重卷過程自動化控制系統的開發與應用

唐山鋼鐵集團信息自動化部 盛 琪

0 前言

隨著鋼鐵技術的不斷發展，自動化技術在工藝生產中起著越來越重的作用，但是在傳統的重卷線生產中，多數是采用半自動的控制方式，存在如下問題：（1）操作工在生產過程中要手動輸入大量數據，極易輸入錯誤且效率低下；（2）張力設定值、負載等工藝值全靠操作工的經驗值，沒有科學性連續性，產品質量一直上不去；（3）每個班都需配備一個專人負責打印標簽，耗費人力。

高度的自動化控制技術，簡化了工藝操作流程，以更合理、更科學的方式控制生產流程和產品質量，是未來鋼鐵技術的發展方向。重卷過程自動化控制系統的投入使用，摒棄了以往生產全靠操作工憑經驗手動輸入設定值的傳統方式，采用科學合理的自動化控制技術，由計算機程序計算工藝參數值，全自動進行張力控制，簡化了操作工藝流程，降低了操作工人為輸入出錯的概率，減少了產品質量事故，提高了生產產量。

1 系統方案

采用“B/S”模式，其中服務端提供接收報文、發送報文、解析XML數據、物料跟蹤、設定值計算、全線張力控制、自動剪切分卷、收集測量值、自動打印標簽、網絡服務等管理功能；客戶端采用將網站鑲嵌在WINCC畫面的模式，將基礎自動化和過程自動化協同在一起，更加直觀和方便，用于查看并修改原料數據、成品數據、測量值、設定值等數據，顯示線上物料跟蹤、控制上卷、分卷、退卷等操作。當操作工在客戶端修改數據時，客戶端向服務端發送修改請求，服務端先記錄下請求信息并存儲到日志中再更新數據到數據庫中，最后將修改后的結果返回到客戶端顯示。

2 系統功能

重卷過程自動化控制系統主要功能有：接收三級生產計劃、XML數據解析、計算設定值、全線物料跟蹤、對帶鋼進行張力控制，自動剪切分卷、自動打印標簽、收集現場測量值、發送成品質量數據等。

2.1 XML數據解析

計劃員在三級系統下發計劃后，生成XML文件傳輸到接口，由本系統的觸發器觸發存儲過程對新數據進行解析處理，然后將解析后的數據存入本地數據庫。向三級系統發送數據時，本地數據庫觸發器觸發存儲過程對數據封裝處理，封裝完成后存入三級系統遠程數據表。這樣處理極大的提高了處理效率并且降低了資源開銷。結構如圖1所示：

圖1 與三級的通訊流程

2.2 物料跟蹤

物料跟蹤一直是自動化控制中最重要的部分之一。本項目采用基礎自動化和過程自動化協同處理，基礎自動化提供焊縫跟蹤數據，過程自動化顯示卷號并計算跟蹤距離的方式來進行物料跟蹤。當操作工將鋼卷從步進梁上到開卷機后，全程由系統自動控制并顯示，當現場設備檢測到焊縫到達時將測量數值傳給過程自動化，由過程自動化匹配卷號并計算跟蹤，最終再將跟蹤數據反饋給基礎自動化。

2.3 設定值計算與發送

設定值計算是當鋼卷到入口步進梁上后，根據其PDI原始數據，如鋼種、寬度、厚度等，自動計算生產過程中所需的設定值，并根據物料跟蹤到各區域時，自動將該區域設備所需的設定值發送給基礎自動化系統。這里主要分開卷機、拉矯機、檢查站、卷取機四個區域發送。當鋼卷上開卷機后，自動將開卷機區域所需的設定值發送給基礎自動化系統，當焊縫到達拉矯機前，自動發送拉矯機區域的設定值，檢查站、卷取機區域以此類推。發送機制采用TCP/IP協議的SOCKET通信技術，發送端主動向接收端請求連接打開通道，將要發送的內容封裝成包發送到接收端的IP地址和端口上。

2.4 張力控制

張力控制是重卷線生產的最核心環節，決定著重卷線產品質量的好壞，也是自動化水平高度的體現。在傳統的重卷線系統中，張力控制全靠操作工憑借經驗手動控制，高度依賴操作工的工藝水平和經驗，沒有科學性和連續性，容易發生質量事故。本系統根據現場生產經驗、設備性能參數與科學的工藝理論、自動化技術相結合，建立了一套獨有的張力控制模型。如卷取機張力參數計算公式如下：

（1）因子A=(Tmax-T)/(Tmax-Tmin)

注：Tmax：分組最大厚度；Tmin：分組最小厚度；T：帶鋼實際厚度。

（2）卷曲張力RT=(Rmax-A×(Rmax-Rmin))×T×W

注：Rmax：分組最大張力；Rmin：分組最小張力；W：帶鋼實際寬度拉矯機是重卷線生產和修復問題卷的重要設備，其張力控制也是最難的,我們根據拉矯機設備性能參數和其前后段的張力控制建立了一個數學模型來計算張力。其中的一個公式如下：

張力系數Y=(X4+1)×T2×1.6+T1

注：T1：開卷機張力；T2：卷取機張力；X：拉矯機某性能參數。

2.5 自動剪切分卷技術

自動剪切時，剪切模式分為按焊縫剪切和按重量剪切兩種模式。如果按焊縫剪切，當跟蹤到下一焊縫到飛剪前時，會自動減速，在焊縫前剪切。如果按重量剪切，系統會根據分卷規則、分卷最大最小重量和該卷實際剩余長度以及按拉矯機延伸率得出的預計延伸長度進行計算，得到下一次剪切長度。當帶鋼到達該長度后，自動減速剪切分卷。計算公式如下：

（1）分卷最小長度Lmin=Wmin×(1+E/100)/W×L

（2）分卷最大長度Lmax=Wmax×(1+E/100)/W×L

（3）總長度Lt=Lr×(1+E/100)

（4）將總長度L在(Lmin, Lmax)區間范圍內循環平分取余，計算出下一次剪切長度。注：Wmin:分卷最小重量；Wmax:分卷最大重量；E:延伸率；W:實際重量；L:實際長度。

3 應用效果

系統上線后，取消了很多手動輸入、分卷、分配卷號等傳統流程，減少了人為失誤造成生產事故的發生，實現了全流程跟蹤自動控制；解決了以往生產控制全由操作工憑經驗操作的問題，由系統自動進行計算控制，使得張力分配更加合理科學，因張力問題造成的生產事故和質量事故明顯下降，大幅提高了產量和質量。