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一、 前言
帶鋼熱連軋計算機控制系統無論是系統規模，還是控制復雜性，都在冶金控制領域中名列前茅。由于軋線設備大多使用液壓傳動，對于液壓控制系統，其控制周期要求在2～3ms以內。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據交換的周期在1 ms以內。因此在設計系統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的能力。而國外公司往往對這類計算機控制系統的硬件，尤其是應用軟件，控制比較嚴格，給國內用戶生產運行和維護帶來很多“麻煩”。
萊蕪鋼鐵公司于2005年7月投產的1500mm熱連軋生產線是一條傳統的半連軋生產線，設備的基本組成如下：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。年產量200萬噸優質鋼卷，厚度規格1.2mm～20mm。
這條生產線是由國內自主設計、生產和開發的寬帶鋼生產線，北京科技大學高效軋制國家工程研究中心為三電系統技術總負責單位，并承擔了L1級和L2級控制系統的設計編程和調試工作。L1級基礎自動化系統使用了多套S7-400PLC和Simatic TDC控制器，完成爐區、粗軋機、熱卷箱、精軋機、液壓活套、層流冷卻、卷取機、運輸機等設備的位置、壓力、速度、張力等控制功能。這也是國內第一條成功應用在熱連軋生產線上的、完全由國人獨立研發、集成和調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。圖1為正在生產中的精軋機組的照片。
圖1 正在生產中的精軋機組
二、 控制系統構成
在設計萊蕪鋼鐵公司1500熱連軋自動化控制系統時充分考慮到熱連軋生產工藝特點以及計算機控制系統硬件軟件發展趨勢，做到了先進、可靠、簡潔和實用。該控制系統分成以下三級：L2級過程控制級負責全線過程控制、過程日志、過程監視、各區域模型優化控制等任務；L1級基礎自動化級完成軋線順序控制、邏輯控制和各個設備控制；L0級傳動控制級完成交直流電動機的控制。系統結構如圖2所示。
圖2 計算機控制系統
L2級過程自動化級由3臺高性能PC服務器擔任過程控制計算機，完成模型設定和計算以及自學習功能。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級還要完成生產管理級的部分功能。L1級計算機控制系統由多套西門子TDC多CPU結構高性能控制器和S7-400 PLC控制器組成。控制系統中采用了工業以太網、DP網和GDM網等多種網絡通訊系統。工業以太網采用交換機技術，通訊速率達到100M，且可以實現全雙工通訊。由于充分考慮了熱連軋生產中信息流和數據流的特點，以太網網絡拓撲結構采用分段和分層設計，以實現數據和信息的快慢分離、區域分流，有效減少了數據的擁堵。Profibus-DP網是一種應用最為廣泛的現場總線網絡系統，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。本系統中大量采用了Profibus-DP現場總線以連接操作臺、遠程I/O、主、輔傳動控制器等子系統，大大減少硬線數量，有效提高了系統的簡潔性。
全局數據內存GDM網是一種超高速通訊網絡，它主要應用于西門子的SIMATIC TDC控制器系統中，具有下述特點：采用星型拓撲結構；通訊速率可達640Mbps；具有2M字節共享中央內存；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網絡最多可以支持44個站點，可以實現最多達836個CPU模板之間的數據通訊；具備故障狀態監測功能。可以看出完全能夠滿足熱連軋系統對“高速通訊”的要求。精軋區和卷取區域內的TDC控制器全部接入超高速光纖內存網，用于傳遞對控制任務實時性要求很高的控制數據。
另外，軋線上各個操作室內設置多臺HMI人機界面站，用于操作員監控生產過程。HMI系統使用WINCC v6.0開發，采用客戶機-服務器模式，通過以太網與L2級計算機和L1級控制器進行通訊。
三、 控制系統功能和特點
本軋線L2過程控制級的核心內容在于各種軋鋼數學模型包括：粗軋模型、精軋模型、板形模型、CTC模型和自學習模型等。主要功能包括：板坯初始數據及軋制計劃管理、加熱爐數據跟蹤、軋制節奏計算、設定計算、模擬軋鋼和軋輥數據及生產數據管理和歷史數據管理，還可以生成班報、日報、工程記錄和生產報告(包含質量分類報告) 等各種類型的報表。
中間件（Middle Ware）是過程控制系統的核心支撐軟件，是L2級應用軟件的開發平臺和運行環境。其主要作用是屏蔽硬件平臺和操作系統的差異性以及底層操作系統的復雜性，使應用程序開發人員面對一個簡單而統一的開發環境，降低過程自動化應用軟件開發和維護的復雜性。主要功能模塊包括：實時數據文件管理(RDFM)、進程間通訊管理(IPC)、外部通訊管理(HubWare)、日志報警管理(Logger)、數據庫連接管理(DBLinker)、HMI變量管理(TagCenter)和進程管理(TaskWatch)等，具體系統構架如圖3所示：
圖3 中間件系統的架構
L1基礎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，熱連軋系統的復雜性和高速性主要體現在精軋區和卷取區的控制上。僅精軋區六個機架就集中了六十多個高速閉環控制回路，而且還有大量的解耦計算，同時還要實現前饋、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技術設計，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調節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個循環時鐘周期，可以根據控制任務性質的不同將它們分配在不同的循環周期內。對于快速回路如HAPC、HAJC等控制功能放在T1周期內，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，而對通訊接口的處理可以放在T4周期內。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的快速閉環控制，還有效的減輕了CPU的負荷率。分布式TDC控制系統站點間通過GDM交換數據，與區域其它控制器和畫面系統使用快速以太網通訊，與遠程I/O和傳動通過DP網通訊。編程人員通過MPI網或DUST1協議對分布式系統中各個TDC的程序進行調試和維護。這樣的設計取得了很好的控制效果。圖4為現場實測控制效果曲線，可以看出3mm的帶鋼厚度偏差在30μm內的達到96.53％。
圖4 實測曲線
四、 結束語
萊鋼1500熱連軋控制系統自2005年6月底試軋成功，用不到一個月的時間實現了日達產，三個月后實現了月達產。至今一年多的正常生產表明，該套自主設計和集成的控制系統能滿足熱連軋生產的各項要求，達到國內外先進水平，減少工程投資。該項目實現了全自動軋鋼，加快了生產節奏，提高了產品質量和產量，降低了職工的勞動強度。從2005年7月到2006年2月，生產合格鋼材100萬噸。創造利潤3個億以上。僅2006年3～6月生產68萬噸，創造利潤5.5個億。綜合成材率達到97.3％；系統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以內達97.6％。此控制系統在萊鋼獲得成功應用后已被推廣應用到其它熱連軋項目中。
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