熱連軋過程自動化級計算機系統開發設計

張輝，莊野

（鞍鋼集團信息產業有限公司，遼寧 鞍山 114009）

近幾十年來，熱連軋生產控制技術及裝備發展較快，過程計算機控制系統及數學模型逐漸成熟，并且取得了顯著的經濟效益［1］。熱連軋過程計算機控制系統是過程自動化級（Level2）和基礎自動化級（Level1）計算機系統的統稱。鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司（以下簡稱朝陽）1700熱連軋生產線過程計算機控制系統是鞍鋼在完成多條熱連軋機控制系統自主集成基礎上開發的又一套控制系統。

熱連軋過程自動化級計算機系統的主要任務是根據熱連軋生產工藝及數學模型生產線的軋機和設備進行優化設定，以獲得優良的帶鋼表面質量、尺寸精度和產品性能［2］。其控制范圍是從粗軋除鱗前入口輥道開始至卷取機卸卷小車結束的區域。包括高壓水除鱗機入口輥道，高壓水除鱗機，高壓水除鱗機出口輥道，粗軋R1軋機入口輥道，粗軋R1軋機，粗軋R1軋機出口輥道，中間輥道，熱卷箱，精軋前高壓水除鱗機，切頭飛剪，精軋前高壓水除鱗機，精軋前立輥入口輥道，精軋機入口輥道，精軋機,精軋機架間活套，精軋機架間冷卻水，輸出輥道，層流冷卻設備，卷取機入口輥道，卷取機，卸卷小車等。

1 過程自動化級系統的設計與構成

朝陽1700熱連軋生產線主要工藝為：板坯經加熱爐加熱后由高壓水除鱗機去除氧化鐵皮，進入粗軋機組軋制成精軋所需要的中間坯，然后經過熱卷箱、飛剪切頭、二次高壓水除鱗機，依次進入七機架精軋機組,軋制成需要的產品尺寸，熱軋后的帶鋼通過軋后冷卻,進入地下卷取機卷成帶卷,而后用卸料小車將鋼卷卸到鋼卷運輸線上。

過程自動化級計算機系統根據板坯原始數據和通過基礎自動化級計算機系統采集的實際值，經數學模型的計算完成對控制區域各設備的設定，即通過設定為各個控制區域的基礎自動化級計算機系統的控制器提供所需的控制參數。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，以及帶鋼全長在精軋出口和卷取機入口的溫度，與基礎自動化級計算機系統一起確保成品全長的厚度、寬度、溫度、凸度及平直度精度。因此，過程自動化級計算機系統是整個熱連軋控制系統設計的關鍵所在。

朝陽1700熱連軋過程自動化級計算機系統的設計遵循以下原則：

（1）良好的擴充性能。過程自動化級計算機硬件設備的性能以及存儲容量等都留有一定的余量，且在本次系統設計、軟件設計和程序設計中將充分考慮系統的可擴充性。并且預留上邊部加熱器后的模型計算的能力。

（2）系統的開放性。過程自動化級計算機系統具有良好的開放性，其操作系統選用WINDOWS 2003 SERVER，采用以太網進行數據通訊，TCP/IP通訊協議，采用PC服務器，操作終端都采用普通的PC機，為以后系統的擴展、升級和軟件的移植提供方便。

（3）系統的可靠性。過程自動化級計算機系統采用容錯計算機，從硬件上解決了服務器熱備用的問題，增強了計算機硬件的可靠性，保證了系統數據的安全，網絡線路采用光纜，以防止熱軋廠的電磁干擾。

（4）軟件開發、維護更容易。大量使用通用的系統支持軟件以及所有的應用軟件均在PC服務器上開發，如使用通用的Windows操作系統、Oracle數據庫、C＋＋語言等，同時應用最新的版本管理器，降低了軟件開發、使用和維護的難度。

（5）使用配置文件，無需編程。設備、參數可配置和動態調整，使得新的熱軋項目無須編程，簡化模型工程師的工作，避免因編程和程序調試帶來的錯誤。

過程自動化級計算機系統的硬件由主機、外部設備、網絡通信設備和人機接口設備構成［3］。朝陽1700熱連軋過程自動化級計算機系統由3臺過程控制服務器組成，其中一臺在線運行、一臺備用、一臺用于開發。為了提高可靠性，采用一工一備和共享磁盤陣列的模式，同時每臺服務器還對關鍵部件進行冗余配置并且可以熱插拔。服務器操作系統：WINDOWS 2003 SERVER，工作站操作系統：WINDOWS XP Professional，數據庫：Oracle 10g，開發工具：Microsoft Visual Stdio.NET 2008。

過程自動化級計算機系統與基礎自動化級計算機系統的通訊采用內存映像網模式。在過程控制服務器與各操作終端、工程師站之間采用了100Mb/s的以太網結構，通訊協議為TCP/IP協議。朝陽1700過程自動化級計算機系統的網絡配置如圖1所示。

2 過程自動化級的功能及其實現

過程自動化級計算機系統的功能包括物料跟蹤、數據管理、網絡通訊等（非控功能）及數學模型（控制功能）。非控功能是為控制功能服務的，由非控軟件實現物料跟蹤、PDI數據管理、設定數據發送、實際采集、畫面、報表和網絡通訊功能，完成與數學模型的數據交換，并為數學模型提供啟動指令等。

2.1 物料跟蹤

物料跟蹤是熱連軋控制系統工作的基礎。控制系統根據物料（板坯或帶鋼）在生產中的具體位置和實際狀態包括物料的相關信息決定物料的處理動作。熱軋過程計算機從基礎自動化得到的相關信息對物料在跟蹤區的位置及在跟蹤區內部的順序進行跟蹤。過程計算機的跟蹤范圍從粗軋除鱗前入口輥道開始至卷取機卸卷小車為止。

物料跟蹤通常根據基礎自動化傳送的跟蹤事件自動進行，當基礎自動化不能傳送跟蹤事件時，操作人員進行跟蹤修改。

2.2 數據管理

軋線過程計算機系統完成收集，處理，存儲和管理軋線相關數據。主要包括：制造執行系統傳來的計劃數據原料板坯的初始數據、模型的計算數據、基礎自動化傳上來的實測數據、操作人員通過畫面輸入的數據等，利用oracle數據庫完成對上述數據的存儲和管理。為方便操作人員、技術人員對數據的查詢、統計和分析，利用模型分析工具將實測數據圖形化，部分數據也可以直接顯示在圖形畫面上。例如：軋制力，層流水的狀態等。

過境貨物分為直接過境和間接過境，而其中間接過境的貨物和準備在國內銷售的貨物不一樣，屬于尚未進口的貨物，根據我國《海關知識產權保護條例》的規定，我們只對進口貨物有執法權，但在自貿區內，國內海關對于進口的貨物卻無執法權，因為政策規定進入海關的貨物免于辦理申報手續，國內海關不可以采取知識產權保護措施的問題便相繼出現。鑒于此，重慶自貿區應該在其以全方位開放為主、貨物和監管更加便利等特殊性的條件下，建立一個區別于傳統自貿區的獨特模式。因此自貿區內的過境貨物應視為進口貨物，統一過境貨物執法措施。

2.3 畫面

軋線過程計算機系統與基礎自動化系統共用操作終端。軋線過程計算機系統將在計算機室，粗軋操作室，精軋操作室，卷取操作室，管理室設置終端設備。主要顯示畫面有：軋制順序畫面、初始數據輸入畫面、物料跟蹤及修改畫面、粗軋設定值顯示畫面、精軋設定值顯示畫面、層流冷卻設定值顯示畫面、報表打印畫面等。

2.4 報表

主要報表種類有：工程記錄報表、質量報表、生產班報表和事件記錄等。

2.5 與基礎自動化級L1和制造執行級L3的通訊

2.5.1 與基礎自動化級L1的通訊

軋線過程自動化級計算機將粗軋出口溫度實際值、板坯“吊銷”、板坯回送裝爐、板坯抽出節奏、抽出開始等信息發送給加熱爐控制計算機。并從加熱爐控制計算機接收裝爐板坯、出爐板坯、停止出爐、裝爐返回、反裝入爐、再熱板坯等信息。

向基礎自動化系統傳送設定值或控制信息以及從軋線基礎自動化系統接收過程控制信號及測量值，具體內容包括：粗軋機設定值、精軋機設定值、層流冷卻設定值、卷取設定值、跟蹤信息、粗軋機實際值、立輥軋機實際值、寬度計實際值、精軋機實際值、機架間噴水實際值、厚度計實際值、精軋溫度實際值、凸度實際值、平直度實際值、層流冷卻水實際值和卷取溫度實際值等。

2.5.2 與制造執行級L3的通訊

軋線過程自動化級計算機接收制造執行系統軋制計劃、原始數據、軋制順序等信息；并將生產結果數據、工程記錄、停機信息、班實際數據等信息上傳送給制造執行系統。

2.6 數學模型

朝陽1700熱連軋控制數學模型采用了基于軋制理論的機理模型，適用于不同類型的軋機，而且不需要大量的經驗參數的整定，能夠保證產品的精度。同時，要求過程自動化級計算機系統具有強大的離線模軋和實用的自適應功能，以利于新產品的開發以及產品換規格后的快速命中。朝陽1700熱連軋控制數學模型中增設了離線模軋和自適應功能。該數學模型的控制區域分為：粗軋區、中間輥道區、精軋區、層流冷卻區、卷取區。主要數學模型有：粗軋設定模型RSU；中間輥道降溫模型HTT；精軋設定模型FSU、精軋溫度控制模型FTC-1及FTC-2；板形設定模型SSU和層流冷卻控制模型CTC。RSU模型主要由軋制力預測、轉矩預測、溫度預報、輥縫預測及寬帶控制等模型組成；HTT模型中考慮了熱輻射、熱對流、熱傳導及速度時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、精軋溫度設定等基礎模型；FTC模型主要由速度反饋控制、機架間冷卻水前饋與反饋控制模型構成；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定、前饋控制與反饋控制等模型實現的［4］，是熱連軋帶鋼過程自動化級系統中重要的模型之一。

下面以層流冷卻模型為例，介紹數學控制模型在朝陽熱連軋生產線上的應用。其他模型不再贅述。

2.6.1 層流冷卻模型的應用

熱連軋帶鋼層流冷卻控制功能由過程自動化級和基礎自動化級計算機系統共同完成，如圖2所示。

層流冷卻模型利用帶鋼初始數據、操作人員輸入數據、精軋入口及出口溫度等計算層流冷卻裝置需打開的噴頭數量等。模型設定計算分預設定計算和動態控制設定計算，預設定計算根據計算出的帶鋼出口厚度、溫度、速度以及材質等計算冷卻需要開啟的噴頭數；動態設定計算根據實測的精軋出口帶鋼厚度、溫度、速度、卷取溫度（CT溫度）以及材質等，計算各樣品段在前饋控制和反饋控制區域冷卻需要開啟的噴頭數。動態設定計算包括前饋控制設定計算和反饋控制設定計算。

層流冷卻模型在控制上將從精軋出口溫度計至卷取入口溫度計之間的冷卻區域分為若干個邏輯區。在靠近精軋出口側的邏輯區實施前饋控制，即當帶鋼到達精軋出口溫度計時，對帶鋼進行樣品段跟蹤，并計算每一樣品段所需要的噴頭數。在靠近卷取入口側的邏輯區實施反饋控制，即當帶鋼每一樣品段到達卷取溫度計處時，實際測量該樣品段的卷取溫度，根據實際卷取溫度和目標卷取溫度偏差調整精冷段的噴頭開閉組合的設定，將反饋控制設定值和對應的樣品段地址編號一并傳送給L1級系統。由L1級系統完成對后續樣品段跟蹤與噴頭控制。

2.6.2 應用效果

圖3為現場實測的CT溫度曲線（鋼種：SPHC規格：2.75 mm×1 013 mm CT 目標：620 ℃），其 CT溫度控制達到精度要求。

系統自投入運行以來，產品質量指標均在設計保證值以上，其中CT指標在±20℃之內的控制精度達到98.9%。

3 結論

朝陽1700熱連軋過程自動化級計算機系統自投產以來，運行可靠，全部功能都達到了設計指標要求，該系統采用的客戶機-服務器結構在硬件及系統軟件方面均能夠適應現代熱連軋自動化的主流發展趨勢，為過程自動化級的控制功能及數學控制模型提供了先進的運行環境，使其自動化程度和控制精度提高，人為干預減少。特別是客戶機-服務器這一熱連軋過程自動化級新結構的成功應用，改變了以往采用小型機結構對國外系統的依賴，同時，系統的開放性也為今后系統優化與進一步開發提供了便利。

［1］ 劉文仲.我國熱軋過程控制計算機系統及數學模型的發展［J］.冶金自動化，2012，36（4）：1-7.

［2］ 張凱，周一中，陳翔，等.熱軋過程控制計算機系統的設計與集成 ［C］∥2010年全國軋鋼生產技術會議論文集.北京：中國金屬學會，2010：270-273.

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

［4］ 肖紅,楊偉，王鵬，等.鞍凌 1700 熱軋數學模型的特點［J］.冶金自動化，2014，38(1)：8-11.