劉付強(qiáng),盛桂軍,唐賢軍,劉寶松
1.一重集團(tuán)大連設(shè)計(jì)研究院有限公司助理工程師,遼寧 大連 116600;2.濟(jì)鋼裝備部高級(jí)工程師,山東濟(jì)南 250101
熱帶鋼連軋生產(chǎn)是目前應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制最為成熟的一個(gè)領(lǐng)域,其控制系統(tǒng)分為四級(jí),控制范圍包含從加熱爐入口(甚至從連鑄出口)開(kāi)始到成品庫(kù)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程,囊括軋制計(jì)劃、板坯庫(kù)管理、設(shè)定計(jì)算、設(shè)備控制和質(zhì)量控制以及傳動(dòng)(電氣及液壓傳動(dòng))數(shù)字控制等各個(gè)層次,是軋鋼自動(dòng)化領(lǐng)域中最為龐大,最為復(fù)雜的控制系統(tǒng)[1,2]。由于熱連軋生產(chǎn)線及其控制系統(tǒng)的復(fù)雜性,所以國(guó)內(nèi)先進(jìn)的熱連軋生產(chǎn)線的三電基本上由國(guó)外大公司提供,如早先引進(jìn)的武鋼1700 mm熱連軋和寶鋼2050 mm熱連軋,以及新近引進(jìn)的鞍鋼1780 mm熱連軋和武鋼2250 mm熱連軋。目前國(guó)際上一些主要電氣公司推出的熱連軋計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要有:區(qū)域控制器群結(jié)構(gòu)(如美國(guó)GE公司的DM2000系統(tǒng)和德國(guó)西門(mén)子公司的SIMADYN TDC系統(tǒng))和超高速FDDI環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)(日本三菱公司系統(tǒng))[3],國(guó)內(nèi)有北京科技大學(xué)高效軋制國(guó)家工程研究中心開(kāi)發(fā)的基于西門(mén)子SIMATIC TDC平臺(tái)的熱連軋生產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)[4]等等。一重集團(tuán)利用自身作為冶金成套設(shè)備提供商的優(yōu)勢(shì),以國(guó)外電氣公司的控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)熱連軋過(guò)程控制系統(tǒng)的主要功能,目前已完成實(shí)驗(yàn)室內(nèi)接近實(shí)際生產(chǎn)控制功能的模擬軋鋼過(guò)程的開(kāi)發(fā)工作。
通常熱連軋的工藝流程為:合格連鑄坯由裝鋼機(jī)推入步進(jìn)梁式加熱爐內(nèi)進(jìn)行加熱;加熱好的坯料由出鋼機(jī)托出經(jīng)除鱗后送往E1、R1(或兩架粗軋機(jī))組成的可逆粗軋機(jī)組軋制3~9道次;軋出的合格中間坯經(jīng)過(guò)保溫罩或熱卷箱運(yùn)送至精軋機(jī)組軋制;精軋機(jī)組一般由一架立輥和六至七架水平輥軋機(jī)組成,精軋機(jī)組配有機(jī)架間活套裝置、液壓AGC自動(dòng)厚度控制系統(tǒng)和工作輥彎輥裝置,用于保證帶鋼全長(zhǎng)范圍內(nèi)的厚度精度及板形要求;帶鋼頭部從末架精軋機(jī)出來(lái)經(jīng)空冷輥道進(jìn)入層流冷卻裝置冷卻至卷取溫度后進(jìn)入具有助卷輥?zhàn)詣?dòng)踏步控制功能的卷取機(jī),在恒張力狀態(tài)下卷??;帶鋼成卷后經(jīng)卸卷小車(chē)卸卷并放置在打捆站上打捆;然后由步進(jìn)運(yùn)輸機(jī)將鋼卷取走稱(chēng)重、并打印標(biāo)記后運(yùn)至成品庫(kù)。
本文所述過(guò)程控制級(jí)的開(kāi)發(fā)工作以上述工藝為基礎(chǔ),其中心任務(wù)是對(duì)生產(chǎn)線上各機(jī)組和各個(gè)設(shè)備進(jìn)行設(shè)定計(jì)算并對(duì)熱連軋生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)督和控制。該過(guò)程控制系統(tǒng)以某1780 mm熱連軋生產(chǎn)線為對(duì)象,以帶鋼頭部為控制目標(biāo),對(duì)粗軋、精軋機(jī)組負(fù)荷進(jìn)行分配。為此,過(guò)程控制級(jí)計(jì)算機(jī)根據(jù)需要設(shè)有板坯(數(shù)據(jù))跟蹤、初始數(shù)據(jù)輸入、在線數(shù)據(jù)采集以及模型自學(xué)習(xí)等為設(shè)定模型服務(wù)及配套的功能。熱連軋過(guò)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)的核心部分是精軋機(jī)組的厚度設(shè)定、板形設(shè)定和溫度設(shè)定等數(shù)學(xué)模型,設(shè)定值經(jīng)計(jì)算后下送到基礎(chǔ)自動(dòng)化層由設(shè)備控制功能執(zhí)行(見(jiàn)圖1)。
圖1 過(guò)程控制級(jí)模塊關(guān)系圖
本次開(kāi)發(fā)主要針對(duì)L2過(guò)程控制級(jí)功能實(shí)現(xiàn),開(kāi)發(fā)的內(nèi)容有軋制計(jì)劃、粗軋?jiān)O(shè)定及自學(xué)習(xí)、精軋?jiān)O(shè)定及自學(xué)習(xí)、板形設(shè)定、卷取溫度設(shè)定、組織性能預(yù)報(bào)和畫(huà)面編程等,最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成以及進(jìn)行軋鋼過(guò)程模擬。雖然基礎(chǔ)相對(duì)較弱,開(kāi)發(fā)過(guò)程難度較大,目前已取得階段性成果。
為實(shí)現(xiàn)模擬軋鋼過(guò)程系統(tǒng)中板坯數(shù)據(jù)的初始來(lái)源、軋制計(jì)劃與生產(chǎn)控制級(jí)、過(guò)程控制級(jí)的連接。編寫(xiě)軋制計(jì)劃模塊時(shí)充分考慮實(shí)際需要,實(shí)現(xiàn)了與板坯庫(kù)、連鑄生產(chǎn)線之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理通信及軋制計(jì)劃編制優(yōu)化后的下發(fā)等功能。其內(nèi)容主要包括生產(chǎn)計(jì)劃及鋼卷計(jì)劃管理、板坯信息與板坯庫(kù)、連鑄生產(chǎn)線通信管理、軋制計(jì)劃生產(chǎn)下發(fā)管理等。
根據(jù)下發(fā)的軋制計(jì)劃,編寫(xiě)板坯核對(duì)模塊實(shí)現(xiàn)板坯核對(duì)及與加熱爐區(qū)的通信。由板坯核對(duì)模塊實(shí)時(shí)讀取最新的軋制計(jì)劃,從畫(huà)面上實(shí)現(xiàn)入爐前的板坯核對(duì)功能,以決定是否允許入爐,并將核對(duì)后的板坯信息傳遞到加熱爐管理模塊。主要任務(wù)是確認(rèn)數(shù)據(jù)與實(shí)際物料是否一致,軋制計(jì)劃中對(duì)應(yīng)板坯的重量和實(shí)際重量是否吻合等,核對(duì)后通過(guò)點(diǎn)擊確認(rèn)以改變板坯核對(duì)標(biāo)志。
考慮到國(guó)內(nèi)目前已經(jīng)有成熟的加熱爐ACC模塊,所以加熱爐區(qū)管理模塊只開(kāi)發(fā)加熱爐裝鋼、強(qiáng)制出鋼、定時(shí)出鋼等輔助功能。其中加熱爐裝鋼功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程為由HMI裝鋼畫(huà)面顯示已經(jīng)核對(duì)但未裝鋼的板坯,選擇要裝鋼的板坯并點(diǎn)擊確認(rèn)裝鋼以改變板坯是否裝鋼標(biāo)志,并將此板坯信息傳遞到HMI出鋼和爐內(nèi)畫(huà)面上顯示;強(qiáng)制出鋼是以手動(dòng)的形式按順序選中準(zhǔn)備出鋼的板坯,點(diǎn)擊確認(rèn)出鋼后,改變板坯是否出鋼標(biāo)志;定時(shí)出鋼則要判斷板坯所在的加熱爐號(hào)并按固定的時(shí)間進(jìn)行出鋼
跟蹤的目的在于確定熱軋生產(chǎn)線上軋件的實(shí)際位置和相關(guān)信息,根據(jù)不同的時(shí)序啟動(dòng)相關(guān)的應(yīng)用程序,完成過(guò)程控制[3]。根據(jù)軋線上機(jī)組的布置將整條軋線分區(qū)控制,包括C區(qū)、HSB區(qū)、RM1(2)區(qū)、CB1(2)區(qū)、CS區(qū)、FM區(qū)、ROT區(qū)、DC1(2)區(qū)、BND1(2)區(qū)、CONVEYOR1區(qū)等,以模擬軋線上熱金屬檢測(cè)器等設(shè)備在軋件經(jīng)過(guò)時(shí)得到的信息作為跟蹤信息的區(qū)域更新,并判斷相關(guān)時(shí)序啟動(dòng)應(yīng)用程序,同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)跟蹤修正。
利用國(guó)外熱軋數(shù)學(xué)模型,根據(jù)軋線設(shè)備等實(shí)際影響因素開(kāi)發(fā)的設(shè)定計(jì)算應(yīng)用模塊。其粗軋?jiān)O(shè)定量主要有粗軋道次數(shù)、各道次的平輥輥縫位置和立輥壓下位置、軋制速度和側(cè)導(dǎo)板的開(kāi)口度等。其自學(xué)習(xí)計(jì)算功能主要是根據(jù)實(shí)測(cè)的物理參數(shù)來(lái)提高粗軋?jiān)O(shè)定部分?jǐn)?shù)學(xué)模型的預(yù)測(cè)精度。此外,該模塊還要計(jì)算熱卷箱的卷取參數(shù)和粗軋機(jī)入口擺鋼參數(shù)?;A(chǔ)數(shù)學(xué)模型主要包括溫度模型、前滑和后滑模型、軋制力模型、功率模型、厚度/寬度壓下分配模型等。
精軋?jiān)O(shè)定的基本任務(wù)是根據(jù)來(lái)料條件及成品要求,通過(guò)模型計(jì)算,確定精軋機(jī)組各機(jī)架的輥縫、速度及有關(guān)操作變量,以保證順利穿帶和獲得準(zhǔn)確的帶鋼頭部尺寸。精軋?jiān)O(shè)定計(jì)算使用的數(shù)學(xué)模型主要包括壓下分配模型、溫度模型、軋制力模型、功率模型、前滑模型、輥縫模型、動(dòng)態(tài)設(shè)定模型及自學(xué)習(xí)模型等。其板形設(shè)定功能可實(shí)現(xiàn)PC軋機(jī)的PC角、彎輥力計(jì)算和CVC軋機(jī)的串輥量、彎輥力計(jì)算等。
根據(jù)精軋出口的帶鋼溫度、速度、厚度等數(shù)據(jù)和其它工藝設(shè)備參數(shù),經(jīng)過(guò)模型運(yùn)算(包括預(yù)設(shè)定計(jì)算、修正設(shè)定計(jì)算、自學(xué)習(xí)計(jì)算)求得達(dá)到目標(biāo)冷卻模式、卷取溫度、冷卻速度的集管組態(tài),控制熱輸出輥道上冷卻集管的開(kāi)閉狀態(tài),實(shí)現(xiàn)冷卻過(guò)程的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。
由于卷取設(shè)定的大部分功能可下放到基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí),在過(guò)程控制級(jí)內(nèi)卷取設(shè)定相對(duì)簡(jiǎn)單,主要包括速度、開(kāi)口度、卷筒轉(zhuǎn)矩、壓力、小車(chē)的等待位置、AJC的設(shè)定值等,確保帶鋼在輸出輥道上平穩(wěn)運(yùn)行基礎(chǔ)上順利咬入卷取機(jī)并得到良好的卷形。
該模塊通過(guò)板坯的初始數(shù)據(jù)及軋線的相關(guān)工藝,利用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)預(yù)報(bào)當(dāng)前鋼卷的組織和性能。
將上述的各個(gè)設(shè)定模塊在PC機(jī)上通過(guò)觸發(fā)文件的方式進(jìn)行優(yōu)化連接后即可構(gòu)成模擬軋鋼過(guò)程的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。此過(guò)程可以升級(jí)到服務(wù)器上,以?xún)?nèi)存文件的方式運(yùn)行以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣取?/p>
模擬軋鋼的實(shí)現(xiàn)過(guò)程即從軋制計(jì)劃下發(fā)開(kāi)始,在軋制計(jì)劃模塊中輸入詳細(xì)的板坯數(shù)據(jù)和鋼卷數(shù)據(jù),生成多塊板坯的軋制計(jì)劃表并下發(fā)到文件中;由板坯核對(duì)模塊實(shí)時(shí)讀取軋制計(jì)劃中的板坯數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)畫(huà)面模擬核對(duì);將已核對(duì)的板坯信息傳遞到加熱爐管理模塊,在加熱爐HMI模塊上實(shí)現(xiàn)板坯的裝鋼、出鋼事件,加熱爐HMI模塊、HMI檢測(cè)模塊和跟蹤模塊實(shí)現(xiàn)相互通信;從出鋼事件開(kāi)始進(jìn)入事件檢測(cè)跟蹤模塊,根據(jù)相應(yīng)的時(shí)序啟動(dòng)不同的應(yīng)用程序,在出鋼時(shí)先計(jì)算出軋件在整條線上的運(yùn)行過(guò)程,并由時(shí)間數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)畫(huà)面上軋件的模擬運(yùn)行(見(jiàn)圖2)。在模擬軋鋼過(guò)程中所需的時(shí)序、實(shí)際數(shù)據(jù)等均由人為給定。
本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多塊鋼的模擬調(diào)試,以某熱軋生產(chǎn)線實(shí)際鋼卷軋制數(shù)據(jù)作為比照,充分考慮各個(gè)時(shí)序間的關(guān)系,將各個(gè)模塊有序的結(jié)合到一起,并通過(guò)板坯在實(shí)際軋制時(shí)的數(shù)據(jù)啟動(dòng)粗軋、精軋?jiān)O(shè)定的自學(xué)習(xí)功能,利用設(shè)定計(jì)算結(jié)果順利實(shí)現(xiàn)模擬軋鋼過(guò)程。
通過(guò)將主要設(shè)定值(軋制力)與實(shí)際生產(chǎn)時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,所得到粗軋5道次的設(shè)定結(jié)果誤差和精軋7機(jī)架設(shè)定結(jié)果誤差均在10%左右,比較接近于實(shí)際情況(見(jiàn)表1、表2)。
圖2 模擬軋鋼跟蹤畫(huà)面顯示圖
表1 粗軋5道次軋制力結(jié)果比較
表2 精軋7機(jī)架軋制力結(jié)果比較
實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明該過(guò)程控制級(jí)系統(tǒng)已能初步實(shí)現(xiàn)模擬軋鋼功能,在過(guò)程控制級(jí)的主要功能中粗軋、精軋?jiān)O(shè)定及自學(xué)習(xí)、層流冷卻設(shè)定、板形設(shè)定和應(yīng)用平臺(tái)程序等已具有較高的水平,設(shè)定計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確率較高,其與實(shí)際生產(chǎn)線相結(jié)合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)先進(jìn)并具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
[1]吳立新.鋼鐵企業(yè)熱軋過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) [M],上海.
[2]單旭沂,勞兆利.熱連軋過(guò)程控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的思考與實(shí)踐[J],冶金自動(dòng)化,2009,5.
[4]張大志等.基于西門(mén)子SIMATIC TDC的1500mm熱連軋自動(dòng)控制系統(tǒng) [J],電氣自動(dòng)化,2007.