西門子S7-1500和PROFINET在三輥行星軋機(jī)中的應(yīng)用

雷兆鋒，彭澤豐，李明軍，陳 欣，蒙緒怡

(廣東冠邦科技有限公司，廣東 佛山 528312)

0 前言

三輥行星軋機(jī)是精密銅管連鑄連軋工藝的關(guān)鍵設(shè)備之一[1],直接影響著銅管的內(nèi)在品質(zhì)，并決定了精密銅管生產(chǎn)線的效率。隨著工業(yè)4.0的發(fā)展，企業(yè)需要提高設(shè)備系統(tǒng)自動化水平，降低其生產(chǎn)勞動成本，高效生產(chǎn)，高效管理，提高競爭力。傳統(tǒng)的三輥行星軋機(jī)基本都是間歇上料生產(chǎn)，效率低。根據(jù)三輥行星軋機(jī)連續(xù)生產(chǎn)的工藝要求及機(jī)械結(jié)構(gòu)特點，通過周密設(shè)計，開發(fā)設(shè)計了基于S7-1500和PROFINET總線控制技術(shù)的三輥行星軋機(jī)(連續(xù)生產(chǎn))控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了不停機(jī)連續(xù)生產(chǎn)。

1 三輥行星軋機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

三輥行星軋機(jī)控制系統(tǒng)采用PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)代替PROFIBUS總線系統(tǒng)與現(xiàn)場分布式設(shè)備連接、通信的解決方案。非常方便地實現(xiàn)該三輥行星軋機(jī)上位機(jī)與下位機(jī)PLC系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)交換，以及下位機(jī)PLC系統(tǒng)與分布式現(xiàn)場設(shè)備的直接數(shù)據(jù)傳輸與讀取。和傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比,提出的基于S7-1500和PROFINET的分布式控制系統(tǒng)方案,實時性及開放性更強，具有操作簡單、數(shù)據(jù)傳輸速度快、抗干擾能力強、傳輸距離遠(yuǎn)、監(jiān)控及時等突出優(yōu)點,經(jīng)過調(diào)試及生產(chǎn),系統(tǒng)運行穩(wěn)定,兼容性強,具有一定的實際應(yīng)用意義。

三輥行星軋機(jī)控制系統(tǒng)由1臺上位機(jī)、1個PROFINET主站、多個PROFINET從站及現(xiàn)場設(shè)備組成；PROFINET總線將所有主站和從站組成一個完整的過程控制網(wǎng),并具備接入MES的硬件。

(1)上位機(jī)主站。硬件采用深圳研祥工控機(jī)IPC820系列，選取西門子組態(tài)軟件Win CC來設(shè)計上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，在設(shè)計調(diào)試時作為工程師站，運行時作為操作員站。在PC上位機(jī)進(jìn)行軋制過程控制對象的組態(tài),達(dá)到了效果良好監(jiān)控界面效果,用戶操作方便。通過以太網(wǎng)通訊，使用TCPIP協(xié)議與1500CPU相連。顯示選用的帶有觸摸功能的大屏幕顯示器，方便操作及監(jiān)控。這樣工業(yè)PC機(jī)與現(xiàn)場總線網(wǎng)就成為具有組態(tài)、運行、操作、監(jiān)控等功能完整的控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

(2)PROFINET總線主站。S7-1500 PLC是西門子新一代高性能產(chǎn)品[2，7]，性能大幅提升，功能更加強大，系統(tǒng)響應(yīng)速度快。綜合考慮控制系統(tǒng)對通信、高速計數(shù)器及模擬量等的要求，選擇了具有最高的性價比的S7-1500系列中緊湊型控制器1512C-1PN作為下位機(jī)控制器。

(3)PROFINET從站。2個主機(jī)傳動裝置、1個輔機(jī)傳動裝置采用西門子6RA80系列直流調(diào)速裝置的直流傳動系統(tǒng)。上料傳動裝置1個、頂送傳動裝置1個、彎曲傳動裝置1個、收卷傳動裝置1個、主動移動小車傳動裝置1個、主動移動小車主動輥1個、芯棒夾送1個等7個系統(tǒng)采用西門子G120-2全數(shù)字交流變頻裝置的交流傳動。交、直流傳動裝置通過PROFINET通信板接入PROFINET工業(yè)現(xiàn)場總線網(wǎng)，可以大大降低控制電纜用量，降低項目建設(shè)成本，提高安裝進(jìn)度，還可以為系統(tǒng)提供更大的擴(kuò)展性和靈活性。并且通過中央控制單元PLC將所有傳動點連接在PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)上，采用數(shù)字速度給定和脈沖編碼器速度反饋，構(gòu)成全數(shù)字交直流傳動系統(tǒng)。建立在PN網(wǎng)基礎(chǔ)上的全數(shù)字傳動系統(tǒng)，可以迅速響應(yīng)操作員發(fā)出的操作指令，并與傳動設(shè)備進(jìn)行高效數(shù)據(jù)通信，以便PLC采集電機(jī)實際電流、實際速度等進(jìn)行快速的運算處理,并送到計算機(jī)進(jìn)行監(jiān)控顯示。

(4)操作及現(xiàn)場IO遠(yuǎn)程站。包括上料站箱、出料站箱、主操作臺，均采用分布式I/O模塊ET200SP，接口模塊與主站之間通過專用PN通訊電纜傳送數(shù)據(jù)。將現(xiàn)場的檢測開關(guān)、操作按鈕、電磁閥等分組連接至主操作臺、上料站箱、出料站箱等分布式I/O中，分布式I/O模塊做為從站，接受主站控制，向現(xiàn)場設(shè)備提供輸出，并向主站饋送數(shù)據(jù),完成現(xiàn)場設(shè)備的控制及狀態(tài)采集。

2 PROFINET網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和硬件組態(tài)

PROFINET是PROFIBUS國際組織推出的基于工業(yè)以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn),可以完全兼容工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)有的現(xiàn)場總線(如PROFIBUS)技術(shù)，采用開放的IT標(biāo)準(zhǔn),與以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)兼容,并提供實時功能,能滿足所有自動化的需求[6，11]。

某三輥行星軋機(jī)控制的PROFINET網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)硬件組態(tài)如圖1、圖2所示。

圖1 某三輥行星軋機(jī)控制的PROFINET網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖2 三輥行星軋機(jī)過程控制系統(tǒng)硬件組態(tài)

系統(tǒng)硬件組態(tài)首先啟動TIA PORTAL V14 SP1，創(chuàng)建一個項目，插入控制器S7-1500并選擇對應(yīng)的CPU。進(jìn)入設(shè)備視圖窗口，選擇“常規(guī)”屬性中設(shè)置IP地址和子網(wǎng)掩碼進(jìn)行PROFINET從站的組態(tài)。

(1)3個西門子6RA80全數(shù)字直流調(diào)速的組態(tài)，點擊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)視圖頁面；將硬件目錄中“其它現(xiàn)場設(shè)備->PROFINET IO->DRIVES->SIEMENS AG->SINAMICS->SINAMICS DC MASTER CBE20V1.4.1”模塊拖拽到網(wǎng)絡(luò)視圖空白處，并按照要求設(shè)置其設(shè)備名稱及分配地址，根據(jù)設(shè)備視圖前端選擇相關(guān)報文設(shè)置即可。

(2)在項目視圖中，雙擊添加新設(shè)備，選擇驅(qū)動，在右側(cè)硬件目錄“驅(qū)動和啟動器->SINAMICS驅(qū)動->SINAMICS G120->控制單元->CU240-2 PN”模塊選中對應(yīng)版本確定后，打開設(shè)備視圖，設(shè)置其設(shè)備名稱及分配地址，從硬件目錄下選擇和設(shè)計對應(yīng)的功率單元，對報文進(jìn)行配置。對3個分布式I/O模塊ET200SP的組態(tài)，在網(wǎng)絡(luò)視圖中，硬件目錄下“分布式I/O目錄->ET200SP->接口模塊->PROFINET->模塊”拖拽到網(wǎng)絡(luò)視圖空白處,選中到設(shè)備視圖進(jìn)行設(shè)置其設(shè)備名稱及分配地址，按照圖紙設(shè)計和訂貨號插入I/O模塊等進(jìn)行從站硬件組態(tài)。

(3)在主站S7—1500PLC上，在完成S7-1500的硬件配置下載后，S7-1500與從站還無法進(jìn)行通訊，必須為從站分配設(shè)備名稱和IP地址，保證從站實際分配的設(shè)備名稱與硬件組態(tài)中從站分配的設(shè)備名稱一致。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 PLC軟件設(shè)計

該系統(tǒng)采用SIMATIC S7-1500的編程工具新一代操作平臺TIA博途V14SP1，完成硬件組態(tài)、參數(shù)設(shè)置、PLC程序設(shè)計、測試和調(diào)試。西門子TIA博途V14工程平臺，為用戶帶來一系列全新的數(shù)字化企業(yè)功能，可充分滿足工業(yè)4.0的要求[2，3]。

基于S7-1500和PROFINET總線控制技術(shù)的三輥行星軋機(jī)(連續(xù)生產(chǎn))控制系統(tǒng)是建立在原三輥行星控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，保留了原有的潤滑站、冷卻站控制及直流控制部分，使用S7-1500及PN新技術(shù)控制新機(jī)械、新工藝流程，需要對整個通訊功能塊重新設(shè)計，如自動連續(xù)上料系統(tǒng)和出料收卷自動化，并對整個系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。

3.1.1 PN系統(tǒng)的通訊軟件設(shè)計

PROFINET系統(tǒng)中主控PLC與遠(yuǎn)程I/O的數(shù)據(jù)通訊只需要進(jìn)行組態(tài)就可實現(xiàn)[8]，上下位機(jī)的通訊只需在WINCC中選擇對應(yīng)得通訊驅(qū)動就可實現(xiàn)。而系統(tǒng)中有兩種通訊程序需要設(shè)計：一是系統(tǒng)主控PLC和交、直流傳動的通訊設(shè)計，二是系統(tǒng)主控PLC與下一工序中S7PLC的通訊設(shè)計。

系統(tǒng)主控PLC和交直流傳動的通訊以選配附件G20(CBE20通訊板)的SINAMICS DCM 6RA80進(jìn)行通訊程序的設(shè)計。在程序塊的主函數(shù)中插入功能模塊DPRD_DAT”和“DPWR_DAT”來進(jìn)行周期通訊，這兩個功能塊可以在“擴(kuò)展指令->分布式I/O->其它”中找到，其中“DPRD_DAT”用于讀取驅(qū)動裝置的過程數(shù)據(jù)；“DPWR_DAT”用于給驅(qū)動裝置寫入過程數(shù)據(jù)。插入模塊后在“LADDR”處點擊數(shù)字“=”后，對應(yīng)位置輸入所組態(tài)報文的首字母“Z”選擇窗口中會顯示該報文，鼠標(biāo)點擊硬件組態(tài)對應(yīng)報文即可，在“RET_VAL”處定義一個字用于存放錯誤代碼，在“RECORD”處定義要發(fā)送/接收數(shù)據(jù)的首地址；與主機(jī)2的6RA80通訊程序如圖3所示。

圖3 主機(jī)2的6RA80通訊程序設(shè)計

系統(tǒng)主控PLC和下一工序S7-1500PLC通訊設(shè)計,S7-1500的集成PROFINET通信口可以做S7通信的服務(wù)器端或客戶端[10]。選擇S7-1500建立S7單邊通信，將控制系統(tǒng)的S7-1500PLC作為客戶端，僅需在客戶端單邊組態(tài)連接與編程，而在服務(wù)器端只需要準(zhǔn)備好通訊數(shù)據(jù)。在程序塊通過功能模塊PUT/GET進(jìn)行通信的設(shè)計。PLC之間通訊程序設(shè)計如圖4所示，其中“PUT”用于建立“ID”連接編號為W#16#100的S7通信，將“SD_1”本地PLC的地址區(qū)域指針指向的數(shù)據(jù)傳送到“ADDR_1”遠(yuǎn)程PLC設(shè)定地址區(qū)域指針的數(shù)據(jù)區(qū)。完成本地DB16.DBW22開始的18個字節(jié)傳送到聯(lián)拉機(jī)PLC中DB35.DBW22開始的18個字節(jié)中。其中“GET”用于完成將“ID”通訊地址為W#16#100的PLC，“ADDR_1”遠(yuǎn)程PLC設(shè)定地址區(qū)域中指針的指向的數(shù)據(jù)傳送到“SD_1”本地PLC的地址指針的數(shù)據(jù)區(qū)。完成將聯(lián)拉機(jī)PLC中DB35.DBW0開始的18個字節(jié)傳送到本地DB16.DBW0開始的18個字節(jié)中。

圖4 PLC之間通訊程序設(shè)計

由于S7-1500采用了新的保護(hù)機(jī)制[8]，所以作為S7服務(wù)器(sever)的CPU的設(shè)備組態(tài)，“屬性->常規(guī)->保護(hù)”里“連接機(jī)制”一項需要勾選“允許從遠(yuǎn)程伙伴(PLCHMIOPC…)使用PUT/GET通信訪問”，才能進(jìn)行通信。

3.1.2 連續(xù)上料系統(tǒng)

連續(xù)上料系統(tǒng)設(shè)置了三種模式，手動軋制、單次軋制和連續(xù)軋制。實現(xiàn)連續(xù)軋制的前提是穩(wěn)定的自動化連續(xù)上料控制，關(guān)鍵是兩個卡盤的動作可靠及追料過程的控制，其難點在于確定推料小車送第二根管料由速度控制轉(zhuǎn)向力矩控制的時機(jī)，根據(jù)前后兩根管的位置計算進(jìn)行控制，首先需要計算正在軋制的管材(第一根)位置，當(dāng)推料小車前進(jìn)到極限位后，正在軋制的管材進(jìn)入無推力軋制階段，由于該管材位置無法實際測量，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)軋制速度是穩(wěn)定的，所以運用離線間接測量法確定管胚實際位置，無需增加硬件，只是編制程序即可實現(xiàn)；該管材位置的計算通過裝在卡盤二的出入口的兩對檢測開關(guān)，兩對開關(guān)的間距為L0,在OB35測出軋制管料尾由離開卡盤二入口到離開卡盤二出口所花費的時間T0，由式(1)得到管材軋制的平均速度

V0=L0/T0

(1)

在OB35中一直檢測管料離開卡盤二入口的時間T1，通過式(2)得到離開卡盤二入口的距離L1。

L1=V0×T1

(2)

其次是待軋制的銅管位置的計算，待軋管通過頂送小車前進(jìn)送料，頂送小車傳動齒輪上裝有增量式編碼器，將增量式編碼器接到CPU集成的高速計數(shù)器口，利用高速計數(shù)塊計算，通過轉(zhuǎn)換，得到待軋制管材前進(jìn)的距離L2。當(dāng)管胚送到二號卡盤入口，記下管材前進(jìn)當(dāng)前距離L3,第二根管料經(jīng)過卡盤二入口，繼續(xù)前進(jìn)的長度為L4,L4=L2-L3。第二根料頭與第一根料尾距離為L5，L5=L1-L4。切換的距離為L6，L6是現(xiàn)場調(diào)試確定的，能保證銅管質(zhì)量的安全距離。當(dāng)L5≤L6時，發(fā)出自動切換信號，推料小車自動由速度控制切換到力矩控制，就可平穩(wěn)的實現(xiàn)連續(xù)上料。為了機(jī)組穩(wěn)定連續(xù)運行，設(shè)計了手動強制切換。同時還有幾種計算長度出錯保護(hù)的設(shè)計，防止計算速度偏差過大，該保護(hù)在觸摸屏中有提示。

3.2 WINCC監(jiān)控系統(tǒng)

上位機(jī)人機(jī)界面的設(shè)計采用SIMATIC WinCC組態(tài)軟件，具有良好的開放性和靈活性，組態(tài)簡便、高效。WINCC作為操作級的核心部分，為過程的可視化、報表、歸檔及用戶自由定義應(yīng)用程序的協(xié)調(diào)集成提供了系統(tǒng)模塊，具有報警和報警管理、歷史趨勢查詢、用戶管理器等基本功能，DDE、OLE、Activex OPC服務(wù)器和客戶機(jī)等接口和控件[4、5]，可以很方便地與其他應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)，并且也可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換。WINCC不僅為操作人員提供了良好的人機(jī)交互系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)，也為管理級與控制級之間的信息交互提供了渠道。

系統(tǒng)根據(jù)具體的工藝生產(chǎn)要求與條件，設(shè)計了多個界面，其中系統(tǒng)畫面是開始畫面，在設(shè)計中盡可能設(shè)計的簡潔明了，能使操作人員直觀地了解設(shè)備運行的狀況，盡可能多的顯示參數(shù)。主要監(jiān)視主機(jī)電流和負(fù)載、主機(jī)轉(zhuǎn)速、輔機(jī)電流和負(fù)載、輔機(jī)轉(zhuǎn)速、潤滑油壓力、潤滑油溫度，送進(jìn)速度、送進(jìn)力、出料速度、彎曲與收卷速度、一冷水進(jìn)水溫度與流量、二冷水進(jìn)水溫度與流量、氮氣流量等重要的安全信息及工藝信息以及生產(chǎn)狀態(tài)進(jìn)行實時顯示，并對一些關(guān)鍵的故障報警動態(tài)顯示。還設(shè)計了主軋機(jī)、潤滑站、冷卻站、軋機(jī)上料，軋機(jī)出料、上料檢測，報警畫面、數(shù)據(jù)畫面、參數(shù)畫面等畫面。其中數(shù)據(jù)畫面實現(xiàn)對安全信息及工藝生產(chǎn)方面多個重要參數(shù)的趨勢記錄歸檔查詢打印等功能。趨勢記錄可提供逼真的曲線和表格功能，并可供設(shè)備維護(hù)、調(diào)度等管理部門分析設(shè)備運行狀況。

4 結(jié)束語

基于S7-1500和PROFINET工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的三輥行星軋機(jī)控制系統(tǒng)，通過主站對從站的通信控制實現(xiàn)了管坯的自動連續(xù)上料及自動出料收卷，銅管的不間斷連續(xù)軋制降低了工人的操作強度。該三輥行星軋機(jī)控制系統(tǒng)將PROFINET總線技術(shù)與西門子PLC相結(jié)合控制現(xiàn)場設(shè)備，組成了實時、可靠的全集成自動化控制系統(tǒng)，滿足了新工藝的需求。同時系統(tǒng)單機(jī)具備和MES等管理系統(tǒng)對接的硬件能力，通過軟件系統(tǒng)升級實現(xiàn)與工廠MES交換數(shù)據(jù),實現(xiàn)為工廠MES提供管理數(shù)據(jù)，節(jié)省接入MES的硬件成本。現(xiàn)場出現(xiàn)故障時，報警系統(tǒng)實現(xiàn)故障自診斷，及時定位故障點并給出解決方案,減少故障停機(jī)時間。實踐表明，該系統(tǒng)具有運行穩(wěn)定可靠且操作維護(hù)方便，監(jiān)控及時，為工廠實現(xiàn)數(shù)字化奠定了基礎(chǔ)，對于設(shè)備的智能化發(fā)展具有積極意義。