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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(jìn)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(chǎng)總線協(xié)議連接主控室、液壓站、操作輔臺(tái)、控制室各ET200M分站，組建分布控制網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)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(tái)3臺(tái)人機(jī)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(tái)編程器，3臺(tái)人機(jī)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(jì)數(shù)模塊等；第三部分由3個(gè)ET200M組成，采用現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS-DP進(jìn)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(hào)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(jī)，CPU為P4-3.0G，256RAM，軟件平臺(tái)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(jī)界面。
HMI操作站：分別為主控室、液壓站、操作輔臺(tái)。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(jìn)梁的手動(dòng)操作控制以及正常的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，操作輔臺(tái)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(tái)、控制室。ET200M是一個(gè)模塊化的I/O站，采用擴(kuò)展總線可連接8個(gè)S7-300 PLC的信號(hào)模板和功能模板，通過IM153接口模板把ET200M連接到PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線上，最大傳輸速率是12Mbps. 操作輔臺(tái)ET200M主要完成裝爐端上料輥道、推鋼機(jī)、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(hào)的采集與通訊；控制室 ET200M主要完成各種輥道、推鋼機(jī)、出鋼機(jī)等設(shè)備的控制信號(hào)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(gè)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(diǎn)通訊接口）
MPI多點(diǎn)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(jī)、HMI之間的數(shù)據(jù)通訊，包括將上位機(jī)的設(shè)定值送到PLC或HMI進(jìn)行控制，PLC將I/O信號(hào)模板采集到的數(shù)據(jù)送到上位機(jī)進(jìn)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(dá)50m。
（2）PROFIBUS是按照DIN19245來進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的。采用三種協(xié)議模型：PROFIBUS-FMS（現(xiàn)場(chǎng)總線信息規(guī)范）、PROFIBUS-PA（過程自動(dòng)化），PROFIBUS-DP（分布式的I/O）。
2）工作原理：在總線系統(tǒng)里，每個(gè)站共享傳輸介質(zhì)，當(dāng)一個(gè)站接受到傳輸介質(zhì)的訪問信號(hào)，通道訪問控制就確定了。PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)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(shí)間過去后，它把令牌傳到網(wǎng)絡(luò)上的下一個(gè)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(cuò)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(gè)站等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)12Mbps,可用雙絞線和光纜傳輸數(shù)據(jù)，可自動(dòng)識(shí)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(jìn)梁各種運(yùn)行過程的自動(dòng)控制；裝料端、出料端自動(dòng)控制；出鋼機(jī)行程自動(dòng)定位；預(yù)測(cè)出鋼；換步距控制；爐內(nèi)鋼坯位置跟蹤；雙步距控制；步進(jìn)梁自動(dòng)復(fù)位；步進(jìn)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(dòng)出鋼。而實(shí)現(xiàn)推鋼機(jī)、步進(jìn)梁、出鋼機(jī)、裝出料輥道、裝出料爐門的全過程自動(dòng)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(dòng)和自動(dòng)兩種控制，手動(dòng)主要用于調(diào)試和單機(jī)試車，完成各種設(shè)備的單體動(dòng)作，自動(dòng)用于正常生產(chǎn)。下面就各個(gè)主要功能進(jìn)行詳細(xì)介紹：
1、 加熱爐步進(jìn)梁各種運(yùn)行過程自動(dòng)控制
步進(jìn)式加熱爐步進(jìn)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(shí)防止加熱不均造成黑印而設(shè)計(jì)的。正循環(huán)分為上升上段、前進(jìn)段、下降上段、下降下段、后退段、上升下段六個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段都是先加速、后勻速、最后減速的過程。在步進(jìn)梁正循環(huán)過程中，關(guān)鍵是步進(jìn)梁?jiǎn)?dòng)的各種工作條件要充分考慮清楚：首先正常情況下推鋼機(jī)推鋼到位，啟動(dòng)步進(jìn)梁；如果步進(jìn)梁在“自動(dòng)啟動(dòng)”狀態(tài)下，遇到空步標(biāo)志，且推鋼機(jī)到達(dá)后極限，此時(shí)步進(jìn)梁自動(dòng)啟動(dòng)；在雙步運(yùn)行中，雙步第一步步進(jìn)梁自動(dòng)啟動(dòng)。步進(jìn)梁六個(gè)時(shí)段順序控制中，前一個(gè)時(shí)段的停止點(diǎn)是下一個(gè)時(shí)段運(yùn)行的必要條件
2、 出鋼機(jī)行程自動(dòng)定位
加熱爐原先設(shè)計(jì)中是利用安裝在不同位置限位開關(guān)，確定出鋼機(jī)前限位、后限位、超前限位、超后限位，從而確定出鋼機(jī)停止的位置。由于出鋼機(jī)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(jī)行程采用兩種定位方式：固定位置和自動(dòng)定位。所謂固定位置即行程設(shè)定值確定出鋼機(jī)行程；自動(dòng)定位即利用編碼器和計(jì)數(shù)模塊準(zhǔn)確記錄出鋼機(jī)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(jī)的前進(jìn)行程設(shè)定，編碼器采集的脈沖信號(hào)通過計(jì)數(shù)模塊傳輸給PLC作為出鋼機(jī)行程的反饋值，為了避免出鋼機(jī)啟動(dòng)后對(duì)步進(jìn)梁的沖擊，在程序中作了P調(diào)節(jié)器控制出鋼機(jī)的運(yùn)行速度曲線。在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，由于步進(jìn)梁的誤差，有時(shí)會(huì)造成出鋼機(jī)行程設(shè)定與當(dāng)前出鋼的實(shí)際位置存在偏差，因此在3#操作臺(tái)上設(shè)置了“出鋼機(jī)設(shè)定行程加（減）”按鈕開關(guān)，每個(gè)執(zhí)行周期加減5mm，根據(jù)開關(guān)執(zhí)行時(shí)間的長(zhǎng)短來控制加減行程的多少，用來修正出鋼機(jī)自動(dòng)定位的設(shè)定值。
3、 位置點(diǎn)信號(hào)處理
帶鋼加熱爐最初設(shè)計(jì)中采用接近開關(guān)檢測(cè)各個(gè)時(shí)段的減速點(diǎn)和停止點(diǎn)，由于步進(jìn)梁的運(yùn)行誤差，實(shí)際運(yùn)行曲線是一個(gè)不規(guī)則的平行四邊形，經(jīng)常出現(xiàn)找不到原點(diǎn)及各個(gè)減速停止點(diǎn)，影響加熱爐的正常運(yùn)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(guó)際先進(jìn)的位置檢測(cè)元件―德國(guó)巴魯夫BTL5位置傳感器對(duì)加熱爐的升降和平移位置進(jìn)行檢測(cè)，精確度達(dá)微米級(jí)，從而提高了控制精度。在位置點(diǎn)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(diǎn)；將位置傳感器檢測(cè)到的反饋值與設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)反饋值小于等于設(shè)定值時(shí)就認(rèn)為到達(dá)減速點(diǎn)或停止點(diǎn)。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(diǎn)，由操作工在3#臺(tái)上的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行選擇。
4、 爐內(nèi)鋼坯位置跟蹤及預(yù)測(cè)出鋼
爐內(nèi)鋼坯位置跟蹤是加熱爐PLC改造中的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，能否得到每支鋼坯的準(zhǔn)確位置，將會(huì)直接影響到能否實(shí)現(xiàn)自動(dòng)出鋼。在原先的設(shè)計(jì)中，鋼坯跟蹤是靠理論計(jì)算的，步進(jìn)梁每走一步，鋼坯位置累加一個(gè)步距，而在實(shí)際情況中，由于步進(jìn)梁平移存在誤差，理論計(jì)算就會(huì)將每一步的誤差累計(jì)，這樣一支鋼從入爐到處出爐，理論計(jì)算位置與實(shí)際位置相差甚遠(yuǎn)，根本無法實(shí)現(xiàn)真正意義上的自動(dòng)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(cè)量步進(jìn)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(gè)區(qū)域，定義每個(gè)區(qū)域的指針地址及其地址所對(duì)應(yīng)的鋼坯屬性，包括空步標(biāo)志、坯首標(biāo)志、鋼坯步距，進(jìn)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(jìn)梁走下一步時(shí)，這支鋼的地址自動(dòng)加為p+1，相對(duì)應(yīng)的屬性坯首和空步標(biāo)志自動(dòng)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(jìn)梁所走的步距之和，從而實(shí)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(jì)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(cè)有鋼信號(hào)置位，步進(jìn)梁再走下一步時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)出料端出鋼；如果不大于，則預(yù)測(cè)有鋼信號(hào)不置位，只是步進(jìn)梁再走一步，而出料端不動(dòng)作。
5、步進(jìn)梁自動(dòng)復(fù)位功能
在原先加熱爐控制中，如果出現(xiàn)了步進(jìn)梁回不到原點(diǎn)，就到爐底手動(dòng)操作升降與平移，使其到達(dá)原點(diǎn)，在這次加熱爐PLC改造中，增加了“步進(jìn)梁自動(dòng)復(fù)位”功能?！安竭M(jìn)梁自動(dòng)復(fù)位”按鈕同樣也是設(shè)置在３＃臺(tái)的計(jì)算機(jī)上，步進(jìn)梁復(fù)位時(shí)，先將步進(jìn)梁動(dòng)作的六個(gè)時(shí)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(gè)循環(huán)就可使步進(jìn)梁回到原點(diǎn)。
6、加熱爐各段曲線設(shè)定
加熱爐原控制系統(tǒng)中各時(shí)段運(yùn)行速度是通過調(diào)節(jié)比例閥放大板來實(shí)現(xiàn)的，由于比例閥放大板是由分立元件作成的，有時(shí)難免會(huì)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(shí)只不過是憑感覺，沒法測(cè)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(jì)算機(jī)上設(shè)定各個(gè)時(shí)段的減速點(diǎn)和停止點(diǎn)。
7、雙步距控制：
為了適應(yīng)市場(chǎng)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(zhǎng)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(shí)也將雙步第一步標(biāo)志位置位，步進(jìn)梁走第一步時(shí)，推料端與步進(jìn)梁動(dòng)作，出料端不動(dòng)；當(dāng)步進(jìn)梁走第二步時(shí)，推料端不動(dòng)，步進(jìn)梁走一步空步，出料端動(dòng)作出鋼。
8、加熱爐運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控：
分別在主控室、液壓站、操作輔臺(tái)設(shè)立了3個(gè)人機(jī)界面，進(jìn)行加熱爐各種運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控及故障報(bào)警。每個(gè)人機(jī)界面設(shè)立了主畫面、參數(shù)設(shè)定、操作輔臺(tái)、液壓站、鋼坯跟蹤等畫面。
主畫面顯示顯示步進(jìn)梁設(shè)備各種運(yùn)行狀態(tài)，六個(gè)運(yùn)行時(shí)段及各段時(shí)間顯示，步進(jìn)梁的各種功能選擇，如步進(jìn)梁復(fù)位、出鋼機(jī)自動(dòng)定位等；
參數(shù)設(shè)定畫面可以對(duì)步進(jìn)梁六個(gè)運(yùn)行時(shí)段的減速點(diǎn)、停止點(diǎn)進(jìn)行設(shè)定，進(jìn)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(dòng)操作及液壓站各類泵閥運(yùn)行狀態(tài)；
操作輔臺(tái)畫面對(duì)裝料端操作臺(tái)各種操作及指示進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控；
二、 幾點(diǎn)體會(huì)：
本系統(tǒng)軟件編程量特別大，同時(shí)在編程中，結(jié)合Step7軟件編程的特點(diǎn)，運(yùn)用了大量技巧，使得程序結(jié)構(gòu)明朗清晰、簡(jiǎn)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(diǎn)，增加了傳輸速度與系統(tǒng)的可靠性。
2、 軟件編程方面運(yùn)用了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)思路，將相對(duì)獨(dú)立、集中的控制放到一個(gè)程序功能或功能塊中，例如FC10（自動(dòng)正循環(huán)時(shí)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(jì)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(qiáng)。
4、 編程中采用了大量的過程數(shù)據(jù)，使得程序的修改簡(jiǎn)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(diǎn)傳輸給過程數(shù)據(jù)，這樣使用的優(yōu)點(diǎn)一是如果修改了I/O點(diǎn)地址，只是修改定義過程數(shù)據(jù)一個(gè)地方，不必將程序中所有涉及到此I/O點(diǎn)的地方都進(jìn)行修改；二是過程數(shù)據(jù)的使用大大縮短了程序的運(yùn)行時(shí)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(yùn)行速度。
三、 運(yùn)行效果
本系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，各項(xiàng)指標(biāo)及控制功能均達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了加熱爐全過程自動(dòng)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(duì)集中的地點(diǎn)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(dòng)強(qiáng)度，提高了改造的技術(shù)含量與步進(jìn)式加熱爐自動(dòng)控制水平。加熱爐全過程自動(dòng)控制的應(yīng)用大大降低了操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度。在主電機(jī)室設(shè)立加熱爐HMI界面實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱爐的運(yùn)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(shí)了日常點(diǎn)檢定修的力量，提高了維護(hù)檢修效率。特別是步進(jìn)梁雙步距的成功開發(fā)，在軋制超寬規(guī)格鋼坯時(shí)，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(xiàn)。
參考文獻(xiàn)：
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北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)