一、  前言

帶dai鋼gang熱re連lian軋zha計ji算suan機ji控kong製zhi係xi統tong無wu論lun是shi係xi統tong規gui模mo，還hai是shi控kong製zhi複fu雜za性xing
，都dou在zai冶ye金jin控kong製zhi領ling域yu中zhong名ming列lie前qian茅mao。由you於yu軋zha線xian設she備bei大da多duo使shi用yong液ye壓ya傳chuan動dong，對dui於yu液ye壓ya控kong製zhi係xi統tong，其qi控kong製zhi周zhou期qi要yao求qiu在zai2～3ms以內。另外多個控製功能集中於一個機組上
，如精軋輥縫控製（AGC）
、板型控製（ASC）、液壓活套控製（LPC）等，從而造成控製功能間耦合極強，各控製功能間要求數據交換的周期在1 ms以內。因此在設計係統時必須很好的解決兩個“高速”的要求，即“高速控製”和“高速通訊”。

由於“高速控製”和“高速通訊”這兩個“高速”要求，長期以來世界上僅有幾家大型電氣公司，如德國的西門子公司
，日本東芝、三菱，美國GE公gong司si等deng，具ju有you成cheng套tao提ti供gong適shi用yong於yu熱re連lian軋zha這zhe一yi類lei快kuai速su過guo程cheng控kong製zhi係xi統tong的de能neng力li。而er國guo外wai公gong司si往wang往wang對dui這zhe類lei計ji算suan機ji控kong製zhi係xi統tong的de硬ying件jian，尤you其qi是shi應ying用yong軟ruan件jian

，控kong製zhi比bi較jiao嚴yan格ge
，給gei國guo內nei用yong戶hu生sheng產chan運yun行xing和he維wei護hu帶dai來lai很hen多duo“麻煩”。

萊蕪鋼鐵公司於2005年7月投產的1500mm熱連軋生產線是一條傳統的半連軋生產線

，設備的基本組成如下：2座步進式加熱爐
，一架四輥萬能粗軋機，無芯卷取熱卷箱
，6架長行程液壓壓下精軋機

，層流冷卻，2台地下卷取機。年產量200萬噸優質鋼卷，厚度規格1.2mm～20mm。

這條生產線是由國內自主設計、生產和開發的寬帶鋼生產線

，北京科技大學高效軋製國家工程研究中心為三電係統技術總負責單位
，並承擔了L1級和L2級控製係統的設計編程和調試工作。L1級基礎自動化係統使用了多套S7-400PLC和Simatic TDC控製器，完成爐區、粗軋機


、熱卷箱
、精軋機

、液壓活套
、層流冷卻
、卷取機、運輸機等設備的位置、壓力
、速度、張力等控製功能。這也是國內第一條成功應用在熱連軋生產線上的
、完全由國人獨立研發、集成和調試的采用西門子最先進的Simatic TDC控製器作為核心工藝控製器的計算機控製係統。圖1為正在生產中的精軋機組的照片。

圖1 正在生產中的精軋機組

二、  控製係統構成

在設計萊蕪鋼鐵公司1500熱連軋自動化控製係統時充分考慮到熱連軋生產工藝特點以及計算機控製係統硬件軟件發展趨勢，做到了先進、可靠、簡潔和實用。該控製係統分成以下三級：L2級過程控製級負責全線過程控製、過程日誌、過程監視
、各區域模型優化控製等任務；L1級基礎自動化級完成軋線順序控製
、邏輯控製和各個設備控製
；L0級傳動控製級完成交直流電動機的控製。係統結構如圖2所示。

圖2 計算機控製係統

L2級過程自動化級由3台高性能PC服務器擔任過程控製計算機，完成模型設定和計算以及自學習功能。L2的人機界麵（HMI）操作員站與L1級合在一起。過程控製計算機留有與L3級生產控製級的接口，同時在沒有L3級的情況下L2級還要完成生產管理級的部分功能。L1級計算機控製係統由多套西門子TDC多CPU結構高性能控製器和S7-400 PLC控製器組成。控製係統中采用了工業以太網
、DP網和GDM網等多種網絡通訊係統。工業以太網采用交換機技術，通訊速率達到100M
，且qie可ke以yi實shi現xian全quan雙shuang工gong通tong訊xun。由you於yu充chong分fen考kao慮lv了le熱re連lian軋zha生sheng產chan中zhong信xin息xi流liu和he數shu據ju流liu的de特te點dian
，以yi太tai網wang網wang絡luo拓tuo撲pu結jie構gou采cai用yong分fen段duan和he分fen層ceng設she計ji

，以yi實shi現xian數shu據ju和he信xin息xi的de快kuai慢man分fen離li、區域分流，有效減少了數據的擁堵。Profibus-DP網是一種應用最為廣泛的現場總線網絡係統
，它使用雙絞屏蔽電纜

，通訊速率最高可達12M，還可通過中繼器大大擴展通訊距離和連接的工作站點數。本係統中大量采用了Profibus-DP現場總線以連接操作台、遠程I/O、主、輔傳動控製器等子係統
，大大減少硬線數量，有效提高了係統的簡潔性。

全局數據內存GDM網是一種超高速通訊網絡，它主要應用於西門子的SIMATIC TDC控製器係統中，具有下述特點：采用星型拓撲結構；通訊速率可達640Mbps；具有2M字節共享中央內存
；分站點與中央站點間通過光纖建立連接
，最遠距離為200米
；一個GDM網絡最多可以支持44個站點，可以實現最多達836個CPU模板之間的數據通訊
；具備故障狀態監測功能。可以看出完全能夠滿足熱連軋係統對“高速通訊”的要求。精軋區和卷取區域內的TDC控製器全部接入超高速光纖內存網
，用於傳遞對控製任務實時性要求很高的控製數據。

另外
，軋線上各個操作室內設置多台HMI人機界麵站
，用於操作員監控生產過程。HMI係統使用WINCC v6.0開發，采用客戶機-服務器模式
，通過以太網與L2級計算機和L1級控製器進行通訊。

三、  控製係統功能和特點

本軋線L2過程控製級的核心內容在於各種軋鋼數學模型包括：粗軋模型、精軋模型
、板形模型
、CTC模型和自學習模型等。主要功能包括：板坯初始數據及軋製計劃管理、加熱爐數據跟蹤
、軋製節奏計算、設定計算


、模擬軋鋼和軋輥數據及生產數據管理和曆史數據管理，還可以生成班報、日報、工程記錄和生產報告(包含質量分類報告) 等各種類型的報表。

中間件（Middle Ware）是過程控製係統的核心支撐軟件，是L2jiyingyongruanjiandekaifapingtaiheyunxinghuanjing。qizhuyaozuoyongshipingbiyingjianpingtaihecaozuoxitongdechayixingyijidicengcaozuoxitongdefuzaxing，shiyingyongchengxukaifarenyuanmianduiyigejiandanertongyidekaifahuanjing，jiangdiguochengzidonghuayingyongruanjiankaifaheweihudefuzaxing。zhuyaogongnengmokuaibaokuo：實時數據文件管理(RDFM)、進程間通訊管理(IPC)、外部通訊管理(HubWare)
、日誌報警管理(Logger)、數據庫連接管理(DBLinker)、HMI變量管理(TagCenter)和進程管理(TaskWatch)等，具體係統構架如圖3所示：

圖3 中間件係統的架構

L1基礎自動化級主要功能包括：微張力控製
、可逆軋製控製、熱卷箱控製
、飛剪控製、精軋速度控製、液壓活套高度及張力控製、液壓HAPC控製、精軋液壓HAGC控製
、板型控製ASC、終軋溫度控製、卷取溫度控製（CTC）、卷取速度張力控製、液壓助卷輥自動踏步控製（AJC）等(deng)。眾(zhong)所(suo)周(zhou)知(zhi)，熱(re)連(lian)軋(zha)係(xi)統(tong)的(de)複(fu)雜(za)性(xing)和(he)高(gao)速(su)性(xing)主(zhu)要(yao)體(ti)現(xian)在(zai)精(jing)軋(zha)區(qu)和(he)卷(juan)取(qu)區(qu)的(de)控(kong)製(zhi)上(shang)。僅(jin)精(jing)軋(zha)區(qu)六(liu)個(ge)機(ji)架(jia)就(jiu)集(ji)中(zhong)了(le)六(liu)十(shi)多(duo)個(ge)高(gao)速(su)閉(bi)環(huan)控(kong)製(zhi)回(hui)路(lu)，而(er)且(qie)還(hai)有(you)大(da)量(liang)的(de)解(jie)耦(ou)計(ji)算(suan)
，同(tong)時(shi)還(hai)要(yao)實(shi)現(xian)前(qian)饋(kui)、反饋和各種補償控製算法。這都需要功能強大的處理器的支持。而西門子TDC控製器正好可以滿足這種需求。

TDC的CPU采用64位RISC技術設計，可嚴格保證100微秒的最短采樣周期，運算功能極其強大，其PI調節器的計算時間大約為1～3微秒，可以滿足熱連軋“高速控製”的要求。同時TDC的CPU具有5個循環時鍾周期，可以根據控製任務性質的不同將它們分配在不同的循環周期內。對於快速回路如HAPC、HAJC等控製功能放在T1周期內，對於HAGC等控製策略和各種補償及解耦計算可以放在T2和T3周期內
，而對通訊接口的處理可以放在T4周期內。如此一來不僅保證了對精軋液壓壓下
、卷取機助卷輥液壓缸部件2～4ms的快速閉環控製，還有效的減輕了CPU的負荷率。分布式TDC控製係統站點間通過GDM交換數據
，與區域其它控製器和畫麵係統使用快速以太網通訊，與遠程I/O和傳動通過DP網通訊。編程人員通過MPI網或DUST1協議對分布式係統中各個TDC的程序進行調試和維護。這樣的設計取得了很好的控製效果。圖4為現場實測控製效果曲線，可以看出3mm的帶鋼厚度偏差在30μm內的達到96.53％。

圖4 實測曲線

四
、  結束語

萊鋼1500熱連軋控製係統自2005年6月yue底di試shi軋zha成cheng功gong，用yong不bu到dao一yi個ge月yue的de時shi間jian實shi現xian了le日ri達da產chan，三san個ge月yue後hou實shi現xian了le月yue達da產chan。至zhi今jin一yi年nian多duo的de正zheng常chang生sheng產chan表biao明ming，該gai套tao自zi主zhu設she計ji和he集ji成cheng的de控kong製zhi係xi統tong能neng滿man足zu熱re連lian軋zha生sheng產chan的de各ge項xiang要yao求qiu
，達da到dao國guo內nei外wai先xian進jin水shui平ping
，減jian少shao工gong程cheng投tou資zi。該gai項xiang目mu實shi現xian了le全quan自zi動dong軋zha鋼gang，加jia快kuai了le生sheng產chan節jie奏zou
，提ti高gao了le產chan品pin質zhi量liang和he產chan量liang
，降jiang低di了le職zhi工gong的de勞lao動dong強qiang度du。從cong2005年7月到2006年2月，生產合格鋼材100萬噸。創造利潤3個億以上。僅2006年3～6月生產68萬噸，創造利潤5.5個億。綜合成材率達到97.3％；係統的全自動運行率保持在98％以上
；HAGC投入率達95％以上；8mm以上厚度帶鋼AJC投入率達100％

；厚度控製精度在± 50μm以內達97.6％。此控製係統在萊鋼獲得成功應用後已被推廣應用到其它熱連軋項目中。