D0I:10.13374/1.issnl00103.2007.s2.1B 第29卷增刊2 北京科技大学学报 Vol.29 Suppl.2 2007年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2007 日照1580mm热连轧带钢计算机控制系统 郭强王京王纯宗胜悦申屠南凯项晓菲 北京科技大学高效轧制国家工程研究中心，北京100083 摘要介绍了日照钢铁公司1580m热连轧生产线三电计算机控制系统的组成和投入运行后的数据.该系统实现了粗轧 立辊液压AWC和SSC控制，粗轧机和精轧机液压AGC控制，最新的无芯热卷箱卷取和主动移送控制，精轧液压活套控制、自 动板形闭环控制、高密度CTC控制、卷取机助卷辊AC控制等许多先进的控制技术，使得产品质量和精度大大提高：同时该 系统还提供L2.5级功能，具有对板坯库和成品库及磨辊间管理能力，从而有效地保证了生产组织和工厂管理的顺行化和信 息化· 关键词热连轧：计算机控制：过程控制：基础自动化；板形控制 分类号TP27:TG334.9 日照钢铁公司是新组建的大型钢铁公司，于 最，并且由于液压装置的大量采用以及多个控制功 2006年12月投产的1580mm热连轧生产线是一条 能集中于一个机组而造成的功能间强耦合，使系统 从机械设备、液压系统、电控系统全部国产化的带钢 设计时必须面对两个“高速”要求，即要求“高速控 热连轧工程，主要技术有： 制和“高速通讯”.日钢1580mm热连轧计算机系 (1)实现多级计算机控制：电气传动级(L0级)、 统的网络结构如图1所示，可以看出控制系统按照 基础自动化级(L1级)、过程控制级(L2级)和生产 工艺分成粗轧区、精轧区和卷取区三个相对独立的 管理级(L2.5级) 控制区域，区域内部采用多控制器和多CPU完成设 (2)粗轧立辊采用液压AWC十SSC控制技术； 备的位置、压力控制，控制器之间通过高速网络通 粗轧平辊采用电动十液压压下AGC技术， 讯，区域之间通过以太网完成数据交换，可以满足热 (3)采用无芯热卷箱技术，降低带钢头尾温度 连轧过程对系统的要求，多种网络协议按区域、按 差，降低能耗，缩短作业线长度，降低建设投资 系统统一规划，并经过精心设计，使得数据快慢分 (4)精轧机采用全液压压下和液压AGC控制技 流山，针对不同的通信任务合理分配通信资源，可 术，精轧机间使用低惯量液压活套，精轧机具有弯 以大大提高系统通信效率，并能够有效降低通信系 辊、窜辊功能，可实现板型调节和自由规程轧制 统的配置成本.L2级与L1级之间、L2、L1级系统 (SFR). 内部、HMI系统采用高速光纤以太网通信 (5)卷取机助卷辊采用踏步控制(AC),卷筒无 SIMATIC TDC控制器之间通过GDM全局数据内 级胀缩，避免带钢头部压痕，提高带钢卷取质量， 存网[]实现超高速通信和数据共享，L1级与远程 日钢1580mm项目的三电控制系统，从L0级 I/O和数字传动装置之间通过ProfiBus--DP[3]进行 到L2.5级，全部由高效轧制国家工程研究中心自 通讯，系统具有很强的诊断能力、报警能力和故障 行设计、集成、开发并完成现场调试，在系统设计之 分析能力，提供远程编程和监控功能 初充分考虑了热连轧生产工艺特点以及计算机控制 生产管理级(L2.5级)负责该生产线自连铸坯 系统硬件软件发展趋势，保证了整个控制系统的先 入库至成品出厂的整体产线的生产组织与调度管 进、可靠、简洁和合理 理，实现生产过程物流、信息流同步运行控制，并预 1 系统结构和主要特点 留与企业ERP系统的接口，支持企业“以销定产、以 产促销”的生产组织模式，采用CS结构，通用客户 众所周知，带钢热连轧计算机控制系统不仅在 端应用必须通过应用服务器才能访问，实现数据与 系统规模上及控制功能复杂性上均为治金自动化之 操作的隔离，提高了数据的安全性、可靠性，当应用 收稿日期：2007-09-18 服务器升级后，客户端应用将自动升级为最新应用， 作者简介：郭强(1972一)男，副研究员，硕士 简化了安装、配置、升级维护操作.L2.5级实现了
日照1580mm 热连轧带钢计算机控制系统 郭 强 王 京 王 纯 宗胜悦 申屠南凯 项晓菲 北京科技大学高效轧制国家工程研究中心北京100083 摘 要 介绍了日照钢铁公司1580mm 热连轧生产线三电计算机控制系统的组成和投入运行后的数据．该系统实现了粗轧 立辊液压 AWC 和 SSC 控制粗轧机和精轧机液压 AGC 控制最新的无芯热卷箱卷取和主动移送控制精轧液压活套控制、自 动板形闭环控制、高密度 CTC 控制、卷取机助卷辊 AJC 控制等许多先进的控制技术使得产品质量和精度大大提高．同时该 系统还提供 L2∙5级功能具有对板坯库和成品库及磨辊间管理能力从而有效地保证了生产组织和工厂管理的顺行化和信 息化． 关键词 热连轧；计算机控制；过程控制；基础自动化；板形控制 分类号 TP27；TG334∙9 收稿日期：2007-09-18 作者简介：郭 强（1972—）男副研究员硕士 日照钢铁公司是新组建的大型钢铁公司于 2006年12月投产的1580mm 热连轧生产线是一条 从机械设备、液压系统、电控系统全部国产化的带钢 热连轧工程主要技术有： （1）实现多级计算机控制：电气传动级（L0级）、 基础自动化级（L1级）、过程控制级（L2级）和生产 管理级（L2∙5级）． （2）粗轧立辊采用液压 AWC＋SSC 控制技术； 粗轧平辊采用电动＋液压压下 AGC 技术． （3）采用无芯热卷箱技术降低带钢头尾温度 差降低能耗缩短作业线长度降低建设投资． （4）精轧机采用全液压压下和液压 AGC 控制技 术精轧机间使用低惯量液压活套精轧机具有弯 辊、窜辊功能可实现板型调节和自由规程轧制 （SFR）． （5）卷取机助卷辊采用踏步控制（AJC）卷筒无 级胀缩避免带钢头部压痕提高带钢卷取质量． 日钢1580mm 项目的三电控制系统从 L0级 到 L2∙5级全部由高效轧制国家工程研究中心自 行设计、集成、开发并完成现场调试．在系统设计之 初充分考虑了热连轧生产工艺特点以及计算机控制 系统硬件软件发展趋势保证了整个控制系统的先 进、可靠、简洁和合理． 1 系统结构和主要特点 众所周知带钢热连轧计算机控制系统不仅在 系统规模上及控制功能复杂性上均为冶金自动化之 最并且由于液压装置的大量采用以及多个控制功 能集中于一个机组而造成的功能间强耦合使系统 设计时必须面对两个“高速”要求即要求“高速控 制”和“高速通讯”．日钢1580mm 热连轧计算机系 统的网络结构如图1所示可以看出控制系统按照 工艺分成粗轧区、精轧区和卷取区三个相对独立的 控制区域区域内部采用多控制器和多 CPU 完成设 备的位置、压力控制控制器之间通过高速网络通 讯区域之间通过以太网完成数据交换可以满足热 连轧过程对系统的要求．多种网络协议按区域、按 系统统一规划并经过精心设计使得数据快慢分 流［1］针对不同的通信任务合理分配通信资源可 以大大提高系统通信效率并能够有效降低通信系 统的配置成本．L2级与 L1级之间、L2、L1级系统 内部、HMI 系 统 采 用 高 速 光 纤 以 太 网 通 信． SIMATIC TDC 控制器之间通过 GDM 全局数据内 存网［2］实现超高速通信和数据共享．L1级与远程 I／O 和数字传动装置之间通过 ProfiBus—DP ［3］进行 通讯．系统具有很强的诊断能力、报警能力和故障 分析能力提供远程编程和监控功能． 生产管理级（L2∙5级）负责该生产线自连铸坯 入库至成品出厂的整体产线的生产组织与调度管 理实现生产过程物流、信息流同步运行控制并预 留与企业 ERP 系统的接口支持企业“以销定产、以 产促销”的生产组织模式．采用 C／S 结构通用客户 端应用必须通过应用服务器才能访问实现数据与 操作的隔离提高了数据的安全性、可靠性．当应用 服务器升级后客户端应用将自动升级为最新应用 简化了安装、配置、升级维护操作．L2∙5级实现了 第29卷 增刊2 2007年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29Suppl．2 Dec．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．s2．103
Vol.29 Suppl.2 郭强等：日照1580mm热连轧带钢计算机控制系统 .179. 基于件次的作业计划与调度，支持铸轧间常用的各 (HCR)方式和直接热装(DHCR)方式，目前日钢几 种生产作业计划方式，如冷装(CCR)方式、热装 乎全部采用热装方式，有效地减少了能源损耗， 公司ERP+ (L2.5级) 连铸1.2 L2 Server 软件开发终端 HDS L2.5 Server 过程数据 一软件开发终端轧线终端 L2级 采集分析 Switch Switch Switeh Switch Switch 程取度控制 快请换控制 √R液压AGC控制 /连度胶制 /金液压控制 Switch Switch Switch switch 炉内数据PDI输人终端HMHM 的程和监视 编程和监视HM1 HMI HMI HMI 跟除 (粗轧操作室)（粗轧电气室） (精轧电气室) (精轧操作室) (卷取操作室)（成品库） 图1日照1580mm热连轧计算机网络示意图 L2.5级根据日钢总调下达的生产计划，优化组 产控制指令、调度指令和操作实绩等数据，并可按预 织作业计划，同时根据生产过程实际情况，可对作业 定的流程由系统自动实现不同系统之间的流程集 计划进行干预，在确定轧制规格后，系统根据相应 成 质量规范自动生产热轧各工序质量目标参数、公差 基础自动化级(L1级)主要功能是负责在轧制 参数和检验参数，并按检验规则自动组批检验，形成 过程中根据L2设定值和带钢位置对相关设备的动 生产控制指令，并下达给L2级，另外为保证整个产 作时序进行控制，并为L2提供各测量值和检测信 线物流和设备的正常运行，还负责对原料库、成品 号，硬件采用的是西门子公司最新的高性能控制器 库、磨辊间、备件和点检计划进行管理 多CPU TDC和PLC控制器]，以满足热连轧计算 过程自动化级(L2级)严格地按照生产计划，控 机控制系统的需要，S7系列PLC用于粗轧、热卷、 制板坯从入炉辊道开始，依次经过加热、粗轧、精轧、 跟踪、轧件运送顺序控制以及中等速度位置控制和 层流冷却、卷取等工艺过程，主要由2台PC服务器 速度控制等功能，TDC高性能控制器用于粗轧区、 担任过程控制计算机，通过轧钢中间件系统完成模 精轧区、卷取区高速控制的位置、速度、活套张力等 型计算、板形计算、自学习、加热炉内及轧线数据跟 设备控制，并承担全线质量控制，如HAGC、板形控 踪、轧制节奏计算等功能，在设定计算完成后，设定 制、AJC等)，同时系统中大量采用了远程I/0系 值被立即传递给L1级，L2级主要涉及温降模型、 统，以通信电缆代替硬线I/0电缆，减少电缆数量 负荷分配模型、变形抗力模型、轧制力模型、前滑模 及电缆铺设工作量，提高系统可靠性和灵活性，具 型、宽度模型及轧机本体方面的多种数学模型.L2 体功能包括： 级的人机界面(HMI)操作员站与L1级人机界面合 (1)粗轧热卷箱区：轧件跟踪及跟踪修正、辊道 在一起，减少了操作员的劳动量，L2级与L2.5级 控制、除鳞水控制、粗轧机速度控制、侧导板APC控 之间实现无缝集成，实时传递生产过程中的各种生 制、立辊平辊电动和液压APC控制、平辊轧机
基于件次的作业计划与调度支持铸轧间常用的各 种生产作业计划方式如冷装（CCR） 方式、热装 （HCR）方式和直接热装（DHCR）方式．目前日钢几 乎全部采用热装方式有效地减少了能源损耗． 图1 日照1580mm 热连轧计算机网络示意图 L2∙5级根据日钢总调下达的生产计划优化组 织作业计划同时根据生产过程实际情况可对作业 计划进行干预．在确定轧制规格后系统根据相应 质量规范自动生产热轧各工序质量目标参数、公差 参数和检验参数并按检验规则自动组批检验形成 生产控制指令并下达给 L2级．另外为保证整个产 线物流和设备的正常运行还负责对原料库、成品 库、磨辊间、备件和点检计划进行管理． 过程自动化级（L2级）严格地按照生产计划控 制板坯从入炉辊道开始依次经过加热、粗轧、精轧、 层流冷却、卷取等工艺过程．主要由2台 PC 服务器 担任过程控制计算机通过轧钢中间件系统完成模 型计算、板形计算、自学习、加热炉内及轧线数据跟 踪、轧制节奏计算等功能．在设定计算完成后设定 值被立即传递给 L1级．L2级主要涉及温降模型、 负荷分配模型、变形抗力模型、轧制力模型、前滑模 型、宽度模型及轧机本体方面的多种数学模型．L2 级的人机界面（HMI）操作员站与 L1级人机界面合 在一起减少了操作员的劳动量．L2级与 L2∙5级 之间实现无缝集成实时传递生产过程中的各种生 产控制指令、调度指令和操作实绩等数据并可按预 定的流程由系统自动实现不同系统之间的流程集 成． 基础自动化级（L1级）主要功能是负责在轧制 过程中根据 L2设定值和带钢位置对相关设备的动 作时序进行控制并为 L2提供各测量值和检测信 号．硬件采用的是西门子公司最新的高性能控制器 多 CPU TDC 和 PLC 控制器［3］以满足热连轧计算 机控制系统的需要．S7系列 PLC 用于粗轧、热卷、 跟踪、轧件运送顺序控制以及中等速度位置控制和 速度控制等功能．TDC 高性能控制器用于粗轧区、 精轧区、卷取区高速控制的位置、速度、活套张力等 设备控制并承担全线质量控制如 HAGC、板形控 制、AJC 等［2］．同时系统中大量采用了远程 I／O 系 统以通信电缆代替硬线 I／O 电缆减少电缆数量 及电缆铺设工作量提高系统可靠性和灵活性．具 体功能包括： （1） 粗轧热卷箱区：轧件跟踪及跟踪修正、辊道 控制、除鳞水控制、粗轧机速度控制、侧导板 APC 控 制、立辊平辊电动和液压 APC 控制、平辊轧机 Vol．29Suppl．2 郭 强等： 日照1580mm 热连轧带钢计算机控制系统 ·179·
.180 北京科技大学学报 2007年增刊2 HAGC控制、立辊HAWC和SSC控制、微张力控 产14700吨钢卷的单产纪录，为日钢赢得了良好的 制、模拟轧钢、无芯热卷箱控制、人机界面功能 市场竞争力，创造了可观的经济效益和社会效益 (2)精轧区：飞剪控制、轧件跟踪及跟踪修正、 图2和图3为实际运行数据曲线， 轧制主速度控制、精轧机组与热卷箱开卷速度匹配 控制、精轧机组厚度设定模型及模型自学习、精轧设 备位置控制、活套高度及活套张力控制、HAGC自动 厚度控制系统、活套补偿及偏心补偿等补偿功能、板 -0ue 形设定模型及模型自学习、弯辊力控制及窜辊位置 控制、精轧终轧温度控制、精轧质量分类、人机界面 功能， 870℃ +-20℃ (③)卷取区：卷取跟踪及跟踪修正、热输出辊道 速度超前及滞后控制、夹送辊速度超前及滞后控制、 层流冷却装置和卷取设备设定、卷取温度CTC控 图2测厚仪实测带钢全长厚度和终轧温度曲线 制、侧导板开口度控制、夹送辊辊缝控制、夹送辊与 卷取机间以及与末机架间张力控制、卷取机速度及 1256.51.5的e刀 7器= 张力控制、液压助卷辊跳跃(AJC)控制、钢卷尾部定 位控制、卸卷小车控制、运输链跟踪及控制、卷取区 质量分类、卷取区人机界面功能 2运行效果和推广前景 系统自2006年12月投入运行以来，各项功能 均达到设计要求，满足了热轧带钢生产实际需要，使 1580mm带钢热连轧生产线实现了全自动化生产， 图3测宽仪实测全长宽度曲线 促进了产品质量和产量的提高。系统运行可靠，安 全性高，目前，系统的全自动运行率保持在98%以 日钢热连轧的三电控制系统达到了国内领先水 上；精轧液压AGC、卷取AJC投入率达99%以上， 平，能够充分发挥生产线的能力：该系统设计先 根据2007年3~5月份现场大生产数据统计表明， 进、合理，运行平稳可靠，同时对提高产品质量具有 厚度控制精度在50m以内达到96%以上，见图2； 特别重要的意义，可在国内同类生产线上进行推广 宽度控制精度在0~7mm以内达到97%以上，见图 应用，具有很好的推广价值， 3;凸度控制精度40士20m达到98%，平坦度控制 精度30IU达到97%，温度控制精度士20℃以内达 参考文献 到95%以上，产品合格率在97%以上，成材率96% [I]郭强，王京，自主研发的基于TDC的控制系统在热连轧工程 以上，更值得一提的是，已经成功地在日照1580 中的应用∥PLC8FA.西安，2006 [2]鲍伯样.西门子TDC编程及应用指南.北京：北京航空航天大 mm的轧机上稳定生产1510mm的超宽带钢（设计 学出版社，2006 最大宽度为1430mm),且厚度和板形控制精度均十 [3]王京.冶金自动化控制.北京：治金工业出版社，2007 分优秀，这在世界上都是首屈一指的，而且创造出日
HAGC 控制、立辊 HAWC 和 SSC 控制、微张力控 制、模拟轧钢、无芯热卷箱控制、人机界面功能． （2） 精轧区：飞剪控制、轧件跟踪及跟踪修正、 轧制主速度控制、精轧机组与热卷箱开卷速度匹配 控制、精轧机组厚度设定模型及模型自学习、精轧设 备位置控制、活套高度及活套张力控制、HAGC 自动 厚度控制系统、活套补偿及偏心补偿等补偿功能、板 形设定模型及模型自学习、弯辊力控制及窜辊位置 控制、精轧终轧温度控制、精轧质量分类、人机界面 功能． （3） 卷取区：卷取跟踪及跟踪修正、热输出辊道 速度超前及滞后控制、夹送辊速度超前及滞后控制、 层流冷却装置和卷取设备设定、卷取温度 CTC 控 制、侧导板开口度控制、夹送辊辊缝控制、夹送辊与 卷取机间以及与末机架间张力控制、卷取机速度及 张力控制、液压助卷辊跳跃（AJC）控制、钢卷尾部定 位控制、卸卷小车控制、运输链跟踪及控制、卷取区 质量分类、卷取区人机界面功能． 2 运行效果和推广前景 系统自2006年12月投入运行以来各项功能 均达到设计要求满足了热轧带钢生产实际需要使 1580mm 带钢热连轧生产线实现了全自动化生产 促进了产品质量和产量的提高．系统运行可靠安 全性高．目前系统的全自动运行率保持在98％以 上；精轧液压 AGC、卷取 AJC 投入率达99％以上． 根据2007年3～5月份现场大生产数据统计表明 厚度控制精度在50μm 以内达到96％以上见图2； 宽度控制精度在0～7mm 以内达到97％以上见图 3；凸度控制精度40±20μm 达到98％平坦度控制 精度30IU 达到97％温度控制精度±20℃以内达 到95％以上．产品合格率在97％以上成材率96％ 以上．更值得一提的是已经成功地在日照1580 mm 的轧机上稳定生产1510mm 的超宽带钢（设计 最大宽度为1430mm）且厚度和板形控制精度均十 分优秀这在世界上都是首屈一指的而且创造出日 产14700吨钢卷的单产纪录为日钢赢得了良好的 市场竞争力创造了可观的经济效益和社会效益． 图2和图3为实际运行数据曲线． 图2 测厚仪实测带钢全长厚度和终轧温度曲线 图3 测宽仪实测全长宽度曲线 日钢热连轧的三电控制系统达到了国内领先水 平能够充分发挥生产线的能力．该系统设计先 进、合理运行平稳可靠同时对提高产品质量具有 特别重要的意义可在国内同类生产线上进行推广 应用具有很好的推广价值． 参 考 文 献 ［1］ 郭强王京．自主研发的基于 TDC 的控制系统在热连轧工程 中的应用∥PLC＆FA．西安2006 ［2］ 鲍伯祥．西门子 TDC 编程及应用指南．北京：北京航空航天大 学出版社2006 ［3］ 王京．冶金自动化控制．北京：冶金工业出版社2007 ·180· 北 京 科 技 大 学 学 报 2007年 增刊2
Vol.29 Suppl.2 郭强等：日照1580mm热连轧带钢计算机控制系统 181 The automation control system of Rizhao 1580 hot strip mill GUO Qiang,WANG Jing,WANG Chun,ZONG Shengyue,SHENTU Nankai,XIA NG Xiaofei National Engineering Research Center for Advanced Rolling Technology,University of Science And Technology Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT The structure and effect of the computer control system for Rizhao Iron and Steel Co.1580mm hot strip mill were introduced.Lots of advanced function,such as the auto width control(AWC)and short stroke control(SSC)for edger mill,the auto gauge control(AGC)for rougher and finisher mill,the coiling con- trol and mandrel transfer for the newest generation hot strip coilbox,the hydraulic looper control system,auto shape control system,coiling temperature control(CTC)system,auto jump control(AJC)for wrapper rolls, were developed.The quality and performance of product line were highly improved.Simultaneously level 2.5 (production control)system with slab depot,coil depot and grind house manage function was also provided.So the production organization and factory manage could be assured. KEY WORDS hot strip mill;computer control system:process control:basic automation control:strip shape control
The automation control system of Rizhao1580hot strip mill GUO QiangWA NG JingWA NG ChunZONG ShengyueSHENTU NankaiXIA NG Xiaofei National Engineering Research Center for Advanced Rolling TechnologyUniversity of Science And Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT The structure and effect of the computer control system for Rizhao Iron and Steel Co．1580mm hot strip mill were introduced．Lots of advanced functionsuch as the auto-width control（AWC） and short stroke control（SSC） for edger millthe auto gauge control（AGC） for rougher and finisher millthe coiling control and mandrel transfer for the newest generation hot strip coilboxthe hydraulic looper control systemauto shape control systemcoiling temperature control（CTC） systemauto jump control（AJC） for wrapper rolls were developed．The quality and performance of product line were highly improved．Simultaneously level 2∙5 （production control） system with slab depotcoil depot and grind house manage function was also provided．So the production organization and factory manage could be assured． KEY WORDS hot strip mill；computer control system；process control；basic automation control；strip shape control Vol．29Suppl．2 郭 强等： 日照1580mm 热连轧带钢计算机控制系统 ·181·