吳明宏，劉建明，王樂樂，趙 鑫,2，侯 鵬

WU Ming-hong1, LIU Jian-ming1, WANG Le-le1, ZHAO Xin1,2, HOU Peng1

（1.包頭鋼鐵公司無縫廠 信息化中心，包頭 014010；2.北京科技大學 數(shù)理學院，北京 100083）

0 引言

無縫鋼管的生產(chǎn)工藝極其復雜，以目前較為先進的PQF生產(chǎn)線為例，把鋼坯加熱到1200oC左右時（視具體材質(zhì)），送到菌式穿孔機，配合導板和頂桿先在鋼坯上穿出一個孔，生成荒管，傳送到連軋機前，芯棒穿入荒管中，送入到連軋機中，軋輥在液壓系統(tǒng)的控制下逐一壓下，出連軋機后，經(jīng)過脫管機，將芯棒拔出、回退，軋制出毛管，視工藝可選擇加入再熱爐，在經(jīng)過張力減徑機，軋制出成品鋼管[1,2]。在以上的工藝中，影響最終成品鋼管的因素非常多，由于鋼坯在熱態(tài)時在軋制過程中會表現(xiàn)出一定的流動性，使得軋機和工具的配合非常重要，穿孔機的導板和頂桿的工藝外形尺寸如果設計不當，會出現(xiàn)外螺紋，內(nèi)折、外折、鏈帶等質(zhì)量缺陷。在連軋機的生產(chǎn)過程中，在荒管咬入前，軋輥處于打開狀態(tài)，當荒管到達相應的軋輥位置時，需要軋輥快速的以特定的壓下量壓下，由于下壓的軋制力非常大，軋機的機架可能會產(chǎn)生有一個微小的變形，在毛管的頭端會有壁厚增厚現(xiàn)象[3,4]。在張力減徑機上軋制鋼管時，鋼管端部離開第N機架但還沒有進入第N+1機架時，鋼管就沒有受到張力的作用，這就產(chǎn)生了鋼管的端部增厚。增厚嚴重時可能需要鋸切掉成品鋼管的25%。以上提到的各種工藝因素影響著鋼管生產(chǎn)的各個方面，如何在提高產(chǎn)量的同時穩(wěn)定鋼管的質(zhì)量并不斷加以提升，這是每個鋼管企業(yè)都會遇到的問題，包鋼在建設159生產(chǎn)線時選擇了CARTA(Computer Aided Rolling Technology Application,CARTA)計算機輔助軋制系統(tǒng)來解決這一難題。

1 CARTA系統(tǒng)介紹

CARTA系統(tǒng)涵蓋了整套159生產(chǎn)線，包括RHF環(huán)形爐，CTP錐形穿孔機，PQF高效優(yōu)質(zhì)精軋機，RF再加熱爐，SRM張力減徑機，CB冷床等關鍵設備。該系統(tǒng)可以分成兩個主要的模塊，第一個是CARTA-MES系統(tǒng)，這是一套面向車間級的生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)，為企業(yè)提供包括制造數(shù)據(jù)管理、計劃排程管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、質(zhì)量管理、設備管理、庫存管理[10,11]、工具工裝管理、生產(chǎn)過程控制、底層數(shù)據(jù)集成分析、上層數(shù)據(jù)集成分解等管理功能，是一個制造協(xié)同管理平臺。第二個主要模塊就是CARTA軋制管理系統(tǒng)，包括CARTACTP，CARTA-PQF，CARTA-SRM三個子模塊，完成對熱軋線現(xiàn)場生產(chǎn)的管理。CARTA軋制管理系統(tǒng)如圖1所示。在中控室有服務器系統(tǒng)和實時控制系統(tǒng)完成對整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流的控制，在每個操作臺上都有相應的客戶端供操作員和工藝控制人員使用。

CARTA-CTP，由于穿孔機的工藝相對簡單，該模塊負責設計穿孔機軋制中使用的工具，它以內(nèi)置的數(shù)學模型為基礎對錐形穿孔機的軋輥和guide shoe進行運算(如圖2所示)，能夠保證軋輥等工具處于最佳狀態(tài)，使得毛管具有理想的形狀。它能夠針對不同的規(guī)格精確的計算出與成品鋼管想配套的頂頭的形狀，方便軋輥加工人員進行操作。

圖1 CARTA系統(tǒng)構成

圖2 軋輥輥形計算系統(tǒng)

CARTA-PQF，由于連軋機工藝復雜，其主要功能由PSS（Process Supervisor System）過程指導系統(tǒng)和HGC（Hydraulic Gap Control）液壓輥縫控制(又稱為HCCS)兩部分完成。基本結(jié)構如圖3所示,虛線框內(nèi)的部分是現(xiàn)場直接生產(chǎn)部分。

圖3 CARTA系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的邏輯關系

PSS系統(tǒng)主要完成對整個PQF區(qū)域的軋制過程的質(zhì)量和產(chǎn)品數(shù)量的優(yōu)化控制，為操作員，工藝工程師和維護工程師提供相關的支持。主要功能有對基礎自動化系統(tǒng)預設值的設定，包括限動齒條循環(huán)的協(xié)調(diào)節(jié)奏，PQF主電機的軋制速度，脫管機主電機的軋制速度，芯棒循環(huán)冷卻和抗氧化站的工藝參數(shù)，同時也負責對PQF輥縫的設定，軋制力的設定，以及其他相關的工藝功能參數(shù)的設定；對在線和離線生產(chǎn)軋制數(shù)據(jù)的顯示和分析；以及相關的關鍵的工藝參數(shù)和軋制數(shù)據(jù)的記錄。為了實現(xiàn)以上的功能，PSS內(nèi)置了PQF預設的用于計算的數(shù)學模型。

HGC系統(tǒng)主要完成對軋制過程的實時控制，以雙閉環(huán)的方式在軋制過程中對液壓缸的位置和軋制力進行控制以使鋼管達到PSS設定中的壁厚值，核心的功能有沖擊補償，頭尾削尖等?？梢宰詣影搭A設定值對軋輥定位、自動補償軋制過程中由于鋼管沖擊引起的峰值壓力、自動補償軋管過程中軋輥機架變形?；镜臄?shù)據(jù)流如圖4所示。

圖4 CARTA連軋系統(tǒng)構成

從數(shù)據(jù)流的角度看，PSS是整個的連軋工藝的控制核心，由操作員在HMI（操作員站）根據(jù)系統(tǒng)計算所得的工藝參數(shù)進行選擇和確認后，發(fā)送到連軋的基礎自動化系統(tǒng)，再發(fā)送到PSS服務器，PSS將所得到的數(shù)據(jù)分發(fā)到電機控制系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)，并收集反饋值，綜合來自質(zhì)量保證系統(tǒng)的毛管和荒管的溫度值以及芯棒冷卻前和冷卻后的溫度值加以記錄，存儲到數(shù)據(jù)庫中。為工藝分析、質(zhì)量優(yōu)化奠定基礎。

CARTA-SRM，又稱實時CATRA，這一模塊主要完成對張減機部分的控制，主要工作任務有工具設計及管理、軋制表計算、生產(chǎn)過程監(jiān)控管理、軋制數(shù)據(jù)存儲和分析。159生產(chǎn)線的張減機的驅(qū)動模式選擇了控制精度較高的單獨傳動模式，從工藝角度來看，單獨傳動系統(tǒng)對張力的調(diào)節(jié)最好，對成品鋼管規(guī)格最大化是最有利的，對實現(xiàn)諸多過程控制提高鋼管成材率及產(chǎn)品質(zhì)量是最有利的；軋輥調(diào)速靈活、快速，調(diào)速精度很高，機組生產(chǎn)組織靈活；軋機傳動結(jié)構被大大簡化，使傳動的可靠性提高；軋輥轉(zhuǎn)速能迅速可靠改變。但是與此同時單獨傳動的電機總功率遠大于其他傳動方式，電氣設備數(shù)量多且復雜，維修較困難，投資較大；由單機架承受沖擊負荷，導致此機架電機轉(zhuǎn)速出現(xiàn)明顯下降，從而會增加管端增厚的長度；由于在軋制管子前后段的過程中載荷的變化，機架間軋輥的速比產(chǎn)生變化，導致張力的穩(wěn)定性受到影響，故管子前、后段容易出現(xiàn)壁增厚現(xiàn)象。為克服以上缺點以及提高軋制質(zhì)量，CARTA提供了CEC和WTCA等功能，CEC，即End Control,即頭尾削尖。WTCA,Wall Thickness Control,Average,即平均壁厚控制。WTCL，Wall Thickness Control，Local，即局部壁厚控制。

2 CARTA-MES系統(tǒng)工作流程

MES系統(tǒng)以訂單為工作起點，以鋼管為工作核心，負責將所有的數(shù)據(jù)整合到鋼管中。訂單的前置數(shù)據(jù)是由工藝工程師提前在MES系統(tǒng)中輸入的軋制程序，軋制程序告知每一個機組的生產(chǎn)工藝人員該使用何種的參數(shù)來生產(chǎn)相應規(guī)格的鋼管。軋制程序有兩種生成方法，一是使用系統(tǒng)內(nèi)置的生成器，由系統(tǒng)自帶的算法，產(chǎn)生各機組的參數(shù)而生成；二是由工藝工程師自行計算各項工藝參數(shù)。前者較為方便，但限制較多，后者需要有經(jīng)驗的工程師，同時需要大量的實驗來支持。

系統(tǒng)的操作運行起點是由計劃操作員在MES系統(tǒng)客戶端輸入生產(chǎn)訂單數(shù)據(jù)，配合相應的軋制程序一起將生產(chǎn)訂單下載到各一級系統(tǒng)（各個機組的參數(shù)只傳遞到相應的機組），在一級系統(tǒng)經(jīng)過操作員確認參數(shù)無誤后即可伴隨相應的軋批在一級系統(tǒng)中生效，系統(tǒng)跟蹤運行起點是原料區(qū)，稱重設備是第一個關鍵點，稱重完畢后，鋼管則被分配給一個物料跟蹤號，同時稱重數(shù)據(jù)被反饋回二級系統(tǒng)，加以記錄，與此類似，每個工藝關鍵點的生產(chǎn)數(shù)據(jù)都會以報文的形式反饋到MES系統(tǒng)當中，工藝關鍵點包括三個主軋機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電流、主軋輥的壓力，從毛坯到張減機入口各個軋制開始點的物料溫度，芯棒的冷卻的情況，以及三個主軋機的機架的使用情況。

3 CARTA軋制管理系統(tǒng)工作原理

CARTA實時系統(tǒng)的工作流程如下，通過模擬量輸出模塊，經(jīng)過光電隔離器后給到控制張減機的驅(qū)動電機的PLC，該速度給定的影響范圍是張減機轉(zhuǎn)速的10%，以±10V對應于轉(zhuǎn)速的±10%，并采集來自于控制張減機的驅(qū)動電機的PLC反饋回的電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，規(guī)則與轉(zhuǎn)速控制相同。實時系統(tǒng)有一套專門的硬件負責，獨立于CARTA-SRM工藝系統(tǒng)，它的輸入和輸出模塊和一般的PLC的模塊類似，屬于菲尼克斯IB IL系列，但是它的CPU非常特殊，不是傳統(tǒng)意義上的PLC CPU，而是一臺服務器，采用Linux操作系統(tǒng)。

常見的操作系統(tǒng)為滿足系統(tǒng)硬件資源的利用率，往往采用分時系統(tǒng)，將系統(tǒng)中的資源輪流的交給系統(tǒng)中的各個進程或者線程，采用類似剝奪式的管理方法對硬件資源進行調(diào)度，使得我們的每個操作都能夠得到系統(tǒng)的響應，但是操作的開始響應時間和執(zhí)行完畢時間都受系統(tǒng)中的其他進程或線程影響。而在工業(yè)生產(chǎn)中，這樣的處理流程是不被允許的，例如生產(chǎn)中的“急?！辈僮?，一旦發(fā)出，必須馬上無條件執(zhí)行，否則后果不可預料，所以在常規(guī)的生產(chǎn)領域中，是不會使用普通的linux系統(tǒng)或其他的操作系統(tǒng)直接控制硬件設備，往往采用專門的PLC CPU進行控制。但是這種CPU的缺陷也很明顯，其處理速度明顯無法與目前主流的服務器相比，甚至無法與個人計算機相比，為了提高性能，CARTA系統(tǒng)中的所有PLC設備均采用了real time 的Linux系統(tǒng)進行控制，配合工作的服務器為HP的ML系列服務器，這樣帶來的便利有很多，首先是性能提升，該服務器的處理器的運算速度、內(nèi)存的容量遠超過傳統(tǒng)類型的PLC CPU，能直接將反饋回的電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩存儲到自身的數(shù)據(jù)庫中，再傳遞到CARTA-SRM工藝系統(tǒng)中，其次是利于維護，CARTA實時系統(tǒng)本身就帶有一整套完整的診斷工具，硬件模塊的狀態(tài)，控制進程的狀態(tài)，通訊的狀態(tài)等關鍵數(shù)據(jù)直接顯示在維護人員面前，而不需要另行添加維護終端，為提高系統(tǒng)的強壯性，該系統(tǒng)的服務器采用一用一備的方式進行工作，其工作方式被分為在線、準備和離線三種狀態(tài)，無論何時，兩臺服務器最多只能有一臺處于在線狀態(tài)，另一臺可以是準備或者是離線，準備即實時接收來自其他設備的數(shù)據(jù)并存儲，但是不發(fā)出任何數(shù)據(jù)，離線則不做任何工作。如果在線服務器出現(xiàn)故障，可以直接把備用服務器切換到在線狀態(tài)，整個過程可以在一分鐘內(nèi)完成，對軋制過程基本不會造成影響。

圖5 鋼管進入張減機時的工作狀態(tài)

圖5為鋼管進入系統(tǒng)時的工作狀態(tài)，圖中最右側(cè)即為入口的對射激光傳感器，距離張減機第一架50公分，整個系統(tǒng)有三個傳感器，均為數(shù)字量型，前兩個為普通的熱金屬傳感器，依靠檢測能量進行觸發(fā)，產(chǎn)生信號，第三個也就是最靠近張減機的那個為激光對射傳感器，因為荒管的尾端往往有火焰噴出，如果用傳統(tǒng)的熱金屬傳感器，可能會將尾焰當作鋼管的一部分進行誤判，采用激光傳感器可以有效的消除這一問題。在荒管經(jīng)過第一個傳感器時，CARTA實時系統(tǒng)應該已經(jīng)收到來自測量系統(tǒng)的壁厚和外徑數(shù)據(jù)（依靠MES系統(tǒng)進行物料跟蹤，在每個系統(tǒng)生產(chǎn)時將關鍵數(shù)據(jù)與對應的鋼管進行標識），如圖6所示，收到的壁厚數(shù)據(jù)會以便于操作人員查看的方式進行儲存。CARTA實時系統(tǒng)會利用這些測量數(shù)據(jù)對頭尾削尖、WTCL等功能進行控制。

圖6 來自測厚裝置的數(shù)據(jù)

在經(jīng)過第二個傳感器時，CARTA實時系統(tǒng)應當收到來自與一級自動化系統(tǒng)的start shell報文，來告知張減機有多少機架在使用，每架的轉(zhuǎn)速分別是多少，軋輥的輥徑是多少，結(jié)合MES系統(tǒng)傳遞來的生產(chǎn)信息進行判斷是否匹配，能否對張減機電機進行控制，等荒管到達第三個傳感器時，系統(tǒng)結(jié)合來自基礎自動化系統(tǒng)的start shell報文中的張減機入口輥道的速度，可以精確的知道何時荒管會進入張減機第一架，可以開始對電機轉(zhuǎn)速的干預。圖7為鋼管進入張減機時的速度控制情況圖。

4 CARTA系統(tǒng)實際生產(chǎn)情況分析

CEC作用于荒管的頭尾部，主要為解決荒管頭尾部的自然增厚效應，在軋鋼時通過微調(diào)電機轉(zhuǎn)速達到改變張力，即在荒管的頭部進入張減機時，電機逐一提速，保持給荒管的頭部一個額外的張力，在荒管即將離開張減機時，逐一減速，再次給荒管尾部一個額外的張力，最終完成對頭尾壁厚的控制[8,9]，該系統(tǒng)實時的從一級自動化系統(tǒng)獲取生產(chǎn)的鋼管的物料號，并結(jié)合來自QAS系統(tǒng)的荒管和鋼管的測量數(shù)據(jù)，結(jié)合在SRM入口的三個傳感器，實時的對SRM的主電機的速度進行-10%～10%的修正，達到了調(diào)整壁厚的目的。如圖4所示。

圖7 鋼管進入張減機時的速度控制情況

圖8 CEC軋制力曲線

圖8為CEC軋制力曲線，其中，紅色線表示荒管在張減機中，其余曲線則是各機架驅(qū)動電機的實時轉(zhuǎn)速記錄，坐標橫軸表示鋼管長度，縱軸表示電機轉(zhuǎn)速，鋼管的長度來自基層自動化系統(tǒng)的張減機軋輥的轉(zhuǎn)速，結(jié)合時間即可得到鋼管的精確長度。再結(jié)合來自質(zhì)量保證系統(tǒng)的荒管的壁厚和外徑，以及張減機后的鋼管的壁厚和外徑，即可得到良好的軋制效果。

未投入CEC時，經(jīng)過張減機的鋼管兩端壁厚超過預設值30%以上的部分的長度可能要超過5米，如表1所示。

表1 使用CEC后效果

使用CEC后，相應部分的長度往往不到2米，如圖9所示。

圖9 未使用CEC時鋼管壁厚檢測曲線

圖10 使用CEC時鋼管壁厚檢測曲線

WTCA則作用于整個的荒管，它與頭尾削尖的不同之處在于它需要測量系統(tǒng)的支持，結(jié)合來自MES系統(tǒng)的報文和測量系統(tǒng)的鋼管的壁厚金額外徑數(shù)據(jù)，它有針對性的對有外徑和壁厚偏差的部分進行重點處理，處理的方法則與頭尾削尖類似，如果壁厚偏大，則將相應位置的機架的電價的轉(zhuǎn)速提升，提供一個額外的向前的張力，將其拉薄，如果壁厚偏小，則提供一個額外的向后的張力，將其拉粗，以此將壁厚的偏差進行消除。

圖11 使用平均壁厚控制對產(chǎn)品質(zhì)量的提升

在CARTA系統(tǒng)的共同協(xié)作下，鋼管成品產(chǎn)量有較大的提高，通過CEC控制后的成品鋼管，在以往需要進行三倍尺鋸切的鋼管可以按照四倍尺進行頭尾鋸切，提高成材率達到25%以上，通過WTCA和WTCL等對壁厚的控制，壁厚偏差往往能減少50%以上，能夠更好的滿足客戶對產(chǎn)品的需要，同時節(jié)約了大量的材料[12]。各種性能指標也有不同程度的提升，并且其采集的數(shù)據(jù)和分析形成的工藝報表為分析和排除各種設備故障，提高設備運行效率提供了數(shù)據(jù)支持。這套系統(tǒng)對生產(chǎn)的推動效果非常顯著，從項目應用以來，取得了良好的效果。

5 結(jié)論

針對包鋼無縫廠CARTA系統(tǒng)進行了介紹，從系統(tǒng)構成、數(shù)據(jù)流以及應用效果等方面分別闡述，并根據(jù)現(xiàn)場的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)對系統(tǒng)的運行效果進行了說明，數(shù)據(jù)運行結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠極大推動生產(chǎn)的成材率等一系列指標，在原有生產(chǎn)系統(tǒng)的基礎上優(yōu)化了控制方式，使得生產(chǎn)高精度，高質(zhì)量的鋼管變成現(xiàn)實，同時也提高了成品鋼管的成材率，再結(jié)合生產(chǎn)計劃系統(tǒng)，能夠繼續(xù)對生產(chǎn)質(zhì)量進行進一步的修正。

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