摘 要：連鑄過程控制系統作為鋼鐵企業實現企業信息化管理的重要組成部分，其集成了先進的工藝數學模型和控制技術，使鑄坯質量得到極大提高、生產管理更加方便，增強了企業競爭力，發展前景十分廣闊。 關鍵字：過程控制;工藝數學模型;鑄坯高質量 Abstract: continuous cast’s Process Control System is a important part of steel and iron enterprises accomplishing their information management. It integrates advanced technics mathematics model and advanced control technique,it makes cast slab’s quality improve greatly and production management more convenient and enhanced enterprises’ competition. It’s foreground is broad. Key word: process control; technics mathematics model;cast slab high quality 0 前言 　　隨著我國鋼鐵行業的快速發展，替代老式企業分散的、以人為主的管理模式，實現企業信息化統一管理模式已成為各鋼鐵企業的追求目標。目前，信息化的管理模式在一些大型企業已經有了實踐，并且充分顯示了其易于管理、資源共享、節省人力，物力、大大提高生產效率和生產質量的優點。連鑄過程控制系統作為實現鋼鐵企業信息化目標中的重要環節，其集成了先進的工藝和控制技術，使鑄坯質量得到極大提高、生產管理更加方便，增強了企業競爭力。 　　鋼鐵企業信息管理系統自上而下的層次結構一般可劃分為為：ERP資源管理系統;生產管理系統（L3級）、生產制造執行系統（MES）;過程控制系統（L2級）;基礎自動化（L1級）。連鑄過程控制系統正是基于連鑄生產線上建立的過程控制系統，連接著連鑄基礎自動化（L1級）系統和煉鋼生產管理（L3）系統，使生產信息化系統和生產基礎自動化系統實現了一體化。它是提高產品質量重要的不可替代的環節。 1 硬件、軟件組成結構 　　因為連鑄過程控制系統中需要保證生產信息數據存儲的安全性、模型計算需要保證計算高的并發性和實時性，同時要保證整個系統的易于操作性、易于管理性和系統穩定性。所以，硬件、軟件的合理選擇和結構的合理配置非常重要。 　　1.1硬件結構 　　硬件系統主要由1臺數據庫服務器SVR_DBS、1臺應用服務器VR_APP、2臺客戶機CLIENT1,CLIENT2、1臺3COM交換機、1臺刻錄機、1臺網絡打印機、若干網絡連接設備（網卡、網線）組成。 　　數據庫服務器選用HP Proliant DL360 G5機架式標準配置服務器，選用冗余磁盤陣列卡ET200（配陣列為Raid5）配合4塊大容量的熱插拔SCIS硬盤可實現當任一硬盤出現故障時通過熱插拔方式用新硬盤替換壞硬盤并自動恢復數據從而保證了系統的安全性。配置的刻錄機可以定期刻錄歷史數據進行歸檔。 　　應用服務器選用HP Proliant DL360 G5機架式標準配置服務器，其Xeon級的雙核CPU處理能力和大容量的一、二級緩存及內存保證了模型計算的實時性和多并發處理能力。應用服務器采用雙網卡，一個連接基礎自動化系統，另一個連接到L2級3COM交換機，是L1、L2級網絡的隔離和接口點。 　　客戶機選用HP DC7700 商用計算機，客戶機一臺位于主控室，供工藝人員和操作工監控生產過程狀態和模型計算結果并向操作工提出合理的生產建議（如建議穩定拉速等）;另一臺客戶機位于切割室，主要根據采集的生產過程數據通過切割優化模型計算出最佳切割定尺提供給操作工參考。 　　網絡打印機選用HP 1020n ，用來打印生產報表。 　　數據庫服務器、應用服務器、客戶機、網絡打印機通過網絡連接設備連接到3COM交換機組成了100M以太網。 　　硬件結構簡圖如下： 　　1.2 軟件結構 　　軟件結構采用服務器/客戶機結構，整個系統以數據庫為中心，應用服務器中的通訊軟件從基礎自動化系統采集現場實時數據并保存到數據庫服務器的ORACLE數據庫中，計算模型從數據庫提取數據經過計算后將結果放回數據庫中供客戶機監控顯示或由通訊程序下載到基礎自動化系統指導生產。 　　數據庫服務器裝有WINDOWS2003 SERVER操作系統，應用軟件為ORACLE10g數據庫軟件，用于對所有實時數據和歷史數據的存儲、維護管理。 　　應用服務器裝有WINDOWS2003 SERVER操作系統，應用軟件為VISUAL STUDIO 2005, 通訊軟件為siemens industrial ethernet softnet-s7 for windows（支持OPC），工藝計算數學模型以服務的形式在后臺運行。 　　客戶機裝有WINDOWS XP操作系統，應用程序軟件為CCM_PCS，客戶機主要顯示生產計劃、生產信息、工藝信息、設備管理以及模型運算結果;需要人工輸入和干預的界面以及對各子系統的管理。 　　軟件邏輯結構簡圖如下： 2、功能描述 　　連鑄二級過程控制系統主要完成以下功能：冶金數據庫的維護和管理、連鑄生產過程信息的維護、管理;主要設備使用、維護的信息管理;現場過程數據的采集、存儲、顯示、分析和重要操作的日志記錄;對生產過程的跟蹤;工藝數學模型的運行、監控;對工藝人員的指導;操作維護人員的權限管理;生產報表的產生。。 　　2. 1冶金數據庫的維護和管理 　　冶金數據庫是連鑄過程控制系統的信息數據倉庫。所有的采集生產過程的實時數據、歷史數據、模型計算結果、生產計劃信息、鋼種信息等都存儲在其中。數據庫定期自動備份一次，維護人員可定期將備份文件刻錄到光盤中進行歸檔。維護管理人員也可通過客戶機的人機交互界面對數據庫進行操作，完成對數據庫的維護和管理。 　　2.2 連鑄生產管理 　　連鑄生產管理包括連鑄生產計劃、鋼種管理維護、冶煉節奏、物料跟蹤。 　　2. 2.1 連鑄生產計劃 　　根據生產工藝要求，生產計劃要在大包到達回轉臺之前下達，如果大包到達回轉臺后就不能再做修改。 　　生產計劃數據處理系統具有下述功能： 　　1） 接收并保存從生產制造執行系統收到的計劃數據（包括澆次計劃、爐次計劃、切割計劃）或通過客戶機的人機交互界面手動輸入計劃。 　　2） 可以對計劃通過客戶機的人機交互界面進行維護管理（包括查看、添加、修改、刪除）。 　　3） 根據計劃產生指導生產的鑄造命令 。 　　2. 2.2 鋼種管理維護 　　1）從上一級接收或手動輸入各種鋼種的成份標準（最大值、目標值、最小值），一般分為國標和廠標（內控標準）保存到冶金數據庫中。 　　2）從上一級接收或手動輸入化驗室檢測出的鋼水實際成份并保存到冶金數據庫中。 　　3）可以對各種鋼種標準和鋼水采樣成份通過客戶機的人機交互界面進行維護管理（包括查看、添加、修改、刪除） 　　2. 2.3 冶煉節奏 　　為了保證連續澆鑄，煉鋼過程與鑄機過程應保持爐機節奏匹配。 　　冶煉節奏提供下列信息支持匹配過程： 　　1） 預計現有大包澆完鋼水的時間。 　　2） 上一工位（精煉）鋼包出鋼時間的顯示（由上一工位傳入）。 　　3） 根據當前的澆鑄鋼種、中包重量、溫度和大包剩余鋼水的重量和上一工位鋼包出鋼時間計算出建議穩定拉速和建議最大拉速以匹配冶煉節奏。該信息周期性刷新并顯示在HMI上。 　　2. 2.4 物料跟蹤 　　過程計算機系統將對各包鋼水從到達回轉臺開始跟蹤，直至切割成定尺鑄坯，計算機將記錄各包鋼水在連鑄過程中不同位置時狀態的歷史信息。物料跟蹤主要包括爐次跟蹤、鑄流跟蹤、出坯區板坯跟蹤。 　　2. 2.4.1爐次跟蹤 　　爐次跟蹤主要包括每一包鋼水信息（澆次、爐次、成份、鋼種等）;鋼水從到達回轉臺到離開回轉臺的信息采集（到達、離開的時間、重量、溫度等）;每爐鋼水所生成的板坯信息（板坯數目、規格等）。這些數據都保存到數據庫中，將用于操作員查詢、分析和報表生成。 　　2. 2.4.2 鑄流跟蹤 　　鑄流跟蹤從中包、結晶器、鑄流本體到板坯切割整個過程中的生產信息：自動統計介質澆次使用量（如水、氣、煤氣等）并存入數據庫，自動進行爐次接縫跟蹤和異常事件響應，系統將整個區域的鑄坯分成許多邏輯‘分段’，將每個事件與每個分段的具體位置聯系在一起，跟蹤每個分段的過程信息和事件，將收集到的每分段鑄坯的歷史信息，作為鑄坯質量判定的依據。 　　2. 2.4.3 板坯跟蹤 　　跟蹤輸出區（從切割機到板坯離開輸出輥道時）的板坯位置, 收集每塊板坯經過的處理信息（包括噴號、去毛刺、稱重等）;同時也收集上線板坯的信息（將由此送往下一工序的板坯） 　　2. 2.5 生產信息查詢、管理。 　　對于實時采集的主要的現場數據在人機界面上實時顯示（當前爐次、鋼種、規格、冷卻水量等），對于保存的生產信息（澆次信息、爐次信息、板坯信息等）可以進行查詢，添加、修改、刪除操作。將重要的數據和操作信息保存到數據庫形成歷史數據和日志文件，并可以生成歷史曲線或導出到分析軟件中進行分析，給工藝人員提供查找故障，分析工藝的依據和手段。 　　2.3. 主要設備信息管理 　　將大包、中包、結晶器、扇形段的使用維護信息（壽命、每次維修的具體信息、廠家、材料等）存入數據庫并可對其信息進行查詢、編輯和維護。。 　　2.4 工藝控制數學模型 　　2.4.1 二次冷卻水控制數學模型 　　過程計算機根據不同的鋼種，斷面尺寸和其他工藝參數，根據熱傳導理論和經驗公式推導出二次冷卻水數學控制模型。過程計算機根據采集到的實際拉坯速度計算出各二次冷卻區冷卻水流量，但這樣計算出的冷卻水量與拉速的函數關系是離散的，這必然給水量控制帶來大量復雜的計算工作;由于水量控制的不連續性，必然影響鑄坯的表面質量，所以采用最小二乘法進行擬合的方法，使冷卻水量與拉速之間形成二次方程函數關系。二次方程式可表示為： 　　Qi = Ai＊Vg↑2 + Bi＊Vg + Ci 　　Qi: （ l / min ） 對應二冷某一段的水量設定值 　　Vg: （ m / min ） 拉坯速度 　　Ai、 Bi 、Ci : 對應于該段的水量系數 　　根據采集到的實際拉坯速度和二次方程式計算出的水量，還要根據采集到的實際中間包溫度、二冷水溫度等因素進行動態補償和修正再下載到基礎自動化。 　　2.4.2 最佳切割計算模型 　　最佳切割優化模型包括最佳尾坯切割和換中包連澆時最佳長度切割，最佳切割優化模型的目的是為最大可能的減少鋼坯量的損失，使廢坯達到最少。， 　　控制方法：鑄坯的正常切割長度是由工藝決定并由過程計算機下達給火焰切割機的PLC并由其執行。當處于澆注末期時，過程計算機可根據此時鑄流中的鑄坯長度即時給出流的關斷提示。當中包鋼水澆鑄完畢關閉塞棒或異鋼種連澆時，過程計算機可根據此時鑄流中的鑄坯剩余長度、目標定尺長度、最大定尺長度、最小定尺長度即時的計算出切割時的最佳切割尺寸組合，以保證鑄坯的最大的利用，盡可能地提高鋼水的收得率。 　　2.4.3 質量判定數學模型 　　質量判定模型根據鑄流跟蹤中各分段所記錄的異常生產信息以及異常信息對板坯的影響程度對板坯質量進行分析、判定，評估出板坯的質量等級。 　　控制方法：首先根據在澆鑄過程中可能出現的各種事件對鑄坯組織性能造成的影響的程度將各個事件定量的劃為一個質量等級數。在鑄坯形成的過程中，計算機將鑄坯劃分成若干一定長度的“段”，結合鑄流跟蹤模型并對段進行跟蹤，在每一段經過實時過程參數監控點時可以將參數與臨界值不斷地進行比較并將異常事件參量作為鑄坯質量的評估參數貯存起來。每段中可記錄四個最嚴重事件，但用于判定的只取其優先級別最高的等級數。當板坯切割完成后，將板坯對應的段中的質量信息（等級數）提取出來，根據各段中有害事件的等級和在所有段中所占比例大小來確定該鑄坯質量的優劣和綜合質量等級并進行打印記錄，最終判定為廢坯、保留坯（需進一步評估或處理）、良坯。 　　影響鑄坯質量的因素很多，例如：鋼水成份超標、中包過熱度超標、水口破損、冷卻水閥門故障引起冷卻異常、振動系統異常等。 　　2.4.4 拉速優化模型 　　過程控制系統根據當前鋼種成份（主要是碳含量）、寬度、厚度、中間包鋼水溫度、鋼水剩余量、下包預計到達時間和結晶器冷卻、二次冷卻等信息自動計算出合適的當前建議穩定拉速和建議最大拉速并顯示給操作工，以調整生產節奏或防止漏鋼或適當加大速度提高生產效率。 　　2.4.5 液壓振動模型 　　過程控制系統根據當前澆鑄的鋼種選擇適合的振動模式和工藝參數，主要分為正弦（振頻、振幅）和非正弦（振頻、振幅和偏斜角）兩種形式，振頻和振幅可以預先設定，也可以隨拉速變化，或者由目標速度負滑動率、速度、振幅來決定振動頻率。一般振動振幅小于6mm,振動頻率不超過380次/分，振動起步頻率大于60次/分可以保證系統的穩定并避免對振動機械設備的磨損。同時，模型自動計算出振動的工藝參數：振動正滑動時間、負滑動時間、負滑動速度比、負滑動率供操作人員和工藝人員實時監控工藝效果，即時調整參數以達到最好的脫模和減少振痕的目的。 　　2.3.6 動態輕壓下模型 　　過程控制系統根據澆鑄過程中的鋼種、板坯厚度寬度、結晶器水水量、二冷水水量、氣量以及拉速、中間包鋼水溫度、生產環境參數等利用熱傳導理論推導計算出鑄坯在各輥子坐標處的坯殼厚度和坯殼表面溫度，從而找出板坯液芯凝固末端。根據不同鋼種收縮率不同，再經過動態輕壓下模型計算出在坯子凝固末端前某一范圍內的輥縫壓下量設定值并傳給遠程調輥縫系統執行，一般輕壓下位置在鑄坯固相率60%～80%區間，單位輕壓下量不大于1.5mm/m。經過輕壓下可以明顯改善板坯凝固末端內部組織的偏析缺陷。 　　2.5 生產報表 　　報表系統根據保存在數據庫的歷史生產信息，按客戶要求通過人機交互界面系統生成、打印報表。主要生產報表為以下4種： 　　1）澆次報表：匯總一個澆次中爐次數量、鋼水用量、板坯信息、介質消耗量 　　等，為工廠的成本核算及產量核算提供依據。 　　2）爐次報表：一爐鋼水澆鑄過程收集的數據：爐次鋼水重量、生產時間、鋼種成份、板坯情況等。 　　3）班次報表：某個班次生產情況匯總，為班組產量考核提供依據 　　4）日生產報表：指定日期一天的生產情況匯總。 　　2.6. 通訊接口 　　過程計算機和外部計算機系統通過Ethernet 網連接，和基礎自動化系統通過工業以太網連接，同時提供標準的軟件支持和通訊應用程序軟件。 　　過程計算機具備和下列計算機系統通訊功能： 　　1） 三級計算機 　　2） 轉爐二級計算機 　　3） 精煉二級計算機 　　4） 軋鋼區二級計算機 3、結束語 　　當前，我國國家信息部已提出了建設信息化企業的戰略目標，建立信息化企業已成為鋼鐵企業發展必然趨勢。連鑄過程控制系統正式作為實現鋼鐵企業信息化目標中的重要環節，其采用先進的工藝模型和控制技術，使鑄坯質量得到極大提高、生產管理更加方便，增強了企業競爭力，其發展前景十分廣闊。