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摘要：介绍了喂丝机在精炼控制系统中多种常用的通讯方式，通过分析、对比和研究，给出了一种喂丝机在智能精炼控制系统中的通讯解决方案。
关键词：智能控制；以太网；L2；数据交换
当前我国制造业正在逐步由高速增长阶段向高质量发展阶段转型升级，作为炼钢关键环节的精炼设备也已开始由“自动化”向“智能化”快速升级，实现“智能化”的基础是大量数据采集和处理，这就要求精炼设备中的每一环节都具备接入智能系统的接口并有高速数据传输的能力，喂丝机就是其中重要的一个环节。喂丝机的功能是在钢水精炼处理过程中，以适当的速度向钢液深处喂入一定量的合金丝线，进而达到调节钢水成分、提升钢水质量的目的。由于喂丝机是以机电一体品的形式集成在精炼设备之中，故其控制系统也是独立于精炼设备控制系统之外的。在传统的自动控制系统中，两个系统之间的信号传递是通过I／O模块硬线连接，只能发送接收“启／停”命令、“正常／故障／报警”状态等数字量信号，无法大批量传输生产实时过程数据。随着智能精炼的发展，当前精炼设备已从PLC为设备“大脑”的现场级控制模式，转变为以数据库服务器和L2服务器为平台，集成自有算法及模型的智能控制模式。若喂丝机环节沿用传统通讯方式，从数据多样性、传输速率、喂丝量控制精度等方面都无法满足现状。这就需要在智能精炼设备中喂丝机采用一种更优的通讯方式。
1喂丝机的几种通讯方式
根据项目实施中实际情况，以目前工业控制中较为常用的西门子S7系列PLC为例（精炼PLC为S7－400，喂丝机PLC为S7－300），将目前在精炼设备中喂丝机常用的几种通讯方式进行分析对比，如图1所示：
（1）MPI通讯模式
MPI通讯是西门子基础型总线通讯协议，智能精炼PLC与喂丝机PLC之间可用全局通讯、单边通讯和双边通讯三种方式进行通讯，最多可支持收发4个数据包，每个数据包可最多22Byte，最高通讯速率为187．5kbps，发送和接收数据类型需要在调试时提前定义好。MPI通讯应用简便、配置灵活，能在西门子S7－300之间，S7－300／400之间相互通讯，但MPI的局限性较为明显：物理空间距离不能太远，不适合离散控制的需求；MPI通讯电缆需要在电磁环境较好的场合敷设，抗干扰能力较差；只适用于西门子S7产品之间，兼容性不友好；通讯速率低、收发数据包少，无法适应较大数据实时传输要求；发送和接收数据内容在运行时不可更改，灵活性低。
（2）PROFIBUS－DP现场总线通讯模式
智能精炼PLC与喂丝机PLC之间在PROFIBUS－DP总线上以主从站的形式配置，通过MS（主从）或DX（直接）实现数据交换，数据包传输数量可自由配置，在距离较短或有中继器的情况下，最高通讯速率能达到1．5Mbps，发送和接收数据类型可利用编程手段在生产过程中实时切换。PROFIBUS－DP总线是工业现场应用最为广泛的通讯模式之一，通过多年的实际应用，此技术已日趋完善和成熟，是目前L1控制系统中最为优秀的总线系统。但随着精炼设备的控制核心从L1转移至L2，喂丝机数据采集、存储和命令下达由L2服务器完成，数据收发路径为：喂丝机PLC－智能精炼PLC－L1交换机－L2交换机－L2服务器。很明显看到数据传送路径环节多、故障点多、数据丢包几率大。
（3）以太网通讯模式
喂丝机PLC通过以太网形式接入智能精炼控制系统L2交换机，通过OPC通讯服务实现L2与喂丝机之间的数据交换。同时喂丝机与精炼PLC通过以太网接口，使用PLC提供的GET和SET功能单边实现数据交换。以太网是目前各个行业采用最多的通讯网络，其具有传输数据量大、速率高、通讯电缆可敷设距离较长等优点。但PLC是一个实时系统，如果不采用有效机制，以太网通讯过程往往会被PLC中断，造成数据丢包、通讯延时等问题，就难以满足控制系统的实时性要求。
2喂丝机在智能精炼中的通讯方案
本项目智能精炼控制系统有“人工控制”和“L2智能控制”两种操作模式，上一段落介绍的几种通讯模式，均能在“人工控制”操作模式下实现喂丝机PLC与控制系统L1数据交互，却无法满足“L2智能控制”操作模式下L2系统对通讯速率高、收发数据包多、实时传输可靠等多方面的需求。笔者在智能精炼项目中应用了一种能适应上述需求的通讯解决方案，如图2所示：智能精炼L1系统控制器采用西门子S7－400系列，喂丝机控制器采用西门子S7－300－2PN系列。通过STEP7硬件配置喂丝机PLC的两个RJ45端口，将一个端口设置为PROFINET模式，另一个端口设置为以太网模式。喂丝机控制器的PROFINET端口通过PROFINET总线电缆直接连接至智能精炼PLC控制器，调试时可简便快捷地实现通讯连接，“人工控制”操作模式下，智能精炼PLC与喂丝机PLC可通过PROFINET总线通讯，快速、可靠地进行命令下达、状态反馈等信号传输，这些数据也可根据需要由智能精炼PLC将数据上传至L2系统，用以存储和显示。喂丝机控制器的以太网端口通过以太网线连接至智能精炼控制系统的L2交换机，与L2系统进行数据交换。L2系统与喂丝机之间使用自研通讯协议进行数据交换。自研通讯协议将通讯数据分类成命令数据与过程数据进行打包，分为命令层与数据层：命令层用于设备的控制，具有实时性要求；数据层用于过程数据的传输，具有可靠性。该通讯协议具备防丢包、数据可靠，能保证PLC执行的实时性。智能精炼“L2智能控制”操作模式下，由智能模型对喂丝机的操作如图3所示。
3结束语
这种喂丝机在智能精炼中的新型通讯方式，弥补了传统通讯方案的不足，既保留了其在传统精炼设备自动化功能，又为精炼设备智能化做到了基础铺垫，从而满足了精炼设备智能化发展的需求，为精炼设备智能化发展迈出了创新的一步。智能精炼控制系统在某炼钢厂两年多的生产运行证明，喂丝机与智能精炼系统通讯可靠、稳定，喂丝机控制响应和数据传输达到了智能化项目的设计要求。
作者：董波 佟冰 贾涛 邓杰 柴华 刘悦 马永军 毛家怡 单位：中国重型机械研究院股份公司
