轧制过程计算机控制系统

1 引言 自1960年冶金工业的第一台控制用计算机应用于带钢热连轧精轧机组辊缝及速度设定以及70年代带钢轧制全线实现计算机控制以来，30多年中计算机控制已经历了四、五代的变迁，控制系统的硬件和软件更新速度越来越快。轧制生产过程的控制功能亦由于对带钢质量要求的不断提高而日新月异，从厚度控制到温度控制、宽度控制、板形控制以及机械性能的控制，从基础自动化、过程自动化到三级生产控制，并逐步形成包括控制与信息管理的完整的多级系统。同时带钢冷连轧近几年也得到长足的发展，冷轧带钢是带材的主要成品工序，其所生产的冷轧薄板属于高附加值钢材品种，对其自动化的要求更高。 我国冶金行业大型板带热连轧机共有十几套，大型冷连轧机近十套，其自动化水平在冶金行业来说是比较高的，尤其是宝钢、武钢和鞍钢的冷、热连轧机，可以说是居于国内领先水平，其计算机过程控制系统居国际先进水平。这些先进的轧制过程计算机控制系统不仅提高了轧机的产量，并且提高了产品的质量，获得巨大的经济效益和社会效益。 一个完整的过程控制自动化系统主要由以下几个部分组成:自动化仪表、工艺及数学模型、执行机构、计算机系统等构成。冷、热连轧重要的自动化仪表主要有测厚仪、板形仪、凸度仪、测速仪、压力计、张力测量仪、液压位置检测仪等。主要的工艺和数学模型有轧制力模型、前滑模型、负荷最优分配模型、厚度模型、板形模型、张力模型等。先进的执行机构大量使用，大功率传动系统普遍采用交-交、交-直-交变频和直流传动，小功率辅助系统(如辊道传动)主要采用变频调速，位置执行机构大量采用液压伺服传动。而计算机系统普遍采用大型分布式计算机控制系统。这样，大量新工艺、新设备以及高端计算机控制系统的采用，使得带钢冷、热连轧的生产质量和效率大大提高，为钢铁企业带来巨大的经济效益。 2 轧制过程计算机控制系统的主要功能 2.1 带钢热连轧计算机控制系统的主要功能 带钢热轧生产是目前应用计算机控制最为成熟的一个领域，其控制范围包含了整个生产过程，从加热炉入口、甚至从连铸出口开始到成品库，包括了轧制计划，板坯库管理，数学模型，设备控制和质量控制以及传动(电气及液压传动)数字控制等各个层次，是轧钢自动化领域中最为庞大，最为复杂的控制系统。带钢热连轧计算机系统基本上分为三级，其系统功能框图如图1所示 (1) 基础自动化控制功能 基础自动化面向机组，面向设备及设备的机构。随着电气传动的数字化以及液压传动的广泛应用，数字传动已逐步与基础自动化成为一个整体。 基础自动化控制功能按性质可分为轧件跟踪及运送控制;顺序控制和逻辑控制;设备控制及质量控制。 (2) 过程自动化控制功能 过程自动化面向整个生产线，其中心任务是对生产线上各机组和各个设备进行设定计算，为此其核心功能为对粗轧、精轧机组负荷进行分配(包括最优化计算)及数学模型的预(报)估，为了实现此核心功能为对粗轧、精轧机组负荷进行分配(包括最优化计算)，过程控制计算机必须设有板坯(数据)跟踪、初始数据输入、在线数据采集以及模型自学习等为设定模型服务及配套的功能。热连轧过程自动化控制的主要功能是精轧机组的厚度设定模型和板形设定数学模型，设定值计算后，下送到基础自动化，由设备控制功能执行。 (3) 生产控制级功能 生产控制级用于协调炼钢、连铸、热连轧以及冷连轧间的生产计划，并以热连轧为中心与上游及下游交换数据。生产控制除生产计划(轧制计划)的编制外，还负责板坯库、成品库的管理，质量管理以及磨辊的管理等工作。 2.2 带钢冷连轧计算机控制系统功能 以计算机控制为基础的综合自动化系统是冷连轧生产控制的核心，其主要任务是保证冷轧产品的质量和产量。冷连轧自动控制系统的主要功能有:跟踪;辊缝设定;速度设定; 张力设定;动态变规格;弯辊、串辊及冷却水设定;速度控制;张力控制;厚度控制;板形控制;成品表面质量监控;轧机运行控制。带钢冷连轧计算机控制系统一般分为三级，即生产管理级、过程控制级和基础自动化级。 (1) 生产管理级 生产管理控制计算机一般采用微型机，完成冷连轧机组生产计划的编排，不同生产工序的协调和产品质量管理等功能。计算机要根据原料钢卷和成品钢卷确定出初始数据，这些数据是控制参数计算的初始信息。初始数据包括:钢卷号、钢种、原料厚度、宽度、卷重、长度、原料板形、成品厚度、成品板形、带钢特殊控制要求以及钢卷的化学元素等。计算机还需提供轧辊信息，如工作辊、中间辊和支撑辊的长度、直径、粗糙度、轧制长度、凸度和换辊次数等数据。计算机通过网络将轧辊数据和初始数据传送给二级计算机进行参数计算。此外，还将完成合同管理、质量管理、物流管理以及生产数据统计等功能。 (2) 过程控制级 过程控制计算机通常采用专用PC服务器或DEC公司的小型机构成，其最大优点是工作稳定性好，适于长时间的在线运行。一般情况下采用双机系统，一台在线工作，一台热备份。过程控制包括带钢跟踪系统、数据收集与通讯、数学模型系统、控制画面及操作、生产数据管理及工程记录处理等功能。除过程计算机外，系统还包括工程师工作站及若干台特殊功能站，分别完成程序的调试、数据离线分析等功能。 (3) 基础自动化级 一级计算机的基础自动化功能一般由多CPU的高性能控制器HPC和PLC来完成，这些HPC和PLC分别完成冷连轧入口段、酸洗段和轧机段等生产过程中若干个控制功能。基础自动化的功能主要包括:机组速度控制、焊点及故障点跟踪、开卷机及张力辊控制、入口钢卷顺序控制、自动穿带控制、卷取机自动带尾停车、卸卷顺序控制、自动厚度控制、液压推上控制、轧辊调零控制、自动板形控制、轧机的模拟仿真、从开卷机到卷取机的带钢跟踪、动态变规格控制、换辊及辅助设备顺序控制、实测数据采集与处理等功能。 3 轧制过程计算机控制系统的设计原则 由于用户对冷、热轧板质量的要求越来越高，因此计算机控制系统已经是冷、热连轧不可缺少的组成部分。随着液压控制系统系统的广泛应用(液压压下、液压弯辊、液压窜辊机构)加上全部控制都将作用于轧辊-轧件形成的变形区。 3.1 冷、热连轧控制系统需满足的两个要求: (1) 高速控制。连轧机组除了一些顺序逻辑控制可以采用通用的可编程控制器(PLC)外，大部分功能要求实现高速控制，控制周期1-10ms，为此需大量采用HPC(高性能控制器)，HPC为多CPU控制器。 (2) 高速通讯。由于多个控制功能(例如厚度控制、张力控制、板形控制)最终都作用到变形区，因此存在较强的功能间耦合，需要相互传递补偿信息。数据更新时间往往要求为1-2ms。 这个“二高”的特点决定了连轧控制系统应是“快速”分布式计算机控制系统。能满足这“二高”特点，同时能为冷、热连轧机提供完整计算机控制系统硬件、系统软件及数学模型与应用软件的厂家在国际上并不太多，主要电气公司有美国GE、德国SIEMENS、法国ALSTOM、日本日立和三菱等等。轧制过程计算机控制系统的设计除了要满足上述两点要求外，系统设计还必须遵循一定的原则。 3.2 系统设计遵循的原则 (1) 系统结构开放。计算机系统结构应以国际标准的VME及PCI总线作为基础，从而实现系统开放，开放的系统结构有利于系统今后的扩充和升级。 (2) 采用多CPU结构高性能控制器。采用高档CPU，保证最快控制周期可达1ms,适合于应用在分布式生产过程的快速系统中。更重要的是，硬件档次紧跟当前最流行的CPU指标，硬件集成化程度高，百分之百的工业级芯片，适用于各种温度环境和工业现场环境。在高速通讯网络方面，与第三厂家的良好接口和高可靠性的过程I/O接口，使得用户能方便配置各类快速系统。多CPU结构和实时多任务操作系统环境,非常适合于冷、热连轧计算机控制系统这样的实时多任务的工作方式。 (3) 系统尽可能采用远程I/O。随着现场总线应用的日益广泛，系统与传动(电气及液压)及各子系统一般通过现场总线连接，实现以通信电缆(光缆)代替I/O电缆，大量减少电缆数量及电缆铺设工作量，使系统更加可靠。 (4) 人机界面采用OPS+OPU结构，即操作台除了必须的紧急按钮等操作器具外，主要由OPS (带CRT显示及专用触摸式键盘的操作员站)及OPU(带灯辅助功能键盘)组成。 (5) 具有良好的编程环境。全线各控制器的编程都符合国际IEC61131-3标准。IEC61131-3编程环境是经过PLCOpen认证，包括所有DCS/PLC典型编功能的系统，如:梯形图、FBD和SFC编程、程序下装、监视执行、信号强制等等。 (6) 系统具有高可靠性。正常连续生产是冷、热连轧机的基本要求，也是提高产品质量和效率的根本保证。因此，轧制过程计算机控制系统要求具有很高的可靠性。一般要求整个系统的故障率小于0.2%，也就是说，如果系统的考核时间为720小时，系统允许出现故障及故障恢复时间总共不能超过1.44小时。 (7) 具有较强的系统诊断能力，一般提供系统诊断站，提高对系统可靠性和维护效率 (8) 每个操作员站的数据点一般不超过1024点，但要求数据刷新要快，一般要求数据刷新小于500ms。 4 轧制过程计算机系统配置典型结构 为了满足冷、热连轧计算机控制系统对于高速控制和高速通讯的要求，国外大电气公司都设计有针对性的大型分布式计算机控制系统。但从系统的拓朴结构上看基本上可归纳为两类系统，即区域控制群结构和超高速网结构。 4.1 区域控制器群结构 属于区域控制器群这一结构的有GE的INNOVATION系统和西门子的SIROLL系统(图2)，其特点是采用高速网将控制冷连轧机组的各控制器(PLC及HPC)连成一个控制器群以解决各HPC间的快速数据交换(1-2ms)。有些系统缺乏区内高速网，采用控制器间I/O连接来交换数据，从系统设计角度看这不是一种好的方案。

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