2030五机架冷连轧机动态仿真系统

D0I:10.13374/j.issn1001053x.2003.03.045 第25卷第3期 北京科技大学学报 Vol.25 No.3 2003年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2003 2030五机架冷连轧机动态仿真系统 张大志)凌智)宋勇)朱泉封2)周坚刚2)徐忠) 1)北京科技大学高效轧制国家工程研究中心，北京1000832)宝山钢铁（集团）公司，上海201900 摘要通过对冷连轧机进行动态仿真，可以进行新钢种的开发研究以及为轧机改造提供 可靠的参考数据.利用MATRIXX大型仿真系统软件建立了国内第一套五机架冷连轧机动态 仿其系统，详细介绍了仿真系统的整体结构和主要功能.该仿真系统功能完善，仿真精度高 于95%. 关键词冷连轧机：过程控制；动态仿真；参数优化；MATRIXX仿真系统 分类号TG333.71;TP273.1 2030五机架冷连轧机是80年代末从德国引 生产管理计算机(FLS) 进的世界先进水平连轧机，十几年来生产了大量 生产管理级 高质量的冷轧带钢产品，由于经过多年的连续生 设备监视系统(MD) 产，轧机系统及产品的品种规格等为适应新形势 优化计算机(OR) 过程控制级 的需要，而必须进行适当的改进，但如果直接在 生产现场进行改动，则势必会影响生产同时也具 挖制计算机(RR1) 控制计算机(RR2) 板形计算机(PR) 有一定的风险，尤其是试轧以前没有轧制过的新 钢种、新规格带钢时，风险更大.因此，为了进行 基础自动化系统（传动仪表） 新钢种、新规格的开发研究以及为轧机改造提供 图12030冷连轧机计算机控制系统 可靠的数据参考资料，同时又不影响生产，由宝 Fig.1 Computer control system for 2030 cold strip mill 钢技术中心自动化所牵头，包括北京科技大学轧 SERVER 制中心等四家单位联合，共同进行了2030冷连轧 L2 L2物料跟踪显示 MMI 机动态仿真与控制优化系统的开发与研究工作. 1仿真系统结构设计 TCP/IP 1.12030冷连轧机计算机控制系统 L0(1) L0(2) EtherNet 冷连轧机动态仿真系统针对宝钢2030五机 架冷连轧机，其计算机控制系统由三级组成：生 产管理级、过程控制级和基础自动化级，如图1 所示.其中控制计算机RR1主要负责轧线入口段 图22030冷连轧机动态仿真系统网络结构 的控制功能，控制计算机RR2主要负责轧线段的 Fig.2 Network of the dynamic simulation system for 2030 控制功能. cold strip mill 12动态仿真系统网络结构 动态仿真系统主要由SERVER服务器、L2级 2030冷连轧机动态仿真系统网络结构如图2 子系统、L2物料跟踪显示L1级子系统、两个L0 所示 级子系统、MMI动画显示和VC虚拟控制台几个 子系统组成，各子系统计算机之间通过基于TCP/ 收稿日期2002-11-04张大志男，30岁，副研究员 *上海市经贸委重大科研项目 P协议的以太网进行通讯，完成整个仿真功能

第 2 5 卷 第 3 期 2 00 3 年 6 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n iv e r s i yt o f S e i e n e e a n d eT e h n o l o yg B e ij i n g Vb l . 2 5 N 0 . 3 J U l . 2 0 03 2 0 3 0 五机架冷连 轧机动态仿真 系统 张 大 志 ` ’ 凌 智 ” 宋 勇 ” 朱泉封 2 , 周 坚 刚 ” 徐 忠 ” l) 北京 科技大学 高效轧制 国 家工 程研究 中心 , 北京 10 0 0 8 3 2) 宝 山钢 铁( 集团 )公 司 , 上 海 2 01 90 摘 要 通 过对冷 连 轧机进 行 动态 仿真 , 可 以进 行 新钢 种 的开 发研 究 以 及 为轧 机改 造提 供 可靠 的参考数 据 . 利用 M AT 租 X X 大 型仿真 系统软 件 建立 了国 内第一 套五 机 架冷 连轧 机动 态 仿真 系统 , 详 细介 绍 了仿 真 系统 的整 体结 构 和 主要功 能 . 该仿 真 系统 功能 完 善 , 仿真 精度 高 于 95 % . 关键 词 冷 连轧 机 ; 过程 控制 ; 动态 仿真 ; 参 数优 化 ; M A T租X X 仿 真 系统 分类 号 T G 3 3 3 . 7 1 ; T P 2 7 3 . l 2 03 0 五机 架 冷连 轧 机 是 80 年代 末 从德 国引 进的世界 先进水平 连轧 机 , 十几 年来 生 产 了大量 高质 量 的冷 轧 带钢 产 品 . 由于经 过 多年 的连 续 生 产 , 轧机 系 统及 产 品 的品 种规 格 等为 适应 新形 势 的需 要 , 而 必须进行 适当 的改进 , 但如 果 直 接在 生产 现场进 行改动 , 则 势 必会影 响生 产 同 时也具 有一 定 的风 险 户 尤其是 试轧 以 前没有 轧制 过 的新 钢 种 、 新规格 带 钢 时 , 风 险更大 . 因此 , 为 了 进行 新钢种 、 新规格 的 开发 研究 以 及为 轧 机改 造 提供 可 靠的数据 参考 资料 , 同时 又不 影 响 生 产 , 由宝 钢 技术 中心 自动化 所 牵头 , 包括北 京 科技大学 轧 制 中心 等 四家单位联 合 , 共同进行 了 2 0 3 0 冷 连轧 机 动态 仿真与 控制 优 化系统 的 开发 与研究 工作 . 生产管理计算机 伊L )S 优化计算机 (o )R 生产管理级 设备监视系统 (M D ) 过程控制级 控制计算机 ( R R I) } {控制计算机 (RR Z ) } }板形计算机 (P )R 基础 自动化系统 (传动仪表) 图 1 2 0 3 0 冷连 轧 机计 算机 控 制 系 统 F i g · 1 C o m P u t e r e o n t or l s y s t e m fo r 2 03 0 e o dl s t ir p . 沮 L Z 物料跟踪显示 口 }圆} s E R V ER 摹{ 胆! T C P/ IP 妇ù, : ù.L 1 仿真 系统结 构设 计 L l 20 3 0 冷 连 轧机 计 算 机 控 制 系统 冷 连轧机 动 态仿 真 系统针 对 宝 钢 2 0 3 0 五 机 架 冷连 轧 机 , 其计算 机控 制 系 统 由三级 组 成 : 生 产 管 理级 、 过 程控 制 级 和 基础 自动化 级 , 如 图 1 所 示 . 其 中控制计算机 R R I 主要 负 责 轧线 入 口 段 的控制 功 能 , 控 制计算 机 R卫2 主要 负 责轧 线段 的 控 制功能 . 1 .2 动 态仿 真 系统 网络 结构 2 0 3 0 冷连 轧机 动 态仿真系统 网络结 构 如 图 2 所示 . 收稿 日期 2 0 02 一 1 刁4 张 大志 男 , 30 岁 , 副研究 员 * 上海 市经 贸委 重大 科研 项 目 ` C 尚右 L “ ( 尚 L O`肖 hte rN e ’ 图 2 2 0 3 0 冷 连轧机 动 态仿 真 系统 网络 结构 F i g · 2 N e tw o r k o f t h e d y n a m ic s im u l a it o n s y s t e m of r 2 0 3 0 e o l d s t r i P m i ll 动 态仿真 系 统 主要 由 S E RV E R 服 务器 、 L Z 级 子 系统 、 L Z 物料跟 踪 显 示 、 lL 级 子 系统 、 两 个 L O 级子 系统 、 M M I 动 画显 示 和 v C 虚拟 控制 台几个 子 系统组 成 , 各 子 系统计算机 之 间通 过基 于 T C P/ IP 协议 的 以 太 网进 行通 讯 , 完 成 整 个仿真 功 能 . DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2003. 03. 045

Vol.25 No.3 张人志等：2030五机架冷连轧机动态仿真系统 ·263· SERVER服务器包括MATRIXX仿真软件和 系统构建 文档自动生成 仿真系统数据库，是整个仿真系统的控制中心 L2级子系统主要完成冷连轧生产过程最佳化控 日2222 制，以及物料跟踪显示功能.L1级子系统主要完 建模和仿真 数学分析 代码自动转换 成带钢映像、调节切换、厚度调节、压下控制、运 行控制、主令速度给定、焊缝跟踪、活套监控、自 动制动、设定值和测量值处理等功能.L0级子系 分析和设计 实时仿真 统分别由机理模型和状态空间模型两种方式实 现，主要是根据设定数据、信号以及设备固有的 参数，对冷连轧系统设备进行仿真，并将仿真结 硬件测试 硬件系统 果返回上级.VC虚拟控制台和MMl动画显示子 图3 MATRIX软件结构 Fig.3 Construction of MATRIXX 系统，主要是完成主控台操作和监视轧线画面的 功能，能够启动和停止整个轧制仿真系统，手工 界面、信号分析、作图等功能.(3)代码自动转换 设定特定生产控制和工艺参数，发出各种按键操 模块，可以把所建立的仿真模型生成可读的C语 作信号，显示当前系统状态和主要生产控制和工 言代码.(4)硬件集成和测试模块，进行实时仿真 艺参数等 或控制的硬件，包括实时仿真器、实物仿真、控制 1.3仿真系统软件MATRIXX 器仿真.(5)文档自动生成模块，可以自动生成仿 仿真系统采用MATRIXX大型仿真软件，该 真所需要的各种文档.(6)其他硬件系统 仿真软件是一套具有多机协同仿真等优异功能 的先进仿真软件，其开发初期主要应用于航空航 2 MATRIXX下动态仿真系统设计 天工业中的一些复杂系统的仿真，取得了良好的 2.I动态仿真系统在MATRIXX下的结构 应用效果，现在在一般工业的许多复杂系统中也 针对2030冷连轧机计算机控制系统，在MA- 得到了应用.其特点是把系统建模、分析、仿真、 TRIXX仿真软件下进行动态仿真系统设计时分 图形界面、结果分析、数据处理等功能融为一体， 为多个子系统，包括L2优化设定系统、L1过程控 可在多个计算机之间通过网络通讯进行协同仿 制系统，L0设备模型系统、VC虚拟控制台系统和 真.MATRIXX仿真系统软件结构如图3所示. MMI动画显示系统.图中的SUPER BLOCK为集 MATRIXX由以下模块组成：(1)建模和仿真 成了各子系统完整功能的MATRIXX系统格式的 模块，进行Block图的建立和仿真.(2)分析和设计 超级块，整个动态仿真系统在MATRIXX下的结 模块，包括矩阵、线性代数、动态系统分析、用户 构如图4所示. L2 VC SUPER 33 SUPER BLOCK 23 BLOCK 127 0.1 25 0.1 40 VC mmi SUPER 104 BLOCK 214 10 VC 0.01 25 LO MMI 10 mmi 63 SUPER 10 SUPER BLOCK BLOCK 22 0.01 12 10 005 图4动态仿真系统在MATRIXX下的结构 Fig.4 The construct of the dynamic simulation system in MATRIXX

V b l . 2 5 N o . 3 张 大志 等 : 2 0 3 0 五机架 冷 连轧 机动 态仿 真系 统 · 2 63 - S E R V E R 服 务 器包 括 M A T租 X X 仿真软 件 和 仿 真系统 数据库 , 是 整个仿真 系统 的 控制 中心 . L Z 级子 系统 主要 完 成冷 连 轧生 产 过 程最 佳 化控 制 , 以及 物 料 跟踪 显示 功 能 . LI 级 子 系统 主 要完 成 带 钢映 像 、 调节 切 换 、 厚 度 调 节 、 压 下 控 制 、 运 行 控制 、 主令 速度 给 定 、 焊缝跟 踪 、 活套监控 、 自 动 制动 、 设定 值和 测量 值处 理等功 能 . OL 级子 系 统 分别 由机 理 模 型 和状 态空 间模 型 两种 方 式 实 现 , 主要 是根 据 设 定数 据 、 信号 以及 设备 固有 的 参数 , 对 冷连 轧 系 统设备进行 仿真 , 并将 仿真 结 果 返 回 上 级 . V C 虚拟 控 制 台和 M M I 动 画显示 子 系统 , 主要 是完 成 主控 台操 作和监视 轧 线 画 面 的 功 能 , 能够启动 和 停止 整 个轧 制 仿真 系统 , 手 工 设定 特定 生 产控 制 和工 艺参数 , 发 出各种 按键操 作信号 , 显 示 当前 系统状 态 和 主要生 产控 制 和工 艺 参数 等 . 1 . 3 仿 真 系 统 软 件 M A T RI X X 仿真 系统采 用 M A T R IX X 大 型仿 真 软 件 , 该 仿真 软件 是一 套 具有 多机 协 同仿真 等优 异 功 能 的先进仿真 软件 , 其开发 初 期 主要应 用 于航 空航 天 工业 中 的一些 复杂 系统 的仿真 , 取 得 了 良好 的 应 用效果 , 现在 在一 般工 业 的许多复 杂 系统 中也 得 到 了应 用 . 其特 点 是把 系 统建 模 、 分析 、 仿真 、 图形 界 面 、 结果 分析 、 数 据处 理等 功能 融 为一体 , 可 在 多个计算机 之 间通 过 网络 通 讯进 行 协 同仿 真 . M A T R IX X 仿真系统 软件 结 构 如 图 3 所 示 . M A T R IX X 由 以 下模 块 组成 : ( l) 建 模 和仿真 模 块 , 进行 lB oc k 图的建 立和 仿真 . (2) 分析 和设 计 模块 , 包 括 矩 阵 、 线 性代数 、 动 态 系统 分 析 、 用 户 系统 构建 I压亘 日r - , l I匕旦 l目` , J I . 1!1川川! 口 【星吕卫卫夕, l 建模和仿真 数学分析 { 文档 自动 生成 成口鹦怪 代码 自动转换 顾 分析和 画 设计 实时仿真 一咨鑫 .一一」 仁二 . 硬件 测试 硬 件 系统 图 3 M A T R I x x 软件 结构 F ig . 3 C o n s t r u c it o n o f M A T R IX X 界 面 、 信号分析 、 作 图 等功 能 . (3) 代码 自动 转换 模块 , 可 以 把 所建 立 的仿 真模 型生 成可 读 的 C 语 言代码 . (4 ) 硬件 集 成 和测 试模 块 , 进 行 实时 仿 真 或控制 的硬 件 , 包 括实 时仿真器 、 实 物仿 真 、 控制 器 仿真 . ( 5) 文档 自动生 成模块 , 可 以 自动生 成仿 真所 需要 的各种 文 档 . ( 6) 其他 硬 件 系统 . 2 M A T RI X X 下动 态仿真系统设计 .2 1 动 态仿 真 系统 在 M A T F J X X 下 的结 构 针 对 2 0 3 0 冷连 轧机 计算机 控 制系 统 , 在 M A - T RI X X 仿 真 软件 下 进行 动 态仿真 系 统设计时分 为多个子 系统 , 包 括 L Z 优化 设定 系统 、 lL 过 程控 制 系统 、 LO设备模 型 系统 、 V C 虚拟 控制 台 系统 和 M M I 动 画显示 系 统 . 图 中的 S U p E R B L O C K 为集 成 了各子 系统 完整功 能 的 M A T R IX X 系 统格 式 的 超 级块 , 整 个动态 仿真系统 在 M A T班X X 下 的结 构 如 图 4 所 示 . . l ` 祖到岁 } 3 3 立僵斟 i 0 . 1 0 . 1 7 2 3 口 l 乃 三 } 2 5 州 二 n I l日 . l . 口. I .~ ~ ~ 叫 I 如 汇夏S噩U PE R笋 . 1 B L O C K - 口 1吞4 I l 「 生噩互多 枢噩多 P E R - l 0 S0U0P气E R B L O C1K } 2 2勺 B L O C K 图 4 动态仿 真 系统在 M A T RI X X 下 的结构 Fi g . 4 T h e e o n s t r u e t o f t h e d y n a m i e s i m u l a t i o n s y s t e m i n M A T R IX X

·264 北京科技大学学报 2003年第3期 2.2L2级子系统 L0设备级和人机接口MMI的一个承上启下的枢 L2级子系统主要完成冷连轧生产过程最佳 纽部分，同时还承担着厚度、速度等控制任务.它 化控制.包括物料跟踪、轧制规范、设定计算、自 的主要功能就是接受过程最佳化计算机轧制程 适应和自学习以及数据记录与报表功能. 序计算的设定值及有关的参数和外部控制信息， 物料跟踪功能主要是启动及协调各功能程 组织与协调冷连轧机自动化运行.L1级子系统功 序的运行，它需要知道每一个钢卷在轧机内所处 能主要包括带钢映像、调节切换、带钢厚度自动 的具体位置，为此需在轧机区设置一批跟踪点以 调节、压下控制、运行控制、主令速度预给定、焊 及开辟一批数据区，跟踪点的设置及数量与功能 缝跟踪、带钢活套监控、自动制动、设定值和测量 的启动时序有关.表1列出了2030冷连轧机物料 值处理等.L1级仿真系统总体功能结构如图5 跟踪点的位置 所示 表1物料跟踪点位置 L2级仿真系统 Table 1 Material trace position 编号 跟踪点位置 编号 跟踪点位置 L1级仿真系统 1 钢卷确认位置 13第五机架 设定值和测量值处理系统 带钢跟踪系统 2 焊机人口位置 14卷取机1 3 焊机出口位置 15卷取机2 49 活套内6个位置 16钢卷小车1 厚度控制系统 速度控制系统 10 活套出口位置 17钢卷小车2 11 轧机入口位置 18~22运输链上5个位置 12 第一机架 23钢卷检查站 轧制规范可以对五机架冷连轧机生产各种 图51级仿真系统功能结构 规格、各种材料的钢卷的合理生产方案作出抉 Fig.5 Construct of L1 system functions 择，用于收集、检验和匹配所有在这套轧机上轧 在对原控制系统进行深人分析消化的基础 制带钢的设定值计算用到的全部数据，包括钢卷 上，对L1级仿真系统采用以功能为主线进行设 数据、轧辊数据、变形抗力数据、数学模型自适应 计，把L1级分为四大功能块：设定值和测量值处 系数、机械和电气设备数据等. 理系统、带钢跟踪系统、厚度控制系统和速度控 设定计算就是利用数学模型计算各机架压 制系统. 下位置、相对速度、带钢厚度、带钢张力、弯辊力、 (1)带钢跟踪系统包括带钢映像和调节切换， 冷却介质量、材料塑性变形系数、主令速度等 带钢映像准确确定带钢上的特征点到达轧线特 参数. 定位置的时刻，及时发出程序切换信号对轧机进 自适应功能使数学模型与当前轧制的工作 行控制.调节切换通过接收带钢映象信息、设备 点相匹配，在轧制过程中每4s周期地进行自适 信息和人机接口发出的指令信息，准确地掌握轧 应计算.穿带速度运行期数学模型的匹配包括穿 机的运行状态而进行程序的切换控制. 带轧制力、穿带前滑和压下零点校准，稳定速度 (2)厚度控制系统包括厚度调节、位置调节和 运行期数学模型的匹配包括轧制力、转矩和前 压下校正.带钢厚度调节系统是保证冷连轧机生 滑.自学习功能是在数学模型自适应系数基础上 产出高精度、高质量带钢产品的关键程序，由11 计算材料的变形抗力，得到新的变形抗力后重新 个厚控回路构成.位置调节系统负责实现压下位 计算自适应系数， 置调节功能.压下校正功能的作用是在换辊后， 生产记录包括重要的产品质量监督数据和 对液压压下位置传感器进行校准，使厚度、位置 生产操作数据，如钢卷号、材料等级、带钢宽度、 等调节系统能有较高的精度 来料厚度、成品厚度、带钢长度、钢卷质量等.在 (3)速度控制系统包括运行调节、主令速度和 记录的同时，可以通过终端进行过程状态显示. 自动制动.运行调节主要是管理轧机速度状态的 2.3L1级子系统 变更，将轧机转换到所要求的速度状态.主令速 L1级起着重要的作用，它不仅是联系L2级、 度的功能是根据运行控制或其他程序设置的轧

一 2 6 4 - 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 3 年 第 3 期 2. 2 L Z 级 子 系统 L Z 级 子 系 统 主要 完成 冷 连轧 生 产 过 程 最 佳 化控制 . 包括物 料跟 踪 、 轧 制 规 范 、 设定 计算 、 自 适 应 和 自学 习 以 及 数据 记 录与 报 表 功能 . 物 料 跟踪 功 能 主要 是 启 动 及协 调 各 功 能 程 序的运 行 , 它 需要 知 道每 一 个钢 卷在轧 机 内所处 的具体位置 , 为此 需 在轧 机 区 设置一 批 跟踪 点 以 及开辟 一批数据 区 , 跟踪 点 的设置及 数量 与功 能 的启动 时 序有 关 . 表 1 列 出了 2 0 30 冷 连 轧 机物 料 跟踪 点 的位 置 . L O设备级 和人机接 口 M M I 的一 个承上 启下 的枢 纽 部 分 , 同 时还 承担 着厚 度 、 速 度 等控 制任务 . 它 的 主要 功 能 就 是 接 受 过 程 最佳化计算机轧 制程 序 计算 的设定值及 有关的参数和外 部 控制 信息 , 组 织 与协 调冷 连 轧机 自动 化 运行 . LI 级子系统功 能 主要 包 括带 钢 映 像 、 调节 切 换 、 带钢 厚 度 自动 调 节 、 压 下 控制 、 运 行控 制 、 主令速 度 预 给定 、 焊 缝 跟 踪 、 带钢 活套监 控 、 自动制动 、 设定值和测 量 值 处 理 等 . LI 级仿真 系统 总 体功 能 结构 如 图 5 所 示 . 表 1 物 料 跟踪 点位 置 aT b l e 1 M a t e r i a l t r a e e P o s it i o n 跟踪 点位 置 钢 卷 确认位 置 焊 机 人 口 位 置 焊 机 出 口 位 置 活套内 6 个 位 置 活套 出 口 位 置 轧机 人 口 位置 第 一 机架 编 号 跟踪 点 位置 13 第五 机架 14 卷取 机 1 巧 卷取机 2 16 钢卷 小 车 1 17 钢卷 小 车 2 1 8一 2 运 输链 上 5 个位 置 23 钢 卷检 查 站 L Z 级仿真系统 带钢跟踪系统 1 1 日 l" l 厚度控制 系统 速度控制系统 } {} 寺 翩一231 -45 10 l l l 2 轧 制 规 范 可 以 对 五机 架 冷 连轧 机生 产 各 种 规 格 、 各种 材 料的 钢 卷 的合理生 产 方案 作 出抉 择 , 用 于 收集 、 检验 和匹 配 所有 在 这 套轧机 上 轧 制 带钢 的 设定 值计算用 到 的全部 数据 , 包括钢 卷 数据 、 轧辊 数据 、 变形 抗力 数据 、 数学模型 自适 应 系 数 、 机 械 和 电气设备数据 等 . 设定 计算就 是 利 用 数学 模 型计算 各机 架 压 下位置 、 相 对速 度 、 带 钢厚 度 、 带 钢张 力 、 弯辊 力 、 冷却介质量 、 材料 塑性 变 形 系 数 、 主 令 速 度 等 参数 . 自适 应 功 能 使 数学 模型 与 当前 轧 制 的工 作 点相 匹配 , 在轧 制 过 程 中 每 4 5 周期 地 进 行 自适 应计算 . 穿 带 速度运行期 数学 模型 的匹 配包括 穿 带轧 制 力 、 穿带 前滑 和 压下 零点 校 准 , 稳 定 速度 运行期 数 学模 型 的 匹配 包括 轧 制 力 、 转 矩 和前 滑 . 自学 习功 能是 在数学 模型 自适 应 系 数基础上 计算材 料 的 变形 抗 力 , 得 到新 的变 形抗 力 后 重新 计算 自适 应 系数 . 生 产 记 录 包 括 重 要 的 产品 质 量 监 督 数 据 和 生产 操作数据 , 如钢 卷 号 、 材 料 等级 、 带 钢 宽 度 、 来料 厚 度 、 成 品厚度 、 带 钢 长度 、 钢卷 质 量 等 . 在 记 录 的 同时 , 可 以 通 过终 端进行 过程 状态 显示 . .2 3 L l 级 子 系统 lL 级 起着 重要 的作用 , 它 不仅是 联 系 L Z 级 、 图 5 L l 级 仿真 系 统功 能结 构 F ig . 5 C o n s t r u e t o f L l sy s t e m fu n e it o n s 在 对 原 控 制 系 统 进 行 深人 分析 消 化 的基础 上 , 对 lL 级仿真系 统采 用 以 功 能 为 主线 进行设 计 , 把 lL 级 分为 四大 功 能块 : 设定值 和测 量值处 理 系统 、 带钢 跟踪 系统 、 厚 度 控制 系统和 速度 控 制 系统 . ( l) 带钢 跟踪 系 统包括带 钢 映像和 调节 切换 . 带 钢 映像 准 确 确 定 带 钢 上 的 特征 点到 达 轧线 特 定 位 置 的时 刻 , 及 时发 出程 序切换 信号对 轧机 进 行 控 制 . 调 节切 换通 过 接 收 带钢 映象 信息 、 设 备 信息 和人 机接 口 发 出 的指令信息 , 准确地 掌握轧 机 的运行 状 态 而进 行程 序的切 换 控制 . (2) 厚 度控制 系统 包括厚 度 调节 、 位 置 调节 和 压 下校 正 . 带 钢 厚度 调 节 系统 是保证冷 连 轧机 生 产 出高精 度 、 高质 量带 钢产 品 的关键程 序 , 由 n 个 厚控 回路构 成 . 位 置 调节 系统 负责实 现 压下 位 置 调 节功 能 . 压 下校 正 功 能 的作用 是 在换辊 后 , 对 液 压压 下 位 置传 感 器 进行 校 准 , 使厚度 、 位 置 等 调 节 系统 能 有较 高 的精 度 . (3) 速 度控 制 系统 包括运 行 调节 、 主令 速度 和 自动 制动 . 运 行 调节 主要 是 管 理轧 机速 度 状态 的 变 更 , 将 轧机转 换 到所 要 求 的 速度 状 态 . 主令速 度 的功 能是 根 据运 行 控 制 或 其他 程 序设 置 的 轧

Vol.25 No.3 张大志等：2030五机架冷连轧机动态仿真系统 ·265· 机状态信息，确定和计算主令速度和加速度的 轧制力，并计算在零辊缝时轧机的综合刚度和控 值.自动制动功能包括：常规轧制甩尾时，将轧机 制压力.压下仿真依据输入的系统参数、轧件参 制动到带钢甩尾速度；当焊缝和缺陷位置即将进 数、张力系统的附加轧制力和来自L2的指令，计 入轧机时，将轧机减速到过焊缝的主令速度；当 算缸位移和轧制力. 卷取机上钢卷达到预设定钢卷规格时，使轧机降 张力系统根据秒流量相等原理建立实际张 速并启动快速停车 力模型，需用到来自速度系统的两机架的轧辊线 (4)设定值和测量值处理系统包括设定值处 速度，以及来自变形系统的上机架前滑值和下机 理、设定值传输、测量值收集和测量值处理.设定 架的后滑值.张力计对实际张力进行测量，并经 值处理程序功能主要是用优化机电文中的设定 低通滤波器进行滤波得到张力实测值.张力实测 值及手动设定值缓冲区中的手动给定值来计算 值作为反馈量与张力设定值（以及附加张力设定 和确定前置寄存器中的数值，并在必要的时候启 值)进行比较，其偏差信号经张力调节器调节，得 动设定值传送模块把前置寄存器中的设定值传 到附加修正量 送到主寄存器中.设定值传送程序按照时间、节 调压调速控制模块，对主电机采用转速、电 奏把前置寄存器中的数值传送到主寄存器中，并 流双闭环调速.考虑到冷连轧机主传动电动机到 在必要时把这些控制量输出给下级自动控制系 轧辊之间的连接轴比较长，需要考虑弹性负载， 统.测量值收集程序的功能是周期性或偶发性收 增加弹性负载模块.励磁控制模块，仿真时基速 集轧制力、厚度，张力等过程数据和信号，提供给 以下保证励磁恒定，在基速以上采用弱磁调速 其他功能程序实现控制或送给最佳化计算机.测 方式. 量值加工程序对收集来的测量值进行极限值检 变形系统在线仿真模型通过离线仿真得到 查、数据匹配与变换等加工处理 相关修正系数的方式尽量简化，通过以下三种方 2.4L0级子系统 法进行了轧制力计算，自主推导的轧制力模型、 L0级子系统由机理模型和状态空间模型两 利用赫希科克直接求解轧制力和离线仿真模型， 种方式实现，其功能主要是根据设定数据、信号 2.5VC虚拟控制台 以及设备固有的参数，对冷连轧系统设备进行仿 VC虚拟控制台依据现场实际操作台并结合 真，并将仿真结果返回上级计算机.L0级仿真系 仿真系统系统的要求，利用MATRIXX提供的A- 统功能结构如图6所示 tia图形界面工具进行设计，能够启动和停止整个 设定值或控制值 轧制仿真系统，手动设定特定生产控制和工艺参 数.主要功能有钢卷数据调用、轧辊数据输人、仿 外部数据输入接口 真系统需要的各种开关量按键信号和功能选择 信号以及部分测量值的显示画面 下 张力 速度 2.6MM1动画显示 系统 系统 设备仿真 部接收数 MM动画显示子系统利用三维动画软件模 拟生产轧线，主要完成仿真系统监视功能，可以 变形系统 接 实时显示当前系统状态和主要控制参数和工艺 L0系统结构 参数等 图6L0级仿真系统功能结构 3动态仿真系统调试及结果 Fig.6 Construct of LO system functions L0级仿真系统即虚拟轧机设备仿真系统主 31调试数据采集与整理 要由压下系统、张力系统、速度系统和变形系统 为了验证仿真系统的可靠性和精度需要大 四部分组成 量的现场实测数据，为此宝钢专门开发了五机架 压下系统主要完成空载辊缝设定和轧制过 冷连轧机数据实时采集系统，可以对生产数据进 程中压下系统的仿真.空载辊缝设定依据输入的 行全面的采集和处理，利用采集的大量数据就可 设备系统参数和来自L2的指令，计算缸位移和 以对仿真系统进行调试和验证

1 V 6 . N 5 2 o . 3 张大 志 等 : 0 0 3 五机架 冷连 轧机 动态 仿真 系统 · 2 5 6 2 . 机 状 态 信息 , 确 定 和 计算主 令速 度 和 加速 度 的 值 . 自动 制动功 能包 括 : 常规 轧 制甩 尾时 , 将 轧机 制 动 到带 钢甩尾 速 度 ; 当焊 缝 和缺 陷位 置 即将进 人 轧 机 时 , 将轧 机 减 速到 过 焊缝 的 主令速度 ; 当 卷 取机 上钢 卷达 到 预设定 钢卷规 格 时 , 使轧 机降 速 并 启动 快 速停 车 . (4 ) 设 定值和 测量 值 处 理 系统包 括 设定 值处 理 、 设定值 传输 、 测 量值 收集和测 量值处理 . 设 定 值处 理 程序功 能 主 要是用 优 化 机 电 文 中的 设 定 值及 手 动设定 值缓冲区 中 的手 动 给定 值来 计 算 和 确定 前置 寄存器 中的数值 , 并 在必 要 的时候 启 动 设定值传 送 模块 把 前置 寄 存 器 中 的设 定 值传 送 到 主寄存器 中 . 设 定 值传送 程序按 照 时 间 、 节 奏把前 置寄存器 中的数值传送 到 主寄存器 中 , 并 在 必 要 时把 这 些控 制 量 输 出给 下级 自动 控 制 系 统 . 测 量值收集程序 的功 能 是周期 性 或偶发 性 收 集轧制力 、 厚度 、 张力 等 过程数据 和信号 , 提供 给 其他 功 能程序 实 现控 制或 送给 最佳 化计 算机 . 测 量 值加工 程 序 对 收集 来 的测 量值进 行 极 限 值 检 查 、 数据 匹 配 与 变换 等加 工 处理 . 2.4 L O 级子 系统 LO 级 子 系统 由机 理 模型 和状 态 空 间模 型 两 种 方式 实现 , 其功能 主 要是 根据 设定 数据 、 信号 以及 设备 固有 的参 数 , 对 冷连 轧 系统设备进 行仿 真 , 并将仿真 结 果返 回 上级 计算 机 . L O 级仿真 系 统 功能 结构 如 图 6 所 示 . 设定值或控制值 外部数据输入接 口 据外部接收数口 输设备仿真出 压下 卜一引张力 系统 } l 系统 速度 系统 变形系统 L O 系统结构 车L制 力 , 并计算在 零辊 缝时轧 机 的综合 刚度 和控 制 压 力 . 压 下 仿真 依据输 入 的 系统 参 数 、 轧 件参 数 、 张 力系 统 的附加 轧 制 力 和来 自 L Z 的指 令 , 计 算缸 位移 和 轧制 力 . 张 力 系 统 根 据 秒 流 量 相 等原 理 建立 实 际 张 力 模 型 , 需 用 到来 自速 度 系统 的两 机架 的轧 辊线 速 度 , 以及 来 自变 形系 统 的上机 架前 滑值 和 下机 架 的后 滑 值 . 张力 计 对实 际 张力 进 行测 量 , 并经 低 通滤 波器进行 滤 波得 到张力 实 测值 张力 实测 值作为 反馈 量 与张力 设定 值( 以 及 附加 张力设定 值 )进 行 比 较 , 其偏 差信号经 张力 调 节器调 节 , 得 到 附加 修 正量 . 调压 调 速控 制 模块 , 对 主 电机 采用 转速 、 电 流 双 闭环调 速 . 考 虑到 冷连 轧机 主传 动 电动 机到 轧 辊之 间 的连 接轴 比 较 长 , 需 要 考虑 弹性 负载 , 增 加 弹性 负载 模块 . 励 磁 控制 模块 , 仿真时基 速 以 下 保 证励 磁 恒 定 , 在 基 速 以 上 采 用弱 磁 调 速 方 式 . 变 形 系统 在线 仿 真 模 型通 过 离 线 仿真 得 到 相关修正 系数 的方式尽量 简化 , 通过 以 下 三种 方 法进 行 了轧 制 力计算 , 自主推 导 的轧 制 力模型 、 利用 赫希科 克直 接求解 轧 制力 和 离线 仿真 模型 . .2 5 v C 虚 拟 控 制 台 V C 虚拟 控 制 台依据 现场 实 际操 作 台 并结 合 仿 真 系统 系统 的要 求 , 利用 M AT 租X X 提 供 的 lA - iat 图形 界 面工具 进行 设计 , 能够 启动 和停止整 个 轧制 仿 真系统 , 手动 设定 特定 生 产控 制和 工艺 参 数 . 主要 功 能有 钢卷数据调 用 、 轧辊 数据输人 、 仿 真 系统 需 要 的 各种 开关量 按 键信号 和功 能 选 择 信 号 以 及部 分 测量 值 的显示 画 面 . .2 6 M M I 动 画 显 示 M M I 动 画显示 子 系 统利 用 三维 动 画 软件模 拟 生产 轧 线 , 主 要完成 仿真系统 监视 功 能 , 可 以 实 时 显示 当前 系 统状 态 和 主要 控制参数 和工 艺 参数等 . 图 6 L O 级 仿真 系 统 功能 结构 F i g . 6 C o n s t r u c t o f L O s y s t e m fu n e t i o n s L O 级 仿真 系统 即 虚拟 轧 机设备 仿真系 统 主 要 由压 下 系统 、 张力 系统 、 速 度 系统 和 变形 系 统 四 部分 组 成 . 压 下 系统 主要 完 成 空 载 辊 缝设 定 和 轧 制 过 程 中压 下系统 的仿真 . 空 载辊 缝设定依 据输 人 的 设备系统参数 和来 自 L Z 的 指令 , 计算 缸位 移 和 3 动态仿 真 系 统 调 试及结 果 .3 1 调 试 数据 采 集与 整 理 为 了验 证仿 真 系统 的可 靠 性 和 精度 需 要 大 量 的现 场实测 数 据 , 为此 宝钢 专门开 发 了 五机 架 冷连 轧 机数 据实 时采集 系 统 , 可 以 对生产 数据 进 行全 面 的采集 和 处理 , 利 用采 集 的大 量数 据就 可 以 对仿真 系统 进行 调 试 和验 证

·266· 北京科技大学学报 2003年第3期 3.2系统调试 4结论 由于整个仿真系统由多个科研单位共同设 计，首先是完成各子系统的调试工作，各子系统 2030五机架冷连轧机动态仿真系统是国内 在调试过程中进一步核实了系统之间大量的接 第一套大型冷连轧机仿真系统，仿真系统与生产 口数据和信号，为系统综合调试打下了基础.在 实际相结合、功能完善、精度高.利用该仿真系统 完成子系统调试工作的基础上，以生产工艺为主 可以进行新钢种、新规格的开发研究，为轧机改 线对整个仿真系统进行综合调试，实际生产工艺 造提供可靠的参考数据.仿真系统的建立对于推 主线主要包括：穿带过程、甩尾过程、过焊缝控 动我国冷连轧机系统仿真研究及开发冷轧带钢 制、段跟踪、G4后断带同步、带头/尾向前点动、连 新产品都具有重要意义 轧时G5后剪切处理、“恒轧制力启动”按键、“打 参考文献 开辊缝到空辊缝位置”按键、预选常规/连轧、“释 1孙一康.带钢冷连轧机计算机控制M.北京：冶金 放/封锁G1、G2、G4/G5厚控回路”按键、“预选G5 工业出版社，2002 厚控模式A”按键、“预选G5厚控模式B”按键、 2李庆尧，杨弘鸣.带钢冷连轧机过程控制计算机及 “预选G5厚控模式C”按键、有带钢校正、空辊缝 应用软件设计M.北京：冶金工业出版社，1995 校正、有带钢启动、有带钢停车、加速、减速、恒 3管克智.冶金机械自动化M.北京：治金工业出版 速、快停等. 社，1998 4唐谋风.现代带钢冷连轧机的自动化M).北京：冶 3.3结果分析 金工业出版社，1995 利用实测现场生产数据对冷连轧机的各种 5郝培锋冷连轧计算机控制仿真系统结构与功能[). 生产工艺过程和仿真系统的各控制功能都进行 计算机仿真，2000(9少：56 了详细的测试和分析，仿真结果完全满足合同要 6潘学军，张承进，柴天佑.冷连轧过程仿真软件包的 求.例如，L1级的11个厚度自动控制系统仿真结 研制[】.系统仿真学报，1998(10)：20 果表明，各厚控回路的的设计均符合要求，仿真 7徐耀襄，华建新.宝钢2030冷连轧机轧制规程及其 调试结果满足了合同提出的精度不低于95%的 优化[.轧钢，1991(5)：6 要求，已经通过了宝钢专家的鉴定 Dynamic Simulation System of 2030 5-Stand Cold Strip Rolling Mill ZHANG Dazhi,LING Zhi,SONG Yong",ZHU Quanfeng",ZHOU Jiangang",XU Zhong" 1)National Engineering Research Center for Advanced Rolling Technology,University of Science and Technology Beijing,Beijing 10083,China 2)Baoshan Iron and Steel (Group)Corporation,Shanghai 201900 ABSTRACT The research and development of new strip product can be done by using the dynamic simulation system,and also reliable data can be obtained for the innovation of old mill.The first set of dynamic simulation sys- tem of cold strip rolling mill is built by using the simulation software MATRIXX.The construct and main functions of the dynamic simulation system is described.The simulation system has integrated functions and the simulation precision is more than 95%. KEY WORDS cold strip rolling mill;process control;dynamic simulation;parameter optimization;MATRIXX simulation system

一 2 6 6 - 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 3 年 第 3期 1 2 系 统调 试 由 于整 个仿真 系统 由 多 个科研单位 共 同设 计 , 首 先 是完成 各 子 系统 的调 试工 作 , 各子 系统 在 调 试过 程 中进 一 步 核 实 了 系统 之 间大 量 的接 口 数据 和信号 , 为 系统综 合调 试打 下 了基础 . 在 完成子 系统调 试工作的 基础 上 , 以 生 产工 艺 为 主 线 对整个仿真 系统进行 综合 调试 . 实 际生 产 工艺 主线 主 要包括 : 穿 带 过程 、 甩 尾 过 程 、 过 焊缝控 制 、 段 跟 踪 、 G 4 后断 带 同步 、 带 头 /尾 向前点动 、 连 轧 时 G S 后 剪 切处 理 、 “ 恒 轧制 力 启 动 ” 按键 、 “ 打 开辊 缝到空 辊缝位 置 ” 按 键 、 预 选 常规 /连轧 、 “ 释 放 /封锁 G l 、 G Z 、 G 4/ G S 厚控 回路 ,’ 按 键 、 “ 预选 G S 厚 控模式 ’A , 按键 、 “ 预选 G S 厚控模式 ’B 按键 、 “ 预 选 G S 厚控模式 ’C 按键 、 有 带钢 校 正 、 空辊 缝 校 正 、 有 带钢 启 动 、 有 带 钢停车 、 加 速 、 减速 、 恒 速 、 快停 等 . .3 3 结 果 分 析 利 用 实测 现 场 生 产 数据 对冷 连 轧 机 的各 种 生 产 工 艺 过 程 和 仿真系 统 的各 控 制 功 能都进 行 了详细 的测 试和分析 , 仿真结果完 全满 足合 同要 求 . 例如 , L l 级 的 n 个厚 度 自动 控 制 系统 仿真结 果 表 明 , 各厚控 回路的 的设计均符合要 求 , 仿 真 调 试结 果 满 足 了合 同提出 的 精度 不 低于 95 % 的 要 求 , 已 经通 过 了宝 钢专家 的 鉴定 . 4 结 论 2 03 0 五 机架 冷 连 轧机 动 态 仿真系 统 是国 内 第一 套 大 型冷 连轧 机仿真系 统 , 仿真系 统 与生产 实 际相结 合 、 功能 完善 、 精度 高 . 利用 该仿真系统 可 以 进 行新 钢种 、 新 规格 的开 发研 究 , 为 轧 机改 造 提供 可靠 的参考 数据 . 仿真系统 的建 立对于 推 动 我 国冷 连 轧机 系统 仿真研究 及开 发 冷轧 带钢 新 产品都 具有重 要 意 义 参 考 文 献 1 孙 一康 . 带钢 冷 连轧 机计算机 控 制 「M I . 北 京: 冶 金 工 业 出版 社 , 20 02 2 李庆 尧 , 杨 弘鸣 . 带 钢冷 连 轧机 过程 控制 计算机 及 应 用软 件设计!M ] . 北 京 : 冶金 工 业 出版社 , 19 95 3 管 克智 . 冶金 机械 自动化 IM I . 北京 : 冶金 工 业 出版 社 , 19 9 8 4 唐 谋凤 . 现代带钢 冷 连轧 机 的 自动化 [M ] . 北 京 : 冶 金 工业 出版社 , 19 95 5 郝 培锋 . 冷连 轧计 算机 控制 仿真 系统 结构 与功 能 [J] . 计算机仿 真 , 2 0 0 0 ( 9 ) : 5 6 6 潘 学 军 , 张 承进 , 柴天 佑 . 冷 连轧 过 程仿真软 件包 的 研 制 [J ] . 系 统仿 真学 报 , 1 9 9 5 ( 1 0 ) : 20 7 徐 耀寰 , 华 建新 . 宝钢 2 0 30 冷连 轧机 轧 制规 程及 其 优 化 [J ] . 轧 钢 , 1 9 9 1( 5 ) : 6 D yn am i c S im u l a t i o n S y s t e m o f 2 0 3 0 5 一 S t an d C o l d S tr iP R o lli n g M ill Z子IA N G D az hi’ , , L石VG hZ il) , S口N G oY gn , , , Z H U Q ua fen 心 , , Z H O U iaJ 刀g 。 心 ,尸丫U hZ o心 , l ) N at i o n a l E n g i n e e r i飞 R e s e ar e h C e n etr fo r A d v an c e d R o lli n g eT e hn o l o既 U n i v e sr iyt o f s e i e n c e an d eT c hn o l o 罗 B e ij ign , B e ij i呢 10 0 8 3 , C hin a 2 ) B ao sh an I r o n an d S te e l (rG ou P ) C o rp o art i o n , S h an gh a i 2 0 19 0 0 A B S T R A C T hT e re s e acr h an d d e v e l o Pm e nt o f n e w s itr P P r o d cu t e an b e d o n e b y us i n g ht e dy n am i e s im u l at ion s y st em , an d al s o er li ab l e d at e an b e Ob t a i n e d fo r het in o v at i o n o f o l d m i ll . hT e if sr t s e t o f dy n am i e s imu l at i o n s y s - et m o f e o ld istr P or l lign m ill 1 5 b u ilt by u s i n g ht e s im u l at i o n s o ft w ar e M AT R 】X X . hT e e o n s tr u c t an d m ia n if 刀 l e tion s o f ht e d y n am i e s im u l at i o n s y s t e m 1 5 d e s e ir b e d . hT e s im u lat i o n s y s t e m h a s i nt e gr at e d fu n e t i o n s an d ht e s而ul at i o n P r e e i s i o n 1 5 m o er ht an 9 5% . K E Y W O R D S e o l d s itr P r o ll i n g m ill: P r o e e s s e o in r o l : 勿 n am i e s im u l at i o n : P a r a r n e t e r o Pt im i atZ i o n ; M A T R IX X s im u l at i o n s y s te m