海 韜，劉厚甫，李海龍

（紅河鋼鐵有限公司燒結(jié)廠，云南 蒙自661100）

西門子PLC網(wǎng)絡(luò)在燒結(jié)系統(tǒng)中的應(yīng)用

海 韜，劉厚甫，李海龍

（紅河鋼鐵有限公司燒結(jié)廠，云南 蒙自661100）

西門子PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，市場占有率非常高，它的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)是非常先進(jìn)的，網(wǎng)絡(luò)類型也較多。主要分析西門子PLC各網(wǎng)絡(luò)的特點，并通過在燒結(jié)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，討論了在燒結(jié)如何根據(jù)控制系統(tǒng)的具體要求進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)方案選擇。

燒結(jié)；西門子PLC；工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)；組網(wǎng)；通訊

1 工藝背景

（1）燒結(jié)系統(tǒng)構(gòu)成

燒結(jié)生產(chǎn)包括配料、燒結(jié)、成品和供料系統(tǒng)等幾個方面。配料為燒結(jié)提供化學(xué)成分和物理性質(zhì)穩(wěn)定的燒結(jié)原料，燒結(jié)作業(yè)是燒結(jié)生產(chǎn)的中心環(huán)節(jié)，它決定燒結(jié)質(zhì)量的關(guān)鍵工序，成品和供料是為高爐輸送成品燒結(jié)礦的紐帶。此外燒結(jié)還有外圍系統(tǒng)，包括原料供應(yīng)、燃料破碎、燒結(jié)煙氣脫硫、除塵等系統(tǒng)。這些主系統(tǒng)和分系統(tǒng)構(gòu)成了燒結(jié)龐大的生產(chǎn)體系。

（2）工藝控制網(wǎng)絡(luò)要求

燒結(jié)作為原料的加工、煉鐵系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，燒結(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，保障了高爐的原料供給。在大型鋼鐵企業(yè)中，燒結(jié)系統(tǒng)是占地面積最廣，區(qū)域跨度最大的一個作業(yè)產(chǎn)所，各個系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)，它們相互之間的跨度又相當(dāng)大。這決定了其生產(chǎn)系統(tǒng)需要大范圍跨區(qū)域的控制，才能保證各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)順利運行。

西門子PLC提供了豐富網(wǎng)絡(luò)配置方案，它們各具特點，應(yīng)用于燒結(jié)各生產(chǎn)流程控制之中，易實現(xiàn)燒結(jié)生產(chǎn)自動。以下分析了西門子PLC各網(wǎng)絡(luò)的特點，討論了如何根據(jù)燒結(jié)控制系統(tǒng)的具體要求選擇網(wǎng)絡(luò)方案。

2 西門子PLC的網(wǎng)絡(luò)解決方案及其特點

西門子PLC的網(wǎng)絡(luò)類型比較多，燒結(jié)系統(tǒng)對不同網(wǎng)路類型有不同的需求。西門子控制網(wǎng)絡(luò)總體上可以分為兩大類。一類是西門子公司專用的通訊網(wǎng)絡(luò)，即MPI（信息傳遞應(yīng)用程序接口），PPI（串口通訊協(xié)議），點對點接口；另一類通訊網(wǎng)絡(luò)使用的是國際標(biāo)準(zhǔn)，即工業(yè)以太網(wǎng)、PROFIBUS，AS-i接口。燒結(jié)系統(tǒng)運用最多的就是工業(yè)以太網(wǎng)、PROFIBUS—DP，MPI和PPI.

（1）PPI

PPI是西門子專為S7-200系列PLC開發(fā)的一種通訊協(xié)議，波特率有三種，分別是9.6 kbps、19.2 kbps和187.5 kbps[1].通訊接口直接集成于S7-200 CPU上。PPI系統(tǒng)在燒結(jié)系統(tǒng)中多使用于子系統(tǒng)PLC，如潤滑系統(tǒng)和電子秤稱量系統(tǒng)。使用PPI通訊連接入觸摸屏，在燒結(jié)中可單獨使用，也可以加入過DP通訊連入主網(wǎng)。

（2）點對點接口

點對點接口通訊是由用戶自己定義通訊協(xié)議，它可以使S7-400 S7-300，S7-200PLC與任何通訊協(xié)議公開的其他設(shè)備相互通訊，在燒結(jié)中主要使用在主PLC控制變頻器對電機(jī)調(diào)速。

（3）MPI

MPI通訊協(xié)議，是基于西門子內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)的一種令牌網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，波特率為187.5 kbps，通訊數(shù)據(jù)傳輸率為12Mbps[1]。在燒結(jié)主控制系統(tǒng)中一般使用S7系列PLC，在使用MPI接口時，無需采用通訊模塊，即可實現(xiàn)對控制系統(tǒng)CPU之間的通訊。大部分西門子CPU都帶有MPI端口，無需使用通訊模塊即可實現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)（PLC）的通訊，在實際應(yīng)用中，多使用筆記本電腦現(xiàn)場訪問PLC，應(yīng)用于處理故障和編程，方便快捷。

（4）PROFIBUS

PROFIBUS通訊系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于于車間級監(jiān)控和現(xiàn)場層，它的傳輸速率可達(dá)到12 Mb/s，最大可以和127個網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點進(jìn)行通訊[2]，它使用的是IEC61158國際標(biāo)準(zhǔn)，通用性和性能都非常的優(yōu)越。燒結(jié)系統(tǒng)中使用最廣泛，應(yīng)用最多的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議。使用PROFIBUS-DP為高速優(yōu)化通信方案，通訊傳輸率高，可掛網(wǎng)絡(luò)接點多，在燒結(jié)主控制系統(tǒng)中主要用于實現(xiàn)現(xiàn)場級控制系統(tǒng)與分布式I/0及其它現(xiàn)場級設(shè)備之間的主從通信。如圖1所示，PLC一個主站采用分布式I/0，使用PROFIBUS-DP做通訊，將主站與四個從站相連。PROFIBUS-DP通訊傳輸速率高，可以和網(wǎng)絡(luò)上的多個節(jié)點進(jìn)行通訊，利用這一特點，可以使PLC主站與其他設(shè)備和系統(tǒng)相連，如圖2所示，燒結(jié)原料堆料主站與配料電子皮帶秤S7-200子系統(tǒng)，圓盤變頻器，膠帶機(jī)圖爾克系統(tǒng)進(jìn)行通訊。

圖1 PLC分布式DP

圖2 PLC與設(shè)備通訊

（5）工業(yè)以太網(wǎng)

工業(yè)以太網(wǎng)是專為工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用而開發(fā)的通訊網(wǎng)絡(luò)，通訊協(xié)議使用的是ISO和TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)[3]，都是采用的國際通用標(biāo)準(zhǔn)。

在燒結(jié)系統(tǒng)中，主站PLC使用西門子CP通訊模塊與上位機(jī)通訊，基本上可以說，所有的燒結(jié)主系統(tǒng)都需要使用到工業(yè)以太網(wǎng)。工業(yè)以太網(wǎng)的傳輸速率非常高，通訊速率最大可達(dá)100 Mb/s，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點最多可掛1024個，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)淖畲蠓秶鸀?50 km，可以覆蓋整個燒結(jié)生產(chǎn)區(qū)域，使PLC（下位機(jī)）和中控上位機(jī)作數(shù)據(jù)交換，從而完成控制操作。圖3燒結(jié)供料系統(tǒng)主站CP模塊使用工業(yè)以太網(wǎng)作為通訊與中控室上位機(jī)通訊。

圖3 PLC網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

3 燒結(jié)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)運用

燒結(jié)系統(tǒng)眾多，區(qū)域跨度大，也就意味著它的網(wǎng)絡(luò)是鋼鐵廠中比較復(fù)雜多樣的。燒結(jié)系統(tǒng)本身區(qū)域跨度較大，能利用好西門子PLC網(wǎng)絡(luò)，不但能節(jié)約很多建造成本，還能提高工作效率。

3.1 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

3.1.1 網(wǎng)絡(luò)配置

燒結(jié)生產(chǎn)主體系統(tǒng)是完成燒結(jié)，除燒結(jié)系統(tǒng)外圍系統(tǒng)外，燒結(jié)主體流程包括配料、燒結(jié)本體和成品供料三個主要系統(tǒng)。

本系統(tǒng)利用西門子S7工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)中的工業(yè)以太網(wǎng)及PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線，采用兩級網(wǎng)絡(luò)控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。上層采用工業(yè)以太網(wǎng)，用于上位機(jī)PC和下位機(jī)PLC的通訊，采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線，用于下位機(jī)PLC主站和從站之間的通訊。燒結(jié)各主系統(tǒng)之間通過工業(yè)交換機(jī)采用工業(yè)以太網(wǎng)作為通訊方式。最終組網(wǎng)后的網(wǎng)絡(luò)配置圖見圖4.

配料系統(tǒng)和本體系統(tǒng)數(shù)據(jù)量較大，都是采用西門子S7-400作為系統(tǒng)的主站，這樣可以提高運算速度。而從站則使用西門子S7-300，這樣比全使用S7-400要節(jié)約很多成本，同時也得到了一個運算速度較高的系統(tǒng)。主站與從站之間使用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線，主站CPU采用帶DP接口（RS-485）CPU 414-2DP，從站才用西門子ET200分布式I/O.西門子的ET200是基于現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP或PROFINET的分布式I/O，可以與經(jīng)過認(rèn)證的非西門子公司生產(chǎn)的PROFIBUS-DP主站協(xié)同運行。

成品供料系統(tǒng)，由于運算量較小，則采用全S7300的配置，主從站之間，更配料與本體一樣使用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線。

三個系統(tǒng)都采用工業(yè)以太網(wǎng)，用于上位機(jī)PC和下位機(jī)PLC的通訊，如圖4所示，三個系統(tǒng)的主站都掛在同一路工業(yè)以太網(wǎng)上，實現(xiàn)一點需要一個工業(yè)交換機(jī)作交換數(shù)據(jù)。將三個系統(tǒng)的以太網(wǎng)都掛在一個工業(yè)交換機(jī)上，在通過交換機(jī)聯(lián)到上位機(jī)上。組網(wǎng)后的網(wǎng)絡(luò)配置圖見圖4.

圖4 燒結(jié)系統(tǒng)PLC網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

3.1.2 程序?qū)崿F(xiàn)

組好網(wǎng)絡(luò)后，可以充分利用西門子PLC網(wǎng)絡(luò)，使整個燒結(jié)系統(tǒng)緊密相連，就可以達(dá)到跨區(qū)域控制。

由于燒結(jié)區(qū)域范圍較大，系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的很多設(shè)備都是交叉相連的。比如燒結(jié)配料和燒結(jié)本體之間，本體的一些設(shè)備是靠近配料系統(tǒng)的，而離本體PLC系統(tǒng)則較遠(yuǎn)。如果將這些信號點全部接到本體PLC上，要耗費很多的電纜，如信號點較多，可以新建一個從站采用西門子ET200分布式I/O.如距離較遠(yuǎn)，可以直接走通訊，將信號點直接接到配料PLC模塊上，通過通訊傳到本體PLC上，這可以節(jié)省大量的電纜線，同時提高了效率。要做到這一點，需要在程序上做一些處理，以數(shù)字量為例，進(jìn)到配料的數(shù)字量信號點要傳到本體PLC上，首先需要將進(jìn)來的數(shù)字量I點轉(zhuǎn)換成內(nèi)部變量M點，如I9.2轉(zhuǎn)為M0.0.每八個數(shù)字量做一個包，如I0.0—I0.7轉(zhuǎn)為M0.0—M0.7，這八位數(shù)剛好為一個字，即MW0，在通過寫程序模塊（圖6）發(fā)送出去。在本體PLC上需要讀程序模塊（圖5），將MW0讀出來，在裝換成內(nèi)部變量M0.0—M0.7，在本體上就可以使用這些點了。

圖5 讀取數(shù)據(jù)程序

圖6 寫入數(shù)據(jù)程序

燒結(jié)系統(tǒng)在鋼鐵工藝流程中占地最廣，系統(tǒng)跨度最長，子系統(tǒng)最多。使用西門子PLC網(wǎng)絡(luò)，它豐富的網(wǎng)絡(luò)配置方案和程序應(yīng)用，可以適用于所有的燒結(jié)主控系統(tǒng)和子系統(tǒng)。PLC控制系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間，系統(tǒng)與設(shè)備之間都能做到數(shù)據(jù)互通，提高了整個燒結(jié)自動化系統(tǒng)的工作效率，直接使用PLC網(wǎng)路通訊作信號傳輸，對比傳統(tǒng)的點對點信號傳輸，可以節(jié)約很多建造成本，維護(hù)也相當(dāng)方便，在燒結(jié)應(yīng)用中是一種經(jīng)濟(jì)實用的工業(yè)通訊技術(shù)。

4 結(jié)束語

目前，國內(nèi)的大部分燒結(jié)系統(tǒng)落后于其他發(fā)達(dá)國家，大部分的燒結(jié)系統(tǒng)都未能達(dá)到全自動化，PLC控制在其中還是有很大的發(fā)揮空間。西門子的PLC在網(wǎng)絡(luò)方案的解決中和網(wǎng)絡(luò)功能方面都是十分豐富和全面的，在運用和實行網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計中必須根據(jù)系統(tǒng)控制中的具體規(guī)范和具體要求進(jìn)行操作，在工業(yè)控制系統(tǒng)中的一些信息交換，還有大量的數(shù)據(jù)傳遞中，一定要選擇和運用適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)解決方案，充分發(fā)揮出西門子PLC在網(wǎng)絡(luò)方案解決中的一切優(yōu)勢和功能，去完成和實現(xiàn)不同層次面的通訊協(xié)議和通訊的目標(biāo)。

[1]繆常初．S7-300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009

[2]陽憲惠．現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003．

[3]王仁樣．現(xiàn)代可編程控制器網(wǎng)絡(luò)通信技[M].北京：電力出版社，2001．

Using the Technology of Siemens PLC net in the Sintering System

HAI Tao，LIU Hou-fu，LI Hai-long
（Sintering Plant Honghe Iron&Steel Company Limited，Mengzi Yunnan 661100，China）

The Siemens PLC is applied widely in industrial controlling field，its masket is large，and its network communication is very advanced and network type is also more.This paper mainly analyzes the characteristics of each network of SIEMENS PLC，and discusses how to choose the network scheme according to the specific requirements of the control system through the application in the sintering control system.

sintering；siemens PLC；industrial controlling network；organizing network；communication

TP273.5

B

1672-545X（2017）09-0082-03

2017-06-30

海 韜（1987-），男，云南安寧人，本科，助理工程師，從事工作：紅河鋼鐵燒結(jié)廠自動化維護(hù)。