PROFINET IO通訊在鎳鐵合金冶煉中的應用

湖南艾歐曼自動化設備有限公司轉載:

項目簡介

企業簡介
福建寧德地區雨水充沛且依山靠海、航運便捷。福建福安海和實業有限公司是一家集礦山、碼頭、物流和冶煉生產于一體的民營企業。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(“回轉窯－礦熱爐”法)實現10萬噸/年鎳鐵產能。

紅土鎳礦RKEF工藝描述

潮濕的紅土鎳礦先經干燥窯烘干后，再破碎和配料入回轉窯預燒結，后進入礦熱電爐冶煉，其中礦熱電爐是冶煉的核心環節和設備。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，而控制電極在爐內的放電強弱，從而控制爐內冶煉溫度。另外通過電極變壓器調檔也能控制電極放電強弱和爐內冶煉溫度。

 控制系統構成

方案設計
冶煉生產離不了眾多的溫度、壓力、調節閥和冷卻水等測量和監控報警，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模塊以其通道數量多、成熟穩定而廣泛應用。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網管型交換機，實現10/100Mbps自適應、全雙工高速IO通訊和遠程診斷監控。

系統配置

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、上下抱閘和壓力環的松開和壓緊；變壓器調檔、液壓站主輔油泵的控制和油壓監控、下料管閘板閥和調節閥操控，以及電爐冶煉生產相關參數監控等。

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。軟件系統采用STEP7 V5.5+SP2、WinCC V7.0+SP3、S7-SCL V5.3+SP6和WindowsXP+SP3操作系統。I/O數量設計約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。

項目使用模塊及I/O統計表如下：

 系統硬件組態結構

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，實現與所有OS站和ES站的監控通訊。

PROFINET IO通訊IP地址、設備命名表及用途如下表：

1.系統網絡組態結構
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、編輯、修改和下載管理及監控操作；以及一臺網絡打印機用于項目文件的管理及生產報表的打印，與兩套電爐S7-400系列PLC經各自的SCALANCE X208交換機連接，構成一個TCP/IP協議以太網絡（EtherNet）。OS站和ES站與兩套S7-400PLC采用S7協議連接（S7 connection），而兩套S7-400PLC之間采用ISO-on-TCP協議連接。ES站和OS站命名及IP地址分配表如下：

AS站架構編程設計

為更好的發揮PROFINET網絡通訊設備在OS站中的診斷分析和故障報警功能，本項目采用了TIA全集成架構組態編程（AS-OS）和RSE（報告系統故障Report System Error）組態方式生成系統診斷報警（Diagnostic Alarm）。

特別是采用SCL編程FB功能塊，調用系統報警功能塊ALARM_8P和NOTIFY_8P，實現在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效率高，而且功能強大。

RSE（報告系統故障Report System Error）是一種是在STEP7環境中（AS）組態編譯后，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，極大的方便系統診斷設計組態和設備維護人員快速查找和分析判斷系統故障。

 PROFINET網絡功能設計

PROFINET基于工業以太網（Industrial Ethernet）IEEE802.3標準，使用ISO和TCP/IP協議實時高速（Real-Time）通訊。使用SIEMENS的PROFINET通訊設備后，還具有網絡拓撲（Topology）、環網介質冗余（MRP）、設備自動調試（Automatic commissioning）、IO WEB發布、IO快速啟動（Fast Start Up）和等時同步（IRT）等功能。

PROFINET IO網絡拓撲組態結構

網絡拓撲（Topology）組態是PROFINET通訊設備*的組態方式，具有設備更換無需可移動存儲介質（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（簡單的網絡管理Simple NetWork Management Protocol）、 LLDP（鏈路層發現Link Layer Discovery Protocol）及DCP（發現和組態Discovery Configuration Protocol）等協議，則可利用拓撲編輯器組態設置、互連和診斷包括端口在內的PROFINET設備。設備端口I/O互連配置表如下：

PROFINET環網介質冗余組態

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）。既可用于級聯擴展（Link），又可實現端口數據交換（Switching），還可實現環網冗余功能。

PROFINET環網采用介質冗余（MRP，Media Redundancy）方式實現。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網，域名稱為mrpdomain-1和mrpdomain-2。每個環網設置以各自的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。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網。

PROFINET IO WEB組態

PROFINET通訊基于工業以太網絡（Industrial Ethernet），因此以太網的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。因此將系統組態下載至CPU中運行后，在網絡中任何一臺Windows系統Internet Explorer瀏覽器地址欄中鍵，就可以監控1#爐或2#爐主機架CPU模塊狀態、分布式I/O站點組態及模塊狀態、IO控制器端口收發數據包狀態，以及CPU及IO控制器診斷緩沖區事件描述等系統診斷信息。

為方便維護人員快速查找和診斷PROFINET網絡系統設備故障，本項目利用WinCC圖形編輯器（Graphics Designer）先新建一幅畫面（Picture），然后調用兩個WinCCWebBrowser控件（ActiveX controls），之后在MyPage屬性項中分別以上兩個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診斷信息。

 PROFINET網絡調試和運行

本項目PROFINET網絡針對自身工藝特點和要求，主要設計了IO拓撲（Topology）、環網介質冗余（MRP）和IO WEB診斷維護等功能。

IO Topology調試和運行

IO Topology組態后除具有設備更換無需可移動存儲介質和操作期間更改I/O端口等設備自動調試功能外，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網絡內各個設備和I/O端口的連接使用狀態。

環網介質冗余MRP調試

環網介質冗余MRP調試方法很多，可以直接查看CP443-1通訊模塊或IM154-3PN模塊的狀態指示燈；也可以在線查看CP443-1模塊診斷緩沖區（Diagnostic Buffer）信息；還可以利用PROFINET IO WEB功能在遠程實現診斷維護。

（1）如果環網域中某一節點斷開，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是網管型交換機，具有環網冗余管理功能（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（Diagnostic Buffer）能給出詳盡的通訊網絡故障診斷信息。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網絡進行在線診斷。如果環網域中某一節點斷開，則在線診斷狀態（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信息，實現遠程診斷維護。另外操作維護人員還可利用OS站監控畫面直接查看診斷信息。

 應用體會

PROFINET通訊介于PROFIBUS和Ethernet兩個通訊協議之間取長補短，采用TCP/IP和ISO協議，既具有PROFIBUS通訊的穩定性和實時性，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，低成本的實施了設備自動調試（Automatic Commissioning）、環網介質冗余（MRP）、IO WEB等網絡功能。特別是IO WEB功能，大大方便了操作維護人員實現遠程診斷維護；環網介質冗余（MRP）則大大提高了網絡的可靠性和穩定性。

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。

 參考文獻

[1]《SIMATIC PROFINET系統說明》系統手冊   [2012年3月]   SLC IA&DT&BT技術支持與服務