國內熱軋軋制生產線自動控制系統的研究

十年來，我國的熱連軋生產線得到了前所未有的蓬勃發展。新建和改造1250mm以上至2250mm的寬帶鋼熱連軋生產線超過30條。這些新建和改造生產線的生產能力、設備水平和技術水平均處于世界前列。新建和改造的方式也由過去的完全引進改變為引進、中外聯合和完全國產化等多種模式。雖然軋制過程控制系統的硬件仍以西門子、GE、三菱、VAI、達涅利、東芝、西馬克等國外公司為主，但是已可以實現由國內設計和指定設備選型。相對于硬件，軟件的發展更為迅速，現代熱連軋控制系統可分為6級控制，0級為驅動、變送、執行控制級；I級為基礎自動化級；II級為以數學模型為核心的過程自動化控制級；III級的生產管理級；IV級為區域管理級；V級為企業管理。其中I級和II級控制系統與產品的生產和質量的關系最為密切，也是國內研究和開發的重點內容。

軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室(RAL)以國內鋼鐵行業的大發展為契機，針對熱連軋自動化過程控制系統開展了深入細致的研究，開發了成套I、II級過程控制系統及其相關模型和算法，并將研究成果提供給熱連軋帶鋼生產線的新建和改造現場，實現了科研成果的迅速轉化。

該控制系統建立在基于Windows的多進程多線程系統平臺之上，采用II級設定和控制系統與I級基礎自動化相結合的方式，結合離線仿真、理論分析、工藝和設備優化設計、模型參數優化和在線設定、人工智能、數據挖掘、自學習與自適應等多種手段，實現對熱軋帶鋼生產線全線質量指標的全面控制。


2系統開發和應用平臺

系統開發和應用平臺基于Windows系統，具有共享內存的開辟與管理、進程和線程的管理、通過高速以太網實現過程機之間通信、過程機與HMI服務器之間的通信、過程機與基礎自動化及上級系統的通信、控制邏輯、數據的存儲與分析、日志報警等功能。為熱軋帶鋼的自動化控制系統提供全面的數據服務和平臺支持。

  　RAL開發的RAS軋機過程控制系統應用平臺的體系結構上分為4層，如圖1所示。最下層為系統支持層；第二層為軟件支持層，數據中心使用Oracle 9i，系統配置庫使用Access數據庫；第三層為系統管理層，由系統管理中心(Manager)和核心動態庫負責；最上層為應用層，是系統具體工作進程。

平臺在進級上采用一功能模塊對應一進程的模式分別負責系統維護、網絡通訊、系統的數據采集和數據管理、帶鋼跟蹤和模型計算，如圖2所示。

RAS平臺的主要技術特點如下：

u 多進程多線程結構，可以更加集中的管理同樣類型的任務；

   　u 任務間通訊主要采用的是共享內存+事件觸發的模式，這種通訊方式通訊效率快，進程/線程反應速度快、數據完整性更強；

   　u 提供了功能豐富的管理界面，極大的改善了用戶體驗的效果；

u 提供了在線的、實時的日志報警顯示模塊，操作人員可實時監控平臺的運行信息，并提供了方便的日志查詢功能；

u 多任務間耦合度適中合理，平臺部署容易，維護成本低，二次開發工作變得更簡單。

現場應用表明(2010，思文科德熱軋廠；2011，國豐650mm熱軋廠；2011，興業銅業48#軋機生產線)，RAS平臺的各項指標達到了設計標準，通訊速度快，效率高，數據準確性高，各個任務間負載均衡，平臺運行穩定。

3主要數學模型

熱連軋帶鋼的過程數學模型是軋制自動化控制系統的核心內容。數學模型既為軋線提供工藝規程的設定，也參與關鍵技術指標的控制過程，通過關鍵參數的自學習不斷提高其設定與控制精度，進而提高軋線整體質量水平與生產效率。

軋制過程控制模型建立在軋制理論之上，由于計算速度以及應用性能的限制，目前在軋線上使用的均為在理論基礎上的得到的經驗模型。由于軋線上特別是變形區內的一些事件和現象尚未得出完美的理論解釋，比如變形區內的摩擦條件的變化、軋輥和軋件的熱量傳遞機制、金屬在變形區內的流動規律等；一些常用假設與實際情況存在差異，比如軋輥壓扁后仍為圓形假設、平面變形假設；冷卻過程中的水冷機制的對流區、核沸騰區、膜沸騰區、小液態聚集區推想等；這些問題限制了數學模型的計算精度與穩定性。

層別數據的使用為提高模型的計算精度和穩定性提供了切入點，無論國外主流數學模型還是國內自主開發的數學模型，均采用層別數據機制來構建模型。層別劃分過粗則無異于提高計算精度，層別劃分過細則提高調試難度，降低模型的使用性能。二者之間需要一種平衡。

東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室在充分了解熱連軋帶鋼生產工藝、設備和技術條件的基礎上，開發了以粗軋設定模型、精軋設定模型、板形設定和控制模型、機架間冷卻設定和控制模型、層流冷卻設定和控制模型為核心的一套熱連軋帶鋼過程控制數學模型。從軋制規程、速度制度、溫度制度等方面，綜合考慮現場條件，實現對熱軋帶鋼產品外形質量和組織性能質量的全面設定和控制。采用鋼族形式劃分層別，為新產品提供了預留接口和空間，即保證設定和控制精度，又提高了模型的可用性。


3.1軋機設定模型

軋機設定模型分為粗軋機組設定模型和精軋機組設定模型。其主要功能為設定軋線的壓下制度、速度制度和溫度制度。軋機設定模型的優劣決定了該軋線產品質量精度、生產效率和流暢性，是軋制過程控制模型的核心。

粗軋過程控制系統系統控制模型包括軋件空冷溫降模型、水冷溫降模型、塑性功溫升模型、軋件軋輥接觸導熱模型、軋件溫度分布、變形抗力模型、接觸弧長模型、平立軋的應力狀態系數模型、平軋寬展模型、立－平軋寬展模型等。

粗軋設定模型的主要功能包括平輥規程設定、寬度設定和短行程設定、軋制節奏設定等。

粗軋的寬度控制包括寬度設定和自動寬度控制兩個部分。寬度設定是粗軋過程設定計算的一部分，通過綜合考慮厚度壓下和寬度壓下對軋件寬度變化的影響并結合寬度自學習來設定各道次的立輥開口度；自動寬度控制則是在立輥軋制過程中動態修正開口度以改善軋件全長的寬度均勻性。由于寬度檢測儀表的限制，自動寬度控制的作用范圍有限，因此采用立輥的短行程控制(SSC)來控制頭尾部的寬度均勻性。

粗軋AWC系統、SSC技術和主傳動交交變頻技術的應用，使寬度精度0～6.5mm占帶鋼全長的比例達到95.4％的較好水平(國豐620mm，2012)。

精軋模型設定是通過具體的方程式和軋制參數列表因子以及自學習因子相結合，來精確地計算出軋機在穿帶時目標厚度和溫度下的各機架輥縫、速度及機架間張力基準等。軋制參數列表因子有很多，因此精軋數學模型能夠根據熱軋板廠的具體產品進行個性化設定計算。

精軋機設定規程的目的是計算出一套輥縫參考值，以便在軋機設備允許條件內獲得需要的目標厚度的帶鋼。同時還必須計算出與電機能力相匹配的精軋各機架速度，以保持機架間的恒定秒流量，并獲得精軋的目標出口溫度。

精軋機設定模型包括軋制力模型、能耗模型、溫度模型、厚度模型、變形抗力模型、輥縫模型和負荷分配算法等子模型。

由于現場條件的波動、模型本身對于軋制條件的簡化以及模型結構的原因，使模型計算值與實際值之間存在差異，這是過程控制模型的主要參數需要進行自學習的主要原因。

通過自學習的方法，可以使控制模型的設定值計算精度滿足過程控制的要求。模型參數自學習分為短期自學習和長期自學習。短期自學習用于軋件到軋件的參數修正，學習后的參數值自動替代原先的參數值，用于下一塊同鋼種軋件，主要是與軋件有關的模型參數自學習。長期自學習用于大量同種軋件長期參數修正，主要是與軋機有關的模型參數自學習。

為了保證帶鋼在精軋軋制過程中的正常軋制，精軋設定模型通過各個功能模塊在精軋設定主程序中的相互調用，利用模型中所提供的模型參數、設備參數、軋件參數及相關限制條件，在模型中增加精軋設定所需要的軋制參數實測值的有效性保護，同時充分發揮模型的自學習功能，完成精軋設定模型對軋件在精軋區域軋制規程的設定。

現場應用表明(2010，思文科德熱軋廠；2011，國豐620mm熱軋廠；2012，朝鮮熱連軋1780mm生產線，目前處于開發階段)，RAL軋機設定模型具有設定精度高、穩定性好、使用方便等優良特性。