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一、 前言
帶鋼熱連軋計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)無(wú)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(dòng)，對(duì)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(gè)控制功能集中于一個(gè)機(jī)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(qiáng)，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(jì)系統(tǒng)時(shí)必須很好的解決兩個(gè)“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(gè)“高速”要求，長(zhǎng)期以來(lái)世界上僅有幾家大型電氣公司，如德國(guó)的西門子公司，日本東芝、三菱，美國(guó)GE公司等，具有成套提供適用于熱連軋這一類快速過(guò)程控制系統(tǒng)的能力。而國(guó)外公司往往對(duì)這類計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件，尤其是應(yīng)用軟件，控制比較嚴(yán)格，給國(guó)內(nèi)用戶生產(chǎn)運(yùn)行和維護(hù)帶來(lái)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(jìn)式加熱爐，一架四輥萬(wàn)能粗軋機(jī)，無(wú)芯卷取熱卷箱，6架長(zhǎng)行程液壓壓下精軋機(jī)，層流冷卻，2臺(tái)地下卷取機(jī)。年產(chǎn)量200萬(wàn)噸優(yōu)質(zhì)鋼卷，厚度規(guī)格1.2mm～20mm。
這條生產(chǎn)線是由國(guó)內(nèi)自主設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)的寬帶鋼生產(chǎn)線，北京科技大學(xué)高效軋制國(guó)家工程研究中心為三電系統(tǒng)技術(shù)總負(fù)責(zé)單位，并承擔(dān)了L1級(jí)和L2級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)編程和調(diào)試工作。L1級(jí)基礎(chǔ)自動(dòng)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(jī)、熱卷箱、精軋機(jī)、液壓活套、層流冷卻、卷取機(jī)、運(yùn)輸機(jī)等設(shè)備的位置、壓力、速度、張力等控制功能。這也是國(guó)內(nèi)第一條成功應(yīng)用在熱連軋生產(chǎn)線上的、完全由國(guó)人獨(dú)立研發(fā)、集成和調(diào)試的采用西門子最先進(jìn)的Simatic TDC控制器作為核心工藝控制器的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。圖1為正在生產(chǎn)中的精軋機(jī)組的照片。
圖1 正在生產(chǎn)中的精軋機(jī)組
二、 控制系統(tǒng)構(gòu)成
在設(shè)計(jì)萊蕪鋼鐵公司1500熱連軋自動(dòng)化控制系統(tǒng)時(shí)充分考慮到熱連軋生產(chǎn)工藝特點(diǎn)以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件軟件發(fā)展趨勢(shì)，做到了先進(jìn)、可靠、簡(jiǎn)潔和實(shí)用。該控制系統(tǒng)分成以下三級(jí)：L2級(jí)過(guò)程控制級(jí)負(fù)責(zé)全線過(guò)程控制、過(guò)程日志、過(guò)程監(jiān)視、各區(qū)域模型優(yōu)化控制等任務(wù)；L1級(jí)基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)完成軋線順序控制、邏輯控制和各個(gè)設(shè)備控制；L0級(jí)傳動(dòng)控制級(jí)完成交直流電動(dòng)機(jī)的控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)
L2級(jí)過(guò)程自動(dòng)化級(jí)由3臺(tái)高性能PC服務(wù)器擔(dān)任過(guò)程控制計(jì)算機(jī)，完成模型設(shè)定和計(jì)算以及自學(xué)習(xí)功能。L2的人機(jī)界面（HMI）操作員站與L1級(jí)合在一起。過(guò)程控制計(jì)算機(jī)留有與L3級(jí)生產(chǎn)控制級(jí)的接口，同時(shí)在沒(méi)有L3級(jí)的情況下L2級(jí)還要完成生產(chǎn)管理級(jí)的部分功能。L1級(jí)計(jì)算機(jī)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。控制系統(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(jī)技術(shù)，通訊速率達(dá)到100M，且可以實(shí)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(diǎn)，以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用分段和分層設(shè)計(jì)，以實(shí)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(chǎng)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(dá)12M，還可通過(guò)中繼器大大擴(kuò)展通訊距離和連接的工作站點(diǎn)數(shù)。本系統(tǒng)中大量采用了Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線以連接操作臺(tái)、遠(yuǎn)程I/O、主、輔傳動(dòng)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(jiǎn)潔性。
全局?jǐn)?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(diǎn)：采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；通訊速率可達(dá)640Mbps；具有2M字節(jié)共享中央內(nèi)存；分站點(diǎn)與中央站點(diǎn)間通過(guò)光纖建立連接，最遠(yuǎn)距離為200米；一個(gè)GDM網(wǎng)絡(luò)最多可以支持44個(gè)站點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)最多達(dá)836個(gè)CPU模板之間的數(shù)據(jù)通訊；具備故障狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能�？梢钥闯鐾耆軌驖M足熱連軋系統(tǒng)對(duì)“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(duì)控制任務(wù)實(shí)時(shí)性要求很高的控制數(shù)據(jù)。
另外，軋線上各個(gè)操作室內(nèi)設(shè)置多臺(tái)HMI人機(jī)界面站，用于操作員監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程。HMI系統(tǒng)使用WINCC v6.0開(kāi)發(fā)，采用客戶機(jī)-服務(wù)器模式，通過(guò)以太網(wǎng)與L2級(jí)計(jì)算機(jī)和L1級(jí)控制器進(jìn)行通訊。
三、 控制系統(tǒng)功能和特點(diǎn)
本軋線L2過(guò)程控制級(jí)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(jì)劃管理、加熱爐數(shù)據(jù)跟蹤、軋制節(jié)奏計(jì)算、設(shè)定計(jì)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(bào)、日?qǐng)?bào)、工程記錄和生產(chǎn)報(bào)告(包含質(zhì)量分類報(bào)告) 等各種類型的報(bào)表。
中間件（Middle Ware）是過(guò)程控制系統(tǒng)的核心支撐軟件，是L2級(jí)應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)和運(yùn)行環(huán)境。其主要作用是屏蔽硬件平臺(tái)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(kāi)發(fā)人員面對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單而統(tǒng)一的開(kāi)發(fā)環(huán)境，降低過(guò)程自動(dòng)化應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)和維護(hù)的復(fù)雜性。主要功能模塊包括：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)文件管理(RDFM)、進(jìn)程間通訊管理(IPC)、外部通訊管理(HubWare)、日志報(bào)警管理(Logger)、數(shù)據(jù)庫(kù)連接管理(DBLinker)、HMI變量管理(TagCenter)和進(jìn)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(dòng)化級(jí)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?zhàn)詣?dòng)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(gè)機(jī)架就集中了六十多個(gè)高速閉環(huán)控制回路，而且還有大量的解耦計(jì)算，同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)前饋、反饋和各種補(bǔ)償控制算法。這都需要功能強(qiáng)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(jì)，可嚴(yán)格保證100微秒的最短采樣周期，運(yùn)算功能極其強(qiáng)大，其PI調(diào)節(jié)器的計(jì)算時(shí)間大約為1～3微秒，可以滿足熱連軋“高速控制”的要求。同時(shí)TDC的CPU具有5個(gè)循環(huán)時(shí)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(duì)于快速回路如HAPC、HAJC等控制功能放在T1周期內(nèi)，對(duì)于HAGC等控制策略和各種補(bǔ)償及解耦計(jì)算可以放在T2和T3周期內(nèi)，而對(duì)通訊接口的處理可以放在T4周期內(nèi)。如此一來(lái)不僅保證了對(duì)精軋液壓壓下、卷取機(jī)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(fù)荷率。分布式TDC控制系統(tǒng)站點(diǎn)間通過(guò)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(yuǎn)程I/O和傳動(dòng)通過(guò)DP網(wǎng)通訊。編程人員通過(guò)MPI網(wǎng)或DUST1協(xié)議對(duì)分布式系統(tǒng)中各個(gè)TDC的程序進(jìn)行調(diào)試和維護(hù)。這樣的設(shè)計(jì)取得了很好的控制效果。圖4為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)控制效果曲線，可以看出3mm的帶鋼厚度偏差在30μm內(nèi)的達(dá)到96.53％。
圖4 實(shí)測(cè)曲線
四、 結(jié)束語(yǔ)
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(gè)月的時(shí)間實(shí)現(xiàn)了日達(dá)產(chǎn)，三個(gè)月后實(shí)現(xiàn)了月達(dá)產(chǎn)。至今一年多的正常生產(chǎn)表明，該套自主設(shè)計(jì)和集成的控制系統(tǒng)能滿足熱連軋生產(chǎn)的各項(xiàng)要求，達(dá)到國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平，減少工程投資。該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)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(dòng)強(qiáng)度。從2005年7月到2006年2月，生產(chǎn)合格鋼材100萬(wàn)噸。創(chuàng)造利潤(rùn)3個(gè)億以上。僅2006年3～6月生產(chǎn)68萬(wàn)噸，創(chuàng)造利潤(rùn)5.5個(gè)億。綜合成材率達(dá)到97.3％；系統(tǒng)的全自動(dòng)運(yùn)行率保持在98％以上；HAGC投入率達(dá)95％以上；8mm以上厚度帶鋼AJC投入率達(dá)100％；厚度控制精度在± 50μm以內(nèi)達(dá)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(xiàng)目中。
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