安鋼1號高爐4#熱風爐控制通訊功能設計及實現

任麗敏 侯憲斌 房戈 李雪芹

( 安陽鋼鐵股份有限公司)

0 前言

安鋼煉鐵廠1 號高爐原建有三座配套熱風爐，因2#熱風爐爐墻出現嚴重塌陷，對安全生產造成嚴重影響，需要進行改造，新增加一座4#熱風爐。原1號高爐的自動化控制系統完成了1#～3#熱風爐的所有設備控制，其上位軟件MP7．2 現已淘汰，原有受權點數已無余量，新受權又無法購買，系統不能加入新點，造成原有控制系統中無法增加新增4#熱風爐的設備控制，因此，新的4#熱風爐軟、硬件必須采用獨立的控制系統，以便完成相關控制，這樣，便形成了四座熱風爐分列兩套不同的控制系統的平臺結構，而它們之間又要完成整個熱風爐工藝控制，實現任意三座熱風爐的送風轉燜爐、燜爐轉燃燒、燃燒轉燜爐、燜爐轉送風等"三燒一送"的聯動，這使得控制系統的架構及通訊設計成為關鍵。

1 Modbus TCP/IP 簡介

近年來，數據通訊技術發展迅速，現場總線技術及以太網技術也同步發展，使工廠自動化控制系統和以太網的應用得到了普及。

當以太網用于信息技術時，應用層包括HT －TP、FTP、SNMP 等常用協議，當以太網用于工業控制時，體現在應用層的是實時通信、用于系統組態的對象以及工程模型的應用協議，已經開發出相應產品的主要有4 種協議: HSE、Modbus TCP/IP、ProfINet、Ethernet/IP。

Modbus TCP/IP 協議由施耐德公司推出的專用于工業系統的以太網協議，以一種非常簡單的方式將Modbus 幀嵌入到TCP 幀中，使Modbus 與以太網和TCP/IP 結合，因此稱為Modbus TCP/IP。這是一種面向連接的方式，每一個呼叫都要求一個應答，這種呼叫/應答的機制與Modbus 的主/從機制相互配合，使這種交換式以太網具有很高的確定性。

2 系統網絡架構設計

安鋼1 號高爐原有三座熱風爐自動化控制系統硬件采用的是施耐德的莫迪康昆騰系列PLC，配套編程軟件Concept6．0;上位軟件采用的是MP7．2，目前已屬淘汰產品，因原系統已無擴容的位置，所以新建的4#熱風爐單獨成系統，采用目前施耐德的最新軟、硬件，其中控制系統硬件采用Modicon Unity Quantum 系列PLC，編程軟件為Unity Pro V5．0，上位畫面采用Vijeo Citect 7．10。

新增4#熱風爐系統與原三座熱風爐系統之間采用的軟、硬件不同，為了解決這一問題，增設了一臺交換機，一方面用于連接PLC 和上位畫面，另一方面也用于連接新PLC 及原PLC 系統。將新PLC、原PLC、新上位機、原上位機分別用RJ45 網線連接至交換機，同時，將新PLC 和新上位機的IP 地址配置成與1 號高爐環網同一網段。整個系統的網絡架構如圖1 所示。

圖1 系統的網絡架構

3 通訊功能設計及實現

3．1 通訊功能實現

系統網絡架構組成后，使新增4#熱風爐與原有三座熱風爐在硬件上形成了一個整體，但要想在它們之間實現隨意換爐操作，關鍵問題是進行兩套PLC 系統之間的通訊數據設計，以便實現軟件上形成真正的整體。

安鋼1 號高爐新建4#熱風爐工程中，兩套系統所使用的上位監控軟件完全不兼容，根本不存在直接通訊的可能性，若使用如OPC 的第三方通訊方式，則會存在著數據更新不及時的現象，且OPC 通訊技術在主要應用于信息化管理系統，一般不涉及生產控制。在1 號高爐的新建4#熱風爐項目中，新增4#熱風爐的操作界面上，必須對原熱風爐系統的一些設備進行操作，數據通訊的可靠性成為控制系統設計的核心問題。

3．1．1 通訊技術選擇

為了保證系統的可靠性，同時，也為了使新的控制系統能夠便捷地實現與原有控制系統的通訊，使其從整體上具有功能上的完整性，采用基于Modbus TCP/IP 的通訊方式，由于軟、硬件都使用了與原控制系統同一品牌的最新設備，確保了新的4#熱風爐可以更好地融入原有的控制系統中，使控制更加完善、更加可靠。

Modbus TCP/IP 協議是目前施耐德控制系統中數據傳輸的基礎。Modbus/TCP 報文服務采用客戶端/服務器的模式交換實時信息，該模式基于以下四種類型的報文: Modbus 請求、Modbus 確認、Modbus指示和Modbus 響應用于實時信息的交換( 如圖2所示) 。

圖2 Modbus 報文傳輸服務示意圖

在原有的Quantum 系列PLC 與新的Unity Quantum 系列PLC 之間的數據交換，正是采用了這種客戶機－服務器模型，它可以在兩個設備應用程序之間，在設備應用和其它設備之間，在HMI/SCADAY 應用程序和設備之間，在一個PC 和一個提供在線服務的設備程序之間進行數據的傳輸。

Modbus TCP/IP 的通信系統可以包括不同類型的設備:

·連接至TCP/IP 網絡的Modbus TCP/IP 客戶機和服務器設備

·互連設備，例如: 在TCP/IP 網絡和串行鏈路子網之間互連的網橋、路由器或網關聯接，該子網允許將Modbus 串行鏈路客戶機和服務器終端設備連接起來。其總體通信結構如圖3 所示。

圖3 MODBUS TCP/IP 的通信結構

3．1．2 通訊變量整理

熱風爐控制需要實現四座熱風爐的送風轉燃燒，燃燒轉送風，燃燒轉燜爐，燜爐轉送風等外圍各種信號和功能的控制，為了便于代碼設計，在硬件連接好并設置完畢之后，將程序中需要進行讀、寫控制的變量整理成表格，將需要從原PLC 系統讀取到新PLC 系統及需要從新PLC 系統寫入到原PLC 系統的變量地址進行統計，部分通訊數據示例見表1、表2。

表1 新PLC 從原PLC 上讀取模擬量

3．2 程序設計

在通訊數據表整理后，則可以分步進行具體通訊的程序設計過程，首先將模擬量和數字量分類進行編程設計。在原PLC 的程序中將需要讀取的數據進行整理，模擬量直接寫入待讀取地址，數字量打包成word 格式后寫入待讀取地址，新PLC 系統通過I/O 掃描，從原PLC 系統的指定待讀地址中讀取相應信息，模擬量直接讀取后即可在程序中應用，數字量則需將讀取到的word 格式分解，再將分解所得各個bit 量分別賦予新PLC 系統的相關變量。

原PLC 系統與新PLC 系統的通訊設計主要有三類信號:顯示類開關量、顯示類模擬量及畫面操作類變量的通訊。對于顯示類開關量，原PLC 控制程序中數字量打包轉換程序主要采用了bit_to_word功能塊，左側管腳分別寫入待傳輸的開關點名，最多可以寫入16 個，相反，在新PLC 中同樣要編寫相應的解包、轉存程序，而它采用的功能塊是word_to_bit，右側管腳為接收信號開關點名，程序結構如圖4所示。

圖4 顯示用開關量的讀、寫程序示例

對于顯示類模擬量，信號點采用move 功能塊，它是一對一的寄存器變量轉存( 如圖5 所示) 。如“煤氣流量調節空燃比設定”; 對于畫面操作類變量的通訊，模擬量需要設定一個確定傳送指令，選擇了帶有使能端的move 功能塊實現，例如“1#助燃風機入口調節閥手動值”。

圖5 顯示用模擬量的讀取程序示例

操作類數字量有兩種，一種是新PLC 系統程序完成邏輯判斷后發送運算結果給原PLC 系統，采用了R/S 觸發器進行信號的通訊( 如圖6 所示) 。

圖6 操作用數字量的置、復位程序

另一種是新PLC 系統向原PLC 系統發送操作命令，原系統程序完成邏輯判斷與運行，采用TP 功能塊完成脈沖功能設計( 如圖7 所示) 。

圖7 操作用數字量的脈沖程序

Modbus TCP/IP 的協議功能，在軟件通訊設計中，集成為“I/O 掃描”功能。因此，在控制變量通訊設計完成后，必須在新熱風爐的PLC 程序中設置“I/O掃描”，將讀取和寫入的地址進行正確的配置，其中，數據類型必須為REAL，數據地址及讀、寫的長度必須配置正確。新PLC 系統中的I/O 掃描配置見表3。

表3 新PLC 與原PLC 通訊的I/O 掃描配置

4 使用效果

新建4#熱風爐項目于2012年8月底一次性投產成功，通過一年半的運行，很好地滿足了生產需要。通訊功能的設計，為無障礙換爐系統提供了條件，使兩套不同軟硬件平臺的控制系統無縫鏈接為一體，實現了任意三座熱風爐均能夠為1 號高爐實現“兩燒一送”功能，程序設計巧妙，結構合理，可移植性好。新4#熱風爐控制系統換爐平穩，風壓波動范圍在5 kPa 以內，有效地保證了高爐的正常生產。

5 結語

安鋼1 號高爐4#熱風爐的網絡架構設計，使不停產進行改造成為可能。基于Modbus TCP/IP 通訊設計的1 號高爐新建4#熱風爐控制系統，經過自主研發，自行建設與調試投運，使得1 號高爐的熱風爐系統控制更加靈活，為安鋼的降本增效打下了堅實的基礎。

［1］王永華編著．現代電氣控制及PLC 應用技術． 北京: 北京航空航天大學出版社，1999，158 －235．