無(wú)縫鋼管自動(dòng)化生產(chǎn)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

田春雷

摘 要：無(wú)縫鋼管機(jī)生產(chǎn)線工藝復(fù)雜，主要設(shè)備有軋管機(jī)、加熱爐、再加熱爐、穿孔機(jī)、冷床和減徑機(jī)等。為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)全自動(dòng)化控制，文章所研究的無(wú)縫鋼管生產(chǎn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用分層控制，其中現(xiàn)場(chǎng)控制采用PROFIBUS-DP網(wǎng)，而過(guò)程管理與監(jiān)控則使用工業(yè)以太網(wǎng)（Industrial Ethernet），運(yùn)行結(jié)果表明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、高效，極大提高了無(wú)縫管的生產(chǎn)水平。

關(guān)鍵詞：鋼管生產(chǎn)；PLC；PROFIBUS-DP；工業(yè)以太網(wǎng)

引言

我國(guó)無(wú)縫鋼管生產(chǎn)線建立較晚，于上世紀(jì)中期才成功生產(chǎn)出第一根無(wú)縫鋼管，近些年，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，對(duì)無(wú)縫鋼管的需求也越來(lái)越大，在這一需求的強(qiáng)勁拉動(dòng)下，在我國(guó)出現(xiàn)了一撥又一撥對(duì)無(wú)縫鋼管生產(chǎn)線投資的熱潮，大量資金的進(jìn)入極大加快了我國(guó)無(wú)縫鋼管的生產(chǎn)的步伐，許多新的生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)設(shè)備被引入，無(wú)縫鋼管無(wú)論是在數(shù)量還是在質(zhì)量上都有很大提高，我國(guó)無(wú)縫鋼管的自給率正在不斷提高，盡管無(wú)縫鋼管的生產(chǎn)數(shù)量和質(zhì)量得到了很大的提高，但與國(guó)際上無(wú)縫鋼管生產(chǎn)強(qiáng)國(guó)相比，無(wú)縫鋼管的生產(chǎn)技術(shù)、生產(chǎn)設(shè)備還有很大的差距，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上直接表現(xiàn)為一些高附加值、優(yōu)質(zhì)的無(wú)縫鋼管主要還是依靠進(jìn)口，因此在現(xiàn)階段還必須加大投入，利用現(xiàn)代化技術(shù)，積極升級(jí)改造主要分布在中小企業(yè)車間的落后無(wú)縫鋼管生產(chǎn)線，借助計(jì)算機(jī)信息化技術(shù)，可以提高無(wú)縫鋼管的生產(chǎn)效率，提升無(wú)縫鋼管的質(zhì)量，進(jìn)而在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中取得優(yōu)勢(shì)。

1 PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線

PROFIUS-DP 現(xiàn)場(chǎng)總線具有多種組態(tài)方式，即可以構(gòu)成單主站系統(tǒng)又可以組成多主站系統(tǒng)。每個(gè)基于PROFIBUS-DP 現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)可包括以下三種不同類型設(shè)備。

PROFIBUS-DP組態(tài)非常的靈活，在一條總線中，既可以有一個(gè)主站，也可以有多個(gè)主站，根據(jù)在總線中的功能不同，總線中的設(shè)備可以分為三類。一類總線主站（DPM1），DPM1是整個(gè)總線通信的控制器，在本案例中，PLC-300作為一類總線主站；除了一類主站，還有二類主站（DPM2），二類主站一般運(yùn)行組態(tài)軟件，屬于操作設(shè)備，在PROFIBUS-DP中，一般采用工控機(jī)作為DPM2，通過(guò)工控機(jī)提供的人機(jī)界面，用戶可以設(shè)置、監(jiān)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行；在PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線中，數(shù)量眾多的是DP從站，這些設(shè)備一方面可以將自身采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到主站，另一方面也可以從主站接收信息以完成相應(yīng)的控制，在本案例的無(wú)縫鋼管生產(chǎn)線種類和數(shù)量都很多，主要有直流驅(qū)動(dòng)器、S7-200 PLC以及遠(yuǎn)程I/O設(shè)備等。

2 某公司無(wú)縫熱軋鋼管自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成

2.1 無(wú)縫鋼管自動(dòng)化生產(chǎn)控制系統(tǒng)組成

整個(gè)無(wú)縫鋼管自動(dòng)化生產(chǎn)線上的設(shè)備由一條PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線相連，所有連接該總線的設(shè)備都需要有PROFIBUS-DP總線電氣相兼容的通信接口，具有這樣通信接口的設(shè)備分散在整個(gè)生產(chǎn)車間，在無(wú)縫鋼管自動(dòng)化生產(chǎn)線上的傳感器、控制儀表以及電動(dòng)機(jī)控制設(shè)備所需接收和發(fā)送的信息量較少，但為了達(dá)到對(duì)整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的精準(zhǔn)控制，在生產(chǎn)時(shí)，對(duì)通信的實(shí)時(shí)性要求較高，圖1是某公司無(wú)縫鋼管自動(dòng)化生產(chǎn)控制系統(tǒng)組成。

圖1 無(wú)縫鋼管自動(dòng)化生產(chǎn)控制系統(tǒng)

從無(wú)縫鋼管自動(dòng)化生產(chǎn)控制系統(tǒng)圖可以看出，整條總線的控制由一臺(tái)S7-300 PLC完成，S7-300 PLC作為整條PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線控制中心，是總線中的DPM1，在運(yùn)行中，S7-300 PLC以一定格式的報(bào)文形式與總線中的眾多從設(shè)備交換信息。圖中的工控機(jī)是PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線中的二類主站（DPM1），通過(guò)配備專門的PROFIBUS-DP總線適配卡與總線相連，工控機(jī)上運(yùn)行WINCC過(guò)程監(jiān)視軟件，該軟件具有良好的開放性和靈活性，完全能夠勝任整個(gè)無(wú)縫鋼管生產(chǎn)線上各設(shè)備的監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置。無(wú)縫鋼管生產(chǎn)線上的設(shè)備種類很多，根據(jù)不同種類設(shè)備的特點(diǎn)，采取了不同的方式接入到總線，其中一些簡(jiǎn)單的I/O設(shè)備，通過(guò)接入西門子ET200與總線相連，這類設(shè)備數(shù)量眾多，主要分布在矯直機(jī)組區(qū)、軋輥機(jī)區(qū)、穿孔機(jī)組區(qū)以及加熱爐區(qū)；各種主傳動(dòng)電機(jī)通過(guò)西門子的全數(shù)字直流調(diào)速裝置6RA70與總線相連；軋輥的位置控制則由S7-200 PLC完成，S7-200 PLC通過(guò)擴(kuò)展模塊EM277與PROFIBUS-DP總線相連。

2.2 上位機(jī)軟件功能

借助工控機(jī)上的WINCC過(guò)程監(jiān)視軟件實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的組態(tài)以及對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控，上位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)如下功能：

（1）對(duì)生產(chǎn)線的監(jiān)控：在組態(tài)成功后，工控機(jī)能夠?qū)崟r(shí)獲取到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，借助這些從系統(tǒng)中獲取的數(shù)據(jù)就可以很容易完成各種可視化的實(shí)時(shí)模擬界面，通過(guò)這些可視化的模擬界面，管理人員就可以很容易知道整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。由于需要監(jiān)控的設(shè)備眾多，為了能夠更清晰了解各區(qū)生產(chǎn)的細(xì)節(jié)，制作了多個(gè)實(shí)時(shí)界面，例如為了監(jiān)控穿孔輥的位置以及設(shè)置相關(guān)的參數(shù)，制作一個(gè)專門操作界面，借助該界面，用戶可以看到無(wú)縫鋼管生產(chǎn)線穿孔的生產(chǎn)過(guò)程，在出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，用戶也可以借助界面上的按鈕操作完成急停等操作。

（2）異常報(bào)警記錄：整條無(wú)縫鋼管生產(chǎn)線大部分時(shí)間都能正常平穩(wěn)運(yùn)行，對(duì)于偶爾出現(xiàn)的故障，上位機(jī)軟件具有報(bào)警顯示、記錄功能。操作工作人員可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并做出相應(yīng)的處理，所有的報(bào)警都會(huì)有記錄，用戶可以借助查詢，很容易發(fā)現(xiàn)某個(gè)設(shè)備在某段時(shí)間出現(xiàn)的故障信息。

（3）歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及報(bào)表功能：在生產(chǎn)過(guò)程中各設(shè)備發(fā)送過(guò)來(lái)的歷史數(shù)據(jù)以及操作員對(duì)系統(tǒng)操作的歷史數(shù)據(jù)，上位機(jī)都會(huì)分類存儲(chǔ)在本地硬盤，此外上位機(jī)還能根據(jù)用戶的要求自動(dòng)生產(chǎn)報(bào)表。歷史數(shù)據(jù)對(duì)于查找問(wèn)題，調(diào)整控制流程非常重要，例如軋輥的準(zhǔn)確位置對(duì)于生產(chǎn)出合格的無(wú)縫鋼管非常重要，借助歷史數(shù)據(jù)，操作員可以調(diào)整軋輥位置控制算法，找出最優(yōu)位置，確保生產(chǎn)出合格優(yōu)質(zhì)的無(wú)縫鋼。

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