熱連軋模擬軋鋼過程開發(fā)

劉付強(qiáng)，盛桂軍，唐賢軍，劉寶松

1.一重集團(tuán)大連設(shè)計(jì)研究院有限公司助理工程師，遼寧 大連 116600；2.濟(jì)鋼裝備部高級(jí)工程師，山東濟(jì)南 250101

熱帶鋼連軋生產(chǎn)是目前應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制最為成熟的一個(gè)領(lǐng)域，其控制系統(tǒng)分為四級(jí)，控制范圍包含從加熱爐入口（甚至從連鑄出口）開始到成品庫整個(gè)生產(chǎn)過程，囊括軋制計(jì)劃、板坯庫管理、設(shè)定計(jì)算、設(shè)備控制和質(zhì)量控制以及傳動(dòng)（電氣及液壓傳動(dòng)）數(shù)字控制等各個(gè)層次，是軋鋼自動(dòng)化領(lǐng)域中最為龐大，最為復(fù)雜的控制系統(tǒng)[1,2]。由于熱連軋生產(chǎn)線及其控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，所以國內(nèi)先進(jìn)的熱連軋生產(chǎn)線的三電基本上由國外大公司提供，如早先引進(jìn)的武鋼1700 mm熱連軋和寶鋼2050 mm熱連軋，以及新近引進(jìn)的鞍鋼1780 mm熱連軋和武鋼2250 mm熱連軋。目前國際上一些主要電氣公司推出的熱連軋計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要有：區(qū)域控制器群結(jié)構(gòu)（如美國GE公司的DM2000系統(tǒng)和德國西門子公司的SIMADYN TDC系統(tǒng)）和超高速FDDI環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)（日本三菱公司系統(tǒng)）[3]，國內(nèi)有北京科技大學(xué)高效軋制國家工程研究中心開發(fā)的基于西門子SIMATIC TDC平臺(tái)的熱連軋生產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)[4]等等。一重集團(tuán)利用自身作為冶金成套設(shè)備提供商的優(yōu)勢(shì)，以國外電氣公司的控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)開發(fā)熱連軋過程控制系統(tǒng)的主要功能，目前已完成實(shí)驗(yàn)室內(nèi)接近實(shí)際生產(chǎn)控制功能的模擬軋鋼過程的開發(fā)工作。

1 模擬軋鋼過程開發(fā)

通常熱連軋的工藝流程為：合格連鑄坯由裝鋼機(jī)推入步進(jìn)梁式加熱爐內(nèi)進(jìn)行加熱；加熱好的坯料由出鋼機(jī)托出經(jīng)除鱗后送往E1、R1（或兩架粗軋機(jī)）組成的可逆粗軋機(jī)組軋制3～9道次；軋出的合格中間坯經(jīng)過保溫罩或熱卷箱運(yùn)送至精軋機(jī)組軋制；精軋機(jī)組一般由一架立輥和六至七架水平輥軋機(jī)組成，精軋機(jī)組配有機(jī)架間活套裝置、液壓AGC自動(dòng)厚度控制系統(tǒng)和工作輥彎輥裝置，用于保證帶鋼全長范圍內(nèi)的厚度精度及板形要求；帶鋼頭部從末架精軋機(jī)出來經(jīng)空冷輥道進(jìn)入層流冷卻裝置冷卻至卷取溫度后進(jìn)入具有助卷輥?zhàn)詣?dòng)踏步控制功能的卷取機(jī)，在恒張力狀態(tài)下卷??；帶鋼成卷后經(jīng)卸卷小車卸卷并放置在打捆站上打捆；然后由步進(jìn)運(yùn)輸機(jī)將鋼卷取走稱重、并打印標(biāo)記后運(yùn)至成品庫。

本文所述過程控制級(jí)的開發(fā)工作以上述工藝為基礎(chǔ)，其中心任務(wù)是對(duì)生產(chǎn)線上各機(jī)組和各個(gè)設(shè)備進(jìn)行設(shè)定計(jì)算并對(duì)熱連軋生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)督和控制。該過程控制系統(tǒng)以某1780 mm熱連軋生產(chǎn)線為對(duì)象，以帶鋼頭部為控制目標(biāo)，對(duì)粗軋、精軋機(jī)組負(fù)荷進(jìn)行分配。為此，過程控制級(jí)計(jì)算機(jī)根據(jù)需要設(shè)有板坯（數(shù)據(jù)）跟蹤、初始數(shù)據(jù)輸入、在線數(shù)據(jù)采集以及模型自學(xué)習(xí)等為設(shè)定模型服務(wù)及配套的功能。熱連軋過程自動(dòng)化控制系統(tǒng)的核心部分是精軋機(jī)組的厚度設(shè)定、板形設(shè)定和溫度設(shè)定等數(shù)學(xué)模型，設(shè)定值經(jīng)計(jì)算后下送到基礎(chǔ)自動(dòng)化層由設(shè)備控制功能執(zhí)行（見圖1）。

圖1 過程控制級(jí)模塊關(guān)系圖

本次開發(fā)主要針對(duì)L2過程控制級(jí)功能實(shí)現(xiàn)，開發(fā)的內(nèi)容有軋制計(jì)劃、粗軋?jiān)O(shè)定及自學(xué)習(xí)、精軋?jiān)O(shè)定及自學(xué)習(xí)、板形設(shè)定、卷取溫度設(shè)定、組織性能預(yù)報(bào)和畫面編程等，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成以及進(jìn)行軋鋼過程模擬。雖然基礎(chǔ)相對(duì)較弱，開發(fā)過程難度較大，目前已取得階段性成果。

（1）軋制計(jì)劃功能

為實(shí)現(xiàn)模擬軋鋼過程系統(tǒng)中板坯數(shù)據(jù)的初始來源、軋制計(jì)劃與生產(chǎn)控制級(jí)、過程控制級(jí)的連接。編寫軋制計(jì)劃模塊時(shí)充分考慮實(shí)際需要，實(shí)現(xiàn)了與板坯庫、連鑄生產(chǎn)線之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理通信及軋制計(jì)劃編制優(yōu)化后的下發(fā)等功能。其內(nèi)容主要包括生產(chǎn)計(jì)劃及鋼卷計(jì)劃管理、板坯信息與板坯庫、連鑄生產(chǎn)線通信管理、軋制計(jì)劃生產(chǎn)下發(fā)管理等。

（2）板坯核對(duì)與加熱爐區(qū)功能

根據(jù)下發(fā)的軋制計(jì)劃，編寫板坯核對(duì)模塊實(shí)現(xiàn)板坯核對(duì)及與加熱爐區(qū)的通信。由板坯核對(duì)模塊實(shí)時(shí)讀取最新的軋制計(jì)劃，從畫面上實(shí)現(xiàn)入爐前的板坯核對(duì)功能，以決定是否允許入爐，并將核對(duì)后的板坯信息傳遞到加熱爐管理模塊。主要任務(wù)是確認(rèn)數(shù)據(jù)與實(shí)際物料是否一致，軋制計(jì)劃中對(duì)應(yīng)板坯的重量和實(shí)際重量是否吻合等，核對(duì)后通過點(diǎn)擊確認(rèn)以改變板坯核對(duì)標(biāo)志。

考慮到國內(nèi)目前已經(jīng)有成熟的加熱爐ACC模塊，所以加熱爐區(qū)管理模塊只開發(fā)加熱爐裝鋼、強(qiáng)制出鋼、定時(shí)出鋼等輔助功能。其中加熱爐裝鋼功能的實(shí)現(xiàn)過程為由HMI裝鋼畫面顯示已經(jīng)核對(duì)但未裝鋼的板坯，選擇要裝鋼的板坯并點(diǎn)擊確認(rèn)裝鋼以改變板坯是否裝鋼標(biāo)志，并將此板坯信息傳遞到HMI出鋼和爐內(nèi)畫面上顯示；強(qiáng)制出鋼是以手動(dòng)的形式按順序選中準(zhǔn)備出鋼的板坯，點(diǎn)擊確認(rèn)出鋼后，改變板坯是否出鋼標(biāo)志；定時(shí)出鋼則要判斷板坯所在的加熱爐號(hào)并按固定的時(shí)間進(jìn)行出鋼

（3）軋線跟蹤功能

跟蹤的目的在于確定熱軋生產(chǎn)線上軋件的實(shí)際位置和相關(guān)信息，根據(jù)不同的時(shí)序啟動(dòng)相關(guān)的應(yīng)用程序，完成過程控制[3]。根據(jù)軋線上機(jī)組的布置將整條軋線分區(qū)控制，包括C區(qū)、HSB區(qū)、RM1(2)區(qū)、CB1(2)區(qū)、CS區(qū)、FM區(qū)、ROT區(qū)、DC1(2)區(qū)、BND1(2)區(qū)、CONVEYOR1區(qū)等，以模擬軋線上熱金屬檢測(cè)器等設(shè)備在軋件經(jīng)過時(shí)得到的信息作為跟蹤信息的區(qū)域更新，并判斷相關(guān)時(shí)序啟動(dòng)應(yīng)用程序，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)跟蹤修正。

（4）粗軋區(qū)功能

利用國外熱軋數(shù)學(xué)模型，根據(jù)軋線設(shè)備等實(shí)際影響因素開發(fā)的設(shè)定計(jì)算應(yīng)用模塊。其粗軋?jiān)O(shè)定量主要有粗軋道次數(shù)、各道次的平輥輥縫位置和立輥壓下位置、軋制速度和側(cè)導(dǎo)板的開口度等。其自學(xué)習(xí)計(jì)算功能主要是根據(jù)實(shí)測(cè)的物理參數(shù)來提高粗軋?jiān)O(shè)定部分?jǐn)?shù)學(xué)模型的預(yù)測(cè)精度。此外，該模塊還要計(jì)算熱卷箱的卷取參數(shù)和粗軋機(jī)入口擺鋼參數(shù)?；A(chǔ)數(shù)學(xué)模型主要包括溫度模型、前滑和后滑模型、軋制力模型、功率模型、厚度/寬度壓下分配模型等。

（5）精軋區(qū)功能

精軋?jiān)O(shè)定的基本任務(wù)是根據(jù)來料條件及成品要求，通過模型計(jì)算，確定精軋機(jī)組各機(jī)架的輥縫、速度及有關(guān)操作變量，以保證順利穿帶和獲得準(zhǔn)確的帶鋼頭部尺寸。精軋?jiān)O(shè)定計(jì)算使用的數(shù)學(xué)模型主要包括壓下分配模型、溫度模型、軋制力模型、功率模型、前滑模型、輥縫模型、動(dòng)態(tài)設(shè)定模型及自學(xué)習(xí)模型等。其板形設(shè)定功能可實(shí)現(xiàn)PC軋機(jī)的PC角、彎輥力計(jì)算和CVC軋機(jī)的串輥量、彎輥力計(jì)算等。

（6）層流冷卻功能

根據(jù)精軋出口的帶鋼溫度、速度、厚度等數(shù)據(jù)和其它工藝設(shè)備參數(shù)，經(jīng)過模型運(yùn)算（包括預(yù)設(shè)定計(jì)算、修正設(shè)定計(jì)算、自學(xué)習(xí)計(jì)算）求得達(dá)到目標(biāo)冷卻模式、卷取溫度、冷卻速度的集管組態(tài)，控制熱輸出輥道上冷卻集管的開閉狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)冷卻過程的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。

（7）卷取區(qū)功能

由于卷取設(shè)定的大部分功能可下放到基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)，在過程控制級(jí)內(nèi)卷取設(shè)定相對(duì)簡(jiǎn)單，主要包括速度、開口度、卷筒轉(zhuǎn)矩、壓力、小車的等待位置、AJC的設(shè)定值等，確保帶鋼在輸出輥道上平穩(wěn)運(yùn)行基礎(chǔ)上順利咬入卷取機(jī)并得到良好的卷形。

（8）組織性能預(yù)報(bào)功能

該模塊通過板坯的初始數(shù)據(jù)及軋線的相關(guān)工藝，利用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)預(yù)報(bào)當(dāng)前鋼卷的組織和性能。

2 模擬軋鋼

將上述的各個(gè)設(shè)定模塊在PC機(jī)上通過觸發(fā)文件的方式進(jìn)行優(yōu)化連接后即可構(gòu)成模擬軋鋼過程的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。此過程可以升級(jí)到服務(wù)器上，以內(nèi)存文件的方式運(yùn)行以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣取?/p>

模擬軋鋼的實(shí)現(xiàn)過程即從軋制計(jì)劃下發(fā)開始，在軋制計(jì)劃模塊中輸入詳細(xì)的板坯數(shù)據(jù)和鋼卷數(shù)據(jù)，生成多塊板坯的軋制計(jì)劃表并下發(fā)到文件中；由板坯核對(duì)模塊實(shí)時(shí)讀取軋制計(jì)劃中的板坯數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)畫面模擬核對(duì)；將已核對(duì)的板坯信息傳遞到加熱爐管理模塊，在加熱爐HMI模塊上實(shí)現(xiàn)板坯的裝鋼、出鋼事件，加熱爐HMI模塊、HMI檢測(cè)模塊和跟蹤模塊實(shí)現(xiàn)相互通信；從出鋼事件開始進(jìn)入事件檢測(cè)跟蹤模塊，根據(jù)相應(yīng)的時(shí)序啟動(dòng)不同的應(yīng)用程序，在出鋼時(shí)先計(jì)算出軋件在整條線上的運(yùn)行過程，并由時(shí)間數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)畫面上軋件的模擬運(yùn)行（見圖2）。在模擬軋鋼過程中所需的時(shí)序、實(shí)際數(shù)據(jù)等均由人為給定。

3 模擬結(jié)果分析

本系統(tǒng)經(jīng)過多塊鋼的模擬調(diào)試，以某熱軋生產(chǎn)線實(shí)際鋼卷軋制數(shù)據(jù)作為比照，充分考慮各個(gè)時(shí)序間的關(guān)系，將各個(gè)模塊有序的結(jié)合到一起，并通過板坯在實(shí)際軋制時(shí)的數(shù)據(jù)啟動(dòng)粗軋、精軋?jiān)O(shè)定的自學(xué)習(xí)功能，利用設(shè)定計(jì)算結(jié)果順利實(shí)現(xiàn)模擬軋鋼過程。

通過將主要設(shè)定值（軋制力）與實(shí)際生產(chǎn)時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，所得到粗軋5道次的設(shè)定結(jié)果誤差和精軋7機(jī)架設(shè)定結(jié)果誤差均在10%左右，比較接近于實(shí)際情況（見表1、表2）。

圖2 模擬軋鋼跟蹤畫面顯示圖

表1 粗軋5道次軋制力結(jié)果比較

表2 精軋7機(jī)架軋制力結(jié)果比較

4 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明該過程控制級(jí)系統(tǒng)已能初步實(shí)現(xiàn)模擬軋鋼功能，在過程控制級(jí)的主要功能中粗軋、精軋?jiān)O(shè)定及自學(xué)習(xí)、層流冷卻設(shè)定、板形設(shè)定和應(yīng)用平臺(tái)程序等已具有較高的水平，設(shè)定計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確率較高，其與實(shí)際生產(chǎn)線相結(jié)合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)先進(jìn)并具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

[1]吳立新.鋼鐵企業(yè)熱軋過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) [M]，上海.

[2]單旭沂，勞兆利.熱連軋過程控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的思考與實(shí)踐[J]，冶金自動(dòng)化，2009,5.

[4]張大志等.基于西門子SIMATIC TDC的1500mm熱連軋自動(dòng)控制系統(tǒng) [J]，電氣自動(dòng)化，2007.