宝钢1号连铸机及KIP／CAS三电系统改造

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宝山钢铁股份有限公司章建雄朱杰周建平

摘要：针对宝钢1号连铸机及KIP／CAS三电系统原套设备老化、备件无法供应、维护与故障分析处理困难等问题进行改造。改造采用了离线仿真、并行运行等技术，解决了共用系统在线改造、不同系统间通信协议以及新旧系统共存等难题。本次改造由宝钢自主完成三电控制系统的系统集成、调试与热负荷试车，并取得了系统改造投运后当月达产的良好效果。

关键词：连铸机三电系统在线改造网关通信网络

0 引言

宝山钢铁股份有限公司宝钢分公司炼钢厂于2006年10月完成了1号1930 mm连铸机及精炼KIP与CAS三电系统的改造，其改造范围涉及1号连铸机、精整线、热送线、KIP与CAS的现场设备级(L0)，基础自动化级(L1)，过程控制级(L2)的网络通信系统以及相关系统的接口。

1 改造前后三电系统构成

1．1 改造前三电系统构成

宝山钢铁股份有限公司宝钢分公司炼钢厂1号连铸机及其精整线与热送线部分的电气控制PLC共同挂在安川的CP一240网络上，由日本横河电机供货的仪表DCS则挂在横河的HF—BUS网络上，两个网络通过Modem进行通信。现有KIP／CAS的PLC共同挂在安川CP一225网络上，其仪表控制系统DCS则共同挂在横河的HF—BUS网络上，两系统间连锁控制信号则通过PI／O(过程输人／输出)硬接或进行相互通信。KIP／CAS的L2计算机采用的是日本富士通Facom U一1500小型机，通过Modem使用已经淘汰的PLCA通信协议与L1进行通信；1号连铸、精整的L2系统使用的是Alpha 4100，通信协议为标准的TCP／IP，与L1通过Modem和PLCA G／W进行通信。

原连铸三电系统经过17年的运行，系统设备已严重老化，故障率不断上升，基础自动化系统属淘汰产品，备品备件无法买到，对连铸设备的正常运转与生产顺行构成严重的威胁；原系统电气、仪表、计算机相互独立，相互间通信方式落后、速度慢，很难满足连铸自动控制要求；原系统开放性差，无法与其他品牌PLC进行通信，不利于工艺改造和自动化水平提高；另外从宝钢最近投产的连铸机新工艺来看，原系统配置已不能满足生产工艺及设备维护发展的需要。

1．2 改造后的三电系统构成

由于2号连铸机的Ll和L2已经完成改造，改造后的1号连铸机三电系统使用2号连铸机三电系统结构，即采用EI C的结构。改造后，新的安川PLC和横河的：DCS共同挂在V—net网络上。L1电气采用日本安川公司的CP一3550PLC、仪表采用横河公司的CentumCS3000 DCS构成完整的基础自动化系统，完成相应的控制功能；L1与L2通过OPC的方式进行数据通信。

2 改造技术难点

宝钢分公司一炼钢1号连铸机是世界上工艺和操作流程最复杂的连铸机之一，是宝钢分公司的物流中心，其生产设备容量大、生产节奏快、产量高、物流复杂。这样的三电控制系统要进行在线大规模改造有如下技术难点：

1)系统接口：本次改造范围从：KIP／CAS系统到1号连铸机再到热送、精整线，从专业来划分从L0到L2，相互间及相关系统的接口相当复杂。

2)系统整合：为了配合工艺设备改造及设备利旧，1号连铸机的铸机部分及精整线的传动设备暂时不进行改造，因此新老系统整合是一个难题。

3)生产保证：精整、热送线是1号，2号连铸机共用的，而在停机改造期间必须保证2号连铸机的正常生产，所以要找到在不停机情况下完成精整、热送线改造的方法。

4)网络结构：KIP／CAS、1号连铸机、2号连铸机、精整区域既要相对独立、互不干扰，又要进行信息交换，这对网络结构配置及软件编程开发来说有相当的难度。

5)通信协议：硬件设备不同，系统网络结构不同，通信协议不同，但要保证能进行相互间的正常数据通信。

6)新旧系统共存：在系统改造中要进行新老两种系统的剥离和切换，因此必须考虑新老系统的切换问题，不能相互影响。而且改造过程中存在边改造边生产的情况，新老控制系统在改造期间需同时运行。

3 在线三电改造技术解决方案

3．1 系统网络结构设计

考虑到改造后的三电系统网络不同通信层次对实时性的不同要求，因此工程师站、数据站及辅助网络采用工业标准以太网和TCP/IP协议，而在控制网络中则采用以日本横河电机和安川电机共同开发的V一net．专用网络，确保信号、数据的实时性、安全性。控制器的数据交换通过现场总线来完成，以获得更高的响应速度。

改造后系统网络与总线配置共有3条以太网(100 Mb／s)总线。第1条连接主系统各PLC和CP—trace(安川PLC数据跟踪系统)；第2条连接工程师站(EWS)、主系统各PLC和打印机；第3条连接连铸电气室、运铸中央操作室、KIP／CAS操作室和切割操作室的HMI和打印机。由V—net实时通信总线构成冗余总线结构，连接电气PLC、仪表DCS和HMI。L1与L2之间通过OPC服务器连接通信。由系统总线连接起来组成的局域网主要进行设备及装置的顺序控制和过程控制、现场信号的采集及处理、以及各种信号的趋势和报警管理。

连铸机共通部分共有2条更新的现场总线，分别为CP一215(4 Mb／s)现场总线，连接改造后的PLC和2000 I/O(远程I／O)；CP一216(4 Mb／s)现场总线，连接改造后的PLC和变频器(VS—G7)。

连铸机铸流部分为了保留与原有铸机变频器通信共设置了4条现场数据总线，增设CP一3550的CP一225IF卡，实现与原现场总线的通信，即保留原有2条CP一225(1 Mb／s)，用于改造后PLC与原变频传动柜的通信。新增1条CP一215(4Mb／s)现场总线连接改造后的PLC和2000 I／O；新增的第2条CP一216(4 Mb／s)现场总线连接改造后的PLC和变频器(VS—G7)。

精整、KIP／CAS区域网络、总线与上类同。

改造后三电系统网络横向采用V—net主干控制总线，贯穿1号连铸机、2号连铸机、精整、：KIP／CAS的L1(电、仪主干控制器)以及L2(过程计算机)，是各区域内控制站间和控制站与操作站数据传送的主通道，也可通过该总线监控区域间信号。纵向使用现场总线来完成区域内的L1与L0之间的信号、数据交换，而通过V—net实现L1与L2的数据通信。这样，在各区域的控制系统中，网络层次分明，分工明确。

在新主干控制器CP一3550中增加CP一225IF卡，保留了原有现场总线功能在对1号连铸机铸流变频器、精整线变频器以及精整远程I／O设备未作改造的情况下，实现了新老系统整合。

3．2 并行运行技术应用

1930 mm连铸机精整、热送线为1号和2号连铸机共用的生产线，由于在该生产线定修日停机结束之后，热送线PLC新系统必须投入运行，除了设备安装、I／O检查和试运转的时间外，根本没有调试时间，因此在对精整三电系统改造时开发应用了一种并行运行改造方案。具体方法为：提前建立并行运行系统，即由老系统的PLC进行控制，新系统的PLC只读人数据，不输出信号，并不断地与老系统的信号作比较，在比较中发现新程序的问题。经过1—2个月并行运行后拆除老系统，在不停机情况下，完成新老系统无差错切换。本次改造于2006年9月7日并行运行在线测试完毕，在确保2号连铸机正常生产的前提下，使用并行运行改造技术，成功地完成了系统改造切换。

3．3 分网和并网

增设V—net网关使系统的通信更灵活，将网络分成调试网与整合的生产网并使之隔离，按1号连铸机、2号连铸机、KIP／CAS、精整区域设置V—net网关ABC，分隔成4个小系统，以便满足调试和试生产时软件测试需要，同时不影响其他区域的生产调试，也为以后设备维护、改造创造互相独立的条件，调试结束后，由于相互间数据信息需要进行监视，可通过V—net工程师站(服务器)的设置，实现并网，很方便地整合成大区域内操作监视，即可在1号连铸操作室操作或监视KIP／CAS、2号连铸机的HMI，以达到特殊操作监视功能的需要，确保了生产区域的安全可靠。

3．4不同厂商PLC的通信

连铸基础自动化系统主系统CP一3550和CS3000与过程计算机、机电一体化PLC、其他区域的PLC通信接口都有数据交换，由于这些PLC、计算机由不同厂商供货，硬件设备不同系统网络结构不同，通信协议不同，无法通过V—net进行数据通信，因此根据控制器类型和通信数据量，分别采用了不同的通信方式。与主干PLC通信数量较少的机电一体化PLC，采用了点对点通信方式；对通信数量较多的水处理PLC采用增设标准现场总线的方式，与过程计算机的通信采用增设网关的通信方式。

水处理是连铸机重要的共用系统，与连铸主系统相对独立，但通信数据量较多，控制系统使用的西门子S7—400系统无法通过V—net进行数据通信，而安川电机的CP一3550可通过不同的接口支持多种通信协议，其中CP一261卡支持Profibus DP通信，但一般只作为主站连接标准的从站设备。因此将西门子S7—400设置成CP一3550的从站(采用CP443—5网卡)实现通信。

涉及本次改造的L1与L2的通信接口有：1号连铸机、精整、KIP／CAS三电系统。为实现改造后L1与L2的通信，取消了原日方提供的PLCGateWay，同时将使用PLCA通信协议的日立设备改造为可以使用标准OPC通信的横河设备，取消原日方提供的PI/O GateWay，PI／O设备的信号由L1统一管理，利用L1的OPC Server实现数据交换。增加两台OPC Server挂在Ll网上，互为热备份。每台OPC Server都插有两张网卡，一张网卡与L1网络相连，另一张网卡与口计算机相连，在OPC Server上实现两种通信协议的转换，从而实现L1与L2的数据交换。通过本次改造，Ll与L2的数据更新周期由原来的4 min缩短到10s，完全满足工艺需要。

3．5 离线仿真和在线调试技术

针对停机改造时间短的KIP／CAS和精整区域，结合各自的特点，分别采用离线仿真和在线调试技术。

对于KIP／CAS区域，停机改造时间短，且受电气室空间的限制，基础自动化部分无法采取新旧设备并行运行的方式，而有效利用离线调试，将大大提高在线调试的准确率、节省停机改造时间。对这一部分的改造采用仿真技术，编制仿真测试程序模拟现场设备的I／O信号连接和设备的动作信号，大大减小了对生产的影响。

离线仿真系统的实现思想为：在新系统中编制仿真程序，模拟原系统的工艺流程，并在HMI画面上显示。通过与原系统状态进行比较，判断新系统的准确性与完整性。离线仿真系统实现方法如下：根据工艺流程，通过编制程序模拟现场设备的I／O状态，新系统根据仿真程序输出来模拟现场设备的I／O状态运行，并在HMI画面上显示。

离线仿真调试的难点在于根据工艺流程编制程序模拟现场设备I／0的状态。编制程序时必须考虑到不同工艺状态时各I／O的动作顺序与动作状态，同时必须考虑每个工艺流程的设备详细动作状态，编制的仿真程序要如实再现整个工艺流程，不遗漏每个I／O，因此编制仿真程序的工作量很大。

系统改造过程中离线调试替代大部分在线调试，由L1模拟信号发生系统不间断模拟完整的L1过程，并且在停机改造及定修日，完成了与L3及相关接口的调试。

对于精整区域的改造，由于停机改造时间仅限于24 h，没有时间更新A1～A15变频器，为了完成精整热送线的改造，又要保证2号连铸机的正常生产，因此开发出新老系统共存的在线调试技术，根据新老变频器不同的通信方式编制两套程序。

在9月7日热送线投入运行时，新的热送线PLC控制原来老的变频器。最后在精整线设备投入运行之后分步对老的变频器进行更换。

4 结束语

宝山钢铁股份有限公司宝钢分公司1号连铸机及KIP／CAS三电系统改造后新系统自2006年10月投入生产至今运行稳定。本次改造的成功实施，虽难以计算直接经济效益，但有助于使1号连铸机自动化设备达到国际先进水平，彻底解决了三电系统的硬件老化、备品备件无法解决并随时可能严重影响生产的隐患，保证了炼钢厂生产的正常顺行，同时为炼钢厂采用世界最先进技术、使操作管理自动化水平赶上世界一流水平打下了良好基础。

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