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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，以及新近引
2、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系统一般由三
3、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、粗轧四辊可逆轧机、热卷箱
4、、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自动厚度控制系统和工作辊弯辊装置，用于保证带钢全长范围内的厚度精度及板
5、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。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、
6、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区域之间以及区域内部多个控制功能联系紧密且相互影响（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
7、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
8、，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。（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
9、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
10、级接口和到L3生产管理级的接口，系统结构如图2所示。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、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CP
11、U之间进行高速通信和数据共享，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
12、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（Process 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
13、功能。PCDP系统构架如图3 所示。图3 L2 PCDP系统构架Fig.3 framework 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
14、务的复杂生产过程控制和需要高速运算的控制场合，特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。PACSystems 控制技术是
15、建立在标准的嵌入式体系结构上，采用通用的操作系统。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、辅传动系统）、与控制系统相关的现场机械
16、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
