連退機組圓盤剪控制系統改造

供稿|賈建，余瓊，吳昊，葛祥，王浩晴 /

內容導讀

馬鋼連退機組圓盤剪控制系統IPC 477D控制器頻繁死機嚴重影響機組正常運行。本文簡述了該圓盤剪控制系統的結構，針對原有控制系統存在的問題提出相應改造方案，并對改造方案新增的硬件以及改造所涉及到的軟件修改內容進行了介紹；另外，同步實施圓盤剪遠程化操控改造，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單便捷。改造后的連退機組圓盤剪控制系統已投入使用，解決了畫面、PLC控制程序無法遠程操控以及IPC 477D控制器重啟虛擬PLC控制系統同步重啟后數據丟失等問題，節省了人工標定恢復數據的時間，實現了融為一體而又互不干擾的主線HMI與現場IPC477D控制器HMI畫面并存狀態，提高了連退機組運行的穩定性和生產的高效性。

馬鋼(合肥)板材公司1#連退機組圓盤剪由西馬克公司設計制造，2015年投入使用。其控制系統采用一臺西門子SIMATIC IPC 477D作為控制核心，其上集成了虛擬PLC和HMI功能，并通過自帶的MPI/DP端口以Profibus-DP總線通訊方式連接遠程ET200S從站、傳動裝置和編碼器等現場電氣設備，圓盤剪本體與主線的數據通訊也是以Profibus-DP總線方式通過1塊DP/DP Coupler模塊實現。出于設備和人員安全考慮，原廠商在現場設備上配置了必要的安全檢測元器件，因此PLC控制系統使用了西門子分布式故障安全系統，包括ET200S 故障安全信號模塊以及S7 Distributed Safety系統軟件，控制網絡如圖1所示。

圓盤剪控制系統的改造

圓盤剪控制系統自投產以來，在運行過程中IPC 477D多次出現死機現象，雖然通過重啟IPC 477D控制器可以恢復到正常狀態，但死機期間圓盤剪PLC控制器無法運行，嚴重影響機組正常運行。據統計2019年全年死機次數達8次，造成產線二次切邊量達1126.8 t，單次恢復最長時間3 h，退火爐生產降速嚴重影響整個生產線連續運行及成本控制，同時增加了突然死機時人工介入圓盤剪操作而存在的安全隱患。

針對以上問題，先后對電源系統、通信模塊以及散熱系統進行了處理和改造，但均未能解決IPC 477D控制器死機問題，因此需要對控制系統進行改造優化，徹底解決圓盤剪PLC控制系統死機問題，提升機組運行穩定性。

圖1 圓盤剪原控制系統結構圖

改造方案制定

本次改造將增加一套實體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控制面板僅作為現場操控終端使用，即使偶爾出現死機情況，在重啟恢復期間也不會影響到圓盤剪PLC控制系統的正常運行，也就不會對主線正常運行造成影響。

另外，目前圓盤剪不具備遠程操控功能，為了滿足后續智慧制造實施項目中對機組上所有子系統進行遠程集控的需求，將對原有圓盤剪和主線的數據通訊功能進行適應性改造，增加圓盤剪遠程操控數據項；同時需要對主線PLC控制系統和HMI操控終端系統進行適應性改造，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程操作和參數設定畫面。改造主要內容為：

(1)圓盤剪現場新增一個控制柜，本次改造所有新增控制設備都安裝集成到該控制柜；

(2)新 增1套 西 門 子PLC控 制 器(機 架、CPU416F、電源模塊、CP443網卡模塊)替換原有的軟PLC功能，其他原系統中的遠程從站、傳動裝置、與主線通訊裝置等設備不改變，通訊方式仍使用Profibus-DP現場總線通訊方式；

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

(4)新增1塊DP/DP Coupler通訊模塊，擴充圓盤剪與主線的數據通訊量；

(5)將現有圓盤剪PLC控制程序移植到新PLC控制系統中，進行相關適應性功能改造，保證圓盤剪設備當前所有功能可以正常使用，并增加遠程操控功能；

(6)對原IPC 477D中HMI通訊接口進行適應性功能改造，保證圓盤剪現場操控功能不受影響，原現場操控畫面基本不變；

(7)對主線HMI操控終端軟件進行適應性功能改造，增加圓盤剪主要遠程操控功能。

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

圖2 圓盤剪控制系統改造后結構圖

改造實施

硬件改造清單

本次改造需新增的硬件清單見表1。

為節省改造項目成本，本次改造的元器件由淘汰設備上拆下再利用，并利用一臺空控制箱自行裝配成圓盤剪新控制箱如圖3所示，新DP網絡圖如圖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實物圖

圖4 新DP網絡圖

網絡通訊及HMI改造

(1)新增CP443網卡，將原有IPC 477D控制器、新增工程師站以及新增PLC硬件系統之間采用以太網通訊，并與主線PLC設置在同一網段，其目的是新增工程師站、新增PLC與主線TCP/IP網絡可通過L1交換機互相訪問，方便軟件工程師高效完成圓盤剪HMI集成到主線WINCC的軟件編輯和調試工作。

(2) 在保持圓盤剪PLC與主線PLC通過DP-coupler通訊的前提下，新增兩個DP-coupler并入網絡為后期增加控制點及IBA抓取信號點進行硬件準備。

(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項目內重新編輯新的圓盤剪HMI畫面，重新連接變量，并將子畫面內容簡化，實現獨立訪問新增PLC。通過控制軟件優化，確保主線HMI上的圓盤剪操作畫面與現場IPC477D控制器上HMI畫面不會沖突干擾。而且當IPC477D控制器死機重啟時，不會影響工程師站及主線集成的HMI運行狀態，保證改造后的圓盤剪控制系統高效可靠運行。

改造過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控制器無法訪問新增PLC。本次系統改造調試期間在新PLC背板上新增CP443網卡，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，實現了原有IPC 477D控制器和新PLC間通訊。

(2)因圓盤剪控制系統獨立于主線控制系統，圓盤剪使用的系統軟件為WINCC7.2版本，主線為WINCC7.0版本。集成到主線HMI時兩WINCC版本不同，無法整體移植。本改造系統中從圓盤剪項目導出的變量及HMI畫面無法直接導入主線WINCC項目使用。整體網絡通訊正常后，在主線工程師站內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，是通過PCS7做的項目集成且WINCC項目為雙服務器冗余系統。本改造系統中通過EXCEL重新編輯圓盤剪變量，與WINCC7.0格式一致后導入主線PCS集成項目里，HMI畫面重新編輯組件、變量連接并逐個下裝到兩臺畫面服務器內。

結束語

連退機組圓盤剪控制系統改造已投入使用，解決了畫面、PLC控制程序無法遠程操控以及IPC 477D控制器重啟虛擬PLC控制系統同步重啟后數據丟失等問題，節省了人工標定恢復數據的時間，實現了融為一體而又互不干擾的狀態，提高了連退機組運行的穩定性和生產的高效性。