摘要 ：随着不锈钢冷轧厂 ZR3# 机组自2002 年投产以来长期运行，其自动化系统逐渐暴露出设备停产淘汰、备件短缺、故障频发等问题，严重影响生产稳定性与产品质量。本文基于机组实际运行现状，围绕L1 级、L2 级自动化系统、HMI 系统、PDA 数据采集系统等核心模块，制定了“利旧与更新结合、兼容与升级并重”的改造方案，明确了设备选型、通讯优化、实施流程等关键内容。改造后经功能考核验证，系统核心指标均满足设计要求，生产故障时间大幅减少，年效益提升 86.8 万元，有效解决了机组运行瓶颈。

        关键词 ：不锈钢冷轧厂 ；ZR3# 机组 ；自动化系统 ；升级改造 ；运行效益

         不锈钢冷轧厂 ZR3# 机组作为关键生产设备，承担着高品质带钢的轧制任务，其自动化系统的稳定运行直接关系到企业生产效率与产品竞争力。该机组投产于2002 年，自动化系统由原ALSTOM公司提供，历经十余年运行，相关硬件设备已逐步停产，备件采购困难，且主传动系统存在设计缺陷，频繁跳闸、板型测量失真等问题日益突出，不仅造成大量质量损失和故障停机时间，还制约了机组高速生产能力。为破解这一困境，不锈钢冷轧厂结合机组设备现状与生产需求，委托专业技术团队制定针对性升级改造方案，通过更新核心控制设备、优化通讯网络、完善数据采集功能，实现系统性能的全面提升，为机组长期稳定高效运行奠定基础。

        1  不锈钢冷轧厂ZR3#机组自动化系统概况

        不锈钢冷轧厂 ZR3# 机组的自动化系统由原ALSTOM公司（现 GE PC 公司）提供，包含L1 级PLC 控制系统、L2级服务器系统、HMI 人机交互系统及传动通讯系统等核心模块，其中L1 级 PLC 采用VME 7698 CPU， 远程 IO 采用 GE-N80 接口，主传动系统为VDM6000 系列，板型仪为ABB stressmeter5.0 系统。机组自 2002 年投产至改造前已运行 17 年，期间未进行过系统性电气控制优化，随着电气技术迭代，原有自动化产品均已停产淘汰，市场无备件供应，设备老化问题愈发严重，主控 CPU 及插件运行不稳定，频繁出现张力抖动、跳闸等故障，ABB 板型辊测量失真无法满足高速轧机AFC 自动控制要求，2020 年全年跳闸 46 次，产生 23 个质量卷，故障总时间达 177h，一级故障发生 9 次，造成巨大经济损失，成为制约工厂产量与质量提升的硬伤，同时给设备维护和生产组织带来极大压力。

        2  不锈钢冷轧厂ZR3#机组自动化系统升级改造的必要性不锈钢冷轧厂 ZR3# 机组自动化系统的升级改造具有

        极强的迫切性与必要性，是保障工厂连续生产、控制运营成本、提升市场竞争力的关键举措。该机组自动化系统自2002年投用后未进行过系统性升级，核心硬件与软件均已随技术迭代被厂商停产，市场上难以采购到适配备件，一旦设备出现严重故障，将面临长期停机风险，直接威胁工厂生产计划的顺利推进。同时，设备长期运行导致的老化问题日益凸显，主控 CPU、板卡等部件稳定性持续下降，主传动系统因设计缺陷频繁跳闸，板型仪测量精度不足，不仅造成大量质量不合格的带钢卷料，增加了生产成本，还导致机组故障停机时间大幅增加，生产效率难以提升。此外，原系统的通讯方式、控制逻辑已无法适配当前高速轧制、精准控制的生产需求，且维护难度不断加大，维护成本逐年上升，与不锈钢冷轧厂追求高效、稳定、低耗的生产目标严重不符，若不及时升级改造，将进一步扩大经济损失，削弱企业在不锈钢冷轧领域的市场竞争力，因此启动自动化系统升级改造势在必行。

        3  不锈钢冷轧厂ZR3#机组自动化系统升级改造方案

        3.1  改造设计原则与执行标准

        本次改造严格遵循“功能达标、安全兼容、投资精简、周期可控、采购连续”的设计原则，在不做大范围硬件改动的前提下，确保升级后系统满足机组稳定连续生产要求，与原系统安全有效融合，同时充分利用预定停机时间缩短改造工期，设备选型兼顾质量可靠性与采购渠道多样性。改造全过程严格遵循国际电工学会（IEC）、欧洲标准（EN）、国际标准化组织（ISO）、国标（GB）及企业标准（GEWAC），设计依据主要包括不锈钢冷轧厂提供的ZR3# 机组电气设备设计资料、当前机组运行的最终程序（含L1、L2、HMI 及主传动VDM6000 内程序），确保方案的科学性与可行性。

        3.2  L1级自动化系统改造方案

        L1 级自动化系统作为机组控制核心，改造重点在于更新淘汰设备并优化通讯方式。机组 AJ01 柜中原ALSTOM PLC 系统框架全部淘汰，更换为 GE 公司最新控制器 HPCi-RXi-042 系列，柜体保留利旧 ；原本的 IO板卡（含 DIZ 板、N80 通讯板等）更新为倍福快速 IO 系列模块，通过高速以太网 EtherCAT 与新控制器通讯，主传动系统与 L1 级通讯升级为高速以太网，HPCi 新增CANBUS 通讯板实现与辅传直接通讯。远程 IO 系统中所有 GE-N80 接口的 RIO 全部替换为德国 WAGO 品牌系列 RIO， 采用 Profibus-DP 标准接口，在原 RI/O 柜内按相同 I/O 点数对等替换，同一网段内可适当整合 I/O站数量。应用程序及编程软件升级为 GE 公司 P80i 系列最新版本，兼容Windows 7 及以上系统，原有程序全部移植至新控制器并保持功能一致 ；AR01 传感器柜保留柜体及信号放大器板，按新设计接线图重新接线，确保信号传输稳定。

        3.3  L2 级自动化系统改造方案

        L2 级自动化系统硬件全部淘汰更新，配置一台高性能服务器，取消备用服务器，采用虚拟技术运行，保留原系统所有功能（含数字模型、数据库及L2 画面），并新增与L3 级 /L4 级系统的预留接口，为后续工厂智能化升级预留空间。服务器硬件选型采用Xeon E5-2620 v4 双处理器，配置 16GB DDR4 内存、4 块 1.2TB 10k rpm 热插拔SAS 硬盘并组建 RAID 1 阵列，配备 4 个 1000MB LAN 适配器、冗余风扇及 460W 热插拔电源，确保运行稳定性 ；软件方面预装Windows 10 系统及L2 级数据库应用程序，保证数据处理与存储能力满足机组生产需求。改造后系统需实现 CPU 平均负载率控制在40% 以内，HMI 画面切换、扫描及数据计算调用时间分别满足≤ 1s、≤ 1s、≤ 1.5s 的要求，网络负载率≤ 30%。

        3.4  HMI 与PDA数据采集系统改造方案

        原有人机操作界面（HMI 系统）全部淘汰，更新四台HMI 操作站及一台工程师站，继续采用 INTOUCH 10.1版本以上单机版软件及开发版，新HMI 画面严格遵循原风格及功能设计，确保操作人员无需额外培训即可快速上手。HMI 操作站及工程师站硬件配置为英特尔酷睿i5- 7500 处理器、8GB DDR4 内存、500GB 7200rpm 硬盘，配备 Dell 24 寸显示器、1000MB LAN 适配器及Windows 10操作系统，预装ALSPA P80i 编程 / 维护软件，满足系统调试与维护需求。新增一套 IBA 品牌PDA 数据采集系统用于机组维护，采用UDP 接口模式支持无限点采集，硬件选用英特尔酷睿i7-8700 处理器、16GB DDR4 内存、1TB SATA 硬盘及2TB 附加硬盘，配备Dell 24 寸显示器，预装ibaPDA-V6-2048 数据采集软件，实现机组运行数据的全面监测与追溯。

        3.5  操作台箱与网络系统改造方案

        现场操作台箱按武钢 ZR4/5 轧机改造标准更新，包括左右悬臂操作台、开卷操作台及主控操作台，更换操作按钮盘及内部 IO 站，将原牌坊显示屏功能取消，把换辊操作箱功能移植至悬臂操作台上，优化操作流程。网络系统改造聚焦RIO 站与传动 -PLC 通讯网络，RIO 站网络更新为Profibus-DP 方式，传动和PLC 的网络系统全面升级，提升数据传输速率与稳定性 ；同时梳理现有网络架构，确保各子系统间接口通畅，避免数据传输延迟或中断问题。改造过程中，所有控制、动力电缆及PLC 柜均利旧保留，仅对通讯网络相关线路进行优化调整，降低改造成本的同时缩短施工周期。

        3.6  传动系统与板型仪改造方案

        主传动系统（VDM6000 系列）及辅助传动系统设备保留，重点优化通讯接口。主传动与新控制器HPCi-RXi-042的通讯更新为高速以太网通讯，修改主传动通讯程序 ；辅传取消原光耦通讯，改为 CANBUS 电缆直接通讯，提升传动控制响应速度与稳定性。板型仪升级改造采用“控制器新增 +硬件更新”模式，新增一台HPCi-RXi-042 控制器安装于AJ02 柜，专门负责板型控制 ；板型辊硬件更新为ABB 或BFI 品牌碳化钨涂层一体辊，替换原环状分条辊，板型仪系统由 stressmeter5.0 升级为 stressmeter9.0，解决原系统测量失真问题，满足高速轧机AFC 自动控制要求，提升带钢板型质量。

        3.7  改造实施流程与分交范围

        改造实施流程严格按“调研设计—设备采购—现场施工—调试验收”四阶段推进。合同成立后，乙方派遣工程师赴不锈钢冷轧厂现场调研，评估设备参数，与甲方确定实施步骤及配合模式 ；基于调研结果完成详细设计，出具柜内设备布置图、接线图等技术文件，经甲方审核通过后启动设备采购与成套 ；利用机组预定停机时间（预估 10 天）， 由甲方负责现场电气安装，乙方提供技术指导，完成设备拆卸与新设备安装 ；安装完成后依次开展12 天单机测试、5 天冷负荷试车，调试过程中甲方配合乙方完成功能验证，最终通过无负荷试车、负荷试车及最终验收测试三个阶段的考核。分交范围方面，乙方负责自动化系统初步设计、详细设计、设备成套供货、软件编程、现场调试、热负荷试车及人员培训，甲方负责现场电气安装工作。

        4  不锈钢冷轧厂ZR3#机组自动化系统升级改造效果

        4.1  核心技术指标考核达标

        2022 年 3 月 28 日至 31 日，不锈钢冷轧厂组织对 ZR3#机组改造后的自动化系统进行功能考核，所有核心指标均满足设计要求。L1 级系统 HPC CPU 平均负载率在 33h测试期间采样 20 次，平均值为 19.7%，远低于≤ 50% 的保证值 ；HMI 画面响应时间为 500ms，数据刷新时间统一设置为 300ms，均满足 <1s 的要求 ；L1 级自动化硬件系统、HMI 及传动系统利用率达 100%，超出≥ 99.8% 的保证值。L2 级系统硬件利用率同样达到 100%，CPU 平均负载率在 24h 测试期间平均值为 1.19%，低于≤ 40% 的标准 ；HMI 画面切换、扫描时间均≤ 1s，数据定时刷新时间 300ms ≤ 1.5s ；网络平均负载率平均值为 0.49%， 远低于≤ 30% 的要求，系统运行稳定性显著提升。

        4.2  生产运行稳定性大幅提升

        改造前，ZR3# 机组主传动频繁损坏触发板，开车频繁跳闸，硬件不稳定导致张力抖动，主控 CPU 及板卡故障频发，板型仪测量失真无法投入AFC运行，产品板型质量差。改造后，主传动系统运行稳定，完全避免开车状态下跳闸（经二号轧机两年多运行验证），主控 CPU、IO 及网络模块运行可靠，无不定时硬件故障 ；升级后的板型仪测量精准，AFC 系统正常投入使用，带钢板型质量显著改善，断带事故发生率降低。根据改造后三个月运行数据统计，仅发生一次非卖方责任的摆动门故障导致I/O模块保险烧毁，无因改造设备问题引发的停机，设备运行稳定性达到同类机组先进水平。

        4.3  经济效益与生产效率显著提升

        改造带来的直接经济效益十分可观，2020 年改造前，机组因跳闸产生 23 个质量卷，按每卷 25 吨、每吨利润 800 元计算，年损失 46 万元 ；全年故障时间 177h，按每小时轧制 20 吨、每吨利润 200 元计算，损失 12.8 万元 ；一级故障 9 次造成 70h 停机，损失 28 万元，三项合计年损失 86.8 万元。改造后，这些损失全部避免，年直接效益提升 86.8 万元。同时，系统响应速度加快，操作流程优化，机组高速生产能力得到释放，能够稳定生产更高表面等级的带钢，产品合格率提升，间接提升了企业市场竞争力 ；设备维护方面，新系统采用通用化、标准化设备，备件采购渠道通畅，维护手册完善，大大降低了维护难度与成本。

        4.4  系统兼容性与扩展性优化

        改造后的自动化系统与原机组机械设备及其他子系统实现无缝融合，保留了原系统核心功能与操作习惯，确保生产连续性不受影响。L2 级系统新增的L3/L4 级接口，为不锈钢冷轧厂后续构建智能化生产管理平台、实现全流程数据贯通奠定了基础 ；PDA 数据采集系统的投用，实现了机组运行数据的实时监测、记录与追溯，为设备预测性维护提供了数据支撑。此外，新系统采用的EtherCAT、Profibus-DP 等主流通讯协议以及 GE、倍福、 WAGO 等知名品牌设备，具备良好的兼容性与升级潜力，可根据未来生产需求进一步扩展功能模块，满足企业长期发展规划。

        5  结语

        不锈钢冷轧厂 ZR3# 机组自动化系统升级改造，精准聚焦原系统设备老化、备件短缺、故障频发等核心问题，通过科学的方案设计、合理的设备选型、规范的实施流 程，实现了系统性能的全面提升。改造后，机组不仅在核 心技术指标上达到设计标准，更在生产稳定性、产品质量、经济效益等方面取得显著成效，年新增效益 86.8 万元，有效破解了制约生产的瓶颈问题。本次改造的成功实践，充分体现了“利旧与更新结合、技术与需求匹配”的改造思路，为同类老旧冷轧机组自动化系统升级提供了宝贵的经验借鉴。未来，不锈钢冷轧厂可基于改造后 的系统平台，进一步推进智能化升级，深化数据应用，提 升生产管理的精细化水平，为企业高质量发展注入持续 动力。