熱連軋過程自動化級計算機系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計

張輝，莊野

（鞍鋼集團(tuán)信息產(chǎn)業(yè)有限公司，遼寧 鞍山 114009）

近幾十年來，熱連軋生產(chǎn)控制技術(shù)及裝備發(fā)展較快，過程計算機控制系統(tǒng)及數(shù)學(xué)模型逐漸成熟，并且取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益［1］。熱連軋過程計算機控制系統(tǒng)是過程自動化級（Level2）和基礎(chǔ)自動化級（Level1）計算機系統(tǒng)的統(tǒng)稱。鞍鋼集團(tuán)朝陽鋼鐵有限公司（以下簡稱朝陽）1700熱連軋生產(chǎn)線過程計算機控制系統(tǒng)是鞍鋼在完成多條熱連軋機控制系統(tǒng)自主集成基礎(chǔ)上開發(fā)的又一套控制系統(tǒng)。

熱連軋過程自動化級計算機系統(tǒng)的主要任務(wù)是根據(jù)熱連軋生產(chǎn)工藝及數(shù)學(xué)模型生產(chǎn)線的軋機和設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)定，以獲得優(yōu)良的帶鋼表面質(zhì)量、尺寸精度和產(chǎn)品性能［2］。其控制范圍是從粗軋除鱗前入口輥道開始至卷取機卸卷小車結(jié)束的區(qū)域。包括高壓水除鱗機入口輥道，高壓水除鱗機，高壓水除鱗機出口輥道，粗軋R1軋機入口輥道，粗軋R1軋機，粗軋R1軋機出口輥道，中間輥道，熱卷箱，精軋前高壓水除鱗機，切頭飛剪，精軋前高壓水除鱗機，精軋前立輥入口輥道，精軋機入口輥道，精軋機,精軋機架間活套，精軋機架間冷卻水，輸出輥道，層流冷卻設(shè)備，卷取機入口輥道，卷取機，卸卷小車等。

1 過程自動化級系統(tǒng)的設(shè)計與構(gòu)成

朝陽1700熱連軋生產(chǎn)線主要工藝為：板坯經(jīng)加熱爐加熱后由高壓水除鱗機去除氧化鐵皮，進(jìn)入粗軋機組軋制成精軋所需要的中間坯，然后經(jīng)過熱卷箱、飛剪切頭、二次高壓水除鱗機，依次進(jìn)入七機架精軋機組,軋制成需要的產(chǎn)品尺寸，熱軋后的帶鋼通過軋后冷卻,進(jìn)入地下卷取機卷成帶卷,而后用卸料小車將鋼卷卸到鋼卷運輸線上。

過程自動化級計算機系統(tǒng)根據(jù)板坯原始數(shù)據(jù)和通過基礎(chǔ)自動化級計算機系統(tǒng)采集的實際值，經(jīng)數(shù)學(xué)模型的計算完成對控制區(qū)域各設(shè)備的設(shè)定，即通過設(shè)定為各個控制區(qū)域的基礎(chǔ)自動化級計算機系統(tǒng)的控制器提供所需的控制參數(shù)。從而精確控制中間坯在粗軋出口的寬度、厚度和溫度，帶鋼頭部在精軋出口的寬度、厚度、凸度及平直度，以及帶鋼全長在精軋出口和卷取機入口的溫度，與基礎(chǔ)自動化級計算機系統(tǒng)一起確保成品全長的厚度、寬度、溫度、凸度及平直度精度。因此，過程自動化級計算機系統(tǒng)是整個熱連軋控制系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵所在。

朝陽1700熱連軋過程自動化級計算機系統(tǒng)的設(shè)計遵循以下原則：

（1）良好的擴充性能。過程自動化級計算機硬件設(shè)備的性能以及存儲容量等都留有一定的余量，且在本次系統(tǒng)設(shè)計、軟件設(shè)計和程序設(shè)計中將充分考慮系統(tǒng)的可擴充性。并且預(yù)留上邊部加熱器后的模型計算的能力。

（2）系統(tǒng)的開放性。過程自動化級計算機系統(tǒng)具有良好的開放性，其操作系統(tǒng)選用WINDOWS 2003 SERVER，采用以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，TCP/IP通訊協(xié)議，采用PC服務(wù)器，操作終端都采用普通的PC機，為以后系統(tǒng)的擴展、升級和軟件的移植提供方便。

（3）系統(tǒng)的可靠性。過程自動化級計算機系統(tǒng)采用容錯計算機，從硬件上解決了服務(wù)器熱備用的問題，增強了計算機硬件的可靠性，保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全，網(wǎng)絡(luò)線路采用光纜，以防止熱軋廠的電磁干擾。

（4）軟件開發(fā)、維護(hù)更容易。大量使用通用的系統(tǒng)支持軟件以及所有的應(yīng)用軟件均在PC服務(wù)器上開發(fā)，如使用通用的Windows操作系統(tǒng)、Oracle數(shù)據(jù)庫、C＋＋語言等，同時應(yīng)用最新的版本管理器，降低了軟件開發(fā)、使用和維護(hù)的難度。

（5）使用配置文件，無需編程。設(shè)備、參數(shù)可配置和動態(tài)調(diào)整，使得新的熱軋項目無須編程，簡化模型工程師的工作，避免因編程和程序調(diào)試帶來的錯誤。

過程自動化級計算機系統(tǒng)的硬件由主機、外部設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備和人機接口設(shè)備構(gòu)成［3］。朝陽1700熱連軋過程自動化級計算機系統(tǒng)由3臺過程控制服務(wù)器組成，其中一臺在線運行、一臺備用、一臺用于開發(fā)。為了提高可靠性，采用一工一備和共享磁盤陣列的模式，同時每臺服務(wù)器還對關(guān)鍵部件進(jìn)行冗余配置并且可以熱插拔。服務(wù)器操作系統(tǒng)：WINDOWS 2003 SERVER，工作站操作系統(tǒng)：WINDOWS XP Professional，數(shù)據(jù)庫：Oracle 10g，開發(fā)工具：Microsoft Visual Stdio.NET 2008。

過程自動化級計算機系統(tǒng)與基礎(chǔ)自動化級計算機系統(tǒng)的通訊采用內(nèi)存映像網(wǎng)模式。在過程控制服務(wù)器與各操作終端、工程師站之間采用了100Mb/s的以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，通訊協(xié)議為TCP/IP協(xié)議。朝陽1700過程自動化級計算機系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)配置如圖1所示。

2 過程自動化級的功能及其實現(xiàn)

過程自動化級計算機系統(tǒng)的功能包括物料跟蹤、數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)絡(luò)通訊等（非控功能）及數(shù)學(xué)模型（控制功能）。非控功能是為控制功能服務(wù)的，由非控軟件實現(xiàn)物料跟蹤、PDI數(shù)據(jù)管理、設(shè)定數(shù)據(jù)發(fā)送、實際采集、畫面、報表和網(wǎng)絡(luò)通訊功能，完成與數(shù)學(xué)模型的數(shù)據(jù)交換，并為數(shù)學(xué)模型提供啟動指令等。

2.1 物料跟蹤

物料跟蹤是熱連軋控制系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)。控制系統(tǒng)根據(jù)物料（板坯或帶鋼）在生產(chǎn)中的具體位置和實際狀態(tài)包括物料的相關(guān)信息決定物料的處理動作。熱軋過程計算機從基礎(chǔ)自動化得到的相關(guān)信息對物料在跟蹤區(qū)的位置及在跟蹤區(qū)內(nèi)部的順序進(jìn)行跟蹤。過程計算機的跟蹤范圍從粗軋除鱗前入口輥道開始至卷取機卸卷小車為止。

物料跟蹤通常根據(jù)基礎(chǔ)自動化傳送的跟蹤事件自動進(jìn)行，當(dāng)基礎(chǔ)自動化不能傳送跟蹤事件時，操作人員進(jìn)行跟蹤修改。

2.2 數(shù)據(jù)管理

軋線過程計算機系統(tǒng)完成收集，處理，存儲和管理軋線相關(guān)數(shù)據(jù)。主要包括：制造執(zhí)行系統(tǒng)傳來的計劃數(shù)據(jù)原料板坯的初始數(shù)據(jù)、模型的計算數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)自動化傳上來的實測數(shù)據(jù)、操作人員通過畫面輸入的數(shù)據(jù)等，利用oracle數(shù)據(jù)庫完成對上述數(shù)據(jù)的存儲和管理。為方便操作人員、技術(shù)人員對數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計和分析，利用模型分析工具將實測數(shù)據(jù)圖形化，部分?jǐn)?shù)據(jù)也可以直接顯示在圖形畫面上。例如：軋制力，層流水的狀態(tài)等。

過境貨物分為直接過境和間接過境，而其中間接過境的貨物和準(zhǔn)備在國內(nèi)銷售的貨物不一樣，屬于尚未進(jìn)口的貨物，根據(jù)我國《海關(guān)知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)條例》的規(guī)定，我們只對進(jìn)口貨物有執(zhí)法權(quán)，但在自貿(mào)區(qū)內(nèi)，國內(nèi)海關(guān)對于進(jìn)口的貨物卻無執(zhí)法權(quán)，因為政策規(guī)定進(jìn)入海關(guān)的貨物免于辦理申報手續(xù)，國內(nèi)海關(guān)不可以采取知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)措施的問題便相繼出現(xiàn)。鑒于此，重慶自貿(mào)區(qū)應(yīng)該在其以全方位開放為主、貨物和監(jiān)管更加便利等特殊性的條件下，建立一個區(qū)別于傳統(tǒng)自貿(mào)區(qū)的獨特模式。因此自貿(mào)區(qū)內(nèi)的過境貨物應(yīng)視為進(jìn)口貨物，統(tǒng)一過境貨物執(zhí)法措施。

2.3 畫面

軋線過程計算機系統(tǒng)與基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)共用操作終端。軋線過程計算機系統(tǒng)將在計算機室，粗軋操作室，精軋操作室，卷取操作室，管理室設(shè)置終端設(shè)備。主要顯示畫面有：軋制順序畫面、初始數(shù)據(jù)輸入畫面、物料跟蹤及修改畫面、粗軋設(shè)定值顯示畫面、精軋設(shè)定值顯示畫面、層流冷卻設(shè)定值顯示畫面、報表打印畫面等。

2.4 報表

主要報表種類有：工程記錄報表、質(zhì)量報表、生產(chǎn)班報表和事件記錄等。

2.5 與基礎(chǔ)自動化級L1和制造執(zhí)行級L3的通訊

2.5.1 與基礎(chǔ)自動化級L1的通訊

軋線過程自動化級計算機將粗軋出口溫度實際值、板坯“吊銷”、板坯回送裝爐、板坯抽出節(jié)奏、抽出開始等信息發(fā)送給加熱爐控制計算機。并從加熱爐控制計算機接收裝爐板坯、出爐板坯、停止出爐、裝爐返回、反裝入爐、再熱板坯等信息。

向基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)傳送設(shè)定值或控制信息以及從軋線基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)接收過程控制信號及測量值，具體內(nèi)容包括：粗軋機設(shè)定值、精軋機設(shè)定值、層流冷卻設(shè)定值、卷取設(shè)定值、跟蹤信息、粗軋機實際值、立輥軋機實際值、寬度計實際值、精軋機實際值、機架間噴水實際值、厚度計實際值、精軋溫度實際值、凸度實際值、平直度實際值、層流冷卻水實際值和卷取溫度實際值等。

2.5.2 與制造執(zhí)行級L3的通訊

軋線過程自動化級計算機接收制造執(zhí)行系統(tǒng)軋制計劃、原始數(shù)據(jù)、軋制順序等信息；并將生產(chǎn)結(jié)果數(shù)據(jù)、工程記錄、停機信息、班實際數(shù)據(jù)等信息上傳送給制造執(zhí)行系統(tǒng)。

2.6 數(shù)學(xué)模型

朝陽1700熱連軋控制數(shù)學(xué)模型采用了基于軋制理論的機理模型，適用于不同類型的軋機，而且不需要大量的經(jīng)驗參數(shù)的整定，能夠保證產(chǎn)品的精度。同時，要求過程自動化級計算機系統(tǒng)具有強大的離線模軋和實用的自適應(yīng)功能，以利于新產(chǎn)品的開發(fā)以及產(chǎn)品換規(guī)格后的快速命中。朝陽1700熱連軋控制數(shù)學(xué)模型中增設(shè)了離線模軋和自適應(yīng)功能。該數(shù)學(xué)模型的控制區(qū)域分為：粗軋區(qū)、中間輥道區(qū)、精軋區(qū)、層流冷卻區(qū)、卷取區(qū)。主要數(shù)學(xué)模型有：粗軋設(shè)定模型RSU；中間輥道降溫模型HTT；精軋設(shè)定模型FSU、精軋溫度控制模型FTC-1及FTC-2；板形設(shè)定模型SSU和層流冷卻控制模型CTC。RSU模型主要由軋制力預(yù)測、轉(zhuǎn)矩預(yù)測、溫度預(yù)報、輥縫預(yù)測及寬帶控制等模型組成；HTT模型中考慮了熱輻射、熱對流、熱傳導(dǎo)及速度時間位置等因素的影響；FSU模型中使用了軋輥磨損、軋輥熱凸度、精軋溫度設(shè)定等基礎(chǔ)模型；FTC模型主要由速度反饋控制、機架間冷卻水前饋與反饋控制模型構(gòu)成；SSU模型同樣使用了軋輥磨損、軋輥熱凸度模型以及板帶平直度和凸度等模型；而CTC模型則是依靠卷取溫度設(shè)定、前饋控制與反饋控制等模型實現(xiàn)的［4］，是熱連軋帶鋼過程自動化級系統(tǒng)中重要的模型之一。

下面以層流冷卻模型為例，介紹數(shù)學(xué)控制模型在朝陽熱連軋生產(chǎn)線上的應(yīng)用。其他模型不再贅述。

2.6.1 層流冷卻模型的應(yīng)用

熱連軋帶鋼層流冷卻控制功能由過程自動化級和基礎(chǔ)自動化級計算機系統(tǒng)共同完成，如圖2所示。

層流冷卻模型利用帶鋼初始數(shù)據(jù)、操作人員輸入數(shù)據(jù)、精軋入口及出口溫度等計算層流冷卻裝置需打開的噴頭數(shù)量等。模型設(shè)定計算分預(yù)設(shè)定計算和動態(tài)控制設(shè)定計算，預(yù)設(shè)定計算根據(jù)計算出的帶鋼出口厚度、溫度、速度以及材質(zhì)等計算冷卻需要開啟的噴頭數(shù)；動態(tài)設(shè)定計算根據(jù)實測的精軋出口帶鋼厚度、溫度、速度、卷取溫度（CT溫度）以及材質(zhì)等，計算各樣品段在前饋控制和反饋控制區(qū)域冷卻需要開啟的噴頭數(shù)。動態(tài)設(shè)定計算包括前饋控制設(shè)定計算和反饋控制設(shè)定計算。

層流冷卻模型在控制上將從精軋出口溫度計至卷取入口溫度計之間的冷卻區(qū)域分為若干個邏輯區(qū)。在靠近精軋出口側(cè)的邏輯區(qū)實施前饋控制，即當(dāng)帶鋼到達(dá)精軋出口溫度計時，對帶鋼進(jìn)行樣品段跟蹤，并計算每一樣品段所需要的噴頭數(shù)。在靠近卷取入口側(cè)的邏輯區(qū)實施反饋控制，即當(dāng)帶鋼每一樣品段到達(dá)卷取溫度計處時，實際測量該樣品段的卷取溫度，根據(jù)實際卷取溫度和目標(biāo)卷取溫度偏差調(diào)整精冷段的噴頭開閉組合的設(shè)定，將反饋控制設(shè)定值和對應(yīng)的樣品段地址編號一并傳送給L1級系統(tǒng)。由L1級系統(tǒng)完成對后續(xù)樣品段跟蹤與噴頭控制。

2.6.2 應(yīng)用效果

圖3為現(xiàn)場實測的CT溫度曲線（鋼種：SPHC規(guī)格：2.75 mm×1 013 mm CT 目標(biāo)：620 ℃），其 CT溫度控制達(dá)到精度要求。

系統(tǒng)自投入運行以來，產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)均在設(shè)計保證值以上，其中CT指標(biāo)在±20℃之內(nèi)的控制精度達(dá)到98.9%。

3 結(jié)論

朝陽1700熱連軋過程自動化級計算機系統(tǒng)自投產(chǎn)以來，運行可靠，全部功能都達(dá)到了設(shè)計指標(biāo)要求，該系統(tǒng)采用的客戶機-服務(wù)器結(jié)構(gòu)在硬件及系統(tǒng)軟件方面均能夠適應(yīng)現(xiàn)代熱連軋自動化的主流發(fā)展趨勢，為過程自動化級的控制功能及數(shù)學(xué)控制模型提供了先進(jìn)的運行環(huán)境，使其自動化程度和控制精度提高，人為干預(yù)減少。特別是客戶機-服務(wù)器這一熱連軋過程自動化級新結(jié)構(gòu)的成功應(yīng)用，改變了以往采用小型機結(jié)構(gòu)對國外系統(tǒng)的依賴，同時，系統(tǒng)的開放性也為今后系統(tǒng)優(yōu)化與進(jìn)一步開發(fā)提供了便利。

［1］ 劉文仲.我國熱軋過程控制計算機系統(tǒng)及數(shù)學(xué)模型的發(fā)展［J］.冶金自動化，2012，36（4）：1-7.

［2］ 張凱，周一中，陳翔，等.熱軋過程控制計算機系統(tǒng)的設(shè)計與集成 ［C］∥2010年全國軋鋼生產(chǎn)技術(shù)會議論文集.北京：中國金屬學(xué)會，2010：270-273.

［3］ 孫一康.帶鋼熱連軋模型與控制 ［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2002.

［4］ 肖紅,楊偉，王鵬，等.鞍凌 1700 熱軋數(shù)學(xué)模型的特點［J］.冶金自動化，2014，38(1)：8-11.