Abstract：This paper introduces the structure of the computer control system of Laiwu Iron and Steel Co. ‘s 1500mm hot strip mill. It is the first time use Simatic TDC in hot strip mill plant developed by NERCAR China.
Key Words：Hot strip mill，Computer Control System, Process Control, Basic Automation Control, Simatic TDC
一、 前言
帶鋼熱連軋計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)無(wú)論是系統(tǒng)規(guī)模，還是控制復(fù)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(dòng)，對(duì)于液壓控制系統(tǒng)，其控制周期要求在2～3ms以內(nèi)。另外多個(gè)控制功能集中于一個(gè)機(jī)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(qiáng)，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(jì)系統(tǒng)時(shí)必須很好的解決兩個(gè)“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(gè)“高速”要求，長(zhǎng)期以來(lái)世界上僅有幾家大型電氣公司，如德國(guó)的西門子公司，日本東芝、三菱，美國(guó)GE公司等，具有成套提供適用于熱連軋這一類快速過(guò)程控制系統(tǒng)的能力。而國(guó)外公司往往對(duì)這類計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件，尤其是應(yīng)用軟件，控制比較嚴(yán)格，給國(guó)內(nèi)用戶生產(chǎn)運(yùn)行和維護(hù)帶來(lái)很多“麻煩”。
萊蕪鋼鐵公司于2005年7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(jìn)式加熱爐，一架四輥萬(wàn)能粗軋機(jī)，無(wú)芯卷取熱卷箱，6架長(zhǎng)行程液壓壓下精軋機(jī)，層流冷卻，2臺(tái)地下卷取機(jī)。年產(chǎn)量200萬(wàn)噸優(yōu)質(zhì)鋼卷，厚度規(guī)格1.2mm～20mm。
這條生產(chǎn)線是由國(guó)內(nèi)自主設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和開發(fā)的寬帶鋼生產(chǎn)線，北京科技大學(xué)高效軋制國(guó)家工程研究中心為三電系統(tǒng)技術(shù)總負(fù)責(zé)單位，并承擔(dān)了L1級(jí)和L2級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)編程和調(diào)試工作。L1級(jí)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)使用了多套S7-400PLC和Simatic TDC控制器，完成爐區(qū)、粗軋機(jī)、熱卷箱、精軋機(jī)、液壓活套、層流冷卻、卷取機(jī)、運(yùn)輸機(jī)等設(shè)備的位置、壓力、速度、張力等控制功能。這也是國(guó)內(nèi)第一條成功應(yīng)用在熱連軋生產(chǎn)線上的、完全由國(guó)人獨(dú)立研發(fā)、集成和調(diào)試的采用西門子最先進(jìn)的Simatic TDC控制器作為核心工藝控制器的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。圖1為正在生產(chǎn)中的精軋機(jī)組的照片。
圖1 正在生產(chǎn)中的精軋機(jī)組
二、 控制系統(tǒng)構(gòu)成
在設(shè)計(jì)萊蕪鋼鐵公司1500熱連軋自動(dòng)化控制系統(tǒng)時(shí)充分考慮到熱連軋生產(chǎn)工藝特點(diǎn)以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件軟件發(fā)展趨勢(shì)，做到了先進(jìn)、可靠、簡(jiǎn)潔和實(shí)用。該控制系統(tǒng)分成以下三級(jí)：L2級(jí)過(guò)程控制級(jí)負(fù)責(zé)全線過(guò)程控制、過(guò)程日志、過(guò)程監(jiān)視、各區(qū)域模型優(yōu)化控制等任務(wù)；L1級(jí)基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)完成軋線順序控制、邏輯控制和各個(gè)設(shè)備控制；L0級(jí)傳動(dòng)控制級(jí)完成交直流電動(dòng)機(jī)的控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)
L2級(jí)過(guò)程自動(dòng)化級(jí)由3臺(tái)高性能PC服務(wù)器擔(dān)任過(guò)程控制計(jì)算機(jī)，完成模型設(shè)定和計(jì)算以及自學(xué)習(xí)功能。L2的人機(jī)界面（HMI）操作員站與L1級(jí)合在一起。過(guò)程控制計(jì)算機(jī)留有與L3級(jí)生產(chǎn)控制級(jí)的接口，同時(shí)在沒(méi)有L3級(jí)的情況下L2級(jí)還要完成生產(chǎn)管理級(jí)的部分功能。L1級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由多套西門子TDC多CPU結(jié)構(gòu)高性能控制器和S7-400 PLC控制器組成?？刂葡到y(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(luò)通訊系統(tǒng)。工業(yè)以太網(wǎng)采用交換機(jī)技術(shù)，通訊速率達(dá)到100M，且可以實(shí)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(diǎn)，以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用分段和分層設(shè)計(jì)，以實(shí)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(yīng)用最為廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它使用雙絞屏蔽電纜，通訊速率最高可達(dá)12M，還可通過(guò)中繼器大大擴(kuò)展通訊距離和連接的工作站點(diǎn)數(shù)。本系統(tǒng)中大量采用了Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線以連接操作臺(tái)、遠(yuǎn)程I/O、主、輔傳動(dòng)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(jiǎn)潔性。
全局?jǐn)?shù)據(jù)內(nèi)存GDM網(wǎng)是一種超高速通訊網(wǎng)絡(luò)，它主要應(yīng)用于西門子的SIMATIC TDC控制器系統(tǒng)中，具有下述特點(diǎn)：采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；通訊速率可達(dá)640Mbps；具有2M字節(jié)共享中央內(nèi)存；分站點(diǎn)與中央站點(diǎn)間通過(guò)光纖建立連接，最遠(yuǎn)距離為200米；一個(gè)GDM網(wǎng)絡(luò)最多可以支持44個(gè)站點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)最多達(dá)836個(gè)CPU模板之間的數(shù)據(jù)通訊；具備故障狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能?？梢钥闯鐾耆軌驖M足熱連軋系統(tǒng)對(duì)“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(duì)控制任務(wù)實(shí)時(shí)性要求很高的控制數(shù)據(jù)。
另外，軋線上各個(gè)操作室內(nèi)設(shè)置多臺(tái)HMI人機(jī)界面站，用于操作員監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程。HMI系統(tǒng)使用WINCC v6.0開發(fā)，采用客戶機(jī)-服務(wù)器模式，通過(guò)以太網(wǎng)與L2級(jí)計(jì)算機(jī)和L1級(jí)控制器進(jìn)行通訊。
三、 控制系統(tǒng)功能和特點(diǎn)
本軋線L2過(guò)程控制級(jí)的核心內(nèi)容在于各種軋鋼數(shù)學(xué)模型包括：粗軋模型、精軋模型、板形模型、CTC模型和自學(xué)習(xí)模型等。主要功能包括：板坯初始數(shù)據(jù)及軋制計(jì)劃管理、加熱爐數(shù)據(jù)跟蹤、軋制節(jié)奏計(jì)算、設(shè)定計(jì)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(bào)、日?qǐng)?bào)、工程記錄和生產(chǎn)報(bào)告(包含質(zhì)量分類報(bào)告) 等各種類型的報(bào)表。
中間件（Middle Ware）是過(guò)程控制系統(tǒng)的核心支撐軟件，是L2級(jí)應(yīng)用軟件的開發(fā)平臺(tái)和運(yùn)行環(huán)境。其主要作用是屏蔽硬件平臺(tái)和操作系統(tǒng)的差異性以及底層操作系統(tǒng)的復(fù)雜性，使應(yīng)用程序開發(fā)人員面對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單而統(tǒng)一的開發(fā)環(huán)境，降低過(guò)程自動(dòng)化應(yīng)用軟件開發(fā)和維護(hù)的復(fù)雜性。主要功能模塊包括：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)文件管理(RDFM)、進(jìn)程間通訊管理(IPC)、外部通訊管理(HubWare)、日志報(bào)警管理(Logger)、數(shù)據(jù)庫(kù)連接管理(DBLinker)、HMI變量管理(TagCenter)和進(jìn)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)
L1基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)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?zhàn)詣?dòng)踏步控制（AJC）等。眾所周知，熱連軋系統(tǒng)的復(fù)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(gè)機(jī)架就集中了六十多個(gè)高速閉環(huán)控制回路，而且還有大量的解耦計(jì)算，同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)前饋、反饋和各種補(bǔ)償控制算法。這都需要功能強(qiáng)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。
TDC的CPU采用64位RISC技術(shù)設(shè)計(jì)，可嚴(yán)格保證100微秒的最短采樣周期，運(yùn)算功能極其強(qiáng)大，其PI調(diào)節(jié)器的計(jì)算時(shí)間大約為1～3微秒，可以滿足熱連軋“高速控制”的要求。同時(shí)TDC的CPU具有5個(gè)循環(huán)時(shí)鐘周期，可以根據(jù)控制任務(wù)性質(zhì)的不同將它們分配在不同的循環(huán)周期內(nèi)。對(duì)于快速回路如HAPC、HAJC等控制功能放在T1周期內(nèi)，對(duì)于HAGC等控制策略和各種補(bǔ)償及解耦計(jì)算可以放在T2和T3周期內(nèi)，而對(duì)通訊接口的處理可以放在T4周期內(nèi)。如此一來(lái)不僅保證了對(duì)精軋液壓壓下、卷取機(jī)助卷輥液壓缸部件2～4ms的快速閉環(huán)控制，還有效的減輕了CPU的負(fù)荷率。分布式TDC控制系統(tǒng)站點(diǎn)間通過(guò)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(yuǎn)程I/O和傳動(dòng)通過(guò)DP網(wǎng)通訊。編程人員通過(guò)MPI網(wǎng)或DUST1協(xié)議對(duì)分布式系統(tǒng)中各個(gè)TDC的程序進(jìn)行調(diào)試和維護(hù)。這樣的設(shè)計(jì)取得了很好的控制效果。圖4為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)控制效果曲線，可以看出3mm的帶鋼厚度偏差在30μm內(nèi)的達(dá)到96.53％。
圖4 實(shí)測(cè)曲線
