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一、 項目簡介
1. 項目實施地及行業(yè)背景
本項目的使用方為太原鋼鐵有限公司熱連軋廠，太原鋼鐵有限公司位于山西省太原市尖草坪區(qū)，是我國最大的特種鋼生產(chǎn)基地，其主營的不銹鋼、硅鋼等產(chǎn)品的市場占有率目前在國內(nèi)居于領(lǐng)先地位。
2. 項目簡要工藝
本項目應(yīng)用于太鋼熱連軋步進式加熱爐。項目實施后，實現(xiàn)了傳動控制、燃燒控制的全自動化操作。傳動控制的功能是：實現(xiàn)機械電氣設(shè)備的自動化操作、包括裝出料輥道、裝出鋼設(shè)備、步進機械等。燃燒控制的功能是：實現(xiàn)溫度的精確控制、改善了爐膛氣氛、溫度場的分布。達(dá)到了從溫度、流量、壓力控制的整體系統(tǒng)的穩(wěn)定，適應(yīng)了太鋼生產(chǎn)節(jié)奏快、鋼種多、加熱制度復(fù)雜的要求。
3. 新舊系統(tǒng)的對比，及項目中使用的西門子自動化產(chǎn)品的型號、數(shù)量、類型、控制對象。
舊項目使用西屋（WESTHOUSE）公司的WDPF控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)分為DPU及MAC兩部分，其中DPU用于加熱爐的燃燒控制、MAC系統(tǒng)用于加熱爐的機械電氣設(shè)備的控制。舊項目控制系統(tǒng)使用近十年之久，由于硬件老化、軟件升級困難，使得故障率增加，影響了生產(chǎn)的正常運行。隨著近幾年加熱理論的不斷發(fā)展、新的燃燒技術(shù)已經(jīng)大規(guī)模地應(yīng)用，生產(chǎn)全自動化操作理念已日益深入人心。由于受到舊有系統(tǒng)在硬件、軟件方面的限制，新的技術(shù)、理念無法實施。
本項目中，有三座加熱爐屬改造、一座新建。共使用了共9套S7-400型PLC。型號為：6ES7416-2XK02-0AB0。每座加熱爐使用兩套PLC分別作為傳動控制、及燃燒控制，另有一套作為公用輔助設(shè)備的傳動控制，取代原有的DPU及MAC系統(tǒng)。
本項目實施前，舊系統(tǒng)共用20面控制柜。項目實施后，在沒有減少輸入輸出點的情況下，新系統(tǒng)只使用8面控制柜。新硬件的使用，使得控制的精度、及處理的速度有了進一步的提升。西門子軟件開發(fā)系統(tǒng)的支持，也使得一些新技術(shù)實現(xiàn)成為現(xiàn)實。
4. 以下為已經(jīng)投產(chǎn)的照片。其中圖A中所示為正在將冷坯裝入爐內(nèi)的情形，圖B中所示為正在將加熱后的鋼坯出爐時情形：
圖A
圖B
二、 控制系統(tǒng)構(gòu)成
1. 在本項目中每座加熱爐由于控制對象、實現(xiàn)功能的劃分、各配置兩套PLC分別用于傳動控制、燃燒控制。每套PLC均由主機架部分與遠(yuǎn)程ET200分站組成。主機架均配置以太網(wǎng)卡與二級計算機及HMI服務(wù)器進行通訊。各傳動PLC與公共PLC間有大量的信號進行交換，為了減少以太網(wǎng)的通訊負(fù)擔(dān)，保證信號的實時性，所以各傳動PLC與公共PLC采用MPI網(wǎng)絡(luò)進行通訊。由于遠(yuǎn)程設(shè)備多、且有些遠(yuǎn)程設(shè)備在地理位置上比較集中，采用CPU通過PROFIBUS與遠(yuǎn)程ET200通訊的結(jié)構(gòu)既能保證了系統(tǒng)整體快速響應(yīng)，又能大大降低布線成本，是一個性價比極為合理的解決方案。
2. 以公共PLC的硬件配置圖為例，其它的硬件配置不在此贅述：
公共PLC硬件配置圖如圖1：
圖1
本項目的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖2：
在本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，公共PLC及燃燒PLC與二級服務(wù)器的通訊能通過以太網(wǎng)進行，采用的協(xié)議類型為TCP/IP。公共PLC根據(jù)從二級服務(wù)器接收到電文再將其通過MPI網(wǎng)絡(luò)分發(fā)給各傳動PLC。這樣做的目的是減少以太網(wǎng)的負(fù)荷，保證傳動PLC與二級服務(wù)器通訊接口的統(tǒng)一性。燃燒系統(tǒng)各PLC單獨與二級服務(wù)器通訊，單獨接受來自二級服務(wù)器的電文。HMI系統(tǒng)采用SERVER/CLIENT構(gòu)架，傳動及燃燒PLC與HMI服務(wù)器單獨通訊，各CLIENT再與HMI服務(wù)器單獨通訊。這樣做的目的同樣也是減少網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷，更能節(jié)省投資，減少在使用中的維護量。
圖2
在實際生產(chǎn)中的監(jiān)視畫面如圖3所示：
圖3
3. 以上的硬件配置、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是與使用方幾經(jīng)討論形成的。保證了系統(tǒng)整體的快速響應(yīng)、較少的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷、投資的經(jīng)濟性，這是一個較優(yōu)的配置方案。
三、 控制系統(tǒng)完成的功能
1. 對于步進式加熱爐而言，步進機構(gòu)的控制是其中的一個難點。它要求控制系統(tǒng)能夠平穩(wěn)實現(xiàn)鋼坯在爐內(nèi)的運輸，避免對機械機構(gòu)造成沖擊。這就要求控制系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)來自傳感器的信號。由于現(xiàn)代工廠現(xiàn)場控制越來越復(fù)雜，這就使得PLC必須具備強大的邏輯及浮點計算能力、豐富的尋址方式、完整的與上位機通訊的協(xié)議、完善的數(shù)學(xué)函數(shù)功能。只有這樣的PLC才能夠完成滿足當(dāng)前工廠控制對象的要求。本項目使用的西門子S7-400的416型PLC滿足了這樣了要求，在傳動控制的使用中成功實現(xiàn)了步進機構(gòu)的平穩(wěn)、準(zhǔn)確控制，坯料在輥道上的精確數(shù)據(jù)跟蹤。在燃燒控制的使用中利用其強大的浮點計算能力及完善的數(shù)學(xué)函數(shù)功能成功實現(xiàn)了全自動化燃燒。利用SIEMENS 在 STEP7中現(xiàn)有的通訊模塊實現(xiàn)了與公共PLC及燃燒PLC與二級計算機的TCP/IP通訊。
2. 項目實施中的難點及解決方案：
在短時間內(nèi)實現(xiàn)新舊系統(tǒng)的更新，是本項目實施中面臨的最大難點。在項目的準(zhǔn)備前期，對新硬件系統(tǒng)進行了盡可能多的硬件測試、及軟件模擬，對軟件的在線調(diào)試作了充分的準(zhǔn)備。在舊系統(tǒng)停用后的短期內(nèi)，實現(xiàn)了硬件系統(tǒng)的快速替代布署。
在項目的實施中由于傳動PLC之間采用MPI通訊，筆者在第一次項目實施中采用SIEMENS STEP7的程序庫自帶的程序塊進行通訊。但在使用中發(fā)現(xiàn)利用程序塊的方式并不穩(wěn)定，每次在硬件配置后都會出現(xiàn)不明原因的中斷。由于項目實施周期短，根本沒有時間進行原因的查找，故障診斷分析。由于西門子提供了全局變量的通訊方式，并且其硬件方式也是利用MPI網(wǎng)絡(luò)。筆者拋棄第一種方案，最終采用全局變量進行傳動PLC間的通訊。事實證明這種方案簡單易行且相當(dāng)可靠。全局變量的通訊方式更多依賴于硬件配置，不需單獨編程，對于通訊的變量可直接引用，并且全局變量的硬件配置的下載可以在線進行，PLC不需重啟。
全局變量的配置的部分界面如圖四所示：
圖四
在項目投入生產(chǎn)時由于通訊數(shù)據(jù)量的增加，逐漸暴露了一些在通訊測試、設(shè)備調(diào)試中未出現(xiàn)的問題。PLC與二級服務(wù)器的通訊會經(jīng)常發(fā)生PLC發(fā)送報文丟失的現(xiàn)象。經(jīng)仔細(xì)閱讀通訊文檔，發(fā)現(xiàn)發(fā)送的通訊程序塊并不能在一個CPU的掃描周期內(nèi)完成，筆者著手修改了程序，報文丟失的現(xiàn)象大大改善。試運行一段時間后仍然有報文丟失的現(xiàn)象發(fā)生，不過發(fā)生的頻率已經(jīng)相當(dāng)少。但由于生產(chǎn)要求通訊的絕對良好，筆者在仔細(xì)排查生產(chǎn)中的人為因素、程序與通訊文檔的非一致性的干擾，最終認(rèn)定其中的原因可能還在通訊塊的特殊使用性上，其中的一些特性并未在文檔中體現(xiàn)出來。筆者著手進行了通訊測試，發(fā)現(xiàn)發(fā)送通訊程序塊不能在同一掃描周期內(nèi)向同一端口發(fā)送兩條以上電文，其中第一條后的電文都將丟失。筆者馬上修改了程序，將發(fā)送的電文進行延時、排隊處理，經(jīng)修改后運行良好，徹底解決了與上位機的通訊問題。
3. 其中圖五所示：上部為工藝管道，下部為脈沖燃嘴，是典型的工藝設(shè)備。圖六為輸送冷坯輥道組，是工業(yè)爐的主要設(shè)備之一。
圖五
圖六
四、 項目運行
項目中的改造部分及新建部分從2005年10月份正常投入以來運行穩(wěn)定，實現(xiàn)了在傳動控制、燃燒控制的全自動化操作，盡量減少了設(shè)備操作對人的依賴，減輕了工人勞動強度。本項目大大降低了故障率，減少了解決故障的時間、保證了生產(chǎn)的連續(xù)、正常運行，已經(jīng)取得良好的經(jīng)濟效益，受到了客戶的好評。
五、 應(yīng)用體會
本項目實施時間短，使用方要求在十二天時間內(nèi)實現(xiàn)爐區(qū)控制系統(tǒng)達(dá)到正常生產(chǎn)狀態(tài)，由于控制系統(tǒng)的帶設(shè)備調(diào)試必須等到設(shè)備本體完畢后才能進行，事實上的控制系統(tǒng)調(diào)試時間只有數(shù)天之久。9套PLC系統(tǒng)調(diào)試完畢，在數(shù)天之內(nèi)投入生產(chǎn)其難度可想而知。但由于西門子S7-400系列PLC強大的功能，其與其編程系統(tǒng)STEP7的結(jié)合，為自動化控制提供了完美的解決方案。在程序設(shè)計的過程中，筆者始終秉持結(jié)構(gòu)化編程的理念，追求程序控制流程的線性化，即程序的靜態(tài)書寫結(jié)構(gòu)與動態(tài)執(zhí)行順序的一致性。由于程序量極大，這種做法增加了程序的可讀性，便于理解、調(diào)試、測試和排錯。針對項目控制對象自身的特點，由于不同加熱爐雖然有各個不同的細(xì)節(jié)特點，但其中的大部分控制對象控制特點類似。筆者對有共性的對象進行了抽象，封裝。將對象在程序中做成單獨的程序塊，并在此程序塊中使用只與其相關(guān)的獨立的數(shù)據(jù)塊。做到了在單一的CPU中，使其與外部的對象的通訊以接口的方式來進行。從而在本CPU中實現(xiàn)程序塊的對象化，在不同的CPU中實現(xiàn)了程序的跨控制器平臺的移植。實現(xiàn)了程序在結(jié)構(gòu)上的獨立性，提高了程序的復(fù)用性。幸運的是S7-400及其開發(fā)平臺STEP7完全支持以上的操作。這一做法大大加快了軟件開發(fā)的進程，降低了調(diào)試的難度。總之S7-400系列PLC及其軟件開發(fā)環(huán)境向使用者提供了一個具備一流的硬件基礎(chǔ)、界面友好、操作方便的自動化開發(fā)平臺。用戶應(yīng)盡可能利用其強大的功能，為項目的順利實施提供有力的保障。
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