王磊，靳勝利，楊斌，鄒丹，王亞平
( 安陽鋼鐵股份有限公司)
摘要：安鋼冷軋連續(xù)退火機組采用了先進的自動化控制系統(tǒng)，其中的過程控制系統(tǒng)在整條生產(chǎn)線的自動化控制系統(tǒng)中扮演了非常重要的角色。通過對安鋼冷軋連退機組過程控制系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)、通訊機制、系統(tǒng)功能的研究，以及對系統(tǒng)的優(yōu)化、完善方法的介紹，并通過實際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)為安鋼冷軋連續(xù)退火機組的順利運行提供了重要的保證。
關(guān)鍵詞：連續(xù)退火；過程控制；系統(tǒng)優(yōu)化
0 前言
安鋼冷軋工程是安鋼實行結(jié)構(gòu)調(diào)整、轉(zhuǎn)型升級，進一步提高市場競爭力的關(guān)鍵工程，主要產(chǎn)品定位為高端家電板、建筑板和汽車用結(jié)構(gòu)板，設(shè)計年產(chǎn)能120 萬t。由重慶新聯(lián)公司和新日鐵公司共同承建的1 550 mm 連續(xù)退火機組于2016 年12 月28 日熱負荷試車成功，熱試鋼卷的規(guī)格為0． 8 mm ×1 250 mm，產(chǎn)品的拉伸強度、屈服強度、延伸率等各項性能指標(biāo)均能滿足國標(biāo)要求。
安鋼冷軋連續(xù)退火機組采用了先進的自動化控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)分為一級基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)( BasicAutomation) ，簡稱L1; 二級過程控制系統(tǒng)( ProcessControl) ，簡稱L2; 三級生產(chǎn)控制系統(tǒng)( ProductionControl) ，簡稱L3．其二級過程控制系統(tǒng)( 以下簡稱二級系統(tǒng)) 從系統(tǒng)功能上分為兩大部分: 生產(chǎn)線控制系統(tǒng)和退火爐模型系統(tǒng)。通過對二級系統(tǒng)的研究并摸索出優(yōu)化的方法，對完善連退機組自動化控制系統(tǒng)，更好服務(wù)于連退產(chǎn)品的生產(chǎn)有著積極的作用。
1 過程控制系統(tǒng)組成
1．1 通訊機制
安鋼冷軋連續(xù)退火機組自動化系統(tǒng)的通訊機制如圖1 所示。二級系統(tǒng)形成了一級基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)和三級生產(chǎn)控制系統(tǒng)的控制接口，二級系統(tǒng)接收三級系統(tǒng)下發(fā)的生產(chǎn)計劃和原料卷基本數(shù)據(jù)( PDI) 后將PDI 數(shù)據(jù)進行存儲和管理，之后二級系統(tǒng)生成必要的生產(chǎn)工藝參數(shù)并將其傳輸給一級系統(tǒng)，之后按照生產(chǎn)流程進行物料跟蹤直到成品實績數(shù)據(jù)( PDO) 產(chǎn)生后將PDO 傳輸給三級系統(tǒng)。
1．2 過程控制系統(tǒng)的軟硬件配置
安鋼冷軋連續(xù)退火機組二級生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的組成如圖2 所示。其服務(wù)器采用兩臺HP ProliantDL388 Gen9 機架式服務(wù)器，服務(wù)器操作系統(tǒng)采用Windows Server 2008 操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用Oracle10 g。兩臺服務(wù)器采用一臺在線另一臺冷備的方式運行。二級退火爐模型服務(wù)器采用兩臺HPProliant DL388 Gen7 機架式服務(wù)器，服務(wù)器操作系統(tǒng)采用Windows Server 2003 操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用Microsoft SQL Server 2008． 兩臺退火爐模型服務(wù)器同樣采用一臺在線另一臺冷備的方式運行。二級系統(tǒng)HMI 客戶端和工程師站采用普通的PC，操作系統(tǒng)采用Windows7 專業(yè)版64 位操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫軟件采用Oracle 10 g，二級系統(tǒng)HMI 程序采用C#語言編寫。二級系統(tǒng)客戶端在入口操作臺、出口操作臺、稱重小房各部署一臺，用于操作人員進行二級系統(tǒng)HMI 的操作。二級系統(tǒng)工程師站在入口電氣室和出口電氣室各部署一臺，用于二級系統(tǒng)工程師進行系統(tǒng)開發(fā)和維護。出口稱重小房還配置了一臺標(biāo)簽打印機，用于打印成品鋼卷的工序標(biāo)簽。
二級系統(tǒng)服務(wù)器和二級系統(tǒng)客戶端、工程師站通過CISCO 交換機相連，交換機與交換機之間采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)連接在一起，這樣的好處是當(dāng)交換機間的任意一條鏈路發(fā)生故障時，不會影響整個系統(tǒng)的正常工作，提高了系統(tǒng)的安全性。二級系統(tǒng)和一級系統(tǒng)、三級系統(tǒng)的接口通訊協(xié)議都采用TCP /IP協(xié)議。
2 過程控制系統(tǒng)的主要功能
2．1 基本數(shù)據(jù)的輸入
二級系統(tǒng)接收到三級系統(tǒng)下發(fā)的生產(chǎn)計劃和PDI 后，將生產(chǎn)計劃和PDI 數(shù)據(jù)進行存儲和管理。PDI 數(shù)據(jù)包括了原料卷的鋼種、寬度、厚度等信息以及給連退機組的帶鋼涂油量、是否平整等所有工藝指令。
二級系統(tǒng)會對這些接收到的PDI 數(shù)據(jù)進行檢查，如果超出系統(tǒng)的設(shè)定限制值，或者出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤時，系統(tǒng)都會提示操作人員該條數(shù)據(jù)有誤，需要操作人員進行最終數(shù)據(jù)的確認以及在必要的情況下進行數(shù)據(jù)的更改。
如果當(dāng)二級系統(tǒng)與三級系統(tǒng)出現(xiàn)通訊故障時，操作員也可以在通訊恢復(fù)后重新向三級系統(tǒng)申請PDI 數(shù)據(jù)，或者手動將PDI 數(shù)據(jù)輸入到二級系統(tǒng)中。生產(chǎn)計劃可以手動輸入也可以由三級系統(tǒng)產(chǎn)生，操作員也可以根據(jù)實際情況進行生產(chǎn)計劃的增加、刪除、修改等操作。當(dāng)操作人員將鋼卷運輸?shù)桨白蠒r，二級系統(tǒng)就會將PDI 數(shù)據(jù)以及工藝設(shè)定參數(shù)下發(fā)給一級系統(tǒng)，然后當(dāng)鋼卷上到開卷機上后，這些數(shù)據(jù)將會發(fā)送給工藝設(shè)備。
2．2 確定工藝參數(shù)設(shè)定值
二級系統(tǒng)根據(jù)PDI 數(shù)據(jù)以及查詢工藝參數(shù)表來確定每一個鋼卷的工藝參數(shù)設(shè)定值，這些設(shè)定值涵蓋了整條生產(chǎn)線，包括入口段、工藝段、出口段。
這些設(shè)定值包括諸如開卷機到一號張力輥間的張力、平整機軋制力、平整機延伸率等大量的數(shù)據(jù)，例如表1 即為CQ、DQ 鋼清洗段張力值設(shè)定表。如果PDI 數(shù)據(jù)沒有在工藝參數(shù)表中，則二級系統(tǒng)將通過線性插值算法生成。
二級系統(tǒng)將一套完整的工藝參數(shù)設(shè)定值傳輸給一級系統(tǒng)。這些參數(shù)也會顯示給操作人員進行確認，如果需要的話，操作員可以在鋼卷焊接前修改這些參數(shù)設(shè)定值。
工藝參數(shù)表保存在二級數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，這些參數(shù)最初是由新聯(lián)公司和新日鐵公司提供的。在之后的生產(chǎn)中，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，操作人員也可以通過二級系統(tǒng)HMI 界面進行參數(shù)的查看以及修改。
2．3 物料跟蹤
二級系統(tǒng)將整條生產(chǎn)線分為入口段( 從入口鞍座到開卷機) 、工藝段( 從開卷機到卷取機) 、出口段( 從卷取機到稱重位鞍座) 三個區(qū)域。
入口段的物料跟蹤是指當(dāng)操作人員對軋制計劃進行確認完畢后，將鋼卷按計劃順序依次移動至鞍座區(qū)域，此時也標(biāo)志著鋼卷從計劃管理進入到了跟蹤管理。入口物料跟蹤將根據(jù)一級系統(tǒng)傳輸過來的事件信號，將當(dāng)前鋼卷的位置顯示在二級系統(tǒng)HMI界面上，生成與生產(chǎn)線上鋼卷或帶鋼焊縫信息相一致跟蹤圖像。鋼卷的位置信息通過跟蹤來進行更新，出現(xiàn)和生產(chǎn)線上實際位置不符時，操作人員也可以進行手動更改位置信息。當(dāng)鋼卷達到確認位置、對中位置、開卷位置時，將啟動預(yù)設(shè)定功能將工藝參數(shù)設(shè)定值發(fā)送給一級系統(tǒng)。當(dāng)鋼卷到達開卷機時以及焊接完成時，二級系統(tǒng)還將分別向三級系統(tǒng)發(fā)送鋼卷確認信息和焊接完成信息，告訴三級系統(tǒng)鋼卷已進入機組。
工藝段的物料跟蹤主要是由一級系統(tǒng)來進行的，二級系統(tǒng)HMI 跟蹤界面的更新是根據(jù)一級傳輸過來的焊縫位置信息和脈沖發(fā)生器傳輸過來的信號計算出帶鋼在機組中的位置信息，二級系統(tǒng)主要進行鋼卷和帶鋼在機組中位置的監(jiān)視和周期數(shù)據(jù)收集功能的控制，當(dāng)接收到退火爐模型系統(tǒng)初始化的請求或者二級系統(tǒng)進行重啟時，必須告訴爐子模型系統(tǒng)爐子出口到開卷機這一段區(qū)域內(nèi)的鋼卷信息。已便于退火爐模型系統(tǒng)進行計算，并進行精確的控制。當(dāng)帶鋼發(fā)生剪切時，二級系統(tǒng)根據(jù)一級系統(tǒng)發(fā)送過來的剪切信號生成相應(yīng)的成品鋼卷號并啟動生產(chǎn)實績統(tǒng)計功能生成鋼卷對應(yīng)的生產(chǎn)實績數(shù)據(jù)。
出口段的物料跟蹤主要是從卷取機到稱重位的跟蹤。鋼卷從卷取機上下來，根據(jù)一級系統(tǒng)發(fā)送的移動事件信息，二級系統(tǒng)進行成品鋼卷位置的判斷和更新，當(dāng)鋼卷到達稱重位置后，二級系統(tǒng)根據(jù)移動事件信息判斷是哪個鋼卷位于稱重位，并將一級系統(tǒng)發(fā)送過來的重量數(shù)據(jù)賦予相應(yīng)的成品鋼卷，將PDO 數(shù)據(jù)中的重量數(shù)據(jù)進行更改，同時將PDO 發(fā)送給三級系統(tǒng)，完成整個物料跟蹤任務(wù)。
2．4 過程數(shù)據(jù)收集
二級系統(tǒng)過程數(shù)據(jù)收集和統(tǒng)計功能的控制范圍從鋼卷生產(chǎn)計劃下發(fā)到出口成品卷稱重完成，PDO發(fā)送給三級系統(tǒng)為止。所有的測量數(shù)據(jù)都是以長度為基準的數(shù)據(jù)，二級系統(tǒng)記錄了以長度為基準的質(zhì)量相關(guān)數(shù)據(jù)。當(dāng)一個成品鋼卷信息被創(chuàng)建后，這個鋼卷所對應(yīng)的過程數(shù)據(jù)就會存儲到二級數(shù)據(jù)庫中。二級系統(tǒng)處理的測量數(shù)據(jù)包括兩大類，一類是與鋼卷有關(guān)的工藝過程數(shù)據(jù)，另一類是能源介質(zhì)消耗數(shù)據(jù)。與鋼卷有關(guān)的工藝過程數(shù)據(jù)包括了各區(qū)域的張力、平整機的延伸率、軋制力等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過統(tǒng)計以最大值、最小值、平均值的方式顯示在二級系統(tǒng)HMI 界面上，操作人員可以根據(jù)鋼卷號進行數(shù)據(jù)的查詢。一級系統(tǒng)根據(jù)各類儀表采集出來的介質(zhì)消耗數(shù)據(jù)根據(jù)時序自動發(fā)送給二級系統(tǒng)，二級系統(tǒng)將這些數(shù)據(jù)進行存儲和統(tǒng)計，在二級系統(tǒng)HMI 界面上進行顯示，操作人員可以根據(jù)時間查詢某一時間段內(nèi)各類能源介質(zhì)的消耗情況。
2．5 軋輥管理
二級系統(tǒng)軋輥管理功能主要負責(zé)接收三級系統(tǒng)下發(fā)的軋輥原始數(shù)據(jù)，連退機組的軋輥主要分為支撐輥和工作輥。二級系統(tǒng)在接收到新的軋輥原始數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，同時在二級HMI 界面上進行顯示，操作人員可以通過實際生產(chǎn)情況在二級系統(tǒng)中進行軋輥的分配和確認，當(dāng)平整機需要進行換輥操作時，操作人員將新輥的數(shù)據(jù)下發(fā)給一級系統(tǒng)。在每一卷帶鋼卷取完成后進行軋制公里數(shù)和軋制噸數(shù)的統(tǒng)計，并在二級系統(tǒng)HMI 界面上顯示在線軋輥和離線軋輥的軋制公里數(shù)和軋制噸數(shù)數(shù)據(jù)。
在三級系統(tǒng)沒有自動向二級系統(tǒng)下發(fā)軋輥數(shù)據(jù)時，操作人員可以通過二級系統(tǒng)，根據(jù)輥號信息向三級系統(tǒng)請求軋輥數(shù)據(jù)，也可以在二級HMI 畫面上進行軋輥數(shù)據(jù)的添加和修改。換輥需要操作人員在二級系統(tǒng)HMI 界面上輸入換輥原因，在收到一級系統(tǒng)的換輥信號后，二級系統(tǒng)會將軋輥實績信息發(fā)送給三級系統(tǒng)。
2．6 停機管理
二級系統(tǒng)的停機管理是指由二級系統(tǒng)自動管理機組的故障，生成系統(tǒng)的停機時間。停機信息包含了停機開始時間、停機結(jié)束時間和停機原因三部分內(nèi)容。該功能通過接收一級系統(tǒng)發(fā)送的機組停機信號和機組啟動信號，根據(jù)系統(tǒng)時間自動生成機組停機開始時間和機組停機結(jié)束時間，停機原因則需要操作人員在二級系統(tǒng)HMI 界面進行停機原因的信息輸入。
2．7 班次管理
二級系統(tǒng)的班管理是由二級系統(tǒng)根據(jù)安鋼冷軋的四班三運轉(zhuǎn)工作機制，按照早班8: 00，中班16: 00，夜班24: 00 自動進行換班操作。當(dāng)換班完成后，二級系統(tǒng)自動統(tǒng)計上一班的成品信息、停機信息、成材率、能源介質(zhì)消耗量等信息。
2．8 報表管理
二級系統(tǒng)的報表管理是通過對二級數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，操作人員在二級系統(tǒng)HMI 界面上可以通過時間、班別、組別等查詢到成品產(chǎn)量報表、能源介質(zhì)消耗報表、等與生產(chǎn)有關(guān)的各類報表，并且可以通過二級系統(tǒng)導(dǎo)出Excel 文件形式的報表。
2．9 通訊
二級系統(tǒng)和外部系統(tǒng)的通訊主要是指同一級系統(tǒng)、三級系統(tǒng)之間的通訊。二級系統(tǒng)與一級、三級系統(tǒng)之間通過交換機連接在一起，采用TCP /IP 協(xié)議進行信息通訊，并通過周期性的心跳電文檢查通訊是否保持正常連接狀態(tài)，處理底層的應(yīng)答時如果超時則會報錯。
2．10 HMI 界面
二級系統(tǒng)的HMI 界面主要是給操作人員提供的人機接口界面，操作人員可以通過二級系統(tǒng)HMI界面進行生產(chǎn)計劃的查詢、修改、確認; 成品信息的確認、修改、打印; 預(yù)設(shè)定值的管理; 各類報表的生成等各類操作，完成相應(yīng)的任務(wù)。
3 過程控制系統(tǒng)的優(yōu)化
國內(nèi)冷軋板連續(xù)退火機組經(jīng)過近20 年的發(fā)展，其產(chǎn)品種類和性能逐漸提升，由當(dāng)初的僅生產(chǎn)cQ、DQ、DDQ 三種軟鋼，發(fā)展到可生產(chǎn)EDDQ、SEDDQ、HSS、DP、TＲIP 等高深沖、超高深沖以及高強鋼，已經(jīng)開發(fā)的最高強度級別可達800MPa，產(chǎn)品從僅能滿足建筑和家電性能要求發(fā)展到可用于高檔汽車面板，產(chǎn)品性能向著高強度、超深沖性、和特殊性方向發(fā)展，這得益于連續(xù)退火機組中新技術(shù)的不斷推廣應(yīng)用［1］。在實際的生產(chǎn)過程中，由于原有數(shù)據(jù)庫中的鋼種牌號很少，新牌號HC260P、HC260Y、HY180、HY180YD+Z 等的生產(chǎn)就需要在原有數(shù)據(jù)庫中進行新牌號的增加。數(shù)據(jù)庫中需要根據(jù)新增牌號，增加對應(yīng)的鋼種數(shù)據(jù)、屈服強度數(shù)據(jù)、以及相應(yīng)的焊接代碼數(shù)據(jù)，具體見表2。每新增一個牌號，都需要進行這樣操作，以對數(shù)據(jù)庫進行完善，之后才能接收三級下發(fā)的相應(yīng)的新牌號產(chǎn)品的PDI 數(shù)據(jù)，才能在二級系統(tǒng)HMI 界面上進行相應(yīng)信息的查詢和顯示以及成品標(biāo)簽的打印和PDO 數(shù)據(jù)的上傳。
安鋼冷軋連續(xù)退火機組設(shè)計軋制規(guī)格為帶鋼厚度≤2．0 mm，為了發(fā)揮連退機組的潛在能力，拓寬產(chǎn)品范圍，在進行了可行性分析之后，決定利用現(xiàn)有設(shè)備進行2．18 mm 帶鋼的軋制生產(chǎn)。由于原先的工藝參數(shù)設(shè)定值厚度上限為2．0 mm，已經(jīng)不能滿足實際生產(chǎn)的需要，這就需要對數(shù)據(jù)庫中的工藝參數(shù)設(shè)定表中的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的修改完善。通過對工藝參數(shù)設(shè)定表中新增2．0 mm～2．2 mm 厚度，并對相應(yīng)厚度各區(qū)域張力值、平整機延伸率、平整機軋制力等數(shù)據(jù)的增加，完善了新增2．0 mm～2．2 mm 厚度的工藝參數(shù)設(shè)定表，順利完成了超限厚度2．18 mm 帶鋼的軋制。
通過對連退機組過程控制系統(tǒng)的優(yōu)化和完善，發(fā)揮了連續(xù)退火機組的潛在能力、拓寬了安鋼冷軋產(chǎn)品的規(guī)格范圍，為安鋼冷軋的品種創(chuàng)效、結(jié)構(gòu)創(chuàng)效提供了有力的保障，提升了安鋼冷軋產(chǎn)品的市場競爭力。
4 結(jié)束語
安鋼冷軋連續(xù)退火機組過程控制系統(tǒng)到目前為止已經(jīng)運行了將近兩年的時間，通過近兩年的運行、維護、優(yōu)化和完善，連退機組過程控制系統(tǒng)實現(xiàn)了連續(xù)、穩(wěn)定、高效的運行，為連續(xù)退火機組的高質(zhì)量、高效率生產(chǎn)提供了有力的保障!
5 參考文獻
［1］ 李學(xué)黨，苗鐵嶺，張玉琴． 現(xiàn)代連續(xù)退火機組的發(fā)展與應(yīng)用探討［J］．河南冶金，2008，16( 1) : 23－25．