熱連軋模擬軋鋼過程開發

劉付強，盛桂軍，唐賢軍，劉寶松

1.一重集團大連設計研究院有限公司助理工程師，遼寧 大連 116600；2.濟鋼裝備部高級工程師，山東濟南 250101

熱帶鋼連軋生產是目前應用計算機控制最為成熟的一個領域，其控制系統分為四級，控制范圍包含從加熱爐入口（甚至從連鑄出口）開始到成品庫整個生產過程，囊括軋制計劃、板坯庫管理、設定計算、設備控制和質量控制以及傳動（電氣及液壓傳動）數字控制等各個層次，是軋鋼自動化領域中最為龐大，最為復雜的控制系統[1,2]。由于熱連軋生產線及其控制系統的復雜性，所以國內先進的熱連軋生產線的三電基本上由國外大公司提供，如早先引進的武鋼1700 mm熱連軋和寶鋼2050 mm熱連軋，以及新近引進的鞍鋼1780 mm熱連軋和武鋼2250 mm熱連軋。目前國際上一些主要電氣公司推出的熱連軋計算機控制系統主要有：區域控制器群結構（如美國GE公司的DM2000系統和德國西門子公司的SIMADYN TDC系統）和超高速FDDI環網結構（日本三菱公司系統）[3]，國內有北京科技大學高效軋制國家工程研究中心開發的基于西門子SIMATIC TDC平臺的熱連軋生產線自動控制系統[4]等等。一重集團利用自身作為冶金成套設備提供商的優勢，以國外電氣公司的控制系統為基礎開發熱連軋過程控制系統的主要功能，目前已完成實驗室內接近實際生產控制功能的模擬軋鋼過程的開發工作。

1 模擬軋鋼過程開發

通常熱連軋的工藝流程為：合格連鑄坯由裝鋼機推入步進梁式加熱爐內進行加熱；加熱好的坯料由出鋼機托出經除鱗后送往E1、R1（或兩架粗軋機）組成的可逆粗軋機組軋制3～9道次；軋出的合格中間坯經過保溫罩或熱卷箱運送至精軋機組軋制；精軋機組一般由一架立輥和六至七架水平輥軋機組成，精軋機組配有機架間活套裝置、液壓AGC自動厚度控制系統和工作輥彎輥裝置，用于保證帶鋼全長范圍內的厚度精度及板形要求；帶鋼頭部從末架精軋機出來經空冷輥道進入層流冷卻裝置冷卻至卷取溫度后進入具有助卷輥自動踏步控制功能的卷取機，在恒張力狀態下卷??；帶鋼成卷后經卸卷小車卸卷并放置在打捆站上打捆；然后由步進運輸機將鋼卷取走稱重、并打印標記后運至成品庫。

本文所述過程控制級的開發工作以上述工藝為基礎，其中心任務是對生產線上各機組和各個設備進行設定計算并對熱連軋生產過程進行監督和控制。該過程控制系統以某1780 mm熱連軋生產線為對象，以帶鋼頭部為控制目標，對粗軋、精軋機組負荷進行分配。為此，過程控制級計算機根據需要設有板坯（數據）跟蹤、初始數據輸入、在線數據采集以及模型自學習等為設定模型服務及配套的功能。熱連軋過程自動化控制系統的核心部分是精軋機組的厚度設定、板形設定和溫度設定等數學模型，設定值經計算后下送到基礎自動化層由設備控制功能執行（見圖1）。

圖1 過程控制級模塊關系圖

本次開發主要針對L2過程控制級功能實現，開發的內容有軋制計劃、粗軋設定及自學習、精軋設定及自學習、板形設定、卷取溫度設定、組織性能預報和畫面編程等，最終實現系統集成以及進行軋鋼過程模擬。雖然基礎相對較弱，開發過程難度較大，目前已取得階段性成果。

（1）軋制計劃功能

為實現模擬軋鋼過程系統中板坯數據的初始來源、軋制計劃與生產控制級、過程控制級的連接。編寫軋制計劃模塊時充分考慮實際需要，實現了與板坯庫、連鑄生產線之間的實時數據管理通信及軋制計劃編制優化后的下發等功能。其內容主要包括生產計劃及鋼卷計劃管理、板坯信息與板坯庫、連鑄生產線通信管理、軋制計劃生產下發管理等。

（2）板坯核對與加熱爐區功能

根據下發的軋制計劃，編寫板坯核對模塊實現板坯核對及與加熱爐區的通信。由板坯核對模塊實時讀取最新的軋制計劃，從畫面上實現入爐前的板坯核對功能，以決定是否允許入爐，并將核對后的板坯信息傳遞到加熱爐管理模塊。主要任務是確認數據與實際物料是否一致，軋制計劃中對應板坯的重量和實際重量是否吻合等，核對后通過點擊確認以改變板坯核對標志。

考慮到國內目前已經有成熟的加熱爐ACC模塊，所以加熱爐區管理模塊只開發加熱爐裝鋼、強制出鋼、定時出鋼等輔助功能。其中加熱爐裝鋼功能的實現過程為由HMI裝鋼畫面顯示已經核對但未裝鋼的板坯，選擇要裝鋼的板坯并點擊確認裝鋼以改變板坯是否裝鋼標志，并將此板坯信息傳遞到HMI出鋼和爐內畫面上顯示；強制出鋼是以手動的形式按順序選中準備出鋼的板坯，點擊確認出鋼后，改變板坯是否出鋼標志；定時出鋼則要判斷板坯所在的加熱爐號并按固定的時間進行出鋼

（3）軋線跟蹤功能

跟蹤的目的在于確定熱軋生產線上軋件的實際位置和相關信息，根據不同的時序啟動相關的應用程序，完成過程控制[3]。根據軋線上機組的布置將整條軋線分區控制，包括C區、HSB區、RM1(2)區、CB1(2)區、CS區、FM區、ROT區、DC1(2)區、BND1(2)區、CONVEYOR1區等，以模擬軋線上熱金屬檢測器等設備在軋件經過時得到的信息作為跟蹤信息的區域更新，并判斷相關時序啟動應用程序，同時還可以實現跟蹤修正。

（4）粗軋區功能

利用國外熱軋數學模型，根據軋線設備等實際影響因素開發的設定計算應用模塊。其粗軋設定量主要有粗軋道次數、各道次的平輥輥縫位置和立輥壓下位置、軋制速度和側導板的開口度等。其自學習計算功能主要是根據實測的物理參數來提高粗軋設定部分數學模型的預測精度。此外，該模塊還要計算熱卷箱的卷取參數和粗軋機入口擺鋼參數?；A數學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。

（5）精軋區功能

精軋設定的基本任務是根據來料條件及成品要求，通過模型計算，確定精軋機組各機架的輥縫、速度及有關操作變量，以保證順利穿帶和獲得準確的帶鋼頭部尺寸。精軋設定計算使用的數學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、動態設定模型及自學習模型等。其板形設定功能可實現PC軋機的PC角、彎輥力計算和CVC軋機的串輥量、彎輥力計算等。

（6）層流冷卻功能

根據精軋出口的帶鋼溫度、速度、厚度等數據和其它工藝設備參數，經過模型運算（包括預設定計算、修正設定計算、自學習計算）求得達到目標冷卻模式、卷取溫度、冷卻速度的集管組態，控制熱輸出輥道上冷卻集管的開閉狀態，實現冷卻過程的計算機自動控制。

（7）卷取區功能

由于卷取設定的大部分功能可下放到基礎自動化級，在過程控制級內卷取設定相對簡單，主要包括速度、開口度、卷筒轉矩、壓力、小車的等待位置、AJC的設定值等，確保帶鋼在輸出輥道上平穩運行基礎上順利咬入卷取機并得到良好的卷形。

（8）組織性能預報功能

該模塊通過板坯的初始數據及軋線的相關工藝，利用神經元網絡預報當前鋼卷的組織和性能。

2 模擬軋鋼

將上述的各個設定模塊在PC機上通過觸發文件的方式進行優化連接后即可構成模擬軋鋼過程的系統結構。此過程可以升級到服務器上，以內存文件的方式運行以提高數據傳輸的速度。

模擬軋鋼的實現過程即從軋制計劃下發開始，在軋制計劃模塊中輸入詳細的板坯數據和鋼卷數據，生成多塊板坯的軋制計劃表并下發到文件中；由板坯核對模塊實時讀取軋制計劃中的板坯數據，實現畫面模擬核對；將已核對的板坯信息傳遞到加熱爐管理模塊，在加熱爐HMI模塊上實現板坯的裝鋼、出鋼事件，加熱爐HMI模塊、HMI檢測模塊和跟蹤模塊實現相互通信；從出鋼事件開始進入事件檢測跟蹤模塊，根據相應的時序啟動不同的應用程序，在出鋼時先計算出軋件在整條線上的運行過程，并由時間數據實現畫面上軋件的模擬運行（見圖2）。在模擬軋鋼過程中所需的時序、實際數據等均由人為給定。

3 模擬結果分析

本系統經過多塊鋼的模擬調試，以某熱軋生產線實際鋼卷軋制數據作為比照，充分考慮各個時序間的關系，將各個模塊有序的結合到一起，并通過板坯在實際軋制時的數據啟動粗軋、精軋設定的自學習功能，利用設定計算結果順利實現模擬軋鋼過程。

通過將主要設定值（軋制力）與實際生產時的數據進行比較，所得到粗軋5道次的設定結果誤差和精軋7機架設定結果誤差均在10%左右，比較接近于實際情況（見表1、表2）。

圖2 模擬軋鋼跟蹤畫面顯示圖

表1 粗軋5道次軋制力結果比較

表2 精軋7機架軋制力結果比較

4 結語

實驗結果說明該過程控制級系統已能初步實現模擬軋鋼功能，在過程控制級的主要功能中粗軋、精軋設定及自學習、層流冷卻設定、板形設定和應用平臺程序等已具有較高的水平，設定計算結果準確率較高，其與實際生產線相結合的系統結構先進并具有很高的實際應用價值。

[1]吳立新.鋼鐵企業熱軋過程控制系統設計 [M]，上海.

[2]單旭沂，勞兆利.熱連軋過程控制系統關鍵技術的思考與實踐[J]，冶金自動化，2009,5.

[4]張大志等.基于西門子SIMATIC TDC的1500mm熱連軋自動控制系統 [J]，電氣自動化，2007.