熱軋線加熱爐燃控系統網絡通訊的優化

邰曉宇

(唐山鋼鐵股份有限公司中厚板公司，河北 唐山 063000)

唐鋼中厚板公司軋鋼生產線加熱爐為步進蓄熱式加熱爐，主要由加熱爐爐體、蓄熱室、換向系統以及燃料、供風和排煙系統構成。該種加熱爐通過蓄熱室提前預熱進入爐腔內的空氣和煤氣，減少熱量損耗，爐溫更加均勻，由于爐溫分布均勻，加熱質量大大改善，產品合格率大幅度提高。蓄熱式燃燒是在相對的低氧狀態下彌散燃燒，沒有火焰中心，因此，不存在大量生成氮氧化物的條件。煙氣中氮氧化物含量低，有利于保護環境。在低氧燃燒狀態下，鋼坯的氧化損耗相應的也會降低。節能，環保為其主要的特點。

1 功能構成

燃燒控制系統分為兩個相互獨立的系統：儀表燃控系統、換向控制系統。

儀表燃控系統的主要功能構成：以西門子S7-400PLC為控制核心，接收現場儀表檢測的各種燃燒相關數據，分析計算收集來的這些數據，最后通過自動調節煤氣空氣調節閥門的閥門開度，來達到溫度的自動控制。

由儀表檢測的相關數據包括：

（1）溫度：爐頂溫度、爐側墻溫度、排煙管道溫度

（2）流量：空氣總管流量，空氣支管流量，煤氣總管流量，空氣支管流量。

（3）壓力：空氣總管壓力，煤氣總管壓力，爐內壓力，壓縮空氣壓力、各燃燒段煙氣氧含量值、各調節閥閥位反饋換向控制系統的主要功能構成：以西門子S7-300為控制核心，控制加熱爐各個燒嘴換向系統在規定的時間內進行進氣、排氣的動作。同時，控制總管快切閥門和各支管快切閥門。

2 系統現狀

儀表燃控系統與換向控制系統通過MPI數據通訊的方式來進行CPU之間的數據交換，并以同樣的方式與上位機畫面連接。

MPI 英文全稱Multipoint interface，是SIMATIC S7多點通信的接口，是一種適用于少數站點間通信的網絡，多用于連接上位機和少量PLC之間近距離通信。通過PROFIBUS電纜和接頭，將控制器S7-300或S7-400的CPU自帶的MPI編程口相互連接，以及與上位機網卡的編程口（MPI/DP口）通過PROFIBUS或MPI電纜連接即可實現MPI通訊。網絡中也可以不包括PC機而只包括PLC。MPI的通信速率為19.2K～12Mbit/s，但在實際應用中直接連接S7-300CPU通信口的MPI網，其最高速率通常為187.5Kbit/s，否則就會報錯。一個網段的最長通信距離為50米。

3 系統存在的問題與解決方案

由于MPI通訊本身的局限性，單網段通信距離最長50米。PLC室與操作臺距離較遠，在日常生產中，經常出現網絡閃斷，丟包現象。即使加上中繼器，效果仍然不理想。另外從成本角度考慮，每個工控機都必須單獨配置一塊西門子CP5611網卡來與MPI網絡適配，MPI網絡物理連接層采用的是PROFIBUS電纜和接頭，可擴展性，與其他系統兼容性差，并且采購成本高。

最佳的解決方案是，把當前MPI網絡替換成工業以太網，對比MPI網絡通訊，以太網通訊有以下幾方面優勢：

（1）組建網絡成本低廉，采購渠道廣；

（2）可擴展性強，尤其體現在與二級燃控模型進行數據通信時，幾乎必須采用以太網通訊；

（3）傳輸速率高，傳輸距離遠，抗干擾性強，尤其是當采用光纖網絡時，傳輸距離可達到千米級別；

（4）兼容性好，通過以太網通信，該系統可以直接并入現有網絡中，與其他控制系統實現通訊，把全線自動控制有機的結合為一體。

4 方案實施的步驟與細節

4.1 硬件的添加與硬件組態

在S7-400燃控系統中添加西門子以太網卡CP443-1，在S7-300換向系統中添加西門子以太網卡CP343-1，硬件安裝完畢后，還要在STEP7中更改相應的硬件組態，編譯并下裝，CPU沒有報錯說明配置沒有問題，如有報錯，在CPU在線緩沖區中查看錯誤信息，并做相應的處理.分別給兩個CP設置好各自的IP地址，注意，兩個IP地址必須在一個網段，例如：192.168.0.2與192.168.0.3。

以上完成后，還要在PLC柜內加裝一臺工業以太網交換機，將燃控系統，換向系統，操作員站，工程師站，全部通過以太網線連接至此交換機，到此硬件的安裝完成。

4.2 建立兩個控制系統CPU之間的通訊

打開STEP7軟件，進入網絡組態，首先刪除之前MPI通訊協議的組態。鑒于兩個CPU之間的數據交換不是太多，可以采用單邊通訊的協議。所謂單邊通訊是指，在一方PLC創建新的S7連接，伙伴PLC不用創建連接，主動連接方在連接伙伴的數據塊內進行讀寫操作。由于400系列的PLC比300的性能要好，所以選用400的燃控系統CPU作為主動連接方。

進入NetPro進行網絡組態，選中S7-400的CPU，選擇Insert New Connection，插入一個新的連接，選擇CPU315-2 DP最為連接伙伴，連接方式為S7連接，然后設置S7連接的屬性，選擇單邊模式（One-Way），本地CPU最為Client，伙伴CPU作為Server， Client訪問Server。[1]

如圖所示：S7-400的程序中利用單邊功能塊（GET，PUT）進行單邊訪問，注意，兩邊的程序中都要預先新建好對應的讀取DB塊，讀取要分開設置。

這樣就能達成連個獨立控制系統間的通訊，把之前MPI通訊的數據，放入通訊DB塊里，就能實現信息的傳遞。

4.3 操作員站PC機的設置與WINCC畫面的變量遷移

由于原系統是通過MPI通訊，現在已經改為以太網通訊模式，所以PC機側的設置需要作出相應的修改，打開STEP7中的SET PG/PC接口，把原設置MPI通訊模式改為TCP/IP模式。PC機IP地址設置也應在192.168.0.的網段。

打開WINCC軟件，可以看到，原來變量組是在MPI連接下，所以需要變量遷移。在連接選項中選擇TCP/IP連接，然后新建驅動程序的連接，選擇本地PC為服務器，新的變量組創建成功。

一般如果變量數量較少，種類不多的情況下，可以采用直接復制粘貼的方法，把MPI連接的變量直接復制到TCP/IP的變量下，但是相對于本項目來講，變量數多大2000多，直接復制粘貼的話，會出現以下未知的錯誤。所以建議采用WINCC專用的變量導出導入工具DataMonitor Client，把MPI連接中的變量導出為EXCEL模式，然后再導入到TCP/IP的連接中，這樣會避免后期WINCC畫面運行出現一些莫名其妙的錯誤。

DataMonitor Client變量導入導出示意圖：

變量導入成功后，刪除MPI驅動連接，重啟WINCC程序，激活項目運行，檢查是否正常。

5 優化后效果驗證

網絡改造完成后，加熱爐區域全部為以太網通訊模式，可以隨時在交換機上通過連接以太網線增加冗余的操作員站，可以把該電氣室交換機并入工廠網絡，使工程師能遠程監控調試設備，排除設備故障；二級燃控模型服務器可以直接通過以太網，讀取PLC內部數據，發送給PLC的執行指令；

以太網故障率低，維護簡單，備件采購渠道廣泛，出現問題，可以和其他區域的設備共用備件，減少備件庫存量。尤其對于生產而言，可以避免由于網絡故障導致加熱爐直接停爐待產，對于減少燃燒消耗，提高經濟效益有重大意義。

參考文獻

[1]SIEMENS S7-Communication in S7-PLC 2009.04