連退機(jī)組圓盤剪控制系統(tǒng)改造

供稿|賈建，余瓊，吳昊，葛祥，王浩晴 /

內(nèi)容導(dǎo)讀

馬鋼連退機(jī)組圓盤剪控制系統(tǒng)IPC 477D控制器頻繁死機(jī)嚴(yán)重影響機(jī)組正常運(yùn)行。本文簡(jiǎn)述了該圓盤剪控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，針對(duì)原有控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題提出相應(yīng)改造方案，并對(duì)改造方案新增的硬件以及改造所涉及到的軟件修改內(nèi)容進(jìn)行了介紹；另外，同步實(shí)施圓盤剪遠(yuǎn)程化操控改造，在主線HMI新增圓盤剪的操控畫面，確保操作人員的安全操作更簡(jiǎn)單便捷。改造后的連退機(jī)組圓盤剪控制系統(tǒng)已投入使用，解決了畫面、PLC控制程序無(wú)法遠(yuǎn)程操控以及IPC 477D控制器重啟虛擬PLC控制系統(tǒng)同步重啟后數(shù)據(jù)丟失等問(wèn)題，節(jié)省了人工標(biāo)定恢復(fù)數(shù)據(jù)的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了融為一體而又互不干擾的主線HMI與現(xiàn)場(chǎng)IPC477D控制器HMI畫面并存狀態(tài)，提高了連退機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性和生產(chǎn)的高效性。

馬鋼(合肥)板材公司1#連退機(jī)組圓盤剪由西馬克公司設(shè)計(jì)制造，2015年投入使用。其控制系統(tǒng)采用一臺(tái)西門子SIMATIC IPC 477D作為控制核心，其上集成了虛擬PLC和HMI功能，并通過(guò)自帶的MPI/DP端口以Profibus-DP總線通訊方式連接遠(yuǎn)程ET200S從站、傳動(dòng)裝置和編碼器等現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備，圓盤剪本體與主線的數(shù)據(jù)通訊也是以Profibus-DP總線方式通過(guò)1塊DP/DP Coupler模塊實(shí)現(xiàn)。出于設(shè)備和人員安全考慮，原廠商在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上配置了必要的安全檢測(cè)元器件，因此PLC控制系統(tǒng)使用了西門子分布式故障安全系統(tǒng)，包括ET200S 故障安全信號(hào)模塊以及S7 Distributed Safety系統(tǒng)軟件，控制網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圓盤剪控制系統(tǒng)的改造

圓盤剪控制系統(tǒng)自投產(chǎn)以來(lái)，在運(yùn)行過(guò)程中IPC 477D多次出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象，雖然通過(guò)重啟IPC 477D控制器可以恢復(fù)到正常狀態(tài)，但死機(jī)期間圓盤剪PLC控制器無(wú)法運(yùn)行，嚴(yán)重影響機(jī)組正常運(yùn)行。據(jù)統(tǒng)計(jì)2019年全年死機(jī)次數(shù)達(dá)8次，造成產(chǎn)線二次切邊量達(dá)1126.8 t，單次恢復(fù)最長(zhǎng)時(shí)間3 h，退火爐生產(chǎn)降速嚴(yán)重影響整個(gè)生產(chǎn)線連續(xù)運(yùn)行及成本控制，同時(shí)增加了突然死機(jī)時(shí)人工介入圓盤剪操作而存在的安全隱患。

針對(duì)以上問(wèn)題，先后對(duì)電源系統(tǒng)、通信模塊以及散熱系統(tǒng)進(jìn)行了處理和改造，但均未能解決IPC 477D控制器死機(jī)問(wèn)題，因此需要對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造優(yōu)化，徹底解決圓盤剪PLC控制系統(tǒng)死機(jī)問(wèn)題，提升機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性。

圖1 圓盤剪原控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

改造方案制定

本次改造將增加一套實(shí)體PLC控制器取代原IPC控制器中的軟PLC功能，外部其他控制裝置都不改變，原有的IPC 477D控制面板僅作為現(xiàn)場(chǎng)操控終端使用，即使偶爾出現(xiàn)死機(jī)情況，在重啟恢復(fù)期間也不會(huì)影響到圓盤剪PLC控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，也就不會(huì)對(duì)主線正常運(yùn)行造成影響。

另外，目前圓盤剪不具備遠(yuǎn)程操控功能，為了滿足后續(xù)智慧制造實(shí)施項(xiàng)目中對(duì)機(jī)組上所有子系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程集控的需求，將對(duì)原有圓盤剪和主線的數(shù)據(jù)通訊功能進(jìn)行適應(yīng)性改造，增加圓盤剪遠(yuǎn)程操控?cái)?shù)據(jù)項(xiàng)；同時(shí)需要對(duì)主線PLC控制系統(tǒng)和HMI操控終端系統(tǒng)進(jìn)行適應(yīng)性改造，將圓盤剪主要操控功能集成到主線HMI操控終端中，在主線的HMI畫面中增加圓盤剪的遠(yuǎn)程操作和參數(shù)設(shè)定畫面。改造主要內(nèi)容為：

(1)圓盤剪現(xiàn)場(chǎng)新增一個(gè)控制柜，本次改造所有新增控制設(shè)備都安裝集成到該控制柜；

(2)新 增1套 西 門 子PLC控 制 器(機(jī) 架、CPU416F、電源模塊、CP443網(wǎng)卡模塊)替換原有的軟PLC功能，其他原系統(tǒng)中的遠(yuǎn)程從站、傳動(dòng)裝置、與主線通訊裝置等設(shè)備不改變，通訊方式仍使用Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線通訊方式；

(3)原IPC 477D控制器僅作為現(xiàn)場(chǎng)HMI操控終端使用，與新增圓盤剪PLC控制器通過(guò)Profibus-DP方式連接；

(4)新增1塊DP/DP Coupler通訊模塊，擴(kuò)充圓盤剪與主線的數(shù)據(jù)通訊量；

(5)將現(xiàn)有圓盤剪PLC控制程序移植到新PLC控制系統(tǒng)中，進(jìn)行相關(guān)適應(yīng)性功能改造，保證圓盤剪設(shè)備當(dāng)前所有功能可以正常使用，并增加遠(yuǎn)程操控功能；

(6)對(duì)原IPC 477D中HMI通訊接口進(jìn)行適應(yīng)性功能改造，保證圓盤剪現(xiàn)場(chǎng)操控功能不受影響，原現(xiàn)場(chǎng)操控畫面基本不變；

(7)對(duì)主線HMI操控終端軟件進(jìn)行適應(yīng)性功能改造，增加圓盤剪主要遠(yuǎn)程操控功能。

由于圓盤剪控制系統(tǒng)中使用了安全設(shè)備和模塊，因此新增PLC控制系統(tǒng)采用性能強(qiáng)大的CPU 416F-2控制器，改造原理如圖2所示。

圖2 圓盤剪控制系統(tǒng)改造后結(jié)構(gòu)圖

改造實(shí)施

硬件改造清單

本次改造需新增的硬件清單見表1。

為節(jié)省改造項(xiàng)目成本，本次改造的元器件由淘汰設(shè)備上拆下再利用，并利用一臺(tái)空控制箱自行裝配成圓盤剪新控制箱如圖3所示，新DP網(wǎng)絡(luò)圖如圖4所示。

表1 改造新增硬件清單

圖3 改造后圓盤剪控制系統(tǒng)實(shí)物圖

圖4 新DP網(wǎng)絡(luò)圖

網(wǎng)絡(luò)通訊及HMI改造

(1)新增CP443網(wǎng)卡，將原有IPC 477D控制器、新增工程師站以及新增PLC硬件系統(tǒng)之間采用以太網(wǎng)通訊，并與主線PLC設(shè)置在同一網(wǎng)段，其目的是新增工程師站、新增PLC與主線TCP/IP網(wǎng)絡(luò)可通過(guò)L1交換機(jī)互相訪問(wèn)，方便軟件工程師高效完成圓盤剪HMI集成到主線WINCC的軟件編輯和調(diào)試工作。

(2) 在保持圓盤剪PLC與主線PLC通過(guò)DP-coupler通訊的前提下，新增兩個(gè)DP-coupler并入網(wǎng)絡(luò)為后期增加控制點(diǎn)及IBA抓取信號(hào)點(diǎn)進(jìn)行硬件準(zhǔn)備。

(3)HMI畫面：保持IPC 477D控制器原有HMI畫面，在工程師站及主線WINCC項(xiàng)目?jī)?nèi)重新編輯新的圓盤剪HMI畫面，重新連接變量，并將子畫面內(nèi)容簡(jiǎn)化，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立訪問(wèn)新增PLC。通過(guò)控制軟件優(yōu)化，確保主線HMI上的圓盤剪操作畫面與現(xiàn)場(chǎng)IPC477D控制器上HMI畫面不會(huì)沖突干擾。而且當(dāng)IPC477D控制器死機(jī)重啟時(shí)，不會(huì)影響工程師站及主線集成的HMI運(yùn)行狀態(tài)，保證改造后的圓盤剪控制系統(tǒng)高效可靠運(yùn)行。

改造過(guò)程中的難題及解決方案

(1)改造最初利用profibus-DP通訊方式建立原有IPC 477D控制器和新增PLC間的通訊，在完成軟硬件配置后，IPC 477D控制器無(wú)法訪問(wèn)新增PLC。本次系統(tǒng)改造調(diào)試期間在新PLC背板上新增CP443網(wǎng)卡，改為利用TCP/IP通訊模式建立起IPC 477D控制器與新增硬件PLC間的通訊，完成配置后，實(shí)現(xiàn)了原有IPC 477D控制器和新PLC間通訊。

(2)因圓盤剪控制系統(tǒng)獨(dú)立于主線控制系統(tǒng)，圓盤剪使用的系統(tǒng)軟件為WINCC7.2版本，主線為WINCC7.0版本。集成到主線HMI時(shí)兩WINCC版本不同，無(wú)法整體移植。本改造系統(tǒng)中從圓盤剪項(xiàng)目導(dǎo)出的變量及HMI畫面無(wú)法直接導(dǎo)入主線WINCC項(xiàng)目使用。整體網(wǎng)絡(luò)通訊正常后，在主線工程師站內(nèi)重新制作新的圓盤剪畫面，按照原有的圓盤剪畫面變量一一配置。

(3)主線分為5段PLC系統(tǒng)，是通過(guò)PCS7做的項(xiàng)目集成且WINCC項(xiàng)目為雙服務(wù)器冗余系統(tǒng)。本改造系統(tǒng)中通過(guò)EXCEL重新編輯圓盤剪變量，與WINCC7.0格式一致后導(dǎo)入主線PCS集成項(xiàng)目里，HMI畫面重新編輯組件、變量連接并逐個(gè)下裝到兩臺(tái)畫面服務(wù)器內(nèi)。

結(jié)束語(yǔ)

連退機(jī)組圓盤剪控制系統(tǒng)改造已投入使用，解決了畫面、PLC控制程序無(wú)法遠(yuǎn)程操控以及IPC 477D控制器重啟虛擬PLC控制系統(tǒng)同步重啟后數(shù)據(jù)丟失等問(wèn)題，節(jié)省了人工標(biāo)定恢復(fù)數(shù)據(jù)的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了融為一體而又互不干擾的狀態(tài)，提高了連退機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性和生產(chǎn)的高效性。