國內(nèi)熱軋軋制生產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究
十年來，我國的熱連軋生產(chǎn)線得到了前所未有的蓬勃發(fā)展。新建和改造1250mm以上至2250mm的寬帶鋼熱連軋生產(chǎn)線超過30條。這些新建和改造生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力、設(shè)備水平和技術(shù)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(jìn)改變?yōu)橐M(jìn)、中外聯(lián)合和完全國產(chǎn)化等多種模式。雖然軋制過程控制系統(tǒng)的硬件仍以西門子、GE、三菱、VAI、達(dá)涅利、東芝、西馬克等國外公司為主，但是已可以實(shí)現(xiàn)由國內(nèi)設(shè)計(jì)和指定設(shè)備選型。相對(duì)于硬件，軟件的發(fā)展更為迅速，現(xiàn)代熱連軋控制系統(tǒng)可分為6級(jí)控制，0級(jí)為驅(qū)動(dòng)、變送、執(zhí)行控制級(jí)；I級(jí)為基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)；II級(jí)為以數(shù)學(xué)模型為核心的過程自動(dòng)化控制級(jí)；III級(jí)的生產(chǎn)管理級(jí)；IV級(jí)為區(qū)域管理級(jí)；V級(jí)為企業(yè)管理。其中I級(jí)和II級(jí)控制系統(tǒng)與產(chǎn)品的生產(chǎn)和質(zhì)量的關(guān)系最為密切，也是國內(nèi)研究和開發(fā)的重點(diǎn)內(nèi)容。
軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(RAL)以國內(nèi)鋼鐵行業(yè)的大發(fā)展為契機(jī)，針對(duì)熱連軋自動(dòng)化過程控制系統(tǒng)開展了深入細(xì)致的研究，開發(fā)了成套I、II級(jí)過程控制系統(tǒng)及其相關(guān)模型和算法，并將研究成果提供給熱連軋帶鋼生產(chǎn)線的新建和改造現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了科研成果的迅速轉(zhuǎn)化。
該控制系統(tǒng)建立在基于Windows的多進(jìn)程多線程系統(tǒng)平臺(tái)之上，采用II級(jí)設(shè)定和控制系統(tǒng)與I級(jí)基礎(chǔ)自動(dòng)化相結(jié)合的方式，結(jié)合離線仿真、理論分析、工藝和設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)、模型參數(shù)優(yōu)化和在線設(shè)定、人工智能、數(shù)據(jù)挖掘、自學(xué)習(xí)與自適應(yīng)等多種手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱軋帶鋼生產(chǎn)線全線質(zhì)量指標(biāo)的全面控制。
2系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用平臺(tái)
系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用平臺(tái)基于Windows系統(tǒng)，具有共享內(nèi)存的開辟與管理、進(jìn)程和線程的管理、通過高速以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)過程機(jī)之間通信、過程機(jī)與HMI服務(wù)器之間的通信、過程機(jī)與基礎(chǔ)自動(dòng)化及上級(jí)系統(tǒng)的通信、控制邏輯、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與分析、日志報(bào)警等功能。為熱軋帶鋼的自動(dòng)化控制系統(tǒng)提供全面的數(shù)據(jù)服務(wù)和平臺(tái)支持。
RAL開發(fā)的RAS軋機(jī)過程控制系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)上分為4層，如圖1所示。最下層為系統(tǒng)支持層；第二層為軟件支持層，數(shù)據(jù)中心使用Oracle 9i，系統(tǒng)配置庫使用Access數(shù)據(jù)庫；第三層為系統(tǒng)管理層，由系統(tǒng)管理中心(Manager)和核心動(dòng)態(tài)庫負(fù)責(zé)；最上層為應(yīng)用層，是系統(tǒng)具體工作進(jìn)程。
平臺(tái)在進(jìn)級(jí)上采用一功能模塊對(duì)應(yīng)一進(jìn)程的模式分別負(fù)責(zé)系統(tǒng)維護(hù)、網(wǎng)絡(luò)通訊、系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)管理、帶鋼跟蹤和模型計(jì)算，如圖2所示。
RAS平臺(tái)的主要技術(shù)特點(diǎn)如下：
u 多進(jìn)程多線程結(jié)構(gòu)，可以更加集中的管理同樣類型的任務(wù)；
u 任務(wù)間通訊主要采用的是共享內(nèi)存+事件觸發(fā)的模式，這種通訊方式通訊效率快，進(jìn)程/線程反應(yīng)速度快、數(shù)據(jù)完整性更強(qiáng)；
u 提供了功能豐富的管理界面，極大的改善了用戶體驗(yàn)的效果；
u 提供了在線的、實(shí)時(shí)的日志報(bào)警顯示模塊，操作人員可實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)的運(yùn)行信息，并提供了方便的日志查詢功能；
u 多任務(wù)間耦合度適中合理，平臺(tái)部署容易，維護(hù)成本低，二次開發(fā)工作變得更簡單。
現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明(2010，思文科德熱軋廠；2011，國豐650mm熱軋廠；2011，興業(yè)銅業(yè)48#軋機(jī)生產(chǎn)線)，RAS平臺(tái)的各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，通訊速度快，效率高，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高，各個(gè)任務(wù)間負(fù)載均衡，平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定。
3主要數(shù)學(xué)模型
熱連軋帶鋼的過程數(shù)學(xué)模型是軋制自動(dòng)化控制系統(tǒng)的核心內(nèi)容。數(shù)學(xué)模型既為軋線提供工藝規(guī)程的設(shè)定，也參與關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的控制過程，通過關(guān)鍵參數(shù)的自學(xué)習(xí)不斷提高其設(shè)定與控制精度，進(jìn)而提高軋線整體質(zhì)量水平與生產(chǎn)效率。
軋制過程控制模型建立在軋制理論之上，由于計(jì)算速度以及應(yīng)用性能的限制，目前在軋線上使用的均為在理論基礎(chǔ)上的得到的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。由于軋線上特別是變形區(qū)內(nèi)的一些事件和現(xiàn)象尚未得出完美的理論解釋，比如變形區(qū)內(nèi)的摩擦條件的變化、軋輥和軋件的熱量傳遞機(jī)制、金屬在變形區(qū)內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律等；一些常用假設(shè)與實(shí)際情況存在差異，比如軋輥壓扁后仍為圓形假設(shè)、平面變形假設(shè)；冷卻過程中的水冷機(jī)制的對(duì)流區(qū)、核沸騰區(qū)、膜沸騰區(qū)、小液態(tài)聚集區(qū)推想等；這些問題限制了數(shù)學(xué)模型的計(jì)算精度與穩(wěn)定性。
層別數(shù)據(jù)的使用為提高模型的計(jì)算精度和穩(wěn)定性提供了切入點(diǎn)，無論國外主流數(shù)學(xué)模型還是國內(nèi)自主開發(fā)的數(shù)學(xué)模型，均采用層別數(shù)據(jù)機(jī)制來構(gòu)建模型。層別劃分過粗則無異于提高計(jì)算精度，層別劃分過細(xì)則提高調(diào)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(xué)軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在充分了解熱連軋帶鋼生產(chǎn)工藝、設(shè)備和技術(shù)條件的基礎(chǔ)上，開發(fā)了以粗軋?jiān)O(shè)定模型、精軋?jiān)O(shè)定模型、板形設(shè)定和控制模型、機(jī)架間冷卻設(shè)定和控制模型、層流冷卻設(shè)定和控制模型為核心的一套熱連軋帶鋼過程控制數(shù)學(xué)模型。從軋制規(guī)程、速度制度、溫度制度等方面，綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱軋帶鋼產(chǎn)品外形質(zhì)量和組織性能質(zhì)量的全面設(shè)定和控制。采用鋼族形式劃分層別，為新產(chǎn)品提供了預(yù)留接口和空間，即保證設(shè)定和控制精度，又提高了模型的可用性。
3.1軋機(jī)設(shè)定模型
軋機(jī)設(shè)定模型分為粗軋機(jī)組設(shè)定模型和精軋機(jī)組設(shè)定模型。其主要功能為設(shè)定軋線的壓下制度、速度制度和溫度制度。軋機(jī)設(shè)定模型的優(yōu)劣決定了該軋線產(chǎn)品質(zhì)量精度、生產(chǎn)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(tǒng)系統(tǒng)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(dǎo)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(yīng)力狀態(tài)系數(shù)模型、平軋寬展模型、立－平軋寬展模型等。
粗軋?jiān)O(shè)定模型的主要功能包括平輥規(guī)程設(shè)定、寬度設(shè)定和短行程設(shè)定、軋制節(jié)奏設(shè)定等。
粗軋的寬度控制包括寬度設(shè)定和自動(dòng)寬度控制兩個(gè)部分。寬度設(shè)定是粗軋過程設(shè)定計(jì)算的一部分，通過綜合考慮厚度壓下和寬度壓下對(duì)軋件寬度變化的影響并結(jié)合寬度自學(xué)習(xí)來設(shè)定各道次的立輥開口度；自動(dòng)寬度控制則是在立輥軋制過程中動(dòng)態(tài)修正開口度以改善軋件全長的寬度均勻性。由于寬度檢測(cè)儀表的限制，自動(dòng)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(tǒng)、SSC技術(shù)和主傳動(dòng)交交變頻技術(shù)的應(yīng)用，使寬度精度0～6.5mm占帶鋼全長的比例達(dá)到95.4％的較好水平(國豐620mm，2012)。
精軋模型設(shè)定是通過具體的方程式和軋制參數(shù)列表因子以及自學(xué)習(xí)因子相結(jié)合，來精確地計(jì)算出軋機(jī)在穿帶時(shí)目標(biāo)厚度和溫度下的各機(jī)架輥縫、速度及機(jī)架間張力基準(zhǔn)等。軋制參數(shù)列表因子有很多，因此精軋數(shù)學(xué)模型能夠根據(jù)熱軋板廠的具體產(chǎn)品進(jìn)行個(gè)性化設(shè)定計(jì)算。
精軋機(jī)設(shè)定規(guī)程的目的是計(jì)算出一套輥縫參考值，以便在軋機(jī)設(shè)備允許條件內(nèi)獲得需要的目標(biāo)厚度的帶鋼。同時(shí)還必須計(jì)算出與電機(jī)能力相匹配的精軋各機(jī)架速度，以保持機(jī)架間的恒定秒流量，并獲得精軋的目標(biāo)出口溫度。
精軋機(jī)設(shè)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(fù)荷分配算法等子模型。
由于現(xiàn)場(chǎng)條件的波動(dòng)、模型本身對(duì)于軋制條件的簡化以及模型結(jié)構(gòu)的原因，使模型計(jì)算值與實(shí)際值之間存在差異，這是過程控制模型的主要參數(shù)需要進(jìn)行自學(xué)習(xí)的主要原因。
通過自學(xué)習(xí)的方法，可以使控制模型的設(shè)定值計(jì)算精度滿足過程控制的要求。模型參數(shù)自學(xué)習(xí)分為短期自學(xué)習(xí)和長期自學(xué)習(xí)。短期自學(xué)習(xí)用于軋件到軋件的參數(shù)修正，學(xué)習(xí)后的參數(shù)值自動(dòng)替代原先的參數(shù)值，用于下一塊同鋼種軋件，主要是與軋件有關(guān)的模型參數(shù)自學(xué)習(xí)。長期自學(xué)習(xí)用于大量同種軋件長期參數(shù)修正，主要是與軋機(jī)有關(guān)的模型參數(shù)自學(xué)習(xí)。
為了保證帶鋼在精軋軋制過程中的正常軋制，精軋?jiān)O(shè)定模型通過各個(gè)功能模塊在精軋?jiān)O(shè)定主程序中的相互調(diào)用，利用模型中所提供的模型參數(shù)、設(shè)備參數(shù)、軋件參數(shù)及相關(guān)限制條件，在模型中增加精軋?jiān)O(shè)定所需要的軋制參數(shù)實(shí)測(cè)值的有效性保護(hù)，同時(shí)充分發(fā)揮模型的自學(xué)習(xí)功能，完成精軋?jiān)O(shè)定模型對(duì)軋件在精軋區(qū)域軋制規(guī)程的設(shè)定。
現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)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(chǎn)線，目前處于開發(fā)階段)，RAL軋機(jī)設(shè)定模型具有設(shè)定精度高、穩(wěn)定性好、使用方便等優(yōu)良特性。