及适应市场能力，新增微张力减径机。由于前道工序流程较长，来料温度明显偏低，无法满足微张力减径机开轧温度的要求，需在微张力减径机前对来料进行二次加热。受现场工艺条件限制，经投资效益分析比较，在国内率先采用中频在线感应加热设备代替传统的再加热炉对钢管进行二次加热。此套感应加热设备采用了先进的二级计算机网络控制，分别为：基础自动化级、过程控制级。

1　基础自动化级

        选用西门子公司S7-300系列可编程序控制器构成集散式结构。根据项目工况及控制量数量，设置一个主站和三个从站，各站间采用冗余化设计的profibus-DP网络联接。[1]
1.1　主站配置
该站要完成的主要功能为：
●        来料及出料温度的在线检测。
●        实现辊道速度自动控制。
●        实现与后道工序（微张力减径机）间速度、温度等信号的通讯。
●        辅助水循环系统水泵的控制。
●        各电源柜与水循环系统运行中异常信号报警与保护。
●        实现控制方式的自动/手动转换及紧急停车功能
该站设置的主要I/0点有：
●        来自现场红外线测温仪的测温信号四组（进口与出口各一组，三组感应器之间两组）。
●        辊道速度检测信号（来自脉冲编码器）两组。
●        来自微张力减径机的入口速度信号与故障信号。
●        辅助水循环系统的水位、水压、水温等数字输入信号。
●        辊道、水泵开、停与电机过载信号。
●        自动/手动转换与紧急停车信号。
该站PLC控制器主要配置如下：[2]
●        中央处理器选用CPU-315-2DP。主要技术数据为:
工作存储器（集成） 64KB
负载存储器  96KB RAM 可扩展512KB(存储器卡)
MPI 最大节点数64；通讯波特率187.5K波特
DP接口 允许从站数64
●        模拟量输入模块SM 331:AI8×12位
●        模拟量输出模块 SM 332;AO8×12位
●        数字量输入模块 SM 321;DI32×2V DC
●        数字量输出模块 SM 322;DO32×2V DC
●        电源模块 PS 307 5A
●        MPI总线连接器 （用于与计算机间的通讯）
●        PROFIBUS-DP 总线连接器（用于与从站间的通讯）
●        FEPROM 存储卡
●        后备电池
 
1.2　从站配置
三个从站采用远程ET200M站，各对应一台加热电源，从站应完成如下功能：
●        控制电源开停、电源断路器开停、中频电源启动/停止等操作
●        中频电源功率给定与调节
●        电源柜水压与水温保护
●        综合报警信号输出
●        中频电压、电流信号反馈
 
每一从站的主要I/O点配置如下：
●        电源启动成功检测信号
●        水压、水温及控制板综合故障检测信号
●        中频电压、电流反馈信号
●        控制电源、电源断路器、中频电源启动/停止等操作信号
●        直流电压模拟量控制信号
从站的配置为（一个从站）：
●        接口模块 IM153
●        模拟量输入模块SM 331:AI8×12位
●        模拟量输出模块 SM 332;AO8×12位
●        数字量输入模块 SM 321;DI32×2V DC
●        数字量输出模块 SM 322;DO32×2V DC
●        电源模块 PS307 5A
●        PROFIBUS 总线连接器
 
1.3　通讯设置
        PLC系统主站与各从站间采用PROFIBUS-DP现场总线实现适时通讯，其主要参数设置如下：[2]
传输速率：1.5 M bit/s
主站固定扫描时间：26.357ms
从站同步功能
总线行规：DP行规
通讯区域大小：32字节
通讯故障诊断地址：1022
        由于通讯距离较长，主站和从站间加装RS485中继器两个，同时，DP网两端设有源总路线终端（Active Bus Terminal），确保在某一从站掉电时系统通讯不受影响。
        ISO/OSI通信标准模型由七层级组成，并分成两类。一类是面向用户的第五层到第七层，另一类是面向网络的第一层到第四层。第一层到第四层描述从一个地方传输到另一个地方，第五层到第七层给用户提供适当的方式去访问网络系统。PROFIBUS协议采用ISO/OSI模型的第一层、第二层和第七层。从用户角度看，PROFIBUS提供了三种通信协议类型：DP、FMS和PA。而PROFIBUS-DP使用了第一层和第二层，这种精简的结构保证了数据的高速传送，特别适合可编程控制器与现场分散的I/O设备之间的通信。[4]
        工控机（操作员站和工程师站）通过MPI网与PLC系统相联，网络参数设置如下：
传输速率：187.5 k bit/s
通讯协议：SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE
网络通讯卡：CP5611（MPI）
        设操作员站和工程师站各一个，通过MPI网和CPU-315-2DP相连。
        操作员站选用研华工业控制计算机，采用Windows2000系统，配置西门子公司的WinCC上位组态控制软件，可完成如下功能：
●        感应加热设备运行中各种参数及设备状态的动画显示、监视，如来料进出口温度、辊道运行速度、各段电源功率输出当前值、电源运行状态及各种设备异常报警信号、水循环系统水位、水压、水温等信号。
●        实现加热过程所需的各种工艺设定，如被加热钢管规格、钢种、出口钢管要求温度、加热速度限制等。这些设定值被二级获取后会调整相应的工艺制度，然后再下传给一级基础自动化执行，使钢管能够达到设定值，从而满足生产要求。若没有新的工艺设定值输入，一级基础自动化将一直按照此工艺制度去执行。但是对二级传达的各种制度和指令不能做任何修改、设定。
●        通过触摸屏完成辊道开/停、循环水泵开/停、电源启动/停止、自动/手动转换、紧急停车等操作。
●        实现手动状态下电源功率、辊道速度的人工调整。
工程师站同样选用工控机，除WinCC上位组态控制软件外，配置STEP7软件，可实现PLC各种运行数据的在线监控及设备故障自诊断，在操作员站出现通讯故障时还可全面接管其功能。
MPI通信是当通信速率要求不高、通信数据量不在时，可以采用的一种简单经济的通信方式。CP5611是一种PCI卡，用于台式电脑编程和通信，此卡具有网络诊断功能，通信速率最高可达12Mbit/s。S7-300与HMI产品之间的MPI通信不需要STEP7软件组态，也不需要编写任何程序，只须在HMI组态软件上设置一下相关通信参数即可。[4]
 

2　过程控制级

        用工业控制计算机通过以太网与操作员站、工程师站、微张减工控机完成适时通讯，实现上位管理与控制。其功能为：
●        通过工艺控制软件，根据操作员站设定的钢管生产规格及钢管进\出温度等，产生生产流程中的各种工艺制度，如微张力减径机轧机速度设定、感应加热加热制度等，在生产过程中直接下传给一级基础自动化去执行。
●        实现感应加热与微张力减径机间的速度协调控制与匹配。
●        其它工艺参数的输入。
●        实现与前、后道工序的协同控制。
●        完成各种工艺参数的记录, 如终轧温度记录、加热记录、轧制记录及加热温度曲线显示、数据打印、系统的信息管理。
整个计算机控制系统的硬件配置如图4-1所示：[5]


        工业以太网符合国际标准IEEE802.3，是为工业应用专门设计的，是开放式、多供应商、高性能的功能强大的区域和单元网络，是目前工控界最为流行的网络技术。工业以太网已经广泛地用于控制网络的最高层，为SIMATIC NET提供了一个无缝集成到管理网络和互联网。[3]                    
以太网具有以下优点：
●        可以采用冗余的网络拓扑结构，可靠性高；
●        通过交换技术可以提供实际上没有限制的通信性能；
●        灵活性好，现有的设备可以不受影响地扩张；
●        在不断发展的过程中具有良好的向下兼容性，保证了投资的安全；
●        易于实现管理控制网络的一体化；
 
3          应用效果
        3.1　设备自2002年4月投用以来，常规生产规格可在线提温200℃以上，基本满足了工艺要求，电耗稳定在50KWh/t以下，实现了高效低耗运行。
        3.2  整个网络运行稳定，通讯速度快，可视化管理提高。
        3.3  通过二级网络控制，实现了生产管理简单、系统稳定、操作简便、产量高、产品质量高。
　
4          结束语
        感应加热设备采用二级计算机网络控制，实现了现场技术、PLC技术、以太网技术、可视化人机接口技术与生产管理技术为一体，适应了现代工厂生产节奏快和自动化的特点，大大促进了生产和提高了产品产量和质量。
参考文献
[1].          Siemens AG.S7-300 可编程序控制器硬件和安装手册.北京：1999
[2].          皮壮行.可编程序控制器的系统设计与应用实例.北京：机械工业出版社，2003
[3].          张浩、谭克勤、朱守云. 现场总线与工业以太网络应用技术手册(第二册) . 上海：上海科学技术出版社，2004
[4].          崔坚、李佳、杨光.Siemens Industrial Communication guide.北京：机械工业出版社，2005
[5].          瘳常初.S7-300/400 PLC 应用技术. 北京：机械工业出版社，2005