包钢轨梁厂冷床网络控制系统论文

1包钢轨梁厂冷床网络控制系统作者姓名（单位名称）摘要：本文叙述了包钢轨梁厂万能轧机生产线百米钢轨冷床区的一级自动化总线控制系统，同时运用西门子PCS7 软件进行编程，重点介绍在 S7-400PLC 系统下网络组成，实现 Profibus 网络和 Ethernet 网络之间的信号交换。关键词：Profibus；Ethernet；S7-400 PLC1引言随着铁路高速化发展计划的日益推进，对钢轨质量和长度都提出了新的要求，为了适应市场的需求，2005 年包钢（集团）公司开始筹建一条百米长尺钢轨加工生产线，该生产线于 2006 年 6 月正式投产。此条生产线全年生产重轨和型钢 90 万吨，生产线中引进了大量国内国外设备，自动化程度极高。新建轨梁厂生产线设有一级基础自动化控制系统和和二级计算机控制系统，其一级基础自动化控制系统分为步进梁式加热炉区,5 机架轧机及其辅助设备,5 机架液压润滑系统,百米冷床区,型钢加工线,重轨加工线等几部分,百米冷床区的设计要求是针对轧制出来的钢轨进行缓冷，同时在钢轨进入冷床时提前进行预弯，达到钢轨冷却温度后只有很少变形量。以便于后部钢轨矫直工序的处理，本文主要讲述其中百米钢轨冷床区 PLC 控制系统下的网络控制组成。2设备组成及控制和功能2.1 主要设备及功能整个百米冷床区域的主要设备有冷床输入辊道(用于将前部区域输送出的钢轨运送到冷床入口) ，冷床入口带预弯功能的升降横移装置， （用于将冷床入口辊道上的钢轨按设定位置进行预弯后运送到冷床步进梁上） ，冷床步进梁（用于将钢轨按照工艺步距向冷床出口运送） ，冷床出口升降横移装置（用于将冷床步进梁上的钢轨从步进梁上移出，运送到冷床输出辊道） ，冷床输出辊道（用于将钢轨运送到后部的矫直区域） 。各区域的控制在操作台上分为手动、半自动和自动三种控制模式，手动控制模式主要用于检修和处理事故时对各单体设备进行操作，此模式只有一些必须的联锁，在任何状况下手动模式是可以进行操作的。半自动控制模式主要为测试设备的自动状态做准备，在半自动模式下对入口和出口横移装置，步进梁进行一个自动循环的控制，此时的所有电气和机械联锁是有效的，自动控制模式主要用于生产线正常生产时整个区域的全自动化生产控制。如图 1 所示。2图 1百米冷床区域主要设备分布图2.2 设备控制系统冷床设备的系统控制分为电气 PLC 控制、介质系统的液压控制以及网络通讯控制。电气 PLC控制是以西门子 S7-400PLC 为主控系统，现场分布式站点为子站构成的主从控制系统，来实现对现场设备的控制。介质液压系统是主要是为现场的设备供油，实现设备的自动控制，网络通讯控制实现的是信号的传递和反馈功能，使各级设备数据共享，达到快速、准确的传递效果，本文重点介绍冷床设备的网络控制系统。3 网络控制系统3.1 Industrial Ethernet网络硬件部分组成 百米钢轨冷床自动化控制系统有两条以太网光纤环网，这些光纤环网都是通过西门子工业以太网网络连接元件 OSM 连接。其中一条网络是将 PLC 的通讯模板 CP443-1 与主控室的工程师站、服务器进行连接的网络，另外一条网络是各个操作台上的操作员站（OS）与服务器和工程师站之间通过 TCP/IP 协议连成的网络，如图 2 主控室的工程师站装有 windows XP 系统和 PCS7 软件，用于对冷床自动化程序的编程调试、在线查找故障、维护和处理故障，带有 Wincc 人机接口画面对百米冷床所有设备具有显示、控制、报警、诊断、执行和通讯的作用。服务器用于采集各单体设备的过程数据并且对这些数据进行存储与处理，各操作台上的操作员可以方便快捷的对设备进行操作。同时服务器和二级计算机服务器进行数据交换，将生产过程中的钢轨进行实时跟踪。服务器将采集3到的过程数据发送到各操作员站的客户机上1。 图 2 Ethernet网络结构图随着现代科技的发展壮大，跨网络通讯和全球通讯都基于 TCP/IP 协议，基于工业以太网，在整个冷床控制系统中运用 Simatic Net 创建了一个互联的完整网络系统。网络部件使用了 OSM（光学交换模板） ，它确保了长距离的冗余、可靠和高速的数据传输（2 个模块间最远达 26 公里） 。冷床控制系统的以太网传输速率为 100M 波特率的快速以太网，发送信息显著加快，占用总线时间极短。同时消除冲突的全双工，通过开关将一个网络分成若干个段，降低了负载，因此几个帧可以作为一个整体在网络中同时进行发送，网络中的网络节点对信号传输速率有自动识别以及自动协商（快速以太网配置协议）功能。这些有利的因素使得在整个冷床自动化控制系统中的数据交换快速，响应时间短，操作员能准确快速的对设备进行操作，加快了生产速度，提高了钢轨的产量。3.2 Profibus-DP网络硬件部分组成现场总线（Profibus）技术是实现现场级控制设备数字化通信的一种工业现场层网络通信技术；是一次工业现场级设备通信的数字化革命。现场总线技术可使用一条通信电缆将现场设备（智能化、带有通信接口）连接起来，用数字化通信代替 4-20mA/24VDC 信号，完成现场设备控制、监测、远程参数化等功能。PROFIBUS 规定了串行现场总线系统的技术和功能特性。通过这个系统，从底层（传感器、执行器级）到中层（单元级）的分布式、数字现场可编程控制器都可以连网。Profibus 区分为主站和从站。Profibus 提供了三种通信协议类型：FMS，DP 和 PA。ProfibusDP 是用于与分布式 I/O 进行高速通讯的通信协议类型，ProfibusDP 是为了实现在传感器执行器级快速数据交换而设计的。中央控制装置（例如可编程控制器）在这里通过一种快速的串行接口与分布式输入和输出设备通信。与这些装置的通信一般是循环发生的。中央控制器（主站）从从站读取输入信息并将输出信息写到从站。单主站或者多主站系统可以由PROFIBUSDP 来实现。这使得系统配置异常方便，一条总线最多可以连接 126 个设备（主站或从站） 。 百米冷床自动化控制系统采用 ProfibusDP 通信协议，共有 3 套 S7-400 PLC（AS 站） ，3 套AS 站分别由 CPU414-3DP， CPU416-3DP 和 CP443-1 以太网通讯模板及 CP443-5 Profibus-DP 扩展4模板组成， 3 套 AS 站之间的数据交换通过 DP/DP 耦合器来完成的。3.2.1 液压 DP网络液压单元的控制系统主要由 CPU 414-3 DP 和 2 块 CP443-5DP 组成，其中 CPU 414-3 DP 作为Profibus-DP 的主站， CP443-5DP 接口分别连有两条 Profibus-DP 网络，第一条网络有 4 个 ET200 M（ IM 153-2）接口模块，两个在 CP7 操作台，两个在液压站机旁操作箱，通过它们所连接的 I/O模块，完成对操纵台两部分、液压控制柜控制线路、润滑控制柜控制线路的控制及通讯。另外在此条网络中还挂有一个与冷床入口控制系统（AS5.2）交换信号的 DP/DP 耦合器；第二条网络共连接18 套 SIMOCODE 软起动装置, 用于液压站 MCC 的控制，通过 DP 网使外围设备与主站之间采用快速循环的数据交换方式来获得液压站单元的控制信号和显示数据。如下图 3。图 3 冷床液压 DP网络结构图3.2.2 冷床入口 DP网络冷床入口控制系统(AS5.2)由 CPU416-3 作为 Profibus-DP 主站，通过 6 块 CP443-5DP 接口连接成 6 条 Profibus-DP 网络。第一条网络由百米冷床入口辊道上检测钢轨位置的激光测距仪和与加工区 CR6 电气室通讯的 DP/DP 耦合器组成。第二条网络由 8 个直接数据交换 ET200 S（IM 151-1）电子模块作为现场信号交换器，通过它们所连接的 I/O 模块，将现场的各种电气信号返回主站，用于主站的自动化程序控制和状态显示。第三、四条网络连接百米冷床入口预弯小车位置控制的绝对值编码器，其中 1#-19#小车在网络四上， 20#-39#小车在网络三上，这条网上还有一个与百米冷床出口控制系统（AS5.3）通讯的 DP/DP 耦合器。这些绝对值编码器做为 DP 网的一个站点采用快速循环的数据交换方式直接与主站交换信号参与控制。第五、六网络连接由公共整流所带的逆变装置其中第五条网络带有两套入口辊道逆变器，17 套入口预弯小车逆变器及一个与 2#热锯通讯的DP/DP 耦合器。第六条网络带有 22 套入口预弯小车逆变器及一个与液压控制单元（AS5.1）通讯的DP/DP 耦合器。如下图 4。5图 4 冷床入口 DP网络结构图3.2.3 冷床出口 DP网络百米冷床出口控制系统(AS5.3)也由 CPU416-3 作为 Profibus-DP 主站，通过 6 块 CP443-5DP 接口连接成 6 条 Profibus-DP 网络。第一条网络由百米冷床出口步进梁上检测钢轨位置的 13 个激光测距仪组成。第二条网络由 CP8 操纵台 ET200 M（ IM 153-2）接口模块和冷床出口和入口控制系统信号交换的 DP/DP 耦合器组成。第三、四条网络连接百米冷床出口小车位置控制的绝对值编码器，其中 1#-21#小车在网络四上， 22#-40#小车在网络三上。第五、六网络连接由公共整流器所带的逆变装置其中第五条网络带有 20 套出口小车逆变器，第六条网络带有两套出口辊道逆变器和 20 套出口小车逆变器。如下图 5。6图 5 冷床出口 DP网络结构图4 网络自动化集成对于一条高度自动化的生产线的维护人员和操作人员来说，一个完善的网络接口系统是非常重要也是不可缺少的，它既可以显示每个设备当前的状态，又可以参与控制与维护，而且可以在故障状态给维护人员一定的提示信息，再加上强大的实时数据库功能，使人机接口界面的作用日益增强。本系统的人机接口系统是由西门子 PCS7 系统内嵌套的 WINCC 6.0 视窗控制软件实现的，作为西门子 SIMATIC 全集成自动化系统的重要组成部分，WINCC 确保与西门子 S7 系列 PLC 连接方便、通讯高效。根据西门子公司的全集成理念，可以在 STEP 7 的管理器中管理 WINCC 项目，这样在STEP 7 中定义的变量和通讯参数可以直接传输到 WINCC 中，工程组态任务可以减少一半以上，并减少组态错误的发生。通过图 2.1 可以看到 HMI ETHERNET 分支上包括一台服务器、俩台 PC STATION 工作站，服务器放在电气室中，两台工作站分别在两个区域的操纵台上，属于多用户客服系统，这种系统只需对服务器进行组态，各个工作站通过过程驱动器访问服务器上的项目，而不需要另外组态。4.1 网络软件组成及功能4.1.1 网络控制工程师站(ES)主控室工程师站操作系统采用 Microsoft Windonws2000 Professional 作平台，安装 SIMATIC PCS7 工程师工具集 V6.1 版本，标准工程软件提供了核心 SIMATIC PCS7 系统部件的基本组态功能，这些系统部件包括自动化系统，过程 I/O，通讯网络，操作员系统等。其中有对程序控制器进行配7置和编程的软件 Siemens Simatic Software Step7 V5.3 incl. SP1 软件、支持工业以太网卡的 Siemens Simatic Software Softnet S7 Ind. Ethernet V6.1 软件和人机界面组态软件 Wincc。西门子视窗控制中心 SIMATIC WinCC(Windows Control Center)是 HMI/SCADA 软件的后起之秀，1996 年进入世界工控组态软件市场，当年就被美国 Control Engineering 杂志评为最佳 HMI 软件，以最短的时间发展成第三个在世界范围内成功的 SCADA 系统；而在欧洲，它无可争议地成为第一。在设计思想上，SIMATIC WinCC 秉承西门子公司博大精深的企业文化理念，性能最全面、技术最先进、系统最开放的 HMI/SCADA 软件是 WinCC 开发者的追求。WinCC 是按世界范围内使用的系统设计的，因此从一开始就适合于世界上各主要制造商生产的控制系统，如 A-B,Modicon,GE 等，并且通讯驱动程序的种类还在不断增加。通过 OPC 的方式，WinCC 还可以与更多的第三方控制器进行通讯。WinCC V6.0 采用标准 Microsoft SQL Server 2000 数据库进行生产数据的归档，同时具有 Web浏览器功能，可使经理、厂长在办公室内看到生产流程的动态画面，从而更好地调度指挥生产，是工业企业中 MES 和 ERP 系统首选的生产实时数据平台软件。WinCC 由三大部分组成：控制中心：控制中心使用户通过 WinCC 进行浏览，并且对其数据进行一些操作。从形式和操作上看，控制中心与 Windows 资源管理器相似。系统控制器：管理各站之间的网络通讯关系。数据管理器:在 WinCC 项目中用于处理中央任务的启动。其主要任务是处理变量管理器，其通讯通道用于访问过程数据。4.1.2 网络集成组态网络集成组态一般指 WinCC 软件的组态过程遵循以下步骤： 1、启动 WinCC，建立一个新的WinCC 项目； 2、在变量管理器中选择添加 PLC 驱动程序（ SIMATIC S7 Protocol Suite.CHN） ；3、配置所选协议的系统参数（工业以太网 CP1613 协议系统参数） ；4、在工业以太网 CP1613 协议中新建一个连接并组态逻辑连接参数；5、在连接中加入变量并设置变量（设置包括变量名、数据类型、变量地址等项） ；6、在图形编辑器中制作监控画面；7、制作报表、数据归档、报警以及用户管理和项目安全等功能变量分为外部和内部变量，内部变量与 PLC 无关，一般起数值传递和实现画面动态的作用。外部变量是对应于存在 PLC 或外部应用的存储器地址中数据的变量，这种变量可以通过 PLC 存储器地址