热连轧自动化的发展

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热连轧自动化系统的发展

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摘要：简要分析了中国热连轧自动化系统的发展现状，介绍了多级计算机控制系统结构以及自主开发的关键技术,包括冶铸轧一体化计划管理，过程自动化中间件，热连轧板形综合控制技术，高精度数学模型及算法等。最后展望了热连轧自动化系统的技术发展机械控制技术进步

关键词：自动化系统  热轧带钢  MES  中间件  板形  机械控制               

随着改革开放的发展、冶金、机械、电子产业等在我国迅猛的发展开来。早在1978年武汉钢铁厂从日本引进新日铁的1700mm四分之三连轧生产线，这是中国第一条实现计算机控制的热轧生产线，20世纪80年代末武钢与北京科技大学合作对计算系统进行了全面升级改造，自此开始了中国热恋带钢自化控制系统国产化的研究和攻关之路。武钢1700热轧计算机控制应用软件全部立足国内，不禁打破了当时系统模式还引进国外自动化系统的模式，而且增加一大批科技人才，为中国自主。研发自动化控制技术及机械控制技术奠定了重要基础。

1、热连轧自动化系统的发展

随着中国经济的迅猛发展，从20世纪末到21世纪初，钢铁行业迎来长期高增，各钢铁集团都把装备进步，产品结构优化、提高产品竞争能力作为企业发展的主要方向。

根据国际钢铁协会（IISI）公布的数据，2007年中国钢铁产量为4.89亿t，占世界总产量的36%，虽然中国粗钢产量连续多年居世界第一位，但钢铁产业技术水平何能好于国际先进水平相比还有差距，因此钢铁企业今后的发展重点是结构调整和技术升级，品种方面要开发高质量、高技术含量、高附加值的高端板带材产品，技术方面要广泛采用新工艺、新技术、新装备，坚持自主研发、自主集成的原则，跟踪国内外先进工艺和技术，建设先进的现代化自动化管理系统，使工厂大的整体工艺方案和自动化技术的最优化。

从20世纪90年代以来，由于控制系统硬件发展迅猛，软硬件有了质的飞跃，稳定性也有了很大的提高。热连轧计算机系统开始广泛采用PC服务器和操作终端替代原来ALPHA小型机，使得热连轧控制系统边界分析个人计算机高速发展的技术成果成为可能，由于采用PC服务器使控制系统有了的价格有了大幅度的下降，由于采用了Windows系统使的得系统的开发环境和系统的开放性有了很大的提高，跟多企业有条件有能力使用先进的计算机控制系统对轧制生产实行高能力的控制。

在控制器方面，西门子的Stigmatic TDC,GE的VMIC VAL、VANTAGE、东芝的V系列闭环控制器、达涅利的HipAc、西马克的X-Pact等，这些控制器大都基于VME总线，且有多CPU多任务计算能力。这些高性能控制器往往用于轧钢过程中高速的控制问题。通过网络技术标准和硬件也是日新月异，到目前已有1Gbps和10GBps的以太网产品问世，并在工业中得到应用，各计算机和控制器之间的数据通信的速度和流量都有非常大的提高。由于这些设备软硬件技术的发展，一些复杂的控制理论和控制策略如智能控制、软测量技术、解耦控制、优化控制技术等，也 开始在轧钢过程中得到应用。

2、热连轧自动化多级计算机控制系统

2.1热连轧自动化多级计算机控制系统的组成

钢铁企业多级自动化控制系统的组成的雏形出现在20世纪60年代的欧洲，1962年英国RTB钢铁公司将生产管理引入了生产控制，形成了一个 由全厂生产调度级、生产管理级、生产控制级、生产过程级组成的多级计算机控制系统。随后其他各国也陆续建成了多座生产控制系统和计算机管理自动化系统相结合的在线管控一体化工厂。随着计算机技术的飞速发展和冶金企业信息化要求的不断提高。计算机分级控制系统的各级含义也逐渐明。如图1所示

企业管理级

区域管理级

生产管理级

过程控制级

基础自动化

驱动—执行

               L5级----经营决策、生产计划、销售、运输贮存

               L4级----生产管理、质量管理、设备管理

               L3级----车间管理、在线调度、质量管理

               L2级----数学模型、参数优化等

               L1级----生产设备控制、时序控制、逻辑控制等   

L0级----工艺数据检测、电器液压执行

图1-自动化系统分级示意图

2.2各级自动化控制系统的任务

随着计算机和网络技术的发展，多级的控制也在不断变化，目前多数冶金企业将L4、L5级整合为企业资源规划级-ERP系统，而将L4部分功能下放到L3级形成生产管理制造MES系统，L2-L0就保持不变。如图2所示。

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图2  ERP-MES分级示意图

ERP系统是对企业中物流、资金流和信息流进行全面集成和管理信息系统。通过ERP系统将企业的资源有效管理起来，对采购、分销、运输、生产、成本、库存、财务、人力进行整体规划，从而取得最佳效益。一般ERP系统包括下列功能：采购管理、销售管理、库存管理、主生产计划、物料需求计划、能力需求计划、供应链管理、工作流管理、车间管理、JIT管理、质量管理、账务管理、资产成本管理、人力资源管理等。

但是ERP面向的是公司范围的计划管理系统，并不适用某一个独立的生产单位，如果直接由ERP系统对生产现场进行控制，难于满足过程控制对信息适时调度的要求，因此必须设置MES系统，它是企业面向车间的管理系统，用于提供生产活动中从下载到订单生产到成品间的最优化控制信息。它一面可以将来自ERP的指令传递给底层控制，针对实际生产中出现的问题进行生产计划动态调度，完成产品的质量管理。另一方面也可以实时监控底层设备运作状态，采集并分析处理过程数据，将分析结果上报给ERP系统。

3、热连轧自动化系统的关键技术

3.1冶铸轧一体化计划管理

直接人装(DHCR)直轧（DR）工艺作为现代化钢铁企业节能降耗、缩短工艺流程、降低库存和提高成材率的重要途径，越来越受到人们的关注。由于DHCR/DR工艺取消了位于连铸工序与热轧工序之间的缓冲环节，将炼钢、连铸和 热轧3大工序之间直接相连，使钢铁生产成为一个有机系统。这对于生产管理，特别使冶铸轧一体化组批提出来更高的要求。近年来，国内外大型钢铁企业和研究对热轧计划和调度以及一体化计划调度进行了大量研究，但真正基于DHCR/DR工艺，尤其针对宽板带生产线的DHCR/DR一体化计划和调度的报道却很少。

宽板带轧线DHCR/DR冶铸轧一体化计划和调度优化方法有多种，如采用遗传算 法、并行策略建立了时序条件多收益旅行商模型MRCTSP-TC。后者充分考虑了炼钢、连铸、热轧3各工序的约束，同时兼顾了不同表面质量和优化级合同的排产。模型的求解采用了改进的蚂蚁算法。

由于该技术的采用使原来多个独立的工序实行了有效的无缝连接和优化，可以最大限度的利用优势资源，最大限度的实行科学规划，保证了企业生产的高效、连续、低成本。目前国内大多数的新上宽带钢生产企业都建设的阶段就考虑了 冶铸轧一体化系统，把它作为热连轧宽带钢生产控制的一部分进行建设。

3.2过程自动化系统中间件（Middle Ware）是过程自动化系统的核心支撑软件，及应用软件的开发平台和运行环境。

它的主要作用有：1屏蔽硬件平台和操作系统的差异性以及底层操作系统的复杂性，数应用程序开发人员面对一个简单而统一的开发环境，降低过程自动化应用软件开发、移植和维护的复杂性；2将过程自动化系统中与那些特定项目无关的共性功能分离并固化，以缩短项目的开发和调试时间，并提高系统的稳定性；3增加系统的扩展能力，由于中间件都是通过配置来适应不同项目的需求，当需要修改或扩展功能时非常方便。

中间件开发一般要采用C++,并涉及到CORBA、DCOM、TCP/IP共享内存等软件技术。北京科技大学轧制中心自主研发的中间件PCDP(process、control、develop、platform) 系统结构如图3所示，其功能完美且编程接口简洁，易于用户掌握。该中间件成功应用于国内多各人连轧过程自动化系统、运动非常稳定。

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图3-PCDP系统的构架

3.3热连轧板形综合控制技术

板形是热轧带钢产品主要尺寸精度之一，也是目前还未得到解决、困扰生产企业的难题之一。为了改善热带刚轧机的板形控制性能、提高产品板形控制水平，有必要系统的掌握并开发初成套的板形控制技术，包括辊形、自动化控制系统、工艺参数、数学模型等。

目前应用在热连轧上的机型主要有CVC、PC两种。CVC机型通过适用正负液压弯辊和窜棍来动态控制轧件的凸度和平坦度，而PC轧机则通过改变压辊交叉角度来控制轧件板形。CVC机型所使用的辊形根据不同的设备供应商也略有不同，西马克做CVC辊形，西门子—奥钢联使用Smart Crown辊形，国内已经开发出使用变接触支撑辊（VCR）技术与高效变凸度的工作辊形（HVC）技术的VHA技术。

CVC辊形和PC轧机在生产叫窄带钢时的板形控制能力不如西门子Smart Crown和国内技术HVC辊形，另外，国内HVC辊形技术既实验了二次凸度与板宽成线性关系，同时又保持二次凸度与辊是支持辊上磨削特殊的辊形曲线，使得支持辊和工业辊的辊间接触长度能够与所轧带钢的宽尺相适应，消除或减少辊间“有害接触区”，提高承载辊缝的横向刚度，增加轧机对板形干扰因素的抵抗能力。另外，由VCR技术改变了支持辊和工作辊间的接触状态，对改善支持辊轴向不均匀磨损、延长支持辊的换辊周期乃至增加产量具有非常积极的作用

3.4高精度数学模型和算法

随着计算机软硬件的快速发展，许多复杂的物理模型、神经元网络、有限差分析算法等技术开始在实际应用，显著提高了模型的预报精度和适应能力。比如在轧机弹跳模型，可分别计算机架牌坊的弹性拉伸变形以及辊系的挠和压扁变形，使得生产中带宽度以及轧辊磨损的不断变化对辊系变形所产生的影响可在生产线体现出来，提高了辊缝设定的精度。带钢模型对辐射、接触传导、冷却水、变形热、相变潜热等各传热过程都进行了细致的描述，并实现从装炉、轧制一直到卷取全过程不间断进行带钢温度的跟踪预测及修正，为带钢温度控制提供了有力保证。

3.5对节能的要求

根据《2006年中国统计年鉴》，2005年中国各行业能耗22、33t标准煤，其中钢铁占16、1%，约消耗3、6亿t标准煤。中国钢铁耗能比世界平均水平高出21%。另外风机、泵类和压缩机所用电机消耗了40%的电能。因此对于中国的钢铁行业节能将是一个重要的任务。首先是推广高效率节能电机的应用范围，虽然使用高效率节能电机的一次性投资很大，但是其运行后所节省下的电费将会在一年半内收回初期多出的投资，另外就是使用便频率调速系统，尤其是对风机和 泵类。研究结果表明使用变频控制后同样在负载端得100%功率时电源端的输入功率将降低44%。通过合理配置系统，工厂最终节能效果将达到20%以上

目前国内已经在自主集成和建设的热连轧机自动化控制系统中研发和采用了很多节能设计和控制功能。为投产后的节能方面打下了坚实的基础。比如，轧制节奏控制与加热炉燃烧优化控制结合以降低加热炉能耗。在冷却循环水系统的节能方面，轧后加速冷却自动控制系统在冷却不同规格的品种的产品时，所需要的峰值水量或某段时间的总水量变化非常大。而为了保证冷却水水压恒定，高位水箱总是要保持一定的溢流，尽量减少溢流量且又不影响冷却工艺，在轧线控制系统中周期的根据轧制计划安排预测所需冷却水水量，提前传送到泵房水水循环控制系统，提高水箱液位控制的精度，降低水泵的能耗。

4、热连轧自动控制系统的发展展望

热连轧自动控制系统可以看作是机械控制技术的应用于实践，目前正在进一步开发系统和数学模型的预警和自我诊断技术，对所采集系统的运行健康状态进行分析和模糊推理的过程判断，提示问题所在以解决办法。数学模型在预警和诊断系统中，对各设定值，测量值，自学习系数，模型参数。重要的中间计算结果进行监控，当这些数据偏离统计趋势时进行预警，若不在正常范围内，并采用模糊推理和联想启发方式进行自我诊断，可根据要求或自动恢复到上一个健康状态。这样的方法，就能让热连轧自动控制系统长期自我保护。

4.1带钢组织性能在线监控

目前组织性能预报技术正处于探索和发展时期还远没有达到成熟及应用阶段。国内的研究水平基本上还处于组织和性能的离线积极阶段。国外的研究水平已达到可在在线预报和监控钢卷全长范围各部分的组织及性能，以弥补常规人工检测中存在劳动强度大、时间滞后等不足。随着对该技术的研究的不断深入与发展，相信不久的将来还会实现在线适时模拟与控制，将在线适时监控系统和控制系统相结合。

4.2智能辅助决策控制技术

近年来，随着国内多条新轧线的相继投产，而且许多厂还相对技术薄弱，操控人员和控制人员热连轧技术不够丰富，如果在自动控制系统中集成专家决策系统，则系统可根据各种工况对操作人员提供操作决策支持。当系统累积了大量生产数据后，还可以通过数据挖掘技术、模糊聚类等智能算法提炼出最优的工艺参数，稳定和优化产品质量。比如热连轧精轧机组负荷分配是否会直接影响生产稳定和带钢尺寸精度，国内目前正在开发热精轧机组负荷分配智能优化和学习技术，一方面可以从板形和负荷裕量均衡的目标出发对压下分配进行优化，另一方面又可以对实际生产中日积月累大量数据进行不断识别和学习，保持裕设备状态同步。

4.3控制系统自我诊断技术

保持自动化控制系统运行状态健康和工作点在正常范围内非常重要。由于缺乏模型维修人员，许多生产线的模型运行状态在精度考核以后，随着时间的推移和专家的撤走，不但精度没有随着模型不断学习而提高，反而变得越来越差，虽然采用远程诊断，专家可在需要时远程连线对系统进行监控和诊断，但往往由于了解情况不全面而效果不佳，目前采用国内技术的轧机在过程控制系统里嵌入了一个SYS Doctor模块，可在线适时监控系统的运行健康状态，以便于维护人员的排错。

5、结语

目前国内新建或改造的宽带钢热连轧自动化控制系统存在一下3种形式：一是硬件和软件系统全部由国外供货和调试；二是采用进口硬件系统，部分软件由国内完成但其中的核心软件如L2数学模型系统、板形系统、质量控制系统等国外引进；三是硬件软件全部国产化。今年完成国产化的系统得到了较快的发展，据不完全统计采用国产技术的控制系统已经达到50%左右，并且比例还在不 断扩大。

国内自主开发的轧钢自动化系统，其硬件采用世界上最新的通过控制器和PC计算机，操作系统采用Windows，数据库采用Oracle。轧钢信息管理应用软件、数学模型和控制软件、变凸度辊形软件、板形控制程序、HAGC、HAWC、CTC、AJC等核心应用软件也全部是自主研发，打破了给国外对此的垄断。而日前能够同时提供从MES级到传动级包括HVC辊形在内的所有相关控制功能，这样的范围也超出了国外的自动化系统公司的产品。该系统已经在国内多条热连轧生产线上得到了成功应用，取得了优异的控制效果，帮助企业迅速收回工程全部投资，为企业创造了极大的经济效益。

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