1 引言 　　自1960年冶金工業的第一臺控制用計算機應用于帶鋼熱連軋精軋機組輥縫及速度設定以及70年代帶鋼軋制全線實現計算機控制以來，30多年中計算機控制已經歷了四、五代的變遷，控制系統的硬件和軟件更新速度越來越快。軋制生產過程的控制功能亦由于對帶鋼質量要求的不斷提高而日新月異，從厚度控制到溫度控制、寬度控制、板形控制以及機械性能的控制，從基礎自動化、過程自動化到三級生產控制，并逐步形成包括控制與信息管理的完整的多級系統。同時帶鋼冷連軋近幾年也得到長足的發展，冷軋帶鋼是帶材的主要成品工序，其所生產的冷軋薄板屬于高附加值鋼材品種，對其自動化的要求更高。 　　我國冶金行業大型板帶熱連軋機共有十幾套，大型冷連軋機近十套，其自動化水平在冶金行業來說是比較高的，尤其是寶鋼、武鋼和鞍鋼的冷、熱連軋機，可以說是居于國內領先水平，其計算機過程控制系統居國際先進水平。這些先進的軋制過程計算機控制系統不僅提高了軋機的產量，并且提高了產品的質量，獲得巨大的經濟效益和社會效益。 　　一個完整的過程控制自動化系統主要由以下幾個部分組成:自動化儀表、工藝及數學模型、執行機構、計算機系統等構成。冷、熱連軋重要的自動化儀表主要有測厚儀、板形儀、凸度儀、測速儀、壓力計、張力測量儀、液壓位置檢測儀等。主要的工藝和數學模型有軋制力模型、前滑模型、負荷最優分配模型、厚度模型、板形模型、張力模型等。先進的執行機構大量使用，大功率傳動系統普遍采用交-交、交-直-交變頻和直流傳動，小功率輔助系統（如輥道傳動）主要采用變頻調速，位置執行機構大量采用液壓伺服傳動。而計算機系統普遍采用大型分布式計算機控制系統。這樣，大量新工藝、新設備以及高端計算機控制系統的采用，使得帶鋼冷、熱連軋的生產質量和效率大大提高，為鋼鐵企業帶來巨大的經濟效益。 2 軋制過程計算機控制系統的主要功能 2.1 帶鋼熱連軋計算機控制系統的主要功能 　　帶鋼熱軋生產是目前應用計算機控制最為成熟的一個領域，其控制范圍包含了整個生產過程，從加熱爐入口、甚至從連鑄出口開始到成品庫，包括了軋制計劃，板坯庫管理，數學模型，設備控制和質量控制以及傳動（電氣及液壓傳動）數字控制等各個層次，是軋鋼自動化領域中最為龐大，最為復雜的控制系統。帶鋼熱連軋計算機系統基本上分為三級，其系統功能框圖如圖1所示 （1） 基礎自動化控制功能 　　基礎自動化面向機組，面向設備及設備的機構。隨著電氣傳動的數字化以及液壓傳動的廣泛應用，數字傳動已逐步與基礎自動化成為一個整體。 基礎自動化控制功能按性質可分為軋件跟蹤及運送控制;順序控制和邏輯控制;設備控制及質量控制。 （2） 過程自動化控制功能 　　過程自動化面向整個生產線，其中心任務是對生產線上各機組和各個設備進行設定計算，為此其核心功能為對粗軋、精軋機組負荷進行分配（包括最優化計算）及數學模型的預（報）估，為了實現此核心功能為對粗軋、精軋機組負荷進行分配（包括最優化計算），過程控制計算機必須設有板坯（數據）跟蹤、初始數據輸入、在線數據采集以及模型自學習等為設定模型服務及配套的功能。熱連軋過程自動化控制的主要功能是精軋機組的厚度設定模型和板形設定數學模型，設定值計算后，下送到基礎自動化，由設備控制功能執行。 （3） 生產控制級功能 　　生產控制級用于協調煉鋼、連鑄、熱連軋以及冷連軋間的生產計劃，并以熱連軋為中心與上游及下游交換數據。生產控制除生產計劃（軋制計劃）的編制外，還負責板坯庫、成品庫的管理，質量管理以及磨輥的管理等工作。 2.2 帶鋼冷連軋計算機控制系統功能 　　以計算機控制為基礎的綜合自動化系統是冷連軋生產控制的核心，其主要任務是保證冷軋產品的質量和產量。冷連軋自動控制系統的主要功能有:跟蹤;輥縫設定;速度設定; 張力設定;動態變規格;彎輥、串輥及冷卻水設定;速度控制;張力控制;厚度控制;板形控制;成品表面質量監控;軋機運行控制。帶鋼冷連軋計算機控制系統一般分為三級，即生產管理級、過程控制級和基礎自動化級。 （1） 生產管理級 　　生產管理控制計算機一般采用微型機，完成冷連軋機組生產計劃的編排，不同生產工序的協調和產品質量管理等功能。計算機要根據原料鋼卷和成品鋼卷確定出初始數據，這些數據是控制參數計算的初始信息。初始數據包括:鋼卷號、鋼種、原料厚度、寬度、卷重、長度、原料板形、成品厚度、成品板形、帶鋼特殊控制要求以及鋼卷的化學元素等。計算機還需提供軋輥信息，如工作輥、中間輥和支撐輥的長度、直徑、粗糙度、軋制長度、凸度和換輥次數等數據。計算機通過網絡將軋輥數據和初始數據傳送給二級計算機進行參數計算。此外，還將完成合同管理、質量管理、物流管理以及生產數據統計等功能。 （2） 過程控制級 　　過程控制計算機通常采用專用PC服務器或DEC公司的小型機構成，其最大優點是工作穩定性好，適于長時間的在線運行。一般情況下采用雙機系統，一臺在線工作，一臺熱備份。過程控制包括帶鋼跟蹤系統、數據收集與通訊、數學模型系統、控制畫面及操作、生產數據管理及工程記錄處理等功能。除過程計算機外，系統還包括工程師工作站及若干臺特殊功能站，分別完成程序的調試、數據離線分析等功能。 （3） 基礎自動化級 　　一級計算機的基礎自動化功能一般由多CPU的高性能控制器HPC和PLC來完成，這些HPC和PLC分別完成冷連軋入口段、酸洗段和軋機段等生產過程中若干個控制功能?；A自動化的功能主要包括:機組速度控制、焊點及故障點跟蹤、開卷機及張力輥控制、入口鋼卷順序控制、自動穿帶控制、卷取機自動帶尾停車、卸卷順序控制、自動厚度控制、液壓推上控制、軋輥調零控制、自動板形控制、軋機的模擬仿真、從開卷機到卷取機的帶鋼跟蹤、動態變規格控制、換輥及輔助設備順序控制、實測數據采集與處理等功能。 3 軋制過程計算機控制系統的設計原則 　　由于用戶對冷、熱軋板質量的要求越來越高，因此計算機控制系統已經是冷、熱連軋不可缺少的組成部分。隨著液壓控制系統系統的廣泛應用（液壓壓下、液壓彎輥、液壓竄輥機構）加上全部控制都將作用于軋輥-軋件形成的變形區。 3.1 冷、熱連軋控制系統需滿足的兩個要求: （1） 高速控制。連軋機組除了一些順序邏輯控制可以采用通用的可編程控制器（PLC）外，大部分功能要求實現高速控制，控制周期1-10ms，為此需大量采用HPC（高性能控制器），HPC為多CPU控制器。 （2） 高速通訊。由于多個控制功能（例如厚度控制、張力控制、板形控制）最終都作用到變形區，因此存在較強的功能間耦合，需要相互傳遞補償信息。數據更新時間往往要求為1-2ms。 　　這個“二高”的特點決定了連軋控制系統應是“快速”分布式計算機控制系統。能滿足這“二高”特點，同時能為冷、熱連軋機提供完整計算機控制系統硬件、系統軟件及數學模型與應用軟件的廠家在國際上并不太多，主要電氣公司有美國GE、德國SIEMENS、法國ALSTOM、日本日立和三菱等等。軋制過程計算機控制系統的設計除了要滿足上述兩點要求外，系統設計還必須遵循一定的原則。 3.2 系統設計遵循的原則 （1） 系統結構開放。計算機系統結構應以國際標準的VME及PCI總線作為基礎，從而實現系統開放，開放的系統結構有利于系統今后的擴充和升級。 （2） 采用多CPU結構高性能控制器。采用高檔CPU，保證最快控制周期可達1ms,適合于應用在分布式生產過程的快速系統中。更重要的是，硬件檔次緊跟當前最流行的CPU指標，硬件集成化程度高，百分之百的工業級芯片，適用于各種溫度環境和工業現場環境。在高速通訊網絡方面，與第三廠家的良好接口和高可靠性的過程I/O接口，使得用戶能方便配置各類快速系統。多CPU結構和實時多任務操作系統環境,非常適合于冷、熱連軋計算機控制系統這樣的實時多任務的工作方式。 （3） 系統盡可能采用遠程I/O。隨著現場總線應用的日益廣泛，系統與傳動（電氣及液壓）及各子系統一般通過現場總線連接，實現以通信電纜（光纜）代替I/O電纜，大量減少電纜數量及電纜鋪設工作量，使系統更加可靠。 （4） 人機界面采用OPS+OPU結構，即操作臺除了必須的緊急按鈕等操作器具外，主要由OPS （帶CRT顯示及專用觸摸式鍵盤的操作員站）及OPU（帶燈輔助功能鍵盤）組成。 （5） 具有良好的編程環境。全線各控制器的編程都符合國際IEC61131-3標準。IEC61131-3編程環境是經過PLCOpen認證，包括所有DCS/PLC典型編功能的系統，如:梯形圖、FBD和SFC編程、程序下裝、監視執行、信號強制等等。 （6） 系統具有高可靠性。正常連續生產是冷、熱連軋機的基本要求，也是提高產品質量和效率的根本保證。因此，軋制過程計算機控制系統要求具有很高的可靠性。一般要求整個系統的故障率小于0.2%，也就是說，如果系統的考核時間為720小時，系統允許出現故障及故障恢復時間總共不能超過1.44小時。 （7） 具有較強的系統診斷能力，一般提供系統診斷站，提高對系統可靠性和維護效率。 （8） 每個操作員站的數據點一般不超過1024點，但要求數據刷新要快，一般要求數據刷新小于500ms。 4 軋制過程計算機系統配置典型結構 　　為了滿足冷、熱連軋計算機控制系統對于高速控制和高速通訊的要求，國外大電氣公司都設計有針對性的大型分布式計算機控制系統。但從系統的拓樸結構上看基本上可歸納為兩類系統，即區域控制群結構和超高速網結構。 4.1 區域控制器群結構 　　屬于區域控制器群這一結構的有GE的INNOVATION系統和西門子的SIROLL系統（圖2），其特點是采用高速網將控制冷連軋機組的各控制器（PLC及HPC）連成一個控制器群以解決各HPC間的快速數據交換（1-2ms）。有些系統缺乏區內高速網，采用控制器間I/O連接來交換數據，從系統設計角度看這不是一種好的方案。 　　系統由L1（一級）基礎自動化級，L2（二級）過程自動化級及L3（三級）生產控制級構成。基礎自動化級內采用高速網后分為二層，上層為區域主管及用于質量控制的HPC（例如厚度控制，板形控制），下層則為主傳動數字控制器和機架控制器（SC）。機架控制器實際上即為本機架各液壓機構（液壓壓下，彎輥，串輥）的液壓傳動數字控制器（液壓APC）。因此可以說下層為傳動（電氣傳動及液壓傳動）的數字控制器。 　　 4.2 超高速網結構 　　屬于這一結構的有日立系統，三菱系統以及ALSTOM的ALSPA系統。 這一系統的特點是所有控制器都平鋪地連接在L1/L2間的超高速網上，利用超高速網的寬頻帶，各控制器間以及L1與L2間以五種速度交換數據。同一區域內控制器可以以1-2ms的周期交換數據;不同區域的控制器可以以50ms或100m周期交換數據;L1與L2間可以用50ms（跟蹤信息）、100ms（數據采表）及500ms（設定值下送）周期交換數據;L1與L2與人-機界面系統的服務器可以用500或1000ms周期交換數據。 　　日本公司在系統中往往設有單獨的PI/O站，其任務僅是數據采集并主要送往過程計算機，因而其軟件分工中保留了在過程機上完成部分“動作”性程序，西方公司則認為過程計算機不應帶任何I/O，其任務主要是設定計算以及為設定計算服務的功能，所有I/O信息將由基礎自動化各控制器通過通訊網上送。 　　在系統的開放性上看，日本公司步伐較慢，在系統中喜歡采用自己公司的硬件，例如過程計算機各公司用自己的小型機，甚至人-機界面站亦用自己的產品。更不用說基礎自動化的控制器，更是專用產品。而西方公司的系統比較開放，喜歡用市場上的標準產品，ALSTOM的ALSPA系統中過程機采用通用小型機ALPHA機，人-機界面采用普通PC，基礎自動化控制器全部基于VME總線，其ALSPA PLC實際上即為GE FANUC的90-70和90-30 PLC以及GE FANUC的各種遠程I/O，其HPC則采用多CPU VME總線控制器，而主網采用基于PCI，CPCI，VME等多種國際標準總線的光纖RTNet（亦稱為Reflective Memory Net）。 　　無論是“區域控制器群”還是“超高速網”結構，由于解決了1-2ms的超高速數據交換，都很好地滿足了冷、熱連軋過程的“二高”要求。 4.3 國內鞍鋼CNROLL系統 　　2001年鞍山鋼鐵集團公司和北京科技大學共同在鞍鋼1700mm半連軋翻新改造項目中，完成了自行設計的三級計算機控制系統，其寬度、厚度、板形等各項控制功能均達到較先進水平。近期又對系統進行了完善和提高，即將將該新系統應用到鞍鋼新建的濟鋼2150mm中薄板坯連鑄連軋工程連軋機自動化系統中，該系統屬于“超高速網”結構。其系統配置圖如圖4所示。 該系統具有以下特點 （1） 整個系統由三層網絡結構構成，即100MB/s以太網、2GB/s的內存映像主網和連接各遠程I/O及電氣傳動Profibus DP網。 （2） 基礎自動化的所有控制器均由GE Fanuc的新產品PACSystems構成。 （3） 各機架的液壓控制器都是由自帶I/O接口的Power PC組成，自成一體并能插在相應控制器內。 （4） 設置三類特殊功能站，專門建立了用于大容量數據存儲的數據記錄站PDA，主要由DSP及FPGA構建的用于系統實時仿真的實時仿真站SIM，還有用于全線系統故障診斷的診斷站DIAG。 5 軋制過程計算機控制系統的發展趨勢 　　隨著計算機和通訊技術飛速發展，軋制過程計算機控制系統也日新月異，各級計算機的運算和通訊速度大大加快，64位處理器及100MB/s以上的通訊網大量使用，系統診斷能力顯著提高，大大方便了維護工作，提高了系統作業率。以國內外近期推出的軋制過程計算機系統來看，近年來用于冷、熱連軋的快速計算機控制系統具有以下發展趨勢: （1）硬件PC化，除人-機界面（HMI）站及數據記錄器等采用標準PC機外，有趨勢采用高檔PC作為過程計算機，加上各控制器的編程器或工程師站廣泛采用PC，以及基礎自動化各HPC中所采用的基于奔騰II或III單板機，使整個系統的硬件都盡量向PC靠攏以降低系統成本。 （2） 系統軟件“微軟”化，包括過程計算機采用WINDOWS NT 作為操作系統，HMI系統采用服務器—客戶機結構以及HMI軟件和編程軟件具有與OPC，ODBC接口都使系統便于與其他廠家軟件連接。 （3） 控制器采用開放式結構，長期以來GE，西門子等大電氣公司都以開發自己固有的系統而自豪，其控制器一般采用非國際標準的總線（如S5-PLC，S7-PLC，SIMADYN_D以及GE的SC-2000等）,但在本世紀末，GE，西門子相繼將自己的控制器轉到國際標準VME總線（GE的INNOVATION控制器及西門子的SIMATIC TDC），使自己的系統開放。系統開放的好處是可以充分采用別的廠家開發的高性能I/O，網絡等，而不必事事都要自己投資開發。而對于用戶來說，系統開放意味著便于擴展以及備品備件方便采購。 （4） HMI系統的統一，長期來L1和L2都有自己的HMI系統，新推出的系統簡化了人-機界面系統，采取L1及L2使用統一的HMI系統。亦即在任一個操作員站上可以調出L1的畫面，亦可以調出L2的畫面。 （5） 100Mb/S光纖以太網的廣泛應用，在L2與L1間，L1/L2 HMI服務器與各客戶機間以及L3計算機與其終端間廣泛使用100Mb/S光纖以太網，并有一些廠將傳動網以及現場總線亦立足于100MB/s以太網（并隨著技術的發展向1000MB/s以太網轉移）。 （6） 考慮到冷、熱連軋計算機控制系統需滿足高速控制及高速通訊要求，因而在基礎自動化控制器間采用了區域內高速網（150-300MB/s）以及HPC控制器采用了多CPU結構。 （7） 系統中采用多層網絡使數據能用不同的速度更新以滿足冷連軋控制的需要，即L1/L2間以50ms到100ms為周期，人機界面網以500ms到1000ms為周期，L2/L3間以1秒或幾秒為周期，而各HPC控制器間數據交換則以1-2ms為周期，現場總線（遠程I/O）則以10-50ms為周期。 （8） 分布系統廣域分散化。整個系統中除了HPC為實現高速反饋閉環控制而設立自己的高速本機I/O外，各PLC及區域主管將盡量采用遠程I/O或遠程現場控制器，各遠程I/O及遠程控制器將通過現場總線與PLC及區域主管相連接。因此I/O電纜數量及長度將減到最小，這是目前的普遍趨勢，即用通訊電纜（光纜）代替I/O電纜，由于現場總線的故障診斷能力很強，因而使系統安裝調試以及維護大為方便。 （9） 廣泛采用交流傳動系統，從而使電機容量不再受到限制，提高了傳動系統性能，減少了維護工作量。 　　無論是硬件PC化，系統軟件“微軟”化，100MB/s以太網的采用以及采用標準VME總線都使系統開放，同時基于Profibus、Device Net等現場總線的大量采用，提高了系統可靠性和軟件資源的共享性，也使系統的成本大大降低，應用開發更加便利，維護方便。 轉自： 中國工控網