冷轧厂混合酸洗线的自主集成智能化绿色化改造

韩 存

（太钢冷轧厂，太原 030003）

1 原一二级自动化设备概况

全线传动采用GD3000变频调速系统，共48台。上位机采用80-MT PLC，操作系统为VxWorks。通过Interbus总线传输数据，编程软件为80-MT COGITO。炉子为横河μXL集散控制系统。酸洗部分、出入口段的辅助部分及抛丸机部分采用Alspa C80-35 PLC，编程软件为Alspa 80-35[1]。

Alspa C80-35 PLC共2套，一套控制入口段、出口段和抛丸机等设备，另一套控制工艺段和酸区。人机界面（Human Machine Interface，HMI）采用P3200软件编程，操作系统为OpenVMS。整条线采用同轴电缆连接的工业以太网，焊机采用S5-135 PLC，操作台与远程输入/输出（Input/Output，I/O）柜（以及焊机、炉子及纠偏等与全线的连锁）点对点进行连接[2]。

2 替代方案概述

0级传动改造将生产线上的整流单元和调速传动电机的逆变器更换为S120系列的整流单元和逆变器，逆变器通过PROFINET网与可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）进行通信。一二级自动化改造用S7-1500 PLC替换原来的Alspa C80-35 PLC。选用1块CPU 1516控制入口段、出口段和抛丸机等设备，选用1块CPU 1516控制工艺段和酸区，选用1块CPU 1516进行焊缝跟踪和二级系统数据交换。增加1套安全PLC用于急停处理，增加二级控制系统，从三级系统接收生产计划，计算生产设定数据下发给跟踪系统。跟踪系统根据焊缝位置变化，将生产设定数据分发给线上设备控制PLC。此外，跟踪系统会采集生产过程中的数据发送给二级系统生成相应的报表。更换变频调速系统，采用整流+逆变的公共直流母线方式，选用S120系列的整流单元和逆变器产品。S120与PLC之间通过PROFINET进行数据交换。变频电机利旧，电缆利旧。更换主电机脉冲编码器，编码器为D=20套轴形式。更换PLC控制柜，新PLC控制柜采用3套S7-1500控制系统：1套控制入口段、出口段和抛丸机等设备；1套控制工艺段和酸区；1套进行焊缝跟踪和二级系统数据交换。增加1套西门子安全PLC，用于急停控制。再增加1套最新的S1500 PLC产品，完成原系统的跟踪功能。更换操作台箱和远程柜，柜内搭载ET200SP远程I/O模块，采用PROFINET通信。增加2套焊缝检测，炉区控制系统保持原状，增加炉区与主PLC之间联络的远程站。根据现场网络需要，重新铺设光纤和工业以太网线，配置足量光纤转换器和工业以太网交换机。

3 变频器控制系统配置

整流单元采用1台S120整流单元，功率为560 kW。逆变器选用西门子S120系列产品，数量为48台。在S120输出侧配置输出电抗器，S120与PLC之间通过PROFINET进行数据交换。变频电机利旧，电缆利旧，更换主电机脉冲编码器，编码器为D=20套轴形式。

3.1 基础自动化改造配置

自动化系统的网络配置如图1所示。改造计划是将原系统的2套80-MT PLC更换为最新的S1500 PLC产品，将原系统的6套80-35 PLC辅助PLC系统更换为最新的S1500 PLC产品，并配置相应的远程站，同时增加1套最新的S1500 PLC产品，完成原系统的跟踪功能。人机界面更换共计5台（头尾部操作室2台、炉子操作室1台、头尾部电气室1台、处理段电气室1台）。2处电气室分别增加1台掌上电脑（Personal Digital Assistant，PDA）。

图1 一级系统网络配置图

3.2 二级系统配置

二级过程控制系统（L2）是制造执行系统（L3）和基础自动化系统（L1）之间的桥梁。它的主要功能是整合和集成生产计划，高效组织和实施自动化生产。二级过程控制系统根据来料的原始数据形成生产计划，对生产工艺过程进行模型计算下发或查表下发。这些生产计划通常由三级管理系统集合销售情况和工艺过程顺序进行优化来安排和组织。L2系统可以通过以太网，接收上级下发的个人数据交换（Personal Data Interchange，PDI）信息，同时将产出回抛上级。

L2系统功能按照全线区域划分为入口、出口和线上3部分。钢卷跟踪从入口鞍座开始，至出口打包称重结束。钢卷的线上跟踪由L1跟踪系统完成。L1系统将生产线分为若干区域，在区域内计算判断焊缝所在位置，并利用焊缝检测仪信号纠正计算偏差。

L2系统采用客户端/服务器（Client/Server，C/S）架构，硬件方面由服务器、客户端和网络设备等组成。每台服务器配置3块硬盘。数据备份功能是指一旦用户数据发生损坏，利用备份信息恢复损坏数据，保障用户数据的安全性。

图2 一、二、三级信息走向图

图3 二级系统网络拓扑结构

自主集成智能化改造中，冷轧厂混合酸洗线电气系统自主集成是在吸收原系统成熟的生产机械工艺设备经验的基础上，由太钢自主集成设计建成的，以无人化、绿色化、智能化与集中化为宗旨进行的创新[3]。

4 集中控制

机组操作集中控制。冷轧厂集控中心配备宝信坐席系统，5条机组包括混合酸洗线设置一个操作岛，通过一体屏幕显示坐席系统，再由光纤传输到智控中心。操作台保留各段必要的操作按钮，如紧停、快停、升降速及停止等，其余按钮尽可能在画面上操作。智控中心的操作台按钮和紧停信号接入新增的5套安全PLC系统，将按钮信号转接至原机组控制系统，紧停信号接入原机组的紧停控制系统[4]。

HMI监控画面使用坐席系统，将原先安放在主操室的客户机接入智控中心。客户端数量按照实际需要配置。画面通过坐席系统进行切换。通过集中控制，可达到减人增效的效果。

5 数字钢卷

数字钢卷是全维度、全尺寸及颗粒度米级的数字产品，数据内容包括生产工艺过程、能耗环保与设备运行等，为后期各类应用开发提供数据服务。以数字钢卷为载体，建立各工序间的数据生态，实现数据共享，使数字钢卷发挥更大的价值。实现钢卷实物+数字钢卷相结合的交付方式，有利于引领新一代产品交付的规范。混合酸洗线通过采集实施PDA或者FDDA工艺数据，开发边缘服务器，装置钢卷底层数，实现可直接与采集装置通信的硬件结构，通信速度最快能够达到20 ms。带钢长度方向的数据间隔可以减少到米级，大大提高了利用数据还原生产过程异常点的能力。收集机组生产过程中的质量及工艺数据，并将其匹配到带钢长度位置上。它计算和匹配的依据来自数字钢卷跟踪相关信息，准确性将直接影响数据收集和匹配的精度及有效性。利用云边端三级服务器收集治理混线现场钢卷数据，输入数字钢卷模型数据，处理后形成针对客户的钢卷说明书。

6 工业辅助机器人

配备拆捆机器人、打包机器、贴标机器人及自动打捆机，降低员工劳动强度和操作的危险性，提高了劳动生产率。机组入口新增自动拆捆带机器人，识别及确认钢卷信息，自动拆除钢卷捆扎带及收集捆带，代替人工作业，避免人工拆带过程中发生安全危害，降低现场操作人员的作业强度。机组出口新增自动贴标机器人，实现出口钢卷标签自动粘贴，保证钢卷标签的准确性，杜绝异材的发生，同时减少岗位操作人员的工作量。出口新增打包机，钢卷移动到打包鞍座进行自动打包工作，降低现场操作人员的作业强度。

7 数模控制

配备张力模型、炉温控制模型、酸洗模型及焊接模型，提高设备的自动化水平[5]。

8 结语

冷轧厂混合酸洗线的自主集成将在绿色低碳智能制造的新形势下实现集中化、无人化与远程化发展。将冷轧原有技术结晶融合到新系统，在新技术、新装备、新材料及新工艺实践中提炼出一批具有自主知识产权的新技术，为建设智慧制造工厂打下良好基础。