行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
鋼筋軋延製程自動監控診斷系統
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC94-2622-E-110-009-CC3 執行期間： 94 年 05 月 01 日至 95 年 04 月 30 日 執行單位： 國立中山大學機械與機電工程學系(所) 計畫主持人： 曾逸敦 計畫參與人員： 洪子瑜 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫為提升產業技術及人才培育研究計畫，不提供公開查詢中 華 民 國 95 年 6 月 9 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
■ 成 果 報 告
□期中進度報告
鋼筋軋延製程自動監控診斷系統
計畫類別：■ 個別型計畫 □ 整合型計畫
計畫編號：
NSC
94-2622-E-110-009-CC3
執行期間：94 年 5 月 1 日 至 95 年 4 月 30 日
計畫主持人：
曾逸敦
教授
共同主持人：
計畫參與人員：
洪子瑜
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：■精簡報告 □完整報告
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、
列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢
□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢
執行單位：
國立中山大學 機械與機電工程學系
中 華 民 國 95 年 6 月 9 日
一、中英文摘要：
關鍵詞：軋鋼系統、遠端診斷、工廠自動化中文摘要：
鋼筋軋延的生產過程中，有許多相關的參數需要及時監控，如精軋區溫度，不僅影響 鋼筋的金相材質，若因為溫度的估測錯誤或是控制不良，將會對軋延阻力產生影響，這是造 成鋼筋不均的主要因素。目前的軋延控制系統使用封閉的控制系統。由於不容易取得即時的 測量資料，使得欲改善其性能而加入額外功能的工作十分困難。若能利用網路監控並診斷相 關參數，不僅可節省工廠人力對於品質的提升也有莫大的幫助。 本計畫目的為開發一”鋼筋壓延製程自動監控診斷系統”，其中包含負責鋼筋軋延現場相 關資訊收集之”資料收集系統”、資料儲存顯示的”圖形化監控介面”以及分析診斷軋延系統相 關參數的”軋延診斷系統”。其中包含下列幾個項目 1. 資料收集系統： (a)軋延設備相關參數收集：利用 Labview 程式語言作為主要的開發軟體，利用 CAN（Controller Area Network）bus 作為控系統的網路通訊架構。 (b )控制器模組資料擷取： 利用 Labview 程式語言作為主要的開發軟體，利用 TC/PIP 和 RS-485 等通訊協定搭配 各家控制器相關的設定將資料擷取至一共同平台 2. 圖形化監控畫面： 利用 Labview 程式語言作為主要的開發環境，將所收集到的資料呈現在相關設備上。 3. 軋延診斷系統： 利用網路診斷維修系統的建立，藉以縮短設備診斷維修與故障排除的時間，提高設備 性能的可靠度，並提供現場生產設備最佳運轉狀況之監控、診斷及維修，進而達到預防保養 及品質控制的目的，以及零故障之最終目標。
Keywords：rolling mill process、 factory automation、graphic supervisory control
英文摘要：
In the rolling mill process of the steel bar, the performance of temperature control directly
influences the quality of steel. The temperature control system receives readings from the finishing
milling machines, such as temperature and the quantity of the spraying water at each station, and
feed them into a thermal model to predict the temperature distribution along the length of a steel
slab. From the predicted temperature distribution the temperature control system modifies the
rolling speed and the quantity of cooling water to keep the thickness of steel within specifications.
However, a typical hot rolling production line spans more than a hundred meters, with three
measuring sites connected with a network to transmit measurements to a main control computer.
This thesis proposes a new temperate control system framework based on the Controller Area
Network (CAN) protocol, which can synchronize data acquisition with remote sites and become the
infra-structure of a more complete hot rolling mill control system.
The purpose of this plan is to develop a “The Diagnosis and Monitor System for the Rolling
Mill Process of the Steel Bar”. It includes ‘Data Collection System’,’ MMI System, and ‘Remote
二、
報告內容
1. 研究計畫背景
(a) 鋼筋軋延系統
圖一為鋼筋軋延系統示意圖，主要是從鋼胚送入加熱爐開始至完成整個軋延流程，其 中分為下面幾個步驟:
(1)首先由推高機堆置將鋼筋推送至 CHAGING ROLLER TABLE，由 MAIN PUSHE 將 鋼胚推進加熱爐進行加熱，利用鋼胚不斷的推進使得鋼胚在加熱爐內補料填滿。
(2)檢測鋼胚是否到達 SIDE PUSHER 的位置，如鋼胚到達定點，開啟加熱爐出料爐門， 爐門開啟後，SIDE PUSHER 將鋼胚推出加熱爐，並將鋼胚移至 DISCHARGING ROLLER TABLE，並控制 DISCHARGING ROLLER TABLE 移動鋼胚。
(3)如鋼胚到達 LOAD CELL 定點則進行秤重動作，秤重完畢後鋼胚移入 ROUGHING MILL 使用進行粗軋，鋼筋粗軋後進入 FLYING SHEAR 位置，控制 FLYING SHEAR 進行剪頭剪尾功能。
(4)鋼胚通過 FLYING SHEAR 後，進入 LOOP TABLE 並控制 LOOP 定型控制閥使鋼胚 剪頭尾後產生 LOOP 效果，鋼筋通過 LOOP TABLE 後進入 INTERMEDIATE MILL 單元進行中軋功能。
(5)鋼筋經過中軋後到達 FLYING DIVIDING SHEAR 位置，利用 FLYING DIVIDING SHEAR 將鋼胚進行分長度的功能，鋼筋切長度後進入 DIVIDING ROLLER TABLE AND STOPPER 單元，控制分道控制閥#1~4 進行分道，順序為 1-3-2-4。
(6)鋼胚通過分道後進入 FINISHING MILL 單元，控制 FINISHING MILL MOTOR#1 ~M304 進行精軋功能，鋼筋精軋後進入 REPEATER 單元隨再繼續進行精軋，精軋 後成品完成。
(7)鋼筋進入過 PINCH ROLLER 單元使成品加速射出，並由冷卻床煞車控制閥#1~8 進 行煞車，將成品停在冷卻床相對位置，隨後將成品撥出至 COOLING BED，在 COOLING BED 中將鋼筋移動排列，且利用 LEVEL LINE MOROT 作齊頭功能， 成品齊頭後達到所需數量時則移出 COOLING BED 送到冷剪單元。
(b)
工廠自動化：
當前民間製造業，在資本上多屬家族式企業或十年歷史之設備，在當時是非常有效 率之機具設備，現今人力欠缺以及基層吵雜，環境惡劣難以招募到員工，因此要增加競 爭力，首要改善的目標為製程合理化，縮減不必要的流程，減少人員在惡劣環境工作的 時間 ; 因此需要大量現場生產資訊回饋至控制中心或分散控制中心 ; 然而目前大多數 之生產線，尚無與電腦聯線與網路系統的架構。生產現場作業如日報表、機台使用狀況、 用電量、庫存量及其需求量、進度表及機械維修記載等，均以人工方式填寫 ; 各生產機 台未電腦連線，整場亦未形成網路架構，生產實際數據仍仰賴人工報表，因此對製程是 否在最佳狀態無法判斷與掌控，且製造的前置作業變成不可控、不可觀察與不可預測， 更難以追蹤與查核評估其效率與使用率 ; 導致時間、人力與物力無法充分發揮、調度困 難或工作勞役不均等現象。行政作業自業務單位訂單的取得，到表單的開出、庫存的清 查、訂定交期以及物料的備料等，均仰賴人工報表的查詢，曠廢時日，因此對規範、物 料需求等的掌控無法及時處理，因此常造成呆料或庫存過多，進而造成延誤工期現象， 增加製造成本負擔。為了提升工廠競爭力，工廠自動化為必然趨勢。(c) 遠端監控系統：
我們將工廠現場的資料傳回給系統控制者，系統控制者再依一定的判斷法則作出相 對應的控制輸出，這就形成了一套監控系統。一般工廠監控系統之組成可由圖 2 所示： I/O 控 制 裝 置 轉換器 傳送器 感測 致動 E t h e r n e t製程設備
I/O信號
I/O通訊
網路通訊
監控電腦 遠端監控電腦 圖控軟體 硬體裝置 圖 2 監控系統之架構 圖 2 中主要分為三個部分，I/O 信號包括各種感測器、致動器及傳轉器與 I/O 控制裝 置間的類比或數位訊號；I/O 通訊指 I/O 控制裝置與監控電腦間的通訊，常見的通訊介 面如 RS-232、RS-485、TCP/IP 等；網路通訊指監控電腦與遠端監控電腦間即時數據的 資料通訊，通常為 Ethernet，並採 TCP/IP 通訊協定。 (d) 遠距診斷系統： 近幾年來，隨著網路技術的不斷進步與發展，已由區域網路、廣域網路擴展至網 際網路。而在生產製造系統中，由於生產設備種類日新月異，現場操作員及工程師 除了要熟悉操作方法之外，還要了解維修保養及故障排除；同時，若要提高產品的 品質及降低不良率，除了最佳的製程參數設定外，就是讓設備保持在最佳的運轉狀況，因此，為了更有效地掌握設備的運轉狀況，透過網路診斷維修系統的建立，將 設備廠商的原廠工程師，與現場的製程工程師及維修工程師緊密結合起來，實現遠 距診斷維修的目標，藉以縮短設備診斷維修與故障排除的時間，提高設備性能的可 靠度，並提供現場生產設備最佳運轉狀況之監控、診斷及維修，進而達到預防保養 及品質控制的目的，以及零故障之最終目標。
2.研究目的:
本計畫目的為開發一”鋼筋壓延製程自動監控診斷系統”，其中包含負責鋼筋軋延現 場相關資訊收集之”資料收集系統”、資料儲存顯示的”圖形化監控介面”以及分析診斷軋延 系統相關參數的”軋延診斷系統”。其中包含下列幾個項目 1. 資料收集系統： (a)軋延設備相關參數收集：利用 Labview 程式語言作為主要的開發軟體，利用 CAN（Controller Area Network）bus 作為控系統的網路通訊架構。 (b )控制器模組資料擷取： 利用 Labview 程式語言作為主要的開發軟體，利用 TC/PIP 和 RS-485 等通訊 協定搭配各家控制器相關的設定將資料擷取至一共同平台。 2. 圖形化監控畫面： 利用 Labview 程式語言作為主要的開發環境，將所收集到的資料呈現在相關設備上。 3. 軋延診斷系統： 利用網路診斷維修系統的建立，藉以縮短設備診斷維修與故障排除的時間，提 高設備性能的可靠度，並提供現場生產設備最佳運轉狀況之監控、診斷及維修， 進而達到預防保養及品質控制的目的，以及零故障之最終目標。
3. 重要參考文獻之評述
a.資料傳輸技術
資料傳輸的方式主要有兩種：串列傳輸（Serial Transfer）和平行傳輸（Parallel Transfer）。在串列傳輸中，位元一個接一個在單一電線上移動。而平行傳輸則是每個 字元的位元在自身電線上傳導。一般而言，平行傳輸大多用在傳送接收端距離相近時， 傳輸速度高。當設備間距離遠時，不只多路電線成本昂貴，而且長電線接收與傳送脈衝 信號也會更困難。使用串列傳輸方式較為有利 圖3 資料傳輸的方式b.遠距診斷系統
目前，有關遠距診斷維修方面的技術，尚無完整的系統提出，有些雖然有診斷功能， 但僅局限於單機本身或只診斷出結果，並無法找出原因，提出解決方案。同時，由於目前 廠商在網路上所提供之支援，大部份屬於靜態之技術資料，並無法針對不同客戶給予適當 的協助。因此，建立一套雙向互動式之遠距診斷維修系統是非常需要的。4. 研究方法
a. 資料收集系統： (a)軋延設備相關參數收集 下圖為軋延設備參數收集的主要架構，我們主要利用 Labview 程式語言作為主要的 開發軟體，利用 CAN（Controller Area Network）bus 作為監控系統的網路通訊架構。圖4 監控系統的網路通訊架構
b.
圖形化監控畫面：我們將利用 Labview 程式語言作為開發環境，將所收集到的資料呈現在相關設備 上，主要的畫面將分為下面幾部分
z 軋鋼溫度控制
c
. 軋延診斷系統： 我們將利用網路診斷維修系統，藉以縮短設備診斷維修與故障排除的時間， 提高設備性能的可靠度，我們將利用專家系統的觀念以提高診斷的效率以下將 說明說明專家系統的架構 z 專家系統 專家系統的運作方式，是由領域專家提供其寶貴經驗及知識，並由系統建構工程師加 以彙整並建構於電腦系統程式中，以提供使用者解決該領域之各項問題。專家系統主要 架構如圖8所示： 圖8 專家系統主要架構從專家系統的運作方式中可得知，在建立專家系統的過程中，有三個主要的程序： (1)、知識擷取：將專家的知識擷取出來。 (2)、知識表現：將擷取出來的知識轉變成專家系統所能處理的型式，存入知識庫中。 (3)、知識推論(Knowledge Inference)：建立適合解決問題的推理機制，以控制推理過程。 目前常用的推理方式有前向推理、後向推理和繼承推理三種。
