基于现场总线的转炉倾动控制系统
日期：2009-3-23 22:22:46 来源：《PLC&FA》
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1 引言
济钢集团第三炼钢厂是济钢集团“十五”期间的重点投资项目，引进的是国内外一流的先进设备和自动化控制技术，其装备属于“国内一流，国际先进”水平。在转炉、连铸自动化控制体系中，根据现场总线的特点和系统的需要应用了多种总线（profibus、controlnet、devicenet）构成的现场总线控制系统(fcs)，这些总线控制系统给转炉、连铸系统提供了安全而可靠的解决方案。在120t转炉倾动控制系统中，首次采用了基于devicenet的罗克韦尔公司1336 impact变频器构成的现场总线控制系统，系统稳定可靠，其控制功能完全满足了转炉倾动工艺需求。
2 控制系统设计
2.1 转炉工艺设备简介
济钢120t转炉炉壳为全焊接式固定炉底结构，转炉托圈为焊接箱形结构，其内通循环水冷却，转炉炉壳与托圈的连接，采用三点支承方式，此结构既能有效地在0°～360°范围内支承炉壳又可适应炉壳的热膨胀。倾动装置采用全悬挂扭力杆平衡型式，由以下几部分组成：驱动电动机、一次减速机、二次减速机、扭力杆平衡装置和润滑装置等。扭力杆平衡装置是平衡转炉倾动时引起悬挂减速机(二次减速机)壳体旋转的旋转力矩平衡装置，通过扭力杆扭转来吸收扭矩并将扭矩转化为垂直的拉力和压力，通过扭力杆轴的固定轴承座和浮动轴承座传递到基础上，由于拉力和压力使扭力杆形成相反的扭矩，从而导致产生吸收倾动力矩的效果。转炉倾动采用全正力矩方式，即转炉倾动到任一角度时都保证是正力矩，确保转炉在360°回转过程中都是正力矩，事故断电时，转炉能够以自身重力自动返回垂直位置，从而排除翻炉泼钢事故的发生。
2.2 转炉自动控制系统构成
转炉自动控制plc系统采用施耐德quantum 534-14系列主机，系统配置一块noe77100以太网通信模块与l1级工业以太网（转炉其它plc、一级服务器）通讯，采用devicenet scanner模块140sac-qdnet-010，同时应用罗克韦尔公司devicenet网络通讯组态软件rsnetworx for devicenet配置网络，实现了quantum plc与罗克韦尔公司1336 impact变频器之间devicenet通讯。
120t转炉倾动电气传动控制系统选用4套罗克韦尔公司的直接转矩控制1336 impact变频装置（型号：1336e-bp300-l8e-gm6；功率：224kw），倾动主回路采用4台电动机一对一的结构，即4套变频装置控制4台电动机，以便提高系统的可靠性和灵活性。该系统选择的是带编码器速度反馈，通过设备网（devicenet）与plc通讯，采用能耗制动方式，具有低频启动力矩大、电动机“励磁”预置功能和力矩电流平衡等功能，控制电源采用ups供电，能够满足倾动设备的力矩控制要求。倾动装置控制系统的结构见图1所示。
图1 转炉倾动控制系统结构图
3 devicenet现场总线和scan port通信协议
3.1 现场总线的定义及特点
现场总线，按照国际电工委员会iec/sc65c的定义，是指安装在制造或过程区域的现场装置之间、以及现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线。以现场总线为基础而发展起来的全数字控制系统称作fcs。
现场总线作为连接控制系统中现场级装置和控制设备的双向数字通信网络，与传统的dcs系统相比其优点是明显的：增强了现场信息的集成能力；抗干扰能力增加、系统可靠性提高；安装便捷、可维护性好；具有开放性、互操作性、互换性、可集成性；降低了工程成本；具有ip67防护等级，可现场安装；能自动诊断故障部位。
3.2 devicenet总线
devicenet一种基于can（controller area network）技术的开放型、符合全球工业标准的低成本、高性能的通信网络。devicenet将低层工业设备连接到网络，从而消除了昂贵的硬接线成本，直接互连性改善了设备间的通讯，并同时提供了相当重要的设备级诊断功能。devicenet网络介质可采用五线制电缆，它包括了二条信号线，二条24v电源线和一条屏蔽线。devicenet设备可以从网络上直接获得电源，并能在线的网络上连接和切下设备。devicenet 协议最基本的功能是在设备及其相应的控制器之间进行数据交换。因此，这种通信是基于面向连接的（点对点或多点传送）通讯模型建立的。devicenet 既可以工作在主从模式，也可以工作在多主模式。
3.3 devicenet网络通信模型
在现场总线中有两种常用的通信模式，一种是传统的源/目标(source/destination)即点对点模式，另外一种是新型的生产/消费者(producer/customer)模式。以前的通信模式使用点对点的方式进行通信，在报文中含有特定的源/目标地址信息，如图2(a)所示。对于每个节点来说，数据在不同时刻到达，实现不同节点之间的同步是非常困难的，当信息目的地不同时，源节点必须多次发送数据给不同的目标节点，从而造成了带宽的损失。而devicenet中采用了全新的生产者/消费者网络模型，其典型的报文结构如图2(b)所示。
图2 devicenet现场总线通信模式
在生产者/消费者模型中，报文按其内容来标识，如果某个节点要接收一个报文，仅仅需识别与此报文相关的特定的标识符(即11位标识符，连接id)，每个报文不再需要源地址和目的地址。因为报文是按内容进行标识的，数据源只需将报文发送一次，许多需用此报文的节点通过在网上同时识别这个标识符，可同时从同一生产者取用(消费)此报文，有效地提高了网络带宽的利用率，并且消费者节点之间可实现精确的同步，适合于实时交换数据。其它的设备加入网络后并不增加网络负载，因为它们同样可以消费这些相同的报文。当节点发送多个报文时，对每个报文使用不同的标识符。
3.4 devicenet的报文
devicenet中定义了两类不同的报文：显式报文和i/o报文。
（1）显式报文(explicit message)：显式报文用于两个设备之间多用途的信息交换，是典型的请求-响应通信方式，一般用于节点的配置、故障情况报告和故障诊断。
（2）i/o报文(i/o message) ：i/o报文适用于实时性要求较高和面向控制的数据，i/o报文对传送的可靠性，送达时间的确定性及可重复性有很高的要求。i/o报文通常使用优先级高的连接标识符，通过点或多点连接进行信息交换。
3.5 scan port通信协议
（1）scan port通信协议：scan port通信协议是变频器与外部设备（plc、变频器）的通信协议， scan port适配器（网关）可以支持rio、串口、devicennet、slc和flex i/o、controllnet多种通信模式的信息转换，并且能够利用scan port i/o信息在这些设备之间的进行数据传输。scan port i/o信息是scan port设备和变频器之间的接口，scan port i/o信息作为plc信息以相同的方式进行实时数据传输。在同一网段上scan port 的设备可以使用scan port i/o信息的不同信息段。
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济钢集团第三炼钢厂是济钢集团“十五”期间的重点投资项目，引进的是国内外一流的先进设备和自动化控制技术，其装备属于“国内一流，国际先进”水平。在转炉、连铸自动化控制体系中，根据现场总线的特点和系统的需要应用了多种总线（profibus、controlnet、devicenet）构成的现场总线控制系统(fcs)，这些总线控制系统给转炉、连铸系统提供了安全而可靠的解决方案。在120t转炉倾动控制系统中，首次采用了基于devicenet的罗克韦尔公司1336 impact变频器构成的现场总线控制系统，系统稳定可靠，其控制功能完全满足了转炉倾动工艺需求。
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2.1 转炉工艺设备简介
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济钢120t转炉炉壳为全焊接式固定炉底结构，转炉托圈为焊接箱形结构，其内通循环水冷却，转炉炉壳与托圈的连接，采用三点支承方式，此结构既能有效地在0°～360°范围内支承炉壳又可适应炉壳的热膨胀。倾动装置采用全悬挂扭力杆平衡型式，由以下几部分组成：驱动电动机、一次减速机、二次减速机、扭力杆平衡装置和润滑装置等。扭力杆平衡装置是平衡转炉倾动时引起悬挂减速机(二次减速机)壳体旋转的旋转力矩平衡装置，通过扭力杆扭转来吸收扭矩并将扭矩转化为垂直的拉力和压力，通过扭力杆轴的固定轴承座和浮动轴承座传递到基础上，由于拉力和压力使扭力杆形成相反的扭矩，从而导致产生吸收倾动力矩的效果。转炉倾动采用全正力矩方式，即转炉倾动到任一角度时都保证是正力矩，确保转炉在360°回转过程中都是正力矩，事故断电时，转炉能够以自身重力自动返回垂直位置，从而排除翻炉泼钢事故的发生。
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2.2 转炉自动控制系统构成
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3 devicenet现场总线和scan port通信协议
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3.1 现场总线的定义及特点
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现场总线，按照国际电工委员会iec/sc65c的定义，是指安装在制造或过程区域的现场装置之间、以及现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线。以现场总线为基础而发展起来的全数字控制系统称作fcs。
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现场总线作为连接控制系统中现场级装置和控制设备的双向数字通信网络，与传统的dcs系统相比其优点是明显的：增强了现场信息的集成能力；抗干扰能力增加、系统可靠性提高；安装便捷、可维护性好；具有开放性、互操作性、互换性、可集成性；降低了工程成本；具有ip67防护等级，可现场安装；能自动诊断故障部位。
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3.2 devicenet总线
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devicenet一种基于can（controller area network）技术的开放型、符合全球工业标准的低成本、高性能的通信网络。devicenet将低层工业设备连接到网络，从而消除了昂贵的硬接线成本，直接互连性改善了设备间的通讯，并同时提供了相当重要的设备级诊断功能。devicenet网络介质可采用五线制电缆，它包括了二条信号线，二条24v电源线和一条屏蔽线。devicenet设备可以从网络上直接获得电源，并能在线的网络上连接和切下设备。devicenet 协议最基本的功能是在设备及其相应的控制器之间进行数据交换。因此，这种通信是基于面向连接的（点对点或多点传送）通讯模型建立的。devicenet 既可以工作在主从模式，也可以工作在多主模式。
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3.3 devicenet网络通信模型
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在现场总线中有两种常用的通信模式，一种是传统的源/目标(source/destination)即点对点模式，另外一种是新型的生产/消费者(producer/customer)模式。以前的通信模式使用点对点的方式进行通信，在报文中含有特定的源/目标地址信息，如图2(a)所示。对于每个节点来说，数据在不同时刻到达，实现不同节点之间的同步是非常困难的，当信息目的地不同时，源节点必须多次发送数据给不同的目标节点，从而造成了带宽的损失。而devicenet中采用了全新的生产者/消费者网络模型，其典型的报文结构如图2(b)所示。
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图2 devicenet现场总线通信模式
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在生产者/消费者模型中，报文按其内容来标识，如果某个节点要接收一个报文，仅仅需识别与此报文相关的特定的标识符(即11位标识符，连接id)，每个报文不再需要源地址和目的地址。因为报文是按内容进行标识的，数据源只需将报文发送一次，许多需用此报文的节点通过在网上同时识别这个标识符，可同时从同一生产者取用(消费)此报文，有效地提高了网络带宽的利用率，并且消费者节点之间可实现精确的同步，适合于实时交换数据。其它的设备加入网络后并不增加网络负载，因为它们同样可以消费这些相同的报文。当节点发送多个报文时，对每个报文使用不同的标识符。
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3.4 devicenet的报文
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devicenet中定义了两类不同的报文：显式报文和i/o报文。
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（2）i/o报文(i/o message) ：i/o报文适用于实时性要求较高和面向控制的数据，i/o报文对传送的可靠性，送达时间的确定性及可重复性有很高的要求。i/o报文通常使用优先级高的连接标识符，通过点或多点连接进行信息交换。
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