GE Fanuc的RX7i在濟鋼1700的應(yīng)用
概述
濟南鋼鐵集團始建于1958年，職工3.8萬，資產(chǎn)總額400億，產(chǎn)品以中板、中厚板、熱軋薄板、冷軋薄板為主?！笆濉逼陂g，濟鋼抓住機遇加快結(jié)構(gòu)調(diào)整，推進集約經(jīng)營，取得了又好又快發(fā)展，2005 年鋼產(chǎn)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(shè)計、安裝和調(diào)試的，是我國第一條具有自主知識產(chǎn)權(quán)的中薄板坯熱軋帶鋼生產(chǎn)線，在國內(nèi)尚屬首例。2004 年底奠基以來，進行了2 年的施工建設(shè)，設(shè)備安裝和調(diào)試，于2006 年1月一次試車成功，2006 年8 月份產(chǎn)量超過21萬噸，標(biāo)志著年產(chǎn)250 萬噸的熱軋生產(chǎn)線順利投產(chǎn)。
熱連軋控制系統(tǒng)在冶金企業(yè)中屬于高精端的層面，其自動化控制系統(tǒng)的好壞決定了這條線本身的的質(zhì)量和產(chǎn)量，因熱連軋機的生產(chǎn)率高、生產(chǎn)過程連續(xù)，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(chǎn)量和改善產(chǎn)品的機械性能、產(chǎn)品尺寸精度、斷面形狀和平直度，而且自動化系統(tǒng)還可以承擔(dān)人力不能勝任的復(fù)雜工作。本文從熱軋基礎(chǔ)自動化的搭建著手，介紹GE Fanuc的高端產(chǎn)品RX7I 如何采集現(xiàn)場檢測元件，采集操作臺的人工設(shè)備干預(yù)，利用復(fù)雜的內(nèi)部數(shù)學(xué)模型來完成帶鋼在機架內(nèi)時各種設(shè)備的動作時序和動作過程。
系統(tǒng)配置要求
濟鋼1700熱軋生產(chǎn)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(tǒng)等設(shè)備組成。
根據(jù)工藝、設(shè)備布置及控制功能，連軋機自動化系統(tǒng)（ 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(shè)備的控制和質(zhì)量控制，以及數(shù)據(jù)讀入、控制接口、控制值輸出等。
熱軋自動化控制系統(tǒng)應(yīng)具有兩大“特點”，即高速控制和高速通信，目前，軋機設(shè)備控制及工藝參數(shù)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(qū)域內(nèi)，多個控制功能耦合，并共享輸入和輸出模塊，因此要求數(shù)據(jù)信息在各控制站之間以及各CPU之間能快速更新。最快的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)來補償外界干擾帶來的不穩(wěn)定。
熱軋基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)應(yīng)該具有靈活的擴展性，便于采購和升級，本系統(tǒng)采用基于國際標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(jīng)控制器處理，HMI 通過全線以太網(wǎng)與相應(yīng)控制器交換信息，工程師站通過全線以太網(wǎng)可對任一控制器進行，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。
解決方案
1. 系統(tǒng)構(gòu)成
從加熱爐入口開始一直到運輸鏈結(jié)束，整個基礎(chǔ)自動化全軋線上分布了21 臺GE Fanuc 的PACSystems RX7i系統(tǒng)和7套GE 系列90-30 PLC。此外在部分PAC系統(tǒng)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：
注：所有OPU、遠程I/O、主/輔電氣傳動均掛在相應(yīng)的DP網(wǎng)上圖2 濟鋼1700mm中薄板坯連鑄連軋工程連軋機自動化系統(tǒng)配置圖軋線就是靠這些處理器設(shè)備完成動作設(shè)備的控制和質(zhì)量控制，以及數(shù)據(jù)讀入、控制接口、控制值輸出等。
2. 高速處理
整個連軋機自動化系統(tǒng)的控制器均為GE Fanuc 產(chǎn)品，分為兩大類：PACsystems和 GE 90-30 PLC。
PACSystems 是GE Fanuc 公司推出的集先前產(chǎn)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(xiàn)數(shù)據(jù)的高速處理。
GE 系列90-30 主要用于全線要求響應(yīng)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 P C（如圖3所示）和M-Module 構(gòu)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(chǔ)。
圖3 P _ P C 帶M4 7 子板
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(nèi)存映像網(wǎng)（RFM）通訊。具有簡單易用，與操作系統(tǒng)和處理器無關(guān)，極短的數(shù)據(jù)傳輸延遲，抗干擾能力強，各站數(shù)據(jù)刷新時間快（小于1ms）等優(yōu)點。它的實現(xiàn)是通過基于VME總線的第三方模板5565（如圖4 所示）和相對應(yīng)的光纖交換機5595（如圖5 所示）組成的，中間采用對應(yīng)的LC-LC 光纖跳線連接。系統(tǒng)提供節(jié)點旁路產(chǎn)品用以自動地繞過壞的或關(guān)機的RM節(jié)點，維持環(huán)路的完整性。旁路產(chǎn)品提供節(jié)點旁路環(huán)保護，就象網(wǎng)絡(luò)集線器的功能一樣。另外還提供單模到多模的轉(zhuǎn)換器，用于擴展網(wǎng)絡(luò)，使網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點間距最大可達10 km。
圖45565 RFM網(wǎng)板
圖55595 RFM網(wǎng)交換機
5565 的最大節(jié)點數(shù)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(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)光纖傳輸，而且多模光纖就能夠滿足。
4. I/O處理
全線現(xiàn)場信號的集中，都是通過Versa Max I/O 進入到系統(tǒng)的，而且全線統(tǒng)一，都是通過DP 網(wǎng)傳上來。對現(xiàn)場設(shè)備的輸出控制也是通過DP網(wǎng)來實現(xiàn)的DP網(wǎng)連接了現(xiàn)場到電氣室，而且走線少，維護方便。
全線PAC系統(tǒng)的遠程I/O的輸入都是經(jīng)過5136（如圖6 所示）來實現(xiàn)的，5136不是GE Fanuc 本身的產(chǎn)品，但是GE Fanuc 可以方便擴展，5136在1700 的熱軋現(xiàn)場就是成功的應(yīng)用。5136 是WOODHEAD 公司的產(chǎn)品，通過DP 網(wǎng)線和超級終端對5136 硬件的設(shè)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(xiàn)場總線很好的解決方案。
圖6 5136DP主站
5136是基于PAC系統(tǒng)的6U高度提供的遠程I/O系統(tǒng)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(chǎn)品，不需要像5136 那樣煩瑣的系統(tǒng)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(wǎng)板上。而PBM200 是GE Fanuc公司自己的產(chǎn)品，對它的硬件配置只需要經(jīng)過ME 軟件找到相應(yīng)的模塊就組態(tài)成功了。這里也體現(xiàn)了GE Fanuc 公司自己產(chǎn)品的優(yōu)越性，也體現(xiàn)了PAC 系統(tǒng)VME 總線的開放性和可擴展性，從投產(chǎn)以來，一直穩(wěn)定運行，是值得信任的遠程I/O處理方案。
圖7 PBM200主站
5. 人機接口
另外，所有的畫面都是通過以太網(wǎng)來傳輸?shù)?，全線所有的處理器，包括PAC，GE 系列90-30，P_PC，都以同一個網(wǎng)段掛在交換機上，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。
畫面是通過CIMPLICITY HMI 采集PAC 系統(tǒng)或者是90 -30 內(nèi)部寄存器的值來實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的，采取的物理通道就是全線以太網(wǎng)，目前采用工業(yè)冗余以太網(wǎng)MOXA 交換機（如圖8 所示）。以太網(wǎng)從物理上互相連接，區(qū)域之間采取多模光纖，區(qū)域內(nèi)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(tǒng)或90-30 相應(yīng)的RJ45 接口相連，構(gòu)成了全線的以太網(wǎng)。軋線上的工控機也是連在網(wǎng)上的，工控機安裝的上位軟件HMI 就通過以太網(wǎng)的物理通道采集全線任何一臺處理器上的內(nèi)部寄存器地址顯示在畫面上，操作工根據(jù)
圖8 MOXA交換機
畫面的實際現(xiàn)場設(shè)備的儀表數(shù)據(jù)對現(xiàn)場設(shè)備進行手工干預(yù)，實現(xiàn)人機交互的功能。
6 典型應(yīng)用舉例
對于一個熱軋生產(chǎn)線來說，最重要且直接影響產(chǎn)量和質(zhì)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(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵，現(xiàn)舉例AGC 的控制系統(tǒng)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(yīng)的控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)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(tǒng)有兩塊P_PC，一塊用于壓下，一塊用于彎輥和串輥，以實現(xiàn)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(tǒng)配置了兩塊模擬量的輸入輸出模板，根據(jù)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(tǒng)中引入導(dǎo)尺的調(diào)寬量。15 槽的5136 作為DP 的主站引入，系統(tǒng)所需要的輸入和輸出量，來實現(xiàn)對遠程的控制（如液壓系統(tǒng)的開關(guān)閥）。17槽作為光纖網(wǎng)的重要設(shè)備，承擔(dān)著不同機架間的數(shù)據(jù)通訊和交流，如壓下系統(tǒng)對速度的影響量。
應(yīng)用總結(jié)
GE_Fanuc 的PAC 系統(tǒng)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(chǎn)誤時，并且產(chǎn)量月月攀高：3 月份生產(chǎn)鋼卷3 . 3 4 萬噸， 4 月份6 . 5 6 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(chǎn)量在75萬噸左右，按照每噸300元利潤計算，創(chuàng)造利潤為2.25億元，為濟鋼創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益。
GE Fanuc PAC系統(tǒng)的優(yōu)越性體現(xiàn)在以下幾個方面：
● 速度快，能夠滿足熱連軋對“高速處理”的要求。
● 通過5565進行數(shù)據(jù)交換（1ms），能夠滿足“高速通訊”的要求。
● 支持在線程序更改，節(jié)約調(diào)試時間。
● 易于擴展，同第三方模塊的融合。
● 以太網(wǎng)具有單獨的處理器，需要重新啟動以太網(wǎng)時不影響系統(tǒng)。
從投產(chǎn)到生產(chǎn)，GE_Fanuc 的RX7i 和90-30 在熱軋生產(chǎn)線一直運行穩(wěn)定，各項功能可靠，取得了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，為經(jīng)濟發(fā)展和社會進步作出了積極貢獻，因此GE Fanuc 的產(chǎn)品應(yīng)該得到更好的發(fā)展，擁有更廣闊的發(fā)展空間，GE Fanuc 在濟鋼1700 的應(yīng)用，具有良好的推廣應(yīng)用價值。
圖9 機架配置一覽圖
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