(內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

0 引言

鐵水倒運是大型鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)工藝的一個重要環(huán)節(jié)。以前普遍采用鐵水罐倒運，但是保溫效果差，并存在極大的安全隱患。目前主要采用較為成熟的魚雷型混鐵車來倒運鐵水，混鐵車保溫性能好，出鐵溫降較小[1]，并且兌入轉(zhuǎn)爐的鐵水量在倒罐站內(nèi)可精確控制。

原鐵水倒運監(jiān)控系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。由于各種現(xiàn)場設(shè)備所支持的通信協(xié)議有很大差異，不能直接形成互聯(lián)，因此原系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備大多采用I/O硬線連接或簡單的單層總線網(wǎng)絡(luò)。這樣造成電纜數(shù)量多，信號在傳輸中容易受到干擾，難以實現(xiàn)高效的協(xié)調(diào)控制。近年來，由于系統(tǒng)控制老化、人機交互功能差、設(shè)備故障率高等問題，大大降低了生產(chǎn)效率，因此對原監(jiān)控系統(tǒng)進行了升級改造。

本次改造以S7-300 PLC為主控器，按照設(shè)備功能和所支持的通信協(xié)議，將分散在現(xiàn)場的各種智能設(shè)備通信規(guī)劃到相應(yīng)的Modbus、Profibus-DP、Profinet工業(yè)以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)中，并通過數(shù)據(jù)集成的方式使這些不同協(xié)議網(wǎng)絡(luò)之間能夠進行數(shù)據(jù)通信。改進后的監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控，使企業(yè)管理層能高效地實現(xiàn)指揮、調(diào)度、管理的職能[2]。

1 系統(tǒng)工藝及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h2>

1.1 鐵水倒運工藝

采用混鐵車供應(yīng)鐵水時，首先將高爐鐵水裝入混鐵車內(nèi)，再通過鐵路將混鐵車運輸?shù)睫D(zhuǎn)爐車間倒罐站旁。當(dāng)轉(zhuǎn)爐需要鐵水時，將鐵水倒入鐵水包車。鐵水包車停放位置的一個臺車組軌道下安裝有負(fù)荷傳感器，用來檢測盛裝鐵水的質(zhì)量，并在裝滿前發(fā)出警報以通知操作人員，同時將質(zhì)量信號送入PLC主站。接著再用鐵水吊車兌入轉(zhuǎn)爐進行下一步生產(chǎn)。鐵水倒運工藝流程圖如圖1所示。

圖1中，A1、A2兩列鐵軌同時進車，每列鐵軌有兩個混鐵車，分別進行鐵水倒罐。

圖1 鐵水倒運工藝流程圖

以3#混鐵車為例，當(dāng)3#混鐵車和3#鐵水包車均駛?cè)胂鄳?yīng)的位置后，操作人員通過監(jiān)控站工控機或現(xiàn)場手動操作臺開始控制3#混鐵車傾翻，讓鐵水倒入3#鐵水包車中。3#鐵水包車在受鐵的同時，通過其停放位置軌道下安裝的稱重傳感器檢測鐵水的質(zhì)量。當(dāng)鐵水包車中的鐵水到達(dá)指定質(zhì)量時，混鐵車停止傾翻。A1鐵軌上的1#﹑3#混鐵車對應(yīng)1#現(xiàn)場監(jiān)控站，A2鐵軌上的2#、4#混鐵車對應(yīng)2#現(xiàn)場監(jiān)控站。由于同一列鐵軌上的兩輛混鐵車不能同時進行倒罐作業(yè)，因此每個監(jiān)控站的兩個混鐵車共用一套傾翻系統(tǒng)。工藝設(shè)計中還包括1#和2#鐵水包車。由于1#和3#鐵水包車及2#和4#鐵水包車工藝要求只能交替工作，所以當(dāng)3#和4#鐵水包車工作時，1#和2#鐵水包車在檢修位待命。

1.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置方案

本系統(tǒng)的監(jiān)控對象包括：智能電機保護器、智能斷路器、傾翻變頻器的三相電壓電流、有功和無功功率、頻率及母線和饋線的電壓、電流、缺相等參數(shù)；混鐵車的定位、變頻傾翻系統(tǒng)；鐵水包車的定位、測溫、稱重；排煙閥、干油泵、冷卻散熱風(fēng)機等現(xiàn)場設(shè)備的動作和聯(lián)鎖系統(tǒng)，以及事故報警和故障信號狀態(tài)等?；扈F車傾翻(地面)、鐵水包車受鐵(低于地面5 m)、監(jiān)控室作業(yè)(高于地面4 m)均不在同一平面上，導(dǎo)致一些現(xiàn)場電氣設(shè)備分布比較分散[3]，這在一定程度上加大了現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集的難度。經(jīng)過對現(xiàn)場環(huán)境和改造條件的分析，采用多協(xié)議、多級網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)集成方式來實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的監(jiān)控。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖2中，M1、M2、M3、M4、M5、M6分別為A1、A2運輸線路上的冷卻風(fēng)機、排煙閥電機和干油泵電機，這些電機均為能直接啟動且不需要調(diào)速的小容量電機。整個鐵水倒運監(jiān)控系統(tǒng)可以分為現(xiàn)場設(shè)備執(zhí)行層、過程監(jiān)控層、企業(yè)管理層。

1.2.1 現(xiàn)場設(shè)備執(zhí)行層

在現(xiàn)場設(shè)備執(zhí)行層中，根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的通信能力，分別采用不同的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議方式，具體分為以下幾種設(shè)備。

① 支持Modbus協(xié)議的設(shè)備。目前Modbus已成為一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它為用戶提供了一種開放、靈活和標(biāo)準(zhǔn)的通信技術(shù)，降低了開發(fā)成本和維護成本。它被用于智能設(shè)備間建立主/從或客戶端/服務(wù)器方式的通信，是一種獨立于制造商的、開放的并在工業(yè)領(lǐng)域廣泛使用的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。Modbus常被用來實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控、智能裝置、設(shè)備和傳感器之間的通信。系統(tǒng)設(shè)備中有用來稱量鐵水質(zhì)量的傳感器，檢測線路各種電量參數(shù)的智能電力儀表以及冷卻風(fēng)機、排煙閥電機、干油泵電機等智能電機保護器等。這些底層儀器儀表都是原系統(tǒng)中的舊設(shè)備，僅有Modbus接口，所以該層網(wǎng)絡(luò)采用Modbus總線技術(shù)來連接。

② 支持Profibus-DP協(xié)議的設(shè)備。帶有標(biāo)準(zhǔn)DP通信接口并支持Profibus協(xié)議的設(shè)備，如G120變頻器、PB-M網(wǎng)橋等，通過各自的DP通信接口接入Profibus網(wǎng)絡(luò)中，成為Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)的一個從站。

③ 不帶有通信接口的電氣設(shè)備。各種操作按鈕、接觸器等非智能的設(shè)備，經(jīng)過合理的區(qū)域規(guī)劃，由ET200M組成分布式I/O接點，通過接口模塊IM153接入到Profibus-DP現(xiàn)場總線,作為DP總線的從站與S7-300 PLC連接。

在現(xiàn)場設(shè)備執(zhí)行層中，實現(xiàn)Modbus到Profibus之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換和通信有3種方法。

① 在中央控制器CPU 315-2PN/DP主機架的擴展槽上安裝CP341通信模塊，通過使用集成在CP341通信模塊內(nèi)的ASCII Driver協(xié)議，采用軟件編程開發(fā)的方法來實現(xiàn)Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場Modbus設(shè)備的通信。文獻[4]詳細(xì)介紹了該方法的實現(xiàn)過程。該方法軟件開發(fā)難度大，不適合運用在工程中。

② 同樣需要加裝CP341模塊，通過直接購買Modbus協(xié)議驅(qū)動軟件，省去軟件編程的步驟。該方法同樣能實現(xiàn)設(shè)備之間的通信，但是軟硬件購買成本較大，不符合系統(tǒng)改造節(jié)省成本的要求。

③ 采用北京鼎實創(chuàng)新科技公司生產(chǎn)的、型號為PB-B-MM/RS232/485/V32的總線橋來實現(xiàn)Modbus到Profibus的協(xié)議轉(zhuǎn)換。該PB-M總線橋硬件成本較低，只需硬件組態(tài)就能完成Profibus到Modbus之間的協(xié)議互轉(zhuǎn)換[5]。在Step7的硬件組態(tài)中，PB-M網(wǎng)橋是作為Modbus網(wǎng)絡(luò)的主站與Modbus網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備進行數(shù)據(jù)集成;而在Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)中，則作為從站負(fù)責(zé)實現(xiàn)Modbus與Profibus-DP之間數(shù)據(jù)的集成。

1.2.2 過程監(jiān)控層

過程監(jiān)控層的建立是為了便于車間操作人員對生產(chǎn)過程的監(jiān)控。根據(jù)改造要求，系統(tǒng)設(shè)立了2個PLC主站，分別用來監(jiān)控2個鐵水倒運線路。因為需要通過DP接口將現(xiàn)場的Modbus數(shù)據(jù)集成，并通過PN接口將數(shù)據(jù)再集成到先期建好的企業(yè)監(jiān)控主干網(wǎng)上，所以2個主站均采用西門子CPU 315-2PN/DP。該新型CPU既帶有Profinet接口,又帶有Profibus-DP接口。其自身內(nèi)部集成了一個網(wǎng)關(guān)，可在系統(tǒng)中用作Profinet I/O控制器以及標(biāo)準(zhǔn)Profibus-DP主站，能很容易實現(xiàn)Profibus設(shè)備與Profinet設(shè)備之間的數(shù)據(jù)集成[6]。此外，該CPU可以通過Step7直接在Profinet工業(yè)以太網(wǎng)上通過PG/PC進行編程、啟動和診斷，省去了使用專業(yè)網(wǎng)卡的要求，大大降低了開發(fā)成本。

1.2.3 企業(yè)管理層

企業(yè)管理層的建立便于統(tǒng)一管理，先期系統(tǒng)的管理層基于Profinet網(wǎng)絡(luò)，各帶有PN口設(shè)備且通過SCALANCE X208接入Profinet網(wǎng)絡(luò)。 Profinet是開放式工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，具有實時、靈活、開放、智能化特點，不僅可組建各種不同的網(wǎng)絡(luò)，并且可以無縫集成已有的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，例如Profibus、ASI、Interbus等。 Profinet還有一個突出的特點是以太網(wǎng)，借用以太網(wǎng)，可以同時傳輸語音、圖像等數(shù)據(jù)，這是Profibus所無法比擬的。改造時，在保留原管理層網(wǎng)絡(luò)的條件下，在中央監(jiān)控站和各現(xiàn)場監(jiān)控站之間采用光纖連成主干雙冗余環(huán)網(wǎng)，通過以太網(wǎng)交換機OSM TP62-LD將PLC控制系統(tǒng)采集到的實時數(shù)據(jù)信息上傳到工業(yè)以太網(wǎng)上，實現(xiàn)更遠(yuǎn)端的通信和監(jiān)控；使管理者能夠更清晰直觀地了解生產(chǎn)過程，同時能記錄生產(chǎn)過程中的各種數(shù)據(jù)，便于日后進行有效的故障分析[7]。

2 監(jiān)控系統(tǒng)的功能實現(xiàn)

2.1 各級網(wǎng)絡(luò)間通信的實現(xiàn)

各級網(wǎng)絡(luò)間通信的實現(xiàn)主要分為以下3類。

(1) Modbus到Profibus的通信

在現(xiàn)場設(shè)備執(zhí)行層中，大量傳感器、智能儀表、智能電機保護器等Modbus設(shè)備需要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)上。Modbus是一個請求/應(yīng)答協(xié)議，其傳輸模式有兩種(RTU和ASCII)。當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)量較大時，RTU的傳輸速率要高，所以系統(tǒng)采用RTU模式傳輸。編程過程只需設(shè)置相應(yīng)的從站地址(可配置地址1～247)、通信波特率(9 600 bit/s)、讀寫數(shù)據(jù)初始地址、讀寫數(shù)據(jù)字?jǐn)?shù)和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)地址指針主要信息，再根據(jù)需要對數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理[8]。

在監(jiān)控系統(tǒng)中，Modbus到Profibus-DP的協(xié)議轉(zhuǎn)換，通過Profibus-Modbus總線橋來完成。PB-M總線橋在Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)上作為從站，而在Modbus網(wǎng)絡(luò)上作為主站。接口通過Profibus通信數(shù)據(jù)區(qū)和Modbus數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)映射實現(xiàn)Profibus和Modbus的數(shù)據(jù)透明通信。

以干油泵電機的智能電機保護器YW2310為例，說明PB-M總線橋和Modbus的通信。本系統(tǒng)使用的PB-B-MMV32型網(wǎng)橋和電機保護器支持Modbus RTU協(xié)議。設(shè)置總線橋為Modbus主站或從站是通過總線橋的功能撥碼開關(guān)SW最高位來設(shè)置的。當(dāng)最高位設(shè)置為OFF時，總線橋是作為Modbus的主站;當(dāng)設(shè)置為ON時，總線橋為Modbus的從站?？偩€橋在作為Modbus主站的同時又作為Profibus的從站，其地址范圍是0～126，由功能選擇開關(guān)SW3和SA一起設(shè)定。

在Step7中導(dǎo)入PB-M總線橋的GSD文件DS _MMV32.GSD，打開Hardware Catalog Profibus DP Additional Field Devices Gateway PB-B-MMV32，將其拖拽入已組建好的DP網(wǎng)絡(luò)中。Hardware Catalog中PB-B-MMV32共有39個槽，1、2號槽已占用，剩下37個槽供用戶使用，其余的槽位都可以插入一種對應(yīng)Modbus的報文通信模塊。下面以智能電機保護器YW2310的4XXXX保持/輸出寄存器(功能碼10H)為例，說明PB-M總線橋通信實現(xiàn)的過程。

首先，選擇3號槽，雙擊“write 2 Words(4XXXX)”。3號槽中插入“2AO write 2 Words(4XXXX) QB256～QB259”。接著，雙擊3號槽中“write 2 Words(4XXXX) ”，選擇“Parameter Assignment”，設(shè)定Modbus從站地址為10，鍵入保持寄存器4XXXX起始地址為20。最后在完成主從站的參數(shù)設(shè)置以后，建立Profibus與Modbus地址的對應(yīng)關(guān)系。其映射圖如圖3所示。

圖3 Modbus至Profibus數(shù)據(jù)映射關(guān)系圖

圖3中，QB256～QB259是Profibus主站分配給Modbus通信模塊的4個字節(jié)的輸出地址，將對應(yīng)的Modbus報文寫入Modbus從站中的2Word(4XXXX)。這樣在PLC編程時可以將Profibus主站的數(shù)據(jù)直接預(yù)置到Modbus從站中，從而實現(xiàn)兩個不同網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)通信[9]。

(2) Profibus-DP設(shè)備的通信

Profibus是目前現(xiàn)場級最成熟的總線技術(shù)之一，其具有多種通信方式，如FMS、DP、PA等。Profibus-DP是Profibus中一種高速、低成本、應(yīng)用較廣的通信模式。以系統(tǒng)中A1運輸鐵軌上控制混鐵車傾翻的西門子系列變頻器G120為例，說明DP設(shè)備與控制中心的通信過程。

① 組態(tài)DP主站，并對新建的Profibus網(wǎng)絡(luò)進行參數(shù)配置。在Step7中導(dǎo)入G120變頻器的GSD文件，在組態(tài)目錄列表里找到G120變頻器“SINAMICS G120 CU240E-2DP”,并將其托掛在Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)上，使之成為該DP網(wǎng)絡(luò)的一個從站。設(shè)置從站地址可以通過G120控制單元上的撥碼開關(guān)實現(xiàn)地址設(shè)置，有效地址值為1～125，也可以利用參數(shù)P918設(shè)置地址。利用參數(shù)設(shè)置時，撥碼開關(guān)應(yīng)該全部撥到OFF狀態(tài)。系統(tǒng)利用參數(shù)設(shè)置方式,設(shè)定控制傾翻電機的變頻器地址。雙擊打開G120變頻器的屬性,對其進行報文設(shè)置，根據(jù)工藝需要選擇報文354，系統(tǒng)將給PKW和PZD自動分配與Profibus-DP主站對應(yīng)的輸入輸出地址，PKW地址為PIW256～PIW263，PQW256～PQW263；PZD地址為PIW264～PIW275，PQW264～PQW275。輸出PZD中，第一個是控制字，第二個為轉(zhuǎn)速設(shè)定值；輸入PZD中，第一個為狀態(tài)字，第二個～第六個分別為電機轉(zhuǎn)速反饋、電流反饋、轉(zhuǎn)矩反饋、報警代碼、錯誤代碼。

② 打開STARTER4.3軟件，搜索變頻器，新建一個項目，設(shè)置變頻器參數(shù)，如選擇命令源P700=6為遠(yuǎn)程控制，Profibus站地址P0918=5，選擇頻率設(shè)定源P1000=6由遠(yuǎn)程給定等一些基本參數(shù)。

③ 編程時需要調(diào)用SFC14/15兩個系統(tǒng)功能塊，對DP從站G120變頻器的數(shù)據(jù)進行讀寫操作。SFC14(“DPRD _DAT”)用來讀取DP從站數(shù)據(jù)，SFC15 (“DPWR _DAT”)用來將數(shù)據(jù)寫入從站中。建立與其相對應(yīng)的DB塊，用來存儲數(shù)據(jù)。LADDR是硬件組態(tài)時PKW起始地址，所以其地址為W#16#100，通過MOVE指令傳送十六進制數(shù)據(jù)047F到PQW264控制電機啟動，輸入不同數(shù)值到地址PQW266來改變變頻器的頻率。

(3) Profibus到Profinet的通信

現(xiàn)場設(shè)備層中，P-BM網(wǎng)橋、ET200M等從站均通過Profibus-DP總線與兩個PLC主站相連接。在設(shè)計Profibus通信程序時，首先需要在Step7中對系統(tǒng)進行硬件和網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)，配置各從站的地址;通電以后CPU可以按照設(shè)定的波特率自動進行通信;各從站將獲得的信息上傳給主站PLC，通過CPU 315-2PN/DP內(nèi)部網(wǎng)關(guān)，DP從站數(shù)據(jù)可以集成到Profinet網(wǎng)絡(luò)中，并同時接收監(jiān)控PC機所發(fā)出的遠(yuǎn)程控制命令[10]。

2.2 監(jiān)控站設(shè)計及功能

鐵水倒運系統(tǒng)中有兩個現(xiàn)場監(jiān)控站和一個中央監(jiān)控站。各監(jiān)控站對生產(chǎn)過程的監(jiān)視和調(diào)度管理主要是通過上位機中WinCC的組態(tài)來實現(xiàn)的。Simatic WinCC是一個使用32位技術(shù)的過程監(jiān)視系統(tǒng)，具有良好的開放性和靈活性。WinCC V7.0的組態(tài)環(huán)境是直接面向?qū)ο蟮?，只需要組態(tài)好顯示畫面，配置好各變量的地址，設(shè)置好連接的方式，就能夠與PLC進行通信對生產(chǎn)過程進行遠(yuǎn)程操控和監(jiān)視。

(1) 現(xiàn)場監(jiān)控站功能

考慮到設(shè)備故障及調(diào)試等因素，混鐵車傾翻操作分為手動和自動兩種方式。就地操作站和現(xiàn)場監(jiān)控站均設(shè)有這兩種方式。這兩種方式可以相互切換。在啟動傾翻電機時，先選擇自動還是手動操作，并根據(jù)現(xiàn)場需要實現(xiàn)對現(xiàn)場各個干油泵、排煙閥、冷卻風(fēng)機等現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備的控制，同時監(jiān)視其工作狀態(tài)，如潤滑電機油泵油位高低、冷卻風(fēng)機和排煙閥電機是否啟動等。此外對電流、電壓、溫度、質(zhì)量等一些重要的電量參數(shù)進行實時的檢測和監(jiān)視。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，如各類電機的過載、過電壓時，能發(fā)出報警信號并及時復(fù)位所有輸出。保存歸檔各類監(jiān)控數(shù)據(jù)，將監(jiān)視數(shù)據(jù)向上級網(wǎng)絡(luò)集成。

(2) 中央監(jiān)控站功能

選擇性地接收現(xiàn)場監(jiān)測的數(shù)據(jù)，并集成到企業(yè)監(jiān)控主干網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(supervisory control and data acquisition,SCADA)中，便于企業(yè)管理層了解現(xiàn)場生產(chǎn)的狀況，根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)情況制定生產(chǎn)計劃。

3 結(jié)束語

在對鐵水倒運監(jiān)控系統(tǒng)進行改造設(shè)計時，由于出現(xiàn)新舊設(shè)備通信接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)不兼容、現(xiàn)場設(shè)備分散性突出等特殊性問題，通過對同類監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)現(xiàn)狀的分析，采用多協(xié)議、多級網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集成的方式。該方式將遠(yuǎn)程I/O從站、Modbus設(shè)備、DP設(shè)備和PN設(shè)備的數(shù)據(jù)集成到統(tǒng)一的環(huán)境中，并將所需數(shù)據(jù)集成到企業(yè)先期已建成的工業(yè)以太網(wǎng)中，構(gòu)成一個完整的、高效的監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對生產(chǎn)運行中各種電量及非電量參數(shù)等重要信息的智能化、網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控。系統(tǒng)自投入運行以來，各站運行可靠、穩(wěn)定，生產(chǎn)效率得到顯著提升，各方面性能都達(dá)到了設(shè)計要求。

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