攀钢1450mm热连轧机自动化系统现代化改造总体设计和技术创新（下）

1．3 系统功能和功能分配 系统控制范围从加热炉的人口辊道直至成品钢卷的称重和运输，受控的工艺设备主要包括加热炉2座、粗轧机2台、热卷箱1台、飞剪1台，精轧机6台、层流冷却装置1套、地下卷取机4台和成品钢卷称重运输系统1套等设备。整条生产线的自动、半自动和手动操作及水、风、电气等公共服务设施均在自动化系统的控制之下。各机组的加热、冷却和轧制规程均由过程控制计算机进行实时在线计算，自动下发规程计算结果，由基础自动化系统自动执行。成品带钢的各种尺寸精度和性能指标在自动化系统控制之下，达到当代热连轧的国际水平。因为系统控制功能众多，为便于说明，现将系统主要功能简列如下。 1．3．1 过程控制计算机主要功能 加热炉、粗轧、精轧和卷取过程控制计算机主要功能：轧制计划的接收和执行；轧件跟踪；加热、粗轧、精轧和卷取规程的预设定计算；实时数据的采集和规程下发；模型参数自学习；轧制节奏控制；轧制规程在线自校正；热卷箱规程的设定计算；终轧温度控制设定计算；卷取温度控制设定计算；穿带自适应；卷取温度在线控制；厚度和宽度控制增益系数计算。 开发过程控制计算机主要功能：1～3号在线控制计算机备用机；在线模型优化工具；离线控制模型；模拟轧钢；模型参数长期自学习。 数据中心计算机主要功能：轧制计划的输入、接收、存档、发送和管理；加热炉、轧线过程数据采集和存档；轧辊管理；存档数据分类显示和打印；产品质量和生产过程历史数据统计分析；设备运行状态（曲线和数值）统计与分析；工程报表、质量报表和生产报表打印。 1．3．2 HMI（人机交互）级功能 全线共配置26台HMI，其中加热炉区操作室7台、主电室1台；粗轧区操作室4台、主电室1台；精轧区操作室6台、主电室1台；卷取区操作室5台、主电室1台。主要有如下功能：操作员输入和功能键操作；包括设定数据和实测数据工作画面显示；启动条件画面显示；工艺参数趋势曲线显示；报警和预报警画面显示。 1．3．3 基础自动化级控制功能 加热炉区基础自动化的控制功能：加热炉区的 轧件跟踪；燃气总管压力、温度控制；燃气热值监视；空气压力、热风温度控制；各段炉温、炉压、残氧控制；人炉辊道的速度控制及逻辑联锁控制；板坯对中控制；上料辊道、称重辊道控制；推钢机的速度控制及位置控制；加热炉区的生产线故障诊断控制及保护；出钢机的速度控制及位置控制；出炉辊道的速度控制及逻辑联锁控制；加热炉区的钢坯跟踪；步进梁控制；加热炉区的液压站控制；与过程机、HMI数据通信。 粗轧区基础自动化的控制功能：轧件跟踪；公共逻辑顺序控制；水、风、电、气公用设施的监督控制；除鳞箱控制；换辊控制；液压站控制；E1，E2与R1，R2速度级联控制；E1，E2逻辑联锁顺序控制；R1，R2前后辊道速度控制及其速度级联控制、速度控制、压下位置控制、轧制道次控制、逻辑联锁顺序控制和侧导板控制；短行程控制；自动宽度控制。 精轧区基础自动化的控制功能：精轧区的轧件跟踪；R2后输送（中间）辊道速度控制；热卷箱控制；飞剪控制；飞剪最优化剪切控制；机架运转控制（包括停车、运行、稳速、加速、减速等控制）；咬钢动态速降补偿控制；工作辊主轴定位控制；活套高度控制；机架咬钢检测；精轧末架（F6）出口测厚仪打开／关闭控制；公共逻辑顺序控制；终轧温度控制（机架间喷水在线控制）；水、风、电、气公用设施的监督控制；除鳞箱控制；液压站控制；过程仪表接口（压头，无以太网接口的测厚仪，测宽仪等）；换辊控制；F1～F6机架逻辑、侧导板控制、活套张力控制、机架轧辊冷却系统、机架电动压下控制、机架液压压下控制、机架弯辊压力控制、机架液压AGC控制。 卷取区基础自动化的控制功能：卷取区轧件跟踪；层流冷却喷水阀通／断逻辑控制；卷取温度在线控制；层流冷却手动控制；热输出辊道速度控制；卷取机选择逻辑；液压站控制；水、风、电、气公共设施监督控制；公共逻辑顺序控制；1#～4#卷取机侧导板控制、夹送辊控制、助卷辊控制、张力控制、卷径计算、尾部定位控制和卷筒涨缩控制；出口运输链控制；出口区轧件跟踪；钢卷称重机数据采集；出口区手动控制；出口区逻辑连锁顺序控制。 2 项目技术创新点 2．1 多家公司产品和多种网络构成的大型复杂自动化系统集成 由于项目分步实施，合同分签，为降低投资，不能强制使用单一机型。在加热炉区采用美国Rockwell公司的Controllogix PLC作为基础自动化级控制器，粗轧区采用美国GE公司的90-70PLC和奥钢联的TCS高性能通用控制器作为基础自动化级控制器，精轧卷取区采用美国GE公司的90-70PLC、Innovation控制器和意大利Ansaldo公司的AMS高性能通用控制器作为基础自动化级控制器。过程控制计算机则统一采用美国HP公司的Alpha网络服务器，数据中心计算机采用美国HP公司PC服务器。 对于这样一个系统首先采用分区隔离的措施，即各个分区之间数据交换仅在过程控制级进行，除非个别的紧急信号除外。各区的基础自动化级控制器、置于操作室和主电室的人机交互（HMI）工作站通过分支的交换机连接在一个环形自带冗余的以太子网上实现相互间数据交换。同时这个环形以太子网连接到本区的过程控制计算机上，实现过程控制计算机与本区基础自动化和HMI之间的数据交换。置于现场的以太网交换机均采用工业级产品，即卡规式，用螺丝紧固在控制柜的导板上，提高抗震性能，可在0～50℃温度下运行。各分区的过程控制计算机通过主干网与本区的基础自动化和HMI进行数据交换，各过程控制计算机之间要进行大量的数据交换，包括发送轧制计划、收集实测数据、实现工艺上的上下游连接、完成功能上的同步和数据交换，为此配置了过程控制计算机专用以太子网。实现各过程控制计算机之间的数据交换和信息同步，这个以太子网采用两种通信方式：对于用于功能同步的简短快速信息使用TCP／IP协议；对于大量数据交换则使用Oracle数据库的Net8工具直接进行远程数据库访问。各过程控制计算机之间的数据交换按严格规定的编号、格式和内容进行。 数据中心计算机接收来自生产控制管理级或在生产调度室人工输入的轧制计划，并下发到各在线控制的过程机。当一个轧件离开一个分区进入下一个分区时，处于上游分区的过程控制计算机从本区跟踪映像表中，取出这个轧件的轧件号发送到下个分区的过程控制计算机，同时发送的还有这个轧件在离开上游分区时，按照约定的检测点检测的持续时间和滤波方式，以及实测的轧件温度和尺寸。下游分区的过程控制计算机可根据从上游过程机接收到的轧件号，从存于本机的轧制计划中取出该轧件的原始数据、中间产品要求数据、成品要求数据和特殊轧制要求数据，再根据上游过程机送来的中间产品实测数据，就可以进行本分区的轧制规程设定计算，跟踪该轧件在本分区的物理位置，实时发送规程设定结果到本区基础自动化级，自动执行轧制规程，控制轧制过程。 在每台过程控制计算机中均接收和监视其余过程机的心跳信号，定时发送本机的心跳信号到其它过程机。当某台过程机心跳信号消失时，表征这台过程机失效，发出报警信号，在系统操作员的干预下，按照不同的工况进行处理。各分区的过程控制计算机中有本区基础自动化各控制器的心跳信号，随时监控本区基础自动化的运转状态。当某一分区出现工艺或设备故障需要停车时，将及时在网上广播。当计划预定的维修时间来临时，上游的过程机将及时广播，以便下游过程机进入停车准备。 每个分区由多层子网组成。自带冗余的环形以太网将本区内基础自动化级控制器连接在一起，并通过HMI子网与HMI控制器进行数据交换。在轧区，控制同一个设备或功能相关的设备组多台控制器，要求进行快速的数据交换，以太网难以满足要求，为此配置了专用快速控制数据网，粗轧区采用内存映像网，精轧和卷取区采用TPL网，这两种快速控制数据网均属于令牌网，有极高的通信效率，所有站点全部数据收发时间不大于1ms。由基础自动化控制器到工艺设备现场的I／O信号主要采用现场总线的远程I／O，使用的现场总线有Profibus、Genius和Device Net。 2．2 应用软件监控和开发平台的研制 应用软件在运行时占用系统资源，调用系统功能，要按照软件结构和功能划分成若干个独立进程，分配不同优先级，实现进程间同步和通信等。要在线实时监控应用软件的运行状态，要能离线进行全系统的仿真测试运行，这些功能构成应用软件运行监控平台，如图8所示。图8中监控运行平台是由位于操作系统与应用软件之间的若干中间件组成，主要实现应用进程管理和状态监控；全局段和共享区管理；通信服务；监控服务；在线诊断和报警服务；系统启停管理；在线数据采集；离线仿真和在线仿真；轧制过程模型优化维护。 2．3 通用关系数据库的实时应用 通用关系数据库，如本系统采用的Oracle数据库，一般应用于实时性不高的系统，其数据的存取、查询和更新与传统文件系统相比非常灵活和方便，而且支持设计文档的编制、图形画面的编辑及报表的生成和打印。本系统采用内存全局段和共享区作为快速数据存取的缓冲区，与数据库转存相结合，既保证高优先级任务的实时运行，又获得数据库技术支持。利用远程数据库访问实现了各过程控制计算机之间的成批数据传送。在国内独立开发的热连轧机组两级自动化系统还是首次。 2．4 轧制过程数学模型的开发 本项目开发了多个数学模型，包括加热炉加热规程数学模型、粗轧机组轧制规程设定计算数学模型、热卷箱工艺规程数学模型、精轧机组轧制规程设定计算数学模型和层流冷却工艺规程数学模型、动态设定型的厚度控制模型等，简述如下。 2．4．1 加热炉加热规程数学模型 包括板坯装炉温度计算、炉内板坯温度计算、炉温设定计算、在炉时间计算、出炉温度控制、停炉处理和出炉温度及出炉节奏自