過程控制計算機系統在熱軋中的應用

陳 琪

0 引言

熱連軋技術至今已有80多年的發展歷史，據統計，目前世界上大于1000mm的熱軋生產線超過300多套。在冶金生產中，熱軋是自動化程度高、各種高新技術應用最為廣泛的領域。其生產具有高溫、高速等特點。因此，對于其控制系統功能穩定性及響應有很高的要求。

寶鋼1880熱軋于2007年建成投產，其設計年產量370萬噸，主要品種為硅鋼、汽車板及高強鋼等優質高附加值產品。其過程控制計算機，系統由寶鋼自主開發和集成。

本文以1880熱軋過程控制計算機系統為例，對過程控制計算機系統的功能、結構組成以及應用情況進行了分析。

1 過程控制系統在寶鋼的發展

寶鋼自熱軋項目開始以來，非常重視自主開發、集成能力的培養。

在2050熱軋的建設期間，公司派遣人員參與整個系統的設計、開發、調試及后續改善工作。通過對引進技術的消化吸收，以及在后續改善過程中的不斷創新，培養過程控制系統的自主開發能力。

在1580項目建設時，寶鋼通過加熱爐區域應用系統的開發，以及參與軋線控制系統的聯合設計、編程與調試，掌握了相關系統開發的規范，積累了設計與調試經驗，進一步提高了自身的自主研發能力。

之后，在針對2050系統的區域與整體系統的改造過程中，首次自主進行了系統整體設計與集成，采用了系統集群、存儲局域網、共享磁盤陣列、高速以太網、TCP/IP通信協議等一系列新技術，并對軟件系統及控制模型均進行了更新，大大提高了自主開發能力。

有鑒于此，2004年寶鋼建設1880熱軋時，整個過程控制系統，采用了完全自主開發的模式。針對1880熱軋采用的新工藝、新技術等，在原有設計基礎上，對控制系統設計，提出了更高的要求。

2 過程控制計算機系統功能

工業控制過程自動化系統一般分為 4級：生產控制級（L3）、過程控制級（L2）、基礎自動化級（L1）以及傳動級（L0）[1]。二級計算機系統控制，主要通過模型控制，實現板坯/帶鋼初始數據處理、材料跟蹤、數學模型的計算，在生產中進行數學模型的工藝參數的設定，完成過程數據的收集，通過對L1級、L3級MES系統的數據通訊，來實現對成品精度的控制[2]。“設定計算”和“設定”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行的。

2.1 過程控制系統基本功能

熱軋帶剛二級控制系統是一個復雜的軟件系統，它由不同層次、不同功能的多個任務進程協同實現[3]。目前 1880熱軋的過程控制系統功能主要包括：軋線材料跟蹤、軋線數據收集、道次計劃計算、道次后計算、自適應、設備運行方式管理、軋制節奏、通信接口、人機交互界面（HMI）和報表等。

2.2 過程控制系統模型

2.2.1 粗軋模型功能

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

粗軋過程自動化主要包括軋制策略和道次計劃計算。軋制策略根據 PDI數據（板坯厚度、寬度、成份等）及加熱后的溫度分布，選擇有效的目標厚度、寬度、溫度及附加的工藝要求和道次計劃預計算相關遺傳系數。道次計劃計算利用數學模型和控制策略，確定粗軋區域各設備及軋制道次的設定值。其主要功能包括：（1）軋制策略；（2）道次計劃計算；（3）自適應計算；（4）寬度控制；（5）寬展計算；（6）縮頸補償控制；（7）短行程控制；（8）工藝參數計算等。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

精軋設定計算的目的是實現精軋機的高精度軋制，即在保證精軋機軋制穩定性的同時將中間坯軋制到目標厚度、目標終軋溫度、目標凸度與平直度和目標寬度等。精軋設定計算模型是實現高精度軋制的主要手段。精軋設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；相關的測量設備。精軋設定模型的輸入量主要有帶鋼的原始數據、操作工輸入、實測值數據以及內部數據等。主要包括：（1）鋼種分類、層別劃分模型；（2）精軋工藝參數確定；（3）BH設定計算及控制模型；（4）EH設定計算及控制模型；（5）負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）機架輥縫設定模型；（9）交叉軋制模型自適應方法；（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 精軋設定計算的流程框圖

2.2.3 板型控制模型功能

生產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板凸度和目標平直度。而預設定模型，就是為了最后達到目標板凸度和目標平直度，在還沒有軋制這塊帶鋼之前，要確定L1的板形調節機構的動作值。

板形控制系統的預設定模型計算的總體原則是：根據精軋道次計劃計算的計算結果，確保帶鋼在經過最后一個機架后，所得到的板凸度為目標板凸度，而帶鋼在其余機架時的凸度，可以在一定范圍內調節。帶鋼在經過每個機架時，由帶鋼在前后機架的凸度變化所產生的不平度，不能超過平直度死區范圍，在精軋機咬鋼前，軋輥PC角和橫移位置通過L1設定到位，并在軋制中保持不變。

3 過程控制計算機系統接口實現

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

軋線計算機與上位計算機和同級計算機之間，均采用網絡通信方式，網絡類型采用 100Mbps速率的以太網，網絡協議為 TCP/IP。與下位機的通信，則根據情況，采用網絡通信方式或C3(以UDP/IP協議,調用PMS-DEV中間件的方式與C3通訊)方式，以便適應那些只含這類接口的設備。接口關聯圖，如圖3所示：

圖3 軋線過程機接口關聯圖

3.1 TCP/IP通信協議及實現方式

與軋線過程機相關的接口協議，有TCP/IP協議。TCP/IP協議是網絡中使用的基于軟件的通信協議，包括傳輸控制協議（Transmission Control Protocol簡稱 TCP）和網際協議（ Internet Protocol簡稱IP）。TCP/IP是普通使用的網絡互連的標準協議，可使不同環境下不同節點之間進行彼此通信。軋線控制系統使用xcom 通訊中間件與各系統和設備建立socket通訊的。

3.2 與C3的UDP/IP通信

軋線過程機與下位機C3 采用 UDP/IP通信協議通訊，再經由C3轉換后通過專用控制網絡TC-NET網與基礎自動化通信，進行設定值的下發與軋線數據的收集。

L2的設定值通過C3寫入到TC-NET內存。設定數據分為兩部分，包括控制用數據和一個設定數據讀取標識。當數據讀取標識發生變化，L1讀取從L2設定的數據。數據讀取標識按設定對象組管理，每個設定對象對應一個標識。此標識是一個計數器，計數范圍為從1到32767。每次L2向L1發送設定數據時，此標識增加1，當計數達到32767時，計數重新從1開始。

SCC 中的應用程序調用中間軟件 PMS-DEV 提供的接口，將數據從共享內存中讀出或者是寫入。在配置內存數據塊的時候，使用文件的方式定義。其接口關聯圖，如圖4所示：

圖4 軋線過程機接口關聯圖

4 結束語

寶鋼1880熱軋采用自主開發集成過程控制系統，采用面向對象的編程方法，編程軟件為C＋＋。寶鋼1880過程控制系統由加熱爐計算機、軋線計算機和冷卻計算機3臺主機組成，配置在公司內部網內，通過接口與公司L3連接接收生產信息數據。通信中間件采用寶信的xcom軟件。

自1880熱軋投產以來，自主設計集成的過程控制計算機系統的運行成功達到了高效、穩定的目標。同時，還初步實現了多品種自由軋制等功能，效果良好。

隨著熱軋技術的不斷發展，新技術不斷涌現。高精度軋制、自由軋制、智能化軋制以及組織性能控制技術等一系列新技術的出現以及應用，對熱軋過程控制系統的設計及應用提出了更高的要求。因此，如何采用新技術，對現有的控制系統進行改進，仍需要在實際應用的過程中，采取進一步地對其開發和優化來實現。

[1]張春杰，秦紅波.京唐.2250熱軋過程控制系統的應用與研究[J].工業控制計算機,2009,(9):68-69.

[2]馬占福，趙西成.1750熱軋廠二級自動化系統控制簡述[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[J].金屬世界,2010,(5):64-67.