王磊，靳勝利，楊斌，鄒丹，王亞平
( 安陽鋼鐵股份有限公司)
摘要：安鋼冷軋連續退火機組采用了先進的自動化控制系統，其中的過程控制系統在整條生產線的自動化控制系統中扮演了非常重要的角色。通過對安鋼冷軋連退機組過程控制系統的系統架構、通訊機制、系統功能的研究，以及對系統的優化、完善方法的介紹，并通過實際應用表明，該系統為安鋼冷軋連續退火機組的順利運行提供了重要的保證。
關鍵詞：連續退火；過程控制；系統優化
0 前言
安鋼冷軋工程是安鋼實行結構調整、轉型升級，進一步提高市場競爭力的關鍵工程，主要產品定位為高端家電板、建筑板和汽車用結構板，設計年產能120 萬t。由重慶新聯公司和新日鐵公司共同承建的1 550 mm 連續退火機組于2016 年12 月28 日熱負荷試車成功，熱試鋼卷的規格為0． 8 mm ×1 250 mm，產品的拉伸強度、屈服強度、延伸率等各項性能指標均能滿足國標要求。
安鋼冷軋連續退火機組采用了先進的自動化控制系統，該系統分為一級基礎自動化系統( BasicAutomation) ，簡稱L1; 二級過程控制系統( ProcessControl) ，簡稱L2; 三級生產控制系統( ProductionControl) ，簡稱L3．其二級過程控制系統( 以下簡稱二級系統) 從系統功能上分為兩大部分: 生產線控制系統和退火爐模型系統。通過對二級系統的研究并摸索出優化的方法，對完善連退機組自動化控制系統，更好服務于連退產品的生產有著積極的作用。
1 過程控制系統組成
1．1 通訊機制
安鋼冷軋連續退火機組自動化系統的通訊機制如圖1 所示。二級系統形成了一級基礎自動化系統和三級生產控制系統的控制接口，二級系統接收三級系統下發的生產計劃和原料卷基本數據( PDI) 后將PDI 數據進行存儲和管理，之后二級系統生成必要的生產工藝參數并將其傳輸給一級系統，之后按照生產流程進行物料跟蹤直到成品實績數據( PDO) 產生后將PDO 傳輸給三級系統。
1．2 過程控制系統的軟硬件配置
安鋼冷軋連續退火機組二級生產線控制系統的組成如圖2 所示。其服務器采用兩臺HP ProliantDL388 Gen9 機架式服務器，服務器操作系統采用Windows Server 2008 操作系統，數據庫系統采用Oracle10 g。兩臺服務器采用一臺在線另一臺冷備的方式運行。二級退火爐模型服務器采用兩臺HPProliant DL388 Gen7 機架式服務器，服務器操作系統采用Windows Server 2003 操作系統，數據庫系統采用Microsoft SQL Server 2008． 兩臺退火爐模型服務器同樣采用一臺在線另一臺冷備的方式運行。二級系統HMI 客戶端和工程師站采用普通的PC，操作系統采用Windows7 專業版64 位操作系統，數據庫軟件采用Oracle 10 g，二級系統HMI 程序采用C#語言編寫。二級系統客戶端在入口操作臺、出口操作臺、稱重小房各部署一臺，用于操作人員進行二級系統HMI 的操作。二級系統工程師站在入口電氣室和出口電氣室各部署一臺，用于二級系統工程師進行系統開發和維護。出口稱重小房還配置了一臺標簽打印機，用于打印成品鋼卷的工序標簽。
二級系統服務器和二級系統客戶端、工程師站通過CISCO 交換機相連，交換機與交換機之間采用環形網絡結構連接在一起，這樣的好處是當交換機間的任意一條鏈路發生故障時，不會影響整個系統的正常工作，提高了系統的安全性。二級系統和一級系統、三級系統的接口通訊協議都采用TCP /IP協議。
2 過程控制系統的主要功能
2．1 基本數據的輸入
二級系統接收到三級系統下發的生產計劃和PDI 后，將生產計劃和PDI 數據進行存儲和管理。PDI 數據包括了原料卷的鋼種、寬度、厚度等信息以及給連退機組的帶鋼涂油量、是否平整等所有工藝指令。
二級系統會對這些接收到的PDI 數據進行檢查，如果超出系統的設定限制值，或者出現數據錯誤時，系統都會提示操作人員該條數據有誤，需要操作人員進行最終數據的確認以及在必要的情況下進行數據的更改。
如果當二級系統與三級系統出現通訊故障時，操作員也可以在通訊恢復后重新向三級系統申請PDI 數據，或者手動將PDI 數據輸入到二級系統中。生產計劃可以手動輸入也可以由三級系統產生，操作員也可以根據實際情況進行生產計劃的增加、刪除、修改等操作。當操作人員將鋼卷運輸到鞍座上時，二級系統就會將PDI 數據以及工藝設定參數下發給一級系統，然后當鋼卷上到開卷機上后，這些數據將會發送給工藝設備。
2．2 確定工藝參數設定值
二級系統根據PDI 數據以及查詢工藝參數表來確定每一個鋼卷的工藝參數設定值，這些設定值涵蓋了整條生產線，包括入口段、工藝段、出口段。
這些設定值包括諸如開卷機到一號張力輥間的張力、平整機軋制力、平整機延伸率等大量的數據，例如表1 即為CQ、DQ 鋼清洗段張力值設定表。如果PDI 數據沒有在工藝參數表中，則二級系統將通過線性插值算法生成。
二級系統將一套完整的工藝參數設定值傳輸給一級系統。這些參數也會顯示給操作人員進行確認，如果需要的話，操作員可以在鋼卷焊接前修改這些參數設定值。
工藝參數表保存在二級數據庫系統中，這些參數最初是由新聯公司和新日鐵公司提供的。在之后的生產中，根據生產經驗，操作人員也可以通過二級系統HMI 界面進行參數的查看以及修改。
2．3 物料跟蹤
二級系統將整條生產線分為入口段( 從入口鞍座到開卷機) 、工藝段( 從開卷機到卷取機) 、出口段( 從卷取機到稱重位鞍座) 三個區域。
入口段的物料跟蹤是指當操作人員對軋制計劃進行確認完畢后，將鋼卷按計劃順序依次移動至鞍座區域，此時也標志著鋼卷從計劃管理進入到了跟蹤管理。入口物料跟蹤將根據一級系統傳輸過來的事件信號，將當前鋼卷的位置顯示在二級系統HMI界面上，生成與生產線上鋼卷或帶鋼焊縫信息相一致跟蹤圖像。鋼卷的位置信息通過跟蹤來進行更新，出現和生產線上實際位置不符時，操作人員也可以進行手動更改位置信息。當鋼卷達到確認位置、對中位置、開卷位置時，將啟動預設定功能將工藝參數設定值發送給一級系統。當鋼卷到達開卷機時以及焊接完成時，二級系統還將分別向三級系統發送鋼卷確認信息和焊接完成信息，告訴三級系統鋼卷已進入機組。
工藝段的物料跟蹤主要是由一級系統來進行的，二級系統HMI 跟蹤界面的更新是根據一級傳輸過來的焊縫位置信息和脈沖發生器傳輸過來的信號計算出帶鋼在機組中的位置信息，二級系統主要進行鋼卷和帶鋼在機組中位置的監視和周期數據收集功能的控制，當接收到退火爐模型系統初始化的請求或者二級系統進行重啟時，必須告訴爐子模型系統爐子出口到開卷機這一段區域內的鋼卷信息。已便于退火爐模型系統進行計算，并進行精確的控制。當帶鋼發生剪切時，二級系統根據一級系統發送過來的剪切信號生成相應的成品鋼卷號并啟動生產實績統計功能生成鋼卷對應的生產實績數據。
出口段的物料跟蹤主要是從卷取機到稱重位的跟蹤。鋼卷從卷取機上下來，根據一級系統發送的移動事件信息，二級系統進行成品鋼卷位置的判斷和更新，當鋼卷到達稱重位置后，二級系統根據移動事件信息判斷是哪個鋼卷位于稱重位，并將一級系統發送過來的重量數據賦予相應的成品鋼卷，將PDO 數據中的重量數據進行更改，同時將PDO 發送給三級系統，完成整個物料跟蹤任務。
2．4 過程數據收集
二級系統過程數據收集和統計功能的控制范圍從鋼卷生產計劃下發到出口成品卷稱重完成，PDO發送給三級系統為止。所有的測量數據都是以長度為基準的數據，二級系統記錄了以長度為基準的質量相關數據。當一個成品鋼卷信息被創建后，這個鋼卷所對應的過程數據就會存儲到二級數據庫中。二級系統處理的測量數據包括兩大類，一類是與鋼卷有關的工藝過程數據，另一類是能源介質消耗數據。與鋼卷有關的工藝過程數據包括了各區域的張力、平整機的延伸率、軋制力等數據，這些數據經過統計以最大值、最小值、平均值的方式顯示在二級系統HMI 界面上，操作人員可以根據鋼卷號進行數據的查詢。一級系統根據各類儀表采集出來的介質消耗數據根據時序自動發送給二級系統，二級系統將這些數據進行存儲和統計，在二級系統HMI 界面上進行顯示，操作人員可以根據時間查詢某一時間段內各類能源介質的消耗情況。
2．5 軋輥管理
二級系統軋輥管理功能主要負責接收三級系統下發的軋輥原始數據，連退機組的軋輥主要分為支撐輥和工作輥。二級系統在接收到新的軋輥原始數據后，將數據存儲在數據庫系統中，同時在二級HMI 界面上進行顯示，操作人員可以通過實際生產情況在二級系統中進行軋輥的分配和確認，當平整機需要進行換輥操作時，操作人員將新輥的數據下發給一級系統。在每一卷帶鋼卷取完成后進行軋制公里數和軋制噸數的統計，并在二級系統HMI 界面上顯示在線軋輥和離線軋輥的軋制公里數和軋制噸數數據。
在三級系統沒有自動向二級系統下發軋輥數據時，操作人員可以通過二級系統，根據輥號信息向三級系統請求軋輥數據，也可以在二級HMI 畫面上進行軋輥數據的添加和修改。換輥需要操作人員在二級系統HMI 界面上輸入換輥原因，在收到一級系統的換輥信號后，二級系統會將軋輥實績信息發送給三級系統。
2．6 停機管理
二級系統的停機管理是指由二級系統自動管理機組的故障，生成系統的停機時間。停機信息包含了停機開始時間、停機結束時間和停機原因三部分內容。該功能通過接收一級系統發送的機組停機信號和機組啟動信號，根據系統時間自動生成機組停機開始時間和機組停機結束時間，停機原因則需要操作人員在二級系統HMI 界面進行停機原因的信息輸入。
2．7 班次管理
二級系統的班管理是由二級系統根據安鋼冷軋的四班三運轉工作機制，按照早班8: 00，中班16: 00，夜班24: 00 自動進行換班操作。當換班完成后，二級系統自動統計上一班的成品信息、停機信息、成材率、能源介質消耗量等信息。
2．8 報表管理
二級系統的報表管理是通過對二級數據庫系統中的數據進行統計，操作人員在二級系統HMI 界面上可以通過時間、班別、組別等查詢到成品產量報表、能源介質消耗報表、等與生產有關的各類報表，并且可以通過二級系統導出Excel 文件形式的報表。
2．9 通訊
二級系統和外部系統的通訊主要是指同一級系統、三級系統之間的通訊。二級系統與一級、三級系統之間通過交換機連接在一起，采用TCP /IP 協議進行信息通訊，并通過周期性的心跳電文檢查通訊是否保持正常連接狀態，處理底層的應答時如果超時則會報錯。
2．10 HMI 界面
二級系統的HMI 界面主要是給操作人員提供的人機接口界面，操作人員可以通過二級系統HMI界面進行生產計劃的查詢、修改、確認; 成品信息的確認、修改、打印; 預設定值的管理; 各類報表的生成等各類操作，完成相應的任務。
3 過程控制系統的優化
國內冷軋板連續退火機組經過近20 年的發展，其產品種類和性能逐漸提升，由當初的僅生產cQ、DQ、DDQ 三種軟鋼，發展到可生產EDDQ、SEDDQ、HSS、DP、TＲIP 等高深沖、超高深沖以及高強鋼，已經開發的最高強度級別可達800MPa，產品從僅能滿足建筑和家電性能要求發展到可用于高檔汽車面板，產品性能向著高強度、超深沖性、和特殊性方向發展，這得益于連續退火機組中新技術的不斷推廣應用［1］。在實際的生產過程中，由于原有數據庫中的鋼種牌號很少，新牌號HC260P、HC260Y、HY180、HY180YD+Z 等的生產就需要在原有數據庫中進行新牌號的增加。數據庫中需要根據新增牌號，增加對應的鋼種數據、屈服強度數據、以及相應的焊接代碼數據，具體見表2。每新增一個牌號，都需要進行這樣操作，以對數據庫進行完善，之后才能接收三級下發的相應的新牌號產品的PDI 數據，才能在二級系統HMI 界面上進行相應信息的查詢和顯示以及成品標簽的打印和PDO 數據的上傳。
安鋼冷軋連續退火機組設計軋制規格為帶鋼厚度≤2．0 mm，為了發揮連退機組的潛在能力，拓寬產品范圍，在進行了可行性分析之后，決定利用現有設備進行2．18 mm 帶鋼的軋制生產。由于原先的工藝參數設定值厚度上限為2．0 mm，已經不能滿足實際生產的需要，這就需要對數據庫中的工藝參數設定表中的數據進行相應的修改完善。通過對工藝參數設定表中新增2．0 mm～2．2 mm 厚度，并對相應厚度各區域張力值、平整機延伸率、平整機軋制力等數據的增加，完善了新增2．0 mm～2．2 mm 厚度的工藝參數設定表，順利完成了超限厚度2．18 mm 帶鋼的軋制。
通過對連退機組過程控制系統的優化和完善，發揮了連續退火機組的潛在能力、拓寬了安鋼冷軋產品的規格范圍，為安鋼冷軋的品種創效、結構創效提供了有力的保障，提升了安鋼冷軋產品的市場競爭力。
4 結束語
安鋼冷軋連續退火機組過程控制系統到目前為止已經運行了將近兩年的時間，通過近兩年的運行、維護、優化和完善，連退機組過程控制系統實現了連續、穩定、高效的運行，為連續退火機組的高質量、高效率生產提供了有力的保障!
5 參考文獻
［1］ 李學黨，苗鐵嶺，張玉琴． 現代連續退火機組的發展與應用探討［J］．河南冶金，2008，16( 1) : 23－25．