过程控制系统在承钢1780生产线的应用
【摘 要】本文介绍承德钢铁公司1780热连轧生产线过程控制系统的组成、原理和实际应用情况，主要阐述热轧过程控
制系统在实际轧钢过程中的作用。
【关键词】过程控制 热轧带钢 模型 采集
1.引言
热轧卷板是以板坯为原料，经加热后由粗轧机组及精轧机组轧制成带钢。从精轧最后一架轧机出来的热钢带通过层流冷却至设定温度，由卷取机卷成钢带卷。而过程控制系统的作用就是在热轧卷板的生产过程中通过对采集到的各种数据进行分析，计算出现场各种设备的各项参数指标（也就是生产过程中的设定点数据），并将这些数据发送给基础自动化设备，从而实现对现场各种设备精确地控制，最终得到合格的热轧卷板。承钢1780生产线采用的是西门子公司提供的热轧过程控制系统，该系统主要分为非控部分和控制部分。西门子公司定义的非控部分是指除了各种轧制模型之外所用的数据库和通讯等应用程序。这里所说的控制部分也就是模型，包括粗轧、精轧、层冷和板型的预计算模型和实时在线计算的模型。
2.过程自动化层次概述
图1 自动化层次划分图
管理层 : level 4
生产计划编制和控制层: level 3 过程自动化层: level 2 基础自动化层: level 1
硬件和直接控制层: level 0
本文主要介绍的是过程自动化层的过程控制系统，也就是我们常说的轧钢二级系统。
3.控制部分和非控部分的区别
承钢1780生产线采用的过程控制系统主要包括两部分：控制部分和非控部分。非控部分包括所有的不直接控制现场设备的功能模块，也就是说非控部分的主要作用是数据处理、物料跟踪和人机接口。控制部分包含了所有为了能够达到目标值和过程参数而负责计算和优化轧制设定点的功能模块。控制部分包含了粗轧、精轧和层冷所有部分的计算模型。
4.非控部分介绍
非控部分主要包括以下功能模块：
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PAP(plant adapter)：此功能模块是与外部的接口。 PDH (primary data handling)：处理主数据。
PDM (production data manager)：处理板坯相关的产品数据。 STA (setpoint agent)：处理设定点请求。 SST (setpoint storage)：处理静态设定点。
ADH (actual data handling)：收集实测值并供模型使用。 PQE (product quality evaluation)：产品质量评估。
HMI (human machine interface)：人机接口，也就是二级画面。 SDH (setup data handling) :向一级发送设定点。
5.与加热炉二级系统的接口
1780生产线过程控制系统中与加热炉二级系统的通讯采用TCP/IP协议的报文方式通讯，主要报文如下：
5.1 出钢序列报文
在加热炉内板坯顺行发生变化时，例如加热炉出钢或者装刚完成，加热炉二级会向1780生产线过程控制系统发送出钢序列报文。此报文中包含了加热炉即将出炉的六十块板坯的出炉顺序。 5.2 出钢报文
当加热炉出钢完成，会向1780生产线过程控制系统发送出钢报文，报文中包含此次出钢的板坯号、炉号、入炉温度、出炉温度、出炉时间、下一块出钢的板坯号、下一块出钢的板坯所在炉号等信息。此报文触发1780生产线过程控制系统进行粗轧、精轧和层冷的预计算。 5.3 请求出钢报文
此报文是在1780生产线过程控制系统中的MIP模型（轧制节奏模型）投用的情况下，MIP模型根据轧线实际情况计算出下一块板坯最优的出钢时间，由1780生产线过程控制系统向加热炉二级系统发生请求出钢报文。请求出钢报文中包含下一次出钢的出钢时间。 5.4 轧制生产数据报文
在板坯完成粗轧轧制并获得粗轧后实测温度后，1780生产线过程控制系统会向加热炉二级系统发送轧制生产数据报文。此报文中包括钢卷号、轧制道次和对应钢卷粗轧轧制完成时的温度。加热炉二级系统会根据此报文进行数据清理。
6.与基础自动化的接口
图2 过程控制系统和基础自动化通讯图
上图是一个过程控制系统和基础自动化通讯的典型图，其中重要的部分如下：
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物料信息：物料信息主要是在PDH和MTR中进行处理，MTR负责物料跟踪，PDH负责具体的数据处理。 设定点数据：设定点数据主要是通过STA和SDH两个功能模块进行处理，STA负责请求设定点并将计算结果进行存储，SDH负责向一级发送设定点数据。
测量值：测量值是由基础自动化的ADH功能模块负责收集和处理，将模型计算所需的数据发送给模型程序，并将测量数据发送给其他需要测量数据的功能模块。
7.与产销系统(level 3)的接口
图3 产销系统与过程控制系统的数据交互图
上图给出了产销系统(level 3)与过程控制系统(level 2)的数据交互。交互的数据主要有： 从产销系统(level 3)向过程控制系统(level 2)发送轧制计划主数据（板坯信息）。 从产销系统(level 3)向过程控制系统(level 2)发送轧辊和剪刃数据。
从过程控制系统(level 2)向产销系统(level 3)发送轧辊和剪刃的使用情况数据。 从过程控制系统(level 2)向产销系统(level 3)发送产品数据。
8.模型部分介绍
8.1 粗轧模型
MosPcRM（MOS Precalculation）：此模块为粗轧预计算模型，在物料在线的情况下进行粗轧轧制所需各种设定点的计算。
MosPcRM2（MOS Precalculation）：此模块为粗轧预计算模型，在物料离线的情况下进行粗轧轧制所需各种设定点的计算。 MosAd（MOS Adaptation）：自适应模型是将每块实际轧制板坯的计算值和实际值相比较，为粗轧预计算模型和板型预计算模型提供数据。
MosDMRM（MOS Data Manager）：粗轧的数据管理模型的主要是实现粗轧模型和数据库之间的数据交互。此模块采用Corba方式通讯，实现从数据库中读取粗轧模型计算需要的数据，并将粗轧模型计算结果存储到数据库中。
MosRe（MOS Recalculation）：在板坯没有进入粗轧时，所有的设定点都是预计算得出的，当板坯完成粗轧第一个道次轧制以后，此模块用实际测量到的数据和计算值作第一次重新对此板坯之
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后所有道次进行设定点计算，并且更新数据库。当板坯进入第二个道次的时候进行第二次重新计算，和第一次重新计算相同，为3-7道次算出设定点，并且更新数据库。粗轧每一个道次过后都有重新计算，方式相同。重新计算剩余道次的各种设定点。 MosTW（MOS Roll Temperature and Wear Model）：此模块循环计算轧辊在温度作用下的膨胀和磨损。
MosRc（Roll Calibration）：此模块为轧辊标定模块，在每次换辊后，此模块进行压下标定。 SSC（Short Stroke Control）：为了避免鱼尾，短行程控制被开发，SSC解决鱼尾问题的方法是在轧制板坯的尾部时打开或者关闭立辊辊缝。短行程的任务是为了每一个粗扎道次的尾部有个矩形的尾部而计算每一道次的SSC立轧曲线。 8.2 精轧模型
MosDMFM(MosDm MOS Data Manager): 精轧的数据管理模型的主要是实现精轧模型和数据库之间的数据交互。此模块采用Corba方式通讯，实现从数据库中读取精轧模型计算需要的数据，并将精轧模型计算结果存储到数据库中。
MosPc（MOS Precalculation）：此模块为精轧预计算模型，在物料在线的情况下进行精轧轧制所需各种设定点的计算。
MosPcRM2（MOS Precalculation）：此模块为精轧预计算模型，在物料离线的情况下进行精轧轧制所需各种设定点的计算。
MosPfc（MOS Profile and Flatness Control）：此模块用于计算精轧的弯辊和窜辊设定点。目标是在带钢的头部达到最佳的平直度和板坯剖面达到合理的板形。
MosEc（MOS Entry Correction）：这个程序在轧制实际的板坯时执行入口修正。板坯送入轧机后，头部确定的测量值为其它轧机的设定点确定做出快速自适应。
MosTc(MOS Temperature Controller): 这个程序执行温度重计算并且控制轧制中的实际板坯。在实际轧钢过程中此模型根据实测温度对冷却水、温度、加速度等进行重新计算，以保证终轧温度达到预期温度。
MosTW（MOS Roll Temperature and Wear Model）：此模块循环计算轧辊在温度作用下的膨胀和磨损。
MosRc（Roll Calibration）：此模块为轧辊标定模块，在每次换辊后，此模块进行压下标定。 MosAd（MOS Adaptation）：自适应模型是将每块实际轧制板坯的计算值和实际值相比较，为精轧预计算模型和板型预计算模型提供数据。 MosIn（MOS Inheritance）：根据实际已完成轧制的板坯计算数据和实测数据进行计算，为精轧预计算模型和板坯与平直度模型提供继承数据。 8.3 层冷模型
mosPcCS (cooling section precalculation process)：层冷预计算模型，用于实际板坯未到达层冷控制区域时对层冷各种设备的设定点进行计算。
mosCcCS (cooling section calculation process)：层冷实时计算模型，用于实际板坯已进入层冷控制区域并且或者实测值的情况下，对层冷区域各种设备的设定点进行计算。
mosOdsCS (cooling section offline data server process)层冷离线数据模型，mosOdsCS 存储计算后的临界函数时间。这些数据暂时存入共享内存中，并且被收集、评估、和写入到数据库和text / matlab文件中。它们以后可以用来生成工程日志，模型优化，诊断和错误检测.
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图4 层冷内部计算流程图
孙一康，带钢热连轧的模型与控制[M]北京：冶金工业出版社，2002，200-221。 西门子二级系统附带操作说明
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参考文献[1] [2]
过程控制系统在承钢1780生产线的应用
