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包钢轨梁厂冷床网络控制系统
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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 PLC

1．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。

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。
Profibus－DP是用于与分布式I/O进行高速通讯的通信协议类型，Profibus－DP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PROFIBUS－DP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Profibus－DP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。

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。

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存储器地址的一一对应来访问，这样等于建立了WinCC与过程通讯所要监视的对象。
在SIMATIC S7中，所有自动化过程的硬件和软件要求在项目中管理。项目包括必须的硬件（+组态）和网络（+组态），所有程序和自动化解决方案的数据管理。本系统中的编程语言采用语句表和梯形图结合的办法，在项目中使比较复杂的控制功能，实现起来相对容易一些。在系统中，输入输出点多、模拟量种类多、控制功能与结构复杂，因此使用模块化程序设计方法，此方法大大提高了编程的灵活性和程序的可维护性，尤其在现场调试时，当软件发现问题和由于其它原因需要修改时，能迅速限定差错或修改范围。

5．结论

包钢轨梁轧钢厂百米冷床的网络控制系统相对复杂，运用的控制硬件有特殊的地方，如网络编码器、传感器，激光测距仪等，软件种类也比较多，许多系统可以参考和借鉴。通过2年多时间的运行百米冷床控制系统运行效果良好，可靠性高，系统响应速度快，相应满足了各项工艺参数要求，监控系统采用西门子可视化软件WINCC，可操作性强。总体来讲此控制系统满足了提高了钢轨的成品质量和产量的要求。

参考文献：
[1] 《SIEMENS工业网络通讯指南》机械工业出版社·2005
[2] 《西门子S7-400模板规范》北京航天大学出版社·2003
[3] 《包钢轨梁厂万能轧机轨梁生产线冷床区一级PCS计算机技术规格》包头钢铁设计研究总院
[4] 《Rail and Beam Mill functional Description》德国新马克公司·2005
作者：姓名（出生年），性别，籍贯，职称，学历，专业

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