一,、 項目簡介
　　1.項目實施地及行業(yè)背景
　　本項目的使用方為太原鋼鐵有限公司熱連軋廠,，太原鋼鐵有限公司位于山西省太原市尖草坪區(qū)，是我國最大的特種鋼生產基地,，其主營的不銹鋼,、硅鋼等產品的市場占有率目前在國內居于領先地位。
　　2.項目簡要工藝
　　本項目應用于太鋼熱連軋步進式加熱爐,。項目實施后,，實現(xiàn)了傳動控制、燃燒控制的全自動化操作,。傳動控制的功能是：實現(xiàn)機械電氣設備的自動化操作,、包括裝出料輥道、裝出鋼設備,、步進機械等,。燃燒控制的功能是：實現(xiàn)溫度的精確控制、改善了爐膛氣氛,、溫度場的分布,。達到了從溫度,、流量、壓力控制的整體系統(tǒng)的穩(wěn)定,，適應了太鋼生產節(jié)奏快,、鋼種多、加熱制度復雜的要求,。
　　3.新舊系統(tǒng)的對比,，及項目中使用的西門子自動化產品的型號、數(shù)量,、類型,、控制對象。
　　舊項目使用西屋（WESTHOUSE）公司的WDPF控制系統(tǒng),，此系統(tǒng)分為DPU及MAC兩部分,，其中DPU用于加熱爐的燃燒控制、MAC系統(tǒng)用于加熱爐的機械電氣設備的控制,。舊項目控制系統(tǒng)使用近十年之久,，由于硬件老化、軟件升級困難,，使得故障率增加,，影響了生產的正常運行。隨著近幾年加熱理論的不斷發(fā)展,、新的燃燒技術已經(jīng)大規(guī)模地應用,， 生產全自動化操作理念已日益深入人心。由于受到舊有系統(tǒng)在硬件,、軟件方面的限制,，新的技術、理念無法實施,。
　　本項目中,，有三座加熱爐屬改造、一座新建,。共使用了共9套S7-400型PLC,。型號為：6ES7416-2XK02-0AB0。每座加熱爐使用兩套PLC分別作為傳動控制,、及燃燒控制,，另有一套作為公用輔助設備的傳動控制，取代原有的DPU及MAC系統(tǒng),。
　　本項目實施前,，舊系統(tǒng)共用20面控制柜。項目實施后,，在沒有減少輸入輸出點的情況下,，新系統(tǒng)只使用8面控制柜,。新硬件的使用，使得控制的精度,、及處理的速度有了進一步的提升,。西門子軟件開發(fā)系統(tǒng)的支持，也使得一些新技術實現(xiàn)成為現(xiàn)實,。
　　
二,、 控制系統(tǒng)構成
　　1.在本項目中每座加熱爐由于控制對象、實現(xiàn)功能的劃分,、各配置兩套PLC分別用于傳動控制,、燃燒控制。每套PLC均由主機架部分與遠程ET200分站組成,。主機架均配置以太網(wǎng)卡與二級計算機及HMI服務器進行通訊,。各傳動PLC與公共PLC間有大量的信號進行交換,，為了減少以太網(wǎng)的通訊負擔,，保證信號的實時性，所以各傳動PLC與公共PLC采用MPI網(wǎng)絡進行通訊,。由于遠程設備多,、且有些遠程設備在地理位置上比較集中，采用CPU通過PROFIBUS與遠程ET200通訊的結構既能保證了系統(tǒng)整體快速響應,，又能大大降低布線成本控制工程網(wǎng)版權所有,，是一個性價比極為合理的解決方案。
　　2.以公共PLC的硬件配置圖為例,，其它的硬件配置不在此贅述：
　　公共PLC硬件配置圖如圖1：

圖1
　　本項目的系統(tǒng)網(wǎng)絡結構圖如圖2：
　　在本系統(tǒng)網(wǎng)絡結構中,，公共PLC及燃燒PLC與二級服務器的通訊能通過以太網(wǎng)進行，采用的協(xié)議類型為TCP/IP,。公共PLC根據(jù)從二級服務器接收到電文再將其通過MPI網(wǎng)絡分發(fā)給各傳動PLC,。這樣做的目的是減少以太網(wǎng)的負荷，保證傳動PLC與二級服務器通訊接口的統(tǒng)一性,。燃燒系統(tǒng)各PLC單獨與二級服務器通訊,，單獨接受來自二級服務器的電文。HMI系統(tǒng)采用SERVER/CLIENT構架,，傳動及燃燒PLC與HMI服務器單獨通訊,，各CLIENT再與HMI服務器單獨通訊。這樣做的目的同樣也是減少網(wǎng)絡的負荷,，更能節(jié)省投資,，減少在使用中的維護量。

圖2
　　在實際生產中的監(jiān)視畫面如圖3所示：

圖3
　　3.以上的硬件配置,、網(wǎng)絡結構是與使用方幾經(jīng)討論形成的,。保證了系統(tǒng)整體的快速響應,、較少的網(wǎng)絡負荷、投資的經(jīng)濟性,，這是一個較優(yōu)的配置方案,。
　　三、控制系統(tǒng)完成的功能
　　1.對于步進式加熱爐而言,，步進機構的控制是其中的一個難點,。它要求控制系統(tǒng)能夠平穩(wěn)實現(xiàn)鋼坯在爐內的運輸，避免對機械機構造成沖擊,。這就要求控制系統(tǒng)能夠快速響應來自傳感器的信號,。由于現(xiàn)代工廠現(xiàn)場控制越來越復雜，這就使得PLC必須具備強大的邏輯及浮點計算能力,、豐富的尋址方式,、完整的與上位機通訊的協(xié)議、完善的數(shù)學函數(shù)功能,。只有這樣的PLC才能夠完成滿足當前工廠控制對象的要求,。本項目使用的西門子S7-400的416型PLC滿足了這樣了要求，在傳動控制的使用中成功實現(xiàn)了步進機構的平穩(wěn),、準確控制,，坯料在輥道上的精確數(shù)據(jù)跟蹤。在燃燒控制的使用中利用其強大的浮點計算能力及完善的數(shù)學函數(shù)功能成功實現(xiàn)了全自動化燃燒,。利用SIEMENS 在 STEP7中現(xiàn)有的通訊模塊實現(xiàn)了與公共PLC及燃燒PLC與二級計算機的TCP/IP通訊,。
　　2.項目實施中的難點及解決方案：
　　在短時間內實現(xiàn)新舊系統(tǒng)的更新，是本項目實施中面臨的最大難點,。在項目的準備前期
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,，對新硬件系統(tǒng)進行了盡可能多的硬件測試、及軟件模擬,，對軟件的在線調試作了充分的準備,。在舊系統(tǒng)停用后的短期內，實現(xiàn)了硬件系統(tǒng)的快速替代布署,。
　　在項目的實施中由于傳動PLC之間采用MPI通訊,，筆者在第一次項目實施中采用SIEMENS STEP7的程序庫自帶的程序塊進行通訊。但在使用中發(fā)現(xiàn)利用程序塊的方式并不穩(wěn)定,，每次在硬件配置后都會出現(xiàn)不明原因的中斷,。由于項目實施周期短，根本沒有時間進行原因的查找,，故障診斷分析,。由于西門子提供了全局變量的通訊方式，并且其硬件方式也是利用MPI網(wǎng)絡,。筆者拋棄第一種方案,，最終采用全局變量進行傳動PLC間的通訊,。事實證明這種方案簡單易行且相當可靠。全局變量的通訊方式更多依賴于硬件配置,，不需單獨編程,，對于通訊的變量可直接引用，并且全局變量的硬件配置的下載可以在線進行,，PLC不需重啟,。
　　全局變量的配置的部分界面如圖四所示：

圖四
　　在項目投入生產時由于通訊數(shù)據(jù)量的增加，逐漸暴露了一些在通訊測試,、設備調試中未出現(xiàn)的問題,。PLC與二級服務器的通訊會經(jīng)常發(fā)生PLC發(fā)送報文丟失的現(xiàn)象。經(jīng)仔細閱讀通訊文檔,，發(fā)現(xiàn)發(fā)送的通訊程序塊并不能在一個CPU的掃描周期內完成,，筆者著手修改了程序，報文丟失的現(xiàn)象大大改善,。試運行一段時間后仍然有報文丟失的現(xiàn)象發(fā)生,，不過發(fā)生的頻率已經(jīng)相當少。但由于生產要求通訊的絕對良好,，筆者在仔細排查生產中的人為因素,、程序與通訊文檔的非一致性的干擾，最終認定其中的原因可能還在通訊塊的特殊使用性上,，其中的一些特性并未在文檔中體現(xiàn)出來。筆者著手進行了通訊測試,，發(fā)現(xiàn)發(fā)送通訊程序塊不能在同一掃描周期內向同一端口發(fā)送兩條以上電文,，其中第一條后的電文都將丟失。筆者馬上修改了程序,，將發(fā)送的電文進行延時,、排隊處理，經(jīng)修改后運行良好,，徹底解決了與上位機的通訊問題,。
　　3.其中圖五所示：上部為工藝管道，下部為脈沖燃嘴,，是典型的工藝設備,。圖六為輸送冷坯輥道組，是工業(yè)爐的主要設備之一,。

圖五

圖六

　　四,、 項目運行
　　項目中的改造部分及新建部分從2005年10月份正常投入以來運行穩(wěn)定，實現(xiàn)了在傳動控制,、燃燒控制的全自動化操作,，盡量減少了設備操作對人的依賴,，減輕了工人勞動強度。本項目大大降低了故障率,，減少了解決故障的時間,、保證了生產的連續(xù)、正常運行,，已經(jīng)取得良好的經(jīng)濟效益,，受到了客戶的好評。
　　五,、 應用體會
　　本項目實施時間短,，使用方要求在十二天時間內實現(xiàn)爐區(qū)控制系統(tǒng)達到正常生產狀態(tài)，由于控制系統(tǒng)的帶設備調試必須等到設備本體完畢后才能進行,，事實上的控制系統(tǒng)調試時間只有數(shù)天之久,。9套PLC系統(tǒng)調試完畢，在數(shù)天之內投入生產其難度可想而知,。但由于西門子S7-400系列PLC強大的功能,，其與其編程系統(tǒng)STEP7的結合，為自動化控制提供了完美的解決方案,。在程序設計的過程中,，筆者始終秉持結構化編程的理念，追求程序控制流程的線性化,，即程序的靜態(tài)書寫結構與動態(tài)執(zhí)行順序的一致性,。由于程序量極大，這種做法增加了程序的可讀性,，便于理解,、調試、測試和排錯,。針對項目控制對象自身的特點,，由于不同加熱爐雖然有各個不同的細節(jié)特點，但其中的大部分控制對象控制特點類似,。筆者對有共性的對象進行了抽象,，封裝。將對象在程序中做成單獨的程序塊,，并在此程序塊中使用只與其相關的獨立的數(shù)據(jù)塊,。做到了在單一的CPU中，使其與外部的對象的通訊以接口的方式來進行,。從而在本CPU中實現(xiàn)程序塊的對象化,，在不同的CPU中實現(xiàn)了程序的跨控制器平臺的移植。實現(xiàn)了程序在結構上的獨立性，提高了程序的復用性,。幸運的是S7-400及其開發(fā)平臺STEP7完全支持以上的操作,。這一做法大大加快了軟件開發(fā)的進程，降低了調試的難度,?？傊甋7-400系列PLC及其軟件開發(fā)環(huán)境向使用者提供了一個具備一流的硬件基礎、界面友好,、操作方便的自動化開發(fā)平臺,。用戶應盡可能利用其強大的功能，為項目的順利實施提供有力的保障,。