热轧线加热炉燃控系统网络通讯的优化

邰晓宇

(唐山钢铁股份有限公司中厚板公司，河北 唐山 063000)

唐钢中厚板公司轧钢生产线加热炉为步进蓄热式加热炉，主要由加热炉炉体、蓄热室、换向系统以及燃料、供风和排烟系统构成。该种加热炉通过蓄热室提前预热进入炉腔内的空气和煤气，减少热量损耗，炉温更加均匀，由于炉温分布均匀，加热质量大大改善，产品合格率大幅度提高。蓄热式燃烧是在相对的低氧状态下弥散燃烧，没有火焰中心，因此，不存在大量生成氮氧化物的条件。烟气中氮氧化物含量低，有利于保护环境。在低氧燃烧状态下，钢坯的氧化损耗相应的也会降低。节能，环保为其主要的特点。

1 功能构成

燃烧控制系统分为两个相互独立的系统：仪表燃控系统、换向控制系统。

仪表燃控系统的主要功能构成：以西门子S7-400PLC为控制核心，接收现场仪表检测的各种燃烧相关数据，分析计算收集来的这些数据，最后通过自动调节煤气空气调节阀门的阀门开度，来达到温度的自动控制。

由仪表检测的相关数据包括：

（1）温度：炉顶温度、炉侧墙温度、排烟管道温度

（2）流量：空气总管流量，空气支管流量，煤气总管流量，空气支管流量。

（3）压力：空气总管压力，煤气总管压力，炉内压力，压缩空气压力、各燃烧段烟气氧含量值、各调节阀阀位反馈换向控制系统的主要功能构成：以西门子S7-300为控制核心，控制加热炉各个烧嘴换向系统在规定的时间内进行进气、排气的动作。同时，控制总管快切阀门和各支管快切阀门。

2 系统现状

仪表燃控系统与换向控制系统通过MPI数据通讯的方式来进行CPU之间的数据交换，并以同样的方式与上位机画面连接。

MPI 英文全称Multipoint interface，是SIMATIC S7多点通信的接口，是一种适用于少数站点间通信的网络，多用于连接上位机和少量PLC之间近距离通信。通过PROFIBUS电缆和接头，将控制器S7-300或S7-400的CPU自带的MPI编程口相互连接，以及与上位机网卡的编程口（MPI/DP口）通过PROFIBUS或MPI电缆连接即可实现MPI通讯。网络中也可以不包括PC机而只包括PLC。MPI的通信速率为19.2K～12Mbit/s，但在实际应用中直接连接S7-300CPU通信口的MPI网，其最高速率通常为187.5Kbit/s，否则就会报错。一个网段的最长通信距离为50米。

3 系统存在的问题与解决方案

由于MPI通讯本身的局限性，单网段通信距离最长50米。PLC室与操作台距离较远，在日常生产中，经常出现网络闪断，丢包现象。即使加上中继器，效果仍然不理想。另外从成本角度考虑，每个工控机都必须单独配置一块西门子CP5611网卡来与MPI网络适配，MPI网络物理连接层采用的是PROFIBUS电缆和接头，可扩展性，与其他系统兼容性差，并且采购成本高。

最佳的解决方案是，把当前MPI网络替换成工业以太网，对比MPI网络通讯，以太网通讯有以下几方面优势：

（1）组建网络成本低廉，采购渠道广；

（2）可扩展性强，尤其体现在与二级燃控模型进行数据通信时，几乎必须采用以太网通讯；

（3）传输速率高，传输距离远，抗干扰性强，尤其是当采用光纤网络时，传输距离可达到千米级别；

（4）兼容性好，通过以太网通信，该系统可以直接并入现有网络中，与其他控制系统实现通讯，把全线自动控制有机的结合为一体。

4 方案实施的步骤与细节

4.1 硬件的添加与硬件组态

在S7-400燃控系统中添加西门子以太网卡CP443-1，在S7-300换向系统中添加西门子以太网卡CP343-1，硬件安装完毕后，还要在STEP7中更改相应的硬件组态，编译并下装，CPU没有报错说明配置没有问题，如有报错，在CPU在线缓冲区中查看错误信息，并做相应的处理.分别给两个CP设置好各自的IP地址，注意，两个IP地址必须在一个网段，例如：192.168.0.2与192.168.0.3。

以上完成后，还要在PLC柜内加装一台工业以太网交换机，将燃控系统，换向系统，操作员站，工程师站，全部通过以太网线连接至此交换机，到此硬件的安装完成。

4.2 建立两个控制系统CPU之间的通讯

打开STEP7软件，进入网络组态，首先删除之前MPI通讯协议的组态。鉴于两个CPU之间的数据交换不是太多，可以采用单边通讯的协议。所谓单边通讯是指，在一方PLC创建新的S7连接，伙伴PLC不用创建连接，主动连接方在连接伙伴的数据块内进行读写操作。由于400系列的PLC比300的性能要好，所以选用400的燃控系统CPU作为主动连接方。

进入NetPro进行网络组态，选中S7-400的CPU，选择Insert New Connection，插入一个新的连接，选择CPU315-2 DP最为连接伙伴，连接方式为S7连接，然后设置S7连接的属性，选择单边模式（One-Way），本地CPU最为Client，伙伴CPU作为Server， Client访问Server。[1]

如图所示：S7-400的程序中利用单边功能块（GET，PUT）进行单边访问，注意，两边的程序中都要预先新建好对应的读取DB块，读取要分开设置。

这样就能达成连个独立控制系统间的通讯，把之前MPI通讯的数据，放入通讯DB块里，就能实现信息的传递。

4.3 操作员站PC机的设置与WINCC画面的变量迁移

由于原系统是通过MPI通讯，现在已经改为以太网通讯模式，所以PC机侧的设置需要作出相应的修改，打开STEP7中的SET PG/PC接口，把原设置MPI通讯模式改为TCP/IP模式。PC机IP地址设置也应在192.168.0.的网段。

打开WINCC软件，可以看到，原来变量组是在MPI连接下，所以需要变量迁移。在连接选项中选择TCP/IP连接，然后新建驱动程序的连接，选择本地PC为服务器，新的变量组创建成功。

一般如果变量数量较少，种类不多的情况下，可以采用直接复制粘贴的方法，把MPI连接的变量直接复制到TCP/IP的变量下，但是相对于本项目来讲，变量数多大2000多，直接复制粘贴的话，会出现以下未知的错误。所以建议采用WINCC专用的变量导出导入工具DataMonitor Client，把MPI连接中的变量导出为EXCEL模式，然后再导入到TCP/IP的连接中，这样会避免后期WINCC画面运行出现一些莫名其妙的错误。

DataMonitor Client变量导入导出示意图：

变量导入成功后，删除MPI驱动连接，重启WINCC程序，激活项目运行，检查是否正常。

5 优化后效果验证

网络改造完成后，加热炉区域全部为以太网通讯模式，可以随时在交换机上通过连接以太网线增加冗余的操作员站，可以把该电气室交换机并入工厂网络，使工程师能远程监控调试设备，排除设备故障；二级燃控模型服务器可以直接通过以太网，读取PLC内部数据，发送给PLC的执行指令；

以太网故障率低，维护简单，备件采购渠道广泛，出现问题，可以和其他区域的设备共用备件，减少备件库存量。尤其对于生产而言，可以避免由于网络故障导致加热炉直接停炉待产，对于减少燃烧消耗，提高经济效益有重大意义。

参考文献

[1]SIEMENS S7-Communication in S7-PLC 2009.04