常發(fā)

(寶鋼集團梅山煉鋼廠 設備室,江蘇 南京 210039)

1 引言

梅鋼煉鋼廠原有2座轉爐及其配套設備的自動化控制系統(tǒng)采用Beilay INFI 90 DCS系統(tǒng),現(xiàn)場傳動裝置和機電一體化裝置基本都是采用西門子產(chǎn)品。由于前期的Beilay INFI 90系統(tǒng)軟硬件版本較低,無論在綜合性能上,還是備件采購方面都存在許多缺陷。所以在上第3座轉爐時一起將另外2座轉爐的控制系統(tǒng)全部升級為西門子的PCS7系統(tǒng),同時將整個轉爐控制系統(tǒng)和現(xiàn)場數(shù)控設備相互之間通訊實行了全局網(wǎng)絡化,通過升級改造后的控制系統(tǒng)有以下幾個方面的特點:

1)由于現(xiàn)場傳動裝置和機電一體化裝置基本都是采用西門子產(chǎn)品,所以PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線把現(xiàn)場的設備與西門子PLC緊密集成為一個完整的控制系統(tǒng),實現(xiàn)全部控制設備通訊網(wǎng)絡化;

2)現(xiàn)場操作臺的輸入輸出點由于采用了ET200和PROFIBUS-DP通信接口,節(jié)省了大量電器元件和電纜;

3)通過工業(yè)以太網(wǎng)的連接,實現(xiàn)了PLC與PLC之間、PLC與HMI之間的快速數(shù)據(jù)通信和交換以及轉爐各個系統(tǒng)間的聯(lián)鎖;

4)開放的以太網(wǎng)接口,使全局管理系統(tǒng)變得十分方便;能夠滿足復雜的基礎自動化控制,并且具有分散控制,集中管理,安全可靠,方便維護的特點。

2 SIAMTIC PCS7在轉爐區(qū)域的開發(fā)應用

2.1 轉爐區(qū)域PCS7以太網(wǎng)結構

轉爐區(qū)域的PCS7系統(tǒng)從網(wǎng)絡結構來說有2個以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng),其中環(huán)網(wǎng)一是由一級服務器、客戶機和二級系統(tǒng)接口組成。如圖1所示,具體硬件配置情況為:一套ES工程師站和互為冗余的2臺OS服務器,以及每座轉爐配置的多臺客戶機。ES站包含所有的程序和畫面等信息,并且可以在此臺電腦上完成程序編輯和畫面組態(tài)的所有工作,包括服務器和客戶機電腦的組態(tài)等;OS服務器和客戶機的通訊以及OS服務器和各PLC的通訊,實現(xiàn)了操作人員可以在多臺客戶機畫面上多點監(jiān)控操作控制等,從而更加形象化、直觀地、方便地執(zhí)行生產(chǎn)工藝流程。環(huán)網(wǎng)二是由整個轉爐區(qū)域的單項目S7-400 PLC主站以及一級服務器和工程師工作站組成,一級服務器都配有雙網(wǎng)卡。如圖2所示,環(huán)網(wǎng)的優(yōu)點是無論網(wǎng)絡上任何一個節(jié)點因故斷開都不會影響整個網(wǎng)絡的正常通訊。這些單項目具體劃分為:轉爐本體系統(tǒng)、汽化冷卻系統(tǒng)、一次除塵系統(tǒng)、上料系統(tǒng)、加料系統(tǒng)、副槍系統(tǒng)以及公輔系統(tǒng)等。

圖1 客戶端級以太網(wǎng)示意圖Fig.1 Client ethernet ring schematic

圖2 P LC級以太網(wǎng)示意圖Fig.2 Schematic of ethernet ring of the PLC

2.2 硬件組態(tài)

SIMATIC S7-400作為主站,其它 S7-300、各ET200遠程柜、現(xiàn)場總線編碼器、智能變頻器等作為從站。主站和S7-300從站間通過PROFIBUSDP進行MS主站輪詢從站或DX從站發(fā)送數(shù)據(jù)給主站的同時,也發(fā)給其它從站等方式進行小數(shù)據(jù)包的通訊。通訊長度較大時需要通過插入S7連接,編寫通訊程序來完成通訊(網(wǎng)絡組態(tài)中有相關說明)?？偩€型編碼器或總線控制方式的變頻器,在硬件組態(tài)中只需設置相應屬性,分配總線和I/O地址等即可。多條PROFIBUS總線通過CP 443-5(Ext)通訊板進行擴展。這種配置方式通過一條總線將現(xiàn)場所有設備串聯(lián)在一起,節(jié)約了很多電纜,減少了故障點。所有PROFIBUS-DP總線支持的硬件都可以通過下載并安裝相關硬件gsd文件即可組態(tài),如圖3中的CAX類型總線編碼器,6SE70變頻器,EM277智能站等。一條DP線的兩端必須接終端電阻,否則整個網(wǎng)絡通訊異常,同時通訊狀態(tài)可以在線監(jiān)控,通過診斷信息可以很容易地分析出故障經(jīng)過和原因。

圖3 本體PLC局部硬件組態(tài)Fig.3 Part hardware configuration of the master PLC

2.3 網(wǎng)絡組態(tài)

針對服務器和PLC主站間、主站間通訊以及主從站間大數(shù)據(jù)包的通訊連接建立通訊的網(wǎng)絡組態(tài)配置,首先在網(wǎng)絡組態(tài)中插入PC站代替服務器,建立與PLC站間的以太網(wǎng)網(wǎng)絡通訊配置,選擇通訊協(xié)議并分配相應通訊MAC地址或IP地址。主站間通訊以及主從站間通訊需要插入S7連接,其具體通訊對象,通訊協(xié)議,連接方式等可以靈活設置。最后在程序中調用通訊塊完成相應數(shù)據(jù)塊的映射即可。網(wǎng)絡中的交換機,RS485中繼器等不需要組態(tài),可以在局域網(wǎng)中設置主交換機對網(wǎng)絡中的其它交換機等進行管理。

2.4 程序具體開發(fā)特點

集成于西門子過程控制系統(tǒng)PCS7中的STEP7的組態(tài)工具集功能強大,其CFC和SFC形象化的程序視圖形式使得設計方和設備方對編寫程序及閱讀程序都比較直觀。與普通的STEP7加WINCC的應用相比,PCS7擁有很多具體的程序開發(fā)特點,在完成本項目過程中我們使用了以下幾種編程方式。

1)CFC-Continuous Function Chart(連續(xù)功能框圖編輯器)。在PCS7軟件功能塊庫中集成了很多常規(guī)的邏輯、運算、驅動、控制、操作等功能塊,這些功能塊可以在編程時直接調用,通過互連各個相應的管腳來搭建合理的邏輯,實現(xiàn)預期的控制功能。而且特定功能的CFC可以嵌套使用,比如總線型的編碼器的數(shù)值轉換,變頻器的故障代碼讀取等。另外可以通過設置功能塊的管腳屬性,實現(xiàn)與WINCC項目的自動上傳功能,比如設置管腳的操作和監(jiān)控屬性可以在WINCC項目編譯時實現(xiàn)相應管腳的變量自動上傳,設置管腳的歸檔屬性可以在WINCC項目編譯時實現(xiàn)相應管腳的變量自動上傳,歸檔等。其中標準的驅動塊已經(jīng)在程序中設置了相應的FACEPLATE功能,可以在WINCC編譯時生成功能塊統(tǒng)一的圖標和FACEPLATE彈出窗體。CFC程序以循環(huán)中斷方式執(zhí)行,程序編制順序并不影響程序的執(zhí)行順序,程序執(zhí)行順序可以根據(jù)需要調整相應的OB中的執(zhí)行順序來確定。CFC中調用的FB或FC功能塊可以通過STL,SCL等編輯語言由編程人員按實際功能需求開發(fā),定義的輸入輸出管腳即在CFC視圖中可視,從而可以很方便的互連。

2)SFC-Sequnce Function Chart(順序功能框圖編輯器)。通過工藝上的順序控制,生成流程圖式的結構,其中順序控制過程中每一步的執(zhí)行條件都可以設置,而且對應每個條件下執(zhí)行的動作也可以設置,包括初始化變量設置,執(zhí)行后的變量設置等,進行判斷控制。3#副槍連接周期,測量周期,復位周期的過程控制步驟采用了SFC控制。

3)SCL-Structured Control Language(結構化的控制語言)。自行編輯滿足自己需要的功能塊。同時它也可以單獨進行編譯和調試。SCL語言格式和C語言格式相一致,方便編寫。

對于這些可以選擇的過程控制組件,它們提供給PCS7項目一個具有過程自動功能、操作監(jiān)控功能和組件間通訊功能的大環(huán)境。由于不同種類的SIMATIC組件是在一個面向系統(tǒng)測量,面向點的結構中執(zhí)行的,因此它的組態(tài)、運行和維護都變得高效。

2.5 WINCC和HMI畫面

在開發(fā)PCS系統(tǒng)中的監(jiān)控組態(tài)軟件WINCC時,CFC程序中需要顯示和監(jiān)控的功能塊在WINCC中都有相應的標準控件。若要使用WINCC來訪問自動化系統(tǒng)(PLC)的當前值,則在WINCC與自動化系統(tǒng)間必須組態(tài)一個通訊連接。通訊將由稱作通道的專門的通訊驅動程序來控制。所有WINCC變量通過設置功能塊的管腳屬性S7-m-c為true或設置管腳屬性為Archive,并對服務器WINCC項目進行編譯,即可將對應變量上傳到WINCC項目中的變量管理器或歸檔變量中,就可以作為畫面動態(tài)變量或趨勢變量使用。相比獨立WINCC,編程人員手工需將變量逐個的添加到變量管理器或趨勢變量中,而現(xiàn)在節(jié)約了很多時間,而且錯誤率大大降低。同時所有WINCC畫面都可以在畫面設計器中新建,繪制相應圖形,調用系統(tǒng)圖片庫中的圖形塊,為對應畫面添加相應變量,所有的畫面可以在樹管理器中編排層級顯示,在OS項目編輯器中設置顯示分辨率,可視圖形區(qū)域屬性等,這樣可以對各個客戶機的圖形顯示層級進行管理,如廢鋼操作室客戶機畫面層級中只顯示廢鋼的有關畫面,其它如轉爐區(qū)域氧槍等畫面不可見,不可操作。

另外通過使用寶信或者奧鋼聯(lián)提供的標準庫和面板,針對某個單體設備,實現(xiàn)了標準化的監(jiān)控模式,相比傳統(tǒng)梯形圖所編制的單體設備控制程序,功能更加豐富。例如對于電器設備可以查看哪些啟動、運行條件不滿足,該設備的運行時間,相關的報警信息記錄,閥門的限位和力矩開關狀態(tài)等一系列信息都被集成到一個統(tǒng)一的FACEPLATE面板視圖中;針對儀表設備提供了警告、報警、切換限值設置,針對儀表故障使用替代值功能;針對調節(jié)回路實現(xiàn)PID參數(shù)的在線調整優(yōu)化功能等。上述方式更有利于實現(xiàn)提供給鋼廠所有操作工統(tǒng)一的操作界面,不會因為組態(tài)人員的風格不同而發(fā)生變化。

2.6 工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線

轉爐區(qū)域的工業(yè)以太網(wǎng)包括兩個環(huán)網(wǎng):一個是由現(xiàn)場各系統(tǒng)的PLC S7-400主站,工程師站上裝有的CP1613網(wǎng)卡和服務器上裝有的CP1613網(wǎng)卡組成的ISO協(xié)議的以太環(huán)網(wǎng);另一個是由工程師站上裝有的以太網(wǎng)卡,服務器上裝有的以太網(wǎng)卡和各個客戶機,以及二級服務器組成的TCP/IP協(xié)議的以太環(huán)網(wǎng)。以太環(huán)網(wǎng)的主要特點包括:兩個環(huán)網(wǎng)的運行波特率為100 Mb/s;傳輸距離較遠的兩個站點間通過光纖連接傳輸;環(huán)網(wǎng)中指定其中一個OSM交換機作為主交換機,負責管理其它的交換機和IP地址。應用于轉爐區(qū)域的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡采用的也是一些常用的配置結構,各個 DP網(wǎng)絡上的節(jié)點都是ET200從站,DP總線的變頻器通訊板,DP總線式的編碼器,帶DP診斷的RS485以及傳輸距離較遠時用到的DP和光纖轉換模件SLM等。其特點包括:傳輸介質為屏蔽雙絞線和光纖,傳送形式為串行位傳送,方式為令牌主從式;通訊距離較長時通訊信號容易衰減,相應增加RS485中繼器對通訊信號進行放大;在一條PROFIBUS總線兩端必須設置終端電阻,將對應的終端電阻接入和斷開開關打到ON,表示接入終端電阻,OFF狀態(tài)時表示為DP網(wǎng)絡的中間節(jié)點。

3 結論

通過對轉爐區(qū)域的PCS7系統(tǒng)應用的深入了解,從PCS7在現(xiàn)場的應用角度看:其開放性,靈活性的控制特點,對轉爐區(qū)域多點操作的非流線型的現(xiàn)場生產(chǎn)運行情況的確是一種控制革新。這就要求操作人員在現(xiàn)場或遠程操作控制時,必須認真關注現(xiàn)場的實際運行情況和監(jiān)控畫面,設備維護人員充分利用設備狀態(tài)監(jiān)控畫面,報警信息欄信息,操作記錄信息欄等功能,把握生產(chǎn)設備運行狀態(tài)以及分析設備故障原因等。另外一些系統(tǒng)的控制采用的是外方的設計,其控制思路因其自身開發(fā)的功能塊和圖形庫以及FACEPLATE圖形塊等而異,畫面操作習慣難以適應,比如脫硫,副槍,一次除塵系統(tǒng)等。后期已將副槍和一次除塵的控制程序和畫面整合到寶信的主系統(tǒng)中,從操作層面統(tǒng)一規(guī)范了管理;從PCS7本身的設計角度,它也存在一些無法滿足實際情況的設計缺陷,比如CFC圖形化編程很容易更改各功能塊間的連接線或塊位置,導致程序變更,但是不能實現(xiàn)離線和在線的圖形化的比較,而且對CPU中的程序監(jiān)控和下裝程序不能實現(xiàn)分級用戶管理等。

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