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1、热轧过程控制计算机系统的开发与集成 单旭沂 1 劳兆利 1 吴毅平 2 张健民 1(1.宝钢股份公司;2.宝信软件股份有限公司)摘要摘要：高温、高速、高产的热轧生产对控制系统有极高的稳定性、准确性、响应性要求。为了开发满足 500 万 t 级热轧带钢生产的过程控制计算机系统，需要有复杂实时系统开发的经验，熟悉相关的生产工艺，掌握计算机、电气、通信、控制等多项技术和发展趋势，具备复杂应用软件以及高精度模型的开发能力。文章回顾了宝钢热轧过程控制计算机系统开发的历程，阐述了系统开发的重点与难点。对 2050 热轧过程控制计算机系统的改造工作进行了详细的分析，指出了系统开发的成功关键点以及需要进一步研
2、究提高的不足之处。关键词关键词：热轧；过程控制；模型；集成 0 前言 热轧生产具有高产、高速、高温特点，在钢铁企业中处于承上启下的关键位置。对于三电控制系统的功能、稳定性及实时响应性有很高的要求。宝钢自 1985 年开始热轧项目的建设以来，非常重视热轧三电控制系统开发能力的培养。通过高起点消化、吸收引进技术，不断在具体的项目中创新提高，形成了热轧过程控制计算机系统自主开发、集成的队伍，具备了开发和创新的能力。本文回顾了宝钢热轧过程控制计算机系统开发的历程，阐述了系统开发的重点与难点，对 2050 热轧过程控制计算机系统的改造工作进行了详细的分析，指出了系统开发的成功关键点以及需要进一步研究提高
3、的不足之处。1 宝钢热轧过程控制系统的发展 宝钢在热轧过程控制系统开发技术的发展是与宝钢热轧生产线的建设和改造紧密相关的。在 2050 热轧建设期间，公司派遣了精兵强将参与了整个系统的设计、开发、投产以及此后的系统优化、完善工作。开始了高起点消化、自主创新的历程。但是系统开发的整体实力仍相对薄弱。1993 年对板形控制系统的改造时仍需完全依赖西马克公司。1994 年宝钢开始建设 1580 热轧。基于此前的积累，宝钢具备了一定的过程控制系统的开发能力。考虑到系统开发工作的复杂性以及三电控制系统的完整性，宝钢承担了加热炉应用系统的开发，参与了轧线系统的联合设计、编程与调试。1580 热轧的加热炉应
4、用系统的成功开发，掌握了热轧过程控制计算机系统开发的设计规范、工程控制方法，并积累了具体的现场调试经验，为宝钢自主承担过程控制系统的开发工作打下了坚实的基础。考虑到 2050 热轧卷取温度控制精度不能满足产品质量的需要，公司于 1997 年实施对层流冷却系统实施的改造。本次改造中将原来集成在精轧系统中的层流冷却控制系统中剥离，利用原闲置的西门子专用计算机硬件，构建新的层流冷却专用控制系统，并采用工控微机替代原有的多微机前置处理计算机系统。重新布置了整个冷却区的各冷却段，细化了每个阀门所控制的喷水集管数量；适当增强了精冷区的冷却能力；大幅度缩短了控制周期；改善了自适应算法；采用了分段 PID 控
5、制算法；解决了极薄与极厚规格带钢卷取温度控制精度低及带钢尾部温度严重上翘等问题。新系统投入在线控制后，卷取温度控制精度有了大幅度的提高。本次改造项目全部由宝钢技术人员完成，首次实现了对热轧过程控制系统的局部改造，迈出了自主创新的第一步。在进行 2050 热轧层流冷却系统改造的同时，对当时投产不久的 1580 热轧过程控制系统也进行了功能的拓展、完善与优化工作。完成了来料板坯厚度从 230mm到 250mm及成品厚度从 1.6mm到 1.2mm的拓展。同时还自主开发了硅钢、汽车板生产的工艺、模型以及控制软件。另外 1580 热轧在增建 3硅钢加热炉时，由宝钢独立完成了软件系统的开发以及加热炉燃烧
6、控制、热跟踪模型的建立。丰富了宝钢热轧过程控制计算机系统的开发经验。2000 年，为了配合 2050 热轧凸度测量系统的改造，对凸度与板形控制系统进行了改造。这次改造，首次由宝钢自主进行了系统的整体设计与集成，使用了一系列新技术，如采用了client/server 结构，TCP/IP 进行系统之间的通信、采用商用计算机系统等。在进行计算机系统改造的同时，还进行了轮廓控制算法的研究、开发。通过这次改造，进一步提升了宝钢的系统设计与集成能力，为自主改造 2050 热轧整个轧线计算机系统探明了道路。2001 年开始着手进行 2050 热轧整个过程控制计算机系统的改造。采用惠普的 ES40 商用服务器
7、替换原有粗轧、精轧、层冷三个区域的西门子专用过程计算机，采用了系统集群、存储局域网、共享磁盘阵列、高速以太网、TCP/IP 协议通信等技术。在进行计算机硬件系统更新换代的同时，对软件系统以及控制模型进行了升级换代。开发了大批新的模型，如粗轧区主要有短行程数模、分布式温度计算模型、宽展数模、立辊轧制力学习模型、精轧自然宽展数模等 9 个数模进行了研发；精轧区域对最核心的温度控制模型、压下模型、轧制力模型进行了参数的调整，并开发了新的压下模型、轧制力模型、参数自适应模型；层冷区主要有定长控制温度模型、温度差分模型、数据平滑方法、学习模型等。项目投入运行后，控制精度得到了大幅度的提高。2004 年宝
8、钢开始建设 1880 热轧。基于改造 2050 热轧过程控制计算机系统的成功经验，公司决定由宝钢自主开发 1880 热轧的整个过程控制计算机系统，包括加热炉、粗轧、精轧以及层流冷却系统。纵观宝钢在热轧过程控制计算机系统的开发历史，工作范围无不局限在原功能框架之中，因此系统开发时相关的外围条件是基本稳定的。而对于 1880 热轧过程控制系统的开发而言，项目涉及的产品、工艺、设备配置、功能分担等方面的不确定性因素大量增加，虽然可以参照现有热轧过程控制计算机系统的功能，但系统开发的难度剧增。不过这也是宝钢提升热轧过程控制系统能力必须跨越的障碍。2 热轧过程控制计算机系统的开发难点及重点分析 开发热轧
9、过程控制系统的目的是满足热轧生产的需要，并具备功能扩展、产品质量提升等后续开发工作的需要。因此系统设计、应用系统功能的开发、模型及控制软件的设计、工程管理是开发的难点与重点。对于改造项目而言，新老系统的切换方案也是项目成败的关键技术之一。产品 工艺 质量 过程控制系统2.1 系统设计 热轧过程控制计算机系统的设计涉及到产品工艺、产品质量的需求、设备的配置以及整个三电控制系统的总体功能分担。过程控制计算机系统是三电控制的一个有机的组成部分。系统设计的目的是创建一个满足产品、工艺及质量需求，与电气、测量系统高度集成的稳定、实时控制系统。具体需要考虑功能的分担、设备的选型、数据存储方式、网络系统的配
10、置、与电气及测量仪表之间接口的实现方式、应用功能的开发、系统备用及切换的实现方式等等。系统设计决定整个系统的能力，如功能、稳定性、系统的响应能力等。2.2 应用功能开发 根据热轧生产流程，需要考虑加热炉、粗轧、精轧、板形、层流冷却及卷取机等设备的设定与控制。围绕生产过程的物流、信息流及控制流展开应用功能的开发，具体内容包括材料跟踪、数据通信、数据管理、数据收集、设定计算、画面、报表等。这些是完成热轧过程控制所必备的基本功能，是确保热轧物流、信息流畅通、准确，生产高度自动化的前提条件。2.3 热轧模型 为了获得高精度的产品，就必须对热轧过程进行精确的控制。因此建立高精度的过程控制模型实现对板坯的
11、加热、宽度、厚度、板形、轧制过程中的温度、卷取温度等进行预报、机械设备 测量仪表 电气控制 图 1 功能关系示意图 物理模型 控制模型 自适应模型 热轧 模型系统 的构成要素 图 2 热轧模型分类 设定以及周期控制是整个过程控制系统的核心。从抽象角度分析，热轧控制系统的模型可分三大类：物理模型、控制模型以及自适应模型。物理模型主要用于预测计算，如温度、轧制力、辊缝等的预报，是保证带钢头部乃至全长精度的首要任务。控制模型主要用于动态的周期设定计算，消除带钢在轧制过程中输入条件变化所引起的对产品质量的影响，确保全长质量的稳定性。而自适应模型则是通过模型参数的自动调节机制，不断优化模型的设定与控制精
12、度，是应对设备、环境、产品等各种未知因素所引发的质量的波动。2.4 工程管理 热轧过程控制系统的开发一般需要 23 年时间。在需求分析、初步设计、基本设计、详细设计、编程调试、三电综合测试、冷负荷试车、热负荷试车、规格品种的扩大、功能的考核以及后期的功能优化、模型参数调试等整个项目周期中涉及到范围管理、进度管理、质量管理、成本管理、风险管理、沟通管理、人力资源管理、采购管理以及项目集成管理等九个方面。3 2050 热轧轧线过程控制计算机系统改造 在热轧三电系统改造总体框架下，实施对 2050 热轧轧线过程控制计算机系统的改造。3.1 系统设计 为了实施对复杂热轧控制系统的分步改造，各子系统功能
13、原则上维持不变，只进行局部优化。在对过程控制计算机系统改造时，取消了原前置处理机系统，将其功能合理的分配到基础自动化以及过程控制计算机系统中，以使整个控制系统层次清晰、功能分担更趋合理。3.1.1 主机系统 主机采用 HP 的 ALPHA 服务器 ES40。利用正在改造的板形控制计算机，添置一些必要的软硬件，将现有精轧控制机的功能移植进去，并称其为精轧控制机。另外，新置三台小型机，其中二台分别替换现有的粗轧控制机和层流冷却控制机，另一台作为粗轧、精轧和层流冷却控制机的备用机。这四台主机均为多 CPU 系统，除了本身带有内置硬盘外，还共享一套外置的磁盘阵列，组成一个互为热备的集群体系结构。3.1
14、.2 存储系统 新系统在数据存储上实现了基于 SAN 的 RAID 磁盘技术，最大程度保证了系统数据的完整性和安全性。根据生产数据的特点和使用目的，在数据管理上分别采用了数据库和文件系统，扬长避短，保证数据快速访问和高效管理。通过安装和合理配置 Veritas 存储管理软件，设计了整体存储系统的完全自动备份和恢复功能。3.1.3 网络系统 过程机与上位机、过程机间及过程机与基础自动化的通信基本上采用当今流行的网络方式，但继续保留点对点通信接口，以便适应那些只含这类接口的设备。2050mm 热轧原过程机是由多个计算机组成的大系统，几年来陆续进行了多次局部改造，而且有 3 个改造项目和本项目同步实
15、施，本次改造又采用了并行运行调试/在线切换（影子工程/互为热备）方案。涉及改造的有 13 个仪表、基础自动化的相关网络接口 53 条，专用串行接口 8 个，而在切换过程中新增的临时线路则更加复杂。在项目实施过程中，先后解决了新粗轧计算机与加热炉计算机、新粗轧计算机与新基础自动化系统、新精轧与老基础自动化系统、新计算机与 28点、60 点凸度仪、新计算机与老板坯称重机之间的接口设计问题，尤其是 L2 与 L1 之间接口的前置处理机设计问题。3.1.4 中间软件与应用系统的整合 应用系统与操作系统的整合需要中间软件的配置与设计。在本项目中采用了宝信公司自主开发的中间软件 Plature99 和 X
16、com。该平台是首次应用在热轧领域，通过在线的不断完善与优化，使该平台很快适应了实时高速的控制过程的需要。3.2 应用功能设计开发 应用功能设计开发是整个计算机系统设计的主体。3.2.1 注重需求分析，明确系统功能 需求分析的质量直接决定了系统能否满足用户要求、满足生产要求、满足外围系统要求，是项目成功的重要保证。本项目的需求分析主要分为核心功能的提取和新增需求的追加。2050mm 热轧轧线计算机系统共有约 60 个大功能。为了深入消化、掌握老系统，提取其核心功能，需解读原系统的各种设计文档和源程序。以通信电文启动关系为源头，追踪板坯/带钢的移动，清理控制流、数据流，并进一步理顺相互的接口关系
17、。同时，充分调研 2050 热轧十余年生产过程中累积的对系统功能的完善需求，具体涉及新的功能、信息管理、人机界面、报表等内容。3.2.2 应用功能的开发 采用 UNIX 操作系统和 C，C+编程语言，利用新的平台软件和 ORACLE 数据库来实现新的应用。主要有如下几大类应用软件：轧制计划管理：实现了灵活调整轧制计划，为热装热送功能创造了基本的条件；材料跟踪：包括粗轧、精轧与层冷区跟踪三块大功能，该程序为协调所有粗轧、精轧、层冷程序的关键功能，满足粗轧、精轧特别是层冷快速控制的要求。粗轧设定计算：该功能由轧制策略，道次预计算/再计算，后计算和设定传送程序构成，实现了规程自动选择，高精度的模型计
18、算，针对各种工况和各种钢种和规格材料的自动化道次计算。精轧设定计算：精轧轧制策略与道次计划计算功能，精轧入口修正功能，精轧道次计划后计算及自适应功能，精轧温度再调整功能；精轧设定值传送功能；精轧对话系统；精轧记录系统；精轧测量值采集与统计处理、轧件映像跟踪功能；精轧轧制节奏控制；精轧计算机通信功能；机架间冷却与功率加速度功能；带钢凸度控制；带钢平直度控制；带钢楔形度计算；轧辊热凸度计算；轧辊磨损计算；带钢凸度、平直度记录。层冷设定计算：该功能由冷却策略，冷却预计算，头部调整程序，后计算和设定传送程序构成，实现了规程自动选择，高精度的模型计算，针对各种工况和各种钢种和规格材料的冷却计算。层冷动态
19、计算：该功能由段确认程序，主冷区前馈控制，精冷区前馈控制和设定传送程序构成，针对实测的温度状况，进行温度的前馈/反馈控制，提高目标控制精度的命中率。宽度控制：由短行程控制、宽展模型及快速修正功能组成，分担在粗轧及精轧二个机组，对短行程数模进行了新的开发，对宽展数模考虑精轧道次计算相关设定计算值，以提高精轧出口宽度控制精度。自适应：自适应系统很好地对各种规格和钢种的模型参数进行学习修正，使得精度可很快得以提高。通信接口：包括粗轧、层冷机组与下位机、基础自动化、仪表、同级机之间的通信接口程序，数据分发程序。友好的人机界面：采用 VB 作为工具界面使用中文，画面不仅能反映实际轧钢实况，而且操作方便，
20、简单，报信和操作指导十分丰富。生产管理：生产管理有班管理，作业管理和质量统计等，生产数据准确，质量数据一目了然。数据归档：所有计划，生产模型以及实绩数据全部保存在 oracle 数据库中，实现了数据查询，统计和显示。报表系统：可对当前轧制或历史的带钢打印要求的精轧和板型数据。3.2.3 规范软件设计，强化文档管理 为了提高开发效率，制定了各开发阶段的工作规范，如统一的全局变量、程序名、文件名的命名规则，统一的程序模块的框架格式，统一的指导信息、报警信息的分类和格式，统一的公共子程序规格。标准的文档规范，从根本上保证了软件设计、程序编制和调试的进度和质量。3.3 模型开发 2050 热轧轧线过程
21、控制数学模型共分 8 大类 67 个独立的模型。虽然有程序的源代码和简单的功能规格书，但并没有提供模型的使用、控制方式，更没有提供任何模型调整手段和方法，这给模型的解析带来了极大的难度。由于这些模型计算复杂、耦合性强，而且整个设定、反馈和自适应要求在几十毫秒内完成，因此自热轧投产以来，一直无法对 2050 热轧的模型进行过实质性的改进。为了全面了解和掌握热轧数学模型的机理和实际控制的流程，以及模型中工艺参数的具体含义，与工艺、设备和电气技术人员开展了广泛的交流和讨论，彻底搞清楚每一个设定数据在基础自动化的作用和执行过程，以及 L1 对实际值的采样方法和采样过程，充分掌握了2050 热轧数模。在
22、此基础上，完成了过程机改造的功能需求分析。通过对数模应用功能的重新架构和设计，改进了如原粗轧后计算对预计算的反复激励等不合理功能；部分功能集中处理；新增了粗轧负荷分配自动选择、T 型轧制自动过程控制、短行程数模、分布式温度计算模型、宽展数模、立辊轧制力学习模型、精轧自然宽展数模、精轧新的压下模型、轧制力模型、参数自适应模型、层冷区的定长控制温度模型、温度差分模型、数据平滑方法、学习模型等十多项新功能；并对负荷规程、冷却规程、模型参数等进行了系统、全面的优化调整。经过 2050 热轧过程机系统的自主设计和总成，我们已经初步形成了热轧过程控制数学模型及相关应用软件的成套控制技术，基本具备了与宝钢
23、2050 热轧相类似的热连轧机的过程控制模型及相关应用软件的设计、开发、调试、投运及模型调整的能力，这些成套控制技术包括：数学模型的机理、控制思想；数学模型的解析、调整方法；数学模型控制软件的程序源代码。3.4 切换投运 制定稳妥、细致、周密的切换方案对于改造项目而言至关重要。为了不影响正常的生产，必须保证切换的一次成功以及新老系统切换的快速性。3.4.1 制定切换预案 早在基本计划编制阶段，就开始筹划切换投运工作，通过创建并行运行所需的各种条件，为新系统创造了一个在线测试环境，在长达 3 个多月的测试阶段，对新老系统充分比对，不放过任何一个疑点，基本保证新系统能满足在线生产。对于外部接口测试
24、，利用定修、换辊时间，对电文内容、量纲、时序、电文项的使用方法等反复确认，保证双方理解的一致性。其中粗轧的一个设定计算电文，就利用了 3 次定修时间，确认了十几种不同的道次组合，共上万个数据。精轧系统由于操作工干预频繁，导致新老系统无法对照，为此在精轧系统上开发了新老系统画面同步工具，确保了新老系统画面输入的一致性。3.4.2 系统投运分步骤 切换工作涉及面相当广泛。考虑到新系统倘若进行整体在线切换，可能会对生产造成巨大冲击，影响面大，并且导致信息混乱。为此，根据各机组的测试情况以及生产过程中的定修、换辊计划制定了各个击破的切换策略。对于 2050 热轧计划等外部系统，在项目主体切换前完成。3
25、.4.3 新老并行避风险 对于核心控制部分，采取逐步实现在线的方法。先对核心控制系统进行切换，其它部分的管理仍由老系统进行。如粗轧新系统切换初期，粗轧 BA 的设定由新系统进行，与加热炉、仪表的电文通信，仍由老系统进行。精轧切换时，其与称重机、L3 的通信仍由老系统进行。整个过程机系统也分步投入，从粗轧系统到层冷系统投入。新老系统并行的举措，使切换工作始终处于低风险状态。3.4.4 快速切换显成效 生产的连贯性，要求从老系统到新系统切换不能影响正常生产节奏；新系统的试运行，要求故障时能快速切换回老系统。在项目实施过程中打破常规，大胆引入先进的技术与方法，在大量实验的基础上，创造性地提出了“影子
26、工程”（shadow），即新老并行、“分机组逐步投入”及“新老系统互为热备”的思想及系列方案。实现了粗轧，层冷新系统的无缝切换。3.5 存在问题与改进建议 由于所开展的设计与开发工作局限在原系统的功能范围内，对于总体功能的把握仍然存在不足，需要通过新建热轧项目的实践不断总结、提高。虽然开展了大量的模型以及参数优化方面的工作，但由于受到总体功能框架的制约，大部分模型的架构是建立在原模型的基础之上的，未有革命性的改进，新模型的开发能力仍显不足。另外，在结构性软件架构下，难以实现灵活的模型功能的切换与测试，制约了模型的进一步开发、提高。对于板形模型的基础研究不够深入，未能形成应对设备类型变化以及大范围规格变化的能力。4 小结 本文回顾的宝钢在热轧过程控制计算方面的发展历程，每一点的进步都是与公司的决策以及广大的科技人员的努力分不开的。虽然前进的步伐略显迟缓，但每一步都是坚实的。通过十年磨一剑的坚定决心，宝钢已经具备承建国际一流热轧生产线的能力。通过分析热轧控制系统开发的难点与重点，阐明了热轧过程控制计算机系统所必须考虑的关键环节，提出了进一步提升开发技术的方向。单旭沂，博士，宝钢股份首席工程师。1964 年生。主要从事热轧过程控制计算机系统以及热轧过程控制模型的研发。