冷軋廠混合酸洗線的自主集成智能化綠色化改造

韓 存

（太鋼冷軋廠，太原 030003）

1 原一二級自動化設(shè)備概況

全線傳動采用GD3000變頻調(diào)速系統(tǒng)，共48臺。上位機(jī)采用80-MT PLC，操作系統(tǒng)為VxWorks。通過Interbus總線傳輸數(shù)據(jù)，編程軟件為80-MT COGITO。爐子為橫河μXL集散控制系統(tǒng)。酸洗部分、出入口段的輔助部分及拋丸機(jī)部分采用Alspa C80-35 PLC，編程軟件為Alspa 80-35[1]。

Alspa C80-35 PLC共2套，一套控制入口段、出口段和拋丸機(jī)等設(shè)備，另一套控制工藝段和酸區(qū)。人機(jī)界面（Human Machine Interface，HMI）采用P3200軟件編程，操作系統(tǒng)為OpenVMS。整條線采用同軸電纜連接的工業(yè)以太網(wǎng)，焊機(jī)采用S5-135 PLC，操作臺與遠(yuǎn)程輸入/輸出（Input/Output，I/O）柜（以及焊機(jī)、爐子及糾偏等與全線的連鎖）點對點進(jìn)行連接[2]。

2 替代方案概述

0級傳動改造將生產(chǎn)線上的整流單元和調(diào)速傳動電機(jī)的逆變器更換為S120系列的整流單元和逆變器，逆變器通過PROFINET網(wǎng)與可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）進(jìn)行通信。一二級自動化改造用S7-1500 PLC替換原來的Alspa C80-35 PLC。選用1塊CPU 1516控制入口段、出口段和拋丸機(jī)等設(shè)備，選用1塊CPU 1516控制工藝段和酸區(qū)，選用1塊CPU 1516進(jìn)行焊縫跟蹤和二級系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換。增加1套安全PLC用于急停處理，增加二級控制系統(tǒng)，從三級系統(tǒng)接收生產(chǎn)計劃，計算生產(chǎn)設(shè)定數(shù)據(jù)下發(fā)給跟蹤系統(tǒng)。跟蹤系統(tǒng)根據(jù)焊縫位置變化，將生產(chǎn)設(shè)定數(shù)據(jù)分發(fā)給線上設(shè)備控制PLC。此外，跟蹤系統(tǒng)會采集生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)發(fā)送給二級系統(tǒng)生成相應(yīng)的報表。更換變頻調(diào)速系統(tǒng)，采用整流+逆變的公共直流母線方式，選用S120系列的整流單元和逆變器產(chǎn)品。S120與PLC之間通過PROFINET進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。變頻電機(jī)利舊，電纜利舊。更換主電機(jī)脈沖編碼器，編碼器為D=20套軸形式。更換PLC控制柜，新PLC控制柜采用3套S7-1500控制系統(tǒng)：1套控制入口段、出口段和拋丸機(jī)等設(shè)備；1套控制工藝段和酸區(qū)；1套進(jìn)行焊縫跟蹤和二級系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換。增加1套西門子安全PLC，用于急?？刂?。再增加1套最新的S1500 PLC產(chǎn)品，完成原系統(tǒng)的跟蹤功能。更換操作臺箱和遠(yuǎn)程柜，柜內(nèi)搭載ET200SP遠(yuǎn)程I/O模塊，采用PROFINET通信。增加2套焊縫檢測，爐區(qū)控制系統(tǒng)保持原狀，增加爐區(qū)與主PLC之間聯(lián)絡(luò)的遠(yuǎn)程站。根據(jù)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)需要，重新鋪設(shè)光纖和工業(yè)以太網(wǎng)線，配置足量光纖轉(zhuǎn)換器和工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)。

3 變頻器控制系統(tǒng)配置

整流單元采用1臺S120整流單元，功率為560 kW。逆變器選用西門子S120系列產(chǎn)品，數(shù)量為48臺。在S120輸出側(cè)配置輸出電抗器，S120與PLC之間通過PROFINET進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。變頻電機(jī)利舊，電纜利舊，更換主電機(jī)脈沖編碼器，編碼器為D=20套軸形式。

3.1 基礎(chǔ)自動化改造配置

自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)配置如圖1所示。改造計劃是將原系統(tǒng)的2套80-MT PLC更換為最新的S1500 PLC產(chǎn)品，將原系統(tǒng)的6套80-35 PLC輔助PLC系統(tǒng)更換為最新的S1500 PLC產(chǎn)品，并配置相應(yīng)的遠(yuǎn)程站，同時增加1套最新的S1500 PLC產(chǎn)品，完成原系統(tǒng)的跟蹤功能。人機(jī)界面更換共計5臺（頭尾部操作室2臺、爐子操作室1臺、頭尾部電氣室1臺、處理段電氣室1臺）。2處電氣室分別增加1臺掌上電腦（Personal Digital Assistant，PDA）。

圖1 一級系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置圖

3.2 二級系統(tǒng)配置

二級過程控制系統(tǒng)（L2）是制造執(zhí)行系統(tǒng)（L3）和基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)（L1）之間的橋梁。它的主要功能是整合和集成生產(chǎn)計劃，高效組織和實施自動化生產(chǎn)。二級過程控制系統(tǒng)根據(jù)來料的原始數(shù)據(jù)形成生產(chǎn)計劃，對生產(chǎn)工藝過程進(jìn)行模型計算下發(fā)或查表下發(fā)。這些生產(chǎn)計劃通常由三級管理系統(tǒng)集合銷售情況和工藝過程順序進(jìn)行優(yōu)化來安排和組織。L2系統(tǒng)可以通過以太網(wǎng)，接收上級下發(fā)的個人數(shù)據(jù)交換（Personal Data Interchange，PDI）信息，同時將產(chǎn)出回拋上級。

L2系統(tǒng)功能按照全線區(qū)域劃分為入口、出口和線上3部分。鋼卷跟蹤從入口鞍座開始，至出口打包稱重結(jié)束。鋼卷的線上跟蹤由L1跟蹤系統(tǒng)完成。L1系統(tǒng)將生產(chǎn)線分為若干區(qū)域，在區(qū)域內(nèi)計算判斷焊縫所在位置，并利用焊縫檢測儀信號糾正計算偏差。

L2系統(tǒng)采用客戶端/服務(wù)器（Client/Server，C/S）架構(gòu)，硬件方面由服務(wù)器、客戶端和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成。每臺服務(wù)器配置3塊硬盤。數(shù)據(jù)備份功能是指一旦用戶數(shù)據(jù)發(fā)生損壞，利用備份信息恢復(fù)損壞數(shù)據(jù)，保障用戶數(shù)據(jù)的安全性。

圖2 一、二、三級信息走向圖

圖3 二級系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

自主集成智能化改造中，冷軋廠混合酸洗線電氣系統(tǒng)自主集成是在吸收原系統(tǒng)成熟的生產(chǎn)機(jī)械工藝設(shè)備經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，由太鋼自主集成設(shè)計建成的，以無人化、綠色化、智能化與集中化為宗旨進(jìn)行的創(chuàng)新[3]。

4 集中控制

機(jī)組操作集中控制。冷軋廠集控中心配備寶信坐席系統(tǒng)，5條機(jī)組包括混合酸洗線設(shè)置一個操作島，通過一體屏幕顯示坐席系統(tǒng)，再由光纖傳輸?shù)街强刂行摹２僮髋_保留各段必要的操作按鈕，如緊停、快停、升降速及停止等，其余按鈕盡可能在畫面上操作。智控中心的操作臺按鈕和緊停信號接入新增的5套安全PLC系統(tǒng)，將按鈕信號轉(zhuǎn)接至原機(jī)組控制系統(tǒng)，緊停信號接入原機(jī)組的緊?？刂葡到y(tǒng)[4]。

HMI監(jiān)控畫面使用坐席系統(tǒng)，將原先安放在主操室的客戶機(jī)接入智控中心。客戶端數(shù)量按照實際需要配置。畫面通過坐席系統(tǒng)進(jìn)行切換。通過集中控制，可達(dá)到減人增效的效果。

5 數(shù)字鋼卷

數(shù)字鋼卷是全維度、全尺寸及顆粒度米級的數(shù)字產(chǎn)品，數(shù)據(jù)內(nèi)容包括生產(chǎn)工藝過程、能耗環(huán)保與設(shè)備運行等，為后期各類應(yīng)用開發(fā)提供數(shù)據(jù)服務(wù)。以數(shù)字鋼卷為載體，建立各工序間的數(shù)據(jù)生態(tài)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，使數(shù)字鋼卷發(fā)揮更大的價值。實現(xiàn)鋼卷實物+數(shù)字鋼卷相結(jié)合的交付方式，有利于引領(lǐng)新一代產(chǎn)品交付的規(guī)范?；旌纤嵯淳€通過采集實施PDA或者FDDA工藝數(shù)據(jù)，開發(fā)邊緣服務(wù)器，裝置鋼卷底層數(shù)，實現(xiàn)可直接與采集裝置通信的硬件結(jié)構(gòu)，通信速度最快能夠達(dá)到20 ms。帶鋼長度方向的數(shù)據(jù)間隔可以減少到米級，大大提高了利用數(shù)據(jù)還原生產(chǎn)過程異常點的能力。收集機(jī)組生產(chǎn)過程中的質(zhì)量及工藝數(shù)據(jù)，并將其匹配到帶鋼長度位置上。它計算和匹配的依據(jù)來自數(shù)字鋼卷跟蹤相關(guān)信息，準(zhǔn)確性將直接影響數(shù)據(jù)收集和匹配的精度及有效性。利用云邊端三級服務(wù)器收集治理混線現(xiàn)場鋼卷數(shù)據(jù)，輸入數(shù)字鋼卷模型數(shù)據(jù)，處理后形成針對客戶的鋼卷說明書。

6 工業(yè)輔助機(jī)器人

配備拆捆機(jī)器人、打包機(jī)器、貼標(biāo)機(jī)器人及自動打捆機(jī)，降低員工勞動強(qiáng)度和操作的危險性，提高了勞動生產(chǎn)率。機(jī)組入口新增自動拆捆帶機(jī)器人，識別及確認(rèn)鋼卷信息，自動拆除鋼卷捆扎帶及收集捆帶，代替人工作業(yè)，避免人工拆帶過程中發(fā)生安全危害，降低現(xiàn)場操作人員的作業(yè)強(qiáng)度。機(jī)組出口新增自動貼標(biāo)機(jī)器人，實現(xiàn)出口鋼卷標(biāo)簽自動粘貼，保證鋼卷標(biāo)簽的準(zhǔn)確性，杜絕異材的發(fā)生，同時減少崗位操作人員的工作量。出口新增打包機(jī)，鋼卷移動到打包鞍座進(jìn)行自動打包工作，降低現(xiàn)場操作人員的作業(yè)強(qiáng)度。

7 數(shù)模控制

配備張力模型、爐溫控制模型、酸洗模型及焊接模型，提高設(shè)備的自動化水平[5]。

8 結(jié)語

冷軋廠混合酸洗線的自主集成將在綠色低碳智能制造的新形勢下實現(xiàn)集中化、無人化與遠(yuǎn)程化發(fā)展。將冷軋原有技術(shù)結(jié)晶融合到新系統(tǒng)，在新技術(shù)、新裝備、新材料及新工藝實踐中提煉出一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)，為建設(shè)智慧制造工廠打下良好基礎(chǔ)。