一、  前言

　　全社會日益增長的用電需求和電網(wǎng)輸配電能力的矛盾越來越突出。另外，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，在配電網(wǎng)中，一方面，多種干擾工業(yè)負荷，由于其非線性、沖擊性和不平衡的用電特性，使供電網(wǎng)的電壓波形發(fā)生畸變，引起電壓的波動、閃變以及三相不平衡，甚至引起系統(tǒng)頻率的波動，對電網(wǎng)的電能質量構成了嚴重的威脅；另一方面，配電網(wǎng)中的許多用電設備，例如計算機、醫(yī)用設備以及其它精密電子設備對供電系統(tǒng)的干擾更加敏感，對電能質量提出了高可靠性、高暫態(tài)恒定性、高可控性的要求。目前，大部分用于改善和提高電能質量的補償裝置都具有抑止電壓波動與閃變的功能，利用TDC的控制系統(tǒng)，是解決這些問題的經(jīng)濟有效的措施。

　　萊蕪鋼鐵公司于2005年7月投產(chǎn)的1500mm熱連軋生產(chǎn)線是一條傳統(tǒng)的半連軋生產(chǎn)線，設備的基本組成如下：2座步進式加熱爐，一架四輥粗軋機，無芯卷取熱卷箱，6架長行程液壓壓下精軋機，層流冷卻，2臺地下卷取機。年產(chǎn)量200萬噸優(yōu)質鋼卷，厚度規(guī)格1.2mm~20mm.

　　這條生產(chǎn)線是由國內(nèi)自主設計、生產(chǎn)和開發(fā)的寬帶鋼生產(chǎn)線，北京科技大學高效軋制國家工程研究中心為三電系統(tǒng)技術總負責單位，并承擔了L1級和L2級控制系統(tǒng)的設計編程和調試工作。L1級基礎自動化系統(tǒng)使用了多套S7-400PLC和Simatic TDC控制器，完成爐區(qū)、粗軋機、熱卷箱、精軋機、液壓活套、層流冷卻、卷取機、運輸機等設備的位置、壓力、速度、張力等控制功能。這也是國內(nèi)條成功應用在熱連軋生產(chǎn)線上的、完全由國人獨立研發(fā)、集成和調試的采用西門子的Simatic TDC控制器作為工藝控制器的計算機控制系統(tǒng)。圖1為正在生產(chǎn)中的精軋機組的照片。

　　圖1 正在生產(chǎn)中的精軋機組

　　二、  控制系統(tǒng)構成

　　熱連軋機（Hot continuous rolling mill）是生產(chǎn)熱軋卷板的軋鋼設備，熱連軋作業(yè)線裝備通常包括：步進式連續(xù)加熱爐，高壓水除鱗置，帶立輥四輥可逆式粗軋機，飛剪，由6架串列布置的四輥軋機組成的精軋機組，卷取機，層流冷卻裝置，成品收集設備和各種運輸輥道。熱連軋生產(chǎn)過程：鋼坯通過加熱出爐后，通過高壓水除鱗去除氧化鐵皮，進入四輥可逆式粗軋機進行開坯，軋制成適合連軋機組軋制的中間坯料。開坯過程中立輥保證鋼板的寬度，中間坯經(jīng)飛剪剪頭后，進入連軋機組。軋制成所需的規(guī)格，由卷取機收卷軋制過程中，粗、精軋機均有高壓水對鋼板進行二次除鱗。

　　在設計萊蕪鋼鐵公司1500熱連軋自動化控制系統(tǒng)時充分考慮到熱連軋生產(chǎn)工藝特點以及計算機控制系統(tǒng)硬件軟件發(fā)展趨勢，做到了先進、可靠、簡潔和實用。該控制系統(tǒng)分成以下三級：L2級過程控制級負責全線過程控制、過程日志、過程監(jiān)視、各區(qū)域模型優(yōu)化控制等任務；L1級基礎自動化級完成軋線順序控制、邏輯控制和各個設備控制；L0級傳動控制級完成交直流電動機的控制。系統(tǒng)結構如圖2所示。

　　圖2 計算機控制系統(tǒng)

　　L2級過程自動化級由3臺高性能PC服務器擔任過程控制計算機，完成模型設定和計算以及自學習功能。L2的人機界面（HMI）操作員站與L1級合在一起。過程控制計算機留有與L3級生產(chǎn)控制級的接口，同時在沒有L3級的情況下L2級還要完成生產(chǎn)管理級的部分功能。L1級計算機控制系統(tǒng)由多套西門子TDC多CPU結構高性能控制器和S7-400 PLC控制器組成?？刂葡到y(tǒng)中采用了工業(yè)以太網(wǎng)、DP網(wǎng)和GDM網(wǎng)等多種網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)。工業(yè)以太網(wǎng)采用交換機技術，通訊速率達到100M,且可以實現(xiàn)全雙工通訊。由于充分考慮了熱連軋生產(chǎn)中信息流和數(shù)據(jù)流的特點，以太網(wǎng)網(wǎng)絡拓撲結構采用分段和分層設計，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息的快慢分離、區(qū)域分流，有效減少了數(shù)據(jù)的擁堵。Profibus-DP網(wǎng)是一種應用為廣泛的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡系統(tǒng)，它使用雙絞屏蔽電纜，通訊速率可達12M,還可通過中繼器大大擴展通訊距離和連接的工作站點數(shù)。本系統(tǒng)中大量采用了Profibus-DP現(xiàn)場總線以連接操作臺、遠程I/O、主、輔傳動控制器等子系統(tǒng)，大大減少硬線數(shù)量，有效提高了系統(tǒng)的簡潔性。

　　全局數(shù)據(jù)內(nèi)存GDM網(wǎng)是一種超高速通訊網(wǎng)絡，它主要應用于西門子的SIMATIC TDC控制器系統(tǒng)中，具有下述特點：采用星型拓撲結構；通訊速率可達640Mbps;具有2M字節(jié)共享中央內(nèi)存；分站點與中央站點間通過光纖建立連接，遠距離為200米；一個GDM網(wǎng)絡多可以支持44個站點，可以實現(xiàn)多達836個CPU模板之間的數(shù)據(jù)通訊；具備故障狀態(tài)監(jiān)測功能?？梢钥闯鐾陦驖M足熱連軋系統(tǒng)對"高速通訊"的要求。精軋區(qū)和卷取區(qū)域內(nèi)的TDC控制器全部接入超高速光纖內(nèi)存網(wǎng)，用于傳遞對控制任務實時性要求很高的控制數(shù)據(jù)。

　　另外，軋線上各個操作室內(nèi)設置多臺HMI人機界面站，用于操作員監(jiān)控生產(chǎn)過程。HMI系統(tǒng)使用WINCC v6.0開發(fā)，采用客戶機-服務器模式，通過以太網(wǎng)與L2級計算機和L1級控制器進行通訊。

　　三、  控制系統(tǒng)功能和特點

　　TDC是Internet Explorer 4.0及以上版本提供的一個組件，它以有界定符文本文件作為數(shù)據(jù)來源，利用緩沖機制，在本地機實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的動態(tài)控制，并支持Recordset集的屬性和方法。如果將TDC數(shù)據(jù)綁定到WEB頁面的HTML元素，可以不依賴ASP、CGI等服務器端處理邏輯，實現(xiàn)用戶與頁面的動態(tài)交互，減少動態(tài)網(wǎng)頁對服務器的依賴程度，減輕服務器的壓力和緩解網(wǎng)絡擁擠。

　　本軋線L2過程控制級的內(nèi)容在于各種軋鋼數(shù)學模型包括：粗軋模型、精軋模型、板形模型、CTC模型和自學習模型等。主要功能包括：板坯初始數(shù)據(jù)及軋制計劃管理、加熱爐數(shù)據(jù)跟蹤、軋制節(jié)奏計算、設定計算、模擬軋鋼和軋輥數(shù)據(jù)及生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理和歷史數(shù)據(jù)管理，還可以生成班報、日報、工程記錄和生產(chǎn)（包含質量分類） 等各種類型的報表。

　　中間件（Middle Ware）是過程控制系統(tǒng)的支撐軟件，是L2級應用軟件的開發(fā)平臺和運行環(huán)境。其主要作用是屏蔽硬件平臺和操作系統(tǒng)的差異性以及底層操作系統(tǒng)的復雜性，使應用程序開發(fā)人員面對一個簡單而統(tǒng)一的開發(fā)環(huán)境，降低過程自動化應用軟件開發(fā)和維護的復雜性。主要功能模塊包括：實時數(shù)據(jù)文件管理（RDFM）、進程間通訊管理（IPC）、外部通訊管理（HubWare）、日志報警管理（Logger）、數(shù)據(jù)庫連接管理（DBLinker）、HMI變量管理（TagCenter）和進程管理（TaskWatch）等，具體系統(tǒng)構架如圖3所示：

　　圖3 中間件系統(tǒng)的架構

　　L1基礎自動化級主要功能包括：微張力控制、可逆軋制控制、熱卷箱控制、飛剪控制、精軋速度控制、液壓活套高度及張力控制、液壓HAPC控制、精軋液壓HAGC控制、板型控制ASC、終軋溫度控制、卷取溫度控制（CTC）、卷取速度張力控制、液壓助卷輥自動踏步控制（AJC）等。眾所周知，熱連軋系統(tǒng)的復雜性和高速性主要體現(xiàn)在精軋區(qū)和卷取區(qū)的控制上。僅精軋區(qū)六個機架就集中了六十多個高速閉環(huán)控制回路，而且還有大量的解耦計算，同時還要實現(xiàn)前饋、反饋和各種補償控制算法。這都需要功能強大的處理器的支持。而西門子TDC控制器正好可以滿足這種需求。

　　TDC的CPU采用64位RISC技術設計，可嚴格保證100微秒的短采樣周期，運算功能極其強大，其PI調節(jié)器的計算時間大約為1~3微秒，可以滿足熱連軋"高速控制"的要求。同時TDC的CPU具有5個循環(huán)時鐘周期，可以根據(jù)控制任務性質的不同將它們分配在不同的循環(huán)周期內(nèi)。對于快速回路如HAPC、HAJC等控制功能放在T1周期內(nèi)，對于HAGC等控制策略和各種補償及解耦計算可以放在T2和T3周期內(nèi)，而對通訊接口的處理可以放在T4周期內(nèi)。如此一來不僅保證了對精軋液壓壓下、卷取機助卷輥液壓缸部件2~4ms的快速閉環(huán)控制，還有效的減輕了CPU的負荷率。分布式TDC控制系統(tǒng)站點間通過GDM交換數(shù)據(jù)，與區(qū)域其它控制器和畫面系統(tǒng)使用快速以太網(wǎng)通訊，與遠程I/O和傳動通過DP網(wǎng)通訊。編程人員通過MPI網(wǎng)或DUST1協(xié)議對分布式系統(tǒng)中各個TDC的程序進行調試和維護。這樣的設計取得了很好的控制效果。圖4為現(xiàn)場實測控制效果曲線，可以看出3mm的帶鋼厚度偏差在30μm內(nèi)的達到96.53%.

　　圖4 實測曲線

　　四、  結束語

　　萊鋼1500熱連軋控制系統(tǒng)自2005年6月底試軋成功，用不到一個月的時間實現(xiàn)了日達產(chǎn)，三個月后實現(xiàn)了月達產(chǎn)。至今一年多的正常生產(chǎn)表明，該套自主設計和集成的控制系統(tǒng)能滿足熱連軋生產(chǎn)的各項要求，達到國內(nèi)外先進水平，減少工程投資。該項目實現(xiàn)了全自動軋鋼，加快了生產(chǎn)節(jié)奏，提高了產(chǎn)品質量和產(chǎn)量，降低了職工的勞動強度。從2005年7月到2006年2月，生產(chǎn)合格鋼材100萬噸。創(chuàng)造利潤3個億以上。僅2006年3~6月生產(chǎn)68萬噸，創(chuàng)造利潤5.5個億。綜合成材率達到97.3%;系統(tǒng)的全自動運行率保持在98%以上；HAGC投入率達95%以上；8mm以上厚度帶鋼AJC投入率達100%;厚度控制在± 50μm以內(nèi)達97.6%.此控制系統(tǒng)在萊鋼獲得成功應用后已被推廣應用到其它熱連軋項目中。