1、美国 Citisteel 公司轧钢厂四辊轧机自动轧钢系统王保军 杜大川摘要 介绍由钢铁研究总院开发的美国 Citisteel 公司轧钢厂液压 AGC 自动轧钢控制系统，着重讲述自动轧钢控制系统的特点、构成、功能和控制效果。该系统现已投入使用并通过厂方验收。关键词 自动轧钢 四辊轧机 过程控制Automatic rolling control system for four-high mill in Citisteel USA Inc Wang Baojun Du Dachuan (Central Iron Steel Research Institute Beijing 100081) Abs
2、tract To introduce the four high mill hydraulic AGC automatic rolling control system, developed by CISRI(Central Iron Steel Research Institute), in Citisteel USA Inc. The key attention is paid to the specification, construction, functions and control results of the AGC system. The system has been pu
3、t into operation Key words automatic rolling; four high mill; process control and checked and accepted by the USA user.Citisteel 公司位于美国特拉华州，是一个具有近百年历史的老企业，其基础设备相当陈旧、落后。Citisteel 公司包括 1 个炼钢厂和 1 个轧钢厂，其中轧钢厂有 1 个二辊轧机和 1 个 4064mm 四辊轧机，二辊开坯粗轧，四辊精轧。1997 年 6 月，Citisteel 公司与中国钢铁研究总院签定了四辊轧机改造合同，由钢铁研究总院负责对四辊轧机
4、进行改造。改造前，四辊轧机的压下完全由人工控制压下螺丝来完成，改造要求增加液压 AGC 功能，并且完全实现轧钢自动化。1998 年 7 月底至 1999 年 2 月初，钢铁研究总院的相关工程技术人员奔赴美国，克服种种困难，圆满完成任务，并于 1999 年 1 月底进行了项目验收，各项技术指标均达到或超过合同指标，受到厂方的好评。1 系统特点由于中厚板生产的特殊性，要想获得理想的产品质量，液压 AGC 技术是必不可少的，而 AGC 要取得理想的效果，就要求控制系统必须快速、可靠。Citisteel 公司轧钢厂液压 AGC 自动轧钢控制系统选用了美国 Reliance 公司生产的 AutoMax
5、分布式控制系统。该系统对于同时需要有顺序控制、逻辑控制、数据采集、复杂的数学运算并且要求达到毫秒级响应时间的应用场合来说是一种理想的实时控制系统。AutoMax 分布式控制系统具有以下特点。1.1 运算速度快AutoMax 分布式控制系统有 6010 和 7010 两种 Multibus 处理器，其中 7010处理器是基于 32 位的 Motorola68020，主频为 25MHz，内存有 512KB。运行于这两种处理器中的任务的最小控制周期可以达到 0.5ms。1.2 功能强AutoMax 分布式控制系统是一种多处理器、多任务实时控制系统，1 个机架中最多可以包含 4 个处理器，而每个处理器
6、中又可以运行多个任务，每个任务都可以根据控制需要定义各自的控制周期及其运行的优先级。1.3 编程灵活AutoMax 的开发软件可以在 Windows3.1(或更高版本)或 Windows95 的操作系统中运行。AutoMax 同时提供逻辑梯形图、图形化功能块、增强型 BASIC3 种编程语言。用户可以根据自己的需要选用不同的编程语言，而不同语言编写的任务可以在同一处理器中运行。1.4 产品种类齐全AutoMax 分布式控制系统拥有丰富的硬件模块。机架有 6 槽、10 槽、16 槽3 种，同时还有各种各样的 I/O 模块和接口模块。用户可以根据自己的实际情况任意选用不同的机架、电源、处理器、I/
7、O 模块和接口模块，从而构成满足各种要求的控制系统。1.5 可扩展性强,组网容易AutoMax 分布式控制系统拥有快速可靠、连接简单的 DCS 网络，通过网络通信卡可以将最多 56 个机架(PC 机通过 PCLINK 卡可以作为虚拟机架，直接与AutoMax 控制系统进行数据交换，使得用户很容易通过 PC 对控制系统进行监控)连接起来，构成一个或多个网络，而且 AutoMax 系统还支持主从结构的远程 I/O网络。这种远程 I/O 网络的连接方式与 DCS 网络完全相同，可以大大减少电缆的数量，降低故障率。另外，AutoMax 系统中还有多种外接接口模块，使其可以与 A-BPLC、以太网及其它
8、公司的产品或网络连接起来。下面介绍液压 AGC 自动轧钢控制系统的构成、功能和控制效果。2 系统构成Citisteel 公司轧钢厂液压 AGC 自动轧钢控制系统分为 3 级：管理级、过程控制级、基础自动化级。其中，管理级向过程控制级下达生产计划、来料信息、产品目标；过程控制级根据管理级送来的来料信息及产品目标，计算出一个轧制规程，并收集基础自动化级的各种工艺参数，在线修改轧制规程，实时传送到基础自动化级；基础自动化级实时采集各种传感器、仪器仪表的数据及开关、按钮的状态等信息，进行处理，然后根据过程控制级传送来的轧制表，控制执行机构完成轧辊的定位。Citisteel 公司轧钢厂液压 AGC 自动
9、轧钢控制系统构成如图 1 所示。图 1 控制系统结构示意图2.1 管理级Citisteel 公司有着先进、完善的信息管理系统，公司所有办公室的微机全都联在一起，构成了完整的公司信息管理网络，网上的任一台微机都可以看到公司的生产计划以及生产过程中从“装料加热粗轧除磷精轧测厚矫直剪切入库”每个阶段详细的技术参数。四辊计算机是 Citisteel 公司网络上的 1 个站点，其机槽内安装 1 块以太网卡与公司管理网络相连，还装有 1 块 PCLINK 卡与液压 AGC 自动轧钢控制系统的 DCS 网络相连，成为 DCS 网络中的 1 个虚拟机架(A45)；另外，四辊计算机机槽中还有触摸屏接口卡与四辊操
10、作触摸屏相连。通过以太网卡，四辊计算机可以得到公司的生产计划、来料信息、产品目标及测厚信息，然后再通过 PCLINK 卡将这些信息下达给过程控制级；另一方面，又通过 PCLINK 卡实时获取基础自动化级的各种轧钢过程信息和状态，再通过触摸屏接口卡在触摸屏上显示给操作工，而操作工对触摸屏的操作又可以通过触摸屏接口卡和 PCLINK 卡为基础自动化级所接收，从而改变轧钢控制操作方式。2.2 过程控制级过程控制级包括 2 台 PC 机(离线机、在线机)，都是通过 PCLINK 卡与控制系统的 DCS 网络相连，作为 DCS 网络中的 2 个虚拟机架(离线机：A10;在线机：A20)。其中离线机作为模
11、型机，主要进行离线的标准规程计算及轧制数据分析用；在线机是过程控制机，它根据管理级送来的来料信息(钢种、锭型、尺寸、温度和目标厚度)以及模型机上计算出来的标准规程，在线计算出 1 个实用的轧制规程，并根据基础自动化级实时传送过来的各种过程参数，在线修改轧制规程，实时传送到基础自动化级，控制相应的执行机构动作。同时，过程控制机还可以监控轧钢过程，显示报警信息，保存和打印各种过程数据等。离线机又是在线机的备份，一旦在线机出现故障，可以立即在离线机上运行过程控制软件，替代在线机。2.3 基础自动化级基础自动化级包括 4 个 AutoMax 机架(A00、A06、A07、远程 AutoMax)、1个虚
12、拟机架(监控计算机：A40)和 1 套 A-BPLC(液压站)。1)A0016 槽的 AutoMax 机架，是液压 AGC 自动轧钢控制系统的核心，也是DCS 网络中的主机架。其构成包括：(1)1 块电源卡(57C493)，功率为 376W，提供 5VDC(50A)、12VDC(4A)、15VDC(1A)电源。(2)1 块公共存贮器卡(57C423)(256KB)，主要功能是存贮配置任务和公共变量、总线仲裁(控制处理获得数据的优先权)、控制系统 WATCHDOG 的时间。当 1 个 AutoMax 机架中包含多于 1 个处理器时，公共存贮器卡是必须的。(3)3 块处理器卡(57C435)701
13、0。(4)2 块开关量输入卡(57C419)(32 路 524V 开关量输入)，主要用于输入钢板位置、压下螺丝限位开关、油缸限位开关、顶冒传感器(检测压下螺丝位置)等检测信号。(5)2 块开关量输出卡(57C420)(32 路 524V 开关量输出)，主要用于控制快泄阀及对电动辊缝的清零。(6)2 块模拟量输入卡(57C409)(2 路高速模拟量输入，转换时间只要 0.5ms)，用于连接油缸上的位移传感器。(7)2 块 4 路模拟量输出卡(57C410)，输出液压伺服阀的控制信号。(8)1 块 16 路模拟量输入卡(61C542)，主要输入压力传感器、测温仪等的信号。(9)1 块远程 I/O
14、卡(57C416)，通过一根同轴电缆与放在操作台的 6 槽 AutoMax 机架相连，把操作台上的所有开关、按钮、指示表等信号连接进来。(10)1 块 A-B 扫描卡(57C443)，通过一根同轴电缆与液压站的 A-BPLC 相连，把液压站各种必要的状态、信息读进来。(11)1块网络卡(57C404)，通过此卡与其它节点(A06、A07、A10、A20、A40、A45)连接起来。2)A0616 槽的 AutoMax 机架，主要用来控制压下螺丝的动作。通过 DCS 网络，A06 向 A00 传送压下控制系统的状态及压下螺丝的位置信息，而 A00 向 A06发送压下螺丝的目标位置及其起停信号，A0
15、6 则根据这些信息来控制压下螺丝到达所要求的位置。3)A0716 槽的 AutoMax 机架，主要用来控制四辊主传动。通过 DCS 网络，A07 向 A00 传送主传动系统的状态信息，只有当主传动系统的所有环节全部正常的情况下，自动轧钢系统才可以投入运行。4)A40 监控计算机，通过 PCLINK 卡作为 DCS 网络中的 1 个虚拟机架，主要功能是在线显示轧钢的过程数据和各种报警、故障信息，并快速地实时记录一些重要的过程参数(例如辊缝、压力等，用户可以自己定义数据记录的时间和频率)，以供用户随时调出来进行分析。3 系统功能Citisteel 公司轧钢厂液压 AGC 自动轧钢控制系统采取“电动
16、液压微调”方式，其中油缸最大行程为 25mm，轧钢时液压辊缝以清零之后的位置为基准零点(油缸中液柱高度大约为 10mm 左右)，正常工作行程为5mm。由于电动压下具有大行程时速度快(10mm/s)，但是加速度小、定位精度较低，而液压系统则具有绝对速度较慢，但加速度非常大且定位精度高的特点，“电动液压微调”方式则综合了电动和液压两方面的优点，因此实际应用效果比较理想。该系统具有 APC(自动位置控制)、AGC(自动厚度控制)、自动辊缝清零(或叫自动压靠)、保护(过压、过压差、液柱过高或过低、压力传感器断线等)等自动功能，以及辊缝微调、镰刀弯调节等人工干预功能。3.1 APC(自动位置控制)在实际
17、轧钢过程中，控制系统根据过程控制机下达的设定位置，首先控制压下螺丝动作，当定 35t 锅炉 DDZ 型仪表供电系统的改造新余钢铁公司335t 锅炉于 1995 年建成投产，热工检测系统采用 DDZ 型仪表，中控室供电系统为 220V 交流电源经 HZ 系列转换开关、螺旋式熔断器供给 DFY3110 电源箱，输出 24V 直流电源供给仪表系统。运行两年多来，由于熔断器被炸，更换不及时，造成汽包水位急剧下降，导致汽轮鼓风机停机，高炉紧急休风事故和电源箱跳闸，全部仪表失电，操作工无法操作等危险状况，严重威胁到安全生产。因此，锅炉仪表供电系统的改造十分必要。分析事故时发现：1)原设计总电源保护采用 R
18、L 系列螺旋式熔断器，当它被炸后，不易发觉，延误检查判断时间，备件更换不及时；2)总电源一路供电，当出现故障时，短时间内无法恢复，同样会造成仪表全部失电；3)无报警装置，当电源箱跳闸时，不易发现、及时维修，造成事故。改进的措施是采用双路电源供电；将 HZ 系列转换开关改为 DZ 系列自动开关；热备一台电源箱；中控室和仪表工值班室安装声光报警装置。供电系统自 1997 年改造后，主电源箱跳闸时，能自动切换到备用电源上，仪表工听到报警后能及时赶到现场，处理故障。供电系统改造后，从未发生过锅炉仪表中断供电的事故，从而确保了锅炉的安全生产，位误差进入0.3mm时，压下螺丝停下，由液压缸来补偿电动定位误
19、差，使 APC 的最终定位精度达到0.02mm。3.2 AGC(自动厚度控制)采取动态设定型 AGC，包括绝对值和相对值两种。自动轧钢时，采取绝对值 AGC 方式，由过程控制机向 A00 发送每 1 道次的压力设定值和变刚度系数等，A00 则根据实测压力和过程控制机下达的相关数据计算出 AGC 调节量；手动轧钢时，采取相对值 AGC 方式，过程控制机不参与控制，A00 在咬钢以后锁定 1个压力值作为本道次的压力设定值，然后将实测压力和此设定值比较，计算出AGC 调节量。AGC 调节量被叠加到辊缝设定值中，控制辊缝动态调整，以减小同板差。3.3 自动辊缝清零(或叫自动压靠)包括电动辊缝清零和液压
20、辊缝清零。当需要做辊缝标定(清零)时，操作人员只需在触摸屏上按一下辊缝清零按钮，AutoMaxA00 通过 DCS 网向 A06(压下控制系统)发出起动压下螺丝信号，压下螺丝带着油缸(此时油缸中带 10mm 左右的液柱)自动下压直到压力达到 300400t(两侧压力之和)时停住，并将电动辊缝清零，然后向 A00 发出电动辊缝清零完成信号，A00 通过控制伺服阀驱动油缸动作直到压力达到 700t(两侧压力之和，可以根据用户需要选定压靠压力的大小)并保持 5s 左右，将液压辊缝清零，至此辊缝清零完成，可以开始正常轧钢。3.4 保护为了保证设备和系统的安全可靠，该系统设计了多种保护措施，如过压保护(
21、压力和)、过压差保护。当两侧压力和超过 3000t 或两侧压力差大于 500t 时，立即打开快泄阀，使油缸中的液压油迅速流回液压站，从而使轧辊快速抬升，保护轧辊；液柱过高或过低保护，由于油缸行程的限制，对其中的液柱高度就有一定的要求，如果液柱过高或过低则表明系统不正常，立即打开快泄阀；压力传感器断线保护，压力信号是至关重要的，该系统中的压力传感器输出信号为 420mA(进入计算机的信号为 15V)，当系统检测到某一路压力信号为零时，则说明该路传感器信号不正常(可能断线或掉电等)等。当这些保护动作或出现其它故障现象时，在监控计算机和在线机上会立即显示出相应的报警信息。3.5 人工干预为了操作的灵
22、活、方便，该系统保留了一些人工干预功能，例如在自动轧钢时，操作工可根据当时的实际情况，稍微调大或调小辊缝设定值，以得到最佳产品厚度；也可以稍微调大或调小辊缝差设定值，以得到最理想的板形。同时，该系统具有记忆功能，在进行大批量同一规格产品轧制时，操作工可以将某一块钢板的轧制表记忆下来作为该规格后面产品的轧制规程。另外，本系统还具有半自动和全手动轧钢功能。半自动是由操作工来控制道次的切换，而由计算机来摆辊缝；全手动则是在油缸中保持一固定高度的液柱，而完全由操作工手动控制电动压下螺丝来摆辊缝轧钢。4 运行效果Citisteel 公司轧钢厂液压 AGC 自动轧钢控制系统具有定位精度高(定位误差 0. 02 mm)、液压响应速度快(液压系统的 0.1mm 阶跃响应时间大约为60ms 左右)，且操作灵活、容易维护、安全可靠、稳定性好
