《電子技術(shù)應用》
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自主研發(fā)的基于TDC的控制系統(tǒng)在熱連軋工程中的應用
郭強 王京
摘要: 介紹了萊蕪鋼鐵公司1500mm熱連軋生產(chǎn)線自動化控制系統(tǒng)的構(gòu)成和實際運行效果,。這是國內(nèi)首次成功的將TDC控制器應用在熱連軋控制系統(tǒng)中,,并取得了很好的控制效果,。
Abstract:
Key words :

一,、  前言

 

帶鋼熱連軋計算機控制系統(tǒng)無論是系統(tǒng)規(guī)模,還是控制復雜性,,都在冶金控制領(lǐng)域中名列前茅,。由于軋線設(shè)備大多使用液壓傳動,對于液壓控制系統(tǒng),,其控制周期要求在23ms以內(nèi),。另外多個控制功能集中于一個機組上,如精軋輥縫控制(AGC),、板型控制(ASC),、液壓活套控制(LPC)等,從而造成控制功能間耦合極強,,各控制功能間要求數(shù)據(jù)交換的周期在1 ms以內(nèi),。因此在設(shè)計系統(tǒng)時必須很好的解決兩個“高速”的要求,即“高速控制”和“高速通訊”,。

由于“高速控制”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公司等,,具有成套提供適用于熱連軋這一類快速過程控制系統(tǒng)的能力,。而國外公司往往對這類計算機控制系統(tǒng)的硬件,尤其是應用軟件,,控制比較嚴格,,給國內(nèi)用戶生產(chǎn)運行和維護帶來很多“麻煩”。

萊蕪鋼鐵公司于20057月投產(chǎn)的1500mm熱連軋生產(chǎn)線是一條傳統(tǒng)的半連軋生產(chǎn)線,,設(shè)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臺地下卷取機,。年產(chǎn)量200萬噸優(yōu)質(zhì)鋼卷,,厚度規(guī)格1.2mm20mm

這條生產(chǎn)線是由國內(nèi)自主設(shè)計,、生產(chǎn)和開發(fā)的寬帶鋼生產(chǎn)線,,北京科技大學高效軋制國家工程研究中心為三電系統(tǒng)技術(shù)總負責單位,并承擔了L1級和L2級控制系統(tǒng)的設(shè)計編程和調(diào)試工作,。L1級基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)使用了多套S7-400PLCSimatic TDC控制器,,完成爐區(qū)、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(shè)備的位置,、壓力,、速度、張力等控制功能,。這也是國內(nèi)第一條成功應用在熱連軋生產(chǎn)線上的,、完全由國人獨立研發(fā)、集成和調(diào)試的采用西門子最先進的Simatic TDC控制器作為核心工藝控制器的計算機控制系統(tǒng),。圖1為正在生產(chǎn)中的精軋機組的照片,。

 

圖1 正在生產(chǎn)中的精軋機組  

1 正在生產(chǎn)中的精軋機組

 

二、  控制系統(tǒng)構(gòu)成

 

在設(shè)計萊蕪鋼鐵公司1500熱連軋自動化控制系統(tǒng)時充分考慮到熱連軋生產(chǎn)工藝特點以及計算機控制系統(tǒng)硬件軟件發(fā)展趨勢,,做到了先進,、可靠,、簡潔和實用。該控制系統(tǒng)分成以下三級:L2級過程控制級負責全線過程控制,、過程日志,、過程監(jiān)視、各區(qū)域模型優(yōu)化控制等任務,;L1級基礎(chǔ)自動化級完成軋線順序控制,、邏輯控制和各個設(shè)備控制;L0級傳動控制級完成交直流電動機的控制,。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示,。

圖2 計算機控制系統(tǒng)  

2 計算機控制系統(tǒng)

L2級過程自動化級由3臺高性能PC服務器擔任過程控制計算機,完成模型設(shè)定和計算以及自學習功能,。L2的人機界面(HMI)操作員站與L1級合在一起,。過程控制計算機留有與L3級生產(chǎn)控制級的接口,同時在沒有L3級的情況下L2級還要完成生產(chǎn)管理級的部分功能,。L1級計算機控制系統(tǒng)由多套西門子TDCCPU結(jié)構(gòu)高性能控制器和S7-400 PLC控制器組成,。控制系統(tǒng)中采用了工業(yè)以太網(wǎng),、DP網(wǎng)和GDM網(wǎng)等多種網(wǎng)絡通訊系統(tǒng),。工業(yè)以太網(wǎng)采用交換機技術(shù),通訊速率達到100M,,且可以實現(xiàn)全雙工通訊,。由于充分考慮了熱連軋生產(chǎn)中信息流和數(shù)據(jù)流的特點,以太網(wǎng)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)采用分段和分層設(shè)計,,以實現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息的快慢分離,、區(qū)域分流,有效減少了數(shù)據(jù)的擁堵,。Profibus-DP網(wǎng)是一種應用最為廣泛的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡系統(tǒng),,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(shù),。本系統(tǒng)中大量采用了Profibus-DP現(xiàn)場總線以連接操作臺、遠程I/O,、主,、輔傳動控制器等子系統(tǒng),大大減少硬線數(shù)量,,有效提高了系統(tǒng)的簡潔性,。

全局數(shù)據(jù)內(nèi)存GDM網(wǎng)是一種超高速通訊網(wǎng)絡,它主要應用于西門子的SIMATIC TDC控制器系統(tǒng)中,具有下述特點:采用星型拓撲結(jié)構(gòu),;通訊速率可達640Mbps,;具有2M字節(jié)共享中央內(nèi)存;分站點與中央站點間通過光纖建立連接,,最遠距離為200,;一個GDM網(wǎng)絡最多可以支持44個站點,可以實現(xiàn)最多達836CPU模板之間的數(shù)據(jù)通訊,;具備故障狀態(tài)監(jiān)測功能,??梢钥闯鐾耆軌驖M足熱連軋系統(tǒng)對“高速通訊”的要求,。精軋區(qū)和卷取區(qū)域內(nèi)的TDC控制器全部接入超高速光纖內(nèi)存網(wǎng),用于傳遞對控制任務實時性要求很高的控制數(shù)據(jù),。

另外,,軋線上各個操作室內(nèi)設(shè)置多臺HMI人機界面站,用于操作員監(jiān)控生產(chǎn)過程,。HMI系統(tǒng)使用WINCC v6.0開發(fā),,采用客戶機-服務器模式,通過以太網(wǎng)與L2級計算機和L1級控制器進行通訊,。

三,、  控制系統(tǒng)功能和特點

本軋線L2過程控制級的核心內(nèi)容在于各種軋鋼數(shù)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(shù)據(jù)及軋制計劃管理,、加熱爐數(shù)據(jù)跟蹤,、軋制節(jié)奏計算、設(shè)定計算,、模擬軋鋼和軋輥數(shù)據(jù)及生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理和歷史數(shù)據(jù)管理,,還可以生成班報、日報,、工程記錄和生產(chǎn)報告(包含質(zhì)量分類報告) 等各種類型的報表,。

中間件(Middle Ware)是過程控制系統(tǒng)的核心支撐軟件,是L2級應用軟件的開發(fā)平臺和運行環(huán)境,。其主要作用是屏蔽硬件平臺和操作系統(tǒng)的差異性以及底層操作系統(tǒng)的復雜性,,使應用程序開發(fā)人員面對一個簡單而統(tǒng)一的開發(fā)環(huán)境,降低過程自動化應用軟件開發(fā)和維護的復雜性,。主要功能模塊包括:實時數(shù)據(jù)文件管理(RDFM),、進程間通訊管理(IPC)、外部通訊管理(HubWare),、日志報警管理(Logger),、數(shù)據(jù)庫連接管理(DBLinker),、HMI變量管理(TagCenter)和進程管理(TaskWatch)等,具體系統(tǒng)構(gòu)架如圖3所示:

圖3 中間件系統(tǒng)的架構(gòu)  

3 中間件系統(tǒng)的架構(gòu)

L1基礎(chǔ)自動化級主要功能包括:微張力控制,、可逆軋制控制,、熱卷箱控制、飛剪控制,、精軋速度控制,、液壓活套高度及張力控制、液壓HAPC控制,、精軋液壓HAGC控制,、板型控制ASC、終軋溫度控制,、卷取溫度控制(CTC),、卷取速度張力控制、液壓助卷輥自動踏步控制(AJC)等,。眾所周知,,熱連軋系統(tǒng)的復雜性和高速性主要體現(xiàn)在精軋區(qū)和卷取區(qū)的控制上。僅精軋區(qū)六個機架就集中了六十多個高速閉環(huán)控制回路,,而且還有大量的解耦計算,,同時還要實現(xiàn)前饋、反饋和各種補償控制算法,。這都需要功能強大的處理器的支持,。而西門子TDC控制器正好可以滿足這種需求。

TDCCPU采用64RISC技術(shù)設(shè)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(diào)節(jié)器的計算時間大約為13微秒,,可以滿足熱連軋“高速控制”的要求,。同時TDCCPU具有5個循環(huán)時鐘周期,可以根據(jù)控制任務性質(zhì)的不同將它們分配在不同的循環(huán)周期內(nèi),。對于快速回路如HAPC,、HAJC等控制功能放在T1周期內(nèi),對于HAGC等控制策略和各種補償及解耦計算可以放在T2T3周期內(nèi),,而對通訊接口的處理可以放在T4周期內(nèi),。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24ms的快速閉環(huán)控制,,還有效的減輕了CPU的負荷率,。分布式TDC控制系統(tǒng)站點間通過GDM交換數(shù)據(jù),與區(qū)域其它控制器和畫面系統(tǒng)使用快速以太網(wǎng)通訊,與遠程I/O和傳動通過DP網(wǎng)通訊,。編程人員通過MPI網(wǎng)或DUST1協(xié)議對分布式系統(tǒng)中各個TDC的程序進行調(diào)試和維護,。這樣的設(shè)計取得了很好的控制效果。圖4為現(xiàn)場實測控制效果曲線,,可以看出3mm的帶鋼厚度偏差在30μm內(nèi)的達到96.53%,。

圖4 實測曲線  

4 實測曲線

 

 

四、  結(jié)束語

萊鋼1500熱連軋控制系統(tǒng)自20056月底試軋成功,,用不到一個月的時間實現(xiàn)了日達產(chǎn),,三個月后實現(xiàn)了月達產(chǎn)。至今一年多的正常生產(chǎn)表明,,該套自主設(shè)計和集成的控制系統(tǒng)能滿足熱連軋生產(chǎn)的各項要求,,達到國內(nèi)外先進水平,減少工程投資,。該項目實現(xiàn)了全自動軋鋼,,加快了生產(chǎn)節(jié)奏,,提高了產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量,,降低了職工的勞動強度。從20057月到20062月,,生產(chǎn)合格鋼材100萬噸,。創(chuàng)造利潤3個億以上。僅200636月生產(chǎn)68萬噸,,創(chuàng)造利潤5.5個億,。綜合成材率達到97.3%;系統(tǒng)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%;厚度控制精度在± 50μm以內(nèi)達97.6%,。此控制系統(tǒng)在萊鋼獲得成功應用后已被推廣應用到其它熱連軋項目中,。

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