任麗敏 侯憲斌 房戈 李雪芹

( 安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司)

0 前言

安鋼煉鐵廠1 號(hào)高爐原建有三座配套熱風(fēng)爐，因2#熱風(fēng)爐爐墻出現(xiàn)嚴(yán)重塌陷，對(duì)安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響，需要進(jìn)行改造，新增加一座4#熱風(fēng)爐。原1號(hào)高爐的自動(dòng)化控制系統(tǒng)完成了1#～3#熱風(fēng)爐的所有設(shè)備控制，其上位軟件MP7．2 現(xiàn)已淘汰，原有受權(quán)點(diǎn)數(shù)已無(wú)余量，新受權(quán)又無(wú)法購(gòu)買，系統(tǒng)不能加入新點(diǎn)，造成原有控制系統(tǒng)中無(wú)法增加新增4#熱風(fēng)爐的設(shè)備控制，因此，新的4#熱風(fēng)爐軟、硬件必須采用獨(dú)立的控制系統(tǒng)，以便完成相關(guān)控制，這樣，便形成了四座熱風(fēng)爐分列兩套不同的控制系統(tǒng)的平臺(tái)結(jié)構(gòu)，而它們之間又要完成整個(gè)熱風(fēng)爐工藝控制，實(shí)現(xiàn)任意三座熱風(fēng)爐的送風(fēng)轉(zhuǎn)燜爐、燜爐轉(zhuǎn)燃燒、燃燒轉(zhuǎn)燜爐、燜爐轉(zhuǎn)送風(fēng)等"三燒一送"的聯(lián)動(dòng)，這使得控制系統(tǒng)的架構(gòu)及通訊設(shè)計(jì)成為關(guān)鍵。

1 Modbus TCP/IP 簡(jiǎn)介

近年來，數(shù)據(jù)通訊技術(shù)發(fā)展迅速，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及以太網(wǎng)技術(shù)也同步發(fā)展，使工廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)和以太網(wǎng)的應(yīng)用得到了普及。

當(dāng)以太網(wǎng)用于信息技術(shù)時(shí)，應(yīng)用層包括HT －TP、FTP、SNMP 等常用協(xié)議，當(dāng)以太網(wǎng)用于工業(yè)控制時(shí)，體現(xiàn)在應(yīng)用層的是實(shí)時(shí)通信、用于系統(tǒng)組態(tài)的對(duì)象以及工程模型的應(yīng)用協(xié)議，已經(jīng)開發(fā)出相應(yīng)產(chǎn)品的主要有4 種協(xié)議: HSE、Modbus TCP/IP、ProfINet、Ethernet/IP。

Modbus TCP/IP 協(xié)議由施耐德公司推出的專用于工業(yè)系統(tǒng)的以太網(wǎng)協(xié)議，以一種非常簡(jiǎn)單的方式將Modbus 幀嵌入到TCP 幀中，使Modbus 與以太網(wǎng)和TCP/IP 結(jié)合，因此稱為Modbus TCP/IP。這是一種面向連接的方式，每一個(gè)呼叫都要求一個(gè)應(yīng)答，這種呼叫/應(yīng)答的機(jī)制與Modbus 的主/從機(jī)制相互配合，使這種交換式以太網(wǎng)具有很高的確定性。

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

安鋼1 號(hào)高爐原有三座熱風(fēng)爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)硬件采用的是施耐德的莫迪康昆騰系列PLC，配套編程軟件Concept6．0;上位軟件采用的是MP7．2，目前已屬淘汰產(chǎn)品，因原系統(tǒng)已無(wú)擴(kuò)容的位置，所以新建的4#熱風(fēng)爐單獨(dú)成系統(tǒng)，采用目前施耐德的最新軟、硬件，其中控制系統(tǒng)硬件采用Modicon Unity Quantum 系列PLC，編程軟件為Unity Pro V5．0，上位畫面采用Vijeo Citect 7．10。

新增4#熱風(fēng)爐系統(tǒng)與原三座熱風(fēng)爐系統(tǒng)之間采用的軟、硬件不同，為了解決這一問題，增設(shè)了一臺(tái)交換機(jī)，一方面用于連接PLC 和上位畫面，另一方面也用于連接新PLC 及原PLC 系統(tǒng)。將新PLC、原PLC、新上位機(jī)、原上位機(jī)分別用RJ45 網(wǎng)線連接至交換機(jī)，同時(shí)，將新PLC 和新上位機(jī)的IP 地址配置成與1 號(hào)高爐環(huán)網(wǎng)同一網(wǎng)段。整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3 通訊功能設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

3．1 通訊功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)組成后，使新增4#熱風(fēng)爐與原有三座熱風(fēng)爐在硬件上形成了一個(gè)整體，但要想在它們之間實(shí)現(xiàn)隨意換爐操作，關(guān)鍵問題是進(jìn)行兩套PLC 系統(tǒng)之間的通訊數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)，以便實(shí)現(xiàn)軟件上形成真正的整體。

安鋼1 號(hào)高爐新建4#熱風(fēng)爐工程中，兩套系統(tǒng)所使用的上位監(jiān)控軟件完全不兼容，根本不存在直接通訊的可能性，若使用如OPC 的第三方通訊方式，則會(huì)存在著數(shù)據(jù)更新不及時(shí)的現(xiàn)象，且OPC 通訊技術(shù)在主要應(yīng)用于信息化管理系統(tǒng)，一般不涉及生產(chǎn)控制。在1 號(hào)高爐的新建4#熱風(fēng)爐項(xiàng)目中，新增4#熱風(fēng)爐的操作界面上，必須對(duì)原熱風(fēng)爐系統(tǒng)的一些設(shè)備進(jìn)行操作，數(shù)據(jù)通訊的可靠性成為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問題。

3．1．1 通訊技術(shù)選擇

為了保證系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)，也為了使新的控制系統(tǒng)能夠便捷地實(shí)現(xiàn)與原有控制系統(tǒng)的通訊，使其從整體上具有功能上的完整性，采用基于Modbus TCP/IP 的通訊方式，由于軟、硬件都使用了與原控制系統(tǒng)同一品牌的最新設(shè)備，確保了新的4#熱風(fēng)爐可以更好地融入原有的控制系統(tǒng)中，使控制更加完善、更加可靠。

Modbus TCP/IP 協(xié)議是目前施耐德控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)。Modbus/TCP 報(bào)文服務(wù)采用客戶端/服務(wù)器的模式交換實(shí)時(shí)信息，該模式基于以下四種類型的報(bào)文: Modbus 請(qǐng)求、Modbus 確認(rèn)、Modbus指示和Modbus 響應(yīng)用于實(shí)時(shí)信息的交換( 如圖2所示) 。

圖2 Modbus 報(bào)文傳輸服務(wù)示意圖

在原有的Quantum 系列PLC 與新的Unity Quantum 系列PLC 之間的數(shù)據(jù)交換，正是采用了這種客戶機(jī)－服務(wù)器模型，它可以在兩個(gè)設(shè)備應(yīng)用程序之間，在設(shè)備應(yīng)用和其它設(shè)備之間，在HMI/SCADAY 應(yīng)用程序和設(shè)備之間，在一個(gè)PC 和一個(gè)提供在線服務(wù)的設(shè)備程序之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

Modbus TCP/IP 的通信系統(tǒng)可以包括不同類型的設(shè)備:

·連接至TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)的Modbus TCP/IP 客戶機(jī)和服務(wù)器設(shè)備

·互連設(shè)備，例如: 在TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)和串行鏈路子網(wǎng)之間互連的網(wǎng)橋、路由器或網(wǎng)關(guān)聯(lián)接，該子網(wǎng)允許將Modbus 串行鏈路客戶機(jī)和服務(wù)器終端設(shè)備連接起來。其總體通信結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 MODBUS TCP/IP 的通信結(jié)構(gòu)

3．1．2 通訊變量整理

熱風(fēng)爐控制需要實(shí)現(xiàn)四座熱風(fēng)爐的送風(fēng)轉(zhuǎn)燃燒，燃燒轉(zhuǎn)送風(fēng)，燃燒轉(zhuǎn)燜爐，燜爐轉(zhuǎn)送風(fēng)等外圍各種信號(hào)和功能的控制，為了便于代碼設(shè)計(jì)，在硬件連接好并設(shè)置完畢之后，將程序中需要進(jìn)行讀、寫控制的變量整理成表格，將需要從原PLC 系統(tǒng)讀取到新PLC 系統(tǒng)及需要從新PLC 系統(tǒng)寫入到原PLC 系統(tǒng)的變量地址進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，部分通訊數(shù)據(jù)示例見表1、表2。

表1 新PLC 從原PLC 上讀取模擬量

3．2 程序設(shè)計(jì)

在通訊數(shù)據(jù)表整理后，則可以分步進(jìn)行具體通訊的程序設(shè)計(jì)過程，首先將模擬量和數(shù)字量分類進(jìn)行編程設(shè)計(jì)。在原PLC 的程序中將需要讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，模擬量直接寫入待讀取地址，數(shù)字量打包成word 格式后寫入待讀取地址，新PLC 系統(tǒng)通過I/O 掃描，從原PLC 系統(tǒng)的指定待讀地址中讀取相應(yīng)信息，模擬量直接讀取后即可在程序中應(yīng)用，數(shù)字量則需將讀取到的word 格式分解，再將分解所得各個(gè)bit 量分別賦予新PLC 系統(tǒng)的相關(guān)變量。

原PLC 系統(tǒng)與新PLC 系統(tǒng)的通訊設(shè)計(jì)主要有三類信號(hào):顯示類開關(guān)量、顯示類模擬量及畫面操作類變量的通訊。對(duì)于顯示類開關(guān)量，原PLC 控制程序中數(shù)字量打包轉(zhuǎn)換程序主要采用了bit_to_word功能塊，左側(cè)管腳分別寫入待傳輸?shù)拈_關(guān)點(diǎn)名，最多可以寫入16 個(gè)，相反，在新PLC 中同樣要編寫相應(yīng)的解包、轉(zhuǎn)存程序，而它采用的功能塊是word_to_bit，右側(cè)管腳為接收信號(hào)開關(guān)點(diǎn)名，程序結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 顯示用開關(guān)量的讀、寫程序示例

對(duì)于顯示類模擬量，信號(hào)點(diǎn)采用move 功能塊，它是一對(duì)一的寄存器變量轉(zhuǎn)存( 如圖5 所示) 。如“煤氣流量調(diào)節(jié)空燃比設(shè)定”; 對(duì)于畫面操作類變量的通訊，模擬量需要設(shè)定一個(gè)確定傳送指令，選擇了帶有使能端的move 功能塊實(shí)現(xiàn)，例如“1#助燃風(fēng)機(jī)入口調(diào)節(jié)閥手動(dòng)值”。

圖5 顯示用模擬量的讀取程序示例

操作類數(shù)字量有兩種，一種是新PLC 系統(tǒng)程序完成邏輯判斷后發(fā)送運(yùn)算結(jié)果給原PLC 系統(tǒng)，采用了R/S 觸發(fā)器進(jìn)行信號(hào)的通訊( 如圖6 所示) 。

圖6 操作用數(shù)字量的置、復(fù)位程序

另一種是新PLC 系統(tǒng)向原PLC 系統(tǒng)發(fā)送操作命令，原系統(tǒng)程序完成邏輯判斷與運(yùn)行，采用TP 功能塊完成脈沖功能設(shè)計(jì)( 如圖7 所示) 。

圖7 操作用數(shù)字量的脈沖程序

Modbus TCP/IP 的協(xié)議功能，在軟件通訊設(shè)計(jì)中，集成為“I/O 掃描”功能。因此，在控制變量通訊設(shè)計(jì)完成后，必須在新熱風(fēng)爐的PLC 程序中設(shè)置“I/O掃描”，將讀取和寫入的地址進(jìn)行正確的配置，其中，數(shù)據(jù)類型必須為REAL，數(shù)據(jù)地址及讀、寫的長(zhǎng)度必須配置正確。新PLC 系統(tǒng)中的I/O 掃描配置見表3。

表3 新PLC 與原PLC 通訊的I/O 掃描配置

4 使用效果

新建4#熱風(fēng)爐項(xiàng)目于2012年8月底一次性投產(chǎn)成功，通過一年半的運(yùn)行，很好地滿足了生產(chǎn)需要。通訊功能的設(shè)計(jì)，為無(wú)障礙換爐系統(tǒng)提供了條件，使兩套不同軟硬件平臺(tái)的控制系統(tǒng)無(wú)縫鏈接為一體，實(shí)現(xiàn)了任意三座熱風(fēng)爐均能夠?yàn)? 號(hào)高爐實(shí)現(xiàn)“兩燒一送”功能，程序設(shè)計(jì)巧妙，結(jié)構(gòu)合理，可移植性好。新4#熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)換爐平穩(wěn)，風(fēng)壓波動(dòng)范圍在5 kPa 以內(nèi)，有效地保證了高爐的正常生產(chǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

安鋼1 號(hào)高爐4#熱風(fēng)爐的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)，使不停產(chǎn)進(jìn)行改造成為可能?；贛odbus TCP/IP 通訊設(shè)計(jì)的1 號(hào)高爐新建4#熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)，經(jīng)過自主研發(fā)，自行建設(shè)與調(diào)試投運(yùn)，使得1 號(hào)高爐的熱風(fēng)爐系統(tǒng)控制更加靈活，為安鋼的降本增效打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

［1］王永華編著．現(xiàn)代電氣控制及PLC 應(yīng)用技術(shù)． 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社，1999，158 －235．