基于Profibus-DP总线的连铸板坯称量系统设计

一、引言

在线板坯称量装置是连铸轧机工程上料辊道区工程的一部分，设置在上料区称量辊道上，用于逐块板坯质量计量后入炉，并将板坯信息传送至中控室。设置该装置可达到板坯精确计量、有序输送、减少工序差错、提高生产效率、有效实行成本核算的目的。在线板坯称量装置由机械结构、称量控制系统、重量检测系统、液压系统四大部分组成。本文主要介绍采用西门子SIMATIC产品及 Profibus-DP过程现场总线技术实现主从站的数据交换和分布式控制功能，并在板坯称量装置中的成功应用，着重阐述DP从站产品与西门子PLC的无缝连接过程。

此在线板坯称量装置设在宝钢股份5米宽厚板轧机工程的加热炉上料区11号辊道内。宝钢股份宽厚板轧机工程是由国内技术总成，“点菜式”引进关键技术及装备。主作业线设备由德国西马克•德马格及西门子公司负责提供，板坯库及加热炉区设备主要由国内负责设计、供货。被誉为“轧机之王”的宝钢宽厚板轧机，是当今世界近20年以来建造的最大、最先进的大型现代化宽厚板轧机，一期设计生产能力为每年140万吨。

宝钢股份5米宽厚板轧机采用了当今世界最先进的厚板生产工艺技术，以实现高效能、低成本生产高质量产品的目标。它的建成投产结束了我国不能生产四米二以上宽厚板历史，并将带动我国厚板的生产技术实现跨越式发展，将满足国家重大工程建设及造船，机械制造等制造行业的需求。图1为宝钢股份5米宽厚板轧机轧制钢板的情景。

图1  宝钢股份5米宽厚板轧机轧制钢板情景

二、构成及工艺流程

在线板坯称量装置由机械结构、称量控制系统、重量检测系统、液压系统四大部分组成。   

1．主流程在线板坯称量装置用于板坯质量检测，可显示和打印板坯信息，监控设备状态，并与L1级计算机（工厂基础自动化）实现相互之间的数据共享。当板坯从推钢区辊道运到称量辊道上停止后，称量机上升，称量板坯；称量完毕后，称量机下降，板坯落在辊道上；然后发出信号，称量辊道起动，将板坯送走，等待下一次称量信号。在线称量装置与称量辊道联锁，即在线称量装置升降时，称量辊道不能转动；称量辊道转动时；在线称量装置不能升降。操作方式有自动、半自动、手动三种。

其主要参数指标如下：    

1)型式：顶升式

2)称量范围：5～55吨    

3)显示分度：10千克    

4)准确度：±10千克

5)最短运坯节奏：1.2分钟

6)计量时间：1 7秒（上升：7秒；计量：3秒；下降：7秒）  

7)板坯表面最高温度：1000℃

8)称量辊道速度范围：0～90 m/min  

2．称体结构

称体由上下称台、限位装置、板坯墩、称量传感器部件、和算箱、工位检测装置等组成。其结构图如2所示。

图2在线板坯称量装置结构简图

其中称量传感器数量为4个，它为整个装置的关键件之一，因此选用Yamato CC21-24T应变柱式传感器，它具有高精度、全密封冲氮、双弧自动复位摇杆、压力自补偿、易安装、高可靠性等特点。其主要参数指标如下：

1)额定输出：1.8mVN

2)综合误差：0.02% R.O．    

3)重复性：0.01% R.O.    

4)蠕变：0.02% R.O．    

5)极限过载率：300%    

6)标准等级：C3级    

7)防护等级：IP67    

整个称量装置受力于4个CC21传感器上，并配有防水平位移措施，确保了液压缸升降动作时整个称台保持平稳无晃动，使外界因素（位置、油管、冲击等）影响降至最低，从而使板坯得到精确的计量。    

3．液压系统

在线板坯称量装置液压系统主要包括主泵装置、油箱装置、循环过滤冷却装置、阀站等。本液压系统共有3台泵，主泵装置为2台恒压变量泵，其中1台为备用；循环装置为1台齿轮泵，整个装置可对油箱内的液压油进行过滤及冷却控制。

液压装置还包含换向阀、节流阀、减压阀、四联同步马达及液控单向阀，分别控制油缸运行方向、速度、下降压力、4个油缸同步速度和压保持等作用。油缸位置检测采用ifm电感接近开关，每个油缸配有上下两个定位检测装置。

三、系统构成

整个板坯称量装置控制系统主要由称量检测控制系统和液压控制系统两大部分组成。它们之间通过Profibus-DP总线组成板坯称量监控系统，再通过工业Ethernet连接L1，完成人机交互、数据监视、记录和报表统计等工作。

控制系统网络结构图如3所示。

图3板坯称量控制系统网络结构图

1．总线网络的选择及功能分析  

现场总线是应用在现场测量控制设备之间实现双向、高速、串行、开放、多节点的数字通信，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络，是当今自动化领域技术发展的热点之一。    

Profibus是一种国际化、开放式、不依赖于生产商的现场总线标准，是为自动化系统与分布式的外围设备或现场设备通讯而设计，支持多种通信介质（电、光、红外、导轨以及混合方式），具有灵活的拓扑结构，最高速度可达12Mbit/s。目前无论在国外还是国内市场上，Profibus已被普遍接受并得到广泛运用，市场份额占首位，年增长率为25%。目前支持Profibus标准的产品已超过1900多种，截止到2003年底，工厂自动化和流程自动化应用系统所安装的Profibus节点设备数量已经突破了1千万，它所符合的标准如下：

1)德国标准DIN19245    

2)欧洲标准EN50170    

3)国际标准IEC61158 Type 3及IEC 61784

4)中国标准JB/T10308.3-2001    

另外，Profibus还具有以下的优势：    

1)开放而明确定义的系统；

2)支持许多不同制造商的不同产品；    

3)许多工业应用的良好验证；

4)连线减少，安装、编程、监视和控制容易；    

5) 一个DP系统最多有125个从站；

6)单机和多机联机操作；    

7) 一对一或广播协议。    

目前，西门子SIMATIC自动化的中高端产品在国内PLC市场占有绝对的主导地位，因此经 Profibus-DP网络互联具有典型的开放性和灵活性，可实现不同种类产品的透明互联，完成复杂的控制要求，并具有广泛的应用基础。

2．控制系统设计

控制系统主要配置如下：

1)称量检测与控制系统部分选用Siemens公司s7-300系列中的S7-315-2DP CPU、若干块数字量I,O模块SM321/SM322、打印通信模块CP340、工业以太网模块CP343-1及Yamato公司EDI-910重量显示器来控制。

2)液压系统控制部分  选用SIEMENS公司S7-200系列中CPU226及若干扩展模块 EM223/EM231/EM277来控制。

3)称量液压工艺段人机界面(HMI)  配置SIMATIC TP270-10触摸屏。    

(1)主控称量系统

SIMATIC S7-315-2DP CPU自带有一个Profibus-DP接口和一个MPI通信接口，它作为 Profibus-DP主站（简称DP主站）；S7-200 CPU226配置EM277 DP模板与EDI-910重量显示器，分别作为DP的两个从站；TP270触摸屏为DP二类主站；从而组成一个数据共享、稳定、易于扩充的控制系统。

Yamato EDI-910重量显示器代表了当今世界称重控制器的发展方向，具有性能超群、功能齐全、应用广泛的特点，并适用于复杂的工业现场和恶劣的工况环境。其主要参数指标如下：

1)非线性达0.005%FS

2) A/D转换速度达1 00次/秒

3) A/D分辨率达24位（△∑型）    

4)灵敏度0.1 uV/d

5)量程漂移为5ppm/℃    

6)零点漂移为O.1uV/℃   

EDI-910经其网关扩展板以DP从站形式接入Profibus-DP网络，按主，从模式与S7-315-2DP CPU交换重量及状态数据。

(2)液压系统

液压控制PLC为西门子S7-200系列升级版CPU226，它实现了超小型、高运算速度、高速串行I/O总线的性能。Profibus-DP从站模块EM277用来连接CPU和DP现场总线网络，使之成为 DP网络中的一个从站接点。在国内，S7-200系列在同类小型PLC中，以绝对的优势占据着最大的市场份额。

液压部分控制系统选型方案，比较了S7-ET200M与S7-200二者各自的特点，最后选用S7-200 CPU，主要是出于灵活性和经济性的考虑。另外，新一代升级版CPU226具有以下特点（与先前的 S7-200 CPU相比）：

1) CPU运算速度快40%;    

2)程序存储区大50%;

3)变量存储区大60%;    

4)在线程序编辑功能；    

5)新增配方、存储卡、数据记录、PID自整定等指令；

6)新增CPU诊断LED指示。

其DP数据在模块之间的流程如图4所示。

EM277 DP从站模块和主站的I/O配置信息要点如下：    

1)装置类型、地址、波特率；

2)输入和输出缓冲区的长度及位置；    

3)数据一致性类型。

(3) SMS短消息报警服务

GSM工业modem是基于中国移动2G GSM短消息平台、内嵌Siemens TC35i工业级通讯模块的终端。它遵循标准工业级规格设计，支持完善的AT命令，具有中英文短信、语音等功能。所提供串行通信接口，直接与CPU226的PORT1连接，以实现系统的短消息报警功能。

图4 DP数据交换流程图

其程序设计思路为：当系统发生秤量超载、零点异常、通信故障、液压故障、超时等报警时，将这些报警检测位状态送入CPU226的报警变量区，由此程序按AT命令集格式，经自由口模式下的PORT1来使用接收，发送（事件号24/26）中断、接收，发送(RCV/XMT)指令，通过GSM工业 modem实现报警信息的短消息发送。

本程序中使用的AT指令主要为发送短信息指令AT+CMGS=?，其指令采用TEXT方式(+CMGF=1)的命令格式如下：

命令：AT+CMGS= <da>[，<toda> ]<CR> text is entered按ctrl-Z发送出去，按ESC取消。

若TEXT方式下发送成功，Siemens TC35．通讯模块响应如下：．响应：+CMGS: <mr>[，scts>]OK

参数说明：

<da>为目标地址，如手机号；    

<toda>为地址<da>的类型；    

<mr>为消息参考；

<scts>为业务中心时间标记，字符格式yy/M M/dd，hh：mm：ss±zz。    

4．人机对话及监控装置

称量液压工艺段使用TP270触摸屏作为现场级HMI，它是基于Windows CE的控制面板，为现场盘式安装，由SIMATIC ProTool/Pro V6.0 SP2组态，它通过Profibus协议与S7-300主机进行同级通讯，使主控、称量与液压系统构成一体，实现该工艺段的数据，状态监视、控制、测试、参数及密码设置，并具有故障诊断记录及显示报警。

工艺段HMI画面如图5所示。

图5  工艺段HMI画面1

图6工艺段HMI画面2

四、软件编程及组态   

1．编程设计

主控PLC CPU315-2DP的控制程序采用西门子SIMATIC Manager-STEP7 V5.3+SP1版编程软件来实现，主要采用梯形图、语句表、功能块三种方式相结合来完成模块化编程结构，因而便于系统的维护及扩展。   

根据系统要求，我们采用结构化的编程思想，设计了以下几种程序模块：   

1)OB（组织块）模块。用于称量装置系统循环处理的主程序、初始化、各事件中断处理程序的执行及调用以下各功能和功能块。

2) FB（功能块）模块。主要用以完成CP340模块串行数据的打印输出。

3) FC（功能）模块。主要用以实现称量数据采集处理、数据格式转换计算、DP通讯数据收发、手操程序、信息诊断、报警输出等功能。

4) DB（数据块）模块。主要用作FB（功能块）调用背景数据块，打印阵列数据块，它包含指针DB、变量DB和字符串格式DB等功能。

主站部分软件流程框图如图7所示。

图7主站软件流程图

CP340是西门子S7-300系列点到点的串行通讯模块，其传输接口有RS232、20mA TTY、 RS422/485三种方式；通讯协议有ASCII，3964 (R)和打印驱动；本工程中选用了打印驱动协议，经RS232C实现CP340与LQ-300K+本地打印机的通讯输出，CP340是以编程和配置相结合来完成模块化编程的。LQ-300K+打印内容包含日期、时间、重量、板坯号、计划号、出钢记号、板坯厚度、宽度、长度等信息，以上信息（除重量外）由L1经S7-300 CPU. CP340通讯模块传送至 LQ-300K+打印机。

以下为CP340打印部分程序篇段（见图8）：

图8 CP340主程序

液压PLC CPU226，其编程软件为STEP 7-Micro/WIN V4.0 SP1，它以梯形图为主实现编程，该软件包属于SIMATIC家族系列，具有极高的编程效率，可以方便地对226CPU进行设计、调试和维护。

2．硬件组态配置

硬件组态也是一种图形化的组态方式，STEP7中已全部集成了西门子各种不同类型的模块，为了将从站产品(EDI-910. EM277)集成在Profibus组态环境中，设备生产厂商须提供GSD（电子设备数据库）文件，它描述了产品的功能特征参数。STEP7提供了GSD文件的导入操作，从而使第三方产品能融入在同一总线中。SIMATIC Manager H/W Config硬件组态步骤如下：

1)配置DP Master站及I/O模块类型、数量和地址；

2)安装包含从站特定参数的GSD文件，通过GSD文件组态DP-Slaver站，设置网络波特率、从站地址，映射缓冲区起始地址及大小；    

3)配置下载到主站CPU。

硬件组态配置须确保与实际硬件安装模件相一致。    

H/W Config硬件配置窗口如图9所示。 

图9  H/W Config硬件配置窗口

3．通讯编程

西门子CPU315-2DP型PLC通过DP Master站访问DP l/0时可以调用STEP 7中的专用通讯功能SFC14和SFC15，也可以直接访问DP l/0端口映射的I存储区和Q存储区。

五、系统功能与特点

本控制系统采用了SIMATIC PLC及Profibus-DP现场总线单元、Yamato EDI重量显示器及各类检测传感器，通过交互界面实现用户对生产过程的监控和管理。该系统具有以下功能及特点：

1)采用现场总线通信，极大简化了系统的维护量，减少故障点，增加了系统可靠性；    

2)实现各工艺段联锁控制，满足特殊而重要的工艺控制要求；

3)各类位置、阀、泵、液位、温度、超载等的监控功能；    

4)各类故障报警协调与处理，并存储报警记录；

5)提供现场级人机交互界面，实现集中监控操作的灵活补充；    

6)工艺参数的下达和反馈；

7)板坯信息的权限修改；    

8)板坯信息查询打印功能；

9)辊道传动的起动停止联锁控制功能；

10)急停联锁控制功能；

11)实现短消息报警服务功能：

12)系统的自学习和帮助功能，对系统的使用提供在线指导；

13)报警、联锁动作的历史记录和查询功能：

14)手动，半自动，自动间的无扰切换功能。

六、结论与体会

基于Profibus-DP现场总线的在线板坯称量装置监控系统，结合了Profibus-DP的开放性、先进性、成熟性和适用性的优势，发挥了西门子中高端PLC产品的各自优势，减少了传送数据的误差，并提高了实时性，简化了系统结构，从根本上提高了测量与控制的准确度、可靠性和速度，极大地提高了生产效率和产品质量，减轻了劳动强度，改善了工作环境。

整个系统体现了综合的先进控制理念，而且其网络结构符合当今易于重构的发展趋势，拓展了系统的互联、互操作性，深受用户欢迎。目前，SIEMENS等公司推出以Profibus为基础的下一带产品－－Profinet已出炉，Profinet是基于部件的自动化完整解决方案，是实时自动化通信技术和 TCP/IP工业以太网的完美结合，它能够与现有Profibus现场总线系统无缝地集成，能连接更多的站点，使用工业局域网进行无线通信，且便于扩大规模和扩大新的应用领域。相信在今后的工程中会得到越来越广泛的应用，能完全满足现场级的应用要求。

2005年3月1日19时28分，宝钢股份宽厚板轧机热负荷试车一次成功，顺利轧出第一块钢板。在线板坯称量装置投产使用至今，用户评价良好，系统一直正常稳定运行，各项性能指标均超过设计要求，创造了良好的控制效果和经济效益。

参考文献

1．SIMATIC S7-300可编程序控制器参考手册．西门子（中国）有限公司，2003

2．SIMATIC S7-200可编程序控制器系统手册．西门子（中国）有限公司，2004

3．阳宪惠，现场总线技术及其应用，北京清华大学出版社，1999

4．廖常初主编．PLC编程及应用．北京：机械工业出版社，2002