1 引言 　　自1960年冶金工業(yè)的第一臺控制用計算機應用于帶鋼熱連軋精軋機組輥縫及速度設(shè)定以及70年代帶鋼軋制全線實現(xiàn)計算機控制以來，30多年中計算機控制已經(jīng)歷了四、五代的變遷，控制系統(tǒng)的硬件和軟件更新速度越來越快。軋制生產(chǎn)過程的控制功能亦由于對帶鋼質(zhì)量要求的不斷提高而日新月異，從厚度控制到溫度控制、寬度控制、板形控制以及機械性能的控制，從基礎(chǔ)自動化、過程自動化到三級生產(chǎn)控制，并逐步形成包括控制與信息管理的完整的多級系統(tǒng)。同時帶鋼冷連軋近幾年也得到長足的發(fā)展，冷軋帶鋼是帶材的主要成品工序，其所生產(chǎn)的冷軋薄板屬于高附加值鋼材品種，對其自動化的要求更高。 　　我國冶金行業(yè)大型板帶熱連軋機共有十幾套，大型冷連軋機近十套，其自動化水平在冶金行業(yè)來說是比較高的，尤其是寶鋼、武鋼和鞍鋼的冷、熱連軋機，可以說是居于國內(nèi)領(lǐng)先水平，其計算機過程控制系統(tǒng)居國際先進水平。這些先進的軋制過程計算機控制系統(tǒng)不僅提高了軋機的產(chǎn)量，并且提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，獲得巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。 　　一個完整的過程控制自動化系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成:自動化儀表、工藝及數(shù)學模型、執(zhí)行機構(gòu)、計算機系統(tǒng)等構(gòu)成。冷、熱連軋重要的自動化儀表主要有測厚儀、板形儀、凸度儀、測速儀、壓力計、張力測量儀、液壓位置檢測儀等。主要的工藝和數(shù)學模型有軋制力模型、前滑模型、負荷最優(yōu)分配模型、厚度模型、板形模型、張力模型等。先進的執(zhí)行機構(gòu)大量使用，大功率傳動系統(tǒng)普遍采用交-交、交-直-交變頻和直流傳動，小功率輔助系統(tǒng)（如輥道傳動）主要采用變頻調(diào)速，位置執(zhí)行機構(gòu)大量采用液壓伺服傳動。而計算機系統(tǒng)普遍采用大型分布式計算機控制系統(tǒng)。這樣，大量新工藝、新設(shè)備以及高端計算機控制系統(tǒng)的采用，使得帶鋼冷、熱連軋的生產(chǎn)質(zhì)量和效率大大提高，為鋼鐵企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。 2 軋制過程計算機控制系統(tǒng)的主要功能 2.1 帶鋼熱連軋計算機控制系統(tǒng)的主要功能 　　帶鋼熱軋生產(chǎn)是目前應用計算機控制最為成熟的一個領(lǐng)域，其控制范圍包含了整個生產(chǎn)過程，從加熱爐入口、甚至從連鑄出口開始到成品庫，包括了軋制計劃，板坯庫管理，數(shù)學模型，設(shè)備控制和質(zhì)量控制以及傳動（電氣及液壓傳動）數(shù)字控制等各個層次，是軋鋼自動化領(lǐng)域中最為龐大，最為復雜的控制系統(tǒng)。帶鋼熱連軋計算機系統(tǒng)基本上分為三級，其系統(tǒng)功能框圖如圖1所示 （1） 基礎(chǔ)自動化控制功能 　　基礎(chǔ)自動化面向機組，面向設(shè)備及設(shè)備的機構(gòu)。隨著電氣傳動的數(shù)字化以及液壓傳動的廣泛應用，數(shù)字傳動已逐步與基礎(chǔ)自動化成為一個整體。 基礎(chǔ)自動化控制功能按性質(zhì)可分為軋件跟蹤及運送控制;順序控制和邏輯控制;設(shè)備控制及質(zhì)量控制。 （2） 過程自動化控制功能 　　過程自動化面向整個生產(chǎn)線，其中心任務(wù)是對生產(chǎn)線上各機組和各個設(shè)備進行設(shè)定計算，為此其核心功能為對粗軋、精軋機組負荷進行分配（包括最優(yōu)化計算）及數(shù)學模型的預（報）估，為了實現(xiàn)此核心功能為對粗軋、精軋機組負荷進行分配（包括最優(yōu)化計算），過程控制計算機必須設(shè)有板坯（數(shù)據(jù)）跟蹤、初始數(shù)據(jù)輸入、在線數(shù)據(jù)采集以及模型自學習等為設(shè)定模型服務(wù)及配套的功能。熱連軋過程自動化控制的主要功能是精軋機組的厚度設(shè)定模型和板形設(shè)定數(shù)學模型，設(shè)定值計算后，下送到基礎(chǔ)自動化，由設(shè)備控制功能執(zhí)行。 （3） 生產(chǎn)控制級功能 　　生產(chǎn)控制級用于協(xié)調(diào)煉鋼、連鑄、熱連軋以及冷連軋間的生產(chǎn)計劃，并以熱連軋為中心與上游及下游交換數(shù)據(jù)。生產(chǎn)控制除生產(chǎn)計劃（軋制計劃）的編制外，還負責板坯庫、成品庫的管理，質(zhì)量管理以及磨輥的管理等工作。 2.2 帶鋼冷連軋計算機控制系統(tǒng)功能 　　以計算機控制為基礎(chǔ)的綜合自動化系統(tǒng)是冷連軋生產(chǎn)控制的核心，其主要任務(wù)是保證冷軋產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。冷連軋自動控制系統(tǒng)的主要功能有:跟蹤;輥縫設(shè)定;速度設(shè)定; 張力設(shè)定;動態(tài)變規(guī)格;彎輥、串輥及冷卻水設(shè)定;速度控制;張力控制;厚度控制;板形控制;成品表面質(zhì)量監(jiān)控;軋機運行控制。帶鋼冷連軋計算機控制系統(tǒng)一般分為三級，即生產(chǎn)管理級、過程控制級和基礎(chǔ)自動化級。 （1） 生產(chǎn)管理級 　　生產(chǎn)管理控制計算機一般采用微型機，完成冷連軋機組生產(chǎn)計劃的編排，不同生產(chǎn)工序的協(xié)調(diào)和產(chǎn)品質(zhì)量管理等功能。計算機要根據(jù)原料鋼卷和成品鋼卷確定出初始數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是控制參數(shù)計算的初始信息。初始數(shù)據(jù)包括:鋼卷號、鋼種、原料厚度、寬度、卷重、長度、原料板形、成品厚度、成品板形、帶鋼特殊控制要求以及鋼卷的化學元素等。計算機還需提供軋輥信息，如工作輥、中間輥和支撐輥的長度、直徑、粗糙度、軋制長度、凸度和換輥次數(shù)等數(shù)據(jù)。計算機通過網(wǎng)絡(luò)將軋輥數(shù)據(jù)和初始數(shù)據(jù)傳送給二級計算機進行參數(shù)計算。此外，還將完成合同管理、質(zhì)量管理、物流管理以及生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計等功能。 （2） 過程控制級 　　過程控制計算機通常采用專用PC服務(wù)器或DEC公司的小型機構(gòu)成，其最大優(yōu)點是工作穩(wěn)定性好，適于長時間的在線運行。一般情況下采用雙機系統(tǒng)，一臺在線工作，一臺熱備份。過程控制包括帶鋼跟蹤系統(tǒng)、數(shù)據(jù)收集與通訊、數(shù)學模型系統(tǒng)、控制畫面及操作、生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理及工程記錄處理等功能。除過程計算機外，系統(tǒng)還包括工程師工作站及若干臺特殊功能站，分別完成程序的調(diào)試、數(shù)據(jù)離線分析等功能。 （3） 基礎(chǔ)自動化級 　　一級計算機的基礎(chǔ)自動化功能一般由多CPU的高性能控制器HPC和PLC來完成，這些HPC和PLC分別完成冷連軋入口段、酸洗段和軋機段等生產(chǎn)過程中若干個控制功能?；A(chǔ)自動化的功能主要包括:機組速度控制、焊點及故障點跟蹤、開卷機及張力輥控制、入口鋼卷順序控制、自動穿帶控制、卷取機自動帶尾停車、卸卷順序控制、自動厚度控制、液壓推上控制、軋輥調(diào)零控制、自動板形控制、軋機的模擬仿真、從開卷機到卷取機的帶鋼跟蹤、動態(tài)變規(guī)格控制、換輥及輔助設(shè)備順序控制、實測數(shù)據(jù)采集與處理等功能。 3 軋制過程計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計原則 　　由于用戶對冷、熱軋板質(zhì)量的要求越來越高，因此計算機控制系統(tǒng)已經(jīng)是冷、熱連軋不可缺少的組成部分。隨著液壓控制系統(tǒng)系統(tǒng)的廣泛應用（液壓壓下、液壓彎輥、液壓竄輥機構(gòu)）加上全部控制都將作用于軋輥-軋件形成的變形區(qū)。 3.1 冷、熱連軋控制系統(tǒng)需滿足的兩個要求: （1） 高速控制。連軋機組除了一些順序邏輯控制可以采用通用的可編程控制器（PLC）外，大部分功能要求實現(xiàn)高速控制，控制周期1-10ms，為此需大量采用HPC（高性能控制器），HPC為多CPU控制器。 （2） 高速通訊。由于多個控制功能（例如厚度控制、張力控制、板形控制）最終都作用到變形區(qū)，因此存在較強的功能間耦合，需要相互傳遞補償信息。數(shù)據(jù)更新時間往往要求為1-2ms。 　　這個“二高”的特點決定了連軋控制系統(tǒng)應是“快速”分布式計算機控制系統(tǒng)。能滿足這“二高”特點，同時能為冷、熱連軋機提供完整計算機控制系統(tǒng)硬件、系統(tǒng)軟件及數(shù)學模型與應用軟件的廠家在國際上并不太多，主要電氣公司有美國GE、德國SIEMENS、法國ALSTOM、日本日立和三菱等等。軋制過程計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計除了要滿足上述兩點要求外，系統(tǒng)設(shè)計還必須遵循一定的原則。 3.2 系統(tǒng)設(shè)計遵循的原則 （1） 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)開放。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應以國際標準的VME及PCI總線作為基礎(chǔ)，從而實現(xiàn)系統(tǒng)開放，開放的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有利于系統(tǒng)今后的擴充和升級。 （2） 采用多CPU結(jié)構(gòu)高性能控制器。采用高檔CPU，保證最快控制周期可達1ms,適合于應用在分布式生產(chǎn)過程的快速系統(tǒng)中。更重要的是，硬件檔次緊跟當前最流行的CPU指標，硬件集成化程度高，百分之百的工業(yè)級芯片，適用于各種溫度環(huán)境和工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境。在高速通訊網(wǎng)絡(luò)方面，與第三廠家的良好接口和高可靠性的過程I/O接口，使得用戶能方便配置各類快速系統(tǒng)。多CPU結(jié)構(gòu)和實時多任務(wù)操作系統(tǒng)環(huán)境,非常適合于冷、熱連軋計算機控制系統(tǒng)這樣的實時多任務(wù)的工作方式。 （3） 系統(tǒng)盡可能采用遠程I/O。隨著現(xiàn)場總線應用的日益廣泛，系統(tǒng)與傳動（電氣及液壓）及各子系統(tǒng)一般通過現(xiàn)場總線連接，實現(xiàn)以通信電纜（光纜）代替I/O電纜，大量減少電纜數(shù)量及電纜鋪設(shè)工作量，使系統(tǒng)更加可靠。 （4） 人機界面采用OPS+OPU結(jié)構(gòu)，即操作臺除了必須的緊急按鈕等操作器具外，主要由OPS （帶CRT顯示及專用觸摸式鍵盤的操作員站）及OPU（帶燈輔助功能鍵盤）組成。 （5） 具有良好的編程環(huán)境。全線各控制器的編程都符合國際IEC61131-3標準。IEC61131-3編程環(huán)境是經(jīng)過PLCOpen認證，包括所有DCS/PLC典型編功能的系統(tǒng)，如:梯形圖、FBD和SFC編程、程序下裝、監(jiān)視執(zhí)行、信號強制等等。 （6） 系統(tǒng)具有高可靠性。正常連續(xù)生產(chǎn)是冷、熱連軋機的基本要求，也是提高產(chǎn)品質(zhì)量和效率的根本保證。因此，軋制過程計算機控制系統(tǒng)要求具有很高的可靠性。一般要求整個系統(tǒng)的故障率小于0.2%，也就是說，如果系統(tǒng)的考核時間為720小時，系統(tǒng)允許出現(xiàn)故障及故障恢復時間總共不能超過1.44小時。 （7） 具有較強的系統(tǒng)診斷能力，一般提供系統(tǒng)診斷站，提高對系統(tǒng)可靠性和維護效率。 （8） 每個操作員站的數(shù)據(jù)點一般不超過1024點，但要求數(shù)據(jù)刷新要快，一般要求數(shù)據(jù)刷新小于500ms。 4 軋制過程計算機系統(tǒng)配置典型結(jié)構(gòu) 　　為了滿足冷、熱連軋計算機控制系統(tǒng)對于高速控制和高速通訊的要求，國外大電氣公司都設(shè)計有針對性的大型分布式計算機控制系統(tǒng)。但從系統(tǒng)的拓樸結(jié)構(gòu)上看基本上可歸納為兩類系統(tǒng)，即區(qū)域控制群結(jié)構(gòu)和超高速網(wǎng)結(jié)構(gòu)。 4.1 區(qū)域控制器群結(jié)構(gòu) 　　屬于區(qū)域控制器群這一結(jié)構(gòu)的有GE的INNOVATION系統(tǒng)和西門子的SIROLL系統(tǒng)（圖2），其特點是采用高速網(wǎng)將控制冷連軋機組的各控制器（PLC及HPC）連成一個控制器群以解決各HPC間的快速數(shù)據(jù)交換（1-2ms）。有些系統(tǒng)缺乏區(qū)內(nèi)高速網(wǎng)，采用控制器間I/O連接來交換數(shù)據(jù)，從系統(tǒng)設(shè)計角度看這不是一種好的方案。 　　系統(tǒng)由L1（一級）基礎(chǔ)自動化級，L2（二級）過程自動化級及L3（三級）生產(chǎn)控制級構(gòu)成?；A(chǔ)自動化級內(nèi)采用高速網(wǎng)后分為二層，上層為區(qū)域主管及用于質(zhì)量控制的HPC（例如厚度控制，板形控制），下層則為主傳動數(shù)字控制器和機架控制器（SC）。機架控制器實際上即為本機架各液壓機構(gòu)（液壓壓下，彎輥，串輥）的液壓傳動數(shù)字控制器（液壓APC）。因此可以說下層為傳動（電氣傳動及液壓傳動）的數(shù)字控制器。 　　 4.2 超高速網(wǎng)結(jié)構(gòu) 　　屬于這一結(jié)構(gòu)的有日立系統(tǒng)，三菱系統(tǒng)以及ALSTOM的ALSPA系統(tǒng)。 這一系統(tǒng)的特點是所有控制器都平鋪地連接在L1/L2間的超高速網(wǎng)上，利用超高速網(wǎng)的寬頻帶，各控制器間以及L1與L2間以五種速度交換數(shù)據(jù)。同一區(qū)域內(nèi)控制器可以以1-2ms的周期交換數(shù)據(jù);不同區(qū)域的控制器可以以50ms或100m周期交換數(shù)據(jù);L1與L2間可以用50ms（跟蹤信息）、100ms（數(shù)據(jù)采表）及500ms（設(shè)定值下送）周期交換數(shù)據(jù);L1與L2與人-機界面系統(tǒng)的服務(wù)器可以用500或1000ms周期交換數(shù)據(jù)。 　　日本公司在系統(tǒng)中往往設(shè)有單獨的PI/O站，其任務(wù)僅是數(shù)據(jù)采集并主要送往過程計算機，因而其軟件分工中保留了在過程機上完成部分“動作”性程序，西方公司則認為過程計算機不應帶任何I/O，其任務(wù)主要是設(shè)定計算以及為設(shè)定計算服務(wù)的功能，所有I/O信息將由基礎(chǔ)自動化各控制器通過通訊網(wǎng)上送。 　　在系統(tǒng)的開放性上看，日本公司步伐較慢，在系統(tǒng)中喜歡采用自己公司的硬件，例如過程計算機各公司用自己的小型機，甚至人-機界面站亦用自己的產(chǎn)品。更不用說基礎(chǔ)自動化的控制器，更是專用產(chǎn)品。而西方公司的系統(tǒng)比較開放，喜歡用市場上的標準產(chǎn)品，ALSTOM的ALSPA系統(tǒng)中過程機采用通用小型機ALPHA機，人-機界面采用普通PC，基礎(chǔ)自動化控制器全部基于VME總線，其ALSPA PLC實際上即為GE FANUC的90-70和90-30 PLC以及GE FANUC的各種遠程I/O，其HPC則采用多CPU VME總線控制器，而主網(wǎng)采用基于PCI，CPCI，VME等多種國際標準總線的光纖RTNet（亦稱為Reflective Memory Net）。 　　無論是“區(qū)域控制器群”還是“超高速網(wǎng)”結(jié)構(gòu)，由于解決了1-2ms的超高速數(shù)據(jù)交換，都很好地滿足了冷、熱連軋過程的“二高”要求。 4.3 國內(nèi)鞍鋼CNROLL系統(tǒng) 　　2001年鞍山鋼鐵集團公司和北京科技大學共同在鞍鋼1700mm半連軋翻新改造項目中，完成了自行設(shè)計的三級計算機控制系統(tǒng)，其寬度、厚度、板形等各項控制功能均達到較先進水平。近期又對系統(tǒng)進行了完善和提高，即將將該新系統(tǒng)應用到鞍鋼新建的濟鋼2150mm中薄板坯連鑄連軋工程連軋機自動化系統(tǒng)中，該系統(tǒng)屬于“超高速網(wǎng)”結(jié)構(gòu)。其系統(tǒng)配置圖如圖4所示。 該系統(tǒng)具有以下特點 （1） 整個系統(tǒng)由三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)成，即100MB/s以太網(wǎng)、2GB/s的內(nèi)存映像主網(wǎng)和連接各遠程I/O及電氣傳動Profibus DP網(wǎng)。 （2） 基礎(chǔ)自動化的所有控制器均由GE Fanuc的新產(chǎn)品PACSystems構(gòu)成。 （3） 各機架的液壓控制器都是由自帶I/O接口的Power PC組成，自成一體并能插在相應控制器內(nèi)。 （4） 設(shè)置三類特殊功能站，專門建立了用于大容量數(shù)據(jù)存儲的數(shù)據(jù)記錄站PDA，主要由DSP及FPGA構(gòu)建的用于系統(tǒng)實時仿真的實時仿真站SIM，還有用于全線系統(tǒng)故障診斷的診斷站DIAG。 5 軋制過程計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 　　隨著計算機和通訊技術(shù)飛速發(fā)展，軋制過程計算機控制系統(tǒng)也日新月異，各級計算機的運算和通訊速度大大加快，64位處理器及100MB/s以上的通訊網(wǎng)大量使用，系統(tǒng)診斷能力顯著提高，大大方便了維護工作，提高了系統(tǒng)作業(yè)率。以國內(nèi)外近期推出的軋制過程計算機系統(tǒng)來看，近年來用于冷、熱連軋的快速計算機控制系統(tǒng)具有以下發(fā)展趨勢: （1）硬件PC化，除人-機界面（HMI）站及數(shù)據(jù)記錄器等采用標準PC機外，有趨勢采用高檔PC作為過程計算機，加上各控制器的編程器或工程師站廣泛采用PC，以及基礎(chǔ)自動化各HPC中所采用的基于奔騰II或III單板機，使整個系統(tǒng)的硬件都盡量向PC靠攏以降低系統(tǒng)成本。 （2） 系統(tǒng)軟件“微軟”化，包括過程計算機采用WINDOWS NT 作為操作系統(tǒng)，HMI系統(tǒng)采用服務(wù)器—客戶機結(jié)構(gòu)以及HMI軟件和編程軟件具有與OPC，ODBC接口都使系統(tǒng)便于與其他廠家軟件連接。 （3） 控制器采用開放式結(jié)構(gòu)，長期以來GE，西門子等大電氣公司都以開發(fā)自己固有的系統(tǒng)而自豪，其控制器一般采用非國際標準的總線（如S5-PLC，S7-PLC，SIMADYN_D以及GE的SC-2000等）,但在本世紀末，GE，西門子相繼將自己的控制器轉(zhuǎn)到國際標準VME總線（GE的INNOVATION控制器及西門子的SIMATIC TDC），使自己的系統(tǒng)開放。系統(tǒng)開放的好處是可以充分采用別的廠家開發(fā)的高性能I/O，網(wǎng)絡(luò)等，而不必事事都要自己投資開發(fā)。而對于用戶來說，系統(tǒng)開放意味著便于擴展以及備品備件方便采購。 （4） HMI系統(tǒng)的統(tǒng)一，長期來L1和L2都有自己的HMI系統(tǒng)，新推出的系統(tǒng)簡化了人-機界面系統(tǒng)，采取L1及L2使用統(tǒng)一的HMI系統(tǒng)。亦即在任一個操作員站上可以調(diào)出L1的畫面，亦可以調(diào)出L2的畫面。 （5） 100Mb/S光纖以太網(wǎng)的廣泛應用，在L2與L1間，L1/L2 HMI服務(wù)器與各客戶機間以及L3計算機與其終端間廣泛使用100Mb/S光纖以太網(wǎng)，并有一些廠將傳動網(wǎng)以及現(xiàn)場總線亦立足于100MB/s以太網(wǎng)（并隨著技術(shù)的發(fā)展向1000MB/s以太網(wǎng)轉(zhuǎn)移）。 （6） 考慮到冷、熱連軋計算機控制系統(tǒng)需滿足高速控制及高速通訊要求，因而在基礎(chǔ)自動化控制器間采用了區(qū)域內(nèi)高速網(wǎng)（150-300MB/s）以及HPC控制器采用了多CPU結(jié)構(gòu)。 （7） 系統(tǒng)中采用多層網(wǎng)絡(luò)使數(shù)據(jù)能用不同的速度更新以滿足冷連軋控制的需要，即L1/L2間以50ms到100ms為周期，人機界面網(wǎng)以500ms到1000ms為周期，L2/L3間以1秒或幾秒為周期，而各HPC控制器間數(shù)據(jù)交換則以1-2ms為周期，現(xiàn)場總線（遠程I/O）則以10-50ms為周期。 （8） 分布系統(tǒng)廣域分散化。整個系統(tǒng)中除了HPC為實現(xiàn)高速反饋閉環(huán)控制而設(shè)立自己的高速本機I/O外，各PLC及區(qū)域主管將盡量采用遠程I/O或遠程現(xiàn)場控制器，各遠程I/O及遠程控制器將通過現(xiàn)場總線與PLC及區(qū)域主管相連接。因此I/O電纜數(shù)量及長度將減到最小，這是目前的普遍趨勢，即用通訊電纜（光纜）代替I/O電纜，由于現(xiàn)場總線的故障診斷能力很強，因而使系統(tǒng)安裝調(diào)試以及維護大為方便。 （9） 廣泛采用交流傳動系統(tǒng)，從而使電機容量不再受到限制，提高了傳動系統(tǒng)性能，減少了維護工作量。 　　無論是硬件PC化，系統(tǒng)軟件“微軟”化，100MB/s以太網(wǎng)的采用以及采用標準VME總線都使系統(tǒng)開放，同時基于Profibus、Device Net等現(xiàn)場總線的大量采用，提高了系統(tǒng)可靠性和軟件資源的共享性，也使系統(tǒng)的成本大大降低，應用開發(fā)更加便利，維護方便。 轉(zhuǎn)自： 中國工控網(wǎng)