基于PROFINET工业以太网的连铸自动化系统设计

傅 磊，马步强，史 伟，梅瑾烨

(中国重型机械研究院有限公司，陕西 西安 710032)

0 引言

在当前连铸自动化系统应用中，主要采用现场总线控制系统实现基础自动化级，采用工业以太网实现生产管理级和过程控制级。现场总线将智能现场设备和自动化系统以全数字式、双向传输、多分支结构的通信控制网络连接，使企业基础自动化级的体系结构和功能结构产生了重大变革，也由此使得现场总线技术成为当前工业自动化系统现场控制层的主流应用技术，然而在其成功应用的同时也暴露出进一步需求，更加开放的网络体系结构、统一的网络通信协议、彻底实现企业内信息网络与控制网络的透明集成成为现场总线技术进一步发展的主要推动力。工业以太网技术由于采用开放的标准通信协议，非常适合解决不同厂商的控制设备的兼容性和互操作等问题，并在数字式互联、互操作性、开放性、高性能都有现场总线无法比拟的优势，由此成为现场总线控制系统进一步发展的方向。由于工业以太网已成熟应用于企业的生产管理级和过程控制级，因此如果将其作为现场控制级的控制网络，便很容易实现控制网络与信息网络通信的连续性，实现企业的管控一体化［1］。经过近些年的发展，在工业以太网满足了工业苛刻环境应用条件的基础上，用于控制系统最关键的实时性和确定性问题已经在一些领域应用中得到了有效地解决［2］。基于上述发展形势，重庆钢铁2#连铸机的自动化系统的应用模式和典型的应用配置，完全采用PROFINET工业以太网技术，给出了一种自动化系统的设计方案。

1 PROFINET技术特征

PROFINET与 PROFIBUS总线相比，其显著的优越性是速度快，稳定性高，抗干扰能力强，互联性和兼容性好。为了给不同类型的应用提供支持，PROFINET提供了两种解决方案:集成分布式I/O的PROFINET IO和在分布式自动化中创建模块化设备系统的PROFINET CBA。PROFINET IO是用于实现模块化、分布式应用的通信概念，支持分布式现场设备直接接入工业以太网。PROFINET CBA是基于组件的自动化技术，主要用于模块化应用程序的实现，并用于将PROFINET IO集成到机器对机器之间的通信中［3］。为了实现控制系统所必须具有的确定性通信，PROFINET通过采用全双工交换式以太网替代共享式以太网，解决了共享式以太网中CSMA/CD机制所造成的不确定性问题，并通过带宽分配、降低负载以及报文优先级技术提高网络的实时性。在通信机制上采用三种通信技术满足工业环境的不同通信信息的要求:①对时间要求并不苛刻的参数、组态数据和互联信息通过基于TCP/UDP和IO标准通道在PROFINET中传输;②对于实时过程控制数据，PROFINET利用一个优化的实时通信通道(RT)来满足实时通信要求，对于实时数据，可实现小于10ms的循环周期;③对于实时性要求苛刻的运动控制，PROFINET利用IRT(等时同步实时)技术来满足要求，对于实时数据，可实现小于1ms的循环周期［4］。

2 基于PROFINET的连铸自动化系统

重庆钢铁2#连铸机自动化系统，采用图1所示的基于PROFINET IO的自动化系统体系结构。基础自动化级包括的控制系统有:主控室的漏钢预报子系统、液面控制PLC子系统、液压振动PLC子系统;电气室的仪表PLC子系统、铸流PLC子系统、出坯PLC子系统、平台PLC子系统、轻压下PLC子系统;出坯室的喷印PLC子系统、称重PLC子系统;切割室的切割PLC子系统。各子系统均采用PROFINET IO设备构成。所有PLC利用所在区域交换机通过冗余环网与基础自动化监控计算机、过程控制监控计算机以及过程控制服务器相连接。

图1 基于PROFINET的连铸自动化系统结构Fig.1 Structure of continuous casting automation system based on PRONINET

2.1 平台PLC子系统

平台控制主要包括大包、中包车、滑动水口、长水口的动作逻辑控制。平台PLC子系统如图2所示，控制设备均采用带有PROFINET接口的设备，主控制PLC采用CPU416-3 PN/DP，连接到所在房间的SCALANCE－X208交换机，分布式IO采用ET200S－IM151－3 PN，根据设备所在区域通过星型或菊花链型连接接入交换机，大包回转台、1#、2#中包车驱动采用SINAMICS S120 CU310 PN，通过菊花链型连接接入交换机。

2.2 铸流PLC子系统

铸流控制主要根据不同的操作模式(送引锭、保持、浇铸、拉尾坯等)实现扇形段辊列的速度设定、压下、抬起、夹紧、松开等逻辑动作控制。铸流PLC子系统如图3所示，控制设备同样均采用带有PROFINET接口的设备，主控制PLC采用CPU416－3 PN/DP，连接到所在房间的SCALANCE－X208交换机，分布式IO采用ET200S－IM151－3 PN，根据设备所在区域可通过星型或菊花链型连接方式连接到交换机，4个结晶器调宽电机驱动、引锭杆电机驱动、切前、切下、切后辊道电机驱动，以及28个扇形段驱动辊电机驱动均采用SINAMICS S120 CU310 PN通过菊花链型连接接入交换机。

图2 平台PLC子系统Fig.2 Platform PLC subsystem

图3 铸流PLC子系统Fig.3 Casting flow PLC subsystem

2.3 出坯PLC子系统

出坯控制主要完成输送辊道(去毛刺辊道、称重辊道等)的转向、转速控制。出坯PLC子系统如图4所示，控制设备同样均采用带有PROFINET接口的设备，主控制 PLC采用CPU416－3PN/DP，连接到所在房间的SCALANCE－X208交换机，分布式 IO采用ET200S－IM151－3 PN，根据设备所在区域可通过星型或菊花链型连接方式连接到交换机，移载机辊道电机驱动、移载机电机驱动、去毛刺辊道电机驱动、称重辊道电机驱动均采用SINAMICS S120 CU310 PN通过菊花链型连接接入交换机。

图4 出坯PLC子系统Fig.4 slab ejection PLC subsystem

2.4 仪表PLC子系统

仪表控制主要包括二冷水、二冷气、结晶器水、设备水等水系统的控制。仪表PLC子系统如图5所示，控制设备同样均采用带有PROFINET接口的设备，主控制PLC采用CPU416－3 PN/DP，连接到所在房间的SCALANCE－X208交换机，分布式IO采用ET200S－IM151－3 PN，根据设备所在区域可通过星型或菊花链型连接方式连接到交换机。

图5 仪表PLC子系统Fig.5 Instrument PLC subsystem

2.5 其他PLC子系统

除上述PLC子系统外，液压振动完成结晶器振动的功能(正弦或非正弦随动控制)，其PLC采用CPU414－3 PN/DP(挂接FM458模块)，轻压下系统基础自动化部分完成动态轻压下系统的辊缝设定值控制，其PLC采用CPU414－3 PN/DP，通过交换机接入网络，轻压下14个扇形段控制PLC采用CPU315－2 PN/DP，通过PROFINET CBA设计实现通信。喷印PLC、称重PLC、液面控制 PLC、漏钢预报 PLC、切割PLC均采用CPU315－2 PN/DP，挂接模块(I/O)，通过所在区域交换机接入网络。

与PROFIBUS DP总线相比，PROFINET有许多优势:PROFINET使用交换机设备实现各种网络结构(星型、线型、树型、环型);可采用WLAN进行无线传输;采用全双工数据传输模式;可实现100Mb的数据传输带宽;组态和诊断可使用标准的以太网网卡;图形化通信组态设计;网络中可以使用任意数量的控制器等等［5］。

对于连铸自动化系统，大多数控制均为开环逻辑控制，对实时性要求并不高，在采用全以太网连接时，通常仪表系统和扇形段压力辊压力控制是通过网络进行闭环控制，控制周期要求一般在10ms左右，采用PROFINET RT方式完全可以满足要求，而液压振动控制虽然要求实时性较高，但采用FM458模块，可在本地进行闭环控制。对于过程控制级，由于一般均为通过网络的远程设定值控制，要求具有一般的实时性即可，基于TCP/IP的标准以太网协议完全满足要求。因此整个自动化系统闭环控制部分均可采用PROFINET RT方式来实现。

3 结论

本文针对连铸自动化的基本构成和典型的配置结构，给出了一种基于PROFINET工业以太网设备的系统设计方案，使用这种方式配置，可以在全企业范围内实现基于以太网的控制系统，代替原来过程控制层使用工业以太网，现场控制层使用现场总线的自动化系统，在系统的互操作性、开放性、简化配线、设备诊断与维护等方面都将有所改进，采用基于工业以太网的过程控制和现场设备控制，可以和企业办公以太网很好的融合，在全企业范围内实现统一的网络架构，对实现从控制级到现场级的透明集成有着重要的意义。

［1］ 韩精华．自动化网络控制技术在冶金工业中的应用［J］．中国冶金，2005，15(12):25－30．

［2］ 王德吉，边永生，栗卫军，等．基于PROFINET的制丝集成自动化系统［J］．软件导刊，2009，8(6):95－97．

［3］ 张永德，李鑫．PROFINET的组成及其应用．工业仪表与自动化装置［J］．2006(1):25－29．

［4］ PROFIBUS INTERNATIONAL．PROFInet Specification，2004．

［5］ 李炳宇．网络控制系统的应用现状与发展方向［J］．测控技术，2002，21(4):1－3．