热连轧自动化系统的发展

1热连轧自动化系统的发展姓名：专业：学号：摘要：简要分析了中国热连轧自动化系统的发展现状，介绍了多级计算机控制系统结构以及自主开发的关键技术,包括冶铸轧一体化计划管理，过程自动化中间件，热连轧板形综合控制技术，高精度数学模型及算法等。最后展望了热连轧自动化系统的技术发展机械控制技术进步关键词：自动化系统热轧带钢MES中间件板形机械控制随着改革开放的发展、冶金、机械、电子产业等在我国迅猛的发展开来。早在1978年武汉钢铁厂从日本引进新日铁的1700mm四分之三连轧生产线，这是中国第一条实现计算机控制的热轧生产线，20世纪80年代末武钢与北京科技大学合作对计算系统进行了全面升级改造，自此开始了中国热恋带钢自化控制系统国产化的研究和攻关之路。武钢1700热轧计算机控制应用软件全部立足国内，不禁打破了当时系统模式还引进国外自动化系统的模式，而且增加一大批科技人才，为中国自主。研发自动化控制技术及机械控制技术奠定了重要基础。1、热连轧自动化系统的发展随着中国经济的迅猛发展，从20世纪末到21世纪初，钢铁行业迎来长期高增，各钢铁集团都把装备进步，产品结构优化、提高产品竞争能力作为企业发展的主要方向。根据国际钢铁协会（IISI）公布的数据，2007年中国钢铁产量为4.89亿t，占世界总产量的36%，虽然中国粗钢产量连续多年居世界第一位，但钢铁产业技术水平何能好于国际先进水平相比还有差距，因此钢铁企业今后的发展重点是结构调整和技术升级，品种方面要开发高质量、高技术含量、高附加值的高端板带材产品，技术方面要广泛采用新工艺、新技术、新装备，坚持自主研发、自主集成的原则，跟踪国内外先进工艺和技术，建设先进的现代化自动化管理系统，使工厂大的整体工艺方案和自动化技术的最优化。从20世纪90年代以来，由于控制系统硬件发展迅猛，软硬件有了质的飞跃，稳定性也有了很大的提高。热连轧计算机系统开始广泛采用PC服务器和操作终端替代原来ALPHA小型机，使得热连轧控制系统边界分析个人计算机高速发展的技术成果成为可能，由于采用PC服务器使控制系统有了的价格有了大幅度的下降，由于采用了Windows系统使的得系统的开发环境和系统的开放性有了很大的提高，跟多企业有条件有能力使用先进的计算机控制系统对轧制生产实行高能力的控制。在控制器方面，西门子的StigmaticTDC,GE的VMICVAL、VANTAGE、东芝的2V系列闭环控制器、达涅利的HipAc、西马克的X-Pact等，这些控制器大都基于VME总线，且有多CPU多任务计算能力。这些高性能控制器往往用于轧钢过程中高速的控制问题。通过网络技术标准和硬件也是日新月异，到目前已有1Gbps和10GBps的以太网产品问世，并在工业中得到应用，各计算机和控制器之间的数据通信的速度和流量都有非常大的提高。由于这些设备软硬件技术的发展，一些复杂的控制理论和控制策略如智能控制、软测量技术、解耦控制、优化控制技术等，也开始在轧钢过程中得到应用。2、热连轧自动化多级计算机控制系统2.1热连轧自动化多级计算机控制系统的组成钢铁企业多级自动化控制系统的组成的雏形出现在20世纪60年代的欧洲，1962年英国RTB钢铁公司将生产管理引入了生产控制，形成了一个由全厂生产调度级、生产管理级、生产控制级、生产过程级组成的多级计算机控制系统。随后其他各国也陆续建成了多座生产控制系统和计算机管理自动化系统相结合的在线管控一体化工厂。随着计算机技术的飞速发展和冶金企业信息化要求的不断提高。计算机分级控制系统的各级含义也逐渐明。如图1所示L5级----经营决策、生产计划、销售、运输贮存L4级----生产管理、质量管理、设备管理L3级----车间管理、在线调度、质量管理L2级----数学模型、参数优化等L1级----生产设备控制、时序控制、逻辑控制等L0级----工艺数据检测、电器液压执行图1-自动化系统分级示意图2.2各级自动化控制系统的任务随着计算机和网络技术的发展，多级的控制也在不断变化，目前多数冶金企业将L4、L5级整合为企业资源规划级-ERP系统，而将L4部分功能下放到L3级形成生产管理制造MES系统，L2-L0就保持不变。如图2所示。图2ERP-MES分级示意图ERP系统是对企业中物流、资金流和信息流进行全面集成和管理信息系统。通过ERP系统将企业的资源有效管理起来，对采购、分销、运输、生产、成本、库企业管理级区域管理级生产管理级过程控制级基础自动化驱动—执行生产控制级企业管理级区域管理级ERP企业资源规划级MES生产管理制造3存、财务、人力进行整体规划，从而取得最佳效益。一般ERP系统包括下列功能：采购管理、销售管理、库存管理、主生产计划、物料需求计划、能力需求计划、供应链管理、工作流管理、车间管理、JIT管理、质量管理、账务管理、资产成本管理、人力资源管理等。但是ERP面向的是公司范围的计划管理系统，并不适用某一个独立的生产单位，如果直接由ERP系统对生产现场进行控制，难于满足过程控制对信息适时调度的要求，因此必须设置MES系统，它是企业面向车间的管理系统，用于提供生产活动中从下载到订单生产到成品间的最优化控制信息。它一面可以将来自ERP的指令传递给底层控制，针对实际生产中出现的问题进行生产计划动态调度，完成产品的质量管理。另一方面也可以实时监控底层设备运作状态，采集并分析处理过程数据，将分析结果上报给ERP系统。3、热连轧自动化系统的关键技术3.1冶铸轧一体化计划管理直接人装(DHCR)直轧（DR）工艺作为现代化钢铁企业节能降耗、缩短工艺流程、降低库存和提高成材率的重要途径，越来越受到人们的关注。由于DHCR/DR工艺取消了位于连铸工序与热轧工序之间的缓冲环节，将炼钢、连铸和热轧3大工序之间直接相连，使钢铁生产成为一个有机系统。这对于生产管理，特别使冶铸轧一体化组批提出来更高的要求。近年来，国内外大型钢铁企业和研究对热轧计划和调度以及一体化计划调度进行了大量研究，但真正基于DHCR/DR工艺，尤其针对宽板带生产线的DHCR/DR一体化计划和调度的报道却很少。宽板带轧线DHCR/DR冶铸轧一体化计划和调度优化方法有多种，如采用遗传算法、并行策略建立了时序条件多收益旅行商模型MRCTSP-TC。后者充分考虑了炼钢、连铸、热轧3各工序的约束，同时兼顾了不同表面质量和优化级合同的排产。模型的求解采用了改进的蚂蚁算法。由于该技术的采用使原来多个独立的工序实行了有效的无缝连接和优化，可以最大限度的利用优势资源，最大限度的实行科学规划，保证了企业生产的高效、连续、低成本。目前国内大多数的新上宽带钢生产企业都建设的阶段就考虑了冶铸轧一体化系统，把它作为热连轧宽带钢生产控制的一部分进行建设。3.2过程自动化系统中间件（MiddleWare）是过程自动化系统的核心支撑软件，及应用软件的开发平台和运行环境。它的主要作用有：1屏蔽硬件平台和操作系统的差异性以及底层操作系统的复杂性，数应用程序开发人员面对一个简单而统一的开发环境，降低过程自动化应用软件开发、移植和维护的复杂性；2将过程自动化系统中与那些特定项目无关的4共性功能分离并固化，以缩短项目的开发和调试时间，并提高系统的稳定性；3增加系统的扩展能力，由于中间件都是通过配置来适应不同项目的需求，当需要修改或扩展功能时非常方便。中间件开发一般要采用C++,并涉及到CORBA、DCOM、TCP/IP共享内存等软件技术。北京科技大学轧制中心自主研发的中间件PCDP(process、control、develop、platform)系统结构如图3所示，其功能完美且编程接口简洁，易于用户掌握。该中间件成功应用于国内多各人连轧过程自动化系统、运动非常稳定。图3-PCDP系统的构架3.3热连轧板形综合控制技术板形是热轧带钢产品主要尺寸精度之一，也是目前还未得到解决、困扰生产企业的难题之一。为了改善热带刚轧机的板形控制性能、提高产品板形控制水平，有必要系统的掌握并开发初成套的板形控制技术，包括辊形、自动化控制系统、工艺参数、数学模型等。目前应用在热连轧上的机型主要有CVC、PC两种。CVC机型通过适用正负液压弯辊和窜棍来动态控制轧件的凸度和平坦度，而PC轧机则通过改变压辊交叉角度来控制轧件板形。CVC机型所使用的辊形根据不同的设备供应商也略有不同，西马克做CVC辊形，西门子—奥钢联使用SmartCrown辊形，国内已经开发出使用变接触支撑辊（VCR）技术与高效变凸度的工作辊形（HVC）技术的VHA技术。CVC辊形和PC轧机在生产叫窄带钢时的板形控制能力不如西门子SmartCrown应用程序TaskWatch操作系统DBLinkerODBC核心支持函数库IPCLoggerRDFMTagcenterHubwareSOCK5和国内技术HVC辊形，另外，国内HVC辊形技术既实验了二次凸度与板宽成线性关系，同时又保持二次凸度与辊是支持辊上磨削特殊的辊形曲线，使得支持辊和工业辊的辊间接触长度能够与所轧带钢的宽尺相适应，消除或减少辊间“有害接触区”，提高承载辊缝的横向刚度，增加轧机对板形干扰因素的抵抗能力。另外，由VCR技术改变了支持辊和工作辊间的接触状态，对改善支持辊轴向不均匀磨损、延长支持辊的换辊周期乃至增加产量具有非常积极的作用3.4高精度数学模型和算法随着计算机软硬件的快速发展，许多复杂的物理模型、神经元网络、有限差分析算法等技术开始在实际应用，显著提高了模型的预报精度和适应能力。比如在轧机弹跳模型，可分别计算机架牌坊的弹性拉伸变形以及辊系的挠和压扁变形，使得生产中带宽度以及轧辊磨损的不断变化对辊系变形所产生的影响可在生产线体现出来，提高了辊缝设定的精度。带钢模型对辐射、接触传导、冷却水、变形热、相变潜热等各传热过程都进行了细致的描述，并实现从装炉、轧制一直到卷取全过程不间断进行带钢温度的跟踪预测及修正，为带钢温度控制提供了有力保证。3.5对节能的要求根据《2006年中国统计年鉴》，2005年中国各行业能耗22、33t标准煤，其中钢铁占16、1%，约消耗3、6亿t标准煤。中国钢铁耗能比世界平均水平高出21%。另外风机、泵类和压缩机所用电机消耗了40%的电能。因此对于中国的钢铁行业节能将是一个重要的任务。首先是推广高效率节能电机的应用范围，虽然使用高效率节能电机的一次性投资很大，但是其运行后所节省下的电费将会在一年半内收回初期多出的投资，另外就是使用便频率调速系统，尤其是对风机和泵类。研究结果表明使用变频控制后同样在负载端得100%功率时电源端的输入功率将降低44%。通过合理配置系统，工厂最终节能效果将达到20%以上目前国内已经在自主集成和建设的热连轧机自动化控制系统中研发和采用了很多节能设计和控制功能。为投产后的节能方面打下了坚实的基础。比如，轧制节奏控制与加热炉燃烧优化控制结合以降低加热炉能耗。在冷却循环水系统的节能方面，轧后加速冷却自动控制系统在冷却不同规格的品种的产品时，所需要的峰值水量或某段时间的总水量变化非常大。而为了保证冷却水水压恒定，高位水箱总是要保持一定的溢流，尽量减少溢流量且又不影响冷却工艺，在轧线控制系统中周期的根据轧制计划安排预测所需冷却水水量，提前传送到泵房水水循环控制系统，提高水箱液位控制的精度，降低水泵的能耗。4、热连轧自动控制系统的发展展望6热连轧自动控制系统可以看作是机械控制技术的应用于实践，目前正在进一步开发系统和数学模型的预警和自我诊断技术，对所采集系统的运行健康状态进行分析和模糊推理的过程判断，提示问题所在以解决办法。数学模型在预警和诊断系统中，对各设定值，测量值，自学习系数，模型参数。重要的中间计算结果进行监控，当这些数据偏离统计趋势时进行预警，若不在正常范围内，并采用模糊推理和联想启发方式进行自我诊断，可根据要求或自动恢复到上一个健康状态。这样的方法，就能让热连轧自动控制系统长期自我保护。4.1带钢组织性能在线监控目前组织性能预报技术正处于探索和发展时期还远没有达到成熟及应用阶段。国内的研究水平基本上还处于组织和性能的离线积极阶段。国外的研究水平已达到可在在线预报和监控钢卷全