基于現(xiàn)場總線在天津無縫鋼管廠減徑機生產(chǎn)線中的應(yīng)用

1、前言

PROFIBUS是一種國際化、開放式異步串行通訊標(biāo)準(zhǔn)，廣泛適用于制造業(yè)自動化和流程自動化、樓宇、交通、電力等各行各業(yè)。通過PROFIBUS可以方便地實現(xiàn)各種不同廠商的自動化設(shè)備及元器件之間的信息交換。PROFIBUS協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)由三個兼容部分組成：PROFIBUS-DP（分布式外設(shè)）、PROFIBUS-FHS（現(xiàn)場總線信息規(guī)范）、PROFIBUS-PA（過程自動化）。標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)場總線具有“開放”的通訊接口、“透明”通訊協(xié)議，允許用戶選用不同制造商生產(chǎn)的分散IO裝置和現(xiàn)場設(shè)備?，F(xiàn)場總線PROFIBUS滿足了生產(chǎn)過程現(xiàn)場級數(shù)據(jù)可存取性的重要要求，一方面它覆蓋了傳感器執(zhí)行器領(lǐng)域的通信要求，另一方面又具有單元級領(lǐng)域的所有網(wǎng)絡(luò)通信功能。特別在“分散IO”領(lǐng)域，由于大量的、種類齊全的、可連接的現(xiàn)場設(shè)備可供選用，因此PROFIBUS已成為事實上的國際公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)。

本文針對天津市無縫鋼管廠Φ140機組無縫生產(chǎn)線減徑機區(qū)現(xiàn)場總線的應(yīng)用，介紹了PROFIBUS系統(tǒng)的構(gòu)成及相關(guān)應(yīng)用。該系統(tǒng)由PROFIBUS-DP構(gòu)成主從結(jié)構(gòu)。SIEMENS PLC S7-300，上位機NINCC作為主站，TP177A觸摸屏作為二級主站，6RA70直流傳動裝置和6SE440變頻器及其遠(yuǎn)程IO ET200S作為從站。上位機采用臺灣研華工控機與PLC組成TCPIP網(wǎng)。

2、減徑機生產(chǎn)線簡介

天津市無縫鋼管廠投產(chǎn)的Φ140機組無縫生產(chǎn)線采用的是二輥菌式穿孔機和阿塞爾全浮芯棒軋管機及其14機架微張力減徑機等生產(chǎn)工藝，該工藝具有世界先進(jìn)水平，設(shè)備運行可靠，生產(chǎn)效率高。電氣控制主要完成對整個機組的過程控制和調(diào)節(jié)，完成生產(chǎn)線中相關(guān)設(shè)備及其各個相關(guān)專業(yè)之間的工藝聯(lián)結(jié)、連鎖，以保證整個機組設(shè)備能夠按照生產(chǎn)和工藝要求，正常、正確、準(zhǔn)確地進(jìn)行相應(yīng)的有序動作。由于熱軋線的工藝復(fù)雜，控制系統(tǒng)的可靠性要求較高，所以，系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件編程就要完善可靠。

Φ140機組無縫生產(chǎn)線減徑機選用14機架三輥微張力減徑機，生產(chǎn)熱軋無縫鋼管減徑量較大，既能滿足生產(chǎn)的要求又節(jié)省投資，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量可得到有利的保證。14機架減徑機兩個主要效用是減徑和改變壁厚，它采用了三輥式獨立傳動的機構(gòu)，選用14臺直流電機進(jìn)行拖控。Φ140 Assel軋管機組定減徑采用14架單獨轉(zhuǎn)動的微張力定減徑機組，可以在一定的急減徑率和較小的單機架減徑率條件下來達(dá)到定減徑的作用，可以采用一種規(guī)格的管材生產(chǎn)多種規(guī)格的成品管，還可以使定減徑后的鋼管外表面光潔、無劃痕等，進(jìn)一步改善鋼管的外表面質(zhì)量。14機架減徑機最大總減徑率約35%，單機架減徑率最大3.5%。下面是14機架減徑機各主要參數(shù)：

機架數(shù)： 14架

軋輥理想直徑： Φ380m

軋輥輥身寬度： 160m

最大軋制壓力： 170KN

電機功率： 147kN （直流調(diào)速）

電機轉(zhuǎn)數(shù)： 80016002000 rmin

過載系數(shù)： 2.2

根據(jù)減徑機工藝要求可知，該系統(tǒng)中需要控制的設(shè)備較多，邏輯關(guān)系復(fù)雜，各部分間的速差要求嚴(yán)格。若采用集中控制，不但繁瑣、成本高且布線量很大，檢修和維護(hù)都不容易。因此，本系統(tǒng)選擇了基于PRIFUBUS的分布式控制，較好地解決了以上技術(shù)問題。

3、控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

本系統(tǒng)采用PROFIBUS網(wǎng)進(jìn)行PLC控制器及各傳動裝置6RA70、6SE440變頻器間的數(shù)據(jù)交換與通訊，主傳動等大直流電機的傳動，供電方式全部采用全數(shù)字直流變流器供電；弱磁調(diào)速、可逆?zhèn)鲃?，控制系統(tǒng)均為速度電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。小直流電機供電系統(tǒng)采用全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)，電樞可逆，獨立弱磁調(diào)速。傳動裝置及現(xiàn)場級監(jiān)控設(shè)備與主PLC用PROFIBUS總線相連。PROFIBUS有極高的傳輸速率，多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。主PLC與各主傳動系統(tǒng)之間的設(shè)定值、指令和數(shù)據(jù)均通過PLC的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行傳送，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制，系統(tǒng)響應(yīng)速度快；在操作臺和現(xiàn)場設(shè)有ET200S遠(yuǎn)程站，也通過ROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)化分布式控制。PLC系統(tǒng)配有多條PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)，把各區(qū)傳動系統(tǒng)及遠(yuǎn)程操作部分分段組網(wǎng)，在提高系統(tǒng)響應(yīng)速度的同時，也增加了系統(tǒng)的安全可靠性。

該網(wǎng)絡(luò)的主要特點：

（1）網(wǎng)絡(luò)可容納的通訊節(jié)點數(shù)量可靈活組態(tài)

（2）網(wǎng)絡(luò)的通信速率為500Kbps

（3）網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議：PROFIBUS-DP

（4）每臺聯(lián)網(wǎng)的PLC或傳動裝置均裝有一塊網(wǎng)絡(luò)接口模塊

（5）PLC與傳動間的各種控制信號和狀態(tài)信息都可以通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)（包括數(shù)字信號和模擬信號）

整個減徑機區(qū)包括西門子6RA70直流調(diào)速裝置14臺，作為14機架，5臺西門子6SE440變頻器，分別作為輥道運輸和高壓水除鱗，5個ET200S作為遠(yuǎn)程IO，分別是液壓站，稀油潤滑站，及其操作臺和現(xiàn)場操作箱等。另外還有3個TP177A觸摸屏作為二級主站，主CPU選擇CPU317-2DP，帶NPIDP和DP接口。?

CPU315-2DP最大的從站數(shù)量為12臺，超過這個數(shù)量將使網(wǎng)絡(luò)傳輸信號失敗。在減徑機區(qū)中作為從站的設(shè)備數(shù)量達(dá)到24臺，當(dāng)通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機（ESM）對減徑機區(qū)上位機WINCC采集信號時出現(xiàn)了信號丟失，最終本系統(tǒng)的CPU改為CPU317-2DP（最大的從站數(shù)量為30臺），從而實現(xiàn)了減徑機區(qū)信號的有效交換。當(dāng)需要擴展總線的長度或PROFIBUS從站數(shù)大于32個時，應(yīng)加入RS485中繼器。系統(tǒng)傳輸速率為1.5Mbits時，PROFIBUS現(xiàn)場總線最大的長度是200m，減徑機區(qū)要求PROFIBUS的長度為500m，這樣擴展到500m，就需要加入兩個RS485中繼器，這就可以同時滿足長度和傳輸速率的要求。在Φ140機組無縫生產(chǎn)線的減徑機區(qū)、冷床區(qū)、軋管機區(qū)均采用了RS485中繼器。

減徑機硬件組態(tài)如圖1。

4、控制系統(tǒng)軟件功能實現(xiàn)

生產(chǎn)管理級的人機界面HMI、工程師站系統(tǒng)均配以WINCC 6.0工業(yè)組態(tài)軟件?？梢詫崿F(xiàn)對整個減徑機的在線監(jiān)控，工藝生產(chǎn)參數(shù)設(shè)定、各種歷史數(shù)據(jù)的存儲分析，并形成各種歷史趨勢記錄曲線，為設(shè)備故障、質(zhì)量生產(chǎn)事故分析提供依據(jù)；對減徑機等設(shè)備進(jìn)行必要的操作控制、參數(shù)設(shè)定修正，動態(tài)的顯示圖畫圖表，同時具備故障報警、顯示、存儲及打印等功能。

基礎(chǔ)自動化級配置STEP 7V5.3編程軟件。完成功能：手動／自動／檢修、操作臺／機旁操作箱等工作方式選擇控制邏輯；減徑區(qū)速度調(diào)整（節(jié)）方式：減徑機設(shè)備的啟動、停止及緊急停車控制；手動／自動方式下速度級聯(lián)調(diào)節(jié)；動態(tài)沖擊速降補償；事故連鎖報警，生產(chǎn)聯(lián)系信號；物料跟蹤；主傳動間微張力控制；液壓、潤滑、冷卻輔助系統(tǒng)控制、聯(lián)鎖及報警功能；網(wǎng)絡(luò)通訊與管理。

PLC的程序是基于STEP 7V5.3編程軟件編寫的，由于STEP 7V5.3采用了模塊化的設(shè)計方法，所以在減徑機區(qū)我們采用FC1-FC14作為14臺直流傳動裝置的功能塊，F(xiàn)C20-FC24作為輥道變頻器和高壓水除鱗裝置的功能塊。另外采用全局?jǐn)?shù)據(jù)塊DB1-DB4，為了整條線數(shù)管理據(jù)的統(tǒng)一，規(guī)定DB1為上微機WINCC的全局?jǐn)?shù)據(jù)塊，DB2作為變頻器和直流調(diào)速裝置的全局?jǐn)?shù)據(jù)塊，DB3作為觸摸屏TP177A的全局?jǐn)?shù)據(jù)塊，DB4作為編碼器全局?jǐn)?shù)據(jù)塊，這樣大大地提高了程序的可讀性，減少了代碼維護(hù)的工作量。

另外當(dāng)CPU檢測到程序處理過程中的錯誤和可編程控制器中的錯誤時，CPU會調(diào)用適當(dāng)?shù)慕M織塊（OB）。如果相應(yīng)的OB塊不存在，CPU會進(jìn)入STOP模式。這意味著錯誤的影響可以減小或根除。在減徑機區(qū)的程序中使用了如下的OB塊：IO冗余錯誤OB70，CPU冗余錯誤OB72，電源故障OB81，診斷中斷OB82，CPU硬件故障OB84，編程順序錯誤OB85，機架故障OB86，通訊故障OB87，編程錯誤OB121，IO訪問錯誤OB122。

5、結(jié)論

這種基于現(xiàn)場總線基礎(chǔ)上的控制方案，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到簡化。從設(shè)計、安裝、投運到正常生產(chǎn)運行及其檢修維護(hù)，都體現(xiàn)出該控制系統(tǒng)的優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在：第一，節(jié)省硬件數(shù)量與投資；第二，節(jié)省安裝費用；第三，節(jié)省維護(hù)開銷；第四，用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)；第五，提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性。第六，減少操作維護(hù)人員，方便調(diào)度指揮，取得了顯著的經(jīng)濟效益。總之，PrifibusDP現(xiàn)場總線的成功應(yīng)用，不僅降低成本，簡化控制系統(tǒng)的配置，而且提高了系統(tǒng)運行的可靠性，尤其是其靈活全面的故障診斷能力及網(wǎng)絡(luò)通訊能力，方便了施工、調(diào)試和維護(hù)，使系統(tǒng)綜合運行成本大幅減少，系統(tǒng)性能大幅度提高。不僅使控制系統(tǒng)的檔次跨上了一個臺階，而且為天津無縫鋼管廠控制系統(tǒng)的綜合調(diào)控改造打下了良好的基礎(chǔ)。本技術(shù)已成功地應(yīng)用在天津市無縫鋼管廠140機組，并于2006年4月18日全線順利投產(chǎn)。