1、轧制过程计算机控制系统,(Computer Control System for Rolling Process)武汉科技大学材料与冶金学院材料成型与控制系（Material Forming and Control Department, Material and Metallurgy College,Wuhan University of Science and Technology）,主要内容：1热轧过程数学模型及计算机控制系统； 2薄板坯连铸连轧； 3冷轧过程数学模型及计算机控制系统,主要参考书：1带钢热连轧的模型与控制，孙一康编著，冶金工业出版社，2002年。2带钢冷连轧计算机控制，孙
2、一康编著，冶金工业出版社，2002年。3薄板坯连铸连轧，田乃媛编著，冶金工业出版社，2002年。,带钢热连轧数学模型和计算机控制系统 (The Models and Computer Control System for Hot Strip Continuous Rolling),第一章 综述（Introduction） 11 带钢热连轧生产工艺的发展 （The Development of Production Technology of Hot Strip Continuous Rolling）世界上第一套带钢热连轧机（1470mm）于1924年在美国问世。我国第一套带钢热连轧机（1700
3、mm）于1958年在鞍钢投产，我国第一套引进的带钢热连轧机（1700mm）于1978年在武钢投产，（引进日本技术）。,111 传统带钢热连轧机（Conventional Hot-strip Mills） 传统生产工艺：板坯厚度200mm以上，长度为4.59m；具有一定容量的板坯库；具有加热炉区；具有粗轧区、精轧区、卷取区；具有后续的精整区。用于年产量在300万吨以上以及带宽1600mm以上的热带生产。最小厚度为1.2mm。根据粗轧机的布置，可将传统带钢热连轧机划分为以下几类：,（1） 全连续式热带轧机（Full Continuous Hot Strip Mills）：所有粗轧机均为连续式布置，
4、没有可逆道次。 （2） 半连续式热带轧机 （Semi-continuous Hot Strip Mills）： 粗轧机有两个以上的可逆机座，或者全部为可逆机座。 （3） 3/4连续式热带轧机 （3/4 Continuous Hot Strip Mills）：4座粗轧机中有一个可逆机座。 （4） 单机架布置（Single Stand）：采用一个强力机架轧制37个道次。,112 连铸连轧生产工艺 （Continuous Casting and Rolling Technology）世界上第一条连铸连轧生产线由德国SMS公司设计，于1989年在美国的Nucor Crawfordsville厂投产，该
5、生产线为CSP（Compact Strip Production）工艺，将连铸和轧制直接结合在一条生产线上，并取消了加热炉区和粗轧区。 典型的薄板坯连铸连轧生产工艺有：,（1） CSP工艺 由德国西马克公司研制，第一条生产线于1989年在美国的Nucor Crawfordsville 厂投产，生产线全长约300米。目前大约2/3的薄板坯连铸连轧生产工艺为CSP线。一机一流生产能力大约90万吨/年；两机两流为180万吨/年。最小热轧卷厚度为1.0mm。产品厚度为1.012.7mm,（2） ISP工艺（Inline Strip Production） 在线热带钢生产工艺由德国德马克公司研制，于19
6、92年1月在意大利的Arvedi钢 厂建成投产，设计能力50万吨/年，实际产量84万吨/年。这也是欧洲第一套薄板坯连铸连轧生产线。生产线全长约180米。产品厚度为1.012.7mm。,（3） FTSRQ(FTSC) (Flexible Thin Slab Rolling for Quality)工艺 FTSRQ(后该为FTSC)称为生产高质量产品的灵活性薄板坯轧制，由意大利达涅利公司开发。第一条生产线于1997年在加拿大的Algoma钢厂投产。产品厚度为1.016.0mm。 （4） CONROLL （CONtinuous ROLLing）工艺 该工艺由奥钢联工程技术公司(VAI)开发，第一条生
7、产线于1995年4月在美国的Armco Mansfiled钢厂投产。生产能力90180万吨/年（11流，22流），产品厚度1.812.7mm。,（5） TSP（Tippins-Samsung Process）工艺 1993年美国Tippins公司推出了TSP工艺，它将中厚板连铸机与斯特克尔轧机结合起来，在投资很低的情况下，即可获得40万200万吨/年的产量，厚度为1.52.0mm。（6） CPR(Casting Pressing process) CPR工艺即铸压轧由德国西马克公司、蒂森公司和法国Usinor Sacilor公司共同开发，用于生产厚度小于25mm的合金钢和普碳钢热轧带材。德国蒂
8、森公司的杜伊斯堡厂CPR机组1998年投产，热轧带钢厚度为0.81.0mm。,（7） QSP工艺 QSP工艺是由日本住友金属公司开发出的生产中厚板的技术，双流连铸机浇出90mm厚的铸坯，经软压下成70mm。美国的Trico钢厂已于1997年采用该技术。,12 带钢生产工艺的新动向 （New Trend of Hot Strip Production） （1）超薄带钢的生产 （The Production of Ultra Thin Strip） 传统带钢热连轧机和连铸连轧生产工艺目前所能稳定、正常生产的最薄带钢规格为1.01.2mm，生产0.8mm，甚至更薄的超薄带钢成为下一步的研究课题，热带
9、生产工艺如能生产出0.8mm的带钢，就可以代替部分冷轧产品。由于热轧奥氏体过程温降很大，很难轧出很薄的产品，因此，铁素体轧制就成为可能的轧制工艺。 （2）无头轧制和半无头轧制的应用 （The Application of Endless and Semi-endless Rolling）,13 带钢热连轧计算机控制系统的发展（Development of Computer Control System for Hot Strip Mills）,13.1 带钢热连轧计算机控制系统的主要功能带钢热轧生产是目前应用计算机控制最为成熟的领域，其控制范围包含了整个生产过程，从加热炉入口、甚至从连铸出口开
10、始到成品库，包括了轧制计划，板坯库管理，数学模型，设备控制和质量控制以及传动(电气及液压传动)数字控制等各个层次，是轧钢自动化领域中最为庞大，最为复杂的控制系统。带钢热连轧计算机系统基本上分为三级，其系统功能框图如图1所示。,(1)基础自动化控制功能 基础自动化面向机组，面向设备及设备的机构。随着电气传动的数字化以及液压传动的广泛应用，数字传动已逐步与基础自动化成为一个整体。基础自动化控制功能按性质可分为：轧件跟踪及运送控制；顺序控制和逻辑控制；设备控制及质量控制。,(3)生产控制级功能生产控制级用于协调炼钢、连铸、热连轧以及冷连轧间的生产计划，并以热连轧为中心与上游及下游交换数据。生产控制除
11、生产计划(轧制计划)的编制外，还负责板坯库、成品库的管理，质量管理以及磨辊的管理等工作。,13.2 带钢热连轧计算机控制系统的设计原则由于用户对冷、热轧板质量的要求越来越高，因此计算机控制系统已经是冷、热连轧不可缺少的组成都分。随着液压控制系统的广泛应用(液压压下、液压弯辊、液压窜辊机构)，全部控制都将作用于轧辊轧件形成的变形区。,（1）冷、热连轧控制系统需满足的两个要求：1)高速控制 连轧机组除了一些顺序逻辑控制可以采用通用的可编程控制器(PLC)外，大部分功能要求实现高速控制，控制周期ll0ms，为此需大量采用HPC(高性能控制器)，HPC为多CPU控制器。,2)高速通讯 由于多个控制功能
12、(例如厚度控制、张力控制、板形控制)最终都作用到变形区，因此存在较强的功能间耦合，需要相互传递补偿信息。数据更新时间往往要求为l2ms。这个“二高”的特点决定了连轧控制系统应是“快速”分布式计算机控制系统。能满足这“二高”特点，同时能为冷、热连轧机提供完整计算机控制系统硬件、系统软件及数学模型与应用软件的厂家在国际上并不太多，主要电气公司有美国GE、德国SIEMENS、法国ALSTOM、日本日立和三菱等等。轧制过程计算机控制系统的设计除了要满足上述两点要求外，系统设计还必须遵循一定的原则。,（2）系统设计遵循的原则1)系统结构开放计算机系统结构应以国际标准的VME及PCI总线作为基础，从而实现
13、系统开放，开放的系统结构有利于系统今后的扩充和升级。,2)采用多CPU结构高性能控制器采用高档CPU，保证最快控制周期可达lms，适合于应用在分布式生产过程的快速系统中。更重要的是，硬件档次紧跟当前最流行的CPU指标，硬件集成化程度高，百分之百的工业级芯片，适用于各种温度环境和工业现场环境。在高速通讯网络方面，与第三厂家的良好接口和高可靠性的过程IO接口、使得用户能方便配置各类快速系统。多CPU结构和实时多任务操作系统环境，非常适合于冷、热连轧计算机控制系统这样的实时多任务的工作方式。,3)系统尽可能采用远程IO 随着现场总线应用的日益广泛，系统与传动(电气及液压)及各子系统一般通过现场总线连
14、接，实现以通信电缆(光缆)代替IO电缆，大量减少电缆数量及电缆铺设工作量，使系统更加可靠。4)人机界面采用OPS十OPU结构，即操作台除了必须的紧急按钮等操作器具外，主要由OPS(带CRT显示及专用触模式键盘的操作员站)及OPU(带灯辅助功能键盘)组成。,5)具有良好的编程环境全线各控制器的编程都符合国际IEC6ll 3l3标准。IEC6ll 3l3编程环境是经过PLC Open认证，包括所有DCSPLC典型编功能的系统，如：梯形图、FBD和SFC编程、程序下装、监视执行、信号强制等等。,6)系统具有高可靠性 正常连续生产是冷、热连轧机的基本要求，也是提高产品质量和效率的根本保证。因此，轧制过
15、程计算机控制系统要求具有很高的可靠性。一般要求整个系统的故障率小于0.2，也就是说，如果系统的考核时间为720小时，系统允许出现故障及故障恢复时间总共不能超过144小时。7)具有较强的系统诊断能力，一般提供系统诊断站，提高系统可靠性和维护效率。8)每个操作员站的数据点一般不超过l024点，但要求数据刷新要快，一般要求数据刷新小于500ms。,13.3 轧制过程计算机系统配置典型结构为了满足冷、热连轧计算机控制系统对于高速控制和高速通讯的要求，国外大电气公司都设计有针对性的大型分布式计算机控制系统。但从系统的拓朴结构上看基本上可归纳为两类系统，即区域控制群结构和超高速网结构。,（1）区域控制器群
16、结构属于区域控制器群这一结构的有GE的INNOVATION系统和西门子的SIROLL系统(图2)，其特点是采用高速网将控制冷连轧机组的各控制器(PLC及HPC)连成一个控制器群以解决各HPC间的快速数据交换(12ms)。有些系统缺乏区内高速网，采用控制器间IO连接来交换数据，从系统设计角度看这不是一种好的方案。,图2 区域控制器群结构,系统由Ll(一级)基础自动化级，L2(二级)过程自动化级及L3(三级)生产控制级构成。基础自动化级内采用高速网后分为二层，上层为区域主管及用于质量控制的HPC(例如厚度控制，板形控制)。下层则为主传动数字控制器和机架控制器(SC)。机架控制器实际上即为本机架各液
17、压机构(液压压下，弯辊，串辊)的液压传动数字控制器(液压APC)。因此可以说下层为传动(电气传动及液压传动)的数字控制器。,(2) 超高速网结构 属于这一结构的有日立系统，三菱系统(图3)以及ALSTOM的ALSPA系统。这一系统的特点是所有控制器都平铺地连接在LlL2间的超高速网上，利用超高速网的宽频带，各控制器间以及L1与L2间以五种速度交换数据。同一区域内控制器可以以12ms的周期交换数据；不同区域的控制器可以以50ms或100m周期交换数据；Ll与L2间可以用50ms(跟踪信息)、100ms(数据采样)及500ms(设定值下送)周期交换数据；L1与L2与人机界面系统的服务器可以用500
18、或l000ms周期交换数据。,图3. 超高速网结构,日本公司在系统中往往设有单独的IO站，其任务仅是数据采集并主要送往过程计算机，因而其软件分工中保留了在过程机上完成部分“动作”性程序，西方公司则认为过程计算机不应带任何IO，其任务主要是设定计算以及为没定计算服务的功能，所有IO信息将由基础自动化各控制器通过通讯网上送。,在系统的开放性上看，日本公司步伐较慢，在系统中喜欢采用自己公司的硬件，例如过程计算机各公司用自己的小型机，甚至人机界面站亦用自己的产品。更不用说基础自动化的控制器，更是专用产品。而西方公司的系统比较开放，喜欢用市场上的标准产品，ALSTOM的ALSPA系统中过程机采用通用小型
19、机ALPHA机，人机界面采用普通PC，基础自动化控制器全部基于VME总线，其ALSPA PLC实际上即为GE FANUC的9070和9030PLC以及GE FANUC的各种远程IO，其HPC则采用多CPU VME总线控制器，而主网采用基于PCI，CPCI，VME等多种国际标准总线的光纤RTNet(亦称为Reflective Memory Net)。 无论是“区域控制器群”还是“超高速网”结构，由于解决了l2ms的超高速数据交换，都很好地满足了冷、热连轧过程的“二高”要求。,(3)国内鞍钢CONROLL系统2001年鞍山钢铁集团公司和北京科技大学共同在鞍钢l700mm半连轧翻新改造项目中，完成了
20、自行设计的三级计算机控制系统，其宽度、厚度、板形等各项控制功能均达到先进水平。近期又对系统进行了完善和提高，即将将该新系统应用到新建的济钢2l50mm中薄板坯连铸连轧工程连轧机自动化系统中，该系统属于“区域群控制器”结构。其系统配置如图4所示。,图4 安钢CNROLL系统,该系统具有以下特点： (1)整个系统由三层网络结构构成，即l00MBs以太网、2GBs的内存映像主网和连接各远程IO及电气传动Profibus DP网。 (2)基础自动化的所有控制器均由GE Fanuc的新产品PACSystems构成。 (3)各机架的液压控制器都是由自带IO接口的Power PC组成，自成一体并能插在相应控
21、制器内。 (4)设置三类特殊功能站，专门建立了用于大容量数据存储的数据记录站PDA，用于系统实时仿真的实时仿真站SIM，还有用于全线系统故障诊断的诊断站DIAG。,13.4 轧制过程计算机控制系统的发展趋势随着计算机和通讯技术飞速发展，轧制过程计算机控制系统也日新月异，各级计算机的运算和通讯速度大大加快，64位处理器及100MBs以上的通讯网大量使用，系统诊断能力显著提高，大大方便了维护工作，提高了系统作业率。以国内外近期推出的轧制过程计算机系统来看，近年来用于冷、热连轧的快速计算机控制系统具有以下发展趋势：,(1)硬件PC化，除人机界面(HMl)站及数据记录器等采用标准PC机外，有趋势采用高
22、档PC作为过程计算机，加上各控制器的编程器或工程师站广泛采用P C，以及基础自动化各HPC中所采用的基于奔腾III单板机，使整个系统的硬件都尽量向P C靠拢以降低系统成本。 (2)系统软件“微软”化，包括过程计算机采用WINDOWS NT作为操作系统，HMI系统采用服务器一客户机结构以及HMI软件和编程软件, 使系统便于与其他厂家软件连接。,(3)控制器采用开放式结构，长期以来GE、西门子等大电气公司都以开发自己固有的系统而自豪，其控制器一般采用非国际标准的总线(如S5PLC，S7PLC，SIMADYND以及GE的SC2000等)，但在本世纪末，GE、西门子相继将自己的控制器转到国际标准VME
23、总线(GE的INNOVATION控制器及西门子的SIMATIC TDC)，使自己的系统开放。系统开放的好处是可以充分采用别的厂家开发的高性能IO，网络等，而不必事事都要自己投资开发。而对于用户来说，系统开放意味着便于扩展以及备品备件方便采购。,(4)HMI系统的统一，长期来L1和L2都有自己的HMI系统，新推出的系统简化了人机界面系统，采取L1及L2使用统一的HMI系统。亦即在任一个操作员站上可以调出Ll的画面，亦可以调出L2的画面。(5)100MbS光纤以太网的广泛应用，在L2与L1间，L1L2 HMI服务器与各客户机间，以及L3计算机与其终端间广泛使用100MbS光纤以太网，并有一些厂将传
24、动网以及现场总线亦立足于100MBs以太网(并随着技术的发展向1000MBs以太网转移)。,(6)考虑到冷、热连轧计算机控制系统需满足高速控制及高速通讯要求，因而在基础自动化控制器间采用了区域内高速网(150300MBs)以及HPC控制器采用了多CPU结构。(7)系统中采用多层网络使数据能用不同的速度更新，以满足冷连轧控制的需要，即L1L2间以50ms到100ms为周期，人机界面网以500ms到1000ms为周期，L2L3问以1秒或几秒为周期，而各HPC控制器间数据交换则以12ms为周期，现场总线(远程IO)则以1050ms为周期。,(8)分布系统广域分散化。整个系统中除了HPC为实现高速反馈
25、闭环控制而设立自己的高速本机IO外，各PLC及区域主管将尽量采用远程IO或远程现场控制器，各远程IO及远程控制器将通过现场总线与PLC及区域主管相连接。因此IO电缆数量及长度将减到最小，这是目前的普遍趋势，即用通讯电缆(光缆)代替IO电缆，由于现场总线的故障诊断能力很强，因而使系统安装调试以及维护大为方便。,(9)广泛采用交流传动系统，从而使电机容量不再受到限制，提高了传动系统性能，减少了维护工作量。无论是硬件PC化，系统软件“微软”化，l00MBs以太网的采用以及采用标准VME总线都使系统开放，同时基于Profibus、Device Net等现场总线的大量采用，提高了系统可靠性和软件资源的共享性，也使系统的成本大大降低，应用开发更加便利，维护方便,
