主控制系统与子系统的网络通讯

1.前言

在水泥生产线规模扩大的发展过程中，单台设备或仪表控制子系统越来越多地得到应用。组建全线主控制系统时，必不可少地需要考虑子系统与主控制系统之间的最优信息传输方式。伴随网络技术的发展及标准的逐渐统一，网络通讯方式已逐渐取代常规的信号电缆敷设方式，有机地把两者统一到一个控制层面上来，节省了投资和安装工程量，提供了方便和广泛的信息传输模式，也同时给予控制子系统更大的构建复杂控制的灵活度。本文以马鞍山钢铁公司某生产线技改工程为例，简要介绍了两种系统之间的网络通讯的具体应用。

2.项目概况

马鞍山钢铁公司下属某水泥生产线技改工程是在原有600D/T生产线的基础上，主要对其生料制备系统、预分解系统及煤粉制备系统进行了相应的工艺及电气自动化改造，并提升生产规模。

原生产线使用了西门子S7-400系列控制器件，采用西门子专用的工业以太网协议构建控制系统。在充分利用其原有控制器和信号采集模板的原则下，我们采用TCP/IP工业以太网协议、光纤传输介质重新构建了星形拓朴结构的全线主控制系统。主控制系统网络方案如图1所示。

如图1所示，现场控制站主要由生料制备和烧成两个S7-400现场控制主站构成；生料立磨及煤立磨两个控制子站由相应的主机设备厂商按技术要求配置，这里的技术要求主要指接入全线控制系统的网络协议连接要求(使用TCP/IP Industrial Ethernet)。窑直流调速装置则采用PROFIBUS-DP总线网协议接入烧成S7-400控制站。由此，两个重要设备的控制子站以及特殊装置子站统一采用通讯接入方式，避免了信号电缆接入的烦琐工作量及扩展限制，用户可根据要求快捷改变信号参数的配置及数量，最大程度地支持了系统扩展性及灵活性。

3.设备控制子站的网络接入

设备控制子站一般随主机设备由制造厂商提供。对于大型设备如水泥生产线中的立磨、堆取料机、篦冷机、综合油站等，尤其是国外进口设备，大多使用了带控制器的小型PLC组成控制子站，以完成对其设备的基本控制、现场机柜监控、重要保护等功能，有其相对独立的特点。

采用通常的信号电缆直接接入方式，一般有两种方案：

①从控制子站的输出信号模板连接主要的监视及控制参数，输送到附近的全线控制系统现场控制站，完成信号采集及控制功能。

这种方式等同于常规的电气仪表设计，但相应增加了控制子站输出模板以及现场控制站输入模板的配置，也就增加了整个系统的成本，且需要提前完善设计单位与设备厂商的技术交底和互通工作。

②全部信号直接接入现场控制站，取消控制子站设置，所有设备保护及现场操控统一由全线控制系统实施。

这种方式简化了整个控制系统，但同时也丧失了现场一级的灵活操控性和设备保护功能，对于大型设备、尤其涉及到本身需要液压控制系统的设备，软件设计的难度加大，并且较难与设备制造厂商达成一致意见。

图1 马钢桃冲矿全线DCS控制系统结构示意图

图2 马钢桃冲矿网络通讯示意图

图3

图4 读程序块TCP_RECV

图5 写程序块TCP_SEND

采用网络接入方式，既可保持控制子站的相对独立和完整性，也节省了投资及工程安装量和维护工作量，通讯规模灵活可调；现场和中控两级功能完善。

在马鞍山钢铁公司桃冲矿1200D/T生产线技改工程中，经过用户、设计单位以及立磨制造厂商三方协调，对生料及煤立磨控制子站（S7-300系列）增加TCP/IP工业以太网通讯处理器，同时全线控制系统预留网络接口，通过光纤把两者相连。软件设计上，通过编程实现控制子站CPU与现场控制站之间的工业以太网数据交换，如图2。

网络通讯参数基本设置如图3所示。

需要注意的是，在软件设计中应建立两个CPU之间的双向通讯通道，即读写双工通道。ID号（图中所示为1）主要用于程序编程连接。

程序中需要调用工业以太网通讯程序块：

①读程序块TCP_RECV(图4)

其作用是通过通讯通道ID1和本站通讯处理器(地址为16进制的07F4)，接收30个字节的数据，并存储在本站数据块DB11中从DBX10.0开始递增的字节中；NDR、ERROR、STATUS及LEN为通讯状态输出量以便监视和调试。

②写程序块TCP_SEND(图5)

其作用是通过通讯通道ID2和本站通讯处理器(地址为16进制的07F4)，发送存储在本站数据块DB12中从DBX10.0开始递增的字节中30个字节的数据；DONE、ERROR、STATUS为通讯状态输出量以便监视和调试。

通讯建立后，每个控制站还需要分别对通讯传输的字节进行赋值与分解程序操作，这里不再赘述。需要进一步说明的是，此种通讯方式与全线控制站间的站间通讯作法是相同的，相当于把单套设备控制子站看作是一个现场控制站。

其它只用于显示和报警的参数可以通过工业以太网通讯协议直接送至上位机监控和处理。

4.窑直流调速装置的网络接入

本工程中使用了SIEMENS公司的直流调速装置，它支持欧洲标准的PROFIBUS-DP现场总线协议，通过与窑头控制站的DP网挂接可方便地实现数据通讯机控制。具体步骤如下：

①通讯电缆连接

采用PROFIBUS屏蔽双绞线、专业PROFIBUS网络连接头连接窑头控制站和直流调速装置的CBP通讯板的DP接口。

②调速装置参数设置

设置调速装置的DP地址参数为3，DP协议模式为PPO1，即确定通讯传输的内容和字节容量。

③软件编程工作

硬件组态中在DP网络中加入相应型号的直流调速装置，并设置主站DP地址为1，调速装置DP地址为3；选择DP协议模式为PPO1，将自动产生通讯数据地址。完成后下载至主站CPU中，两者通电即可建立正常的通讯连接。

④控制参数的分解

若采用SIEMENS公司专业的DPV专用软件（针对西门子公司的变频器和直流调速装置通讯），则只需要直接调用其中的功能块，就可以直接读出和写入状态监视及控制参数；若无DPV软件则需要编程拆分通讯数据字为控制位，还需参考直流调速装置的技术说明书，此工作不再赘述。

通讯建立过程并不复杂，且直流装置对通讯速率自动识别，但需要注意两者的DP地址不能重复，PPO类型要统一，否则通讯无法正常。现场调试过程中，可以参考控制站CPU上的DP通讯状态指示灯和直流装置上的CBP板指示灯。

5.综述

综上所述，在本工程中我们采用了IE（工业以太网）及PROFIBUS-DP（现场总线）两种网络方式分别挂接了生料立磨控制子站、煤立磨控制子站以及窑直流调速装置，减少了现场控制电缆的敷设，简便了施工，并极大地丰富了监视控制的内容。

随着水泥工业技术进步和成套设备的发展，专用设备（如立磨、堆取料机、篦冷机、综合油站、挤压机等）、先进的控制器件（如变频器、直流调速装置）以及智能仪表已广泛应用在水泥生产线中。这些设备都有其相对的独立性和网络通讯能力，并且监控数据量随着控制复杂程度的增加相应增大，采用网络通讯的方式来传输数据及实现控制，既有便捷施工、维护量小的特点，又有着很好的灵活性和可扩展性，必将在工程中得到进一步的应用。