武钢冷轧厂五机架连轧机过程控制计算机系统.doc

武钢冷轧厂五机架连轧机过程控制计算机系统南金林文挥心摘要介绍了武钢冷轧厂五机架连轧机过程控制计算机系统的组成和功能，着重介绍了该系统的硬件、软件结构，以及应用软件的功能。关键词冷轧五机架连轧机过程控制计算机系统Process control system of 5-stand tandem mill in Cold Rolling Plant of WISCO Nan Jinlin Wen Huixin (Automation Department of Wuhan Iron and Steel (Group) Co Wuhan 430083) AbstractTo introduce the composition and functions of the process control computer system of 5 stand tandem cold rolling mill in Cold Rolling Plant of WISCO. The structure of hardware and software for the system and the function of application software are described mainly. Key wordscold rolling; 5 stand tandem mill; process control; computer system 武钢冷轧厂冷连轧计算机控制系统是70年代从原西德引进的，经过近20年的运行，设备日益老化，故障频繁，备品备件无法解决，加之原系统的一些重要功能不能实现，严重影响了冷轧产品的质量和生产能力的发挥，不能适应武钢发展的需要，必须进行改造。武钢于1993年4月与美国AEG公司签订冷轧五机架控制系统技术改造合同，改造范围包括主/辅传动、液压压下、张力控制、厚度控制、入/出口自动化，以及过程控制计算机等，覆盖了控制系统中晶闸管传动系统以上所有的硬件和软件。中外双方技术人员利用设备大修的时间完成了武钢冷轧厂五机架连轧机计算机控制系统改造工程，于1995年11月28日一次负荷试车成功。1冷轧五机架控制系统概况改造后的控制系统由两级计算机组成一个分布式计算机控制系统：设备控制计算机(以下简称一级机)和过程控制计算机(以下简称二级机)，它们通过Westnet网络相互通信，如图1所示。1.1一级机概况一级机的主要任务是根据二级机设定的参数完成轧制过程的控制、数据采集等功能，主要由17台MAC柜、16台I/O柜、操作员站、工程师站组成。根据控制对象的不同，MACDS控制器分为3种：3台顺序控制器(SR21、SR30和SR31)，7台过程控制器(PR01、PR02和PR11PR15)和7台主传动控制器(MR40MR46)。各控制器的功能见图1。工程师站和操作员站用于轧制过程的状态监视、人工干预和系统的开发维护。图1武钢冷轧厂机架控制系统结构示意图1.2二级机概况过程控制机采用2台DEC公司的VAX-4105A计算机，它们互为热备份，通过以太网将2台VAX机和二级机的其它设备连接在一起，用Westnet高速数据通道实现和一级机之间的通信。它主要完成以下功能：原始数据输入和管理；对待轧、正轧、已轧的钢卷进行跟踪；轧制过程数据的收集和处理；数学模型预设定计算；轧制过程的自学习；操作、维护画面的显示；各种工程报表、质量报表和生产报表的生成和打印。2二级机软件系统2.1二级机软件结构二级计算机软件系统结构如图2所示。图2冷轧二级机软件机构示意图该图显示出各子系统、内存缓冲区、进程间信息(邮箱)、进程触发、数据流和外部设备之间的相互关系。VXI负责一级机和二级机之间的联系，它将一级机的数据传送到二级机的VAXI/O内存缓冲区，也将VAXI/O中的数据送到一级机。由于一级机和二级机中所使用的数据格式不同，因此，每隔0.1s，I/O监视器将这些一级原始数据传送到二级机MillI/O内存缓冲区时，要进行工程单位转换，以备二级应用程序使用。数据传送和转换完后，I/O监视器触发轧机事件监控，特殊数据收集和其它数据收集，以存取MillI/O内存缓冲区中新刷新的数据，这种触发方式能够有效地防止数据滞后，使得应用程序同MillI/O中的数据保持一致。轧机事件监控子系统(MEM)监控从一级来的信号(例如机架校正完毕，钢卷甩尾完成等)，MEM给事件监视动作分配器(EMAD)送出一个表示事件被检测到的进程内部信息。对于它接收的每个事件，EMAD给一个或多个应用程序送出进程内部信息请求它们执行相应的动作，应用程序响应该事件将返回一个信息给EMAD表示动作完成，EMAD可能接着给其它应用程序送出进一步的动作请求，如此建立基于一个初始事件的动作链。应用程序使用的过程数据存储在几个数据库中，3个主要的数据库由数据库服务器子系统(见图2的右上角)来维护，所有要从数据库中请求数据的应用程序给相应的服务器送出一个进程内部信息，以请求所希望的数据。服务器将给正在等待的应用程序送一个包含被请求的数据在内的进程内部信息，如果一个应用程序要从几个数据库中请求数据的话，将重复“发送等待接收”序列。如果服务器不能给应用程序返回所请求的数据，就产生一个错误信息，应用程序给报警子系统(见图2右下角)送一个进程内部信息，表示产生一个错误。当系统在线的时候，Failover故障切换子系统通过以太网周期地将所选择的数据库和内存缓冲区数据传送到后备计算机中，使得2台计算机的计算环境完全一样。当在线计算机出现故障时，备份计算机立即投入运行，保证整个控制系统不受影响。当二级机没有同一级机通信，并且没有控制轧钢时，软件训练子系统模拟大多数一级机的信号，使得二级应用程序能够运行，以用于测试和演示的目的。由此可见，冷轧过程控制机的软件以事件监视动作分配器EMAD为核心，由EMAD启动各个模块，完成相应的动作。2.2应用软件本系统应用软件主要包括以下子系统：钢卷位置跟踪；换辊管理；轧机停机管理；生产计划管理；换班管理；报表；屏幕；板形仪接口管理；三级机的接口管理等。2.2.1钢卷位置跟踪(CLM)本子系统监视钢卷在轧机中的位置，即跟踪钢卷在整个轧机中的移动，负责进行钢卷排队。为了便于钢卷跟踪同轧机的物理位置相对应，二级机设置了5个区域：钢卷小车入口区；开卷机区；轧机入口区；轧机出口区；卷取机区。本子系统也处理从一级来的断带信号，以及操作工输入的断带处理信息，并负责设置断带标志。2.2.2换辊管理(RCM)换辊管理负责收集操作工输入的轧辊(包括工作辊和支撑辊)直径和斜楔的厚度数据，并将这些数据放入公用区，通过下装服务器将这些数据传到一级机，它也从一级机取得机架校正数据，并将它们放入公用区中以备二级机其它程序使用。2.2.3轧机停机管理(MDM)轧机停机管理始终监视轧机每次停机的开始和持续时间，同时给操作工一个输入原因代码和说明的机会。2.2.4生产计划管理(PSM)生产计划管理负责维护生产计划，最多可到12个计划，每个计划最多50个钢卷。既可以从二级机画面输入生产计划，也可以从生产计划管理部门输入，然后通过PATHWORK传送到二级机，操作工可以增加、删除、移动生产计划和计划中的钢卷。2.2.5换班管理(SPM)换班管理负责完成操作工上班、下班管理，以及每班开始、结束处理。2.2.6报表本系统提供了以下报表：故障报表；轧辊校正报表；工程报表；钢卷质量报表；每班钢卷报表；班报表；合同报表；轧机停机报表。在轧机运行期间，这些报表可以在不同的时间自动打印出来，也可以通过报表控制屏幕，关闭自动打印，而改为随要随打。2.2.7画面所有画面由一个树形结构来组织。它们是用VAXFORTRAN和AEG公司提供的DMS(Display Manager System)开发的。系统提供的主要画面包括：钢卷跟踪；原始数据输入；下卷预设定；本卷预设定；报警；工作辊数据；支撑辊数据；辅助辊数据；断带处理；轧机停机处理；报表控制。2.2.8板形仪接口管理板形仪接口管理负责二级计算机和ABB板形仪之间的数据通信，通信协议为标准的EXCOM。EXCOM让二级机用简单的命令和一条异步串行通信线路将数据写到MP200数据库中，其它的设定信息通过一级机送到ABB板形仪，本进程也通过一级机接收板形仪来的测量数据。2.2.9同三级机的接口管理(L3I)三级机接口管理完成二级机和三级机之间的通信管理，它以串行通信协议(Digital Data Communications Message Protocol,DDCMP)的格式来接收从三级机下装的生产计划数据。将这些数据重新组织成二级机所需要的信息格式，并将这些信息传送到二级机的生产计划管理子系统，以备进一步的处理。2.3冷轧数学模型(CRM)冷轧数学模型是整个控制系统的核心，模型设定的精度决定了控制系统的控制精度。它根据热轧来料状况和冷轧目标厚度要求，计算出穿带期间和稳态轧制期间所需要的各种参数，通过网络传送到一级机，一级机根据这些设定值，控制和调节轧制过程中的厚度、速度和张力等参数。稳态设定计算的目标为：在不超出轧机设备限制条件，满足用户所要求的轧制规范，保证冷轧成品出口厚度的前提下，给出各机架马达负荷均衡分布状态下的最大轧件秒流量，并通过自适应学习的修正，尽可能地计算出轧制控制参数。穿带计算的任务是给出最佳穿带辊缝，从而达到穿带顺利，过渡状态平稳和头部超差长度尽可能小的目的。数学模型根据原始数据、轧制规范、轧机状态数据、自学习因子等参数，经过复杂的计算，得出本卷的轧制规程数据，经过整理下装到一级机。钢卷轧制时，开始收集轧制数据，甩尾时计算自学习因子，以便用于轧制处于同一变形参数组的下一块钢卷。数学模型计算的原理如图3所示。冷轧模型由4个部分组成：规程计算；预设定给定；数据收集；自学习。冷轧五机架总体控制原理图2.3.1规程计算规程计算基于以下数据为每一个钢卷计算出轧制规程：钢卷的原始数据；产品分类数据；轧制规范；弯辊数据；轧辊直径；轧机限制；模型参数；自学习因子。轧制规程计算进程一旦接受到EMAD进程来的“轧制规程计算”的信息，它就被激活，通过“钢卷定位服务器”取得入口处的钢卷号，通过“钢卷记录服务器”先检索出钢卷的原始数据，进行轧制规程计算，再保存规程计算结果，请求“下装服务器”禁止穿带，直到规程计算完毕。根据钢卷PDI(原始数据输入)，决定钢卷的产品分类(Production Class，变形组)。依据产品分类检出：轧制规范、学习因子、等级数据，从有关文件和公用区中检索出弯辊数据、轧辊直径、轧机限制和模型参数。基于这些数据计算完轧制规程后，它请求钢卷记录服务器进程在钢卷数据记录中保存规程计算结果，然后给EMAD发出一个完成信息。2.3.2预设定给定预设定进程将钢卷PDI中的有关数据和轧制规程计算中已经得到的数据组装成轧制过程所需要的控制参数。它还根据自换辊或者机架校正以来已轧过的钢卷数，以及前一钢卷轧出后所经过的时间，调节辊缝偏移量。预设定进程一旦从EMAD接收请求信息，它就被激活，接收到的信息请求包括：计算组装钢卷的轧机预设定；下装将要轧制的钢卷的设定值；由于换辊或者机架校正，复位辊缝偏移量；轧机停机所引起的动态辊缝补偿值的衰减。根据所接收的信息，进行预设定：请求钢卷列表服务器(CLS)进程确定下一个将要轧制的钢卷；请求钢卷记录服务器进程检索出钢卷的PDI数据，或者保存钢卷的轧机预设定数据；请求下装服务器进程禁止穿带，直到轧机预设定被组装好，并且已经下装到一级；下装组装好的轧机预设定。预设定根据MillIOCMN全局公用区中的标志来判断轧机是否在穿带，从RollCMN全局公用区检索出当前轧辊数据，从CRMMODELCMN全局公用区中取得轧机限制和模型参数。2.3.3数据收集模型数据收集进程收集穿带和轧制期间所测量的数据，当钢卷在轧机中时，由IOMonitor进程每0.1s激活一次该进程，进行数据的采样和处理。由EMAD给出收集开始和结束信息。它分析、保存穿带和稳态轧制期间的测量数据。穿带期间，在每个机架穿完带后，立即保存一组测量数据。在轧制期间，当钢卷处于以下3个状态下，分别保存三组测量数据：在最小稳态速度时，在最大稳态速度时，在中间稳态速度时。2.3.4自学习该进程利用CRMCollection进程中收集到的带钢厚度、速度、张力、宽度、轧制力等数据，调用数学模型重新计算出轧制力、功率和前滑等数据，计算出测量数据和计算数据的偏差，即可得到功率、轧制力和前滑的校正因子。每当一卷钢轧制完成时，EMAD进程就发出信息激活自适应学习进程更新学习因子。它请求“钢卷跟踪定位服务器”进程确认刚轧制完成的钢卷，调用“钢卷记录服务器”进程提取该卷的PDI数据、预报的轧制规范数据、测量数据和所使用的学习校正因子。从CRMCLASSDATA文件中读取轧制规范数据和学习因子，从CRMGRADEDATA文件中读取钢种数据，从公共变量中读取当前工作辊径和轧机参数。通过对上述各类数据的处理，自适应学习进程产生出新的学习因子，并将它们存储到该卷的数据记录中，最后发送一个学习完成信息给