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1、,轧制自动化技术 孙一康 北京科技大学,轧制自动化技术 包括： A 轧制过程 “计算机控制 系统” B 轧制过程 “模型与控制 功能”,用于冷热带钢连轧机的 快速过程计算机控制系统,二类生产过程的计算机控制系统 （1）冶炼（炼铁、炼钢、连铸），化工，炼油等 过程的 Process Control 计算机系统 （2）轧钢过程的 Drive Control 计算机系统 Process Control目前广泛采用 DCS 及 PLC 系统，全世界有许多 公司能提供这类系统.,轧钢过程自动化的特点 以 冷热带钢连轧 过程为代表的轧钢自动化系统具有以下特点 1）基于液压系统的控制机构要求较高的控制周期，
2、目前采用的控制周期为 12ms 2）各目标变量的控制存在较强的相互影响,要求各控制器间高的通讯速度, 通讯周期为 1ms,各控制功能间的相互影响,正是由于这两个 “高速” 要求，长期来世界上仅4-5 家大电气公司具有成套提供用于冷热连轧这一类 “快速过程计算机控制系统” 的能力 (如德国的西门子，日本/美国的东芝 / 三菱 /GE- TIMAC, 法国的ALSTOM等) 我国长期来各新建及改造的宽带冷热连轧机的自动化系统 90 年代前都是依靠从国外成套引进。,各公司的轧钢控制系统 从拓朴结构上看可分成: *平铺性结构 *区域控制器群结构 *超高速网结构,VAX,备用,VXI,VXI,HMI,M
3、AC-DS,DPU,V-channel,工程师站,Westnet ll,Remote I/O,图2a 平铺性结构-西屋用于轧钢的WDPF系统,远程I/O,(2-3 ms),(100ms),(1)平铺型结构 (WDPF系统) L2 / L1- Westnet 网 (数据更新周期 1001000ms) LI / L1 - V-Channel 高速网 (数据更新周期 35 ms) L1 / L0 -V-Channel 高速网 (数据更新周期 35 ms),图2b 区域控制器群-西门子的 SIMADYN D 系统,L2 COMPUTER,西门子采用多条”点对点” H网连接一个区的各个控制器 ( 1-2
4、ms ), SIMATIC TDC则改为GLOBAL DATA MEMORY， (GDM性能为350Mb/s，站与站间300米，允许连32个站，因此只能采用区域控制器群结构)。,(2)区域控制器群结构 (Siemens系统) L2 / L1- 以太 网 (数据更新周期 1001000ms) LI / L1 - GDM 高速网 (数据更新周期 1- 2 ms) L1 / L0 -GDM 高速网或 DP网 (数据更新周期 1- 2 ms),图2c 超高速网-三菱 Melplac 系统,三菱小型机,(3)超高速网结构 (三菱系统) L2 / L1, L1 / L1及 L1 / L0 - 三菱高速网
5、(数据更新周期 1000ms 100ms 1.7 ms),97 - 01年 鞍钢 1700 mm 热连轧 自主集成计算机控制系统. 系统按 ”开放结构 ” 的原则选择 基于 VMEbus 的 多 CPU PLC 及 多 CPU 控制器 以及以太网,内存映象网 ( RTnet 170 2000Mb/s ), DP网构成 快速过程计算机控制系统,自主集成系统所采用的技术 多层通讯网络， 包括: (1)以太网（100 1000Mb/s）， (2)RTNet（内存映象网 2000Mb/s） (3) DP网 (连接远程I/O，主辅传动控制器 辅助设施的中小 PLC，HMI 的 OPU) L1-多个 MU
6、LTI-CPU VME总线 控制器 L2-2 * ALPHA or 多个 PC Servers L2/L1统一的HMI系统（包括 OPS及OPU),为了高速通讯 ,自主集成系统 采用 内存映象网（Reflective Memory Net 或 RTNet-2000Mb/s), 站与站间距离最大允许10Km。,RTNet（内存映象网） 适用于VMEbus，PCIbus （可连接 ALPHA，安腾机，PC Server, PC机） 光纤网 (可接256个站) 站与站距离可达10KM 站开销700ns300ns 具有软件冗余功能（通讯速率减半）,170Mb/s2000Mb/s,A,B,C,A,B,C
7、,A,B,C,自主集成系统 为了满足冷热带钢连轧这一类 ”快速过程“ 高速控制 要求, 自主集成系统 必须采用多控制器及控制器内采用多CPU的结构 所谓多CPU是指机箱内有2个或多个CPU模块，第一槽为主CPU, 由其管理箱内VME总线。,采用以太网, RTNet 及 DP网 三层网 可以构成: *超高速网结构 ( L2/L1, L1控制器间 用内存映象网, L1/L0间用DP网 ) *区域控制器群结构（L1/L2间用以太网， 各区内的L1控制器用内存映象网, L1/L0 间用DP网 * 当L2采用多台PC服务器时也可采用自动化岛屿 结构，一个区的L2与L1构成超高速网结构，不同区的自动化岛屿
8、用以太网连接,RTNet,以太网,HMI服务器,OPS+OPU,DP,DP,（质量控制器，顺序逻辑控制器，机架控制器，传动控制器，介质控制器） 系统结构一,以太网,DP,RTNet,系统结构二,DP,冗余,区域主管,传动控制器,机架控制器 （主CPU多块 专用控制模板）,DP,质量控制,介质控制器,DP,服务器,HMI,OPSOPU,服务器,HMI,OPSOPU,L2 小型机,服务器,HMI,OPSOPU,服务器,HMI,OPSOPU,DP,DP,PC (L2),RTNet,系统结构三,自主集成系统优点: (1)开放性 允许插入第三厂家的VMEbus，modules（CPU，I/O，网卡) 采
9、用标准的操作系统OPEN VMS , WINDOWS， VxWork 备件不受任一个公司的限制 系统可通过备件来不断升级， 初始投资硬件系统为引进系统的1/2，硬软 件系统为成套引进的1/3 1/4,高速通讯网性能比较,0.5 ms,255个站，每两个站间距离最大为10公里,2000Mb/s,自主集成 (RTNet),1.7ms,255个站,170Mb/s,三菱（1780）,1.0ms,32个站，最大范围为300米,350Mb/s,西门子 (GDM),2 ms,255个站,150Mb/s,GE(SCRAM),数据最快更新时间,网络规模,高速网通讯速率,系统,HPC性能比较,自主集成的计算机控制
10、系统 及 以此系统为平台开发的数学模型及控制软件 已成功地应用于: * 鞍钢1700 ASP，2150 ASP，1580热连轧 * 济钢1700, * 北台1780 12套 1250 -1700热连轧, 最长的运行时间已有19年。,系统中设特殊功能站，包括： 故障诊断站（硬件系统，网络及应用软件故障诊断，甚至主要机电设备诊断 数据采集及质量分析站（可以iba硬软件为基础开发冶炼及轧钢模型及质量控制专用分析软件 实时调试站: 可构成 “虚拟高炉”、“虚拟转炉”及“虚拟轧机”）。,离线模拟轧钢-调试跟踪程序及顺控程序 离线模拟轧钢软件 模拟 1-3 块轧件在轧线上运行时将使 各 CMD, HMD,
11、 LR 产生的 Pick-up 及 Drop-out 信号，以便对“跟踪程序”及”顺控程序” 进行离线调试。,虚拟轧机-调试质量控制程序 虚拟轧机为一个多CPU机箱, 每个CPU设有 描述一个机构”动特性”的软件, 整个多CPU机箱 为一台轧机 - 数字轧机 ( 虚拟轧机 ). 将虚拟轧机机箱和计算机控制系统连接后可 对控制软件 ( AGC,ASC ) 进行离线实时调试。,轧钢过程 计算机控制功能概述,轧钢过程计算机控制功能包括 （1）L2的设定数学模型（厚度，板形，温度， 宽度） （2）L1的 * 顺序逻辑控制 * 设备控制（位置，速度，弯窜辊等） * 质量控制（AGC，ASC，CTC，AW
12、C） 影响质量指标的主要是数学模型 和 质量控制。,（一）过程自动化级设定模型及模型自学习 带钢冷热连轧数学模型基于传热学,塑性力学及弹性力学理论，因此机理比较成熟。 ,然后对具体轧机现场采集大批数据通过统计回归确定模型系数来保证模型的定量精度。 但正是由于需采用大批量实测数据进行统计，使模型本质上具有平均性质，因此设定模型先天存在误差，亦即模型对特定环境下的某一块钢进行预报时必将会有一定的误差。,目前采用基于 “指数平滑” 递推公式 的模型自学习，利用紧接着本块钢的前一块钢的实测数据来获得特定环境的信息对本块钢的模型中自学习系数修正。,为了提高学习效果又避免产生振荡。我们用 “动态增益”，即
13、对指数平滑公式中增益采用”随偏差“大小而改变的策略，偏差大时加大增益以”加快” 学习修正，而当偏差小时应及时减小增益”以免” 学习发生振荡。,* 穿带估计 (EST) * 动态设定 (DSU) * 快速监控（FMN）,开发了：,为了补偿学习“过程”中的头部命中率，开发了头部拯救功能。,1) 穿带估计 (EST) 利用上一块带钢穿带后的实测头部精度，在考虑上一块钢与本块钢差别(粗轧出口温度，自学习后各机架辊缝设定的变动的影响)来估计本块钢如穿带将会有的头部精度。,2） DSU 由于模型所依据的实测粗轧出口温度仅为带坯表面温度，当加热/均热时间 过长表面温度将与实际平均温度有差别，从而使模型预报不
14、准。,为此需利用带坯咬入F1，F2后根据实测轧制力所反映出的带坯实际硬度(当与计算硬度有差时)对后四个机架进行修正， 动态设定 (DSU),AGC，特别是反馈AGC的控制效果明显地受到头部命中率影响，我们采用了快速监控（FMN）功能，即当带头到达X射线测厚仪（延时一秒后采二秒取平均），如发现厚差超过50，就对后四个机架液压压下进行快速一次性下压/上抬以纠正头部厚差，以便反馈AGC能以绝对AGC方式投入。,（二）自动厚度控制（AGC） 长期来AGC系统以反馈为主加上监控AGC组成。 考虑到热轧厚差产生的主要原因是温度波动，特别是带钢头端部的鼓包，本体部分的水印以及尾端部的尖峰，由于是突发性厚差反
15、馈效果由于滞后而受限。,为此近年来推出了不少基于温度（硬度）的 前馈方案(加拿大FFFAGC -轧制力前馈）， 浦相的水印前馈控制以及我们在鞍钢1700 ASP采 用的 KFFAGC（硬度前馈），都取得了良好效 果，有效地提高了厚差精度百分比。,影响冷热带钢质量的主要原因 : 冷热带钢轧制的主要外扰不是厚度,而是硬度(温度) 波动. 传统厚度控制系统依靠的是厚度信息，即 以本机架厚差”反馈”控制 (FB-AGC,) 为主， 以前一机架厚差进行”前馈”控制（FF-AGC,) 为辅。,新的厚度控制策略: 用温度 ( 硬度 ) 信息进行 “前馈 控制”。 为此提出: * 硬度前馈控制, 包括KFF-
16、AGC 及 KFF-ASC *末机架恒轧制力控制 KFF-RFC 以及与此配套的保持活套高度恒定的 主速度 前馈控制 KFF-MSC。,硬度前馈控制 (KFF-AGC 及 KFF-ASC) (a)硬度信息的检测: 对F1/F2的每一个段带钢测量轧制力 (辊缝不动) 得到 P 后即可求出K. 由于: P = BHH +BK K + BS S, 当 S = 0时 K = (P - BHH ) / BK （而K(i) =(i) K(2) ）,(b) 硬度前馈控制 用此 K (硬度) 前馈控制 F3-F7的S及f 为了使 h = 0 及CR = 0， S = -（AH H +AK K ）/AS （KF
17、F-AGC） F = -（GH H +GK K +GS S ）/ GF （KFF-ASC）,末机架恒轧制力控制 （KFF-RFC） 不动末机架 辊缝,采用一个入口厚差H(n), 即h(n-1)来补偿，使末机架轧制力恒定 因而使成品厚度及凸度(平坦度)恒定 P(n) =BH H(n) +BK K(n) +BS S(n),以上述基于温度(硬度)信息,并以前馈控制 为主，以反馈控制 (FB-AGC，FB-ASC， FB-FTC) 及 监控功能（MN-AGC，MN- ASC）为辅的新控制策略。 这将可使热带精轧机组质量控制 提高到一个新的水平。,L1的传统质量控制功能： AGC（GM-AGC，FF-A
18、GC，MN-AGC） ASC（FF-ASC， FB-ASC） AWC（FB-AWC，FF-AWC） FTC / CTC（FF-CTC，FB-CTC） L1新控制策略的功能： AGC（GM-AGC，MN-AGC + KFF-AGC，KFF-RFC） ASC （ FF-ASC， FB-ASC + KFF-ASC，KFF-RFC） AWC（FB-AWC，FF-AWC） FTC ( FB-FTC + KFF-SPY CTC（FF-CTC，FB-CTC）,表一,表二,表三,表四 不同规格考核范围,考核范围,为考核范围,（三）自动板形控制 精轧机组的板形（凸度，平坦度，甚至 边部减薄）控制可分为F2F3的
19、凸度控 制，F4F6的平坦度保持以及F6，F7的凸 度及平坦度反馈控制。,板形控制 目前国内大部分热连轧机采用 SMS 的CVC，三菱的PC 鞍钢1700 ASP （以及2150 ASP）采用了自主研发的辊型 1、F2-F3采用 LVC 线性可变凸度工作辊辊型， 它不仅具有CVC 所有的二次空载辊缝凸度，它还 具有高次空载辊缝凸度，具有消除复杂浪形的能力,2、F2-F5采用 ASPB 支撑辊辊形，使BU / WR 间 接触长度与带宽自动适应，消除有害接触区提高了 抗干扰（板形）能力，增加了弯辊力控制效果 3、F4-F6采用工作辊平辊窜动以解决均匀磨损， 提高同宽度轧制公里数（特别适用于连铸连轧
20、）,4、F1-F6采用在线弯辊力控制，并加上冷辊型设计 提高了上游机架控制凸度（LVC，弯辊）设定， 中游机架控制相对凸度恒定（平坦度），下游机架弯 辊力反馈控制（凸度及平坦度）及均匀磨损（自由轧 制）以及各机架弯辊的轧制力前馈控制（消除AGC 影 响）及ASPB 对边降的改善来综合提高板形控制能力,板形控制包括FFAGC及FBASC，前者是 当AGC动作（或温度变动较大）使轧制力变动 时，为了不使出口凸度（将影响平坦度）受到影 响而前馈控制弯辊力，后者则需有凸度仪和平坦 度仪来实现反馈控制。,凸度统计,平坦度统计,精度指标,头部 6.0mm,国外公司 北台,+/- 40 um 95.4% +
21、/- 50 um 95.4% +/- 75 um 95.4% +/- 100 um 95.4%,+/- 40 um 95.4% +/- 50 um 95.4% +/- 60 um 95.4% +/- 75 um 95.4%,精度指标, 6.0mm,国外公司 北台,+/- 30 um 98.5% +/- 35 um 98.5% +/- 60 um 98.5% +/- 75 um 98.5%,+/- 30 um 98.5% +/- 35 um 98.5% +/- 40 um 98.5% +/- 50 um 98.5%,本体,温度,北台,+ / - 18 C 98.5%,宽度,凸度,2mm + /
22、- 1% 25mm + / - 0.02mm 5 mm + / - 0.03mm 95.4%,The same,平坦度, 1200mm 30 I,The same,0 8 mm 95.4%,谢谢！,！,综合上述各系统: L2-采用 (1) 1-2台L2 COMPUTER + 备用 (2) 4-5台PC Servers + 备用 L1 - 多台”多CPU控制器” L0- 数字电气传动 (DC, AC/AC, AC/DC/AC) 及 数字液压传动 L2/L1/L0间采用三层网络 (1) 以太网 (2) 高速网 (3) 现场总线网 三层网络的不同连接可构成: (1)平铺型 (2)区域控制器群 (3)
23、超高速网 (4)其它结构,离线/在线实时调试 (1)”离线/在线” 模拟轧钢 - 调试 跟踪程序 及 顺控程序 (2) “虚拟轧机” - 调试质量控制程序 (AGC,ASC,FTC,CTC),在线模拟轧钢- -设备检修后用于 (带设备) 综合调试. 包括压下设定, 主速度设定, 辊道转速设定等。,（五）自动温度控制 包括精轧终轧温度控制及卷取温度（层流冷 却）控制，前者控制结果将是后者的输入亦是 后者的扰动。 终轧温度控制过去曾采用改变精轧出口速度 （加速/减速）来调节，由于这将影响产量，,目前主要采用强化及细化机架间喷水来进行控制，但机架间喷水的改变将严重影响后续机架的轧制力（进而影响厚度及
24、凸度，平坦度），因此需对辊缝及弯辊力进行补偿性控制。,层流冷却由于涉及空间（上百米输出辊道） 和时间，因而需采用前馈（初始设定及动态设 定）和反馈相结合，并以前馈为主的策略。 近年来将CTC主要部分移到过程自动化计 算机以能加强CTC 模型的自学习，ANN在 CTC中应用亦是近年来着重研究的一个课题。,温度（终轧温度及卷取温度） 20 宽度 0-20mm（鞍钢1700 原没有RAWC） 连续三天（1600块钢）的生产统计结果,轧钢过程计算机控制系统 设计时： （1）要考虑”高速控制”（控制周期2ms） 为此需采用”强力 CPU” 以及 ”多 CPU控制器 ” ; （2）要考虑”高速通讯” (数
25、据更新为1ms) 为此需采用 高速通讯网.,(3) 系统性能可不断更新提高 可选用64位RISC CPU 网络速度2000Mb/s（数据更新小于 0.5ms） 系统可通过备件更换来升级更新，,主速度前馈控制的算法 为了不使因KFF-AGC调整压下而改变带钢 轧入速度（后滑）,从而影响入口活套的稳定， 应调节主速度v0使带钢轧入速度不变。 KFF-MSC算法为： v0 = -（FH H +FK K+FS S）/FV,前馈温度（喷水控制）控制 KFF-SPY 由所得各机架带钢段的K 可反推出T, 即此带钢段的温度变化： T = K /（K/ T ） （ K/ T = a1K） 用此信息控制 i 机架 / i+1机架间的喷水. (需改进喷水装置以提高控制粒度） 使 i+1机架带钢温度均匀，也即是使: T(i+1) =0 即P(i+1)=0 。,主速度前馈控制 KFF-MSC 为了前馈控制时不影响活套的稳定 （活套摆动将使机架间张力波动，从而影响厚度， 凸度及宽度精度），需采用保持活套高度恒定的 主速度前馈控制 (KFF-MSC)。,自主研发的系统可逐步形成L1的三类控制器 顺序控制器基于软逻辑 语言的 ”软PLC” 设备控制器基于液压控制模板及专用控制模板 (CPU+I/O) 的 多CPU控制器 质量控制器采用 CPU+FPGA 的 智能控制器 及CPU+DSP 的 多变量控制器,