电气传动 ２０１０年 第４Ｏ卷 第９期 ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＤＲＩＶＥ ２Ｏ１Ｏ Ｖｏ１．４０ Ｎｏ．９ Ｓｉｅｍｅｎｓ ＰＣＳ７ 在转炉控制系统中的应用 常发 （宝钢集团梅山炼钢厂设备室，江苏南京２１００３９） 摘要：Ｓｉｍａｔｉｃ ＰＣＳ７系统是一个完全开放的现场总线过程控制系统，是用于现场设备、仪表、控制系统与 控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、多站的通讯系统。其ＰＣＳ７系统可靠性高、稳定性好、抗干扰能力 强、通讯速率快、维修成本低．它可以将控制、联锁、数据采集、设备管理系统等功能集为一体。介绍了该系统 的软硬件组成及在转炉生产中的应用。 关键词：过程控制系统；现场总线；设备管理 中图分类号：ＴＮ９１ ５ 文献标识码：Ａ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｅｍｅｎｓ ＰＣＳ７ ｉｎ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ａｕｔｏ—ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ＣＨＡＮＧ Ｆａ （Ｂａｏｓｔｅｅｌ Ｍｅｉｓｈａｎ Ｓｔｅｅｌ—ｍａｋｉｎｇ Ｐｌａｎｔ，Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｄｉｓｉｖｉｏｎ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００３９，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｉｍａｔｉｃ ＰＣＳ７ ｉｓ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ａ ｆｕｌｌｙ ｏｐｅｎ Ｐｒｏｆｉｂｕｓ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ａｎ ｏｖｅｒａｌｌ ｄｉｓｐｅｒｓ— ａｌ，ｆｕｌｌｙ ｄｉｇｉｔａｌ，ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ａｎｄ ｍｕｌｔｉ—ｓｔａｔｉｏｎ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ，ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ， ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｏｏｍｓ．Ｔｈｅ ＰＣＳ７ ｓｙｓｔｅｍ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｈｉｇｈ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｓｔｒｏｎｇ ａｎｔｉ— ｊａｍｍｉｎｇ ａｂｉｌｉｔｙ，ｑｕｉｃｋ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｏｗ ｃＯＳｔ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ．Ｉｔ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｓ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｉｎｔｅｒｌｏｃｋ，ｄａｔａ ａｅｑｕｉｓｉ— ｔｉｏｎ，ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ．Ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ｈａｒｄｗａｒｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ｉｎ— ｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ；ｐｒｏｆｉｂｕｓ；ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｌ 引言 梅钢炼钢厂原有２座转炉及其配套设备的自 动化控制系统采用Ｂｅｉｌａｙ ＩＮＦＩ ９０ ＤＣＳ系统，现 ３）通过工业以太网的连接，实现了ＰＬＣ与 ＰＩ Ｃ之间、ＰＩ Ｃ与ＨＭＩ之间的快速数据通信和 交换以及转炉各个系统间的联锁； ４）开放的以太网接口，使全局管理系统变得十 分方便；能够满足复杂的基础自动化控制，并且具有 分散控制，集中管理，安全可靠，方便维护的特点。 场传动装置和机电一体化装置基本都是采用西门 子产品。由于前期的Ｂｅｉｌａｙ ＩＮＦＩ ９０系统软硬件 版本较低，无论在综合性能上，还是备件采购方面 都存在许多缺陷。所以在上第３座转炉时一起将 另外２座转炉的控制系统全部升级为西门子的 ＰＣＳ７系统，同时将整个转炉控制系统和现场数 控设备相互之间通讯实行了全局网络化，通过升 级改造后的控制系统有以下几个方面的特点： １）由于现场传动装置和机电一体化装置基本 都是采用西门子产品，所以ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ现场 总线把现场的设备与西门子ＰＩ Ｃ紧密集成为一个 完整的控制系统，实现全部控制设备通讯网络化； ２）现场操作台的输入输出点由于采用了 ＥＴ２００和ＰＲＯＦＩＢＵＳ～ＤＰ通信接口，节省了大 量电器元件和电缆； ２ ＳＩＡＭＴＩＣ ＰＣＳ７在转炉区域的 开发应用 ２．１ 转炉区域ＰＣＳ７以太网结构 转炉区域的ＰＣＳ７系统从网络结构来说有２ 个以太网环网，其中环网一是由一级服务器、客户 机和二级系统接口组成。如图１所示，具体硬件 配置情况为：一套ＥＳ工程师站和互为冗余的２ 台ＯＳ服务器，以及每座转炉配置的多台客户机。 ＥＳ站包含所有的程序和画面等信息，并且可以在 此台电脑上完成程序编辑和画面组态的所有工 作，包括服务器和客户机电脑的组态等；ＯＳ服务 器和客户机的通讯以及ＯＳ服务器和各ＰＬＣ的 作者简介：常发（１９７２一），男，工程师，工程硕士，Ｅｍａｉｌ：ｃｈａｎｇｆａｑｉａｎ＠１６３．ＣＯＦＩ１ ５４ 常发：Ｓｉｅｍｅｎｓ ＰＣＳ７在转炉控制系统中的应用 电气传动 ２０１０年 第４Ｏ卷 第９期 通讯，实现了操作人员可以在多台客户机画面上 多点监控操作控制等，从而更加形象化、直观地、 方便地执行生产工艺流程。环网二是由整个转炉 讯。这些单项目具体划分为：转炉本体系统、汽化 冷却系统、一次除尘系统、上料系统、加料系统、副 枪系统以及公辅系统等。 ２．２硬件组态 区域的单项目Ｓ７—４００ ＰＬＣ主站以及一级服务 器和工程师工作站组成，一级服务器都配有双网 卡。如图２所示，环网的优点是无论网络上任何 一ＳＩＭＡＴＩＣ Ｓ７—４００作为主站，其它Ｓ７—３００、 各ＥＴ２００远程柜、现场总线编码器、智能变频器等 作为从站。主站和Ｓ７—３００从站间通过ＰＲＯＦＩ— ＢＵＳ－ＤＰ进行ＭＳ主站轮询从站或ＤＸ从站发送数 个节点因故断开都不会影响整个网络的正常通 据给主站的同时，也发给其它从站等方式进行小数 据包的通讯。通讯长度较大时需要通过插入Ｓ７连 接，编写通讯程序来完成通讯（网络组态中有相关 说明）。总线型编码器或总线控制方式的变频器， 在硬件组态中只需设置相应属性，分配总线和Ｉ／Ｏ 图１ 客户端级以太网示意图 Ｆｉｇ．１ Ｃｌｉｅｎｔ ｅｔｈｅｒｎｅｔ ｒｉｎｇ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ 地址等即可。多条ＰＲＯＦＩＢＵＳ总线通过ＣＰ ４４３— ５（Ｅｘｔ）通讯板进行扩展。这种配置方式通过一条 总线将现场所有设备串联在一起，节约了很多电 缆，减少了故障点。所有ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ总线支 持的硬件都可以通过下载并安装相关硬件ｇｓｄ文 件即可组态，如图３中的ＣＡＸ类型总线编码器， ６ＳＥ７０变频器，ＥＭ２７７智能站等。一条ＤＰ线的两 端必须接终端电阻，否则整个网络通讯异常，同时 图２ ＰＩ Ｃ级以太网示意图 Ｆｉｇ．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｅｔｈｅｒｎｅｔ ｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ＰＩ Ｃ 通讯状态可以在线监控，通过诊断信息可以很容易 地分析出故障经过和原因。 图３ 本体ＰＩ Ｃ局部硬件组态 Ｆｉｇ．３ Ｐａｒｔ ｈａｒｄｗａｒｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｓｔｅｒ ＰＬＣ ２．３ 网络组态 通讯协议并分配相应通讯ＭＡＣ地址或ＩＰ地址。 针对服务器和ＰＩ Ｃ主站间、主站间通讯以及 主站间通讯以及主从站间通讯需要插入Ｓ７连接， 其具体通讯对象，通讯协议，连接方式等可以灵活 设置。最后在程序中调用通讯块完成相应数据块 的映射即可。网络中的交换机，ＲＳ４８５中继器等不 ５５ 主从站间大数据包的通讯连接建立通讯的网络组 态配置，首先在网络组态中插入ＰＣ站代替服务 器，建立与ＰＬＣ站间的以太网网络通讯配置，选择 电气传动 ２０１０年 第４Ｏ卷 第９期 常发：Ｓｉｅｍｅｎｓ ＰＣＳ７在转炉控制系统中的应用 需要组态，可以在局域网中设置主交换机对网络中 供给ＰＣＳ７项目一个具有过程自动功能、操作监 控功能和组件间通讯功能的大环境。由于不同种 类的ＳＩＭＡＴＩＣ组件是在一个面向系统测量，面 向点的结构中执行的，因此它的组态、运行和维护 的其它交换机等进行管理。 ２．４程序具体开发特点 集成于西门子过程控制系统ＰＣＳ７中的 ＳＴＥＰ７的组态工具集功能强大，其ＣＦＣ和ＳＦＣ形 都变得高效。 ２．５ ＷＩＮＣＣ和ＨＭＩ画面 象化的程序视图形式使得设计方和设备方对编写 程序及阅读程序都比较直观。与普通的ＳＴＥＰ７加 、Ⅳ１ＮＣＣ的应用相比，ＰＣＳ７拥有很多具体的程序开 发特点，在完成本项目过程中我们使用了以下几种 在开发ＰＣＳ系统中的监控组态软件ＷＩＮＣＣ 时，ＣＦＣ程序中需要显示和监控的功能块在 ＷＩＮＣＣ中都有相应的标准控件。若要使用 编程方式。 １）ＣＦＣ—Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｃｈａｒｔ（连续功能 框图编辑器）。在ＰＣＳ７软件功能块库中集成了很 多常规的逻辑、运算、驱动、控制、操作等功能块，这 些功能块可以在编程时直接调用，通过互连各个相 应的管脚来搭建合理的逻辑，实现预期的控制功 能。而且特定功能的ＣＦＣ可以嵌套使用，比如总 线型的编码器的数值转换，变频器的故障代码读取 等。另外可以通过设置功能块的管脚属性，实现与 ＷＩＮＣＣ项目的自动上传功能，比如设置管脚的操 作和监控属性可以在ｗＩＮＣＣ项目编译时实现相 应管脚的变量自动上传，设置管脚的归档属性可以 在ＷＩＮＣＣ项目编译时实现相应管脚的变量自动 上传，归档等。其中标准的驱动块已经在程序中设 置了相应的ＦＡＣＥＰＬＡＴＥ功能，可以在ＷＪＮＣＣ编 译时生成功能块统一的图标和ＦＡＣＥＰＩ ＡＴＥ弹出 窗体。ＣＦＣ程序以循环中断方式执行，程序编制顺 序并不影响程序的执行顺序，程序执行顺序可以根 据需要调整相应的ＯＢ中的执行顺序来确定。ＣＦＣ 中调用的ＦＢ或ＦＣ功能块可以通过ＳＴＩ ，ＳＣＬ等 编辑语言由编程人员按实际功能需求开发，定义的 输入输出管脚即在ＣＦＣ视图中可视，从而可以很 方便的互连。 ２）ＳＦＣ—Ｓｅｑｕｎｃｅ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｃｈａｒｔ（顺序功能框 图编辑器）。通过工艺上的顺序控制，生成流程图 式的结构，其中顺序控制过程中每一步的执行条件 都可以设置，而且对应每个条件下执行的动作也可 以设置，包括初始化变量设置，执行后的变量设置 等，进行判断控制。３ 副枪连接周期，测量周期， 复位周期的过程控制步骤采用了ＳＦＣ控制。 ３）ＳＣＬ—Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｌａｎｇｕａｇｅ（结构化 的控制语言）。自行编辑满足自己需要的功能块。 同时它也可以单独进行编译和调试。ＳＣＩ 语言格 式和Ｃ语言格式相一致，方便编写。 对于这些可以选择的过程控制组件，它们提 ５６ ＷＩＮＣＣ来访问自动化系统（ＰＩ ）的当前值，则在 ＷＩＮＣＣ与自动化系统间必须组态一个通讯连接。 通讯将由称作通道的专门的通讯驱动程序来控制。 所有ＷＩＮＣＣ变量通过设置功能块的管脚属性Ｓ７一 ｍ—ｃ为ｔｒｕｅ或设置管脚属性为Ａｒｃｈｉｖｅ，并对服务 器ＷＩＮＣＣ项目进行编译，即可将对应变量上传到 ＷＩＮＣＣ项目中的变量管理器或归档变量中，就可 以作为画面动态变量或趋势变量使用。相比独立 ＷＩＮＣＣ，编程人员手工需将变量逐个的添加到变 量管理器或趋势变量中，而现在节约了很多时间， 而且错误率大大降低。同时所有ＷＩＮＣＣ画面都 可以在画面设计器中新建，绘制相应图形，调用系 统图片库中的图形块，为对应画面添加相应变量， 所有的画面可以在树管理器中编排层级显示，在 ０Ｓ项目编辑器中设置显示分辨率，可视图形区域 属性等，这样可以对各个客户机的图形显示层级进 行管理，如废钢操作室客户机画面层级中只显示废 钢的有关画面，其它如转炉区域氧枪等画面不可 见，不可操作。 另外通过使用宝信或者奥钢联提供的标准库 和面板，针对某个单体设备，实现了标准化的监控 模式，相比传统梯形图所编制的单体设备控制程 序，功能更加丰富。例如对于电器设备可以查看哪 些启动、运行条件不满足，该设备的运行时间，相关 的报警信息记录，阀门的限位和力矩开关状态等一 系列信息都被集成到一个统一的ＦＡＣＥＰＬＡＴＥ面 板视图中；针对仪表设备提供了警告、报警、切换限 值设置，针对仪表故障使用替代值功能；针对调节 回路实现ＰＩＤ参数的在线调整优化功能等。上述 方式更有利于实现提供给钢厂所有操作工统一的 操作界面，不会因为组态人员的风格不同而发生 变化。 ２．６工业以太网和ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ现场总线 转炉区域的工业以太网包括两个环网：一个 是由现场各系统的ＰＬＣ Ｓ７—４００主站，工程师站 常发：Ｓｉｅｍｅｎｓ ＰＣＳ７在转炉控制系统中的应用 电气传动 ２０１０年 第４Ｏ卷 第９期 上装有的ＣＰ１６１３网卡和服务器上装有的 ＣＰ１６１３网卡组成的ＩＳｏ协议的以太环网；另一 认真关注现场的实际运行情况和监控画面，设备 维护人员充分利用设备状态监控画面，报警信息 栏信息，操作记录信息栏等功能，把握生产设备运 行状态以及分析设备故障原因等。另外一些系统 的控制采用的是外方的设计，其控制思路因其自 身开发的功能块和图形库以及ＦＡＣＥＰＬＡＴＥ图 个是由工程师站上装有的以太网卡，服务器上装 有的以太网卡和各个客户机，以及二级服务器组 成的ＴＣＰ／ＩＰ协议的以太环网。以太环网的主要 特点包括：两个环网的运行波特率为１００ Ｍｂ／ｓ； 传输距离较远的两个站点间通过光纤连接传输； 环网中指定其中一个ＯＳＭ交换机作为主交换 机，负责管理其它的交换机和ＩＰ地址。应用于转 形块等而异，画面操作习惯难以适应，比如脱硫， 副枪，一次除尘系统等。后期已将副枪和一次除 尘的控制程序和画面整合到宝信的主系统中，从 炉区域的ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ网络采用的也是一些 操作层面统一规范了管理；从ＰＣＳ７本身的设计角 常用的配置结构，各个ＤＰ网络上的节点都是 度，它也存在一些无法满足实际情况的设计缺陷， ＥＴ２００从站，ＤＰ总线的变频器通讯板，ＤＰ总线 比如ＣＦＣ图形化编程很容易更改各功能块间的连 式的编码器，带ＤＰ诊断的ＲＳ４８５以及传输距离 接线或块位置，导致程序变更，但是不能实现离线 较远时用到的ＤＰ和光纤转换模件ＳＬＭ等。其 和在线的图形化的比较，而且对ＣＰＵ中的程序监 特点包括：传输介质为屏蔽双绞线和光纤，传送形 控和下装程序不能实现分级用户管理等。 式为串行位传送，方式为令牌主从式；通讯距离较 参考文献 长时通讯信号容易衰减，相应增加ＲＳ４８５中继器 对通讯信号进行放大；在一条ＰＲＯＦＩＢＵＳ总线两 ［１］崔坚．西门子工业网络通信指南：上册［Ｍ］．北京：机械工 端必须设置终端电阻，将对应的终端电阻接人和 业出版社，２００４． 断开开关打到ｏＮ，表示接入终端电阻，ＯＦＦ状态 ［２］黄彬，马乐，王亚琦．ＰＣＳ７在能源监测与管理系统中的应 用ｒＪ］．自动化仪表，２００７，２８（３）：５４—５７． 时表示为ＤＰ网络的中间节点。 ［３］ 刘菲菲．ＰＣＳ７在宝钢不锈钢分厂扩建炼钢连铸水处理的 ３ 结论 应用ＥＪ］．国内外机电一体化技术，２００８，１１（６）：６１—６３． ［４］ 向昭东，谈建 ，成波勇，等．水泥生产线上ＰＣＳ７系统集中 通过对转炉区域的ＰＣＳ７系统应用的深入了 和分布式Ｉ／Ｏ扩展［Ｊ］．１Ｔ业控制计算机，２００８，２１（１２）： ５３—５５． 解，从ＰＣＳ７在现场的应用角度看：其开放性，灵 活性的控制特点，对转炉区域多点操作的非流线 型的现场生产运行情况的确是一种控制革新。这 硬孺百萌 丽 ：丽 就要求操作人员在现场或远程操作控制时，必须 修改稿１５１期：２０１ｏ一０４—１４ （上接第４６页） 从图４、图５的结果来看其曲线都是上升趋 参考文献 势。这说明投入Ｅ２ ＳＳＣ后，进入精轧前的带钢 ［１］鲍伯祥，陆章杰，王世宁．西门子ＴＤＣ编程及应用指南 头部宽度和全长平均宽度的差值在减小，Ｅ２ ＳＳＣ ［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００７． 功能对带钢头、尾部宽度偏窄的问题有明显的改 ［２］ 吴建峰．宝钢２０５０热轧短行程控制模型研究［Ｊ］．冶金自动 善作用。 化，２００３（６）：１８—２３． Ｅ３３刘太中，周旭东，刘相华，等．热连轧粗轧短行程控制全程 ４ 结论 优化［Ｊ］．钢铁研究学报，２００２，１４（４）：５２ ５５． ［４］ 陈章位，陈为国．热轧立辊短行程液压控制系统特性研究 基于ＳＩＭＡＴＩＣ ＴＤＣ的ＳＳＣ控制系统，硬件 ［Ｊ］．钢铁，２００３，３８（９）：６２—６６． 配置先进，软件控制功能完善，具有稳定可靠的技 ［５］刘玢，孙一康．热轧生产自动化技术［Ｍ］．北京：冶金工业 术性能，其主传动系统控制响应大大提高，并且能 出版社，２００６． 够对带钢头尾部失宽进行快速、有效地修正，对提 高带钢的成材率和工厂的经济效益有积极的 顼稿百 ： 意义。 修改稿！Ｅｌ期：２ＯｌＯ一０４—１１ ５７