模拟轧钢系统有效提高冶金企业工程建设速度
发布时间：2009-07-13 作者：马 净 庄宁宁
1 引言
目前，新建的轧钢生产线自动化程度越来越高，但项目的开发周期与现场调试的时间要求反而越来越短。模拟轧钢系统是解决冶金企业自动化工程要求高和建设速度要求快之间矛盾的有效方法。模拟轧钢提供了一个类似于现场的测试环境，一方面可以缩短总的调试时间，另一方面可以通过模拟轧钢来优化生产工艺参数，以代替试轧，避免轧制损失，节约了轧制原材料；还可以通过模拟轧钢随时检查现场的设备准备状态，减少设备的安全隐患。正因为如此，模拟轧钢的研制与应用被逐渐重视起来。
2 模轧原理和实现
在现代化轧机的计算机控制系统中，在轧线上无钢坯的情况下产生类似于轧钢的实际状态，使轧制线上所有设备正常地按轧制情况运转起来，起时序控制作用的软硬件被称之为模拟轧钢。模拟轧钢程序是通过硬件i/o接口起作用，同样可以完全使用软件方式工作。
2.1 模拟轧钢概念[1]
在现代化热轧生产线上，自动化程度高，轧制节奏快，对产品质量要求亦较高。而在计算机控制系统中具有一个关键性程序，它对全部功能控制程序的运行起到调度作用，这就是跟踪程序。跟踪程序是对轧线上热金属检测器和平辊轧机的压力负荷继电器
(hmd，lr) 状态仿真，进而指示出钢坯在轧线上实际位置和运行状态，从而达到调度的目的。在实际轧制中，hmd和lr的 “on/off”状态改变主要根据轧件的到达和离去的时序而定(除少数hmd误动作之外)。但对于模拟轧钢时，无轧件在轧线上运动，亦要产生hmd和lr的“on/off”的变化，这就是模拟轧钢时的plc依据时序通过硬件接口的作用。首先按实际轧制时的工艺情况和具体的轧制方案，依据模型计算出轧线上各hmd和lr的状态时序，由计算机输出接口将此状态以时序发出去控制实际的hmd和lr二次检测器，再由输入接口采入各检测器状态，则跟踪程序就可像真实轧制时一样正常运行，调度作用同时产生了。关于实际检测器与计算机硬件接线如图1所示。
图1 模拟检测器示意图
2.2 模拟轧钢实现
如若不使用硬件，比如在实验室工作阶段或现场过程接口尚未完备时，则只可使用纯软件方式工作。那就是使用分布式系统数据库中的计算点名代替检测器的点名。此时跟踪将不直接使用计算机输入接口采入的检测器信号，而使用模轧点名和接口采入的进行或运算之后的信号。如图2所示。
图2 模轧逻辑图
图2中是以hmd10检测器为例说明纯软件模轧和实际检测器的并联输入作用。ahmd10表示实际的二次检测器的状态，shmd10表示模拟轧制时的状态输入，同时具有条件模拟轧钢sml。跟踪要使用的信号为hmd10，逻辑代数式为：hmd10=ahmd10+sml·shm -d10各检测器的模拟状态和时序[2]是按模轧方案事先制定的。制定模轧方案考虑到了实际生产过程中常生产的产品结构和规格，考虑到少数特殊生产工艺情况(例如空过机架等)来制定的。具体实现模轧时，设立模轧方案号schno，还需要与schno相对应的假定钢坯数据号sdano。一旦操作人员在人机接口操作员站(hmi)上输入这两个参数时，模轧程序就调用相应的模轧方案数据，并且分布系统的过程计算机根据sdano对指定的假设数据进行模型设定计算和各种过程参数的计算，并将计算机结果依照模轧时序传送到功能控制计算机。每个模轧方案应具有一个以上的钢坯数据与之对应，其方案本身的多少视具体生产工艺情况而事先制定。
模轧方案确定之后，具体的时序数据(亦是模轧时的方案数据)事先按工艺模型生成和检测器中每一个状态变化时序以组合字方式形成模轧方案数据存入计算机，便于运行时使用。方案数据的组合可以按图3所示的方法来制定，每次状态变化为一个组合字，多个组合字就组成了一个完整的模轧方案。
图3 模轧方案数据组合
图3中：a表示检测器状态，a=1为on，a=0为off；b表示本检测器是否为重要检测器，b=1为重要检测器，b=0为非重要；c备用位，以此表示某些特殊应用中的特殊状态；d为检测器名称代号，可表示检测器的个数为：26=64个；t表示检测器状态变化与上次某检测器状态变化之间的时间间隔，亦即时序，单位为0.1s，最大为12.8s。
上述方法的制定可根据实际需要可以灵活组合。在实际运行模轧程序时就是将上述组合字分解开，依据d字段指定的检测器号并按时序t，将a中的on/off状态发出，进而通过计算机接口输出去控制对应的二次检测器，这就是实现模拟轧钢的基本原理和实现方法。
模轧程序设置快慢两种形式的模拟。慢模用于发掘程序和设备故障时使用，快模是模拟实际轧制节奏。在慢模时，时序前进有待于操作员确认，否则将在本检测器处时序停止不前，这是对于重要检测器时起作用的。
3 模轧的应用
一个现代化轧钢生产线具有完整的自动化、先进的计算机控制系统，则模拟轧钢功能是不可少的。它的作用已在实践中充分证明，其经济效益十分显著。
莱钢1500mm热连轧生产线中，热卷箱将粗轧轧制后的中间坯弯曲卷绕成卷，然后反向以粗轧出口中间坯尾部为头部，开卷后送往飞剪切头切尾，最后进入精轧机组。热卷箱与粗轧机形成连轧连卷，与精轧机组形成连开连轧，实现了无芯卷取。热卷箱在卷取过程将带坯的头尾颠倒，即将带坯的尾部变成头部并把带坯的表面反转过来进入精轧机组，极大改善头尾温差大的状况，有利于下一步轧制的顺利进行。
3.1 带钢跟踪
跟踪的目的是确定轧件在生产线上的实际位置和有关状况，以便在规定的时间启动有关应用程序，完成过程控制的其他功能。热卷箱的跟踪从粗轧输出辊道开始，到飞剪入口辊道为止，采用不同的热金属检测器来检测轧钢过程中带钢的头部和尾部以及带卷是否在热卷箱里，主要由
hmd305，hmd401-hmd405实现。当实际轧件的位置和计算机跟踪的轧件位置产生偏差时，操作人员可以通过hmi终端(pc机)加以校正，这就是跟踪修正。热卷箱热金属检测器的位置如图4所示。
图4 热金属检测器位置示意图
图4中：roughing mill: 粗轧机；entry roll：热卷箱入口辊；cr1～cr3：1#～3#托卷辊；pinch
roll：夹送辊；cs：飞剪；desc：除鳞箱；f1: 精轧机1；coilbox(热卷箱)15m
hmd305：on表示带钢头部到达热卷箱，off表示接近尾部；coilbox entry
(热卷箱入口)hmd401，402：为带卷直径计算和制动发出精确的头部及尾部跟踪点；cr1(1号托辊)；hmd403：表示一个带卷在卷取区，也生成了一个跟踪信号，用邻近的hmd信号和带卷直径计算，确定带卷在1号托辊上；cr2～3(2#、3#托辊)hmd404：表示带钢或带卷在开卷区，与邻近的hmd信号相结合，确定带卷的位置；holdback
roll(开尾辊) hmd405：表示一个被动移送的带卷在开尾辊处，该hmd必须不检测在开卷的带卷尺寸；pinch
roll(夹送辊)hmd406：表示带钢在夹送矫直辊里。
3.2 开关量信号的处理
图5以热卷箱hmd305信号的处理程序为例，说明模轧过程中跟踪的实现。
图5 热卷箱hmd305信号处理程序
正常轧钢时(db11.dbx301.2)，现场检测元件hmd305(i4.0)跟踪检测到轧件后，延时200ms(t30)，hmd305_p置“1”，实现实际轧钢的时序逻辑；模轧状态时，由画面上选择模轧方式(db11.dbx301.2)，并通过一级之间的相互通讯得到精轧模轧状态(db12.dbx151.4)，当hmd401_sim条件满足后，模拟卷取计长(db61.dbd76)大于粗轧末道次轧出理论长度(db12.dbd26)， hmd305_sim条件满足，实现模拟轧钢时的时序逻辑。其中，粗轧末道次轧出理论长度通过一级间通讯，由粗轧传给热卷箱，模拟卷取计长由安装在1#托辊上的编码器算出。
4 结束语
莱钢1500mm宽带热连轧生产线于2005年6月投产至今，模拟轧钢系统运行良好，并在模拟过程中发现若干水、风、电等设备隐患，同时检验各plc和tdc控制系统工作是否正常，对于避免废钢、堆钢等重大生产故障的发生起到积极的预防作用。
作者简介
马 净(1977-) 女 工学学士 工程师，冶金自动化技术应用领域。
参考文献
[1] 王有铭，簏守礼，韦光.控制轧制. 北京:冶金工业出版社，2006
[2] 李正军.计算机测控系统设计与应用. 山东工业大学，2000