步進式加熱爐多級網絡監控系統的設計與實現

田 海，靳珂珂，袁有擴，徐 聰

（內蒙古科技大學 信息工程學院，包頭 014010）

最初，包鋼無縫鋼管廠步進式加熱爐控制系統是由西門子SIMATIC S5-135U通過端子接線的方式實現對步進式加熱爐區域的設備進行控制。由于系統老化、線路繁多、故障率高等原因，因此對原系統進行改造升級。利用先期企業管理層的工業以太網集成該層下面各個子網系統的數據，來實現管控目的。通過采用S7-300系列PLC和多種通信協議來解決新老設備不兼容的問題，溝通了現場設備層、生產監控層和企業管理層的聯系[1]，將獨立的、分散的設備有機地融合到一起，實現了控制的實時性和管理的高效性。

1 系統工藝和網絡結構設計

1.1 加熱爐系統工藝的簡介

該廠步進式加熱爐工藝流程如圖1所示。

圖1 步進式加熱爐工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of walking beam type reheating furnace

由于鋼管在淬火和回火兩階段的傳動方式相同，因此以淬火爐為例介紹步進式加熱爐的工藝。

操作員根據不同的鋼管外徑將原料鋼管按順序鋪放到爐外的上料臺架上，通過由液壓缸驅動的上料裝置，將鋼管從臺架上移動到進料輥道。進料時刻到，淬火爐爐門上升，淬火爐內外進料輥道同時快速旋轉，將鋼管送到淬火爐中進行熱處理。鋼管到淬火爐內的定位和測長測速由鋼管定位裝置（二個光電開關）及PLC控制完成。鋼管進入爐內到位后，爐內外進料輥道停止轉動。在淬火爐內通過步進機構動梁的正循環動作，經過淬火爐的加熱段、保溫段鋼管被加熱到工藝要求的溫度（850℃～1000℃）。步進梁將鋼管托送到淬火爐內出料懸臂輥道上，出料爐門上升，淬火爐內外出料輥道同時快速旋轉，將鋼管傳送到爐外輥道上[2]。

1.2 監控系統的網絡結構

系統整體的網絡結構分為3層：現場設備層、生產監控層、企業管理層，如圖2所示。

圖2 監控系統網絡結構圖Fig.2 Network chart of monitor system

（1）現場設備層

主要功能是實現現場設備與生產監控層的通信。對于不帶DP通信接口的設備通過ET200M接入到Profibus-DP網絡。對于帶有DP通信的設備，例如，西門子變頻器G120（爐內外輥道變頻調速）直接通過自帶的DP接口接入Profibus-DP網絡[3]，成為該DP網絡的一個從站。FM355-2C（步進式加熱爐內溫度控制）溫度控制模塊可以通過ET200M直接接入到PN網絡，提高溫控的實時性和可靠性。僅支持Modbus協議的設備，通過PB-M總線橋接入DP網絡。

（2）生產監控層

生產監控層主要完成對現場設備的監控和數據采集。通過采用CPU315-2PN/DP作為主控制器，實現Profibus和Profinet的數據透明通信[4]。該CPU有兩類通信接口。DP接口用來和現場的DP設備進行通信；PN口由兩個組成：其中一個用來作為2類主站完成對生產設備的報警和動態顯示等；另一個通過工業以太網交換機接入到Profinet網絡與企業管理層通信。

（3）企業管理層

采用雙環冗余光纖以太網構成的企業管理層是已建成的控制網絡的最高層。通過生產監控層的主控制器CPU315-2PN/DP將主站監控到的數據有選擇性地上傳到企業管理層。同時，管理層用戶可以方便地通過TCP/IP協議直接接入到該層，通過Wincc7.0組態軟件對現場情況進行調度和統一管控。

2 系統的硬件配置

2.1 傳動部分的硬件配置

操作臺通過S7-300系列PLC 主機及遠程裝置ET200M機架上的I/O口接收操作信號和驅動非智能設備，由液壓站的ET200M完成電機實時狀態、油箱實時壓力和液位的顯示及液壓比例板對步進梁動梁的控制。

系統中輥道電機的控制采用了西門子變頻器MM440的升級版本G120系列變頻器來實現，通過全新的模塊化設計，可方便地應用于對安全要求苛刻的環境。

Modbus協議到Profibus-DP協議間的數據轉換通過PB-M總線橋來實現[5]。PB-M總線橋在Profibus網絡一側是 Profibus從站，地址范圍是 0～126。Profibus從站地址通過產品正面的兩個十進制旋轉開關SA來設置。若從站地址大于99，還需要通過產品背面的功能選擇開關SW 4（系統采用4撥碼方式）來配合完成。Modbus主/從站的設置通過總線橋功能撥碼開關SW2來實現（ON為從站，OFF為主站）。

2.2 燃燒系統的硬件配置

淬火爐沿爐長方向分為預熱段、加熱段和保溫段[6]。其中預熱段不需要燃燒提供熱量，因此不需要燒嘴。淬火爐有8個溫控區，加熱段和保溫段沿爐寬各分為四個區。回火爐同樣有12個溫控區。其中加熱段、保溫段和均溫段沿爐寬各分為4個區。每個溫區都采用獨立的溫控方式，包括一個S型熱電偶和4個脈沖燒嘴。

由于淬火爐和回火爐在熱處理過程中，溫度的閉環回路比較多，從而需要CPU分出更多的資源來滿足大量的PID回路運算，影響了CPU對其他任務的處理效率。西門子FM355-2C溫度閉環模塊是專門為流量、壓力、溫度等模擬量的閉環控制而設計[7]。通過使用FM355-2C，所有的溫度數據采集和PID控制算法將由其完成，不需要主控制器的CPU參與控制，因此不會對CPU造成負擔。“后備模式”是該模塊的一個很關鍵的功能，能保障在主站CPU發生故障或者停止的情況下，FM355-2C能連續獨立的運行，避免了因CPU停止造成的燃燒系統的失控。

雙擊SETP7硬件配置界面的FM355-2C模塊，出現FM355-2C的參數設定界面并對相應參數進行設置，如圖3所示。

圖3 FM355-2C的參數設定界面Fig.3 Interface of FM355-2C parameter settings

FM355-2C主要參數設定包括：

（1）模塊輸入類型設置，由于現場傳感器采用的是S型熱電偶，因此，單擊“Sensor type”選擇S型熱電偶。

（2）控制類型的選擇，單擊進入“Control algorithm”選擇PID控制。

（3）模塊輸出類型選擇，現場執行機構采用的是脈沖控制器MPT700，因此選擇4～20mA。

MPT700是專門控制一組或者兩組燒嘴的脈沖控制器。MPT700能夠將FM355-2C模塊給定的模擬量信號（4～20mA）轉換成符合現場實際控制情況的百分比類型，根據其給定信號的大小和設定的操作模式對一組（4～8個）燒嘴進行實時控制。為了滿足溫控的要求（爐溫均勻度±5℃和鋼管全長溫度均勻性小于10℃），在脈沖燃燒控制中，脈沖燒嘴只存在開或關兩種工作狀態。脈沖燃燒技術較于連續燃燒具有爐溫波動下、控制響應快、調節范圍大等優點。

3 系統的軟件配置

系統智能設備具體數據融合的方式差別較大，以下通過兩種智能設備數據集成的具體過程進行說明。

3.1 西門子溫度閉環模塊FM 355-2C接入Profinet網絡

FM355-2C模塊可以裝在S7-300的中央機架上，也可以安裝在遠程裝置ET200M中[8]。本系統中FM355-2C模塊通過ET200M接入Profinet網絡。

首先安裝FM355-2C所提供的軟件包，然后根據現場設備中FM355-2C在ET200M的插槽中的實際位置，在STEP7中對其硬件組態，雙擊打開FM355-2C的參數設定界面并進行參數設定。

為了通過PLC程序對FM355-2C進行控制，必須在PLC程序中編寫入控制程序。編寫程序如下：

（1）在STEP7重啟動組織塊OB100中對其背景數據塊中的“COM RST”（DB52.DBX8.0）進行置位，實現模塊初始化。

（2）在 STEP7中斷組織塊 OB35中調用庫中“FM355-2 Temp Control”的 FB52 塊（FMT_PID），將FM355-2C連接到用戶程序。標明硬件組態通道號（CHANNEL）和地址（MOD_ADDR）。

（3）編寫PLC程序，將每個溫控區要求的溫度數據傳遞到 FB52塊的外部設定 SP_RE（DB52.DBD12）。

3.2 智能電動機保護器通過Modbus的RTU協議轉接到Profibus-DP網絡

Modbus協議是一種主/從方式的通信協議，主要用于控制器之間的通信[9]。Modbus協議具有兩種不同的傳輸字符的模式：ASCII模式和RTU（二進制）模式。本系統選用的PB-M總線橋和智能電動機保護器只使用RTU模式。

通過STEP7軟件對其進行硬件組態，在硬件目錄下的“Profibus-DP/Gateway”目錄下面找到PB-BMM/V32。將該硬件拖拽到Profibus-DP主站系統上設為DP從站（從站站號為5），雙擊打開其屬性，選“Parameter Assignment”對其相關參數進行設置。具體參數配置如下：波特率=9600 b/s；校驗方式=無校驗；數據更新模式=At Evry MD End；等待回答時間=50ms。

PB-M總線橋提供了不同的報文類型，用來滿足智能電動機保護器具體數據通信的需求。在STEP7硬件組態中PB-B-MM/V32目錄下有1#～39#個槽位（邏輯上）。其中1#和2#均已被占用，用于Modbus通信接口的狀態字和控制字。其余37個槽位都能插入一個Modbus的通信模塊，每個通信模塊帶有一種功能的報文類型。下面以本系統中用于控制潤滑電機的智能電機保護器讀取24個輸出線圈0xxxx（功能碼01H）狀態為例，介紹通信的具體實現過程。

第1步 選中3#槽位，然后右邊硬件窗口目錄下 “PB-B-MM/V32”中找到“read 24 bits（0xxxx）”雙擊添加到3#槽。

第2步 進一步設定Modbus參數，雙擊3#槽中的“read 24 bits（0xxxx）”選擇“Parameter Assignment”，設置 “從站地址=5”和“起始地址=20”。

完成參數設定后，建立的Modbus至Profibus的數據映射關系，如圖4所示。

圖4 Modbus至Profibus的數據映射關系Fig.4 Data mapping relation of Modbus to Profibus

其中，IB1～IB3是 Profibus主站分配給這個Modbus模塊的Profibus輸入地址，對應Modbus報文讀到的24bits（0xxxx）。通過這種方式就能實現Profibus到Modbus數據的通信。

4 結語

通過多協議通信方式的運用，使本次步進式加熱爐自控系統改造滿足了新老設備之間數據無縫融合、節約成本和企業管理層管控的需求。同時，通過采用西門子溫度閉環模塊FM355-2C，步進式加熱爐中大量回路的PID控制計算和信號采樣由FM355-2C完成，減少了主控制器CPU的負擔，提高了系統的實時性、精確性和可靠性。本系統采用的控制方法對其他同類改造系統有一定的參考價值。

[1] 崔堅.西門子工業網絡通信指南[M].北京：機械工業出版社，2006.

[2] 謝靜心.寶鋼鋼條廠步進梁式加熱爐電氣控制系統設計與應用研究[D].重慶：重慶大學，2008.

[3] 趙德龍，娜仁莎，李振軍.淺談西門子SINAMICS G120系列變頻器及應用[J].電氣傳動，2012，42（1）：53-56.

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[5] 田海，張勇.基于Profibus-Modbus總線橋的智能電動機保護器監控系統的設計[J].低壓電器，2011（21）：14-18.

[6] 杜慧卿，張軍.步進梁式鋼管熱處理爐溫度控制的研究和應用[J].工業爐，2010，32（5）：13-16.

[7] 萬明.西門子PLC溫度模塊FM355-2在工業爐中的應用[C]//第八屆全國工業爐學術年會論文集，2011.

[8] 曹永芹，單傳東，呂乃沖，等.脈沖燃燒步進式加熱爐數字化控制策略[J].冶金自動化，2008，32（4）：27-30.

[9] 田海，趙德奇，任清娟.PB-M網橋在高爐水沖渣傳動監控系統中的應用[J].自動化與儀表，2012，27（4）：31-34. ■