西门子工业网络在单机架冷轧机中的应用

莱钢冷轧厂1#单机架冷轧机控制系统采用SIEMENS S7 400系列PLC，整套控制系统包括3套S7 400系列CPU、1套SIEMENS FM458高性能闭环控制器、12个SIEMENS ET200M远程分布式从站、2台HMI微机、1个工程师站。服务于和受控于该系统的项目还包括测厚仪、测速仪、张力计、板型仪以及多台SIEMENS交直流调速器。

此系统各部分通过西门子工业网络进行连接，实现了如下功能：

(1)3# S7 400 CPU用来控制辅助液压站、AGC液压站及乳化液站的运行，它与HMI操作员站、工程师站以及测厚仪操作站、板型仪操作站都通过工业以太网与1# S7 400 CPU连接，完成高速、高性能的数据交换。

(2)1#、2# S7-400 CPU通过PROFIBUS-DP网与ET200M从站形成分布式结构，使得整个系统的配置简单、可靠、实用，便于调试和维护。板型仪、张力计以及交直流调速器也通过PROFIBUS-DP网与CPU进行连接，将板型、张力等实时数据反馈给CPU和FM458。

(3)1#、2# S7 400 CPU通过底板K总线进行通信，将顺序控制及主令控制中的重要参数进行高速传送。

2 工业网络的组成与配置

2.1工业以太网

工业以太网具有启动快速、灵活性好、可靠性高等优点，在1#单机架冷轧机的控制系统中，两个S7 400站与HMI操作员站、工程师站以及测厚仪操作站、板型仪操作站都通过工业以太网相连。

工业以太网的设置简单，首先对CP443-1进行设置，将1个S7 400站的CP443-1的IP地址设为100.100.100.11，另一个S7 400站的CP443-1的IP地址设为100.100.100.12。相应的，各操作站电脑的IP地址也要设置在100.100.100.**网段内。

3# S7 400 CPU与1# S7 400 CPU之间还需要进行编程，如图1：

图1 3#CPU与1#CPU之间的通信编程

图1所示为3#CPU中所需要的程序，FC50、FC60为工业以太网发送、接收模块，ACT用于激活调用块，ID为3#CPU在网络中的ID号，LADDER与ID都可在网络配置中对CPU查看属性获得，SEND与RECV是将要发送的数据源地址和接收到的数据将要存放的地址。3#CPU中从DB44.DBX0.0开始的12个字节被发往1#CPU,从1#CPU中接收的数据存放于从DB43.DBX0.0开始的12个字节中。

通过工业以太网，3#CPU将液压站、乳化液站的运行信息发往1#CPU并接收来自1#CPU中关于机组状态的重要数据。

2.2 PROFIBUS-DP

PROFIBUS现场总线系统实现了数字和模拟输入/输出模块、智能信号装置和过程调节装置与PLC及直流、交流调速装置之间的数据传输，把I/O通道分散到实际需要的现场设备附近，减少安装和布线的费用，并且具有较强的抗干扰能力。

1#单机架冷轧机控制系统采用西门子ET200M分布式从站结构，采集现场数字、模拟信号送往CPU处理并将CPU发出的指令送往现场设备。

在此系统中，PLC与西门子交直流调速器的通信也采用PROFIBUS-DP网络。每台调速器都被定义了一个在当前DP网络中唯一的地址，地址确定以后，自动生成输入输出地址，总长度为12个字节，用来储存接收自PLC的控制字及发往PLC的状态字。

PLC与调速器的通信需要在STEP7软件中进行编程，如图2：

图2 PLC与变频器通信编程举例

图2所示为PLC与上卷小车变频器通信所需要的程序。SFC14(DPRD_DAT)用来从DP网络中的设备读取数据，SFC15(DPWR_DAT)用来向DP网中的设备发送数据。此例中，LADDR引脚为上卷小车变频器在被定义DP地址后自动生成的诊断地址，用16进制来表达;RET_VAL用来存放错误代码;RECORD引脚定义了PLC与上卷小车变频器进行读写操作时已读取数据的存放区域与要发往变频器的数据源地址。在此次通信中，从DB536.DBX0.0开始的12个字节(控制字)被发往变频器，之后从变频器读取的数据(状态字)存放于从DB537.DBX0.0开始的12个字节中。调速器根据控制字的要求，实现正转、反转、升速、降速、制动、停车等一系列动作，同时，CPU通过对状态字的读取可以得到调速器当前的运行速度、电流等信息，从而做出正确的响应。

2.3 底板K总线通信

西门子400系列中部分CPU支持多CPU模式，即在一个背板上可以插入最多4个 CPU，通过简单的加入CPU可以实现性能的按比例升级，增加内存、标准区、计数器等系统资源，可以将一个复杂的大任务拆分到各个CPU中完成，并且多个CPU可以共用一个CP模板与外部通讯。多CPU模式下，各CPU之间不需要添加硬件而是通过底板K总线进行通讯，所有在一个通讯K总线上操作的CPU运行状态都将自动同步。

1#单机架冷轧机400站中的两个CPU型号分别为416-2DP与412-2DP，两个CPU被插在同一个机架中，由一个PS 407 20A电源模块供电，用同一个CP 443-1通信模板与工业以太网通信，并且各自挂载着相应的DP网络。两个CPU通过底板K总线通信，分别承担轧机的主令控制及顺序控制功能。

要实现多CPU通信，需要在STEP7中编程，调用SFB12(BSEND)与SFB13(BRCV)，如图3：

图3 两个S7 400 CPU通过底板K总线通信的编程

图3所示为在1# CPU(416-2DP )中的编程，SFB13(BRCV)接收来自类型为"BSEND"的远程伙伴SFB/FB的数据。在收到每个数据段后，向伙伴SFB/FB发送一个确认帧，同时更新LEN参数。在块调用完毕，并且在控制输入EN_R数值为1之后，块准备接收数据。由RD_1指定起始地址和接收区的最大长度。由LEN指示已接收数据域的长度。

SFB(BSEND)向类型为"BRCV"的远程伙伴SFB/FB发送数据。相对于通过所有其他类型的SFB/FB通讯，通过这种类型的数据传送，可以在通讯伙伴之间为所组态的S7连接传输更多的数据。

2#CPU(414-2DP )通过SFB13接收从1# CPU(416-2DP )发送过来的数据，数据长度为102个字节，存储在以DB42.DBX0.0开始的102个字节中，同时通过SFB12将DB41.DBX0.0开始的56个字节发送至2#CPU。2#CPU中的编程与此类似，不再赘述。

两个CPU之间通过底板K总线通信，将顺序控制与主令控制之间的必要参数进行高速交换，大大提高了整个控制系统的运行速度与精度。

3 结语

西门子工业网络的应用使莱钢冷轧机的控制水平得到极大提高，保证了设备在工况恶劣，抗干扰性要求比较高的工业环境中正常运行。达到了提高板材质量、优化控制工艺、减少设备维护成本的目的。

参考文献

[1] 崔坚. 西门子网络通信指南(上、下)[M].北京：机械工业出版社，2005.

[2] 鲍伯祥. 西门子TDC编程及应用指南[M].北京：北京航空航天大学出版社.2007:102-357.