陳 琪

0 引言

熱連軋技術(shù)至今已有80多年的發(fā)展歷史，據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前世界上大于1000mm的熱軋生產(chǎn)線超過300多套。在冶金生產(chǎn)中，熱軋是自動化程度高、各種高新技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域。其生產(chǎn)具有高溫、高速等特點(diǎn)。因此，對于其控制系統(tǒng)功能穩(wěn)定性及響應(yīng)有很高的要求。

寶鋼1880熱軋于2007年建成投產(chǎn)，其設(shè)計(jì)年產(chǎn)量370萬噸，主要品種為硅鋼、汽車板及高強(qiáng)鋼等優(yōu)質(zhì)高附加值產(chǎn)品。其過程控制計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)由寶鋼自主開發(fā)和集成。

本文以1880熱軋過程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為例，對過程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)組成以及應(yīng)用情況進(jìn)行了分析。

1 過程控制系統(tǒng)在寶鋼的發(fā)展

寶鋼自熱軋項(xiàng)目開始以來，非常重視自主開發(fā)、集成能力的培養(yǎng)。

在2050熱軋的建設(shè)期間，公司派遣人員參與整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)、調(diào)試及后續(xù)改善工作。通過對引進(jìn)技術(shù)的消化吸收，以及在后續(xù)改善過程中的不斷創(chuàng)新，培養(yǎng)過程控制系統(tǒng)的自主開發(fā)能力。

在1580項(xiàng)目建設(shè)時，寶鋼通過加熱爐區(qū)域應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)，以及參與軋線控制系統(tǒng)的聯(lián)合設(shè)計(jì)、編程與調(diào)試，掌握了相關(guān)系統(tǒng)開發(fā)的規(guī)范，積累了設(shè)計(jì)與調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步提高了自身的自主研發(fā)能力。

之后，在針對2050系統(tǒng)的區(qū)域與整體系統(tǒng)的改造過程中，首次自主進(jìn)行了系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)與集成，采用了系統(tǒng)集群、存儲局域網(wǎng)、共享磁盤陣列、高速以太網(wǎng)、TCP/IP通信協(xié)議等一系列新技術(shù)，并對軟件系統(tǒng)及控制模型均進(jìn)行了更新，大大提高了自主開發(fā)能力。

有鑒于此，2004年寶鋼建設(shè)1880熱軋時，整個過程控制系統(tǒng)，采用了完全自主開發(fā)的模式。針對1880熱軋采用的新工藝、新技術(shù)等，在原有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，對控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提出了更高的要求。

2 過程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)功能

工業(yè)控制過程自動化系統(tǒng)一般分為 4級：生產(chǎn)控制級（L3）、過程控制級（L2）、基礎(chǔ)自動化級（L1）以及傳動級（L0）[1]。二級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制，主要通過模型控制，實(shí)現(xiàn)板坯/帶鋼初始數(shù)據(jù)處理、材料跟蹤、數(shù)學(xué)模型的計(jì)算，在生產(chǎn)中進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的工藝參數(shù)的設(shè)定，完成過程數(shù)據(jù)的收集，通過對L1級、L3級MES系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊，來實(shí)現(xiàn)對成品精度的控制[2]。“設(shè)定計(jì)算”和“設(shè)定”是過程控制級最主要的功能，其他功能都是圍繞著這兩個功能進(jìn)行的。

2.1 過程控制系統(tǒng)基本功能

熱軋帶剛二級控制系統(tǒng)是一個復(fù)雜的軟件系統(tǒng)，它由不同層次、不同功能的多個任務(wù)進(jìn)程協(xié)同實(shí)現(xiàn)[3]。目前 1880熱軋的過程控制系統(tǒng)功能主要包括：軋線材料跟蹤、軋線數(shù)據(jù)收集、道次計(jì)劃計(jì)算、道次后計(jì)算、自適應(yīng)、設(shè)備運(yùn)行方式管理、軋制節(jié)奏、通信接口、人機(jī)交互界面（HMI）和報表等。

2.2 過程控制系統(tǒng)模型

2.2.1 粗軋模型功能

粗軋的主要任務(wù)是通過軋制策略使用最少道次數(shù)，將一塊已知成份、尺寸及溫度分布的板坯軋制成滿足質(zhì)量設(shè)計(jì)、工藝要求的中間坯，以便后序工序進(jìn)行軋制與控制。主要包括中間坯寬度、厚度及目標(biāo)溫度的控制。

粗軋過程自動化主要包括軋制策略和道次計(jì)劃計(jì)算。軋制策略根據(jù) PDI數(shù)據(jù)（板坯厚度、寬度、成份等）及加熱后的溫度分布，選擇有效的目標(biāo)厚度、寬度、溫度及附加的工藝要求和道次計(jì)劃預(yù)計(jì)算相關(guān)遺傳系數(shù)。道次計(jì)劃計(jì)算利用數(shù)學(xué)模型和控制策略，確定粗軋區(qū)域各設(shè)備及軋制道次的設(shè)定值。其主要功能包括：（1）軋制策略；（2）道次計(jì)劃計(jì)算；（3）自適應(yīng)計(jì)算；（4）寬度控制；（5）寬展計(jì)算；（6）縮頸補(bǔ)償控制；（7）短行程控制；（8）工藝參數(shù)計(jì)算等。總體流程，如圖1所示：

圖1 粗軋模型的總體流程

2.2.2 精軋模型功能

精軋?jiān)O(shè)定計(jì)算的目的是實(shí)現(xiàn)精軋機(jī)的高精度軋制，即在保證精軋機(jī)軋制穩(wěn)定性的同時將中間坯軋制到目標(biāo)厚度、目標(biāo)終軋溫度、目標(biāo)凸度與平直度和目標(biāo)寬度等。精軋?jiān)O(shè)定計(jì)算模型是實(shí)現(xiàn)高精度軋制的主要手段。精軋?jiān)O(shè)備主要包括中間輥道的保溫罩、中間坯加熱器、邊部加熱器、飛剪；精軋的入口立輥、F1-F7軋機(jī)；相關(guān)的測量設(shè)備。精軋?jiān)O(shè)定模型的輸入量主要有帶鋼的原始數(shù)據(jù)、操作工輸入、實(shí)測值數(shù)據(jù)以及內(nèi)部數(shù)據(jù)等。主要包括：（1）鋼種分類、層別劃分模型；（2）精軋工藝參數(shù)確定；（3）BH設(shè)定計(jì)算及控制模型；（4）EH設(shè)定計(jì)算及控制模型；（5）負(fù)荷分配與相對化模型；（6）溫度速度模型；（7）軋制力、力矩及功率模型；（8）機(jī)架輥縫設(shè)定模型；（9）交叉軋制模型自適應(yīng)方法；（10）分布式溫度模型；（11）分布式軋制力模型等。其流程框圖，如圖2所示所示：

圖2 精軋?jiān)O(shè)定計(jì)算的流程框圖

2.2.3 板型控制模型功能

生產(chǎn)過程中對每一種帶鋼的板形都有一定的要求，這種要求體現(xiàn)在，帶鋼軋制完畢后的板凸度和平直度等方面，這種板凸度和平直度定義為目標(biāo)板凸度和目標(biāo)平直度。而預(yù)設(shè)定模型，就是為了最后達(dá)到目標(biāo)板凸度和目標(biāo)平直度，在還沒有軋制這塊帶鋼之前，要確定L1的板形調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的動作值。

板形控制系統(tǒng)的預(yù)設(shè)定模型計(jì)算的總體原則是：根據(jù)精軋道次計(jì)劃計(jì)算的計(jì)算結(jié)果，確保帶鋼在經(jīng)過最后一個機(jī)架后，所得到的板凸度為目標(biāo)板凸度，而帶鋼在其余機(jī)架時的凸度，可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。帶鋼在經(jīng)過每個機(jī)架時，由帶鋼在前后機(jī)架的凸度變化所產(chǎn)生的不平度，不能超過平直度死區(qū)范圍，在精軋機(jī)咬鋼前，軋輥PC角和橫移位置通過L1設(shè)定到位，并在軋制中保持不變。

3 過程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口實(shí)現(xiàn)

過程控制級由加熱爐計(jì)算機(jī)、軋線計(jì)算機(jī)和冷卻計(jì)算機(jī)3臺主機(jī)組成。向上與生產(chǎn)控制計(jì)算機(jī)L3(PCC, SYC, CYC)連接，同級與機(jī)軋輥管理系統(tǒng)，在線磨輥系統(tǒng)，能源系統(tǒng)相連。向下與基礎(chǔ)自動化控制機(jī)及各級儀表連接。

軋線計(jì)算機(jī)與上位計(jì)算機(jī)和同級計(jì)算機(jī)之間，均采用網(wǎng)絡(luò)通信方式，網(wǎng)絡(luò)類型采用 100Mbps速率的以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為 TCP/IP。與下位機(jī)的通信，則根據(jù)情況，采用網(wǎng)絡(luò)通信方式或C3(以UDP/IP協(xié)議,調(diào)用PMS-DEV中間件的方式與C3通訊)方式，以便適應(yīng)那些只含這類接口的設(shè)備。接口關(guān)聯(lián)圖，如圖3所示：

圖3 軋線過程機(jī)接口關(guān)聯(lián)圖

3.1 TCP/IP通信協(xié)議及實(shí)現(xiàn)方式

與軋線過程機(jī)相關(guān)的接口協(xié)議，有TCP/IP協(xié)議。TCP/IP協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)中使用的基于軟件的通信協(xié)議，包括傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol簡稱 TCP）和網(wǎng)際協(xié)議（ Internet Protocol簡稱IP）。TCP/IP是普通使用的網(wǎng)絡(luò)互連的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，可使不同環(huán)境下不同節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行彼此通信。軋線控制系統(tǒng)使用xcom 通訊中間件與各系統(tǒng)和設(shè)備建立socket通訊的。

3.2 與C3的UDP/IP通信

軋線過程機(jī)與下位機(jī)C3 采用 UDP/IP通信協(xié)議通訊，再經(jīng)由C3轉(zhuǎn)換后通過專用控制網(wǎng)絡(luò)TC-NET網(wǎng)與基礎(chǔ)自動化通信，進(jìn)行設(shè)定值的下發(fā)與軋線數(shù)據(jù)的收集。

L2的設(shè)定值通過C3寫入到TC-NET內(nèi)存。設(shè)定數(shù)據(jù)分為兩部分，包括控制用數(shù)據(jù)和一個設(shè)定數(shù)據(jù)讀取標(biāo)識。當(dāng)數(shù)據(jù)讀取標(biāo)識發(fā)生變化，L1讀取從L2設(shè)定的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)讀取標(biāo)識按設(shè)定對象組管理，每個設(shè)定對象對應(yīng)一個標(biāo)識。此標(biāo)識是一個計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)范圍為從1到32767。每次L2向L1發(fā)送設(shè)定數(shù)據(jù)時，此標(biāo)識增加1，當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到32767時，計(jì)數(shù)重新從1開始。

SCC 中的應(yīng)用程序調(diào)用中間軟件 PMS-DEV 提供的接口，將數(shù)據(jù)從共享內(nèi)存中讀出或者是寫入。在配置內(nèi)存數(shù)據(jù)塊的時候，使用文件的方式定義。其接口關(guān)聯(lián)圖，如圖4所示：

圖4 軋線過程機(jī)接口關(guān)聯(lián)圖

4 結(jié)束語

寶鋼1880熱軋采用自主開發(fā)集成過程控制系統(tǒng)，采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒ǎ幊誊浖镃＋＋。寶鋼1880過程控制系統(tǒng)由加熱爐計(jì)算機(jī)、軋線計(jì)算機(jī)和冷卻計(jì)算機(jī)3臺主機(jī)組成，配置在公司內(nèi)部網(wǎng)內(nèi)，通過接口與公司L3連接接收生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)。通信中間件采用寶信的xcom軟件。

自1880熱軋投產(chǎn)以來，自主設(shè)計(jì)集成的過程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行成功達(dá)到了高效、穩(wěn)定的目標(biāo)。同時，還初步實(shí)現(xiàn)了多品種自由軋制等功能，效果良好。

隨著熱軋技術(shù)的不斷發(fā)展，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。高精度軋制、自由軋制、智能化軋制以及組織性能控制技術(shù)等一系列新技術(shù)的出現(xiàn)以及應(yīng)用，對熱軋過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用提出了更高的要求。因此，如何采用新技術(shù)，對現(xiàn)有的控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，仍需要在實(shí)際應(yīng)用的過程中，采取進(jìn)一步地對其開發(fā)和優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)。

[1]張春杰，秦紅波.京唐.2250熱軋過程控制系統(tǒng)的應(yīng)用與研究[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2009,(9):68-69.

[2]馬占福，趙西成.1750熱軋廠二級自動化系統(tǒng)控制簡述[J].四川冶金,2008,(6):36-37.

[3]宋勇，荊豐偉，藺鳳琴等.寬帶鋼熱軋二級控制系統(tǒng)[J].金屬世界,2010,(5):64-67.