鐵水倒運多級網絡監控系統的設計與實現

(內蒙古科技大學信息工程學院，內蒙古 包頭 014010)

0 引言

鐵水倒運是大型鋼鐵企業生產工藝的一個重要環節。以前普遍采用鐵水罐倒運，但是保溫效果差，并存在極大的安全隱患。目前主要采用較為成熟的魚雷型混鐵車來倒運鐵水，混鐵車保溫性能好，出鐵溫降較小[1]，并且兌入轉爐的鐵水量在倒罐站內可精確控制。

原鐵水倒運監控系統采用傳統的現場總線控制系統。由于各種現場設備所支持的通信協議有很大差異，不能直接形成互聯，因此原系統現場設備大多采用I/O硬線連接或簡單的單層總線網絡。這樣造成電纜數量多，信號在傳輸中容易受到干擾，難以實現高效的協調控制。近年來，由于系統控制老化、人機交互功能差、設備故障率高等問題，大大降低了生產效率，因此對原監控系統進行了升級改造。

本次改造以S7-300 PLC為主控器，按照設備功能和所支持的通信協議，將分散在現場的各種智能設備通信規劃到相應的Modbus、Profibus-DP、Profinet工業以太網通信網絡中，并通過數據集成的方式使這些不同協議網絡之間能夠進行數據通信。改進后的監控系統，能夠實現對生產過程的實時監控，使企業管理層能高效地實現指揮、調度、管理的職能[2]。

1 系統工藝及網絡拓撲

1.1 鐵水倒運工藝

采用混鐵車供應鐵水時，首先將高爐鐵水裝入混鐵車內，再通過鐵路將混鐵車運輸到轉爐車間倒罐站旁。當轉爐需要鐵水時，將鐵水倒入鐵水包車。鐵水包車停放位置的一個臺車組軌道下安裝有負荷傳感器，用來檢測盛裝鐵水的質量，并在裝滿前發出警報以通知操作人員，同時將質量信號送入PLC主站。接著再用鐵水吊車兌入轉爐進行下一步生產。鐵水倒運工藝流程圖如圖1所示。

圖1中，A1、A2兩列鐵軌同時進車，每列鐵軌有兩個混鐵車，分別進行鐵水倒罐。

圖1 鐵水倒運工藝流程圖

以3#混鐵車為例，當3#混鐵車和3#鐵水包車均駛入相應的位置后，操作人員通過監控站工控機或現場手動操作臺開始控制3#混鐵車傾翻，讓鐵水倒入3#鐵水包車中。3#鐵水包車在受鐵的同時，通過其停放位置軌道下安裝的稱重傳感器檢測鐵水的質量。當鐵水包車中的鐵水到達指定質量時，混鐵車停止傾翻。A1鐵軌上的1#﹑3#混鐵車對應1#現場監控站，A2鐵軌上的2#、4#混鐵車對應2#現場監控站。由于同一列鐵軌上的兩輛混鐵車不能同時進行倒罐作業，因此每個監控站的兩個混鐵車共用一套傾翻系統。工藝設計中還包括1#和2#鐵水包車。由于1#和3#鐵水包車及2#和4#鐵水包車工藝要求只能交替工作，所以當3#和4#鐵水包車工作時，1#和2#鐵水包車在檢修位待命。

1.2 系統網絡配置方案

本系統的監控對象包括：智能電機保護器、智能斷路器、傾翻變頻器的三相電壓電流、有功和無功功率、頻率及母線和饋線的電壓、電流、缺相等參數；混鐵車的定位、變頻傾翻系統；鐵水包車的定位、測溫、稱重；排煙閥、干油泵、冷卻散熱風機等現場設備的動作和聯鎖系統，以及事故報警和故障信號狀態等。混鐵車傾翻(地面)、鐵水包車受鐵(低于地面5 m)、監控室作業(高于地面4 m)均不在同一平面上，導致一些現場電氣設備分布比較分散[3]，這在一定程度上加大了現場設備監控和數據采集的難度。經過對現場環境和改造條件的分析，采用多協議、多級網絡的數據集成方式來實現對生產過程的監控。系統網絡拓撲圖如圖2所示。

圖2 系統網絡拓撲圖

圖2中，M1、M2、M3、M4、M5、M6分別為A1、A2運輸線路上的冷卻風機、排煙閥電機和干油泵電機，這些電機均為能直接啟動且不需要調速的小容量電機。整個鐵水倒運監控系統可以分為現場設備執行層、過程監控層、企業管理層。

1.2.1 現場設備執行層

在現場設備執行層中，根據現場設備的通信能力，分別采用不同的網絡通信協議方式，具體分為以下幾種設備。

① 支持Modbus協議的設備。目前Modbus已成為一種工業標準，它為用戶提供了一種開放、靈活和標準的通信技術，降低了開發成本和維護成本。它被用于智能設備間建立主/從或客戶端/服務器方式的通信，是一種獨立于制造商的、開放的并在工業領域廣泛使用的網絡通信協議。Modbus常被用來實現系統監控、智能裝置、設備和傳感器之間的通信。系統設備中有用來稱量鐵水質量的傳感器，檢測線路各種電量參數的智能電力儀表以及冷卻風機、排煙閥電機、干油泵電機等智能電機保護器等。這些底層儀器儀表都是原系統中的舊設備，僅有Modbus接口，所以該層網絡采用Modbus總線技術來連接。

② 支持Profibus-DP協議的設備。帶有標準DP通信接口并支持Profibus協議的設備，如G120變頻器、PB-M網橋等，通過各自的DP通信接口接入Profibus網絡中，成為Profibus-DP網絡的一個從站。

③ 不帶有通信接口的電氣設備。各種操作按鈕、接觸器等非智能的設備，經過合理的區域規劃，由ET200M組成分布式I/O接點，通過接口模塊IM153接入到Profibus-DP現場總線,作為DP總線的從站與S7-300 PLC連接。

在現場設備執行層中，實現Modbus到Profibus之間的協議轉換和通信有3種方法。

① 在中央控制器CPU 315-2PN/DP主機架的擴展槽上安裝CP341通信模塊，通過使用集成在CP341通信模塊內的ASCII Driver協議，采用軟件編程開發的方法來實現Profibus-DP網絡與現場Modbus設備的通信。文獻[4]詳細介紹了該方法的實現過程。該方法軟件開發難度大，不適合運用在工程中。

② 同樣需要加裝CP341模塊，通過直接購買Modbus協議驅動軟件，省去軟件編程的步驟。該方法同樣能實現設備之間的通信，但是軟硬件購買成本較大，不符合系統改造節省成本的要求。

③ 采用北京鼎實創新科技公司生產的、型號為PB-B-MM/RS232/485/V32的總線橋來實現Modbus到Profibus的協議轉換。該PB-M總線橋硬件成本較低，只需硬件組態就能完成Profibus到Modbus之間的協議互轉換[5]。在Step7的硬件組態中，PB-M網橋是作為Modbus網絡的主站與Modbus網絡中的設備進行數據集成;而在Profibus-DP網絡中，則作為從站負責實現Modbus與Profibus-DP之間數據的集成。

1.2.2 過程監控層

過程監控層的建立是為了便于車間操作人員對生產過程的監控。根據改造要求，系統設立了2個PLC主站，分別用來監控2個鐵水倒運線路。因為需要通過DP接口將現場的Modbus數據集成，并通過PN接口將數據再集成到先期建好的企業監控主干網上，所以2個主站均采用西門子CPU 315-2PN/DP。該新型CPU既帶有Profinet接口,又帶有Profibus-DP接口。其自身內部集成了一個網關，可在系統中用作Profinet I/O控制器以及標準Profibus-DP主站，能很容易實現Profibus設備與Profinet設備之間的數據集成[6]。此外，該CPU可以通過Step7直接在Profinet工業以太網上通過PG/PC進行編程、啟動和診斷，省去了使用專業網卡的要求，大大降低了開發成本。

1.2.3 企業管理層

企業管理層的建立便于統一管理，先期系統的管理層基于Profinet網絡，各帶有PN口設備且通過SCALANCE X208接入Profinet網絡。 Profinet是開放式工業以太網標準，具有實時、靈活、開放、智能化特點，不僅可組建各種不同的網絡，并且可以無縫集成已有的現場總線系統，例如Profibus、ASI、Interbus等。 Profinet還有一個突出的特點是以太網，借用以太網，可以同時傳輸語音、圖像等數據，這是Profibus所無法比擬的。改造時，在保留原管理層網絡的條件下，在中央監控站和各現場監控站之間采用光纖連成主干雙冗余環網，通過以太網交換機OSM TP62-LD將PLC控制系統采集到的實時數據信息上傳到工業以太網上，實現更遠端的通信和監控；使管理者能夠更清晰直觀地了解生產過程，同時能記錄生產過程中的各種數據，便于日后進行有效的故障分析[7]。

2 監控系統的功能實現

2.1 各級網絡間通信的實現

各級網絡間通信的實現主要分為以下3類。

(1) Modbus到Profibus的通信

在現場設備執行層中，大量傳感器、智能儀表、智能電機保護器等Modbus設備需要將數據轉換到Profibus-DP網絡上。Modbus是一個請求/應答協議，其傳輸模式有兩種(RTU和ASCII)。當傳輸數據量較大時，RTU的傳輸速率要高，所以系統采用RTU模式傳輸。編程過程只需設置相應的從站地址(可配置地址1～247)、通信波特率(9 600 bit/s)、讀寫數據初始地址、讀寫數據字數和數據緩沖區地址指針主要信息，再根據需要對數據緩沖區中的數據進行相應的處理[8]。

在監控系統中，Modbus到Profibus-DP的協議轉換，通過Profibus-Modbus總線橋來完成。PB-M總線橋在Profibus-DP網絡上作為從站，而在Modbus網絡上作為主站。接口通過Profibus通信數據區和Modbus數據區的數據映射實現Profibus和Modbus的數據透明通信。

以干油泵電機的智能電機保護器YW2310為例，說明PB-M總線橋和Modbus的通信。本系統使用的PB-B-MMV32型網橋和電機保護器支持Modbus RTU協議。設置總線橋為Modbus主站或從站是通過總線橋的功能撥碼開關SW最高位來設置的。當最高位設置為OFF時，總線橋是作為Modbus的主站;當設置為ON時，總線橋為Modbus的從站。總線橋在作為Modbus主站的同時又作為Profibus的從站，其地址范圍是0～126，由功能選擇開關SW3和SA一起設定。

在Step7中導入PB-M總線橋的GSD文件DS _MMV32.GSD，打開Hardware Catalog Profibus DP Additional Field Devices Gateway PB-B-MMV32，將其拖拽入已組建好的DP網絡中。Hardware Catalog中PB-B-MMV32共有39個槽，1、2號槽已占用，剩下37個槽供用戶使用，其余的槽位都可以插入一種對應Modbus的報文通信模塊。下面以智能電機保護器YW2310的4XXXX保持/輸出寄存器(功能碼10H)為例，說明PB-M總線橋通信實現的過程。

首先，選擇3號槽，雙擊“write 2 Words(4XXXX)”。3號槽中插入“2AO write 2 Words(4XXXX) QB256～QB259”。接著，雙擊3號槽中“write 2 Words(4XXXX) ”，選擇“Parameter Assignment”，設定Modbus從站地址為10，鍵入保持寄存器4XXXX起始地址為20。最后在完成主從站的參數設置以后，建立Profibus與Modbus地址的對應關系。其映射圖如圖3所示。

圖3 Modbus至Profibus數據映射關系圖

圖3中，QB256～QB259是Profibus主站分配給Modbus通信模塊的4個字節的輸出地址，將對應的Modbus報文寫入Modbus從站中的2Word(4XXXX)。這樣在PLC編程時可以將Profibus主站的數據直接預置到Modbus從站中，從而實現兩個不同網絡之間的數據通信[9]。

(2) Profibus-DP設備的通信

Profibus是目前現場級最成熟的總線技術之一，其具有多種通信方式，如FMS、DP、PA等。Profibus-DP是Profibus中一種高速、低成本、應用較廣的通信模式。以系統中A1運輸鐵軌上控制混鐵車傾翻的西門子系列變頻器G120為例，說明DP設備與控制中心的通信過程。

① 組態DP主站，并對新建的Profibus網絡進行參數配置。在Step7中導入G120變頻器的GSD文件，在組態目錄列表里找到G120變頻器“SINAMICS G120 CU240E-2DP”,并將其托掛在Profibus-DP網絡上，使之成為該DP網絡的一個從站。設置從站地址可以通過G120控制單元上的撥碼開關實現地址設置，有效地址值為1～125，也可以利用參數P918設置地址。利用參數設置時，撥碼開關應該全部撥到OFF狀態。系統利用參數設置方式,設定控制傾翻電機的變頻器地址。雙擊打開G120變頻器的屬性,對其進行報文設置，根據工藝需要選擇報文354，系統將給PKW和PZD自動分配與Profibus-DP主站對應的輸入輸出地址，PKW地址為PIW256～PIW263，PQW256～PQW263；PZD地址為PIW264～PIW275，PQW264～PQW275。輸出PZD中，第一個是控制字，第二個為轉速設定值；輸入PZD中，第一個為狀態字，第二個～第六個分別為電機轉速反饋、電流反饋、轉矩反饋、報警代碼、錯誤代碼。

② 打開STARTER4.3軟件，搜索變頻器，新建一個項目，設置變頻器參數，如選擇命令源P700=6為遠程控制，Profibus站地址P0918=5，選擇頻率設定源P1000=6由遠程給定等一些基本參數。

③ 編程時需要調用SFC14/15兩個系統功能塊，對DP從站G120變頻器的數據進行讀寫操作。SFC14(“DPRD _DAT”)用來讀取DP從站數據，SFC15 (“DPWR _DAT”)用來將數據寫入從站中。建立與其相對應的DB塊，用來存儲數據。LADDR是硬件組態時PKW起始地址，所以其地址為W#16#100，通過MOVE指令傳送十六進制數據047F到PQW264控制電機啟動，輸入不同數值到地址PQW266來改變變頻器的頻率。

(3) Profibus到Profinet的通信

現場設備層中，P-BM網橋、ET200M等從站均通過Profibus-DP總線與兩個PLC主站相連接。在設計Profibus通信程序時，首先需要在Step7中對系統進行硬件和網絡的組態，配置各從站的地址;通電以后CPU可以按照設定的波特率自動進行通信;各從站將獲得的信息上傳給主站PLC，通過CPU 315-2PN/DP內部網關，DP從站數據可以集成到Profinet網絡中，并同時接收監控PC機所發出的遠程控制命令[10]。

2.2 監控站設計及功能

鐵水倒運系統中有兩個現場監控站和一個中央監控站。各監控站對生產過程的監視和調度管理主要是通過上位機中WinCC的組態來實現的。Simatic WinCC是一個使用32位技術的過程監視系統，具有良好的開放性和靈活性。WinCC V7.0的組態環境是直接面向對象的，只需要組態好顯示畫面，配置好各變量的地址，設置好連接的方式，就能夠與PLC進行通信對生產過程進行遠程操控和監視。

(1) 現場監控站功能

考慮到設備故障及調試等因素，混鐵車傾翻操作分為手動和自動兩種方式。就地操作站和現場監控站均設有這兩種方式。這兩種方式可以相互切換。在啟動傾翻電機時，先選擇自動還是手動操作，并根據現場需要實現對現場各個干油泵、排煙閥、冷卻風機等現場生產設備的控制，同時監視其工作狀態，如潤滑電機油泵油位高低、冷卻風機和排煙閥電機是否啟動等。此外對電流、電壓、溫度、質量等一些重要的電量參數進行實時的檢測和監視。當系統發生故障時，如各類電機的過載、過電壓時，能發出報警信號并及時復位所有輸出。保存歸檔各類監控數據，將監視數據向上級網絡集成。

(2) 中央監控站功能

選擇性地接收現場監測的數據，并集成到企業監控主干網的數據采集與監視控制系統(supervisory control and data acquisition,SCADA)中，便于企業管理層了解現場生產的狀況，根據現場生產情況制定生產計劃。

3 結束語

在對鐵水倒運監控系統進行改造設計時，由于出現新舊設備通信接口協議標準不兼容、現場設備分散性突出等特殊性問題，通過對同類監控系統開發現狀的分析，采用多協議、多級網絡數據集成的方式。該方式將遠程I/O從站、Modbus設備、DP設備和PN設備的數據集成到統一的環境中，并將所需數據集成到企業先期已建成的工業以太網中，構成一個完整的、高效的監控系統，實現了對生產運行中各種電量及非電量參數等重要信息的智能化、網絡化監控。系統自投入運行以來，各站運行可靠、穩定，生產效率得到顯著提升，各方面性能都達到了設計要求。

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