一、 項目簡介
1. 項目實施地及行業背景
本項目的使用方為太原鋼鐵有限公司熱連軋廠，太原鋼鐵有限公司位于山西省太原市尖草坪區，是我國最大的特種鋼生產基地，其主營的不銹鋼、硅鋼等產品的市場占有率目前在國內居于領先地位。
2. 項目簡要工藝
本項目應用于太鋼熱連軋步進式加熱爐。項目實施后，實現了傳動控制、燃燒控制的全自動化操作。傳動控制的功能是：實現機械電氣設備的自動化操作、包括裝出料輥道、裝出鋼設備、步進機械等。燃燒控制的功能是：實現溫度的精確控制、改善了爐膛氣氛、溫度場的分布。達到了從溫度、流量、壓力控制的整體系統的穩定，適應了太鋼生產節奏快、鋼種多、加熱制度復雜的要求。
3. 新舊系統的對比，及項目中使用的西門子自動化產品的型號、數量、類型、控制對象。
舊項目使用西屋（WESTHOUSE）公司的WDPF控制系統，此系統分為DPU及MAC兩部分，其中DPU用于加熱爐的燃燒控制、MAC系統用于加熱爐的機械電氣設備的控制。舊項目控制系統使用近十年之久，由于硬件老化、軟件升級困難，使得故障率增加，影響了生產的正常運行。隨著近幾年加熱理論的不斷發展、新的燃燒技術已經大規模地應用，生產全自動化操作理念已日益深入人心。由于受到舊有系統在硬件、軟件方面的限制，新的技術、理念無法實施。
本項目中，有三座加熱爐屬改造、一座新建。共使用了共9套S7-400型PLC。型號為：6ES7416-2XK02-0AB0。每座加熱爐使用兩套PLC分別作為傳動控制、及燃燒控制，另有一套作為公用輔助設備的傳動控制，取代原有的DPU及MAC系統。
本項目實施前，舊系統共用20面控制柜。項目實施后，在沒有減少輸入輸出點的情況下，新系統只使用8面控制柜。新硬件的使用，使得控制的精度、及處理的速度有了進一步的提升。西門子軟件開發系統的支持，也使得一些新技術實現成為現實。
4. 以下為已經投產的照片。其中圖A中所示為正在將冷坯裝入爐內的情形，圖B中所示為正在將加熱后的鋼坯出爐時情形：
圖A
二、 控制系統構成
1. 在本項目中每座加熱爐由于控制對象、實現功能的劃分、各配置兩套PLC分別用于傳動控制、燃燒控制。每套PLC均由主機架部分與遠程ET200分站組成。主機架均配置以太網卡與二級計算機及HMI服務器進行通訊。各傳動PLC與公共PLC間有大量的信號進行交換，為了減少以太網的通訊負擔，保證信號的實時性，所以各傳動PLC與公共PLC采用MPI網絡進行通訊。由于遠程設備多、且有些遠程設備在地理位置上比較集中，采用CPU通過PROFIBUS與遠程ET200通訊的結構既能保證了系統整體快速響應，又能大大降低布線成本，是一個性價比極為合理的解決方案。
2. 以公共PLC的硬件配置圖為例，其它的硬件配置不在此贅述：
公共PLC硬件配置圖如圖1：
在本系統網絡結構中，公共PLC及燃燒PLC與二級服務器的通訊能通過以太網進行，采用的協議類型為TCP/IP。公共PLC根據從二級服務器接收到電文再將其通過MPI網絡分發給各傳動PLC。這樣做的目的是減少以太網的負荷，保證傳動PLC與二級服務器通訊接口的統一性。燃燒系統各PLC單獨與二級服務器通訊，單獨接受來自二級服務器的電文。HMI系統采用SERVER/CLIENT構架，傳動及燃燒PLC與HMI服務器單獨通訊，各CLIENT再與HMI服務器單獨通訊。這樣做的目的同樣也是減少網絡的負荷，更能節省投資，減少在使用中的維護量。
在實際生產中的監視畫面如圖3所示：
3. 以上的硬件配置、網絡結構是與使用方幾經討論形成的。保證了系統整體的快速響應、較少的網絡負荷、投資的經濟性，這是一個較優的配置方案。
三、 控制系統完成的功能
1. 對于步進式加熱爐而言，步進機構的控制是其中的一個難點。它要求控制系統能夠平穩實現鋼坯在爐內的運輸，避免對機械機構造成沖擊。這就要求控制系統能夠快速響應來自傳感器的信號。由于現代工廠現場控制越來越復雜，這就使得PLC必須具備強大的邏輯及浮點計算能力、豐富的尋址方式、完整的與上位機通訊的協議、完善的數學函數功能。只有這樣的PLC才能夠完成滿足當前工廠控制對象的要求。本項目使用的西門子S7-400的416型PLC滿足了這樣了要求，在傳動控制的使用中成功實現了步進機構的平穩、準確控制，坯料在輥道上的精確數據跟蹤。在燃燒控制的使用中利用其強大的浮點計算能力及完善的數學函數功能成功實現了全自動化燃燒。利用SIEMENS 在 STEP7中現有的通訊模塊實現了與公共PLC及燃燒PLC與二級計算機的TCP/IP通訊。
2. 項目實施中的難點及解決方案：
在短時間內實現新舊系統的更新，是本項目實施中面臨的最大難點。在項目的準備前期，對新硬件系統進行了盡可能多的硬件測試、及軟件模擬，對軟件的在線調試作了充分的準備。在舊系統停用后的短期內，實現了硬件系統的快速替代布署。
在項目的實施中由于傳動PLC之間采用MPI通訊，筆者在第一次項目實施中采用SIEMENS STEP7的程序庫自帶的程序塊進行通訊。但在使用中發現利用程序塊的方式并不穩定，每次在硬件配置后都會出現不明原因的中斷。由于項目實施周期短，根本沒有時間進行原因的查找，故障診斷分析。由于西門子提供了全局變量的通訊方式，并且其硬件方式也是利用MPI網絡。筆者拋棄第一種方案，最終采用全局變量進行傳動PLC間的通訊。事實證明這種方案簡單易行且相當可靠。全局變量的通訊方式更多依賴于硬件配置，不需單獨編程，對于通訊的變量可直接引用，并且全局變量的硬件配置的下載可以在線進行，PLC不需重啟。
全局變量的配置的部分界面如圖四所示：
圖四
在項目投入生產時由于通訊數據量的增加，逐漸暴露了一些在通訊測試、設備調試中未出現的問題。PLC與二級服務器的通訊會經常發生PLC發送報文丟失的現象。經仔細閱讀通訊文檔，發現發送的通訊程序塊并不能在一個CPU的掃描周期內完成，筆者著手修改了程序，報文丟失的現象大大改善。試運行一段時間后仍然有報文丟失的現象發生，不過發生的頻率已經相當少。但由于生產要求通訊的絕對良好，筆者在仔細排查生產中的人為因素、程序與通訊文檔的非一致性的干擾，最終認定其中的原因可能還在通訊塊的特殊使用性上，其中的一些特性并未在文檔中體現出來。筆者著手進行了通訊測試，發現發送通訊程序塊不能在同一掃描周期內向同一端口發送兩條以上電文，其中第一條后的電文都將丟失。筆者馬上修改了程序，將發送的電文進行延時、排隊處理，經修改后運行良好，徹底解決了與上位機的通訊問題。
3. 其中圖五所示：上部為工藝管道，下部為脈沖燃嘴，是典型的工藝設備。圖六為輸送冷坯輥道組，是工業爐的主要設備之一。
四、 項目運行
項目中的改造部分及新建部分從2005年10月份正常投入以來運行穩定，實現了在傳動控制、燃燒控制的全自動化操作，盡量減少了設備操作對人的依賴，減輕了工人勞動強度。本項目大大降低了故障率，減少了解決故障的時間、保證了生產的連續、正常運行，已經取得良好的經濟效益，受到了客戶的好評。
五、 應用體會
本項目實施時間短，使用方要求在十二天時間內實現爐區控制系統達到正常生產狀態，由于控制系統的帶設備調試必須等到設備本體完畢后才能進行，事實上的控制系統調試時間只有數天之久。9套PLC系統調試完畢，在數天之內投入生產其難度可想而知。但由于西門子S7-400系列PLC強大的功能，其與其編程系統STEP7的結合，為自動化控制提供了完美的解決方案。在程序設計的過程中，筆者始終秉持結構化編程的理念，追求程序控制流程的線性化，即程序的靜態書寫結構與動態執行順序的一致性。由于程序量極大，這種做法增加了程序的可讀性，便于理解、調試、測試和排錯。針對項目控制對象自身的特點，由于不同加熱爐雖然有各個不同的細節特點，但其中的大部分控制對象控制特點類似。筆者對有共性的對象進行了抽象，封裝。將對象在程序中做成單獨的程序塊，并在此程序塊中使用只與其相關的獨立的數據塊。做到了在單一的CPU中，使其與外部的對象的通訊以接口的方式來進行。從而在本CPU中實現程序塊的對象化，在不同的CPU中實現了程序的跨控制器平臺的移植。實現了程序在結構上的獨立性，提高了程序的復用性。幸運的是S7-400及其開發平臺STEP7完全支持以上的操作。這一做法大大加快了軟件開發的進程，降低了調試的難度。總之S7-400系列PLC及其軟件開發環境向使用者提供了一個具備一流的硬件基礎、界面友好、操作方便的自動化開發平臺。用戶應盡可能利用其強大的功能，為項目的順利實施提供有力的保障。