游客您好,您還沒有登錄哦! 免費注冊|登錄
你的位置:首頁  > 專題專欄  > 其他
高效軋制國家工程研究中心成立二十周年系列技術報道:高精度熱軋自動化控制系統
信息來源:世界金屬導報2016-09-20B08      時間:2016-09-21 09:52:04


 

高效軋制國家工程研究中心從成立伊始就將熱軋自動化控制技術作為重點研究方向,經過多年自主創新,在寬幅板帶熱連軋控制技術的軟硬件平臺、核心裝備、系統集成、中間件、控制模型、質量包和系統仿真等方面取得了全面突破。在吸收國際先進技術的基礎上,開發出獨具特色的適合我國熱軋生產的N-ROLL系統,并已在數十條新建或改造的生產線上得到了成功應用。從工程實施情況看,該系統維護方便、運行穩定可靠、控制精度高,打破了國內熱軋核心控制裝備依賴引進的現狀,有效降低了工程建設和營運成本。

高精度熱軋自動控制技術是金屬軋制領域的核心技術之一。熱軋自動化系統通過反映熱軋過程變化規律的數學模型、自動控制裝置、計算機及其控制程序等,使各種過程變量保持在所要求的設定值上,并合理地協調全部軋制過程以實現自動化操作,將板坯加熱軋制成各種各樣質量性能和尺寸合格的熱軋板卷。決定熱軋板帶產品質量和生產效益的一個關鍵因素為自動化控制系統的合理性、可靠性和先進性,自動化控制系統也因此成為寬幅板帶熱連軋生產的一項非常重要的共性技術。

眾所周知,現代化熱軋生產線一般分為多級自動化控制系統,其中傳動控制級(L0),主要完成主輔傳動控制,電、液、氣設備動作執行以及儀表數據采集等功能;基礎自動化級(L1),主要完成順序控制、邏輯控制、設備控制及實時數據采集等功能;過程自動化級(L2),主要完成過程參數的設定計算和優化控制、過程監視、歷史數據存儲及日志報警等功能;生產管理級(L3),主要完成生產計劃、生產調度、庫存管理及物流跟蹤等功能,并逐漸發展為具有更多功能的制造執行系統(MES)。

N-ROLL系統同樣采用多級結構,與國外公司相比,主要功能相似,但是在硬件配置及軟件實現方面各有特點。

1 N-ROLL系統的結構和功能

1.1系統的硬件配置

考慮板帶熱軋的質量控制要求及工藝、裝備配置的具體情況,兼顧系統的先進性、穩定性和開放性,綜合應用已經積累的材料設計方法、工藝專家知識,并采用先進的智能算法,以實現高精度、全自動化生產為目標,具體包括以下幾方面 :

1)根據不同的控制任務要求及特點,采用分級控制的系統架構,其中L2主要完成過程日志、報表、優化控制、物流跟蹤等任務 ;L1主要完成順序控制、邏輯控制、設備控制、數據采集等功能 ;L0主要完成實際動作、實測值傳送等工作。

2)主軋機采用交流同步電動機,由全數字交直交變頻裝置驅動。

3)采用“PC服務器 高性能控制器 可編程邏輯控制器”平臺。

4)采用“快速以太網 高速實時網 現場總線”多層網絡體系。

5)具有高精度數學模型、在線動態優化策略和完善的控制功能。

6)采用基于機理模型和數據驅動的綜合板形、終軋溫度、微恒張力等專有控制技術。

7)配置多種在線檢測儀表,包括張力、溫度、軋制力、板形、冷熱檢、激光測長等。

8)可實現基于統計過程控制(SPC)、數據挖掘、信息融合等技術的系統智能故障自診斷及控制。

1.2管控一體的MES系統

MES系統以生產為中心,運用計算機信息化手段管理和優化生產過程,提高生產率、縮短交貨期、改善決策支持、實現物流與信息流的一致。隨著國家對節能降耗要求的提高,實現上、下游工序的能流匹配也成為MES系統的一個重要目標。

MES系統共有13個主要功能模塊組成,分別是:訂單管理、基礎技術規范、物料主數據、設備能力、生產排程、存貨管理、作業管理、工器具管理、質量管理、生產實績、生產報表、安全授權、實時過程質量數據等。系統通過集成適配器與外部企業資源計劃(ERP)、其他MES、控制系統、天車定位或實驗室信息管理系統(LIMS)等集成,實現面向業務流程的企業信息化系統整合。整個系統以生產數據模型為核心,完成整個系統功能抽象設計及實現。作為管控銜接系統,該系統可以支持企業級ERP系統或整體產銷系統的運行。基于大量數學模型和優化算法的生產與調度子系統是MES系統最重要的功能模

塊,系統需充分考慮熔煉、連鑄、熱軋三個工序的生產約束,兼顧不同的質量要求和合同交貨期,采用一體化的排程策略和調度策略,實現三大工序的物流匹配和能流匹配,提高熱軋生產線的可熱裝品種的熱裝率和熱裝溫度,大幅度降低加熱爐的能耗。

整個系統基于統一的流程數據模型設計、功能模塊可以裁剪與適配。以訂單為核心,支持企業“以銷定產,以產促銷”的混合生產模式。采用基于件次的生產排程與作業管理,支持各種常見鑄軋銜接工藝:直接熱裝(DHCR)、熱裝(HCR)、冷裝(CCR),采用統一的平臺與安全授權,做到集成的實時過程數據與質量管控。系統以生產數據模型為核心,使得多個獨立工序實現了有效的無縫連接和優化,可最大限度地利用優勢資源,實現科學規劃,保證了熱連軋生產的高效、連續、低成本。

1.3過程自動化系統

由于熱軋軋制條件復雜,過程控制系統的開發難度大,是各家計算機控制系統供應商相互競爭的重要環節,為便于開發、調試和今后的升級,N-ROLL系統通過合理劃分模塊結構,并對其功能和接口進行標準化設計,各模塊可根據實際生產設備和功能的配置實現自由組合。主要涉及的數學模型包括溫降模型、軋制力模型、前滑模型、寬度模型以及彈跳模型。

在常規控制功能的基礎上,N-ROLL系統還具有如下獨到的過程控制功能:

1)容錯控制策略。在生產中可能出現的設備狀態異常擾動、測量信息不可靠等問題,這將會嚴重影響L2 控制系統的模型精度,甚至導致生產事故。目前在大多數控制系統中,這種情況都是由模型維護人員人工修正或交給操作工確認。在N-ROLL系統中,可以采用容錯控制策略來自動判斷和處理。利用信息融合技術,控制系統可將來自多方面的信息加以智能比對和合成,得到比單一信息源更精確、更完全的結果。這樣,在單個儀表的測量數據出現異常時,不會導致系統控制精度的顯著下降或誤動作。

2)數據分析系統。在軋制過程中,L2 控制系統會收集并歸檔每卷帶材的各類相關數據,比如軋件原始數據輸入(PDI)、設定數據、實測數據、設備狀態數據、精度統計數據等,它們對分析產品質量、設備故障、模型精度等問題非常有用。然后,分析和處理這些海量數據時不僅要求維護人員具備較高的專業水平,而且還需要花費大量的時間和精力。關聯規則挖掘是數據挖掘問題中的一個重要的研究內容,根據所挖掘的關聯規則,可以發現大量數據項之間有用的關聯或依賴聯系。當系統控制精度出現異常時,專門設計的數據分析系統可以通過關聯規則挖掘技術,找出異常工況之間的內在規律,以引導系統維護人員分析故障原因和制定對策。

3)工藝開發與維護。N-ROLL系統提供了一個進

行熱軋工藝離線模擬計算的工藝參數開發工具,根據產品性能要求和設備能力限制等因素,可方便設計出新產品的相關軋制工藝參數和模型系數。經過工藝人員確認后,該工具可自動為在線控制系統擴充相關的各參數表,使其具備軋制新產品的能力。

1.4基礎自動化系統

基礎自動化系統主要完成全線設備的順序和邏輯控制,并承擔軋件全長質量控制的任務,為實現高速控制,多采用CPU實時高性能控制器完成復雜的控制功能,如自動厚度控制(AGC)、自動板形控制(ASC)、自動寬度控制(AWC)等,為實現高速通信,主干網多采用光纖以太網或內存映像網,并充分考慮熱軋生產中信息流和數據流的特點,采用分段和分層設計的網絡拓撲結構,以實現數據和信息的快慢分離、區域分流。對于不同的工藝設備配置,基礎自動化系統的控制功能也不同,以熱連軋帶鋼生產為例,主要控制功能如下:

1)爐區主要包括入爐輥道的速度、入爐板坯位置及邏輯聯鎖控制、裝料爐門的動作控制、入料機的速度控制及邏輯聯鎖控制、入料機的位置控制、加熱爐區的設備監控、加熱爐區操作臺控制、加熱爐區的生產線故障診斷控制及保護、出料機的速度控制、位置控制及邏輯聯鎖控制、出料爐門的動作控制、出料輥道的速度控制及邏輯聯鎖控制等。

2)粗軋區主要包括初始設定(速度、輥縫、軋制力等)、物料跟蹤、速度主令、順序控制、輥道速度控制、速降補償、高壓水除鱗控制、粗軋冷卻水控制(軋輥冷卻、逆噴等)、側導板控制、模擬軋制、換輥控制、軋輥和接軸液壓平衡控制、定寬壓力機控制、短行程控制、粗軋機輥縫位置控制、粗軋機AGC、粗軋機速度控制、立輥開口度控制、立輥AWC、立輥短行程控制(SSC)、立輥與粗軋機微張力控制、立輥速度控制、急停與快停邏輯連鎖控制、保溫罩/廢坯推出機控制、熱卷箱控制等。

3)精軋區主要包括初始設定(速度、輥縫、軋制力等)、物料跟蹤、速度主令、速降補償、順序控制、輥道速度控制、模擬軋制、切頭剪剪切控制、精軋入口立輥控制、活套控制、活套套量控制、機架間冷卻控制、彎輥控制、竄輥控制、側導板位置控制、軋機調零、液壓輥縫位置控制(HGC)、精軋AGC、動態平坦度控制(DFC)、動態凸度控制(DPC)、精軋機軋輥冷卻水控制/自動換輥控制、軋輥液壓平衡控制、急停及快停邏輯連鎖控制、終軋溫度控制(FTC)等。

4)卷取區主要包括初始設定、物料跟蹤、速度主令、順序控制、輸出輥道控制、模擬卷取、層流冷卻控制(CTC)、夾送輥輥縫控制、助卷輥踏步控制(AJC)、卷取張力控制、帶尾位置控制、取直徑計算、卷筒速度控制、卸卷小車位置控制等。除此之外,基礎自動化系統還需實現各區的液壓、潤滑等子系統的控制功能,包括泵啟停控制、液位保護控制、油溫保護控制、壓力保護控制等。同時,還要負責與其他系統的控制設備或大型儀表的通訊連接。

在常規控制功能的基礎上,針對不同熱軋現場出現的問題,N-ROLL系統采用先進智能算法,對關鍵控制功能進行優化升級,控制效果均有不同程度的提高。這些功能包括:鐮刀彎及跑偏控制、兩側液壓缸同步控制、粗軋拋料距離控制、活套微張力控制、優化剪切等。

2 N-ROLL系統關鍵技術

2.1國際領先的板形控制技術

軋制中心經過多年的開發和實踐,成功開發了多項擁有自主知識產權的板形控制技術,并在國內外多條鋼鐵及有色板、帶、箔生產線上得到應用,為企業實現了高精度、低風險、高產出的板形質量控制。

1)軋機工作輥和支持輥輥形技術及綜合輥系配置方案。包含變接觸支持輥輥形技術(VCR)、與連續變凸度(CVC)及高效變凸度(HVC)等高次曲線工作輥匹配的VCR 技術、具有強大凸度控制能力的HVC工作輥輥形技術、用于解決不銹鋼高次浪形的中部變凸度(MVC)工作輥輥形技術,用于邊部板形控制的非對稱輥(ATR)、邊部變凸度(EVC)工作輥輥形技術等。

2)高精度板形控制模型。包含在過程自動化L2實現的板形設定計算模型、板形自學習模型,在基礎自動化L1實現的板形保持模型、凸度反饋模型、平坦度反饋模型、板形板厚解耦模型和軋后冷卻平坦度補償模型、動態分段冷卻控制模型等,可實現高精度的板形自動控制。

3)高品質熱軋和冷軋工序板形協調控制技術。包含高次浪形控制技術、帶鋼亮帶控制技術、帶鋼起筋控制技術、硅鋼橫向厚差控制技術等。

4)企業板形質量問題判定及綜合對策。包含基于企業大量板形質量異議數據挖掘技術、基于質量異議的板形質量在線判定系統、板形質量開展綜合對策技術等。

2.2開創性的全流程工藝質量在線判定與分析診斷系統

冶金全流程工藝質量在線判定與分析診斷系統通過多種適配器采集制造過程來自L1/ L2/MES等系統的工藝參數、質量參數、質量判定結果、制造規范等數據,在進行數據重整后按統一的數據存儲模型進行存儲,為用戶提供了統一的全流程工藝質量參數信息,用戶可以按物料、訂單、批次、班組等多種主題進行工藝質量數據追溯與分析。同時提供產品過程質量在線監控、預警與在線評級、離線工藝質量追溯、分析與工藝參數優化分析、異常診斷等功能。該系統可以幫助企業技術人員對全流程工藝參數數據進行統一分析、展現,找到工藝質量異常原因,實現產品質量持續改進。該系統能提供多種常用采集適配器,適用于常見冶金自動化控制系統工藝/質量參數采集;構建了關系一致的工藝參數、質量數據的數據存儲模型,工藝曲線/質量數據均可按物料、訂單、批次等多種主題訪問;提供統一數據訪問服務接口,業務人員可進行工藝質量參數逆向與正向追溯分析;實現多工序工藝曲線自動同步處理,提高過程質量參數分析準確性;基于規則庫配置實現產品工藝質量在線評級,提高產品工藝過程質量一致性;支持工藝參數離線優化分析與質量異常診斷。

2.3功能強大的中間件

中間件是過程自動化系統的核心支撐軟件,它的主要作用是屏蔽硬件平臺和操作系統的差異性以及底層操作系統的復雜性,使應用程序開發人員面對一個簡單而統一的開發環境,降低過程自動化應用軟件開發和維護的復雜性。軋制中心自主研發的中間件PCDP(過程控制開發平臺),已經在多個大型熱連軋控制系統中成功應用,并經歷10余年的現場在線考驗。

PCDP主要作用為:

1)屏蔽硬件平臺和操作系統的差異性以及底層操作系統的復雜性,使程序開發人員面對一個簡單而統一的開發環境,降低過程自動化應用軟件開發、移植和維護的復雜性。

2)將過程控制系統中與那些特定項目無關的共性功能分離并固化,以縮短項目的開發和調試時間,提高系統的穩定性。

3)增加系統的擴展能力,由于中間件都是通過配置來適應不同項目的需求,當需要修改或擴展功能時非常方便。PCDP提供了豐富的診斷分析工具,可自動記錄操作工所進行的干預,便于事故和質量分析;通過PING(消息探測)應用程序,實現在線診斷應用程序狀態,防止由于應用程序停止響應而造成系統故障;自動定位應用程序意外退出時的出錯位置和相關變量內容,便于運行錯誤。

2.4超寬幅鋁板帶熱連軋表面質量控制技術

針對超寬幅鋁板帶熱連軋初期投產過程中產生的主要表面質量缺陷,通過設備保障、工藝技術控制和管理措施,使超寬幅熱連軋鋁板帶產品表面質量有了很大的提高。設備保證體系從熱連軋的關鍵設備入手,其中刷輥的選型和刷輥技術對產品表面質量的影響尤為重要。通過收集、總結研究在熱連軋過程中產生的主要表面缺陷產生的原因,制定出了適合于超寬幅鋁板材的鋁合金板帶材表面質量的改進措施。管理保障體系對于產品的質量控制也是不可或缺的,通過質量小組管理、責任到人、建立獎懲制度、定期召開質量分析會以及清潔管理等一系列的質量管理制度,保障產品表面質量。因此,通過設備、工藝、管理三個質量保障體系的不斷建立,初期出現的主要表面缺陷(粘鋁)大大減少,超寬幅鋁板帶產品表面質量大大提高。

3 N-ROLL熱軋自動化系統應用實績及獲獎情況

3.1應用實績

N-ROLL系統已在國內多條熱軋生產線上得到了成功應用并取得良好的控制效果,為企業創造了巨大的經濟效益。以柳鋼1450熱連軋生產線為例,該生產線于2010年1月熱負荷試車一次就取得了成功,1月底軋制2.5mm厚產品,3月份成功軋制1.2mm厚度的極限規格,并實現日達產,根據大生產統計數據,產品質量達到國際先進水平。

近年來,軋制中心負責新建或改造全線自動化控制系統的生產線主要有:

1)鋼鐵行業熱連軋:包括安豐1780、印尼1780不銹鋼、鼎信1780、重鋼1780、武鋼1700、誠德1630不銹鋼、日鋼1580、萊鋼1500、柳鋼1450、西南不銹1450、東海特鋼1450 、吳航1150不銹鋼、鼎信850不銹鋼、馬鋼CSPL2級系統等。

2)有色行業熱連軋,包括永杰1850mm1 3熱連軋、巨科1850mm1 4熱連軋、銀海3300 2850mm 1 4熱連軋、銀邦4000單機架雙卷取、明泰3300 2850mm1 1熱軋、萬達2400mm1 4改造、明泰2000mm1 4改造等。

3)中板及爐卷等熱軋,包括紅日2600 中板軋機、吳航2250 雙機架爐卷軋機、雙瑞1450 鈦板軋機、邁銳思鎂帶軋機等。

4)改造項目:承接多條生產線的局部改造項目,如板形控制閉環、AGC/AWC、鐮刀彎優化、優化剪切、液壓活套、加熱爐優化燃燒、軋線模型優化等。

3.2獲獎情況

1)寬帶鋼熱連軋自由規程軋制關鍵技術及應用,獲2015年冶金科技進步獎一等獎。

2)CSP流程全工序高品種鋼的板形質量控制獲2014年安徽省科學技術獎三等獎。

3)高強韌寬中厚板(卷)連鑄卷軋生產關鍵技術開發及規模產業化獲2011年度江蘇省科學技術獎二等獎。

4)寬帶鋼熱連軋生產成套關鍵技術與應用,獲2010年度國家科學技術進步獎二等獎。

5)寬板帶生產計劃集成與動態調度系統研制,獲2009年度教育部科學技術進步獎一等獎。

6)武鋼煉鑄軋集成計劃與調度,獲2009年度冶金科學技術獎二等獎。

7)寬板帶生產計劃集成與動態調度系統研制,獲2009年度教育部科學技術進步獎一等獎。

8)寬帶鋼熱連軋自動化控制系統研究與應用,獲2008年冶金科學技術獎一等獎。

9)萊鋼1500mm熱軋帶鋼自動控制系統的研究與應用,獲2007年度山東省科技進步獎三等獎。

10)唐鋼薄板坯連鑄連軋生產線技術集成與自主創新,獲2006年度冶金科學技術獎一等獎。

11)帶鋼熱連軋厚度及板形控制系統研制,獲“九五”國家重點科技攻關計劃(重大技術裝備)優秀科技成果。

12)帶鋼熱連軋機組全線自動控制系統研制,獲“九五”國家重點科技攻關計劃(重大技術裝備)優秀科技成果。

(張飛)

 

相關新聞

    本文暫無相關新聞!
關于我們    |     聯系我們    |     會員服務    |    版權聲明
本網站所有內容均屬世界金屬導報社所有,未經《世界金屬導報》書面授權,請勿以任何方式轉載,否則即為侵權。
(中國)北京市東城區燈市口大街74號,100730
京ICP備11022607號-3
3d试机号 今天晚上金码