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案例頻道一、概述
濟南鋼鐵集團始建于1958年，職工3.8萬，資產總額400億，產品以中板、中厚板、熱軋薄板、冷軋薄板為主。“十五”期間，濟鋼抓住機遇加快結構調整，推進集約經營，取得了又好又快發展，2005年鋼產量突破1000萬噸，在全國十大鋼中名列前矛，極大提高了濟鋼的知名度。
濟鋼1700中薄板坯連鑄連軋工程是由鞍鋼總承包進行設計、安裝和調試的，是我國第一條具有自主知識產權的中薄板坯熱軋帶鋼生產線，在國內尚屬首例。2004年底奠基以來，進行了2年的施工建設，設備安裝和調試，于2006年1月一次試車成功，2006年8月份產量超過21萬噸，標志著年產250萬噸的熱軋生產線順利投產。
熱連軋控制系統在冶金企業中屬于高精端的層面，其自動化控制系統的好壞決定了這條線本身的的質量和產量，因熱連軋機的生產率高、生產過程連續，只要提高自動化水平，就可挖掘其巨大潛力，大幅度地提高產量和改善產品的機械性能、產品尺寸精度、斷面形狀和平直度，而且自動化系統還可以承擔人力不能勝任的復雜工作。本文從熱軋基礎自動化的搭建著手，介紹GE Fanuc的高端產品RX7I如何采集現場檢測元件，采集操作臺的人工設備干預，利用復雜的內部數學模型來完成帶鋼在機架內時各種設備的動作時序和動作過程。
二、系統配置要求
濟鋼1700熱軋生產線主要由：兩座步進式加熱爐，一臺帶前立輥的四輥可逆式粗軋機，一臺切頭飛剪，六機架精軋機組，一套帶鋼層流冷卻裝置，兩臺卷取機，一套鋼卷運輸系統等設備組成。
根據工藝、設備布置及控制功能，連軋機自動化系統（L1級）的范圍是從加熱爐爐前輥道開始到卷取、運輸及稱重入庫為止整條軋制線上所有動作設備的控制和質量控制，以及數據讀入、控制接口、控制值輸出等。
熱軋自動化控制系統應具有兩大“特點”，即高速控制和高速通信，目前，軋機設備控制及工藝參數控制的周期一般為6～20ms，液壓APC要求更快，在為1-2ms，AGC和AWC要求小于20ms；特別是在精軋區域內，多個控制功能耦合，并共享輸入和輸出模塊，因此要求數據信息在各控制站之間以及各CPU之間能快速更新。最快的數據更新時間最快可達1ms，如下圖所示：
（圖1）熱連軋高速通信的必要性
通過圖形可以看出來，輥縫的變化會影響前滑，前滑會影響帶鋼的速度，但是輥縫的控制和速度的控制處于不同的PLC控制下，它們除了各自控制要求快速外，相互之間也需要快速交換數據來補償外界干擾帶來的不穩定。
熱軋基礎自動化系統應該具有靈活的擴展性，便于采購和升級，本系統采用基于國際標準總線，即VME總線的控制器及PCI總線的人機界面，隨著硬件模塊的升級換代可方便地更換模塊，而不需要重新移植應用軟件。
為便于操作，維護，管理，全線I/O都集中進入Versa Max Remote I/O，再經控制器處理，HMI通過全線以太網與相應控制器交換信息，工程師站通過全線以太網可對任一控制器進行，實現數據共享。
三、GE Fanuc 解決方案
3.1 系統構成
從加熱爐入口開始一直到運輸鏈結束，整個基礎自動化全軋線上分布了21臺GE Fanuc的PACSystems RX7i系統和7套GE 系列90-30 PLC。此外在部分PAC系統中插入了自帶I/O的基于Power PC的CPU板，完成快速的液壓控制，如圖2：
軋線就是靠這些處理器設備完成動作設備的控制和質量控制，以及數據讀入、控制接口、控制值輸出等。
3.2 高速處理
整個連軋機自動化系統的控制器均為GE Fanuc 產品，分為兩大類：PAC－systems和 GE 90－30 PLC：
PACSystems是GE Fanuc公司推出的集先前產品先進性于一身的高性能控制器，是GE系列90-70的升級，速度為系列GE系列90-70的7-10倍，目前有2種類型，IC698CPE010 和IC698CPE020，在線上都有用到，以實現數據的高速處理。
GE 系列90－30主要用于全線要求響應不是很快的場所，液壓站和潤滑站。
另外，針對液壓，還在GE Fanuc RX7i 的機架中引入了VME總線的液壓控制器（如右圖）,液壓控制器由德國MEN公司提供的Power PC（如圖3所示）和M-Module構成。德國MEN公司6U VME總線Power PC工作站采用Motorola公司的CPU,外掛接M-Module，提供磁尺接口和I/O接口 以嵌入式
（圖3）P_PC帶M47子板
VxWorks為操作平臺，處理時間為1-2ms,為高速壓下提供了基礎。
3.3 高速通訊
軋線上的主控制器之間與過程控制級的通訊采用GE的2Gb/s的光纖內存映像網（RFM）通訊。具有簡單易用，與操作系統和處理器無關，極短的數據傳輸延遲，抗干擾能力強，各站數據刷新時間快（小于1ms）等優點。
（圖4） 5565RFM網板
他的實現是通過基于VME總線的第三方模板5565（如圖4所示）和相對應的光纖交換機5595（如圖5所示）組成的，中間采用對應的LC-LC光纖跳線連接。系統提供節點旁路 產品用以自動地繞過壞的或關機的RM節點，維持環路的完整性。旁路產品提供節點旁路環保護，就象網絡集線器的功能一樣。另外還提供單模到多模的轉換器，用于擴展網絡，使網絡的節點間距最大可達10 km。
(圖5) 5595 RFM網交換機
5565的最大節點數為256個，全線的處理器一共不到20個，完全能夠滿足需要，而且全線距離在1KM之內， 能夠實現光纖傳輸，而且多模光纖就能夠滿足。
3.4 I/O處理
全線現場信號的集中，都是通過Versa Max I/O進入到系統的，而且全線統一，都是通過DP網傳上來。對現場設備的輸出控制也是通過DP網來實現的DP網連接了現場到電氣室，而且走線少，維護方便。
全線PAC系統的遠程I/O的輸入都是經過5136（如圖6所示）來實現的，5136不是GE Fanuc本身的產品，但是GE Fanuc可以方便擴展，5136在1700的熱軋現場就是成功的應用。5136是WOODHEAD公司的產品，通過DP網線和超級終端對5136硬件的設置，可以擴展多達125個從站，每個從站又可以擴展多種I/O,是現場總線很好的解決方案。
（圖6）5136DP主站
5136是基于PAC系統的6U高度提供的遠程I/O系統解決方案，對用于潤滑站和液壓站的基于3U高度的90-30系列卻是無能為力的，這需要PBM200的支持， PBM200（如圖7所示）是GE Fanuc 本身的產品，不需要像5136那樣煩瑣的系統配置，這里簡單說明一下5136的硬件配置情況：5136的配置需要專用的軟件SST生成硬件配置，保存為*.BSS文件，再通過WABFVIEW軟件，寫成BINCFG格式，通過超級終端軟件下裝到5136網板上。而PBM200是GE Fanuc公司自己的產品，對它的硬件配置只需要經過ME軟件找到相應的模塊就組態成功了。這里也體現了GE Fanuc公司自己產品的優越性，也體現了PAC系統VME總線的開放性和可擴展性，從投產以來，一直穩定運行，是值得信任的遠程I/O處理方案。
（圖7）PBM200主站
3.5 人機接口
另外，所有的畫面都是通過以太網來傳輸的，全線所有的處理器，包括PAC，GE 系列90-30,P_PC,都以同一個網段掛在交換機上，實現數據共享。
畫面是通過CIMPLICITY HMI采集PAC系統或者是90-30內部寄存器的值來實現數據共享的，采取的物理通道就是全線以太網，目前采用工業冗余以太網MOXA交換機（如圖8所示）。以太網從物理上互相連接，區域之間采取多模光纖，區域內部采用雙絞線，把各個地方的交換機連在一起，而交換機的RJ45接口和PAC系統或90-30相應的RJ45接口相連，構成了全線的以太網。軋線上的工控機也是連在網上的，工控機安裝的上位軟件HMI就通過以太網的物理通道采集全線任何一臺處理器上的內部寄存器地址顯示在畫面上，操作工根據畫面的實際現場設備的儀表數據對現場設備進行手工干預，實現人機交互的功能。
（圖8）MOXA交換機
3.5典型應用舉例
對于一個熱軋生產線來說，最重要且直接影響產量和質量的部分是精軋機組，而作為精軋機組的靈魂、核心的AGC控制更是維系產品質量的關鍵，現舉例AGC的控制系統配置圖（圖9）說明如下：
濟鋼1700采用全液壓壓下，故需要高響應的控制系統，本系統采用IC698CPE020的PAC處理器，頻率為700MHZ,加上控制液壓的專用處理器模塊P_PC,本系統有兩塊P_PC,一塊用于壓下，一塊用于彎輥和串輥，以實現高速控制，但是P_PC是基于第三方廠家的，其配置需要特殊處理，運行的程序是C語言生成的。系統配置了兩塊模擬量的輸入輸出模板，根據需要進行配置。另外，第7槽配置了A201S，是MEN公司的基板，通過它可以接編碼器的輸入，在本系統中引入導尺的調寬量。15槽的5136作為DP的主站引入，系統所需要的輸入和輸出量，來實現對遠程的控制（如液壓系統的開關閥）。17槽作為光纖網的重要設備，承擔著不同機架間的數據通訊和交流，如壓下系統對速度的影響量。
（圖9）機架配置一覽圖
四、應用總結
GE_Fanuc 的PAC系統自通用以來，一直運行正常，從來沒有因為死機帶來重大生產誤時，并且產量月月攀高：3月份生產鋼卷3.34萬噸，4月份6.56萬噸，5月份12.96萬噸，6月份13.6萬噸，7月份17.38萬噸，8月份21.2萬噸，總產量在75萬噸左右，按照每噸300元利潤計算，創造利潤為2.25億元，為濟鋼創造了巨大的經濟效益。
GE Fanuc PAC系統的優越性體現在以下幾個方面：
（1） 速度快，能夠滿足熱連軋對“高速處理”的要求；
（2） 通過5565進行數據交換（1ms），能夠滿足“高速通訊”的要求；
（3） 支持在線程序更改，節約調試時間；
（4） 易于擴展，同第三方模塊的融合；
（5） 以太網具有單獨的處理器，需要重新啟動以太網時不影響系統；
從投產到生產，GE_Fanuc的RX7i和90-30在熱軋生產線一直運行穩定，各項功能可靠，取得了巨大的經濟效益和社會效益，為經濟發展和社會進步作出了積極貢獻，因此GE Fanuc的產品應該得到更好的發展，擁有更廣闊的發展空間，GE Fanuc在濟鋼1700的應用，具有良好的推廣應用價值。
參考文獻：
孫一康，《帶鋼熱連軋的模型與控制》，冶金工業出版社，2002
袁宇峰，《我國鋼鐵工業自動化的現狀和發展》，鋼鐵研究，2004
馬宏遠，《開放式工業過程自動化系統》，鋼鐵技術，2002
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號