西门子S7-1500和PROFINET在三辊行星轧机中的应用

雷兆锋，彭泽丰，李明军，陈 欣，蒙绪怡

(广东冠邦科技有限公司，广东 佛山 528312)

0 前言

三辊行星轧机是精密铜管连铸连轧工艺的关键设备之一[1],直接影响着铜管的内在品质，并决定了精密铜管生产线的效率。随着工业4.0的发展，企业需要提高设备系统自动化水平，降低其生产劳动成本，高效生产，高效管理，提高竞争力。传统的三辊行星轧机基本都是间歇上料生产，效率低。根据三辊行星轧机连续生产的工艺要求及机械结构特点，通过周密设计，开发设计了基于S7-1500和PROFINET总线控制技术的三辊行星轧机(连续生产)控制系统，实现了不停机连续生产。

1 三辊行星轧机控制系统的硬件设计

三辊行星轧机控制系统采用PROFINET工业以太网代替PROFIBUS总线系统与现场分布式设备连接、通信的解决方案。非常方便地实现该三辊行星轧机上位机与下位机PLC系统的高速数据交换，以及下位机PLC系统与分布式现场设备的直接数据传输与读取。和传统的控制系统相比,提出的基于S7-1500和PROFINET的分布式控制系统方案,实时性及开放性更强，具有操作简单、数据传输速度快、抗干扰能力强、传输距离远、监控及时等突出优点,经过调试及生产,系统运行稳定,兼容性强,具有一定的实际应用意义。

三辊行星轧机控制系统由1台上位机、1个PROFINET主站、多个PROFINET从站及现场设备组成；PROFINET总线将所有主站和从站组成一个完整的过程控制网,并具备接入MES的硬件。

(1)上位机主站。硬件采用深圳研祥工控机IPC820系列，选取西门子组态软件Win CC来设计上位机监控系统，在设计调试时作为工程师站，运行时作为操作员站。在PC上位机进行轧制过程控制对象的组态,达到了效果良好监控界面效果,用户操作方便。通过以太网通讯，使用TCPIP协议与1500CPU相连。显示选用的带有触摸功能的大屏幕显示器，方便操作及监控。这样工业PC机与现场总线网就成为具有组态、运行、操作、监控等功能完整的控制网络系统。

(2)PROFINET总线主站。S7-1500 PLC是西门子新一代高性能产品[2，7]，性能大幅提升，功能更加强大，系统响应速度快。综合考虑控制系统对通信、高速计数器及模拟量等的要求，选择了具有最高的性价比的S7-1500系列中紧凑型控制器1512C-1PN作为下位机控制器。

(3)PROFINET从站。2个主机传动装置、1个辅机传动装置采用西门子6RA80系列直流调速装置的直流传动系统。上料传动装置1个、顶送传动装置1个、弯曲传动装置1个、收卷传动装置1个、主动移动小车传动装置1个、主动移动小车主动辊1个、芯棒夹送1个等7个系统采用西门子G120-2全数字交流变频装置的交流传动。交、直流传动装置通过PROFINET通信板接入PROFINET工业现场总线网，可以大大降低控制电缆用量，降低项目建设成本，提高安装进度，还可以为系统提供更大的扩展性和灵活性。并且通过中央控制单元PLC将所有传动点连接在PROFINET工业以太网上，采用数字速度给定和脉冲编码器速度反馈，构成全数字交直流传动系统。建立在PN网基础上的全数字传动系统，可以迅速响应操作员发出的操作指令，并与传动设备进行高效数据通信，以便PLC采集电机实际电流、实际速度等进行快速的运算处理,并送到计算机进行监控显示。

(4)操作及现场IO远程站。包括上料站箱、出料站箱、主操作台，均采用分布式I/O模块ET200SP，接口模块与主站之间通过专用PN通讯电缆传送数据。将现场的检测开关、操作按钮、电磁阀等分组连接至主操作台、上料站箱、出料站箱等分布式I/O中，分布式I/O模块做为从站，接受主站控制，向现场设备提供输出，并向主站馈送数据,完成现场设备的控制及状态采集。

2 PROFINET网络结构和硬件组态

PROFINET是PROFIBUS国际组织推出的基于工业以太网的现场总线标准,可以完全兼容工业以太网和现有的现场总线(如PROFIBUS)技术，采用开放的IT标准,与以太网的标准兼容,并提供实时功能,能满足所有自动化的需求[6，11]。

某三辊行星轧机控制的PROFINET网络结构和系统硬件组态如图1、图2所示。

图1 某三辊行星轧机控制的PROFINET网络结构

图2 三辊行星轧机过程控制系统硬件组态

系统硬件组态首先启动TIA PORTAL V14 SP1，创建一个项目，插入控制器S7-1500并选择对应的CPU。进入设备视图窗口，选择“常规”属性中设置IP地址和子网掩码进行PROFINET从站的组态。

(1)3个西门子6RA80全数字直流调速的组态，点击设备和网络进入网络视图页面；将硬件目录中“其它现场设备->PROFINET IO->DRIVES->SIEMENS AG->SINAMICS->SINAMICS DC MASTER CBE20V1.4.1”模块拖拽到网络视图空白处，并按照要求设置其设备名称及分配地址，根据设备视图前端选择相关报文设置即可。

(2)在项目视图中，双击添加新设备，选择驱动，在右侧硬件目录“驱动和启动器->SINAMICS驱动->SINAMICS G120->控制单元->CU240-2 PN”模块选中对应版本确定后，打开设备视图，设置其设备名称及分配地址，从硬件目录下选择和设计对应的功率单元，对报文进行配置。对3个分布式I/O模块ET200SP的组态，在网络视图中，硬件目录下“分布式I/O目录->ET200SP->接口模块->PROFINET->模块”拖拽到网络视图空白处,选中到设备视图进行设置其设备名称及分配地址，按照图纸设计和订货号插入I/O模块等进行从站硬件组态。

(3)在主站S7—1500PLC上，在完成S7-1500的硬件配置下载后，S7-1500与从站还无法进行通讯，必须为从站分配设备名称和IP地址，保证从站实际分配的设备名称与硬件组态中从站分配的设备名称一致。

3 系统软件设计

3.1 PLC软件设计

该系统采用SIMATIC S7-1500的编程工具新一代操作平台TIA博途V14SP1，完成硬件组态、参数设置、PLC程序设计、测试和调试。西门子TIA博途V14工程平台，为用户带来一系列全新的数字化企业功能，可充分满足工业4.0的要求[2，3]。

基于S7-1500和PROFINET总线控制技术的三辊行星轧机(连续生产)控制系统是建立在原三辊行星控制系统基础上，保留了原有的润滑站、冷却站控制及直流控制部分，使用S7-1500及PN新技术控制新机械、新工艺流程，需要对整个通讯功能块重新设计，如自动连续上料系统和出料收卷自动化，并对整个系统进行了优化设计。

3.1.1 PN系统的通讯软件设计

PROFINET系统中主控PLC与远程I/O的数据通讯只需要进行组态就可实现[8]，上下位机的通讯只需在WINCC中选择对应得通讯驱动就可实现。而系统中有两种通讯程序需要设计：一是系统主控PLC和交、直流传动的通讯设计，二是系统主控PLC与下一工序中S7PLC的通讯设计。

系统主控PLC和交直流传动的通讯以选配附件G20(CBE20通讯板)的SINAMICS DCM 6RA80进行通讯程序的设计。在程序块的主函数中插入功能模块DPRD_DAT”和“DPWR_DAT”来进行周期通讯，这两个功能块可以在“扩展指令->分布式I/O->其它”中找到，其中“DPRD_DAT”用于读取驱动装置的过程数据；“DPWR_DAT”用于给驱动装置写入过程数据。插入模块后在“LADDR”处点击数字“=”后，对应位置输入所组态报文的首字母“Z”选择窗口中会显示该报文，鼠标点击硬件组态对应报文即可，在“RET_VAL”处定义一个字用于存放错误代码，在“RECORD”处定义要发送/接收数据的首地址；与主机2的6RA80通讯程序如图3所示。

图3 主机2的6RA80通讯程序设计

系统主控PLC和下一工序S7-1500PLC通讯设计,S7-1500的集成PROFINET通信口可以做S7通信的服务器端或客户端[10]。选择S7-1500建立S7单边通信，将控制系统的S7-1500PLC作为客户端，仅需在客户端单边组态连接与编程，而在服务器端只需要准备好通讯数据。在程序块通过功能模块PUT/GET进行通信的设计。PLC之间通讯程序设计如图4所示，其中“PUT”用于建立“ID”连接编号为W#16#100的S7通信，将“SD_1”本地PLC的地址区域指针指向的数据传送到“ADDR_1”远程PLC设定地址区域指针的数据区。完成本地DB16.DBW22开始的18个字节传送到联拉机PLC中DB35.DBW22开始的18个字节中。其中“GET”用于完成将“ID”通讯地址为W#16#100的PLC，“ADDR_1”远程PLC设定地址区域中指针的指向的数据传送到“SD_1”本地PLC的地址指针的数据区。完成将联拉机PLC中DB35.DBW0开始的18个字节传送到本地DB16.DBW0开始的18个字节中。

图4 PLC之间通讯程序设计

由于S7-1500采用了新的保护机制[8]，所以作为S7服务器(sever)的CPU的设备组态，“属性->常规->保护”里“连接机制”一项需要勾选“允许从远程伙伴(PLCHMIOPC…)使用PUT/GET通信访问”，才能进行通信。

3.1.2 连续上料系统

连续上料系统设置了三种模式，手动轧制、单次轧制和连续轧制。实现连续轧制的前提是稳定的自动化连续上料控制，关键是两个卡盘的动作可靠及追料过程的控制，其难点在于确定推料小车送第二根管料由速度控制转向力矩控制的时机，根据前后两根管的位置计算进行控制，首先需要计算正在轧制的管材(第一根)位置，当推料小车前进到极限位后，正在轧制的管材进入无推力轧制阶段，由于该管材位置无法实际测量，经过分析发现轧制速度是稳定的，所以运用离线间接测量法确定管胚实际位置，无需增加硬件，只是编制程序即可实现；该管材位置的计算通过装在卡盘二的出入口的两对检测开关，两对开关的间距为L0,在OB35测出轧制管料尾由离开卡盘二入口到离开卡盘二出口所花费的时间T0，由式(1)得到管材轧制的平均速度

V0=L0/T0

(1)

在OB35中一直检测管料离开卡盘二入口的时间T1，通过式(2)得到离开卡盘二入口的距离L1。

L1=V0×T1

(2)

其次是待轧制的铜管位置的计算，待轧管通过顶送小车前进送料，顶送小车传动齿轮上装有增量式编码器，将增量式编码器接到CPU集成的高速计数器口，利用高速计数块计算，通过转换，得到待轧制管材前进的距离L2。当管胚送到二号卡盘入口，记下管材前进当前距离L3,第二根管料经过卡盘二入口，继续前进的长度为L4,L4=L2-L3。第二根料头与第一根料尾距离为L5，L5=L1-L4。切换的距离为L6，L6是现场调试确定的，能保证铜管质量的安全距离。当L5≤L6时，发出自动切换信号，推料小车自动由速度控制切换到力矩控制，就可平稳的实现连续上料。为了机组稳定连续运行，设计了手动强制切换。同时还有几种计算长度出错保护的设计，防止计算速度偏差过大，该保护在触摸屏中有提示。

3.2 WINCC监控系统

上位机人机界面的设计采用SIMATIC WinCC组态软件，具有良好的开放性和灵活性，组态简便、高效。WINCC作为操作级的核心部分，为过程的可视化、报表、归档及用户自由定义应用程序的协调集成提供了系统模块，具有报警和报警管理、历史趋势查询、用户管理器等基本功能，DDE、OLE、Activex OPC服务器和客户机等接口和控件[4、5]，可以很方便地与其他应用程序交换数据，并且也可以实现远程网络数据交换。WINCC不仅为操作人员提供了良好的人机交互系统与数据采集监控系统，也为管理级与控制级之间的信息交互提供了渠道。

系统根据具体的工艺生产要求与条件，设计了多个界面，其中系统画面是开始画面，在设计中尽可能设计的简洁明了，能使操作人员直观地了解设备运行的状况，尽可能多的显示参数。主要监视主机电流和负载、主机转速、辅机电流和负载、辅机转速、润滑油压力、润滑油温度，送进速度、送进力、出料速度、弯曲与收卷速度、一冷水进水温度与流量、二冷水进水温度与流量、氮气流量等重要的安全信息及工艺信息以及生产状态进行实时显示，并对一些关键的故障报警动态显示。还设计了主轧机、润滑站、冷却站、轧机上料，轧机出料、上料检测，报警画面、数据画面、参数画面等画面。其中数据画面实现对安全信息及工艺生产方面多个重要参数的趋势记录归档查询打印等功能。趋势记录可提供逼真的曲线和表格功能，并可供设备维护、调度等管理部门分析设备运行状况。

4 结束语

基于S7-1500和PROFINET工业通信网络设计的三辊行星轧机控制系统，通过主站对从站的通信控制实现了管坯的自动连续上料及自动出料收卷，铜管的不间断连续轧制降低了工人的操作强度。该三辊行星轧机控制系统将PROFINET总线技术与西门子PLC相结合控制现场设备，组成了实时、可靠的全集成自动化控制系统，满足了新工艺的需求。同时系统单机具备和MES等管理系统对接的硬件能力，通过软件系统升级实现与工厂MES交换数据,实现为工厂MES提供管理数据，节省接入MES的硬件成本。现场出现故障时，报警系统实现故障自诊断，及时定位故障点并给出解决方案,减少故障停机时间。实践表明，该系统具有运行稳定可靠且操作维护方便，监控及时，为工厂实现数字化奠定了基础，对于设备的智能化发展具有积极意义。