概要
新日鐵住金株式会社は、自動車、鉄道、産業機械、建築等の分野に向けて、付加価値の高い高品質な鉄鋼製品を生産・販売する世界トップクラスの鉄鋼メーカで、日本の産業の発展を支えてきた歴史ある企業です。
新日鐵住金株式会社の製鉄所の一つである八幡製鐵所の歴史は古く、1901年に日本初の官営製鉄所として設立されたことで知られており、その関連施設は世界遺産にも登録されています。
八幡製鐵所の戸畑地区にある第三製鋼工場では、4基の連続鋳造機が稼働し、自動車向け高級鋼板、電磁鋼板、条鋼など、同社の主力製品向けの鋼片を生産しています。これらの連続鋳造機には、プラント稼働開始以来、YOKOAGAWAの分散形制御システム CENTUM が導入され、高品質な製品づくりのプロセス制御を担ってきています。
八幡製鐵所 東田第1高炉モニュメント
Company Profile
会社名：新日鐵住金株式会社 八幡製鐵所
Location ： 福岡県北九州市戸畑区
Order date : 2013年6月
Completion : 2015年4月
Industry: 鉄鋼
画像をクリックすると新日鐵住金株式会社 八幡製鐵所様オフィシャルサイトへリンクします。
日本の鉄鋼業とプロセス制御との関わり
戦時中に壊滅的打撃を受けた日本の鉄鋼業。欧米の設備や技術を輸入し、復興が始まりました。
1960年代から1970年代の高度成長期に、戦後日本の産業は大きく成長します。大型の銑鋼一貫製鉄所がいくつも建設され、新幹線や高速道路やビルが次々と建設されました。工業が飛躍的に発展を遂げるなか、石油石化や化学と並びその成長を支えた鉄鋼業は急速に成長し、日本の粗鋼生産量はソ連やアメリカなどの大国に次ぐまでに拡大していきました。
効率的に高品質な鋼片を生産できる連続鋳造機も、この頃に積極的に取り入れられました。製鉄所には早くから計装設備やプロセス制御が導入され、それらの国産技術の進歩を牽引したと言われています。
急速な経済成長が落ち着いてきた1970年代半ば以降、鉄鋼各社はそれまで培ってきた設備・操業技術やノウハウを用いて、日本の鉄鋼業の強みである高品質、高付加価値な製品の生産をめざすようになっていきました。製鉄所の主要設備である高炉、転炉、連続鋳造、圧延などそれぞれの設備において、業界を挙げて次々と生産技術の革新が行われました。
八幡製鐵所の第三製鋼工場では、1979年に1レードル－2ストランドのT-1CCスラブ連続鋳造機（No.1ストランドとNo.2ストランド）が、1982年に1レードル－多条スラブ・ブルーム兼用のT-2CC（No.3ストランドとNo.4ストランド）連続鋳造機がそれぞれ稼働を開始。日本の製鉄所で、連続鋳造機の大型化が図られていた時期のことでした。
このとき、YOKOGAWAの分散形制御システム（DCS） CENTUMが各ストランドに導入され、プロセス制御を担うこととなりました。なかでもNo.4ストランドに導入されたCENTUMは、以降2015年4月まで、実に33年にも渡る超長期稼働を果たすことになります。
コンピュータによるプロセス制御の時代へ
1950年代、プロセスの制御監視はアナログ現場計器によって行われていました。1960年代になって小形の電子式パネル計器が誕生すると、それまで現場ごとに分かれていた計器室を中央計器室へと集中し、遠隔制御が行われるようになっていきました。
一方、制御ループの数も飛躍的に増加しました。より高品質な製品を安定的に生産するには、鉄鋼プロセスの状態（温度、流量、レベル、圧力）を詳細に把握することが必要です。測定対象が1,500℃にも及ぶ鉄鋼プロセスでは、正確に温度等を測るための技術開発が行われ、さまざまな方式のセンサが次々と開発されました。それらのセンサを用いてさらに多くの制御ループが構築され、I/O点数が増大しました。
また、制御性の向上を求める動きもありましたが、それらをすべて人の手で設定し、監視することは不可能でした。
1960年代になるとコンピュータ技術の進化とともに、DDC（Digital Direct Control）が登場し、コンピュータによるプロセス制御の主流となりました。DDC 1台で、100～200のアナログ調節計の機能が実行できるようになったのです。
YOKOGAWAは1965年、DDCとしてYODIC 500を発表。YODICは鉄鋼業以外にもさまざまな業種のプロセス制御に用いられました。YOKOGAWAは二重化を含めたさまざまな技術革新を重ね、制御システムを進化させていきました。
そして1975年6月、YOKOGAWAは世界に先駆けて、分散形制御システム CENTUMを発表しました。
なぜ分散か
DDC は数百という制御ループを1台の計算機で制御する集中制御方式でした。このため、応答性の低下、保守・拡張性の困難さ、なにより故障時にはシステム全体が止まってしまうというリスクがありました。
そこで、複数のマイクロプロセッサを用い、制御は分散、情報は集中という概念を持つ分散形制御システムが考え出されました。
CENTUMの開発リーダーの一人、若狭 裕 は当時をこう振り返ります。 「DDCでは、計算機が故障してしまうとプラントの制御全体が止まってしまう。だけど、お客様のニーズとしては生産を止めるわけにはいかないし、何か起こった時は局所的に止めてメンテナンスしたいわけです。実際、お客様のプラントは広くて大きく、生産設備や機能が分散している。だったら制御も分散すべきだろうと、地域分散・機能分散・リスク分散を切り口に、新しい制御システムの概念を考えました。
制御は分散、ネットワークを介して情報は集中というこの概念の形成には、一年ぐらいかかりました。チームで議論に議論を重ねて、気が付くと朝になっていた、なんてこともよくありました。でもそれが、現在は当たり前になった分散形制御システムのアーキテクチャの基礎になったのです。当時のデジタル化やマイクロプロセッサの進化なども追い風となりました。」
CENTUM開発者 若狭 裕
CENTUMの革新の一つは、それまでのパネル計器を用いたボードオペレーションから、CRTオペレーションによる集中制御を実現したことでもありました。
「そうは言っても、それまでボードオペレーションだったお客様にCRTオペレーションを受け入れていただくには苦労もありました。安心して使っていただくために、CENTUMの画面や操作キーボードを、徹底的にボードオペレーションと同じにしてやろうと考えました。パネル計器を模して作ったのがフェースプレート画面。計装の皆さんが慣れ親しんだ計器型名など、計装の言葉もそのまま使うようにしました。難しいプログラミングの要らないエンジニアリング機能を作ったのも、お客様の使い勝手を考えてのことです。
その頃はまだ、中央計器室にパネル計装盤とCENTUMのオペレータコンソールの両方を設置して、普段はパネル計装盤をカーテンで隠して・・・なんていうお客様もいらっしゃった。新しい技術を取り入れるには、お客様にもそれなりの勇気が必要だったのではないかと感じています。 だけど時代は絶対的に分散形制御システムを必要としていたし、多くのお客様がその価値を信じて積極的にCENTUMを導入してくれました。CENTUM開発直後は思わぬトラブルもありましたが、お客様も一緒になって対応してくださいました。新しい制御システムがもたらすプラント操業へのメリットを信じて、YOKOGAWAに任せてくださったのだと、とても感謝しています。」
YOKOGAWAが培ってきた二重化技術
八幡製鐵所のNo.3およびNo.4ストランドに納められたCENTUMのFCS（Field Control Station）には、二重化CPUモジュールが搭載されました。
YOKOGAWAはそれまでも、YODICで二重化技術を培っていました。プロセス産業では、プラントの停止は許されません。万が一システムの故障で操業が停止した場合に、お客様に与える損失は計り知れないからです。一瞬でも操業を止めたくないというお客様の要望に応えるために、YOKOGAWAは1967年にYODICの演算制御部を二重化。1970年には演算制御部だけでなく、主記憶部を含めて完全二重化しました。
二重化技術の追求はCENTUMになってからも続けられました。1980年には、独立した2台のプロセッサを用いたデュープレックス方式によって、FCSのCPUを二重化した機種が発表されました。八幡製鐵所のCENTUMは、この二重化が搭載された初期のものです。
また、CENTUMシステムのネットワークとしてYOKOGAWAが開発した制御バスには、通信方式にバトンパス方式が導入されましたが、これは万が一FCSが1台故障したとしても、絶対に通信を途絶えさせないために考え出された方策でした。その制御バスも、その後二重化されることとなります。
このようなプラントを絶対止めさせないという思想は、YOKOGAWAの開発者たちの高信頼性へのこだわりとして受け継がれ、現在に至っています。
お客様と進化させていったプロセス制御技術
製鉄所の設備は巨大で取り扱う鉄も相当な重量ですが、鉄鋼プロセスには非常に繊細で高い精度が求められます。プロセスの状態をリアルタイムで詳細に把握し、質の高い製品を安全な状態で作り続けなければなりません。
分散形制御システムによるデジタル計装の黎明期。それまで鉄鋼マンの豊かな経験により操業されてきた製鋼ノウハウを、制御システム上に再現するだけでなく、さらに安定した高品質なものづくりのために、試行錯誤が始まりました。
導入時のスタートアップから八幡製鐵所のCENTUMに携わってきたYOKOGAWAのサービスエンジニア、池田 益次は次のように語りました。
第二連続鋳造機 No.4ストランド
「連続鋳造機の鋳造品質で最も重要なのは、モールド内の湯面レベルを一定に保つことです。DCSによるPID制御のノウハウもまだ乏しく、アクチュエータ（駆動装置）となるモーターの動作精度もよくなかった時代に、レベルの変動を±10mmに収めなきゃいけない。しかも当時はよいセンサもなかった。そんな中、お客様と一緒に手探りでPIDチューニングを行いました。中央操作室からCENTUMでPIDパラメータを変更して、同時に現場でも湯面を確認する。そして何日もかけて様子を見ながら、最適なパラメータを探しました。
また、モールドレベルと同じぐらい重要なのが、二次冷却制御です。鋳片に品質異常を起こしてはいけないので、こちらも試行錯誤しながら、最も効率よく高い品質の製品を作るべく、お客様とともに制御ノウハウを積み上げました。」
No.4ストランドで鋳造されたブルーム材から作られるレールは、高い精度と耐久性が求められる新幹線のレールにも用いられています。また、同社が開発した高耐摩耗耐内部疲労損傷性レールは、北米の大陸横断鉄道など重荷重鉄道にも採用されています。
33年の長期稼働を支えたもの
導電性のある塵埃の多い製鉄所の中で、No.4ストランドのCENTUMは、33年という超長期稼働を果たすことができました。これはCENTUMが持つ堅牢性もさることながら、お客様が重要な設備と位置付け、設置環境にも注意を払われてきたことが大きく寄与しています。FCSを置くマイコン室は、工場の中でも鋳込み床から離れた場所に作られ、室温は年間をとおして18℃に設定されていたそうです。YOKOGAWAのサービスエンジニアによるクリーニングなど、保守も定期的に行われました。
長きに渡りCENTUMに携わられた八幡製鐵所の設備部 製鋼整備室の佐藤 秀一係長は、CENTUMが壊れなかったのでついつい使い続けてしまった、と笑いながら振り返ります。
「FCSのCPUカードがいつの間にか切り替わっていることは何度かありましたが、二重化されていたので、突然操業を止めるようなこともなく、特に大きな故障はありませんでした。オペレータコンソールは何度か故障しましたが、冗長化されていましたし、操業に大きな影響を与えたことはなかったと思います。オペレータコンソールのブラウン管はさすがに交換したので、今付いているのは2台目です。近年では8インチフロッピーディスクドライブや上位通信用のモデムの故障もあり、その復旧には苦労した思い出があります。」
池田 益次は、CENTUMのメンテナンスについて次のように語りました。
「スタートアップから携わり、PIDチューニングから保守まで全部やりましたので、故障したと連絡がくれば、だいたいどこが原因か見当がつきました。すぐに替わりのカードを持っていって交換するなど、大抵は1時間ぐらいで直すことができるようになっていました。
おかげで、他のサービス事業所に転勤になっても、故障したから来てくれと、佐藤様から電話で呼び出されたこともありましたが、今となっては良い思い出です。
このCENTUMは自分の子供のようなものです。現在はCENTUM VPに更新されましたので、淋しくも感じますが、少しほっとしています。」
中央操作室のオペレータコンソール
マイコン室に置かれたFCS
CENTUM VPへの更新
33年の長きに渡る役目を終えた初代CENTUMは、このようなCo-innovationの象徴として、現在、横河電機の本社ショールームに展示されています。
No.4ストランドの制御システムには、その後も継続して改造・増設が行われました。
時代とともに変遷し高度化する製鋼技術に対応し、より高機能・高品質な製品を生産するためや、省人化・効率化を図るためでした。CENTUMのメモリ容量はわずか32キロバイト、ハードディスクは搭載されていません。そこで、オートスタート制御を行うPROSAT、モールドレベルのストッパー制御を行うμXL、アルゴン流量を制御するastnex、モールドレベルのスライディングノズル制御を行うCENTUM CS 3000など、さまざまなサブシステムが増設され、複合的なシステムとして稼働を続けてきました。
同時期に導入されていたNo.3ストランドのCENTUMは、2007年にCENTUM CS 3000に更新されており、残るのはこのシステムのみでした。
そして2015年4月、システムはその長い役目を終え、最新の分散形制御システムCENTUM VPへと更新されました。複雑なサブシステムはすべてCENTUM VPとSTARDOMとに統合されました。新しいCENTUM VPシステムは、連続鋳造機の電気制御を行う安川電機のコントローラとEI統合され、新しくより操作監視しやすい統合生産制御システムとして、No.4ストランドの高品質なものづくりに貢献し続けています。
現在、日本の鉄鋼業は世界トップレベルへと成長し、鉄鋼各社は比類なき高い製鉄技術やエンジニアリング力を持つまでになっています。 YOKOGAWAもまた計測および制御技術の向上を図り、40年以上に渡ってCENTUMシリーズを進化させてきました。これはこのように、鉄鋼業およびさまざまな産業のお客様に育てられ、ともに革新を追い求めてきたことにほかなりません。
お客様の声
写真は、八幡製鐵所の皆さん（左から） 設備部システム制御技術室 主幹 大谷 洋平様、製鋼部 戸畑製鋼工場 連鋳課長 橋本 英賢様、本社 技術総括部 生産設備企画室 主幹 植田 和則様、（前 製鋼部 戸畑製鋼工場 連鋳課長） 設備部 製鋼整備室 係長 佐藤 秀一様
初代CENTUMおよびCENTUM VPへの更新プロジェクトに関わられた皆さんに、ご感想をうかがいました。
--- 初代CENTUMが長い役目を終えましたが、いかがでしたか？
「正直なところ、停電でもあったらどうしようか、復電後にちゃんと立ち上がってくれるのかと、最後の方はヒヤヒヤしていました。無事に切替えが終わって本当にほっとしています。」
「起動用フロッピーディスクを読み込めなかったら、システムが立ち上がりませんからね。本当にヒヤヒヤしていました。池田さんにフロッピーのバックアップをたくさん作ってもらったりしていました。」「今どきは８インチフロッピーディスクを知っている人など、少ないのでしょうね。」
--- CENTUM VPへの更新は、複雑なシステムからの切替えでしたが？
「同じシステム構成だったNo.3ストランドの更新の時は大変でした。増改造するたびに仕様書が作られたので、“完成図書”という名前のドキュメントが30冊ぐらいありました。YOKOGAWAさんにそれを全部持ち帰っていただいて、既存システムの仕様を整理して、新システムの要件を提案してもらいました。その時の情報と更新経験がありましたので、今回のシステム更新はさほど難しいものではありませんでした。」
--- CENTUM VPをお使いになってみてのご感想は？
「特にない、というか、まったく問題ないです。No.4ストランドは初代からCENTUM VPへの更新でしたが、他のストランドではCENTUM CSやCENTUM CS 3000が使われてきていますので、違和感はありませんでした。」
「DCSとしての機能が上がったので、二次冷却の性能が向上しましたし、FCSの制御性向上など改造余力もまだあると感じています。当たり前のことですが、操作監視機能では情報量が増え、グラフィックの機能も格段に上がりました。」
「ハードウェアや部品のコモディティ化も進んだので、さすがにもう33年稼働することはないでしょうが、長いライフサイクルで使用できるようにしていただきたいですね。」
--- 他社システムやPLCへの切替えも検討されたとのことですが？
「更新計画時には比較検討も行いました。他のストランドにCENTUMが入っていることもあり、慣れ親しんだオペレータコンソールの8ループ画面や操作の統一性を重要視したことは確かです。安全な操業のためにも、オペレータにとってユーザインタフェースに統一性があることは、非常に重要なことです。8ループ同時操作キーボードも便利ですしね。」
「CENTUMのCPUの二重化は、他社システムには真似ができません。CPUが切り替わるのに1秒もかかったら、100ミリ秒周期で制御しているモールドの湯面がどうなってしまうか、心配でたまりません。湯面の制御は製品品質にも大きく影響しますし、なにより工場の安全に大きな影響のあるものですから。」
「個人的な感想ですが、YOKOGAWAの二重化が最も安心感があります。二重化の二重化ともいえるペア＆スペア方式は、非常に信頼性が高いです。」
--- ありがとうございました。
業種
-
鉄鋼
鉄鋼業界のお客さまは、世界的な過剰供給構造となっている鉄鋼市場において、コスト競争力強化のために生産拠点の集約化や集約先の設備の強化を図るなど、非常に厳しい経営環境に直面している中で、以下のような課題を抱えていると考えております。
- 安全対策の更なる推進
- 高品質／高付加価値製品の製造と徹底したコスト削減の両立
- ますます厳しくなる環境・省エネルギー問題への対応
- 製造／操業技術、ノウハウの共有と伝承
- 設備／装置の老朽化対策
一方で、ビックデータやIoTなど最新のICT活用により、これらの課題解決を加速させ、新たな付加価値を創出し、さらなる競争力強化につながることが期待されています。
YOKOGAWAは、これまで最新・最高の技術と、計測・制御・情報の分野で長年培ったノウハウをベースに製品開発を続け、日本の産業基盤を支えるお客様と共に進化してきました。
YOKOGAWAは、これまでと同様に、24時間365日のプラント安定稼働に貢献し続けると共に、お客様の新たな課題に対処し、お客様のビジネスの成長に貢献できる最良のパートナーとして、これからも努力を重ねていきます。