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PROFINET IO通訊在鎳鐵合金冶煉中的應(yīng)用

項目簡介

• 企業(yè)簡介

福建寧德地區(qū)雨水充沛且依山靠海、航運便捷。福建福安海和實業(yè)有限公司是一家集礦山、碼頭、物流和冶煉生產(chǎn)于一體的民營企業(yè)。該公司項目一期投資6億多建設(shè)兩座30000KVA礦熱電爐，采用紅土鎳礦RKEF工藝技術(shù)(“回轉(zhuǎn)窯－礦熱爐”法)實現(xiàn)10萬噸/年鎳鐵產(chǎn)能。

紅土鎳礦RKEF工藝描述

潮濕的紅土鎳礦先經(jīng)干燥窯烘干后，再破碎和配料入回轉(zhuǎn)窯預(yù)燒結(jié)，最后進(jìn)入礦熱電爐冶煉，其中礦熱電爐是冶煉的核心環(huán)節(jié)和設(shè)備。礦熱電爐包括三相變壓器和電極、液壓站、下料管和爐體冷卻水幾部分設(shè)備。電爐冶煉是圍繞三根電極在爐內(nèi)高溫放電從而加熱冶煉物料，三根電極分別由三臺低電壓大電流變壓器提供電能。由液壓大力缸升降控制電極柱高度，而控制電極在爐內(nèi)的放電強弱，從而控制爐內(nèi)冶煉溫度。另外通過電極變壓器調(diào)檔也能控制電極放電強弱和爐內(nèi)冶煉溫度。

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  控制系統(tǒng)構(gòu)成
• 方案設(shè)計

冶煉生產(chǎn)離不了眾多的溫度、壓力、調(diào)節(jié)閥和冷卻水等測量和監(jiān)控報警，以及物料計量與通訊，因此主機(jī)架選用S7-400系列PLC，而ET200M架構(gòu)分布式I/O模塊以其通道數(shù)量多、成熟穩(wěn)定而廣泛應(yīng)用。其中全新的IM153-4PN采用PROFINET通訊，可支持多達(dá)12塊I/O模塊，集成兩個RJ45插口和ED交換機(jī)功能，配合獨立的PROFINET IO通訊控制器CP443-1和高防護(hù)等級的SCALANCE X208網(wǎng)管型交換機(jī)，實現(xiàn)10/100Mbps自適應(yīng)、全雙工高速IO通訊和遠(yuǎn)程診斷監(jiān)控。

系統(tǒng)配置

兩座礦熱電爐，每座電爐設(shè)備工藝布置和控制功能基本相同，都是圍繞三相加熱電極而設(shè)計的，具體包括每相電極大力缸升降、小油缸壓放、上下抱閘和壓力環(huán)的松開和壓緊；變壓器調(diào)檔、液壓站主輔油泵的控制和油壓監(jiān)控、下料管閘板閥和調(diào)節(jié)閥操控，以及電爐冶煉生產(chǎn)相關(guān)參數(shù)監(jiān)控等。

因此每座電爐布局一套S7-400 PLC（AS站），共6個PROFINET IO站點（IM153-4PN），另外共用4臺OS站和1臺ES站。軟件系統(tǒng)采用STEP7 V5.5+SP2、WinCC V7.0+SP3、S7-SCL V5.3+SP6和WindowsXP+SP3操作系統(tǒng)。I/O數(shù)量設(shè)計約1836點，冗余約24%，實際約1400點。

原CPU模塊選型設(shè)計采用CPU412-2PN（6ES7 412-2EK06-0AB0），但用戶提出希望考察S7-400CPU集成PN口項目的使用案例。由于集成PN口的控制器剛推出市場不久，本公司未在之前有使用案例。因此為消除用戶疑慮，而選用了支持PROFINET通訊的CP443-1模塊作為PN IO控制器。

項目使用模塊及I/O統(tǒng)計表如下：

系統(tǒng)硬件組態(tài)結(jié)構(gòu)

CPU414-2DP模塊沒有PROFINET通訊端口，PROFINET IO通訊控制器由CP443-1模塊承擔(dān)。CPU模塊雖然有X1和X2兩個PROFIBUS-DP通訊端口，但未使用，留待用戶以后擴(kuò)展使用。

CP443-1模塊X1P1R端口用于連接6個PROFINET IO通訊站點；X1P2R端口則分別連接至各自的SCALANCE X208交換機(jī)，實現(xiàn)與所有OS站和ES站的監(jiān)控通訊。

PROFINET IO通訊IP地址、設(shè)備命名表及用途如下表：

1. 1. 1. 1. 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)結(jié)構(gòu)

中心控制室配置1臺工程師站（ES）和4臺操作員站（OS）用于1#和2#電爐的程序組態(tài)、編輯、修改和下載管理及監(jiān)控操作；以及一臺網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)用于項目文件的管理及生產(chǎn)報表的打印，與兩套電爐S7-400系列PLC經(jīng)各自的SCALANCE X208交換機(jī)連接，構(gòu)成一個TCP/IP協(xié)議以太網(wǎng)絡(luò)（EtherNet）。OS站和ES站與兩套S7-400PLC采用S7協(xié)議連接（S7 connection），而兩套S7-400PLC之間采用ISO-on-TCP協(xié)議連接。ES站和OS站命名及IP地址分配表如下：

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  AS站架構(gòu)編程設(shè)計

為更好的發(fā)揮PROFINET網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備在OS站中的診斷分析和故障報警功能，本項目采用了TIA全集成架構(gòu)組態(tài)編程（AS-OS）和RSE（報告系統(tǒng)故障Report System Error）組態(tài)方式生成系統(tǒng)診斷報警（Diagnostic Alarm）。

特別是采用SCL編程FB功能塊，調(diào)用系統(tǒng)報警功能塊ALARM_8P和NOTIFY_8P，實現(xiàn)在OS中生成按時間順序的消息過程（Number of Time Sequence Message），因此不僅報警集成組態(tài)效率高，而且功能強大。

RSE（報告系統(tǒng)故障Report System Error）是一種是在STEP7環(huán)境中（AS）組態(tài)編譯后，能將主機(jī)架及I/O設(shè)備、模塊通道等故障診斷信息（Diagnostic Alarm），主動上傳至OS中的一種方便簡潔的報警編程組態(tài)方法。RSE不僅能報告診斷主機(jī)架及I/O，還能診斷PROFIBUS和PROFINET通訊站點I/O模塊及通道，極大的方便系統(tǒng)診斷設(shè)計組態(tài)和設(shè)備維護(hù)人員快速查找和分析判斷系統(tǒng)故障。

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  PROFINET網(wǎng)絡(luò)功能設(shè)計

PROFINET基于工業(yè)以太網(wǎng)（Industrial Ethernet）IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，使用ISO和TCP/IP協(xié)議實時高速（Real-Time）通訊。使用SIEMENS的PROFINET通訊設(shè)備后，還具有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌═opology）、環(huán)網(wǎng)介質(zhì)冗余（MRP）、設(shè)備自動調(diào)試（Automatic commissioning）、IO WEB發(fā)布、IO快速啟動（Fast Start Up）和等時同步（IRT）等功能。

PROFINET IO網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣M態(tài)結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌═opology）組態(tài)是PROFINET通訊設(shè)備*的組態(tài)方式，具有設(shè)備更換無需可移動存儲介質(zhì)（Exchanging a PROFINET IO device without removable storage medium），和操作期間更改I/O端口（Changing partner port during operation）等設(shè)備自動調(diào)試功能（Automatic Commissioning）。

拓?fù)渚庉嬈鳎═opology Editor）提供表格視圖（Table view）和圖形視圖（Graphic view）兩種組態(tài)方式。本項目CP443-1和IM153-4PN模塊分別都有兩個Port端口（即RJ45插口），因此PROFINET IO通訊控制器和I/O設(shè)備全部支持物理設(shè)備（PDEV）。CP443-1模塊還支持SNMP（簡單的網(wǎng)絡(luò)管理Simple NetWork Management Protocol）、 LLDP（鏈路層發(fā)現(xiàn)Link Layer Discovery Protocol）及DCP（發(fā)現(xiàn)和組態(tài)Discovery Configuration Protocol）等協(xié)議，則可利用拓?fù)渚庉嬈鹘M態(tài)設(shè)置、互連和診斷包括端口在內(nèi)的PROFINET設(shè)備。設(shè)備端口I/O互連配置表如下：

1. 1. 1. 1. PROFINET環(huán)網(wǎng)介質(zhì)冗余組態(tài)

分布式IO模塊IM153-4PN和IO通訊控制器CP443-1都集成了P1和P2兩個RJ45端口（Port）。既可用于級聯(lián)擴(kuò)展（Link），又可實現(xiàn)端口數(shù)據(jù)交換（Switching），還可實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)冗余功能。

PROFINET環(huán)網(wǎng)采用介質(zhì)冗余（MRP，Media Redundancy）方式實現(xiàn)。本項目兩套S7-400PLC分別對應(yīng)兩座電爐，因此就設(shè)計了兩個冗余環(huán)網(wǎng)，域名稱為mrpdomain-1和mrpdomain-2。每個環(huán)網(wǎng)設(shè)置以各自的CP443-1模塊為域管理者角色（Manager），則對應(yīng)的分布式I/O站點（即IM153-4PN）和交換機(jī)（SwitchingX）角色則為對應(yīng)域客戶機(jī)（Clint）。

以CP443-1模塊X1 P2 R端口為引出線與IM153-4PN模塊X1 P1 R端口互連（即Furnace01-PN-IO設(shè)備），而X1 P2 R端口引出線與下級IM153-4PN模塊X1 P1 R端口互連。最末級X1 P2 R端口引出線與交換機(jī)（即SwitchingX設(shè)備）X1 P8端口互連，而SwitchingX交換機(jī)X1 P1端口則與CP443-1塊X1 P1 R端口互連，從而形成閉合的電氣環(huán)網(wǎng)。

1. 1. 1. 1. PROFINET IO WEB組態(tài)

就可以監(jiān)控1#爐或2#爐主機(jī)架CPU模塊狀態(tài)、分布式I/O站點組態(tài)及模塊狀態(tài)、IO控制器端口收發(fā)數(shù)據(jù)包狀態(tài)，以及CPU及IO控制器診斷緩沖區(qū)事件描述等系統(tǒng)診斷信息。

為方便維護(hù)人員快速查找和診斷PROFINET網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備故障，本項目利用WinCC圖形編輯器（Graphics Designer）先新建一幅畫面（Picture），然后調(diào)用兩個WinCCWebBrowser控件（ActiveX controls），之后在MyPage屬性項中分別以上兩個Internet Explorer瀏覽器地址，用于分別指向1#和2#爐CP443-1模塊的IP地址。這樣就可以在運行的OS站上直接查看到系統(tǒng)診斷信息。

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  PROFINET網(wǎng)絡(luò)調(diào)試和運行

本項目PROFINET網(wǎng)絡(luò)針對自身工藝特點和要求，主要設(shè)計了IO拓?fù)洌═opology）、環(huán)網(wǎng)介質(zhì)冗余（MRP）和IO WEB診斷維護(hù)等功能。

1. 1. 1. 1. IO Topology調(diào)試和運行

IO Topology組態(tài)后除具有設(shè)備更換無需可移動存儲介質(zhì)和操作期間更改I/O端口等設(shè)備自動調(diào)試功能外，利用Topology的圖形視圖（Graphic view）和表格視圖（Table view）在線后（Online），還可清晰查看和診斷出PROFINET網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各個設(shè)備和I/O端口的連接使用狀態(tài)。

1. 1. 1. 1. 環(huán)網(wǎng)介質(zhì)冗余MRP調(diào)試

環(huán)網(wǎng)介質(zhì)冗余MRP調(diào)試方法很多，可以直接查看CP443-1通訊模塊或IM154-3PN模塊的狀態(tài)指示燈；也可以在線查看CP443-1模塊診斷緩沖區(qū)（Diagnostic Buffer）信息；還可以利用PROFINET IO WEB功能在遠(yuǎn)程實現(xiàn)診斷維護(hù)。

（1）如果環(huán)網(wǎng)域中某一節(jié)點斷開，則對應(yīng)的域管理器CP443-1模塊上的桔黃色MAINT指示燈常亮。如果斷點在IM154-3PN分布式I/O模塊，則P1或P2端口上的黃色LINK指示燈將熄滅。

如果斷點在SCALANCE交換機(jī)，則端口對應(yīng)的桔黃色指示燈熄滅。由于X208是網(wǎng)管型交換機(jī)，具有環(huán)網(wǎng)冗余管理功能（RM），因此交換機(jī)上桔黃色L指示燈熄滅，而F指示燈亮紅。

（2）CP443-1模塊作為PROFINET通訊控制器，其診斷緩沖區(qū)（Diagnostic Buffer）能給出詳盡的通訊網(wǎng)絡(luò)故障診斷信息。例如“Ring opened”、“No physical connection on port”或“Ring closed again”等提示信息。

（3）還可以直接針對PROFINET網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行在線診斷。如果環(huán)網(wǎng)域中某一節(jié)點斷開，則在線診斷狀態(tài)（Status）顯示為一個黃色扳手圖標(biāo)，提示信息為“Maintenance demanded”。

（4）除了以上幾種網(wǎng)絡(luò)診斷方式外，還可利用PROFINET IO WEB功能，利用Internet Explorer瀏覽器查看更為詳盡的診斷狀態(tài)信息，實現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷維護(hù)。另外操作維護(hù)人員還可利用OS站監(jiān)控畫面直接查看診斷信息。

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  應(yīng)用體會

PROFINET通訊介于PROFIBUS和Ethernet兩個通訊協(xié)議之間取長補短，采用TCP/IP和ISO協(xié)議，既具有PROFIBUS通訊的穩(wěn)定性和實時性，又具有Ethernet通訊的廣泛使用性和兼容性。

相比PROFIBUS通訊并針對自身項目特點，高效低成本的實施了設(shè)備自動調(diào)試（Automatic Commissioning）、環(huán)網(wǎng)介質(zhì)冗余（MRP）、IO WEB等網(wǎng)絡(luò)功能。特別是IO WEB功能，大大方便了操作維護(hù)人員實現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷維護(hù)；環(huán)網(wǎng)介質(zhì)冗余（MRP）則大大提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性。

盡管由于各方面的原因，沒能采用集成PN端口的CPU模塊，但隨著時間的推移以及應(yīng)用案例的普及使用，集成PN端口的CPU模塊必將越來越多的得以廣泛應(yīng)用。