田 海，靳珂珂，袁有扩，徐 聪

（内蒙古科技大学 信息工程学院，包头 014010）

最初，包钢无缝钢管厂步进式加热炉控制系统是由西门子SIMATIC S5-135U通过端子接线的方式实现对步进式加热炉区域的设备进行控制。由于系统老化、线路繁多、故障率高等原因，因此对原系统进行改造升级。利用先期企业管理层的工业以太网集成该层下面各个子网系统的数据，来实现管控目的。通过采用S7-300系列PLC和多种通信协议来解决新老设备不兼容的问题，沟通了现场设备层、生产监控层和企业管理层的联系[1]，将独立的、分散的设备有机地融合到一起，实现了控制的实时性和管理的高效性。

1 系统工艺和网络结构设计

1.1 加热炉系统工艺的简介

该厂步进式加热炉工艺流程如图1所示。

图1 步进式加热炉工艺流程图Fig.1 Process flow chart of walking beam type reheating furnace

由于钢管在淬火和回火两阶段的传动方式相同，因此以淬火炉为例介绍步进式加热炉的工艺。

操作员根据不同的钢管外径将原料钢管按顺序铺放到炉外的上料台架上，通过由液压缸驱动的上料装置，将钢管从台架上移动到进料辊道。进料时刻到，淬火炉炉门上升，淬火炉内外进料辊道同时快速旋转，将钢管送到淬火炉中进行热处理。钢管到淬火炉内的定位和测长测速由钢管定位装置（二个光电开关）及PLC控制完成。钢管进入炉内到位后，炉内外进料辊道停止转动。在淬火炉内通过步进机构动梁的正循环动作，经过淬火炉的加热段、保温段钢管被加热到工艺要求的温度（850℃～1000℃）。步进梁将钢管托送到淬火炉内出料悬臂辊道上，出料炉门上升，淬火炉内外出料辊道同时快速旋转，将钢管传送到炉外辊道上[2]。

1.2 监控系统的网络结构

系统整体的网络结构分为3层：现场设备层、生产监控层、企业管理层，如图2所示。

图2 监控系统网络结构图Fig.2 Network chart of monitor system

（1）现场设备层

主要功能是实现现场设备与生产监控层的通信。对于不带DP通信接口的设备通过ET200M接入到Profibus-DP网络。对于带有DP通信的设备，例如，西门子变频器G120（炉内外辊道变频调速）直接通过自带的DP接口接入Profibus-DP网络[3]，成为该DP网络的一个从站。FM355-2C（步进式加热炉内温度控制）温度控制模块可以通过ET200M直接接入到PN网络，提高温控的实时性和可靠性。仅支持Modbus协议的设备，通过PB-M总线桥接入DP网络。

（2）生产监控层

生产监控层主要完成对现场设备的监控和数据采集。通过采用CPU315-2PN/DP作为主控制器，实现Profibus和Profinet的数据透明通信[4]。该CPU有两类通信接口。DP接口用来和现场的DP设备进行通信；PN口由两个组成：其中一个用来作为2类主站完成对生产设备的报警和动态显示等；另一个通过工业以太网交换机接入到Profinet网络与企业管理层通信。

（3）企业管理层

采用双环冗余光纤以太网构成的企业管理层是已建成的控制网络的最高层。通过生产监控层的主控制器CPU315-2PN/DP将主站监控到的数据有选择性地上传到企业管理层。同时，管理层用户可以方便地通过TCP/IP协议直接接入到该层，通过Wincc7.0组态软件对现场情况进行调度和统一管控。

2 系统的硬件配置

2.1 传动部分的硬件配置

操作台通过S7-300系列PLC 主机及远程装置ET200M机架上的I/O口接收操作信号和驱动非智能设备，由液压站的ET200M完成电机实时状态、油箱实时压力和液位的显示及液压比例板对步进梁动梁的控制。

系统中辊道电机的控制采用了西门子变频器MM440的升级版本G120系列变频器来实现，通过全新的模块化设计，可方便地应用于对安全要求苛刻的环境。

Modbus协议到Profibus-DP协议间的数据转换通过PB-M总线桥来实现[5]。PB-M总线桥在Profibus网络一侧是 Profibus从站，地址范围是 0～126。Profibus从站地址通过产品正面的两个十进制旋转开关SA来设置。若从站地址大于99，还需要通过产品背面的功能选择开关SW 4（系统采用4拨码方式）来配合完成。Modbus主/从站的设置通过总线桥功能拨码开关SW2来实现（ON为从站，OFF为主站）。

2.2 燃烧系统的硬件配置

淬火炉沿炉长方向分为预热段、加热段和保温段[6]。其中预热段不需要燃烧提供热量，因此不需要烧嘴。淬火炉有8个温控区，加热段和保温段沿炉宽各分为四个区。回火炉同样有12个温控区。其中加热段、保温段和均温段沿炉宽各分为4个区。每个温区都采用独立的温控方式，包括一个S型热电偶和4个脉冲烧嘴。

由于淬火炉和回火炉在热处理过程中，温度的闭环回路比较多，从而需要CPU分出更多的资源来满足大量的PID回路运算，影响了CPU对其他任务的处理效率。西门子FM355-2C温度闭环模块是专门为流量、压力、温度等模拟量的闭环控制而设计[7]。通过使用FM355-2C，所有的温度数据采集和PID控制算法将由其完成，不需要主控制器的CPU参与控制，因此不会对CPU造成负担。“后备模式”是该模块的一个很关键的功能，能保障在主站CPU发生故障或者停止的情况下，FM355-2C能连续独立的运行，避免了因CPU停止造成的燃烧系统的失控。

双击SETP7硬件配置界面的FM355-2C模块，出现FM355-2C的参数设定界面并对相应参数进行设置，如图3所示。

图3 FM355-2C的参数设定界面Fig.3 Interface of FM355-2C parameter settings

FM355-2C主要参数设定包括：

（1）模块输入类型设置，由于现场传感器采用的是S型热电偶，因此，单击“Sensor type”选择S型热电偶。

（2）控制类型的选择，单击进入“Control algorithm”选择PID控制。

（3）模块输出类型选择，现场执行机构采用的是脉冲控制器MPT700，因此选择4～20mA。

MPT700是专门控制一组或者两组烧嘴的脉冲控制器。MPT700能够将FM355-2C模块给定的模拟量信号（4～20mA）转换成符合现场实际控制情况的百分比类型，根据其给定信号的大小和设定的操作模式对一组（4～8个）烧嘴进行实时控制。为了满足温控的要求（炉温均匀度±5℃和钢管全长温度均匀性小于10℃），在脉冲燃烧控制中，脉冲烧嘴只存在开或关两种工作状态。脉冲燃烧技术较于连续燃烧具有炉温波动下、控制响应快、调节范围大等优点。

3 系统的软件配置

系统智能设备具体数据融合的方式差别较大，以下通过两种智能设备数据集成的具体过程进行说明。

3.1 西门子温度闭环模块FM 355-2C接入Profinet网络

FM355-2C模块可以装在S7-300的中央机架上，也可以安装在远程装置ET200M中[8]。本系统中FM355-2C模块通过ET200M接入Profinet网络。

首先安装FM355-2C所提供的软件包，然后根据现场设备中FM355-2C在ET200M的插槽中的实际位置，在STEP7中对其硬件组态，双击打开FM355-2C的参数设定界面并进行参数设定。

为了通过PLC程序对FM355-2C进行控制，必须在PLC程序中编写入控制程序。编写程序如下：

（1）在STEP7重启动组织块OB100中对其背景数据块中的“COM RST”（DB52.DBX8.0）进行置位，实现模块初始化。

（2）在 STEP7中断组织块 OB35中调用库中“FM355-2 Temp Control”的 FB52 块（FMT_PID），将FM355-2C连接到用户程序。标明硬件组态通道号（CHANNEL）和地址（MOD_ADDR）。

（3）编写PLC程序，将每个温控区要求的温度数据传递到 FB52块的外部设定 SP_RE（DB52.DBD12）。

3.2 智能电动机保护器通过Modbus的RTU协议转接到Profibus-DP网络

Modbus协议是一种主/从方式的通信协议，主要用于控制器之间的通信[9]。Modbus协议具有两种不同的传输字符的模式：ASCII模式和RTU（二进制）模式。本系统选用的PB-M总线桥和智能电动机保护器只使用RTU模式。

通过STEP7软件对其进行硬件组态，在硬件目录下的“Profibus-DP/Gateway”目录下面找到PB-BMM/V32。将该硬件拖拽到Profibus-DP主站系统上设为DP从站（从站站号为5），双击打开其属性，选“Parameter Assignment”对其相关参数进行设置。具体参数配置如下：波特率=9600 b/s；校验方式=无校验；数据更新模式=At Evry MD End；等待回答时间=50ms。

PB-M总线桥提供了不同的报文类型，用来满足智能电动机保护器具体数据通信的需求。在STEP7硬件组态中PB-B-MM/V32目录下有1#～39#个槽位（逻辑上）。其中1#和2#均已被占用，用于Modbus通信接口的状态字和控制字。其余37个槽位都能插入一个Modbus的通信模块，每个通信模块带有一种功能的报文类型。下面以本系统中用于控制润滑电机的智能电机保护器读取24个输出线圈0xxxx（功能码01H）状态为例，介绍通信的具体实现过程。

第1步 选中3#槽位，然后右边硬件窗口目录下 “PB-B-MM/V32”中找到“read 24 bits（0xxxx）”双击添加到3#槽。

第2步 进一步设定Modbus参数，双击3#槽中的“read 24 bits（0xxxx）”选择“Parameter Assignment”，设置 “从站地址=5”和“起始地址=20”。

完成参数设定后，建立的Modbus至Profibus的数据映射关系，如图4所示。

图4 Modbus至Profibus的数据映射关系Fig.4 Data mapping relation of Modbus to Profibus

其中，IB1～IB3是 Profibus主站分配给这个Modbus模块的Profibus输入地址，对应Modbus报文读到的24bits（0xxxx）。通过这种方式就能实现Profibus到Modbus数据的通信。

4 结语

通过多协议通信方式的运用，使本次步进式加热炉自控系统改造满足了新老设备之间数据无缝融合、节约成本和企业管理层管控的需求。同时，通过采用西门子温度闭环模块FM355-2C，步进式加热炉中大量回路的PID控制计算和信号采样由FM355-2C完成，减少了主控制器CPU的负担，提高了系统的实时性、精确性和可靠性。本系统采用的控制方法对其他同类改造系统有一定的参考价值。

[1] 崔坚.西门子工业网络通信指南[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2] 谢静心.宝钢钢条厂步进梁式加热炉电气控制系统设计与应用研究[D].重庆：重庆大学，2008.

[3] 赵德龙，娜仁莎，李振军.浅谈西门子SINAMICS G120系列变频器及应用[J].电气传动，2012，42（1）：53-56.

[4] 刘锴，周海.深入浅出西门子S7-300PLC[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[5] 田海，张勇.基于Profibus-Modbus总线桥的智能电动机保护器监控系统的设计[J].低压电器，2011（21）：14-18.

[6] 杜慧卿，张军.步进梁式钢管热处理炉温度控制的研究和应用[J].工业炉，2010，32（5）：13-16.

[7] 万明.西门子PLC温度模块FM355-2在工业炉中的应用[C]//第八届全国工业炉学术年会论文集，2011.

[8] 曹永芹，单传东，吕乃冲，等.脉冲燃烧步进式加热炉数字化控制策略[J].冶金自动化，2008，32（4）：27-30.

[9] 田海，赵德奇，任清娟.PB-M网桥在高炉水冲渣传动监控系统中的应用[J].自动化与仪表，2012，27（4）：31-34. ■