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高效轧制国家工程研究中心成立二十周年系列技术报道
——高精度热轧自动化控制系统
发布时间:2016-10-16    立即打印  

    高效轧制国家工程研究中心从成立伊始就将热轧自动化控制技术作为重点研究方向,经过多年自主创新,在宽幅板带热连轧控制技术的软硬件平台、核心装备、系统集成、中间件、控制模型、质量包和系统仿真等方面取得了全面突破。在吸收国际先进技术的基础上,开发出独具特色的适合我国热轧生产的N-ROLL系统,并已在数十条新建或改造的生产线上得到了成功应用。从工程实施情况看,该系统维护方便、运行稳定可靠、控制精度高,打破了国内热轧核心控制装备依赖引进的现状,有效降低了工程建设和营运成本。
    高精度热轧自动控制技术是金属轧制领域的核心技术之一。热轧自动化系统通过反映热轧过程变化规律的数学模型、自动控制装置、计算机及其控制程序等,使各种过程变量保持在所要求的设定值上,并合理地协调全部轧制过程以实现自动化操作,将板坯加热轧制成各种各样质量性能和尺寸合格的热轧板卷。决定热轧板带产品质量和生产效益的一个关键因素为自动化控制系统的合理性、可靠性和先进性,自动化控制系统也因此成为宽幅板带热连轧生产的一项非常重要的共性技术。
    众所周知,现代化热轧生产线一般分为多级自动化控制系统,其中传动控制级(L0),主要完成主辅传动控制,电、液、气设备动作执行以及仪表数据采集等功能;基础自动化级(L1),主要完成顺序控制、逻辑控制、设备控制及实时数据采集等功能;过程自动化级(L2),主要完成过程参数的设定计算和优化控制、过程监视、历史数据存储及日志报警等功能;生产管理级(L3),主要完成生产计划、生产调度、库存管理及物流跟踪等功能,并逐渐发展为具有更多功能的制造执行系统(MES)。
    N-ROLL系统采用多级结构,与国外公司的系统相比,在性能和功能上不相上下,但是在硬件配置却更简洁,更优化。

                                一、N-ROLL系统的结构和功能
                                   1.1 系统的硬件配置

    考虑板带热轧的质量控制要求及工艺、装备配置的具体情况,兼顾系统的先进性、稳定性和开放性,综合应用已经积累的材料设计方法、工艺专家知识,并采用先进的智能算法,以实现高精度、全自动化生产为目标,具体包括以下几方面 :
    1)根据不同的控制任务要求及特点,采用分级控制的系统架构,其中L2主要完成过程日志、报表、优化控制、物流跟踪等任务 ;L1主要完成顺序控制、逻辑控制、设备控制、数据采集等功能 ;L0主要完成实际动作、实测值传送等工作。
    2)主轧机采用交流同步电动机,由全数字交直交变频装置驱动。
    3)采用“PC服务器+高性能控制器+可编程逻辑控制器”平台。
    4)采用“快速以太网+高速实时网+现场总线”多层网络体系。
    5)具有高精度数学模型、在线动态优化策略和完善的控制功能。
    6)采用基于机理模型和数据驱动的综合板形、终轧温度、微恒张力等专有控制技术。
    7)配置多种在线检测仪表,包括张力、温度、轧制力、板形、冷热检、激光测长等。
    8)可实现基于统计过程控制(SPC)、数据挖掘、信息融合等技术的系统智能故障自诊断及控制。


                                  1.2 管控一体的MES系统

    MES系统以生产为中心,运用计算机信息化手段管理和优化生产过程,提高生产率、缩短交货期、改善决策支持、实现物流与信息流的一致。随着国家对节能降耗要求的提高,实现上、下游工序的能流匹配也成为MES系统的一个重要目标。
    MES系统共有13个主要功能模块组成,分别是:订单管理、基础技术规范、物料主数据、设备能力、生产排程、存货管理、作业管理、工器具管理、质量管理、生产实绩、生产报表、安全授权、实时过程质量数据等。系统通过集成适配器与外部企业资源计划(ERP)、其他MES、控制系统、天车定位或实验室信息管理系统(LIMS)等集成,实现面向业务流程的企业信息化系统整合。整个系统以生产数据模型为核心,完成整个系统功能抽象设计及实现。作为管控衔接系统,该系统可以支持企业级ERP系统或整体产销系统的运行。基于大量数学模型和优化算法的生产与调度子系统是MES系统最重要的功能模块,系统需充分考虑熔炼、连铸、热轧三个工序的生产约束,兼顾不同的质量要求和合同交货期,采用一体化的排程策略和调度策略,实现三大工序的物流匹配和能流匹配,提高热轧生产线的可热装品种的热装率和热装温度,大幅度降低加热炉的能耗。
    整个系统基于统一的流程数据模型设计、功能模块可以裁剪与适配。以订单为核心,支持企业“以销定产,以产促销”的混合生产模式。采用基于件次的生产排程与作业管理,支持各种常见铸轧衔接工艺:直接热装(DHCR)、热装(HCR)、冷装(CCR),采用统一的平台与安全授权,做到集成的实时过程数据与质量管控。系统以生产数据模型为核心,使得多个独立工序实现了有效的无缝连接和优化,可最大限度地利用优势资源,实现科学规划,保证了热连轧生产的高效、连续、低成本。



                                 1.3 过程自动化系统

    由于热轧轧制条件复杂,过程控制系统的开发难度大,是各家计算机控制系统供应商相互竞争的重要环节,为便于开发、调试和今后的升级,N-ROLL系统通过合理划分模块结构,并对其功能和接口进行标准化设计,各模块可根据实际生产设备和功能的配置实现自由组合。主要涉及的数学模型包括温降模型、轧制力模型、前滑模型、宽度模型以及弹跳模型。
    在常规控制功能的基础上,N-ROLL系统还具有如下独到的过程控制功能:
    1)容错控制策略。在生产中可能出现的设备状态异常扰动、测量信息不可靠等问题,这将会严重影响L2 控制系统的模型精度,甚至导致生产事故。目前在大多数控制系统中,这种情况都是由模型维护人员人工修正或交给操作工确认。在N-ROLL系统中,可以采用容错控制策略来自动判断和处理。利用信息融合技术,控制系统可将来自多方面的信息加以智能比对和合成,得到比单一信息源更精确、更完全的结果。这样,在单个仪表的测量数据出现异常时,不会导致系统控制精度的显著下降或误动作。
    2)数据分析系统。在轧制过程中,L2 控制系统会收集并归档每卷带材的各类相关数据,比如轧件原始数据输入(PDI)、设定数据、实测数据、设备状态数据、精度统计数据等,它们对分析产品质量、设备故障、模型精度等问题非常有用。然后,分析和处理这些海量数据时不仅要求维护人员具备较高的专业水平,而且还需要花费大量的时间和精力。关联规则挖掘是数据挖掘问题中的一个重要的研究内容,根据所挖掘的关联规则,可以发现大量数据项之间有用的关联或依赖联系。当系统控制精度出现异常时,专门设计的数据分析系统可以通过关联规则挖掘技术,找出异常工况之间的内在规律,以引导系统维护人员分析故障原因和制定对策。
    3)工艺开发与维护。N-ROLL系统提供了一个进行热轧工艺离线模拟计算的工艺参数开发工具,根据产品性能要求和设备能力限制等因素,可方便设计出新产品的相关轧制工艺参数和模型系数。经过工艺人员确认后,该工具可自动为在线控制系统扩充相关的各参数表,使其具备轧制新产品的能力。

                                 1.4 基础自动化系统

    基础自动化系统主要完成全线设备的顺序和逻辑控制,并承担轧件全长质量控制的任务,为实现高速控制,多采用CPU实时高性能控制器完成复杂的控制功能,如自动厚度控制(AGC)、自动板形控制(ASC)、自动宽度控制(AWC)等,为实现高速通信,主干网多采用光纤以太网或内存映像网,并充分考虑热轧生产中信息流和数据流的特点,采用分段和分层设计的网络拓扑结构,以实现数据和信息的快慢分离、区域分流。对于不同的工艺设备配置,基础自动化系统的控制功能也不同,以热连轧带钢生产为例,主要控制功能如下:
    1)炉区主要包括入炉辊道的速度、入炉板坯位置及逻辑联锁控制、装料炉门的动作控制、入料机的速度控制及逻辑联锁控制、入料机的位置控制、加热炉区的设备监控、加热炉区操作台控制、加热炉区的生产线故障诊断控制及保护、出料机的速度控制、位置控制及逻辑联锁控制、出料炉门的动作控制、出料辊道的速度控制及逻辑联锁控制等。
    2)粗轧区主要包括初始设定(速度、辊缝、轧制力等)、物料跟踪、速度主令、顺序控制、辊道速度控制、速降补偿、高压水除鳞控制、粗轧冷却水控制(轧辊冷却、逆喷等)、侧导板控制、模拟轧制、换辊控制、轧辊和接轴液压平衡控制、定宽压力机控制、短行程控制、粗轧机辊缝位置控制、粗轧机AGC、粗轧机速度控制、立辊开口度控制、立辊AWC、立辊短行程控制(SSC)、立辊与粗轧机微张力控制、立辊速度控制、急停与快停逻辑连锁控制、保温罩/废坯推出机控制、热卷箱控制等。
    3)精轧区主要包括初始设定(速度、辊缝、轧制力等)、物料跟踪、速度主令、速降补偿、顺序控制、辊道速度控制、模拟轧制、切头剪剪切控制、精轧入口立辊控制、活套控制、活套套量控制、机架间冷却控制、弯辊控制、窜辊控制、侧导板位置控制、轧机调零、液压辊缝位置控制(HGC)、精轧AGC、动态平坦度控制(DFC)、动态凸度控制(DPC)、精轧机轧辊冷却水控制/自动换辊控制、轧辊液压平衡控制、急停及快停逻辑连锁控制、终轧温度控制(FTC)等。
    4)卷取区主要包括初始设定、物料跟踪、速度主令、顺序控制、输出辊道控制、模拟卷取、层流冷却控制(CTC)、夹送辊辊缝控制、助卷辊踏步控制(AJC)、卷取张力控制、带尾位置控制、取直径计算、卷筒速度控制、卸卷小车位置控制等。除此之外,基础自动化系统还需实现各区的液压、润滑等子系统的控制功能,包括泵启停控制、液位保护控制、油温保护控制、压力保护控制等。同时,还要负责与其他系统的控制设备或大型仪表的通讯连接。
    在常规控制功能的基础上,针对不同热轧现场出现的问题,N-ROLL系统采用先进智能算法,对关键控制功能进行优化升级,控制效果均有不同程度的提高。这些功能包括:镰刀弯及跑偏控制、两侧液压缸同步控制、粗轧抛料距离控制、活套微张力控制、优化剪切等。

                                          

                                           二、N-ROLL系统关键技术

                                          2.1国际领先的板形控制技术

    轧制中心经过多年的开发和实践,成功开发了多项拥有自主知识产权的板形控制技术,并在国内外多条钢铁及有色板、带、箔生产线上得到应用,为企业实现了高精度、低风险、高产出的板形质量控制。
    1)轧机工作辊和支持辊辊形技术及综合辊系配置方案。包含变接触支持辊辊形技术(VCR)、与连续变凸度(CVC)及高效变凸度(HVC)等高次曲线工作辊匹配的VCR+技术、具有强大凸度控制能力的HVC工作辊辊形技术、用于解决不锈钢高次浪形的中部变凸度(MVC)工作辊辊形技术,用于边部板形控制的非对称辊(ATR)、边部变凸度(EVC)工作辊辊形技术等。
    2)高精度板形控制模型。包含在过程自动化L2实现的板形设定计算模型、板形自学习模型,在基础自动化L1实现的板形保持模型、凸度反馈模型、平坦度反馈模型、板形板厚解耦模型和轧后冷却平坦度补偿模型、动态分段冷却控制模型等,可实现高精度的板形自动控制。
    3)高品质热轧和冷轧工序板形协调控制技术。包含高次浪形控制技术、带钢亮带控制技术、带钢起筋控制技术、硅钢横向厚差控制技术等。
    4)企业板形质量问题判定及综合对策。包含基于企业大量板形质量异议数据挖掘技术、基于质量异议的板形质量在线判定系统、板形质量开展综合对策技术等。

                                   2.2开创性的全流程工艺质量 在线判定与分析诊断系统

    冶金全流程工艺质量在线判定与分析诊断系统通过多种适配器采集制造过程来自L1/ L2/MES等系统的工艺参数、质量参数、质量判定结果、制造规范等数据,在进行数据重整后按统一的数据存储模型进行存储,为用户提供了统一的全流程工艺质量参数信息,用户可以按物料、订单、批次、班组等多种主题进行工艺质量数据追溯与分析。同时提供产品过程质量在线监控、预警与在线评级、离线工艺质量追溯、分析与工艺参数优化分析、异常诊断等功能。该系统可以帮助企业技术人员对全流程工艺参数数据进行统一分析、展现,找到工艺质量异常原因,实现产品质量持续改进。该系统能提供多种常用采集适配器,适用于常见冶金自动化控制系统工艺/质量参数采集;构建了关系一致的工艺参数、质量数据的数据存储模型,工艺曲线/质量数据均可按物料、订单、批次等多种主题访问;提供统一数据访问服务接口,业务人员可进行工艺质量参数逆向与正向追溯分析;实现多工序工艺曲线自动同步处理,提高过程质量参数分析准确性;基于规则库配置实现产品工艺质量在线评级,提高产品工艺过程质量一致性;支持工艺参数离线优化分析与质量异常诊断。

          

                                  

                                           2.3 功能强大的中间件

    中间件是过程自动化系统的核心支撑软件,它的主要作用是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,使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和维护的复杂性。轧制中心自主研发的中间件PCDP(过程控制开发平台),已经在多个大型热连轧控制系统中成功应用,并经历10余年的现场在线考验。PCDP主要作用为:
    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,使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)将过程控制系统中与那些特定项目无关的共性功能分离并固化,以缩短项目的开发和调试时间,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。PCDP提供了丰富的诊断分析工具,可自动记录操作工所进行的干预,便于事故和质量分析;通过PING(消息探测)应用程序,实现在线诊断应用程序状态,防止由于应用程序停止响应而造成系统故障;自动定位应用程序意外退出时的出错位置和相关变量内容,便于运行错误。

                                  2.4 超宽幅铝板带热连轧表面质量控制技术

    针对超宽幅铝板带热连轧初期投产过程中产生的主要表面质量缺陷,通过设备保障、工艺技术控制和管理措施,使超宽幅热连轧铝板带产品表面质量有了很大的提高。设备保证体系从热连轧的关键设备入手,其中刷辊的选型和刷辊技术对产品表面质量的影响尤为重要。通过收集、总结研究在热连轧过程中产生的主要表面缺陷产生的原因,制定出了适合于超宽幅铝板材的铝合金板带材表面质量的改进措施。管理保障体系对于产品的质量控制也是不可或缺的,通过质量小组管理、责任到人、建立奖惩制度、定期召开质量分析会以及清洁管理等一系列的质量管理制度,保障产品表面质量。因此,通过设备、工艺、管理三个质量保障体系的不断建立,初期出现的主要表面缺陷(粘铝)大大减少,超宽幅铝板带产品表面质量大大提高。

                                  

                                  三N-ROLL热轧自动化系统应用实绩及获奖情况
                                              
                                                3.1应用实绩

    N-ROLL系统已在国内多条热轧生产线上得到了成功应用并取得良好的控制效果,为企业创造了巨大的经济效益。以柳钢1450热连轧生产线为例,该生产线于2010年1月热负荷试车一次就取得了成功,1月底轧制2.5mm厚产品,3月份成功轧制1.2mm厚度的极限规格,并实现日达产,根据大生产统计数据,产品质量达到国际先进水平。近年来,轧制中心负责新建或改造全线自动化控制系统的生产线主要有:
    1)钢铁行业热连轧:包括安丰1780、印尼1780不锈钢、鼎信1780、重钢1780、武钢1700、诚德1630不锈钢、日钢1580、莱钢1500、柳钢1450、西南不锈1450、东海特钢1450 、吴航1150不锈钢、鼎信850不锈钢、马钢CSPL2级系统等。
    2)有色行业热连轧,包括永杰1850mm1+3热连轧、巨科1850mm1+4热连轧、银海3300+2850mm 1+4热连轧、银邦4000单机架双卷取、明泰3300+2850mm1+1热轧、万达2400mm1+4改造、明泰2000mm1+4改造等。
    3)中板及炉卷等热轧,包括红日2600 中板轧机、吴航2250 双机架炉卷轧机、双瑞1450 钛板轧机、迈锐思镁带轧机等。
    4)改造项目:承接多条生产线的局部改造项目,如板形控制闭环、AGC/AWC、镰刀弯优化、优化剪切、液压活套、加热炉优化燃烧、轧线模型优化等。



                                               3.2 获奖情况

    1)宽带钢热连轧自由规程轧制关键技术及应用,获2015年冶金科技进步奖一等奖。
    2)CSP流程全工序高品种钢的板形质量控制,获2014年安徽省科学技术奖三等奖。
    3)高强韧宽中厚板(卷)连铸卷轧生产关键技术开发及规模产业化,获2011年度江苏省科学技术奖二等奖。
    4)宽带钢热连轧生产成套关键技术与应用,获2010年度国家科学技术进步奖二等奖。
    5)宽板带生产计划集成与动态调度系统研制,获2009年度教育部科学技术进步奖一等奖。
    6)武钢炼铸轧集成计划与调度,获2009年度冶金科学技术奖二等奖。
    7)宽板带生产计划集成与动态调度系统研制,获2009年度教育部科学技术进步奖一等奖。
    8)宽带钢热连轧自动化控制系统研究与应用,获2008年冶金科学技术奖一等奖。
    9)莱钢1500mm热轧带钢自动控制系统的研究与应用,获2007年度山东省科技进步奖三等奖。
    10)唐钢薄板坯连铸连轧生产线技术集成与自主创新,获2006年度冶金科学技术奖一等奖。
    11)带钢热连轧厚度及板形控制系统研制,获“九五”国家重点科技攻关计划(重大技术装备)优秀科技成果。
    12)带钢热连轧机组全线自动控制系统研制,获“九五”国家重点科技攻关计划(重大技术装备)优秀科技成果。

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