鞍鋼冷軋廠聯合機組系統升級關鍵技術集成與應用

柳軍，張哲

（鞍鋼股份有限公司冷軋廠，遼寧 鞍山 114021）

鞍鋼股份有限公司冷軋廠一分廠聯合機組改建于2000年，經過多年運行，電控系統老化，部分設備已遭淘汰，備件問題突出；機組運行不穩定，故障多，系統應用技術落后。生產寬薄料及中高強鋼受限，產品板形和厚度都無法滿足高精度要求[1]。

此次改造主要是針對三電系統，對過程自動化、基礎自動化系統進行升級。出于“低投高效”的考慮，外圍硬件部分充分利舊，因此需解決大量接口以及軟硬件匹配問題；應用當前軋制新技術和新功能，整體提升裝備水平，增強機組軋制控制能力，改善運行效率，既是設備穩定運行、規避風險的需要，也是提升產能，拓寬軋制品種，提高質量和運行控制能力的需要。

1 電控系統升級關鍵技術的應用

在滿足主體功能改造的前提下，三電升級方案既要考慮節省投資，也要考慮降低施工難度；控制系統選用更多地考慮裝備的兼容性、先進性、可靠性、可擴展性和將來操作維護的方便性。聯合機組電控系統升級改造中主要應用技術包括 “換頭術”技術、電控設備升級技術、軟件平臺、人機接口、過程控制系統升級，同時改進程序，完善控制功能，優化系統測試和調試方法等。

1.1 “換頭術”技術方法的應用

所謂“換頭術”，即將核心控制部分予以升級，外圍設備利舊的一種改造方法。全部邏輯控制PLC由S5系統升級為S7系統,技術控制SIMADYND系統升級為TDC系統。升級中央框架及分布式IO子站的結構。原有的控制柜體、柜外通訊接線、電纜利舊，柜內重新布置，現場設備及線路基本保持不變。新增設備的IO子站增加到改進后的系統中。增加適配裝置，解決原有外設與新系統的接口問題。

1.2 電控設備升級技術的應用

（1）光耦合器兼容性問題。重新配置網絡設備和參數，解決新、舊光耦合器無法通訊問題。

（2）模擬量模板改進組態方法，參數重新配置，解決舊模擬量輸入模塊在新系統平臺下報警問題。

（3）編碼器模塊兼容性問題。選用系統編碼器采集模塊FM450替換原系統IP241模板，重新編寫同步功能函數塊，解決了電動壓下位置控制的碼盤無法同步和讀取問題。

（4）測量儀表的參數匹配問題。原S5系統使用的儀表匹配功能塊參數與新系統不同，原程序中參數無法移植到新系統，因此分析出各種儀表物理量對應關系，移植到新系統各模塊參數進行使用。

1.3 軟件平臺升級技術的應用

控制軟件平臺全面升級，使用新的運行庫，重新編寫控制程序。S5系統升級為PCS7系統；STRUC-G升級為CFC，控制程序按原功能重新編寫。HMI升級為WinCC8.0平臺，全部畫面腳本重新編寫。

PLC編程平臺升級為新的編程平臺，制定了PCS7編程指導，包括Faceplate診斷及信息的編程方法，程序結構及文本定義等編程指導文檔。同時規范編程方式，完成新平臺下的程序編寫，降低錯誤率，提高編程效率。

控制程序編制中，涉及到利舊設備的接口部分，各區段接口程序對其進行專項研究，總結出典型設備的PLC升級程序包，如傳動T100接口改進，電動壓下控制程序改進，PLC系統時鐘同步功能，單體設備接口控制程序，及編碼器、PDA接口等。

1.4 人機接口

整體升級硬件系統，對所有客戶機進行更新。配置2臺服務器及22臺客戶機，服務器通過以太網與酸軋基礎自動化系統相連，采集現場實時數據并統一在服務器上進行存儲和處理。

升級系統軟件，使用當前主流操作系統，運行穩定，方便軟件開發調試。

全面升級應用軟件，升級WinCC，創立PL和TCM兩個項目，利用畫面按鈕對兩個項目進行切換。PL和TCM存儲在不用的服務器中，OS客戶機可以分別調用，方便維護和問題排查，節省系統資源。同時采用雙屏顯示技術，避免多窗口切換。

DP診斷、傳動及單體設備的控制與報警，直接使用WinCC內部控件，將控制啟停、報警信息集成展示、復位操作，及狀態顯示多功能集為一體，集成化高，使用方便，易于現場操作。增加關鍵變量歷史趨勢曲線，方便現場人員查閱和分析。

將板型儀融合到WinCC畫面中，減少了硬件的使用，降低了成本。

1.5 過程控制系統升級

過程控制系統由軋機服務器、酸洗服務器、數據庫服務器3部分組成，修改物料跟蹤、設定值計算、速度優化等多個程序，增加Steel_Mark字段。修改生產計劃和生產原料數據管理流程，實現完整的生產計劃管理，并自動管理鋼卷主數據；調整全線速度優化程序，修改工藝參數；修改三級通訊程序，實現TCP/IP雙向通訊；修改物料跟蹤程序，解決物料跟蹤數據出錯或顯示出錯問題；開發多個調試用軟件工具，包括批量鋼卷數據導入工具、三級通訊狀態監控和管理工具、程序運行監控程序、焊機參數管理工具等。

1.6 完善程序功能

通過分析通訊機理，研究酸洗到軋機前交付鋼卷信息，提出解決方案。軋機接收到指定的報文后立即根據報文內容協調軋機二級計算機開始預計算。數據交付通過以太網傳輸，解決報文丟失問題。傳動網絡提速技術能夠提高傳動通訊速率，滿足厚度控制提高要求。

采用檢查臺皮帶與卷取機速度同步技術，調節皮帶與鋼板實際速度相匹配，在開卷和收緊時保持微小速差使鋼板平直。增加厚差，卷重超差等報警及安全關斷功能。

1.7 系統測試和調試方法的優化

為了減少調試時間，鞍鋼股份有限公司組織各單位共同在現場進行酸軋控制程序聯合系統測試，制定測試計劃、項目和標準。完成100余個測試項目，基本涵蓋生產運行所需的所有功能，達到了預期效果。采用分段調試法，將聯合機組分為酸洗入口段、焊機段、1#至5#張力輥段、軋機段四部分進行分段調試。在酸洗段與軋機段聯機前，安排酸洗熱負荷試車工作，聯機后采用重卷模式進行測試，在保證酸洗調試質量的同時，還提高了軋機的熱負荷調試效率。

2 機組新功能及創新技術應用

2.1 重卷和甩機架運行模式應用

機組新增重卷以及保證厚度精度的甩機架運行模式，規避設備風險，提高機組柔性生產能力。

當某個機架的設備出現故障或生產普通鋼質及常規規格帶鋼時,可甩開該機架繼續生產,甩機架運行模式通過HMI選擇，發送給過程計算機。計算機經計算將總壓下率分配給4個機架，將軋制力、速度、張力、厚度等閉環系統全部切除,完成操作條件及傳動系統的模擬,保證4個機架能穩定運行。

2.2 軋機斜楔增厚技術應用

連續軋制時，軟硬鋼質焊接在一起，如果前一個帶鋼是偏硬的鋼質而后一個帶鋼是偏軟的鋼質，在楔形過度階段，楔形區中的兩段帶鋼軋制力存在偏差。如果兩段帶鋼軋制力偏差較大，由于系統響應問題，會造成軋制力波動，增加斷帶幾率。因此增加斜楔增厚功能，在道次設定值計算時，根據軋制力差值進行判斷，若差值大于30%，在帶鋼進入楔形區前減少軋制力，以降低跳變。

2.3 關鍵檢測儀表的優化配置

本次改造在不過多增加大型智能檢測儀表設備的前提下，調整2#機架前測厚儀到2#機架后，實現2#機架反饋控制和3#機架前饋控制，增加控制能力。調整0#機架前激光測速儀到4#機架前，增加2套磁感應式增量型編碼器，分別安裝于1#機架和2#機架間，2#機架和3#機架間張力輥上，用于對機架間帶鋼實際速度進行實時測量。關鍵檢測儀表改造前后具體配置見圖1和圖2。

圖1 關鍵檢測儀表改造前配置

圖2 關鍵檢測儀表改造后配置

在實際應用中需采用數學模型對前滑系數進行計算。在機組低速運行時，依據軋制力、速度實際值對前滑系數要進行適當補償[2]，這樣就實現了所有機架帶鋼速度均可測量，提高前滑值計算的準確性，為整個前滑模型優化提供了可行性，有利于成品帶鋼出口厚度精度的提升。

2.4 新擴展秒流量技術的應用

聯合機組電控升級AGC控制方式中應用新擴展秒流量原理，擴展秒流量和新擴展秒流量控制圖見圖3和圖4。際值對前滑系數要進行適當補償[2]，這樣就實現了所有機架帶鋼速度均可測量，提高前滑值計算的準確性，為整個前滑模型優化提供了可行性，有利于成品帶鋼出口厚度精度的提升。

圖3 擴展秒流量控制圖

圖4 新擴展秒流量AGC控制圖

擴展秒流量控制方式與常規秒流量控制方式的區別在于軋機入口張力不再由入口張力輥控制，而是改為采用調節第l架軋機輥縫的方式來控制，入口張力輥的控制方式也由間接張力控制改為速度控制[3]。新擴展秒流量技術是在擴展秒流量控制方式基礎上，對第1架(即0#機架)監控方式進行改進，由控制輸出作用于入口張力輥改為作用于本機架，這樣能保證第1機架入口秒流量預設目標值不變，使進入機架的秒流量成為不受其他因素干擾的恒定值，對于厚度控制精度以及快速性的保證大有益處，同時對軋機系統第1機架后檢測儀表的測量誤差也有了更大的容錯性，避免了4#機架出口監控AGC的大范圍輸出調整，對于出口厚度超差長度有較好的控制。

2.5 實現全機架偏心補償控制

出于冷軋板厚度控制精度提高以及減少換輥次數，提高軋機運行效率的考慮，軋輥偏心問題對鋼板質量的影響，就會體現得更加明顯，偏心補償勢在必行，變成AGC系統中一個重要環節[4]，本項目中首次實現全機架偏心補償控制，效果明顯，厚度控制精度顯著提高，啟用和關閉補償控制厚度偏差頻譜圖見圖5和圖6。

圖5 生產中關閉偏心補償功能

圖6 生產中接通偏心補償功能

0#機架以其出口厚度作為偏心信息，2#機架和4#機架以出口張力及出口厚度作為偏心信息，而1#、3#機架則以架后張力作為偏心源。輥系偏心源輸入信號經均值計算并快速進行傅里葉頻譜分析，對信號量進行頻率分解，分析各頻率信號幅值、相位[5]，同時采集架前相關信息，予以區分是否由軋輥偏心帶來的諧波。偏心信號實時值經觀測器輸入，計算處理后得到偏心控制值，經過控制器處理后作為液壓壓上伺服系統的位置設定點的附加值，接入系統進行實時補償控制。

3 實施效果

鞍鋼技術人員根據生產工藝特點，組織研究工藝技術方案和系統升級技術，完成生產線單體設備選型，對設備和控制系統的參數進行設計計算，并完成系統編程、測試和調試工作。

系統經改造升級后，所有鋼質規格的厚度精度、板形精度均有明顯改善，尤其是優板和中高強鋼改善尤為突出；機組斷帶率降低86%以上，產能明顯增加，具備年產175萬t的生產能力。創效能力增加明顯，機組改造后當年新增利潤1.4億元。

4 結語

鞍鋼股份公司冷軋廠在系統升級改造過程中，堅持工藝優先，優化改進控制模式，充分評估，完善控制功能，更新升級關鍵工藝控制設備，研究與解決大量接口問題，研發升級技術功能包，電控系統采用“換頭術”提高自動化程度的同時，盡量利用舊設備，實現低投高效，給公司帶來較大的經濟效益。該機組在原工藝基礎上進行技術改進，科學合理，裝置運行可靠，對老機組進行利舊改造，尤其對系統進行更新升級改造，具有很好的借鑒價值和推廣前景。

[1]柳軍.鞍鋼冷軋167 6 mm聯合機組產能提升及電控系統升級改造工程實踐[J].軋鋼，2016，33（1）：75-81．

[2] 劉寶權.冷連軋機液壓AGC系統結構與模型的研究[D].沈陽：東北大學碩士學位論文，2004：45-65.

[3]丁志宇，柳軍，高毅，等.鞍鋼冷連軋機AGC系統的分析及應用[J].冶金自動化，2010，34（6）：5-8.

[4] Kim S S,Kim J S,Yang S Y,et al．H Infinity Control System for Tandem Cold Mills with Roll Eccentricity[J].Ksme International Journal，2004,18（1）：45-54.

[5]李勇,劉相華,王君，等.軋輥偏心及其控制問題的分析與展望[J].軋鋼，2006,23（5）：43-47.