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6億多建設兩座30000KVA礦熱電爐，采用紅土鎳礦RKEF工藝技術(“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)窯預燒結(jié)，最后進入礦熱電爐冶煉，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。
控制系統(tǒng)構成
方案設計
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，因此主機架選用S7-400系列PLC，而ET200M架構分布式I/O模塊以其通道數(shù)量多、成熟穩(wěn)定而廣泛應用。其中全新的IM153-4PN采用PROFINET通訊，可支持多達12塊I/O模塊，集成兩個RJ45插口和ED交換機功能，配合獨立的PROFINET IO通訊控制器CP443-1和高防護等級的SCALANCE X208網(wǎng)管型交換機，實現(xiàn)10/100Mbps自適應、全雙工高速IO通訊和遠程診斷監(jiān)控。
系統(tǒng)配置
兩座礦熱電爐，每座電爐設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)量設計約1836點，冗余約24%，實際約1400點。
原CPU模塊選型設計采用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。
系統(tǒng)硬件組態(tài)結(jié)構
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。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，實現(xiàn)與所有OS站和ES站的監(jiān)控通訊。
系統(tǒng)網(wǎng)絡組態(tài)結(jié)構
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)絡打印機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交換機連接，構成一個TCP/IP協(xié)議以太網(wǎng)絡(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。
AS站架構編程設計
為更好的發(fā)揮PROFINET網(wǎng)絡通訊設備在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，能將主機架及I/O設備、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)診斷設計組態(tài)和設備維護人員快速查找和分析判斷系統(tǒng)故障。
PROFINET網(wǎng)絡功能設計
PROFINET基于工業(yè)以太網(wǎng)(Industrial Ethernet)IEEE802.3標準，使用ISO和TCP/IP協(xié)議實時高速(Real-Time)通訊。使用SIEMENS的PROFINET通訊設備后，還具有網(wǎng)絡拓撲(Topology)、環(huán)網(wǎng)介質(zhì)冗余(MRP)、設備自動調(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)絡拓撲組態(tài)結(jié)構
網(wǎng)絡拓撲(Topology)組態(tài)是PROFINET通訊設備特有的組態(tài)方式，具有設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)等設備自動調(diào)試功能(Automatic Commissioning)。
拓撲編輯器(Topology 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設備全部支持物理設備(PDEV)。CP443-1模塊還支持SNMP(簡單的網(wǎng)絡管理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，則可利用拓撲編輯器組態(tài)設置、互連和診斷包括端口在內(nèi)的PROFINET設備。
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分別對應兩座電爐，因此就設計了兩個冗余環(huán)網(wǎng)，域名稱為mrpdomain-1和mrpdomain-2。每個環(huán)網(wǎng)設置以各自的CP443-1模塊為域管理者角色(Manager)，則對應的分布式I/O站點(即IM153-4PN)和交換機(SwitchingX)角色則為對應域客戶機(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(即SwitchingX設備)X1 P8端口互連，而SwitchingX交換機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)。
PROFINET IO WEB組態(tài)
PROFINET通訊基于工業(yè)以太網(wǎng)絡(Industrial Ethernet)，因此以太網(wǎng)的TCP/IP、FTP、DHCP、SNMP、HTTP、Email等IT技術，可以應用在PROFINET設備通訊之中，用戶管理和維護。
PROFINET IO WEB是一種方便實用、功能強大的網(wǎng)絡診斷維護工具，本項目CP443-1模塊支持TCP/IP、ISO、SNMP和WEB診斷等功能。因此將系統(tǒng)組態(tài)下載至CPU中運行后，在網(wǎng)絡中任何一臺Windows系統(tǒng)Internet Explorer瀏覽器地址欄中鍵入“”或“”，就可以監(jiān)控1#爐或2#爐主機架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。
為方便維護人員快速查找和診斷PROFINET網(wǎng)絡系統(tǒng)設備故障，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屬性項中分別指定以上兩個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。
PROFINET網(wǎng)絡調(diào)試和運行
本項目PROFINET網(wǎng)絡針對自身工藝特點和要求，主要設計了IO拓撲(Topology)、環(huán)網(wǎng)介質(zhì)冗余(MRP)和IO WEB診斷維護等功能。
IO Topology調(diào)試和運行
IO Topology組態(tài)后除具有設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)絡內(nèi)各個設備和I/O端口的連接使用狀態(tài)。
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功能在遠程實現(xiàn)診斷維護。
(1)如果環(huán)網(wǎng)域中某一節(jié)點斷開，則對應的域管理器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，則端口對應的桔黃色指示燈熄滅。由于X208是網(wǎng)管型交換機，具有環(huán)網(wǎng)冗余管理功能(RM)，因此交換機上桔黃色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)絡進行在線診斷。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，提示信息為“Maintenance demanded”。
(4)除了以上幾種網(wǎng)絡診斷方式外，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)遠程診斷維護。另外操作維護人員還可利用OS站監(jiān)控畫面直接查看診斷信息。
應用體會
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備自動調(diào)試(Automatic Commissioning)、環(huán)網(wǎng)介質(zhì)冗余(MRP)、IO WEB等網(wǎng)絡功能。特別是IO WEB功能，大大方便了操作維護人員實現(xiàn)遠程診斷維護;環(huán)網(wǎng)介質(zhì)冗余(MRP)則大大提高了網(wǎng)絡的可靠性和穩(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用。
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