1、1宽带钢热连轧生产线自动控制系统综合设计及应用0 前言1 热连轧生产线主要设备及工艺流程2 热连轧自动控制系统设计2.1 热连轧自动控制的特点2.2 对自动控制系统的基本要求2.3 控制系统结构、配置和主要功能3 系统特点及系统应用前言宽带钢热连轧生产线是一套综合了机电液多系统的复杂大系统，其中自动控制系统在整条生产线中占有重要地位，结构合理、性能可靠的自动控制系统可以最大限度地发挥轧线的生产效能，并且是生产高质量产品的重要保证。由于热连轧生产线的复杂性决定了其控制系统的复杂性，所以国内先进的热连轧生产线的三电基本上由国外大公司提供，如早先引进的武钢1700mm热连轧和宝钢2050mm热连轧，
2、以及新近引进的鞍钢1780mm热连轧和武钢2250mm热连轧。与此同时，为了打破国外公司的技术垄断，培养自主创新能力，创造拥有自主知识产权的热连轧自动控制系统，国内各高等院校和研究院所也一直致力于自主开发和研制，并取得了明显的效果。如鞍钢1700mm热连轧、济钢1700mm热连轧、莱钢1500mm热连轧等多条热轧线。其中莱钢1500mm热连轧是一套完全由国内自主开发的生产线，其自动控制系统是国内第一次采用与世界同步的Siemens TDC系统，由高效轧制国家工程研究2中心集成和设计开发的，同样采用Siemens TDC系统的日照1580mm热连轧生产线将于2006年投产。现代带钢热连轧自动控制
3、系统一般由三级组成，其中L2过程控制级由两台或多台高性能网络服务器和几十台工业控制计算机构成；L1基础自动化级多台高性能通用控制器构成；L0设备传动级包括交直流主辅传动系统、现场机械液压设备、控制执行结构、各种检测仪表等组成。能提供全套系统的国际大公司主要是德国的西门子公司、美国的GE 公司和日本的三菱公司，现在，我们自己能够独立承担宽带钢热连轧自动控制系统工程，标志着我国的自动化系统开发集成技术水平基本达到了同类国际先进水平。1 热连轧生产线主要设备及工艺流程现代热连轧生产线主要由机械设备、电气设备和液压润滑设备组成。机械设备包括二至三座步进梁式加热炉、粗轧除鳞箱、粗轧立辊轧机、粗轧四辊可逆
4、轧机、热卷箱、飞剪、精轧立辊轧机、精轧机组四辊轧机、层流冷却装置、全液压三助卷辊地下卧式卷取机卸卷设备、打捆机和运输设备。电气设备包括主传动系统、辅传动系统、高低压配电、计算机系统、自动控制系统等。液压润滑设备包括伺服液压站、辅助液压站、润滑站等。热连轧基本工艺流程为：合格连铸坯由装钢机推入步进梁式加热炉内进行加热；加热好的坯料被托出经粗轧除鳞后送往 E1、R1 组成的可逆粗轧机组轧制 35 道次；轧出的合格中间坯被送往热卷箱卷成热卷，开卷后继续运行至精轧机组；精轧机组一般由一架立辊和六至七架平辊轧机组成，机架间设有活套装置， ；并设有液压 AGC 自动3厚度控制系统和工作辊弯辊装置，用于保证
5、带钢全长范围内的厚度精度及板形要求；带钢头部从精轧末架出来经一小段辊道空冷进入带钢层流冷却装置将带钢冷却至所要求的卷取温度；带钢头部出冷却区后咬入具有助卷辊自动踏步控制功能卷取机在恒张力状态下卷取；带钢成卷后经卸卷小车卸卷并放置在打捆站上打捆；然后由步进运输机将钢卷取走称重、并完成标记后，采用专用吊具把钢卷吊运至成品库堆放、待发。工艺流程简图如图 1 所示。连 铸 坯 加 热 炉 除 鳞 箱 粗 轧 热 卷 箱 飞 剪精 轧 CT卷 取 运 输 成 品开 始 结 束图 1 工艺流程简图Fig.1 flow chart of strip rolling technics 2 热连轧自动控制系统设
6、计2.1 热连轧自动控制的特点（1）控制功能众多而且集中以精轧机组为例，7 个机架上集中了数十个机电设备的位置控制、多个液压位置控制、多个压力控制、AGC 自动厚度控制、AFC 自动板形控制、主速度控制、活套高度/张力控制、精轧机组终轧温度控制、自动加减速及顺序控制等，总共近 80 个控制回路。（2）控制周期短、速度快现代轧机设备控制及工艺参数控制的周期一般为 620ms，液压位置控制或液压压力控制系统的控制周期为 23ms，和以温度、压力、流量等热工参数为主的生产过程相比，控制周期约快 2040 倍。（3）控制信息在区域间及区域内 部各控制站之间更新快4区域之间以及区域内部多个控制功能联系紧
7、密且相互影响（特别是在精轧区域内） ，并共享输入和输出模块，因此要求数据信息在各控制站之间以及各 CPU 之间能快速更新。（4）功能间联系紧密且相互影响以精轧机为例，由于众多功能最终的影响都将集中到精轧机轧辊、轧件之间的变形区，因此功能间相互影响显著。例如，当自动厚度控制系统调整压下控制厚度时，必将使轧制力发生变化，从而改变轧辊辊系弯曲变形而影响辊缝形状，最终影响出口断面形状和带钢平直度，而当自动板形控制系统调整弯辊控制断面形状及平直度时，必将改变辊缝形状而影响出口厚度。因此功能间要相互协调，相互传递补偿信号。（5）多个功能间需共享输入和输出模块例如，AGC 和 APC 都是用输出控制信号控制
8、液压压下；活套高度控制和主速度级联都是控制主电机速度；AGC 和 ASC 都需要轧制力信号等，所以它们之间的输入和输出模块是共用的。（6）控制系统长期不间断运行热连轧生产线是连续生产系统，自动控制系统处于长期不间断运行状态。2.2 对自动控制系统的基本要求以上热连轧控制的特点对自动控制系统提出了以下要求。（1）采用多控制器，而且控制器内采用多处理器结构。（2）采用带有 64 位高速背板通信总线的高性能控制器和 64 位 RISC高性能 CPU 处理器。5（3）各级间采用高速光纤以太网、高性能控制器间采用高速全局数据内存网、高性能控制器与现场设备间采用 Profibus_DP 网等现场设备级通信
9、网络。（4）控制系统设备性能稳定、高可靠性和低维护性。系统尽可能采用远程 I/O，并且与传动及各子系统通过通信网络连接，以通信电缆代替硬线 I/O 电缆，减少电缆数量及电缆铺设工作量，使系统更加可靠。（5）具有较强的系统诊断能力、报警能力和故障分析能力，提供远程编程和监控功能。（6）人机界面采用 OPS+OPU 结构，即操作台除了必须的紧急按钮等操作器件外，主要由 OPS 带 CRT 显示器及通用性较好的触摸式键盘的操作员站及 OPU 带灯辅助功能键盘组成，便于操作和控制。（7）控制系统采用开放式结构，有利于系统今后的扩充和升级。总之，在设计热连轧计算机自动控制系统时只有充分考虑到热连轧生产工
10、艺特点以及计算机控制系统软硬件的发展趋势，才能保证整个控制系统的先进性、可靠性和合理性。2.3 控制系统结构、配置和主要功能（1）系统功能结构控制系统分为三级，即 L2 过程控制级、L1 基础自动化级和 L0传动设备级，并预留到连铸 L2 级接口和到 L3 生产管理级的接口，系统结构如图 2 所示。6图 2 控制系统功能结构Fig.2 function structure of control system（2）系统网络结构自动控制系统网络结构由高速光纤以太网、普通 10/100M 以太网、高速全局数据内存网、Profibus_DP 网组成。L2 级服务器与 L1 级控制器、L2 级系统内部、
11、L1 级 TDC 控制器与 PLC 控制器之间、人机界面 HMI 系统与 L2 级及与 L1 级控制器之间采用高速光纤以太网或普通10/100M 以太网通信。SIEMENS SIMATIC TDC 系统之间可以通过 GDM（Global Data Memory）以实现各控制器之间、控制器多 CPU 之间进行高速通信和数7据共享，数据通信速度可以达到 630Mbaud /1ms（300m） ；GE VMIC 系统之间可以采用高速内存映像网进行通信，数据通信速度可以达到170Mbaud /1ms。基础自动化级系统与远程 I/O 和现场设备之间通过 ProfiBus_DP网进行通讯。ProfiBus
12、 是一中用于具有有限数量站点的单元级和现场级子网，它是与制造商无关的开放式通讯系统，ProfiBus_DP（分散的外围设备）协议适用于分散的外围设备（如 ET200M）的连接，具有快速的响应时间。（3）系统配置L2 级主要由两台过程控制服务器（一用一备） 、一台历史数据服务器、磁盘阵列柜、多台开发终端、多台 HMI 监控和开发终端、多台过程控制模型开发终端组成。服务器采用高性能 HP PC Server，硬件配有多 CPU、大内存、SCSI 硬盘、磁盘阵列卡等。软件配有Windows2000 Server、Oracle 数据库、轧制中心自主开发并拥有全部知识产权的 NERCAR PCDP（Pr
13、ocess Control Develop Platform）for Windows v1.1 中间件，具有 RDFM（实时数据文件管理） 、IPC（进程间通讯管理） 、HubWare（外部系统通讯管理） 、LOGGER（报警日志管理） 、DBLinker（数据库连接管理） 、TagCenter（HMI 变量管理） 、TaskWatch（进程管理）等功能。PCDP 系统构架如图 3 所示。8应 用 程 序 TagCentrDBLinkerIPCLogerRDFMHUBWTaskWtchOC SOCK核 心 数 据 支 持 库操 作 系 统图 3 L2 PCDP 系统构架Fig.3 framew
14、ork of PCDP systemL1 可以采用多 CPU 的西门子 SIMATIC TDC(Technology and drives control)高性能控制器加 PLC S7_400、PLC S7_300 以及远程I/O ET200 系统，或采用 GE 公司的多 CPU VMIC 高性能控制器加 GE PACSystems 系列 PLC、GE_9070 PLC、GE_9030 PLC、GE VersaMax PLC 以及远程 I/O 系统。SIMATIC TDC 系统是 Siemens 公司最新开发的高端多处理器控制系统，用于实时、多任务的复杂生产过程控制和需要高速运算的控制场合，特
15、别适用于象钢铁厂这样的大型工业系统的应用。TDC 具有模块化的系统结构、可升级的高性能硬件系统，使用具有 64 位背板总线的 64 位 RISC CPU 模块使得系统具有优异的性能。使用 SIMATIC 工具 STEP7、CFC 和 SFC 进行图形化的配置，具有 D7-SYS 功能块库，同时可以利用 C 语言编制自己的功能块，对于动态闭环控制任务采样时间最小可以达到 100us。VMIC 是 GE 公司基于 VME 总线的 64 位多 CPU 高性能控制器，可以建立 170M/s 的高速内存映像网。PACSystems 系列 PLC 是 GE 公司最新推出的可编程自动化控制器。PACSyst
16、ems 控制技术是建立在标准的嵌入式体系结构上，采用通9用的操作系统。高集成化设计，将过程控制、运动控制和离散控制等部分的硬件和软件工具统一在一个控制器中，并在一个平台中实现所有不同硬件的软件编程、配置和诊断。PACSystems 系统先进的特性和扩展技术，兼容 GE Fanuc 现有的控制系统。VME64 底板总线提供了比目前 GE9070PLC 系统快 4 倍的带宽，10/100 以太网内置于 CPU模块，一个内置的自适应的交换机，机架到机架间的连接无须额外的交换机或集线器。强大的指令集支持用户定义的用于高速运算的功能块，支持 VME 第三家板卡。传动设备级主要包括所有传动设备（主传动系统
17、、辅传动系统） 、与控制系统相关的现场机械设备、液压润滑设备（伺服液压站、辅助液压站、润滑站） ，各种压力和位置控制所对应的液压系统及执行机构，以及测厚仪、侧宽仪、热金属检测器、激光检测器、位移传感器、压力检测器、光电编码器等检测仪表。（4）主要功能过程控制计算机系统（L2）主要任务是对全线的生产工艺过程进行跟踪和控制，进行各种控制数学模型及参数的计算与设定。生产计划部门根据热轧工艺要求、交货进度和板坯来料情况编制出每天的生产计划，由操作员从 PDI 输入终端依次输入到 L2 计算机系统。L2 计算机将严格地按照生产计划，控制板坯从入炉辊道开始，依次经过加热、粗轧、精轧、层流冷却、卷取等工艺过
18、程。在设定计算完成后，设定值被立即传递给 L1，传递下去的设定数据由 L1 管理，具体执行控制的时序由 L1 控制。该级通过光纤以太网进行互联，并与基础自动化级 PLC 以及现场生产控制计算机系统进行通讯。具体功能包括：10板坯初始数据及轧制计划管理、轧件数据跟踪、轧制节奏计算、设定计算（粗轧机设定、热卷箱设定、精轧机设定、板形设定、CTC 设定、卷取设定、分类设定） 、通信管理、画面管理、历史数据管理、模拟轧钢、轧辊数据及生产数据管理、数学模型等。基础自动化级（L1）包括 TDC、PLC 控制器及其远程 I/O、操作台及相应的应用程序，负责在轧制过程中根据 L2 设定值和带钢位置对相关设备的
19、动作时序进行控制，并为 L2 提供各测量值和检测信号。具体功能包括：（1）炉区：加热炉入口侧的板坯跟踪及跟踪修正，热送衔接辊道控制，称量辊道及板坯称量机的控制，入炉辊道控制，装钢机控制，出炉辊道及回炉辊道控制，出钢机及粗轧除鳞箱及其辊道控制，炉区人机界面功能。 （2）粗轧区：轧件跟踪 E1 机前辊道、粗轧机后辊道及粗轧机速度控制、粗轧除鳞水控制、粗轧区入口导板APC 控制、立辊 VE1 开口度 APC 、平辊 R1 轧机的压下 APC 控制、粗轧机速度顺序控制、粗轧机立/平辊间微张力控制、模拟轧钢、热卷箱及前后辊道控制、粗轧区人机界面功能。 （3）精轧区：轧件跟踪（跟踪修正） 、轧制主速度控制
20、、精轧机组与热卷箱开卷速度的匹配控制、精轧机组厚度设定模型及模型自学习、精轧机快速 AGC 监控、精轧设备位置控制、精轧主速度控制、活套高度及活套张力控制、自动厚度控制系统、活套补偿、偏心补偿等补偿功能、精轧机组板形设定模型及模型自学习、弯辊力控制、窜辊位置控制、精轧终轧温度控制、精轧质量分类、精轧人机界面功能。 （4）卷取区：卷取跟踪（跟踪修正） 、热输出辊道速度超前、滞后控制、层流冷却装置和卷取设备设定、卷取温度控制、卷取区设备位置控制、夹送辊速度超前、滞11后及夹送辊与卷取机间以及 F6 与夹送辊间张力控制、卷取机速度、张力控制、液压助卷辊跳跃（AJC）控制、钢卷尾部定位控制、卸卷小车控
21、制、运输链跟踪、运输链控制、卷取区人机界面功能、卷取区质量分类。人机界面 HMI 系统采用 Siemens WinCC 系统或 GE Intouch 系统开发，全线 L2 级根据情况可以配置 810 台计算机终端，L1 级主电室配置炉区 1 台、粗轧区 1 台、精轧区 2 台、卷取区 2 台，操作室配置炉区 2 台、粗轧区 2 台、精轧区 4 台、卷取区 3 台，根据轧线实际情况可以适当增减。3 系统特点及系统应用在硬件方面，宽带钢热连轧生产线自动控制系统综合设计理念多有创新之处，符合现代带钢热连轧计算机自动化控制系统发展的潮流和趋势。系统设计采用多级分布式系统结构，性能可靠，易于维护。系统各
22、级间采用多种网络通信方式，使通信更加合理，提高通信效率，同时可以简化网络结构、降低成本。各级系统间采用高速光纤以太网、高性能控制器间采用高速全局数据内存网通信，保证了大数据量通信情况下的高通信速度。高性能控制器与现场设备间采用Profibus_DP网通信，大大减少了直接硬线I/O通信的电缆数量。L2级服务器热机备份策略、L1级光纤以太网冗余设计以及其他创新设计理念也增加了系统的稳定性和可靠性。在软件方面，系统采用了拥有自主知识产权的L2级中间件系统，自主开发了所有的通信接口应用程序、L2级管理程序、关键数学模型、通信程序和模型程序，L1级全部应用程序和控制程序，包括综合AGC12厚度自动控制模
23、型、AJC自动踏步控制模型、AFS自动形控制模型等核心控制模型，全线HMI人机画面和应用程序，拥有了现代带钢热连轧生产线L1和L2整套自动控制系统，标志着我国的自动化系统开发集成技术水平基本达到了同类国际先进水平。建立在本文综合设计思想上的控制系统已经在国内多条热连轧生产线上得到了成功应用，如鞍钢1700mm热连轧生产线自动控制系统改造、2005年6月投产的全新莱钢1500mm热连轧生产线。将于2006年7月投产的日照1580热连轧生产线自动控制系统正处在实验室调试过程中，后续开展的热连轧生产线自动控制系统已经开始设计。现场统计结果表明，鞍钢1700mm控制系统改造后其板厚控制精度命中率同比提
24、高近1倍。莱钢1500mm热轧线成材率大于95，卷取温度控制精度在20范围内的占95以上，其他诸如厚度控制精度、板形控制精度以及凸度控制精度等性能指标均达到或超过国内同类水平，为企业创造了巨大的经济效益和社会效益。参考文献1 孙一康,高海. 鞍钢 1700 热连轧计算机控制系统集成J.金属世界,2003(5):9122 钱振伦. 我国宽带钢热连轧机的最新发展和技术特点J.中国冶金,2004(9):9133 唐荻. 我国热连轧带钢生产技术进步 20 年J.轧钢,2004(6):10144 刘文仲. 建立带钢热连轧计算机控制系统应考虑的问题J. 金属13世界,2004(3):13145 王志健. 热连轧控制理论研究与分析J.冶金丛刊,2005(5):136 汪洵. SIEMENSSIROLL 系统在热连轧计算机系统改造中的应用J.电脑开发与应用,2004(11):1517联系人：张大志（1971） ，河南商丘人，副研究员，博士主要从事机电智能化控制、过程控制优化与仿真等方面的研究工作北京（100083）北京科技大学高效轧制国家工程研究中心电 话：623332598-6416（O） ，13683088070（M）传 真：62332947E-mail：2006 年 1 月
