一、  前言

帶鋼熱連軋計算機控制系統(tǒng)無論是系統(tǒng)規(guī)模，還是控制復(fù)雜性，都在冶金控制領(lǐng)域中名列前茅。由于軋線設(shè)備大多使用液壓傳動，對于液壓控制系統(tǒng)，其控制周期要求在2～3ms以內(nèi)。另外多個控制功能集中于一個機組上，如精軋輥縫控制（AGC）、板型控制（ASC）、液壓活套控制（LPC）等，從而造成控制功能間耦合極強，各控制功能間要求數(shù)據(jù)交換的周期在1 ms以內(nèi)。因此在設(shè)計系統(tǒng)時必須很好的解決兩個“高速”的要求，即“高速控制”和“高速通訊”。

由于“高速控制”和“高速通訊”這兩個“高速”要求，長期以來世界上僅有幾家大型電氣公司，如德國的西門子公司，日本東芝、三菱，美國GE公司等，具有成套提供適用于熱連軋這一類快速過程控制系統(tǒng)的能力。而國外公司往往對這類計算機控制系統(tǒng)的硬件，尤其是應(yīng)用軟件，控制比較嚴格，給國內(nèi)用戶生產(chǎn)運行和維護帶來很多“麻煩”。

萊蕪鋼鐵公司于2005年7月投產(chǎn)的1500mm熱連軋生產(chǎn)線是一條傳統(tǒng)的半連軋生產(chǎn)線，設(shè)備的基本組成如下：2座步進式加熱爐，一架四輥萬能粗軋機，無芯卷取熱卷箱，6架長行程液壓壓下精軋機，層流冷卻，2臺地下卷取機。年產(chǎn)量200萬噸優(yōu)質(zhì)鋼卷，厚度規(guī)格1.2mm～20mm。

這條生產(chǎn)線是由國內(nèi)自主設(shè)計、生產(chǎn)和開發(fā)的寬帶鋼生產(chǎn)線，北京科技大學(xué)高效軋制國家工程研究中心為三電系統(tǒng)技術(shù)總負責(zé)單位，并承擔(dān)了L1級和L2級控制系統(tǒng)的設(shè)計編程和調(diào)試工作。L1級基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)使用了多套S7-400PLC和Simatic TDC控制器，完成爐區(qū)、粗軋機、熱卷箱、精軋機、液壓活套、層流冷卻、卷取機、運輸機等設(shè)備的位置、壓力、速度、張力等控制功能。這也是國內(nèi)第一條成功應(yīng)用在熱連軋生產(chǎn)線上的、完全由國人獨立研發(fā)、集成和調(diào)試的采用西門子最先進的Simatic TDC控制器作為核心工藝控制器的計算機控制系統(tǒng)。圖1為正在生產(chǎn)中的精軋機組的照片。

圖1 正在生產(chǎn)中的精軋機組

二、  控制系統(tǒng)構(gòu)成

在設(shè)計萊蕪鋼鐵公司1500熱連軋自動化控制系統(tǒng)時充分考慮到熱連軋生產(chǎn)工藝特點以及計算機控制系統(tǒng)硬件軟件發(fā)展趨勢，做到了先進、可靠、簡潔和實用。該控制系統(tǒng)分成以下三級：L2級過程控制級負責(zé)全線過程控制、過程日志、過程監(jiān)視、各區(qū)域模型優(yōu)化控制等任務(wù)；L1級基礎(chǔ)自動化級完成軋線順序控制、邏輯控制和各個設(shè)備控制；L0級傳動控制級完成交直流電動機的控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 計算機控制系統(tǒng)

L2級過程自動化級由3臺高性能PC服務(wù)器擔(dān)任過程控制計算機，完成模型設(shè)定和計算以及自學(xué)習(xí)功能。L2的人機界面（HMI）操作員站與L1級合在一起。過程控制計算機留有與L3級生產(chǎn)控制級的接口，同時在沒有L3級的情況下L2級還要完成生產(chǎn)管理級的部分功能。L1級計算機控制系統(tǒng)由多套西門子TDC多CPU結(jié)構(gòu)高性能控制器和S7-400 PLC控制器組成?？刂葡到y(tǒng)中采用了工業(yè)以太網(wǎng)、DP網(wǎng)和GDM網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)。工業(yè)以太網(wǎng)采用交換機技術(shù)，通訊速率達到100M，且可以實現(xiàn)全雙工通訊。由于充分考慮了熱連軋生產(chǎn)中信息流和數(shù)據(jù)流的特點，以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)采用分段和分層設(shè)計，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息的快慢分離、區(qū)域分流，有效減少了數(shù)據(jù)的擁堵。Profibus-DP網(wǎng)是一種應(yīng)用最為廣泛的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它使用雙絞屏蔽電纜，通訊速率最高可達12M，還可通過中繼器大大擴展通訊距離和連接的工作站點數(shù)。本系統(tǒng)中大量采用了Profibus-DP現(xiàn)場總線以連接操作臺、遠程I/O、主、輔傳動控制器等子系統(tǒng)，大大減少硬線數(shù)量，有效提高了系統(tǒng)的簡潔性。

全局數(shù)據(jù)內(nèi)存GDM網(wǎng)是一種超高速通訊網(wǎng)絡(luò)，它主要應(yīng)用于西門子的SIMATIC TDC控制器系統(tǒng)中，具有下述特點：采用星型拓撲結(jié)構(gòu)；通訊速率可達640Mbps；具有2M字節(jié)共享中央內(nèi)存；分站點與中央站點間通過光纖建立連接，最遠距離為200米；一個GDM網(wǎng)絡(luò)最多可以支持44個站點，可以實現(xiàn)最多達836個CPU模板之間的數(shù)據(jù)通訊；具備故障狀態(tài)監(jiān)測功能?？梢钥闯鐾耆軌驖M足熱連軋系統(tǒng)對“高速通訊”的要求。精軋區(qū)和卷取區(qū)域內(nèi)的TDC控制器全部接入超高速光纖內(nèi)存網(wǎng)，用于傳遞對控制任務(wù)實時性要求很高的控制數(shù)據(jù)。

另外，軋線上各個操作室內(nèi)設(shè)置多臺HMI人機界面站，用于操作員監(jiān)控生產(chǎn)過程。HMI系統(tǒng)使用WINCC v6.0開發(fā)，采用客戶機-服務(wù)器模式，通過以太網(wǎng)與L2級計算機和L1級控制器進行通訊。

三、  控制系統(tǒng)功能和特點

本軋線L2過程控制級的核心內(nèi)容在于各種軋鋼數(shù)學(xué)模型包括：粗軋模型、精軋模型、板形模型、CTC模型和自學(xué)習(xí)模型等。主要功能包括：板坯初始數(shù)據(jù)及軋制計劃管理、加熱爐數(shù)據(jù)跟蹤、軋制節(jié)奏計算、設(shè)定計算、模擬軋鋼和軋輥數(shù)據(jù)及生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理和歷史數(shù)據(jù)管理，還可以生成班報、日報、工程記錄和生產(chǎn)報告(包含質(zhì)量分類報告) 等各種類型的報表。

中間件（Middle Ware）是過程控制系統(tǒng)的核心支撐軟件，是L2級應(yīng)用軟件的開發(fā)平臺和運行環(huán)境。其主要作用是屏蔽硬件平臺和操作系統(tǒng)的差異性以及底層操作系統(tǒng)的復(fù)雜性，使應(yīng)用程序開發(fā)人員面對一個簡單而統(tǒng)一的開發(fā)環(huán)境，降低過程自動化應(yīng)用軟件開發(fā)和維護的復(fù)雜性。主要功能模塊包括：實時數(shù)據(jù)文件管理(RDFM)、進程間通訊管理(IPC)、外部通訊管理(HubWare)、日志報警管理(Logger)、數(shù)據(jù)庫連接管理(DBLinker)、HMI變量管理(TagCenter)和進程管理(TaskWatch)等，具體系統(tǒng)構(gòu)架如圖3所示：

圖3 中間件系統(tǒng)的架構(gòu)

L1基礎(chǔ)自動化級主要功能包括：微張力控制、可逆軋制控制、熱卷箱控制、飛剪控制、精軋速度控制、液壓活套高度及張力控制、液壓HAPC控制、精軋液壓HAGC控制、板型控制ASC、終軋溫度控制、卷取溫度控制（CTC）、卷取速度張力控制、液壓助卷輥自動踏步控制（AJC）等。眾所周知，熱連軋系統(tǒng)的復(fù)雜性和高速性主要體現(xiàn)在精軋區(qū)和卷取區(qū)的控制上。僅精軋區(qū)六個機架就集中了六十多個高速閉環(huán)控制回路，而且還有大量的解耦計算，同時還要實現(xiàn)前饋、反饋和各種補償控制算法。這都需要功能強大的處理器的支持。而西門子TDC控制器正好可以滿足這種需求。

TDC的CPU采用64位RISC技術(shù)設(shè)計，可嚴格保證100微秒的最短采樣周期，運算功能極其強大，其PI調(diào)節(jié)器的計算時間大約為1～3微秒，可以滿足熱連軋“高速控制”的要求。同時TDC的CPU具有5個循環(huán)時鐘周期，可以根據(jù)控制任務(wù)性質(zhì)的不同將它們分配在不同的循環(huán)周期內(nèi)。對于快速回路如HAPC、HAJC等控制功能放在T1周期內(nèi)，對于HAGC等控制策略和各種補償及解耦計算可以放在T2和T3周期內(nèi)，而對通訊接口的處理可以放在T4周期內(nèi)。如此一來不僅保證了對精軋液壓壓下、卷取機助卷輥液壓缸部件2～4ms的快速閉環(huán)控制，還有效的減輕了CPU的負荷率。分布式TDC控制系統(tǒng)站點間通過GDM交換數(shù)據(jù)，與區(qū)域其它控制器和畫面系統(tǒng)使用快速以太網(wǎng)通訊，與遠程I/O和傳動通過DP網(wǎng)通訊。編程人員通過MPI網(wǎng)或DUST1協(xié)議對分布式系統(tǒng)中各個TDC的程序進行調(diào)試和維護。這樣的設(shè)計取得了很好的控制效果。圖4為現(xiàn)場實測控制效果曲線，可以看出3mm的帶鋼厚度偏差在30μm內(nèi)的達到96.53％。

圖4 實測曲線

四、  結(jié)束語

萊鋼1500熱連軋控制系統(tǒng)自2005年6月底試軋成功，用不到一個月的時間實現(xiàn)了日達產(chǎn)，三個月后實現(xiàn)了月達產(chǎn)。至今一年多的正常生產(chǎn)表明，該套自主設(shè)計和集成的控制系統(tǒng)能滿足熱連軋生產(chǎn)的各項要求，達到國內(nèi)外先進水平，減少工程投資。該項目實現(xiàn)了全自動軋鋼，加快了生產(chǎn)節(jié)奏，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，降低了職工的勞動強度。從2005年7月到2006年2月，生產(chǎn)合格鋼材100萬噸。創(chuàng)造利潤3個億以上。僅2006年3～6月生產(chǎn)68萬噸，創(chuàng)造利潤5.5個億。綜合成材率達到97.3％；系統(tǒng)的全自動運行率保持在98％以上；HAGC投入率達95％以上；8mm以上厚度帶鋼AJC投入率達100％；厚度控制精度在± 50μm以內(nèi)達97.6％。此控制系統(tǒng)在萊鋼獲得成功應(yīng)用后已被推廣應(yīng)用到其它熱連軋項目中。