基于Profibus-DP通訊的油氣潤滑遠程控制系統設計與應用

吉志明，孫 抗，韓 明

(首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北 唐山 063200)

0 引言

某酸軋5機架連軋機組由西馬克設計，支撐輥徑向軸承和止推軸承、工作輥止推軸承和中間輥止推軸承使用稀油潤滑方式。這種潤滑方式在使用過程中存在耗油量大和潤滑油泄露造成乳化液皂化值升高的問題。為了解決這一問題，對軸承潤滑系統進行改造，由目前的稀油潤滑方式改為油氣潤滑方式。油氣潤滑系統為獨立的控制系統，由1個主站、5個衛星站和Siemens PLC控制柜等組成。軋機控制系統采用TMEIC nv系列PLC作為主控制器。為實現油氣潤滑主站的液位、壓力和各機架軸承的油氣流量等信號參與軋機的運行控制，采用Proibus-DP通訊方式建立TMEIC PLC與Siemens PLC之間通訊。通過監控畫面實現遠程控制和監控油氣潤滑系統的功能。

1 系統設計

1.1 工作原理

油氣潤滑系統為獨立的控制系統，由1個主站、5個衛星站、Siemens PLC控制柜等組成。油氣潤滑主站向5個衛星站供給潤滑油，1號～5號油氣衛星站對應地向1號～5號機架工作輥和中間輥止推軸承、支撐輥軸承、前后測張輥壓輥軸承供送油氣。每個油氣衛星站內都設置有油量分配裝置，對供油主站供送來的油進行二次分配，在油氣混合塊里和壓縮空氣進行混合并形成紊流狀油氣混合物，通過管道直接輸送至軸承座內。

軋機控制系統采用TMEIC nv系列PLC作為控制器。油氣潤滑系統和軋機控制系統之間采用Profibus-DP通訊方式，主站液位、壓力、軸承座油氣流量等信號發送給TMEIC PLC參與各個機架的控制，同時油氣潤滑操作畫面的遠程啟動、停止等信號發送給Siemens PLC來控制主站和衛星站的啟停。

1.2 系統結構

油氣潤滑遠程控制系統可分成3部分，如圖1所示。

本地控制：油氣潤滑系統采用Siemens S7-315系列PLC控制主站齒輪泵的運行和各衛星站油氣分配。

通訊：Siemens S7-315系列PLC與TMEIC PLC之間采用Profibus-DP通訊方式，實現2個PLC之間的數據交換。操作畫面通過工業以太網與TMEIC PLC通訊。

遠程控制：L2級操作界面監控油氣潤滑系統各設備的運行狀態，遠程啟動和停止主站和衛星站以及故障復位等操作。

1.3 控制要求

操作人員可通過操作畫面遠程監控油氣潤滑系統各設備的運行狀態，遠程啟停主站和衛星站。油氣潤滑系統的液位、壓力、軸承座油氣流量等信號參與各個機架的控制，信號異常時能觸發產線降速或停車。

2 系統硬件設計

油氣潤滑遠程控制系統的硬件配置如圖2所示，主要由TMEIC nv系列PLC、TC-net I/O loop 網絡、網絡交換機HUB、PA912模塊、DP/DP Coupler 、Siemens PLC和油氣潤滑設備等組成。以Profibus-DP網絡為界面，可將該油氣潤滑遠程控制系統分成3部分：本體控制、遠程控制和Profibus-DP通訊。本地控制由Siemens PLC完成，遠程控制由TMEIC PLC 和IFIX操作畫面完成。

圖2 油氣潤滑遠程控制系統硬件配置

2.1 本地控制硬件設計

油氣潤滑系統由REBS 公司提供，主要由油氣潤滑主站、5個衛星站、管道、油氣分配器、自動補油站等設備組成。油氣潤滑主站由油箱、齒輪泵、高壓過濾器、高壓蓄能器、液位計、壓力表和Siemens PLC組成。齒輪泵采用間歇式工作制，根據泵出油口壓力進行控制，即低于50 bar時運行高于70 bar時停止；泵安裝在油箱頂部，泵出口的潤滑油由管道連接至1號～5號衛星站。衛星站主要由遞進式分配器、油氣混合塊、油路電磁閥、油氣流量計、油路過濾器和預空氣過濾器等設備組成。油氣分配器安裝在軸承座內，向軸承內輸送油氣。Siemens PLC 采用S7-315，用于對油壓、氣壓、油氣流量、分配器等設備進行控制。

2.2 遠程控制硬件設計

酸軋5機架連軋機組采用TMEIC nv系列PLC，用于生產過程的數據采集和設備控制。各個機架支撐輥、中間輥和工作輥的軸承油氣流量等信號參與軋機軋制過程控制，因此遠程控制部分硬件設計在原TMEIC nv系列PLC基礎之上進行擴展。nv系列PLC主要由背板BU866、電源模塊PS891、CPU模塊PU866、TC-net網絡通訊模塊TN821、以太網通訊模塊EN811模塊和遠程I/O模塊組成。

CPU模塊PU866通過TC-net I/O loop網絡與PA912模塊通訊。TC-net I/O loop現場總線可采用電氣或光學傳輸線路，采用環形拓撲結構，最大傳輸速率為100 Mbps。采用電氣線路時各站之間的最大傳輸距離為10 m，總傳輸距離為100 m；采用光學傳輸線路時各站之間的最大傳輸距離為2 km，總傳輸距離為4 km。

PA912模塊是一種在TC-net I/O loop總線和Profibus-DP總線之間進行數據交換的模塊，具有數據傳輸速度快、穩定性高等特點。PA912模塊采用TC-net I/O loop現場總線與CPU模塊PU866連接，通過Profibus-DP總線與分布式IO設備連接。PA912模塊作為主站通過Profibus-DP網絡與各子站之間數據交換，再通過TC-net I/O loop網絡將Profibus-DP子站設備的輸入/輸出數據發送給CPU模塊進行處理。

2.3 Profibus-DP通訊設計

采用DP/DP Coupler連接2個不同Profibus-DP網絡，實現2個主站網絡之間數據通訊，2個網絡的通訊速率和站地址可以不同。2個網絡電氣隔離，一個網段故障不影響另一個網段的運行。數據通訊區最高可以達244字節輸入和244字節的輸出。網絡1的輸入區必須和網絡2的輸出區完全對應，同樣網絡2的輸入區必須和網絡1的輸出區完全對應,否則會造成通訊故障。

3 Profibus-Dp網絡配置

3.1 Profibus-Dp配置工具

“Anybus Nettool for Profibus”軟件是一個功能強大的 Profibus 配置工具，可以創建完整的 Profibus-Dp 網絡配置，并下載到 HMS ABM-DPV1 Profibus master 模塊內。該軟件采用圖形化工作臺，可以快速創建 Profibus-DP 網絡配置項目。利用集成的在線功能，可以將 Profibus 配置下載到主模塊，并且可以有效地在線監控和修改連接的子站模塊的 I/O 數據。創建的 Profibus 項目以 xml格式存儲，允許第三方應用程序輕松處理配置數據。

3.2 導入GSD通訊文件

GSE文件和GSD文件是供貨廠家提供的通訊文件，用來對站點信息進行描述，主要包括：用于組態的數據、參數、診斷、報警和設備標識等內容。在使用“Anybus Nettool for Profibus”軟件組態之前，首先要導入PA912模塊和DP/DP Coupler 模塊對應的GSD文件。SiemensDP/DP Coupler模塊的通訊文件為SI018070.GSE。TMEIC PA912模塊的通訊文件為TSB_0C32.GSD。

3.3 繪制網絡拓撲圖

打開“Anybus Nettool for Profibus”軟件，點擊“新建”按鈕創建一個新的項目。從左側菜單欄中分別將PA912模塊和DP/DP Coupler模塊拖動到新項目內，如圖3所示。

圖3 圖絡拓撲圖

3.4 修改主站和從站參數

PA912模塊作為Profibus-DP網絡的主站，其通訊地址必須設置為1，否則在TMEIC編程軟件nv-Tool內無法導入配置文件?？偩€中所有設備必須支持主站所設定的傳輸速率。每個總線分段最多可連接32個設備，允許的最遠傳輸距離同設定的傳輸速率的關系如圖4所示。

圖4 數據傳輸速率與網線長度關系

在本設計中，PA912模塊與Siemens DP/DP Coupler模塊之間的電纜長度大約為150米，設置波特率為1500 Kbit/s，協議類型選擇DP，如圖5所示。

圖5 PA912模塊通訊設置

DP/DP Coupler模塊的DP1作為Profibus-DP網絡1的從站，其地址設定范圍為3～125。如果從站地址超出這個設定范圍，nv-Tool導入組態文件時會報錯。DP/DP Coupler模塊的通訊數據有consistent型和unconsistent型。根據實際通訊數據的數量，選擇通訊所需的輸入、輸出數據的長度。在本次數據通訊設計中需要64 Bytes輸入和8 Bytes輸出，選擇Consistent類型數據。輸入數據的地址范圍選擇0～63，輸出數據的地址范圍選擇0～7。

3.5 下載組態文件

在“Anybus Nettool for Profibus”軟件內對Profibus-DP網絡組態完成后，將當前網絡組態配置保存為.XML文件。使用專用的USB轉RS-232C電纜，USB端插到電腦USB接口，9針接口端插到PA912模塊CONFIG端口。下載前需要在軟件內設置通訊端口，該通信端口的地址要與電腦中Prolific USB-to-Serial Comm Port對應的端口一致。在下載期間，PA912模塊上的光纖端口和Profibus-Dp通訊端口不允許連接電纜，否則將無法建立通訊連接。將網絡組態配置文件下載到PA912模塊內后，將PA912模塊切換到MAINT模式再切換到RUN模式使配置文件生效。

3.6 創建輸入、輸出變量

打開nv-Tool軟件，將Profibus-DP網絡1的組態文件導入到PA912模塊內。打開輸入變量窗口，創建輸入信號，數據類型選擇WORD，Task選擇RIO。輸出信號創建方法與輸入信號相同。如圖6所示，所有變量創建完成后，需要將輸入變量和輸出變量注冊到TC-net 100 網絡內，以便CPU可以讀取和數據處理。

圖6 創建變量

4 遠程控制系統設計

油氣潤滑遠程控制系統設計主要由通訊數據處理、潤滑主站狀態監控、各衛星站狀態監控、手動及自動啟停潤滑系統和操作畫面等部分組成。

4.1 油氣潤滑主站狀態監控

油氣潤滑主站向5個衛星站供給潤滑油，主站設備的運行狀態直接影響軋機的運行。如圖7所示，主站控制系統正常信號與齒輪泵的運行反饋、泵出口壓力、油箱液位、過濾器狀態等信號有關。主站控制系統正常信號參與軋機的速度控制，該信號丟失后不允許軋機提速。

圖7 主站控制連鎖

4.2 各油氣潤滑衛星站狀態監控

1號～5號油氣潤滑衛星站對應地向1號～5號機架工作輥和中間輥止推軸承、支撐輥軸承供送油氣。各機架的油氣潤滑系統正常信號的控制連鎖相同，以1號機架為例介紹其控制邏輯。如圖8所示，衛星站控制系統正常信號與壓縮空氣壓力、潤滑油壓力、工作輥軸承油氣流量、中間輥軸承油氣流量和支撐輥輥軸承油氣流量等信號有關。其中，軸承的油氣流量低信號由傳動側軸承流量低信號和操作側軸承流量低信號組成。各機架的油氣潤滑系統正常信號參與軋機相應機架的運行連鎖控制，該信號丟失會導致軋機停車。

圖8 衛星站控制連鎖

4.3 油氣潤滑系統啟動順控

操作人員可在HMI畫面上分別啟動主站和各衛星站，亦可選擇順控來自動啟動油氣潤滑系統。啟動順控如圖9所示，點擊“開始”按鈕，先啟動主站齒輪泵，待主站各設備狀態信號正常后依次啟動各衛星站。

圖9 油氣潤滑系統啟動順控

4.4 操作界面設計

油氣潤滑操作界面具備監控和遠程控制的功能。如圖10所示，監控部分主要用于顯示主站的液位、過濾器狀態、主管道油壓狀態和1號～5號衛星站的氣閥、油閥、各個軸承內的流量狀態。遠程控制部分主要用于啟停潤滑主站和各衛星站，以及報警信息遠程復位。操作人員通過操作界面監控油氣潤滑系統各個設備的運行狀態。

圖10 油氣潤滑系統遠程操作畫面

5 結論

在軋機各機架軸承的潤滑方式改造項目中，采用Profibus-DP通訊技術實現TMEIC nv 系列PLC與Siemens PLC 之間的雙向數據傳輸，在此基礎之上設計了油氣潤滑遠程控制系統，實現了油氣潤滑重要信號參與軋機運行控制和遠程監控油氣系統狀態的功能。該技改項目投入運行有兩年多的時間，潤滑油每月消耗量由30桶降低至12桶，有效解決了大量潤滑油泄漏問題和降低對乳化液皂化值的影響，有利于帶鋼質量的提升。對于類似設備生產線的設備改造，該文具有重要的借鑒意義。