傅 磊，馬步強(qiáng)，史 偉，梅瑾燁

(中國(guó)重型機(jī)械研究院有限公司，陜西 西安 710032)

0 引言

在當(dāng)前連鑄自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用中，主要采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)，采用工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理級(jí)和過(guò)程控制級(jí)?，F(xiàn)場(chǎng)總線將智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)以全數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信控制網(wǎng)絡(luò)連接，使企業(yè)基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)的體系結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了重大變革，也由此使得現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)成為當(dāng)前工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制層的主流應(yīng)用技術(shù)，然而在其成功應(yīng)用的同時(shí)也暴露出進(jìn)一步需求，更加開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、徹底實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)信息網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)的透明集成成為現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的主要推動(dòng)力。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)由于采用開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，非常適合解決不同廠商的控制設(shè)備的兼容性和互操作等問(wèn)題，并在數(shù)字式互聯(lián)、互操作性、開(kāi)放性、高性能都有現(xiàn)場(chǎng)總線無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，由此成為現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展的方向。由于工業(yè)以太網(wǎng)已成熟應(yīng)用于企業(yè)的生產(chǎn)管理級(jí)和過(guò)程控制級(jí)，因此如果將其作為現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)的控制網(wǎng)絡(luò)，便很容易實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)通信的連續(xù)性，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的管控一體化［1］。經(jīng)過(guò)近些年的發(fā)展，在工業(yè)以太網(wǎng)滿足了工業(yè)苛刻環(huán)境應(yīng)用條件的基礎(chǔ)上，用于控制系統(tǒng)最關(guān)鍵的實(shí)時(shí)性和確定性問(wèn)題已經(jīng)在一些領(lǐng)域應(yīng)用中得到了有效地解決［2］?；谏鲜霭l(fā)展形勢(shì)，重慶鋼鐵2#連鑄機(jī)的自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用模式和典型的應(yīng)用配置，完全采用PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，給出了一種自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

1 PROFINET技術(shù)特征

PROFINET與 PROFIBUS總線相比，其顯著的優(yōu)越性是速度快，穩(wěn)定性高，抗干擾能力強(qiáng)，互聯(lián)性和兼容性好。為了給不同類(lèi)型的應(yīng)用提供支持，PROFINET提供了兩種解決方案:集成分布式I/O的PROFINET IO和在分布式自動(dòng)化中創(chuàng)建模塊化設(shè)備系統(tǒng)的PROFINET CBA。PROFINET IO是用于實(shí)現(xiàn)模塊化、分布式應(yīng)用的通信概念，支持分布式現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備直接接入工業(yè)以太網(wǎng)。PROFINET CBA是基于組件的自動(dòng)化技術(shù)，主要用于模塊化應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)，并用于將PROFINET IO集成到機(jī)器對(duì)機(jī)器之間的通信中［3］。為了實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)所必須具有的確定性通信，PROFINET通過(guò)采用全雙工交換式以太網(wǎng)替代共享式以太網(wǎng)，解決了共享式以太網(wǎng)中CSMA/CD機(jī)制所造成的不確定性問(wèn)題，并通過(guò)帶寬分配、降低負(fù)載以及報(bào)文優(yōu)先級(jí)技術(shù)提高網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性。在通信機(jī)制上采用三種通信技術(shù)滿足工業(yè)環(huán)境的不同通信信息的要求:①對(duì)時(shí)間要求并不苛刻的參數(shù)、組態(tài)數(shù)據(jù)和互聯(lián)信息通過(guò)基于TCP/UDP和IO標(biāo)準(zhǔn)通道在PROFINET中傳輸;②對(duì)于實(shí)時(shí)過(guò)程控制數(shù)據(jù)，PROFINET利用一個(gè)優(yōu)化的實(shí)時(shí)通信通道(RT)來(lái)滿足實(shí)時(shí)通信要求，對(duì)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)小于10ms的循環(huán)周期;③對(duì)于實(shí)時(shí)性要求苛刻的運(yùn)動(dòng)控制，PROFINET利用IRT(等時(shí)同步實(shí)時(shí))技術(shù)來(lái)滿足要求，對(duì)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)小于1ms的循環(huán)周期［4］。

2 基于PROFINET的連鑄自動(dòng)化系統(tǒng)

重慶鋼鐵2#連鑄機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)，采用圖1所示的基于PROFINET IO的自動(dòng)化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)?；A(chǔ)自動(dòng)化級(jí)包括的控制系統(tǒng)有:主控室的漏鋼預(yù)報(bào)子系統(tǒng)、液面控制PLC子系統(tǒng)、液壓振動(dòng)PLC子系統(tǒng);電氣室的儀表PLC子系統(tǒng)、鑄流PLC子系統(tǒng)、出坯PLC子系統(tǒng)、平臺(tái)PLC子系統(tǒng)、輕壓下PLC子系統(tǒng);出坯室的噴印PLC子系統(tǒng)、稱(chēng)重PLC子系統(tǒng);切割室的切割PLC子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)均采用PROFINET IO設(shè)備構(gòu)成。所有PLC利用所在區(qū)域交換機(jī)通過(guò)冗余環(huán)網(wǎng)與基礎(chǔ)自動(dòng)化監(jiān)控計(jì)算機(jī)、過(guò)程控制監(jiān)控計(jì)算機(jī)以及過(guò)程控制服務(wù)器相連接。

圖1 基于PROFINET的連鑄自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of continuous casting automation system based on PRONINET

2.1 平臺(tái)PLC子系統(tǒng)

平臺(tái)控制主要包括大包、中包車(chē)、滑動(dòng)水口、長(zhǎng)水口的動(dòng)作邏輯控制。平臺(tái)PLC子系統(tǒng)如圖2所示，控制設(shè)備均采用帶有PROFINET接口的設(shè)備，主控制PLC采用CPU416-3 PN/DP，連接到所在房間的SCALANCE－X208交換機(jī)，分布式IO采用ET200S－IM151－3 PN，根據(jù)設(shè)備所在區(qū)域通過(guò)星型或菊花鏈型連接接入交換機(jī)，大包回轉(zhuǎn)臺(tái)、1#、2#中包車(chē)驅(qū)動(dòng)采用SINAMICS S120 CU310 PN，通過(guò)菊花鏈型連接接入交換機(jī)。

2.2 鑄流PLC子系統(tǒng)

鑄流控制主要根據(jù)不同的操作模式(送引錠、保持、澆鑄、拉尾坯等)實(shí)現(xiàn)扇形段輥列的速度設(shè)定、壓下、抬起、夾緊、松開(kāi)等邏輯動(dòng)作控制。鑄流PLC子系統(tǒng)如圖3所示，控制設(shè)備同樣均采用帶有PROFINET接口的設(shè)備，主控制PLC采用CPU416－3 PN/DP，連接到所在房間的SCALANCE－X208交換機(jī)，分布式IO采用ET200S－IM151－3 PN，根據(jù)設(shè)備所在區(qū)域可通過(guò)星型或菊花鏈型連接方式連接到交換機(jī)，4個(gè)結(jié)晶器調(diào)寬電機(jī)驅(qū)動(dòng)、引錠桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)、切前、切下、切后輥道電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以及28個(gè)扇形段驅(qū)動(dòng)輥電機(jī)驅(qū)動(dòng)均采用SINAMICS S120 CU310 PN通過(guò)菊花鏈型連接接入交換機(jī)。

圖2 平臺(tái)PLC子系統(tǒng)Fig.2 Platform PLC subsystem

圖3 鑄流PLC子系統(tǒng)Fig.3 Casting flow PLC subsystem

2.3 出坯PLC子系統(tǒng)

出坯控制主要完成輸送輥道(去毛刺輥道、稱(chēng)重輥道等)的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速控制。出坯PLC子系統(tǒng)如圖4所示，控制設(shè)備同樣均采用帶有PROFINET接口的設(shè)備，主控制 PLC采用CPU416－3PN/DP，連接到所在房間的SCALANCE－X208交換機(jī)，分布式 IO采用ET200S－IM151－3 PN，根據(jù)設(shè)備所在區(qū)域可通過(guò)星型或菊花鏈型連接方式連接到交換機(jī)，移載機(jī)輥道電機(jī)驅(qū)動(dòng)、移載機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、去毛刺輥道電機(jī)驅(qū)動(dòng)、稱(chēng)重輥道電機(jī)驅(qū)動(dòng)均采用SINAMICS S120 CU310 PN通過(guò)菊花鏈型連接接入交換機(jī)。

圖4 出坯PLC子系統(tǒng)Fig.4 slab ejection PLC subsystem

2.4 儀表PLC子系統(tǒng)

儀表控制主要包括二冷水、二冷氣、結(jié)晶器水、設(shè)備水等水系統(tǒng)的控制。儀表PLC子系統(tǒng)如圖5所示，控制設(shè)備同樣均采用帶有PROFINET接口的設(shè)備，主控制PLC采用CPU416－3 PN/DP，連接到所在房間的SCALANCE－X208交換機(jī)，分布式IO采用ET200S－IM151－3 PN，根據(jù)設(shè)備所在區(qū)域可通過(guò)星型或菊花鏈型連接方式連接到交換機(jī)。

圖5 儀表PLC子系統(tǒng)Fig.5 Instrument PLC subsystem

2.5 其他PLC子系統(tǒng)

除上述PLC子系統(tǒng)外，液壓振動(dòng)完成結(jié)晶器振動(dòng)的功能(正弦或非正弦隨動(dòng)控制)，其PLC采用CPU414－3 PN/DP(掛接FM458模塊)，輕壓下系統(tǒng)基礎(chǔ)自動(dòng)化部分完成動(dòng)態(tài)輕壓下系統(tǒng)的輥縫設(shè)定值控制，其PLC采用CPU414－3 PN/DP，通過(guò)交換機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)，輕壓下14個(gè)扇形段控制PLC采用CPU315－2 PN/DP，通過(guò)PROFINET CBA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)通信。噴印PLC、稱(chēng)重PLC、液面控制 PLC、漏鋼預(yù)報(bào) PLC、切割PLC均采用CPU315－2 PN/DP，掛接模塊(I/O)，通過(guò)所在區(qū)域交換機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)。

與PROFIBUS DP總線相比，PROFINET有許多優(yōu)勢(shì):PROFINET使用交換機(jī)設(shè)備實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(星型、線型、樹(shù)型、環(huán)型);可采用WLAN進(jìn)行無(wú)線傳輸;采用全雙工數(shù)據(jù)傳輸模式;可實(shí)現(xiàn)100Mb的數(shù)據(jù)傳輸帶寬;組態(tài)和診斷可使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)網(wǎng)卡;圖形化通信組態(tài)設(shè)計(jì);網(wǎng)絡(luò)中可以使用任意數(shù)量的控制器等等［5］。

對(duì)于連鑄自動(dòng)化系統(tǒng)，大多數(shù)控制均為開(kāi)環(huán)邏輯控制，對(duì)實(shí)時(shí)性要求并不高，在采用全以太網(wǎng)連接時(shí)，通常儀表系統(tǒng)和扇形段壓力輥壓力控制是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行閉環(huán)控制，控制周期要求一般在10ms左右，采用PROFINET RT方式完全可以滿足要求，而液壓振動(dòng)控制雖然要求實(shí)時(shí)性較高，但采用FM458模塊，可在本地進(jìn)行閉環(huán)控制。對(duì)于過(guò)程控制級(jí)，由于一般均為通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程設(shè)定值控制，要求具有一般的實(shí)時(shí)性即可，基于TCP/IP的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議完全滿足要求。因此整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)閉環(huán)控制部分均可采用PROFINET RT方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)論

本文針對(duì)連鑄自動(dòng)化的基本構(gòu)成和典型的配置結(jié)構(gòu)，給出了一種基于PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，使用這種方式配置，可以在全企業(yè)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)基于以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)，代替原來(lái)過(guò)程控制層使用工業(yè)以太網(wǎng)，現(xiàn)場(chǎng)控制層使用現(xiàn)場(chǎng)總線的自動(dòng)化系統(tǒng)，在系統(tǒng)的互操作性、開(kāi)放性、簡(jiǎn)化配線、設(shè)備診斷與維護(hù)等方面都將有所改進(jìn)，采用基于工業(yè)以太網(wǎng)的過(guò)程控制和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制，可以和企業(yè)辦公以太網(wǎng)很好的融合，在全企業(yè)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，對(duì)實(shí)現(xiàn)從控制級(jí)到現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的透明集成有著重要的意義。

［1］ 韓精華．自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)在冶金工業(yè)中的應(yīng)用［J］．中國(guó)冶金，2005，15(12):25－30．

［2］ 王德吉，邊永生，栗衛(wèi)軍，等．基于PROFINET的制絲集成自動(dòng)化系統(tǒng)［J］．軟件導(dǎo)刊，2009，8(6):95－97．

［3］ 張永德，李鑫．PROFINET的組成及其應(yīng)用．工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置［J］．2006(1):25－29．

［4］ PROFIBUS INTERNATIONAL．PROFInet Specification，2004．

［5］ 李炳宇．網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展方向［J］．測(cè)控技術(shù)，2002，21(4):1－3．