面向對象的中厚板軋線模擬系統設計開發

矯志杰，何純玉，趙 忠（軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室（東北大學），110819沈陽）

面向對象的中厚板軋線模擬系統設計開發

矯志杰，何純玉，趙 忠
（軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室（東北大學），110819沈陽）

為實現軋線自動化系統離線調試和優化目的，開發了中厚板軋線模擬系統.應用面向對象技術進行模擬系統設計，將軋線劃分為設備對象、儀表對象和軋件對象.單體對象通過封裝的服務更新自身屬性，通過開放的公共屬性建立對象之間的關聯.基于過程控制系統平臺環境進行模擬系統開發，采用多線程結構滿足中厚板軋線多個工藝區域的模擬要求，以時間觸發器控制模擬時間步長，采用實際數據回放方法產生模擬系統的軋制工藝數據.模擬系統實現了從坯料上線開始到軋制結束生產過程的模擬，設計開發的中厚板軋線模擬系統已應用于實際工程項目，滿足了軋線自動化系統的離線調試要求.

中厚板軋線；模擬系統；面向對象；系統開發

軋線模擬系統是進行軋制工藝和控制研究的重要工具，同時也是進行自動化系統離線調試和優化的重要手段.國內外學者在軋線模擬系統針對軋制工藝和控制的研究方面開展了大量工作［1－6］.國內的科研院所和鋼鐵企業，在軋線自動化系統開發方面緊跟世界先進水平，針對板帶軋機自動化系統及模擬仿真功能開發方面也有突出成果［7－10］.目前軋線模擬系統的應用尚還存在一些問題：使用模擬系統進行軋制工藝和控制研究，雖然可以減少研究成本，降低直接在生產線進行實驗的研究風險，但軋制力、輥縫等主要工藝參數一般都是通過理論模型計算并附加隨機的擾動量作為模擬數據，與實際生產數據相比會有一定偏差；進行自動化系統離線調試和優化時，目前通常做法是在軋線自動化系統中配備模擬功能，不作為一個獨立系統.但軋線自動化系統有大量控制邏輯和工藝控制功能需要調試和測試，輔助的模擬功能不能完全滿足要求.因此開發一套適用性強，功能完備的模擬系統，對軋線自動化系統的調試和測試具有重要意義.另外，開發獨立完備的模擬系統與自動化系統結合，可以更好地進行軋制工藝和控制的離線模擬仿真研究.本文依托于東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室承擔的中厚板軋線自動化系統項目，開發獨立的中厚板軋線模擬系統.

1 中厚板軋線概況及模擬系統實現思路

中厚板軋線的生產工藝復雜，設備繁多，典型的中厚板軋線工藝設備布置如圖1所示.坯料上線，進入加熱爐加熱.出爐后經高壓水除磷去除表面氧化鐵皮，進入軋機區軋制.軋制完成的鋼板進入控冷區，通過水冷方式控制軋件溫降過程.隨后軋件通過矯直機矯平、冷床空冷，經過切頭、切邊、定尺等精整工序得到最終成品［11］.

圖1 中厚板軋線工藝設備概況

中厚板軋線品種規格繁多，生產過程復雜.中厚板軋制過程為多階段多道次可逆軋制，需要經過轉鋼和待溫等工藝過程，并且經常有多塊軋件同時位于軋機區域，處于軋制和待溫等不同狀態.這些生產特點決定了其控制功能復雜，對自動化系統提出了較高要求.

中厚板軋制生產線一般都會配備多級自動化系統來實現控制功能：3級制造執行系統（MES）主要完成生產管理功能；2級過程控制系統（PCS）完成過程跟蹤、數據管理和工藝設定等功能；1級基礎自動化系統實現設備控制和工藝控制等功能；0級傳動系統完成設備傳動功能.典型的中厚板軋線自動化系統的配置如圖2中（a）所示.

圖2 中厚板軋線自動化系統及模擬系統概況

正常情況下，必須將整個自動化系統完備連接、現場設備具備條件、有加熱軋件供軋制，才能進行自動化系統的全面調試.如何在離線條件下完成自動化系統調試，并能夠盡可能反映現場實際狀態，這是軋線模擬系統應該實現的最重要功能要求.針對中厚板軋線控制特殊性，自動化系統中增加簡單模擬功能很難滿足要求，因此需要在現有自動化系統框架下，設計開發獨立的模擬系統，如圖2（b）所示.模擬系統實現的總體思路概況為以下幾個方面：

1）將L0傳動系統和現場設備及軋件作為模擬系統的替代對象；

2）自動化系統的主體控制功能不變，只增加必要的切換功能和輔助數據接口；

3）離線模擬狀態下，將原來發送到L0和現場設備的控制信號切換發送給模擬系統；

4）模擬系統產生與實際生產過程對應的現場儀表檢測信號和設備控制反饋信號，并將這些信號傳遞給在線自動化系統，用于自動化系統的系統測試和功能調試.

2 面向對象的模擬系統設計開發

2.1 面向對象技術的應用

面向對象技術是一種與傳統面向過程不同的程序設計方法.面向過程方法是把系統分成若干個功能模塊來開發，而面向對象方法從現實世界客觀存在的事物出發來構造軟件系統，把系統看作是相互協作而又彼此獨立的對象集合.

軋線自動化系統的開發原來都是以面向過程的方式進行，按照具體軋線的工藝過程將設備和軋制產品融合在一起，通過功能來實現控制過程，這種方式需要針對不同軋線的不同工藝過程進行大量重復的程序設計開發工作.

從軟件開發角度分析，軋線自動化系統的控制對象為軋線設備，并將工藝過程施加于軋件，它們彼此獨立又相互關聯，可以采用面向對象技術，將軋線設備和軋件進行對象抽象，對屬性和服務進行類封裝，通過類的繼承和實例化手段，提高程序的可擴展、可配置、可重用性，方便系統設計開發，這也是程序設計和軟件開發的總體趨勢.

近年來，隨著計算機和軟件技術發展，國外引進的軋線自動化系統已開始采用面向對象的方法進行過程控制系統設計和開發，國內也開展了相關的研究和應用工作.但軋線自動化系統開發從面向過程轉變為面向對象方式，仍有大量工作要做.軋線模擬系統采用面向對象技術進行設計和開發，既能提高程序代碼的復用性，方便后續開發和使用，還能為軋線自動化系統尤其是過程控制系統按照面向對象方式進行設計開發積累經驗，提供參考.

2.2 模擬系統的面向對象設計

2.2.1 模擬系統的對象劃分

中厚板軋線模擬系統需要模擬的對象包括：加熱爐、軋機等機械設備；測溫儀、測厚儀等檢測儀表，以及作為加工對象的軋件.對于大型設備，如軋機，又可以分解為小設備對象.不同對象之間通過公共屬性建立關聯，模擬系統只需要將對象進行關聯和組合即可.

通過對中厚板軋線模擬系統涉及對象的分析，將模擬系統主要對象分為設備、儀表和軋件3類，三者之間互相關聯.對軋機區的設備和儀表對象進行細化，對象劃分的層次關系示意如圖3所示.其他工藝區域涉及的設備和儀表對象層次劃分關系與此類似.在對不同區域的設備對象進行拆解時，要考慮模擬需求，既要滿足功能要求，又不能拆分得過于零散.

圖3 軋機區對象層次關系

2.2.2 模擬系統的對象關聯

不同對象封裝各自的屬性和服務，每個對象通過自身的服務更新屬性，并通過開放的公共屬性接口建立對象之間的關聯.中厚板軋制時軋件需要在軋機區往返軋制和運送，并有多塊軋件同時在線，因此本文以軋件運送過程涉及的輥道、測溫儀以及軋件對象為例介紹對象服務和屬性以及對象之間關聯的建立.這幾個對象封裝的部分屬性和服務如圖4所示.

對象的屬性更新包括：

1）輥道對象通過運送服務更新速度屬性，通過占用判斷服務對是否有軋件位于該段輥道上進行判斷賦值.

2）測溫儀對象通過溫度檢測服務將實測溫度賦值給溫度屬性，通過占用判斷服務對是否有軋件位于測溫儀下進行判斷賦值.

3）軋件對象通過溫度預測服務為溫度屬性賦值，通過運送服務更新位置坐標屬性.

對象之間建立的關聯包括：

1）軋件位置坐標屬性與輥道和測溫儀的位置坐標屬性建立關聯.輥道和測溫儀的位置坐標在對象實例化時，根據現場設備布置進行賦值，并固定不變.以工藝段的起始位置作為坐標原點，每段實例化輥道的位置坐標包括起始坐標和結束坐標；每個實例化的測溫儀只有一個點坐標；每塊實例化軋件的位置坐標包括軋件頭部和尾部坐標.運送過程中軋件位置坐標不斷更新，并與輥道和測溫儀的固定坐標匹配.

2）軋件速度屬性與輥道的速度屬性建立關聯.當軋件坐標與某段輥道坐標位置重合時，說明軋件位于該段輥道上，輥道速度與軋件速度匹配.如果軋件運送到兩段輥道的交接處，需要判斷前后兩段輥道的速度，及軋件全長在兩段輥道上的分配關系，確定速度關聯.

3）軋件溫度屬性與測溫儀的溫度屬性建立關聯.當軋件坐標位置與某個測溫儀坐標位置重合時，說明軋件位于該測溫儀下，測溫儀溫度與軋件溫度匹配.

圖4 對象屬性和服務示意

2.3 模擬系統軋制實際數據獲取

模擬系統能否產生與實際軋制過程一致的數據是模擬功能實現的關鍵.在實際軋制生產線上可以記錄大量的軋制過程實際數據，基于這些現場實際數據記錄，采用數據回放方式產生模擬數據，可以真實再現軋制過程.模擬系統軋制實際數據的獲取過程如圖5所示，具體步驟包括：

1）基礎自動化系統的數據采集模塊采集軋制過程的檢測儀表信號、設備運行反饋數據等全部實際數據；

2）基礎自動化系統的數據發送模塊將數據采集模塊采集的實際數據發送給模擬系統；

3）模擬系統的數據接收模塊進行數據接收，并以數據庫或數據文件形式進行數據存儲；

4）模擬系統的數據回放模塊在進行軋制過程模擬時，讀取存儲的實際數據；

5）模擬系統的軋制模擬模塊利用回放數據進行軋制過程的完全模擬.

圖5 模擬系統的軋制實際數據獲取

2.4 模擬系統開發及功能實現

2.4.1 模擬系統的開發

基于面向對象設計，將原來分散在過程控制系統和基礎自動化系統中的模擬功能整合到獨立的模擬系統中完成.模擬系統的開發基于現有的中厚板軋線自動化系統框架，軟件開發平臺利用過程控制系統平臺環境，開發軟件采用基于Microsoft操作系統的Visual Studio軟件，數據通訊采用實驗室自主開發的過程控制通訊軟件.

模擬系統按照自動化系統控制功能范圍，從加熱爐前的上料輥道開始，到軋機后的軋后區域.按照工藝區域分為入爐區、出爐區和軋機區.后續的控冷、矯直、冷床、剪切區域不包括在本系統中，可以按照相同的設計思路加入模擬系統.

模擬系統采用多線程結構，針對入爐區、出爐區和軋機區設計獨立線程完成模擬功能.每個區域設備和儀表采用面向對象的類設計.設備和儀表的位置坐標、尺寸等屬性通過配置文件導入，并可以靈活修改，以適應不同軋線.每個工藝區域子線程設置單獨時間觸發器，用于控制該區域模擬的時間步長，并設計簡單的模擬顯示畫面.在設定的時間步長內對該區域內的設備、儀表及軋件屬性進行更新，并在畫面上顯示設備、儀表及軋件狀態.

2.4.2 模擬系統的功能實現

坯料從加熱爐前上料輥道上線，模擬開始.坯料向前運送，依次啟動各段輥道，輥道模擬速度根據輥道傳動電機特性由靜止加速到設定速度，軋件速度與輥道速度匹配.坯料到達金屬檢測器和稱重儀處，根據對象屬性之間的關聯，產生模擬的檢測信號和稱重信號.坯料運送到加熱爐前，進行坯料定位.加熱爐前的坯料入爐裝置包括液壓升降裝置和電動送鋼裝置，液壓抬升到限位，電動送鋼裝置將坯料送入爐內，模擬坯料入爐過程產生的反饋信號.加熱爐本體設備控制由單獨的自動化系統完成，不包括在本模擬系統中.坯料出爐過程與入爐過程類似，模擬坯料出爐過程液壓升降裝置和電動出鋼裝置產生的反饋信號.

軋機區模擬從坯料出爐開始.坯料出爐后，由爐前運送到軋機前的模擬過程與加熱爐前坯料運送過程一致.坯料運送過程的溫度模擬在初始出爐溫度基礎上，考慮空冷溫降、與輥道接觸傳熱溫降以及高壓水除磷的水冷溫降.根據對象屬性關聯，坯料運送經過熱金屬檢測器和測溫儀時，產生模擬檢測信號.坯料運送到軋機前，開始軋制過程.軋件在軋機區的往返多道次、轉鋼待溫多階段軋制過程的模擬，根據軋件PDI數據選取回放數據，產生軋制過程的模擬實際數據.軋制結束后，成品軋件向后運送，完成模擬過程.

3 實際應用

開發的面向對象中厚板軋線模擬系統已經成功應用于軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室承擔的唐山中厚板板材有限公司3 500 mm中厚板軋線自動化系統項目.

模擬系統實現了從坯料上線開始，坯料運送、坯料入爐、坯料出爐、出爐后坯料運送、軋件軋制，直到軋制結束將軋件運送到控冷區整個生產過程的模擬.自動化系統利用模擬數據，離線調試本來需要在實際生產過程中才能調試完成的坯料自動運送、自動定位、坯料入爐、坯料出爐、自動軋鋼、自動待溫等功能的控制邏輯、信號判斷和跟蹤處理，測試和優化自動化系統在上述生產過程控制中的數據通訊、界面顯示和模型計算等功能邏輯.

利用由該模擬系統和基礎自動化系統、過程控制系統和人機界面系統共同搭建的離線模擬調試平臺，在不需要與現場控制設備和檢測儀表連接的條件下，實現了自動化系統離線調試和優化的目標.

4 結 論

1）分析了中厚板軋線模擬系統功能及開發思路，將面向對象技術應用于模擬系統設計.進行模擬系統的對象層次劃分，將軋線對象劃分為設備對象、儀表對象和軋件對象.通過服務更新對象屬性，通過公共屬性建立不同對象的關聯；

2）基于面向對象技術和過程控制系統平臺環境進行模擬系統的開發，針對多個工藝區域采用多線程結構設計，以時間觸發器控制模擬時間步長，采用數據回放方法產生模擬系統的實際軋制數據，并具體實現模擬系統功能.

3）依托于實際的中厚板軋線自動化系統項目，以自動化功能調試和優化為目的，開發了中厚板軋線模擬系統，滿足了自動化系統的離線調試要求.

［1］LIU Xinggang，HAO Lina，XU Xinhe，et al.Simulation support system and model base technology in cold rolling process control system［C］／／Proceedings of the 5th World Congress on Intelligent Control and Automation.Hangzhou：IEEE，2004：3265－3268.

［2］SLMSEK B H.Dynamic simulation of dual?continuous strip processing operations［J］.Iron and Steel Engineer，1997，74（6）：45－54.

［3］WANG Yingrui，CUI Zhenshan，WANG Yingjie，et al. Complete mill simulation of the rolling process of1 660 mm hot strip continuous mills［J］.Journal of Material Science Technology，2004，20（6）：649－656.

［4］SUN Dengyue，DU Fengshan，XU Shimin，et al.Dynamic strip thickness simulation on five?stand cold continuous rolling mill［J］.Journal of Iron and Steel Research International，2006，13（2）：30－32.

［5］WANG Chaoli，LI Peijing，LI Zhenhuan，et al.Modeling and analysis for virtual rolling pieces of dynamic simulation system of rolling process［C］／／Proceedings of the 4th International Conference on Intelligent Information Technology Application.Beijing：［s.n.］，2010：216－219.［6］ZENG Ben，WU Jing，ZHANG Henghua.Numerical simulation of multi?pass rolling force and temperature field of plate steel during hot rolling［J］.Journal of Shanghai Jiaotong University（Science），2011，16（2）：141－144.

［7］董敏，周彬.板帶軋機厚控系統三自由度建模與故障模擬［J］.鋼鐵，2013，48（1）：46－51.

［8］WU Qinghong，CUI Jianjiang，XU Xinhe，et al.Application of dis software methods in rolling process control simulation［C］／／Proceedings of the 4th Beijing International Conference on System Simulation and Scientific Computing. Beijing：［s.n.］，1999：480－483.

［9］王正林，孫一康，彭開香.帶鋼熱連軋AGC系統實時仿真［J］.北京科技大學學報，2006，28（2）：171－174.

［10］WANG Lin，CHENG Luoying，LIU Zhitian.Simulation of hydraulic automatic position control in rolling mill system［C］／／Proceedings of the 10th International Conference on Steel Rolling.Beijing：［s.n.］，2010：1580－1585.

［11］矯志杰，王君，何純玉，等.中厚板生產線的全線跟蹤實現與應用［J］.東北大學學報（自然科學版），2009，30（11）：1617－1620.

（編輯 張 紅）

Design and development of object?oriented simulation system for plate mill line

JIAO Zhijie，HE Chunyu，ZHAO Zhong
（State Key Laboratory of Rolling and Automation（Northeastern University），110819 Shenyang，China）

Simulation system was developed，in order to achieve the purpose of offline functional debugging and optimization for the plate rolling line automation system.For the system，it was designed based on the object?oriented technology.Plate mill line was divided into equipment object，instrument object and plate piece object，in which single object attributes are updated by private service and different objects are associated through public property.Based on process control system platform environment，multi?thread structure was used to meet the simulation requirements of multiple process areas.Time trigger was used to control simulation time step，and actual rolling process data can be generated through data playback method.The process from putting slab online to end of rolling was simulated.The developed simulation system was used for one practical project，and the offline commissioning requirements were satisfied well.

plate mill line；simulation system；object?oriented；system development

TG335.52

A

0367－6234（2015）10－0059－05

10.11918／j.issn.0367?6234.2015.10.012

2014－07－28.

中央高校基本科研業務費資助（N120407007）.

矯志杰（1976—），男，博士，副教授.

矯志杰，jiaozj＠ral.neu.edu.cn.