单旭沂，劳兆利(1．宝山钢铁股份有限公司热轧厂，上海200941；2．宝山钢铁股份有限公司)
摘要：热连轧生产线具有高温、高速、多品种、高精度等特点。过程控制系统在信息处理、物料跟踪、设定与控制等方面直接影响生产的稳定性与产品质量。本文分析了热连轧过程控制系统的特点和开发难点，并通过自主开发宝山钢铁股份有限公司新建1880热连轧生产线过程控制系统的实践，提出自主开发热连轧过程控制系统需要的关键技术，主要包括根据控制实时性与功能复杂度的设备配置与选型技术、根据产品的品种特性进行出钢记号分类并确定不同物性参数的技术、高精度核心过程控制模型的开发技术以及结合品种与规格拓展的模型参数优化技术等。
关键词：热连轧；过程控制；开发中图分类号：TG334．9 文献标志码：A 文章编号：1000-7059(2009)05-0001-05 A study and practice on key technology of process control system for hot strip millSHAN Xu-yi ，LAO Zhao．1i(1．Hot Roiling Plant，Baoshan Iron＆Steel Co．，Ltd．，Shanghai 200941，China；2．Baoshan Iron& Steel Co．，Ltd．)Abstract：Hot continuous rolling line is characterized by high temperature，high speed，many varieties and high accuracy．Process control system influences stability of production and product quality directly in the respects of information processing，material tracking，setup and control，etc．Features and development difficulties of process control computer system for hot strip mill are analyzed．Basedon practice of process control system for self-developed and new built 1880 hot strip rolling production line of Baoshan Iron& Steel Co．，Ltd．，necessary key technologies for development of hot rolling process control system are proposed．They include equipment configuration and selection technique based on real—time performance and function complex degree of control system，technology for product category classification，development technique for high precise process control model，and model parameter optimization in expanding product mix．Key words：hot rolling；process control；development
0 引言 随着国民经济的发展，我国钢铁工业迅猛发展，大型热连轧生产线的建设也从当初的寥若晨星发展到目前的遍地开花。据不完全统计，自1978年武汉钢铁(集团)公司引进的1 700 mm热连轧机投产、1989年宝山钢铁股份有限公司引进的2050 mm热连轧机投产至2008年上半年，我国已建成59条宽带钢热连轧生产线，设计产能达1．93亿t
[1]。热连轧过程控制系统也经历了从全盘引进到自主开发的一个过程。从全盘引进的武汉钢铁(集团)公司1 700 mm热连轧机、宝山钢铁股份有限公司2 050 mm热连轧机，到自主改造武汉钢铁(集团)公司1 700 mm热连轧过程控制系统、自主开发太原钢铁(集团)有限公司1 422 mm热连轧机和攀枝花钢铁(集团)公司1 422 mm热连轧机控制系统、自主改造宝山钢铁股份有限公司2 050 mm热连轧机过程控制系统，再到鞍山钢铁集团公司自主总承包建设1 700 mm与2 150 mm中薄板坯连铸连轧机生产线以及济钢集团有限公司1 700 mm热连轧机的工艺、设备与自动控制系统，北京科技大学自动化工程公司开发莱芜钢铁集团有限公司1 500 mm与日照钢铁集团有限公司的1 580 mm等热连轧机控制系统
[1-3]，表明国内热连轧过程控制系统开发水平达到了一个全新的高度。开发模式也从全盘引进发展到中方总承包、技术总负责方式，由中方自主集成和设计整个系统，仅仅从国际市场上采购硬件部件。然而，近期不少新建项目中，过程控制系统又重新走回到全盘引进的老路上。其原因是多方面的，管理方面的问题姑且不谈，自主开发系统在满足产品开发、控制精度以及系统稳定性等方面与国际先进技术之间仍有一定的差距，因此有必要探讨开发热连轧控制技术的难点，提升技术水平。为了实现高精度热连轧过程控制系统的自主开发，必须从热连轧生产特点、产品特征、设备特性以及系统设计等方面开展研究
[4-6]。本文分析了热连轧过程控制系统开发的特点、难点，并结合宝钢1 880 mm热连轧机(以下简称“1880热连轧”)过程控制系统与模型的自主开发，阐述了系统开发的技术要点。
1 热连轧过程控制系统的特点及开发难点 1．1 特点 在以生产板带为主的钢铁企业中热连轧处于承上启下的瓶颈位置，它具有高温、高速、多品种、高精度等特点。热连轧过程控制系统是整个热连轧自动控制系统的核心，它是以满足热连轧产品的尺寸高精度要求、表面质量要求及带钢机械性能要求为最终目标，以确保稳定性及实时响应性为宗旨的一个控制系统。热连轧过程控制系统具有以下特点：(1)高系统稳定性。连续生产是大型热连轧系统的重要特点。(2)高精度。产品质量精度高也是大型热连轧生产线的重要特征。年产数百万t的热连轧生产线需要轧制各种品种、规格的产品，产品与规格的变化直接影响到成品质量。高精度的过程控制系统是保证产品质量的主要手段，必须满足品种拓展、规格变化的需要。为了保证产品生产的高精度，必须有系统性强、协调性好、适应能力强的复杂、高精度的工艺与控制模型软件作为支撑。(3)高响应性。热连轧生产线需要同时满足多达上百块板坯的加热、4～5块带钢同时轧制的控制要求。同时由于轧制速度可达到25 m／s，要求有ms级的快速处理能力和满足并发处理要求的能力。(4)高复杂性。要完成通信功能，信息收集、处理、存储、查询功能，物料跟踪功能，复杂模型的设定计算、控制及自适应功能，人机交互功能等。
1．2 难点 自20世纪70年代武钢引进1 700 mm热连轧机以来，我国引进了50余套先进的热连轧控制系统。通过对引进系统的消化、掌握，提升了对热连轧控制系统的认识；同时通过自主改造、开发新的控制系统，形成了开发复杂热连轧控制系统的能力。鞍山钢铁集团公司、北京科技大学自动化工程公司、北京金自天正智能控制股份有限公司、中冶赛迪工程技术有限公司等自主设计开发了多条热连轧生产线的控制系统。但自主开发的热连轧控制系统一般只能满足普通产品的生产，部分自主开发的过程控制系统只能作为信息传递与数据查询之用，没有发挥出其应有的过程控制作用。由于新技术的不断推出，用户对产品、设备及控制精度要求不断提升，自主开发系统尚难以满足高端用户对品种开发与产品质量的需求。为了提升自主开发水平，必须分析高端用户的产品特性、工艺路线与设备特性，设计新的系统架构、高精度设定计算与动态控制模型，才能扭转长期依赖引进的被动局面。用户高端需求通常如下：(1)满足产品拓展需求。不同钢种之间存在物性参数、加工性能、控制特性等方面的重大差异，随着市场需求的不断变化，新品种的开发速度加快，超强钢、超细晶粒钢、硅钢等产品的生产对控制系统提出更高的要求。(2)适应工艺变革需求。不同的产品需要采用不同的工艺制度，如加热制度、轧制制度、压下分配制度、冷却制度等，控制系统必须支撑众多的工艺制度以满足不同产品的生产需要。(3)控制设备创新需求。为了实现用户日益提高的产品质量需求，冶金设备制造商开发了众多新的设备，如不同类型的加热炉、各种板形控制设备等，针对不同特性设备采用不同控制时，需要了解设备的特性及其对产品的影响、对控制的要求等。(4)产品尺寸与温度控制高精度要求。一方面下游钢铁用户提出了更严格的公差控制要求，另一方面，生产企业内部也提出了更高的成材率、一次合格率要求，以达到降本增效的目的。除此之外，对于新建工程还存在建设时间短、接口关系界面复杂、设备状态不清晰等一系列问题。以上种种原因，致使目前国内绝大部分新建热连轧生产线的过程控制系统仍然依赖引进。
2 1880热连轧主要产品与工艺 宝钢新建1 880 mm热连轧机于2007年3月投产，设计产量为年产热连轧钢卷370万t。生产的主要钢种有：碳素结构钢、优质碳素结构钢、低合金结构钢、高牌号无取向硅钢、普通取向硅钢、高磁感取向硅钢、高强度集装箱板、高强度耐候铁路车厢用钢、高强度热连轧汽车板、高强度工程机械用钢、高表面要求的冷轧汽车板原料(包括IF钢)以及其它的高强钢，如：双相(DP)及多相钢(MP)、形变诱导塑性钢(TRIP)等。其生产钢种的屈服强度最高可达到800 MPa，抗拉强度最高可达到1 200 MPa，成品厚度1．2～19．0 mm，宽度800～1 730 mm，卷取温度可低于200℃。1880热连轧采用常规半连续式热连轧带钢轧机，轧机的宽度为1 880 1"nlTl。主要设备：4座步进梁式加热炉，其中3座为蓄热式加热炉，绝大部分烧嘴采用蓄热式烧嘴；1座为高温加热炉，生产高温取向硅钢时用。粗轧区域由一台定宽大侧压机与两台粗轧机组成(SP，Rl，R2)，R2机架前设有立辊轧机E2。定宽大侧压机为停走型，侧压速度可调，可对板坯的头尾实施预成形控制以及短行程控制。SP的最大侧压量可达350 mm；E2最大侧压量为100 mm，E2控制系统可对板坯头尾实施短行程控制以及全长的自动宽度控制(AWC)；R2采用机械压下与液压压上辊缝调节系统，配有AGC厚度控制系统。中间辊道上设有保温罩、板坯加热器以及边部加热器，精轧前设有转鼓式切头飞剪，Fl前设有小立辊轧机，其控制系统可实现缩颈补偿以及头尾短行程控制。Fl及F2机架的出口设置有高压除鳞水系统，该系统采用高压小流量控制。精轧机组由7架四辊轧机组成(F1～F7)，末架最大轧制速度20 m／s。F1～F7轧机采用全液压压下系统，并采用液压AGC厚度自动控制系统。F1～F4采用PC板形控制技术以及120 t正负弯辊技术；而F5～F7工作辊采用平辊窜动系统，窜动量极限范围为±200 mm，并采用120 t正弯辊技术，同时，F5～F7还配置有ORP在线磨辊控制系统。另外，F1～F2机架间采用微张力控制系统，F2～F7各机架间采用液压活套。带钢冷却采用加强型层流冷却系统。设有16组倾翻架，1～3，9～14倾翻架设有加强型喷水集管；4～8倾翻架采用常规喷水集管；15～l6设置有精细喷水集管。对带钢可实施u型冷却、稀疏冷却、冷却速率控制、中部空冷等控制方式，以满足硅钢，DP，MP以及TRIP等钢种的冷却需要。
3 1880热连轧过程控制系统开发的关键技术 为了拓展现有生产工艺，充分发挥装备优势，满足1880热连轧品种繁多及产品质量高精度的需要，我们透彻地分析了产品特性及需求，详细研究设备特点及控制要素，并结合工艺拓展需求，开展了系统架构设计及软件功能的设计与开发。
3．1 一体化策划 分析1880热连轧的目标产品品种与规格组距可知，除了普碳钢产品外，还要生产硅钢及高强钢。产品特性的分析是满足多品种规格生产的前提，不同产品具有不同的特性，具有如高温变形抗力、相变规律、比热容、密度、线膨胀系数等特性参数，这些特性参数是模型计算的基础。合理的钢种分类是确定产品特性的关键，钢种的分类与产品大类、化学成分、出钢记号等相关，我们将钢种划分为中分类与小分类。相同中分类的钢种具有比较接近的物性参数，通过测试中分类的典型钢种确定该中分类钢种独特的物性参数，这些参数用于各种预设定计算后可以大幅度提高计算精度，从而降低对模型自适应的依赖，物性参数如线膨胀系数应用于测宽仪的冷热补偿，可有效提高宽度测量数据的精度。钢种小分类既可以根据化学成分确定也可以根据出钢记号确定，具有很强的灵活性，小分类与规格尺寸相结合应用于制定轧制规程如速度制度、除鳞制度等，为规程数据的确定提供了极大的方便。典型钢种的确定需要结合生产经验与数据分析的手段；而物性参数的测量需要通过大量试样的多次试验，才能获得比较准确且稳定的数据。为了满足高强钢及硅钢生产的需要，采取了普碳钢与特殊钢之间的交又轧制、粗轧翘扣头控制、层流冷却分段速率控制等工艺技术。如为了实现高强钢加强型层流冷却设备的分段及目标冷却速率控制，根据具体的设备配置，制定了精轧机速度制度精确预告、轧制长度精确确定以及模型分层计算的框架结构，开发了头尾长度精确跟踪、冷却能力保证、冷却速率预报与控制等相关技术，同时通过精确预报带钢表面温度与冷却水量之间的关系，提高了反馈控制精度。对于新设备如高温加热炉、新型大侧压装置、中间坯加热器、加强型层流冷却设备等的控制也是本次系统开发研究的重点。对设备性能的认真分析以及特性的掌握是发挥设备作用的基础，如在1880热连轧工程中我国首次采用的中间坯加热器，需要确定不同材料的加热效率、热渗透效果、功率设定值、动态加热效果、加热模式等一系列计算模型，结合中间坯温降计算以及目标终轧温度实施温度的分段精确计算与控制。
3．2 功能设计及测试 1880热连轧的过程控制系统由宝钢自主开发，电气与仪表系统由日本TMEIC总承包。三电控制系统包含过程控制、电气控制与仪表系统，是一个有机的整体，因此三电系统的功能分担、接口定义以及功能测试是整个系统开发的关键。原则上，所有涉及全局、工艺规程、产品以及设备的参数由过程控制系统设定，涉及局部、单体设备控制的由电气与仪表系统完成。因此与以往的系统相比，除了涉及全局的钢种特性参数，如温度、轧制力、辊缝、板形等数据由过程控制系统设定外，全线侧导板、轧辊冷却水、支撑辊油膜厚度、轧机压靠特性等数据也全部由过程机设定。此外，机架间的微张力控制、轧机自动调平控制等相关的参数也由过程控制系统设定。接口设计是实现功能分担的纽带，涉及到接口的时序、项目、量纲、极限值、地址等详细信息。功能测试是检验系统稳定性、功能完整性与系统响应性的关键环节。通过冷负荷测试前三电系统的综合测试，能够解决与接口相关的通信、跟踪、设定、系统稳定性、功能完整性等一系列问题。在完成三电系统的综合测试后，才能进行整个工程项目的冷负荷与热负荷测试。
3．3 系统设计与集成 过程计算机的系统设计基于现代IT先进技术，融合工业控制的可靠性要求，采用标准的开放操作系统，保证系统软件的可扩充能力和升级能力；采用高性能的网络系统和数据通信平台确保网络通信的可靠性和易维护性；采用安全可靠的数据存储平台实现数据安全和快速访问；采用先进有效的操作画面和报表平台实现友好的用户界面，为高水平地组织生产，保证产品质量，将生产自动化与管理现代化结合在一起。同时，考虑生产工艺的连贯性、设备分布位置和控制要求，1880热连轧控制系统按既分级、分区，又统一的方式进行配置。过程控制计算机即L2级的控制范围从热连轧生产线的板坯上料辊道开始到钢卷运输链为止，三电系统的整体架构如图1所示，其中1880热连轧过程计算机的主机服务器配置了5台HPrx4640小型机，包括：加热炉计算机、轧线计算机、层冷计算机、数据库计算机、备用计算机。在实现高可靠性和高性能的同时，满足系统的易维护性和可操作性要求。存储系统采用SAN(Storage Area Network)架构，利用EVA3000磁盘阵列对过程机系统的数据进行统一的配置和管理。5台过程机主机与1台数据中心系统主机实现异种平台共享同一个磁盘阵列。磁盘阵列采用双控制器，任一控制器的故障均不影响主机对磁盘阵列的正常访问。网络系统采用星型拓扑结构，整个网络系统采用2层结构，分为核心层及L2接人层，以计算机房为中心下联各个L2操作终端。IJ2核心交换机为本地主机及维护终端提供1 000 Mb／s的光纤连接和100 Mb／s的UTP链路连接，为操作室交换机和各类仪表提供100 Mb／s的多模链路接口。各类仪表及PLC网关c3处理器采用100 Mb／s的双绞线与核心交换机连接。外部节点设备与过程计算机的通信协议使用TCP／1P。另外在过程计算机系统外配置1台HP DI580工业标准服务器作为数据中心系统，用以保存较长时间的生产数据，并可以对模型数据进行统计分析。
3．4 核心工艺模型设计 1880热连轧主要模型包括层别划分及实现、物性参数索引及实现、轧线温度差分计算、水平轧机变形区力能参数计算、轧机辊缝设定、自动节奏控制和质点运动特性计算模型。1 880热连轧产品覆盖多种产品，针对产品以及特性的研究是提高模型设定精度的前提条件，通过确定出钢记号的分类原则以及尺寸及温度等层别的划分，建立物性参数索引、工艺规程索引以及模型自适应参数索引，是1880热连轧模型的基础；轧件温度预测精度是提高模型设定精度以及动态控制精度的核心，在1880热连轧过程机中，采用了全线一体化的轧线温度差分计算模型，分层计算轧件的温度分布以提高温度计算的精度；水平轧机变形区力能参数计算模型是精轧辊缝设定计算的关键，在1880热连轧过程机系统中采用常规模型结合轧制过程相变等因素，提高轧制力预报精度；轧机辊缝设定模型采用了L1／L2一体的设计方式提高L2设定模型精度以及L1动态控制精度；轧件的自动节奏控制和质点运动特性计算模型是轧件搬运过程中时间预报、速度预报的基础，而建立在整个轧件运行基础之上的轧制节奏预报是提高轧制产量以及轧线轧制稳定性的重要模型。
3．5 工艺模型参数的确定及优化 初始工艺模型参数的准确性是决定热负荷试车成败的关键因素之一。在确定初始工艺模型参数的过程中，可以合理参考现有热连轧产线中类似品种、规格的轧制参数。同时需要特别加强对首次投入在线使用的仪表数据的合理性检查，例如温度测量仪表对于轧制力计算的影响、测宽仪设备对导板设定值的影响等。为了避免意外，需要对重要测量数据设置必要且合理的范围。工艺模型参数的快速调整与优化直接影响产品品种与规格的拓展以及产量提升目标的实现。调试前的策划与准备、调整过程中的沟通与实施以及调整后的确认与优化都是热负荷试车至关重要的工作。工艺模型参数的调整与优化主要包括：(1)根据钢种分类确定轧制工艺参数，包括除鳞水、机架水等用水制度，各机架的负荷分配制度、穿带速度制度，侧导板控制余量制度，辊道、夹送辊、卷筒的超前与滞后参数；(2)确定及优化模型参数，如粗轧宽度、温度，以及与厚度相关的模型参数如精轧的温度、轧制力、辊缝等；(3)确定与产品相关的物性参数等。模型参数的调整要遵循先调整基本参数，后调整品种相关参数的原则。
4 小结 宝钢热连轧过程控制技术的发展经历了消化引进、自主改造到系统研发创新的全过程。通过自主开发1880热连轧过程控制系统，掌握了产品、工艺、设备与控制的一体化策划，三电系统功能设计与接口开发，软硬件系统设计以及工艺模型参数确定与优化技术等热连轧过程控制系统开发的关键技术。1880热连轧整体工程提前3．5个月投产，并在热负荷试车后第6个月达到设计产量，同时完成了包括取向硅钢、MP1200高强钢等所有目标钢种的试轧验证工作，表明自主开发的计算机系统能够满足多品种、高精度以及稳定生产的需要。
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责任编辑:黄晶晶
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