張輝，莊野

（鞍鋼集團(tuán)信息產(chǎn)業(yè)有限公司，遼寧 鞍山 114009）

近幾十年來(lái)，熱連軋生產(chǎn)控制技術(shù)及裝備發(fā)展較快，過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及數(shù)學(xué)模型逐漸成熟，并且取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益［1］。熱連軋過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是過(guò)程自動(dòng)化級(jí)（Level2）和基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)（Level1）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的統(tǒng)稱(chēng)。鞍鋼集團(tuán)朝陽(yáng)鋼鐵有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)朝陽(yáng)）1700熱連軋生產(chǎn)線過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是鞍鋼在完成多條熱連軋機(jī)控制系統(tǒng)自主集成基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的又一套控制系統(tǒng)。

熱連軋過(guò)程自動(dòng)化級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要任務(wù)是根據(jù)熱連軋生產(chǎn)工藝及數(shù)學(xué)模型生產(chǎn)線的軋機(jī)和設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)定，以獲得優(yōu)良的帶鋼表面質(zhì)量、尺寸精度和產(chǎn)品性能［2］。其控制范圍是從粗軋除鱗前入口輥道開(kāi)始至卷取機(jī)卸卷小車(chē)結(jié)束的區(qū)域。包括高壓水除鱗機(jī)入口輥道，高壓水除鱗機(jī)，高壓水除鱗機(jī)出口輥道，粗軋R1軋機(jī)入口輥道，粗軋R1軋機(jī)，粗軋R1軋機(jī)出口輥道，中間輥道，熱卷箱，精軋前高壓水除鱗機(jī)，切頭飛剪，精軋前高壓水除鱗機(jī)，精軋前立輥入口輥道，精軋機(jī)入口輥道，精軋機(jī),精軋機(jī)架間活套，精軋機(jī)架間冷卻水，輸出輥道，層流冷卻設(shè)備，卷取機(jī)入口輥道，卷取機(jī)，卸卷小車(chē)等。

1 過(guò)程自動(dòng)化級(jí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與構(gòu)成

朝陽(yáng)1700熱連軋生產(chǎn)線主要工藝為：板坯經(jīng)加熱爐加熱后由高壓水除鱗機(jī)去除氧化鐵皮，進(jìn)入粗軋機(jī)組軋制成精軋所需要的中間坯，然后經(jīng)過(guò)熱卷箱、飛剪切頭、二次高壓水除鱗機(jī)，依次進(jìn)入七機(jī)架精軋機(jī)組,軋制成需要的產(chǎn)品尺寸，熱軋后的帶鋼通過(guò)軋后冷卻,進(jìn)入地下卷取機(jī)卷成帶卷,而后用卸料小車(chē)將鋼卷卸到鋼卷運(yùn)輸線上。

過(guò)程自動(dòng)化級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)板坯原始數(shù)據(jù)和通過(guò)基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采集的實(shí)際值，經(jīng)數(shù)學(xué)模型的計(jì)算完成對(duì)控制區(qū)域各設(shè)備的設(shè)定，即通過(guò)設(shè)定為各個(gè)控制區(qū)域的基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制器提供所需的控制參數(shù)。從而精確控制中間坯在粗軋出口的寬度、厚度和溫度，帶鋼頭部在精軋出口的寬度、厚度、凸度及平直度，以及帶鋼全長(zhǎng)在精軋出口和卷取機(jī)入口的溫度，與基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一起確保成品全長(zhǎng)的厚度、寬度、溫度、凸度及平直度精度。因此，過(guò)程自動(dòng)化級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)熱連軋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。

朝陽(yáng)1700熱連軋過(guò)程自動(dòng)化級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)遵循以下原則：

（1）良好的擴(kuò)充性能。過(guò)程自動(dòng)化級(jí)計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備的性能以及存儲(chǔ)容量等都留有一定的余量，且在本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)中將充分考慮系統(tǒng)的可擴(kuò)充性。并且預(yù)留上邊部加熱器后的模型計(jì)算的能力。

（2）系統(tǒng)的開(kāi)放性。過(guò)程自動(dòng)化級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有良好的開(kāi)放性，其操作系統(tǒng)選用WINDOWS 2003 SERVER，采用以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，TCP/IP通訊協(xié)議，采用PC服務(wù)器，操作終端都采用普通的PC機(jī)，為以后系統(tǒng)的擴(kuò)展、升級(jí)和軟件的移植提供方便。

（3）系統(tǒng)的可靠性。過(guò)程自動(dòng)化級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用容錯(cuò)計(jì)算機(jī)，從硬件上解決了服務(wù)器熱備用的問(wèn)題，增強(qiáng)了計(jì)算機(jī)硬件的可靠性，保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全，網(wǎng)絡(luò)線路采用光纜，以防止熱軋廠的電磁干擾。

（4）軟件開(kāi)發(fā)、維護(hù)更容易。大量使用通用的系統(tǒng)支持軟件以及所有的應(yīng)用軟件均在PC服務(wù)器上開(kāi)發(fā)，如使用通用的Windows操作系統(tǒng)、Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)、C＋＋語(yǔ)言等，同時(shí)應(yīng)用最新的版本管理器，降低了軟件開(kāi)發(fā)、使用和維護(hù)的難度。

（5）使用配置文件，無(wú)需編程。設(shè)備、參數(shù)可配置和動(dòng)態(tài)調(diào)整，使得新的熱軋項(xiàng)目無(wú)須編程，簡(jiǎn)化模型工程師的工作，避免因編程和程序調(diào)試帶來(lái)的錯(cuò)誤。

過(guò)程自動(dòng)化級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件由主機(jī)、外部設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備和人機(jī)接口設(shè)備構(gòu)成［3］。朝陽(yáng)1700熱連軋過(guò)程自動(dòng)化級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由3臺(tái)過(guò)程控制服務(wù)器組成，其中一臺(tái)在線運(yùn)行、一臺(tái)備用、一臺(tái)用于開(kāi)發(fā)。為了提高可靠性，采用一工一備和共享磁盤(pán)陣列的模式，同時(shí)每臺(tái)服務(wù)器還對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行冗余配置并且可以熱插拔。服務(wù)器操作系統(tǒng)：WINDOWS 2003 SERVER，工作站操作系統(tǒng)：WINDOWS XP Professional，數(shù)據(jù)庫(kù)：Oracle 10g，開(kāi)發(fā)工具：Microsoft Visual Stdio.NET 2008。

過(guò)程自動(dòng)化級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的通訊采用內(nèi)存映像網(wǎng)模式。在過(guò)程控制服務(wù)器與各操作終端、工程師站之間采用了100Mb/s的以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，通訊協(xié)議為T(mén)CP/IP協(xié)議。朝陽(yáng)1700過(guò)程自動(dòng)化級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)配置如圖1所示。

2 過(guò)程自動(dòng)化級(jí)的功能及其實(shí)現(xiàn)

過(guò)程自動(dòng)化級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能包括物料跟蹤、數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)絡(luò)通訊等（非控功能）及數(shù)學(xué)模型（控制功能）。非控功能是為控制功能服務(wù)的，由非控軟件實(shí)現(xiàn)物料跟蹤、PDI數(shù)據(jù)管理、設(shè)定數(shù)據(jù)發(fā)送、實(shí)際采集、畫(huà)面、報(bào)表和網(wǎng)絡(luò)通訊功能，完成與數(shù)學(xué)模型的數(shù)據(jù)交換，并為數(shù)學(xué)模型提供啟動(dòng)指令等。

2.1 物料跟蹤

物料跟蹤是熱連軋控制系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)物料（板坯或帶鋼）在生產(chǎn)中的具體位置和實(shí)際狀態(tài)包括物料的相關(guān)信息決定物料的處理動(dòng)作。熱軋過(guò)程計(jì)算機(jī)從基礎(chǔ)自動(dòng)化得到的相關(guān)信息對(duì)物料在跟蹤區(qū)的位置及在跟蹤區(qū)內(nèi)部的順序進(jìn)行跟蹤。過(guò)程計(jì)算機(jī)的跟蹤范圍從粗軋除鱗前入口輥道開(kāi)始至卷取機(jī)卸卷小車(chē)為止。

物料跟蹤通常根據(jù)基礎(chǔ)自動(dòng)化傳送的跟蹤事件自動(dòng)進(jìn)行，當(dāng)基礎(chǔ)自動(dòng)化不能傳送跟蹤事件時(shí)，操作人員進(jìn)行跟蹤修改。

2.2 數(shù)據(jù)管理

軋線過(guò)程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成收集，處理，存儲(chǔ)和管理軋線相關(guān)數(shù)據(jù)。主要包括：制造執(zhí)行系統(tǒng)傳來(lái)的計(jì)劃數(shù)據(jù)原料板坯的初始數(shù)據(jù)、模型的計(jì)算數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)自動(dòng)化傳上來(lái)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、操作人員通過(guò)畫(huà)面輸入的數(shù)據(jù)等，利用oracle數(shù)據(jù)庫(kù)完成對(duì)上述數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。為方便操作人員、技術(shù)人員對(duì)數(shù)據(jù)的查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)和分析，利用模型分析工具將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)圖形化，部分?jǐn)?shù)據(jù)也可以直接顯示在圖形畫(huà)面上。例如：軋制力，層流水的狀態(tài)等。

過(guò)境貨物分為直接過(guò)境和間接過(guò)境，而其中間接過(guò)境的貨物和準(zhǔn)備在國(guó)內(nèi)銷(xiāo)售的貨物不一樣，屬于尚未進(jìn)口的貨物，根據(jù)我國(guó)《海關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)條例》的規(guī)定，我們只對(duì)進(jìn)口貨物有執(zhí)法權(quán)，但在自貿(mào)區(qū)內(nèi)，國(guó)內(nèi)海關(guān)對(duì)于進(jìn)口的貨物卻無(wú)執(zhí)法權(quán)，因?yàn)檎咭?guī)定進(jìn)入海關(guān)的貨物免于辦理申報(bào)手續(xù)，國(guó)內(nèi)海關(guān)不可以采取知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)措施的問(wèn)題便相繼出現(xiàn)。鑒于此，重慶自貿(mào)區(qū)應(yīng)該在其以全方位開(kāi)放為主、貨物和監(jiān)管更加便利等特殊性的條件下，建立一個(gè)區(qū)別于傳統(tǒng)自貿(mào)區(qū)的獨(dú)特模式。因此自貿(mào)區(qū)內(nèi)的過(guò)境貨物應(yīng)視為進(jìn)口貨物，統(tǒng)一過(guò)境貨物執(zhí)法措施。

2.3 畫(huà)面

軋線過(guò)程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)共用操作終端。軋線過(guò)程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將在計(jì)算機(jī)室，粗軋操作室，精軋操作室，卷取操作室，管理室設(shè)置終端設(shè)備。主要顯示畫(huà)面有：軋制順序畫(huà)面、初始數(shù)據(jù)輸入畫(huà)面、物料跟蹤及修改畫(huà)面、粗軋?jiān)O(shè)定值顯示畫(huà)面、精軋?jiān)O(shè)定值顯示畫(huà)面、層流冷卻設(shè)定值顯示畫(huà)面、報(bào)表打印畫(huà)面等。

2.4 報(bào)表

主要報(bào)表種類(lèi)有：工程記錄報(bào)表、質(zhì)量報(bào)表、生產(chǎn)班報(bào)表和事件記錄等。

2.5 與基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)L1和制造執(zhí)行級(jí)L3的通訊

2.5.1 與基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)L1的通訊

軋線過(guò)程自動(dòng)化級(jí)計(jì)算機(jī)將粗軋出口溫度實(shí)際值、板坯“吊銷(xiāo)”、板坯回送裝爐、板坯抽出節(jié)奏、抽出開(kāi)始等信息發(fā)送給加熱爐控制計(jì)算機(jī)。并從加熱爐控制計(jì)算機(jī)接收裝爐板坯、出爐板坯、停止出爐、裝爐返回、反裝入爐、再熱板坯等信息。

向基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)傳送設(shè)定值或控制信息以及從軋線基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)接收過(guò)程控制信號(hào)及測(cè)量值，具體內(nèi)容包括：粗軋機(jī)設(shè)定值、精軋機(jī)設(shè)定值、層流冷卻設(shè)定值、卷取設(shè)定值、跟蹤信息、粗軋機(jī)實(shí)際值、立輥軋機(jī)實(shí)際值、寬度計(jì)實(shí)際值、精軋機(jī)實(shí)際值、機(jī)架間噴水實(shí)際值、厚度計(jì)實(shí)際值、精軋溫度實(shí)際值、凸度實(shí)際值、平直度實(shí)際值、層流冷卻水實(shí)際值和卷取溫度實(shí)際值等。

2.5.2 與制造執(zhí)行級(jí)L3的通訊

軋線過(guò)程自動(dòng)化級(jí)計(jì)算機(jī)接收制造執(zhí)行系統(tǒng)軋制計(jì)劃、原始數(shù)據(jù)、軋制順序等信息；并將生產(chǎn)結(jié)果數(shù)據(jù)、工程記錄、停機(jī)信息、班實(shí)際數(shù)據(jù)等信息上傳送給制造執(zhí)行系統(tǒng)。

2.6 數(shù)學(xué)模型

朝陽(yáng)1700熱連軋控制數(shù)學(xué)模型采用了基于軋制理論的機(jī)理模型，適用于不同類(lèi)型的軋機(jī)，而且不需要大量的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的整定，能夠保證產(chǎn)品的精度。同時(shí)，要求過(guò)程自動(dòng)化級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有強(qiáng)大的離線模軋和實(shí)用的自適應(yīng)功能，以利于新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)以及產(chǎn)品換規(guī)格后的快速命中。朝陽(yáng)1700熱連軋控制數(shù)學(xué)模型中增設(shè)了離線模軋和自適應(yīng)功能。該數(shù)學(xué)模型的控制區(qū)域分為：粗軋區(qū)、中間輥道區(qū)、精軋區(qū)、層流冷卻區(qū)、卷取區(qū)。主要數(shù)學(xué)模型有：粗軋?jiān)O(shè)定模型RSU；中間輥道降溫模型HTT；精軋?jiān)O(shè)定模型FSU、精軋溫度控制模型FTC-1及FTC-2；板形設(shè)定模型SSU和層流冷卻控制模型CTC。RSU模型主要由軋制力預(yù)測(cè)、轉(zhuǎn)矩預(yù)測(cè)、溫度預(yù)報(bào)、輥縫預(yù)測(cè)及寬帶控制等模型組成；HTT模型中考慮了熱輻射、熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)及速度時(shí)間位置等因素的影響；FSU模型中使用了軋輥磨損、軋輥熱凸度、精軋溫度設(shè)定等基礎(chǔ)模型；FTC模型主要由速度反饋控制、機(jī)架間冷卻水前饋與反饋控制模型構(gòu)成；SSU模型同樣使用了軋輥磨損、軋輥熱凸度模型以及板帶平直度和凸度等模型；而CTC模型則是依靠卷取溫度設(shè)定、前饋控制與反饋控制等模型實(shí)現(xiàn)的［4］，是熱連軋帶鋼過(guò)程自動(dòng)化級(jí)系統(tǒng)中重要的模型之一。

下面以層流冷卻模型為例，介紹數(shù)學(xué)控制模型在朝陽(yáng)熱連軋生產(chǎn)線上的應(yīng)用。其他模型不再贅述。

2.6.1 層流冷卻模型的應(yīng)用

熱連軋帶鋼層流冷卻控制功能由過(guò)程自動(dòng)化級(jí)和基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)共同完成，如圖2所示。

層流冷卻模型利用帶鋼初始數(shù)據(jù)、操作人員輸入數(shù)據(jù)、精軋入口及出口溫度等計(jì)算層流冷卻裝置需打開(kāi)的噴頭數(shù)量等。模型設(shè)定計(jì)算分預(yù)設(shè)定計(jì)算和動(dòng)態(tài)控制設(shè)定計(jì)算，預(yù)設(shè)定計(jì)算根據(jù)計(jì)算出的帶鋼出口厚度、溫度、速度以及材質(zhì)等計(jì)算冷卻需要開(kāi)啟的噴頭數(shù)；動(dòng)態(tài)設(shè)定計(jì)算根據(jù)實(shí)測(cè)的精軋出口帶鋼厚度、溫度、速度、卷取溫度（CT溫度）以及材質(zhì)等，計(jì)算各樣品段在前饋控制和反饋控制區(qū)域冷卻需要開(kāi)啟的噴頭數(shù)。動(dòng)態(tài)設(shè)定計(jì)算包括前饋控制設(shè)定計(jì)算和反饋控制設(shè)定計(jì)算。

層流冷卻模型在控制上將從精軋出口溫度計(jì)至卷取入口溫度計(jì)之間的冷卻區(qū)域分為若干個(gè)邏輯區(qū)。在靠近精軋出口側(cè)的邏輯區(qū)實(shí)施前饋控制，即當(dāng)帶鋼到達(dá)精軋出口溫度計(jì)時(shí)，對(duì)帶鋼進(jìn)行樣品段跟蹤，并計(jì)算每一樣品段所需要的噴頭數(shù)。在靠近卷取入口側(cè)的邏輯區(qū)實(shí)施反饋控制，即當(dāng)帶鋼每一樣品段到達(dá)卷取溫度計(jì)處時(shí)，實(shí)際測(cè)量該樣品段的卷取溫度，根據(jù)實(shí)際卷取溫度和目標(biāo)卷取溫度偏差調(diào)整精冷段的噴頭開(kāi)閉組合的設(shè)定，將反饋控制設(shè)定值和對(duì)應(yīng)的樣品段地址編號(hào)一并傳送給L1級(jí)系統(tǒng)。由L1級(jí)系統(tǒng)完成對(duì)后續(xù)樣品段跟蹤與噴頭控制。

2.6.2 應(yīng)用效果

圖3為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的CT溫度曲線（鋼種：SPHC規(guī)格：2.75 mm×1 013 mm CT 目標(biāo)：620 ℃），其 CT溫度控制達(dá)到精度要求。

系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來(lái)，產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)均在設(shè)計(jì)保證值以上，其中CT指標(biāo)在±20℃之內(nèi)的控制精度達(dá)到98.9%。

3 結(jié)論

朝陽(yáng)1700熱連軋過(guò)程自動(dòng)化級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自投產(chǎn)以來(lái)，運(yùn)行可靠，全部功能都達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，該系統(tǒng)采用的客戶(hù)機(jī)-服務(wù)器結(jié)構(gòu)在硬件及系統(tǒng)軟件方面均能夠適應(yīng)現(xiàn)代熱連軋自動(dòng)化的主流發(fā)展趨勢(shì)，為過(guò)程自動(dòng)化級(jí)的控制功能及數(shù)學(xué)控制模型提供了先進(jìn)的運(yùn)行環(huán)境，使其自動(dòng)化程度和控制精度提高，人為干預(yù)減少。特別是客戶(hù)機(jī)-服務(wù)器這一熱連軋過(guò)程自動(dòng)化級(jí)新結(jié)構(gòu)的成功應(yīng)用，改變了以往采用小型機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)國(guó)外系統(tǒng)的依賴(lài)，同時(shí)，系統(tǒng)的開(kāi)放性也為今后系統(tǒng)優(yōu)化與進(jìn)一步開(kāi)發(fā)提供了便利。

［1］ 劉文仲.我國(guó)熱軋過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及數(shù)學(xué)模型的發(fā)展［J］.冶金自動(dòng)化，2012，36（4）：1-7.

［2］ 張凱，周一中，陳翔，等.熱軋過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與集成 ［C］∥2010年全國(guó)軋鋼生產(chǎn)技術(shù)會(huì)議論文集.北京：中國(guó)金屬學(xué)會(huì)，2010：270-273.

［3］ 孫一康.帶鋼熱連軋模型與控制 ［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2002.

［4］ 肖紅,楊偉，王鵬，等.鞍凌 1700 熱軋數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)［J］.冶金自動(dòng)化，2014，38(1)：8-11.