冷轧带钢制造中分布式计算机控制系统的研究-3-3

861 绪 论1.1 课题综述1.1.1 论文引言本论文是基于CAM（Computer Aided Manufacture）（计算机辅助制造）方面的课题，其研究方向是生产制造系统的CAM。而当代的CAM技术的发展已不再局限于自动编程的数控技术，而是向集成化、智能化、网络化的计算机辅助制造系统拓展1。计算机辅助制造系统是通过计算机分级结构控制和管理制造过程的多方面工作，它利用一个集成的信息网络来监测一个广阔的相互关联的制造作业范围，并根据一个总体的管理策略控制每项作业。本论文冷轧带钢制造中分布式计算机控制系统的研究研究的就是一个典型的计算机辅助制造系统，文中基于冷轧带钢制造为背景，针对目前我国冷轧带钢制造中的工艺润滑，设计出一套小型分布式控制系统对其进行自动化控制和管理。在冷轧带钢制造中，工艺润滑是冷轧工艺的重要组成部分，在轧制过程中起着重要作用2。采用工艺润滑可以极大地减少变形金属与工模具的直接接触，减小金属变形过程的摩擦力和变形力，从而达到节约能源消耗。例如，板带轧制时，采用适当的工艺润滑可以降低轧制压力2030，轧机主电机电耗减少820。同时由于润滑剂具有防粘减磨的作用，使得变形金属与工模具之间的摩擦状况得到明显改善，进而使工模具磨损减少，使用寿命延长。在轧制过程中，采用工艺润滑可提高轧辊使用寿命40左右，减少换辊次数，提高作业率。再者，在冷轧工艺润滑中可以控制板形，降低轧后表面粗糙度。综上所述，带钢冷轧过程中，工艺润滑起着降低成形过程力能消耗；减少工模具损耗，延长其使用寿命，提高生产效率；改善带钢表面质量等作用。此外，良好的润滑性和冷却性，也是能否实现轧机高速轧制的关键。目前国内、外的钢铁企业越来越注重这方面的研究，它是现代冷轧技术中的重要课题。本文从分布式控制系统的角度对其加以研究和探讨。1.1.2 分布式计算机控制系统概述随着自动控制理论的发展，新的自动控制技术的出现，特别是计算机工业的发展，使得工业过程控制跨入了计算机控制时代。数字计算机应用于工业自动化领域，发挥了其运算速度快，精度高，处理逻辑判断能力强的特点。而分布式计算机控制系统即DCS系统作为生产过程的自动控制提供了强有力的控制手段，它采用微型计算机智能技术，不仅具有记忆、数据运算、逻辑判断功能，还可以实现自适应、自诊断、自检测3。采用分级递阶结构，使系统功能分散、风险分散，提高了系统的可靠性，使系统更为灵活。而局部网络通信技术的应用大大提高了分散控制系统的通信能力，可实现对全系统信息进行综合管理以及对各过程控制单元、人机接口单元和操作进行管理。DCS控制系统则在系统的处理能力和系统安全性方面明显优于集中系统，这是由于DCS采用多台计算机分担了控制的功能和服务，使处理能力大大提高，而风险性却分散的缘故。经过多年发展，目前DCS采用了多层次结构，即将系统分为现场控制层、协调控制层和管理控制层，这种结构特别适合现代大系统控制和优化理论的实施。DCS系统的软件采用开放性的接口，包括动态数据交换DDE和ActiveX，动态连接库DLL，目标连接和插入OLE，开放数据库访问ODBC，结构化查询语言SQL以及应用编程界面API。利用这些界面，可以方便地与商品化软件或用户开发的软件进行接口。采用DCS的生产过程自动化使控制系统在以下几个方面具有很大的优势3：a. 控制算法可以极大丰富，从经典的反馈控制、前馈控制、PID控制直到用户自己开发的先进控制算法如人工智能、模糊控制、预测控制、神经网络控制、自学习控制等；b. 系统功能越来越向综合性发展，从只对有关过程环节的控制发展到优化、协调和管控一体化、统计与分析等；c. 图形化功能越来越强，随着图形用户界面(GUI)的不断发展和完善，用于观察现场运行状态和参数的各种指针式或数字仪表、指示灯和工艺图等逐渐被形象、生动、直观的CRT动态画面所替代；d. 数字信号越来越深入现场，现场总线的应用，使得现场的检测信号、实施控制与调节的信号逐步由模拟信号变为数字信号；e. 操作方式越来越软件化，通过对CRT上的一些模拟图表示的软按钮、软手柄等对控制装置进行操作，实际的物理设备的操作已被计算机的软件操作所代替。同时，由于开放体系的通信网络的发展，克服了过去各种计算机不能通信的“信息孤岛”现象。计算机不仅能够对单个设备和生产工序进行控制，也可以将这些个别的生产单元联系在一起进行协调控制，实现整个生产过程的总体优化。而就目前国内的控制系统技术而言，大多采用了单变量的PID控制方法，其缺点是无优化能力，不能充分利用系统信息来处理系统之间的耦合问题。因此其控制性能和效率不高。所以，充分利用先进控制理论和计算机控制技术来对老式的控制系统和控制方式进行革新具有重要的现实意义，特别是对整体控制水平不高、经济基础薄弱的中小企业尤其重要。本文针对我国整体装备水平较低、国产化率不高的冷轧板企业进行了基于分布式计算机控制系统方面的应用研究与探讨。1.2 课题的实用价值及理论意义目前在竞争激烈的冷轧行业中，生产成本和产品质量对于企业来说至关重要，吨钢成本消耗、产品表面清洁性就成为衡量冷轧产品的关键指标。在冷轧带钢制造中，冷轧的工艺润滑是影响轧制油消耗量和产品表面清洁性的主要因素。而带钢表面清洁性是冷轧带钢产品质量的重要指标之一，轧制油吨钢消耗量是影响冷轧成本的重要因素，改善冷轧机的工艺润滑和工艺冷却，不仅可以大幅度提高产品质量、降低生产成本，而且将给后部工序创造更好的生产条件，工艺润滑和工艺冷却已经成为现代冷轧技术的重要课题。目前，国内冷轧板企业只有少数几家大型钢厂能较好地应用工艺润滑，且多是引进国外的二手设备，而多数冷轧板企业（包括国内中小型冷轧板企业）则缺乏控制和管理轧制工艺润滑剂（乳化液和轧制油）的应用技术，这直接影响产品的成品率及表面质量，而且有些企业冷轧工艺润滑油一次性使用不进行回收循环，资源浪费严重，并造成环境污染，这些都使企业的利润大幅减少，严重制约了这些企业的发展。本论文作为预研性课题，通过对分布式控制系统的研究，针对带钢制造中的轧制工艺润滑和冷却，设计一套性能价格比优的小型分布式控制系统，对其进行自动化控制和管理。本文突出了分布式控制系统的高效率，高性价比，高可靠性，易维护性，便于系统灵活组态等特点，适用于正面临资源整合，企业兼并、重组，急需技术更新和自动化改造的国内中小型冷轧板企业，同样也适用于大中型冷轧板企业的轧制工艺润滑和冷却的国产化改造，可最大限度地提高投入产出比，为冷轧企业利用现有条件在短期内实现自动化改造、增加利润提供了一条简便易行的办法，因此，该课题的研究无论在经济效益还是社会效益方面都有着重要意义。1.3 课题研究的内容本论文在分析了大量国内外文献的基础上，基于分布式系统的基本理论，针对带钢制造中的轧制工艺润滑和冷却，设计一套性能价格比优的小型分布式控制系统，对其进行自动化控制和管理。文中对冷轧带钢制造中的工艺润滑和分布式控制系统分别进行了深入的理论分析，并为冷轧润滑工艺确定分布式控制系统的结构方案和控制方案。本文的核心部分是小型分布式控制系统的设计，其中包括硬件设计和软件设计。其中核心部分是小型分布式控制系统的设计，包括硬件和软件设计。在研制该系统的过程中，在尽量不影响系统性能的前提下，本着经济可行的原则，尽可能减少系统的硬件开销而把重点放在软件开发上。2 冷轧工艺润滑理论冷轧工艺润滑对产品质量及轧制稳定性有很大影响，关系到机组作业率和产量。与热轧工艺润滑不同，带钢冷轧生产过程中，工艺润滑是轧制工艺中的重要环节，它也是冷轧带钢制造中的关键技术之一。因为热轧过程中的氧化膜、水也可以起到一部分润滑作用，而且材料变形抗力较低。但在冷轧过程中，由于带钢材料加工硬化，变形抗力增加，导致轧制压力升高，同时，随着轧制速度的提高，轧辊发热，必须采用兼有冷却作用的润滑剂进行工艺润滑以减少摩擦、降低轧制压力、冷却轧辊、控制板形及表面质量2,4,5。可见，冷轧过程中的润滑，是冷轧带钢实现塑性变形和获得良好板形以及减少能源消耗的关键工艺参数之一。2.1 冷轧工艺润滑的作用机理2.1.1 工艺润滑的机理金属成形时的润滑机制与机械润滑机制不同，它是建立在润滑力学和流体润滑理论基础之上2。从轧制过程中润滑理论的基本动力学方程（雷诺方程） （2-1）式中 油膜厚度；润滑动力黏度；压黏系数；轧制压力；轧辊速度；轧件速度。并根据Wilson综合弹性流体动力学和塑性流体动力学而提出的变形区入口油膜厚度的计算公式 （2-2）式中 轧辊半径；轧件入口速度；变形区长度；、轧件平面变形抗力与后张力。可以看出金属塑性变形区润滑状态除了受润滑剂黏度、速度影响外，同时还受到由于塑性变形引起的变形抗力等因素的影响，因此，金属塑性变形区的润滑是一个比较复杂的过程。在带钢轧制过程中，其塑性变形区的润滑状态对产品质量和生产过程非常关键。塑性变形区润滑状态包括流体润滑、混合润滑、边界润滑三种。2.1.1.1 流体润滑流体润滑的表现形式是两接触表面完全被润滑油膜隔开，也即油膜厚度远大于接触表面粗糙度，系统的摩擦力来源于润滑剂分子运动的内摩擦。流体润滑的摩擦学特征决定于润滑剂的流变学，所以可按流体力学的方法进行有关计算或估算。流体润滑时的摩擦力可根据牛顿流体定律，即 （2-3）式中 润滑油黏度；垂直与运动方向上的剪切速度梯度；剪切面积。流体润滑的主要优点是摩擦力小，而且只取决于润滑剂自身的特征，其摩擦系数可低至0.0010.008。但是由于两表面完全被润滑油膜隔开，在轧制过程中工件则处于类似自由变形状态，很容易产生塑性粗糙化现象，导致轧后金属表面粗糙度较高。因此，金属成形过程中流体润滑并不是最好的润滑方式。2.1.1.2 混合润滑又称部分流体润滑，由于润滑剂的黏度或速度降低时，润滑油膜变薄，当发生了第一次两表面微凸体相互接触，便可以说得到了部分流体润滑或混合润滑。在混合润滑状态中，载荷一部分由润滑剂油膜承担，另一部分则由接触中的表面微凸体承担。因此，其摩擦学特征由润滑剂的流变学和微凸体的相互作用共同决定。混合润滑的摩擦力F为： （2-4）式中 表面接触点的剪切强度（带钢剪切强度）；边界膜的剪切强度；润滑油膜的剪切强度；表面直接接触面积；边界润滑区面积；流体润滑区面积。2.1.1.3 边界润滑边界润滑具有下列特征：a. 两金属表面靠得如此之近以至在微凸体之间发生明显的接触；b. 流体动压作用和润滑剂的整体流变性能对此几乎无影响；c. 摩擦学特性决定于薄层边界润滑剂与金属表面之间相互作用。就边界润滑机制来讲，主要是通过润滑剂中的表面活性物质在金属表面之间形成，即易于剪切又能减小金属表面直接接触的边界润滑膜，该边界膜不是普通润滑油膜而是定向吸附膜，厚度通常在0.1m以下。边界润滑的摩擦力可看作是剪断表面粘着部分的剪切力与剪断边界膜的剪切之和，即 （2-5）式中 带钢的剪切强度边界膜的剪切强度；变形区面积；变形区中发生金属直接接触部分的百分数，且有 （2-6）载荷W是由接触的微凸体和边界膜承担的，故有 （2-7）式中 金属的抗压屈服强度；边界膜屈服强度。一般这两者相差不很大。假定取平均值，使，且有 （2-8）由此可得边界润滑时的摩擦系数为 （2-9）因边界膜的剪切强度比金属的屈服强度要小得多，故边界润滑的摩擦系数比干摩擦小得多，其范围一般在0.050.15之间。在实际冷轧生产中，边界润滑具有较高的加工表面质量。2.1.2 工艺润滑的作用水矿物油棕榈油合成棕榈油0.050.100.150.200.300.5001234567道次顺序带钢厚度(mm)图2-1 采用不同润滑剂轧制效果工艺润滑的作用在于以下几方面：a. 能降低轧辊与轧制件之间的摩擦系数，提高轧机的轧制速度和增大压下量，以提高轧机的生产能力，减少动力消耗。在冷轧过程中，工艺润滑剂在轧辊和带钢的表面上形成很薄的一层油膜，以阻止相互间吸附作用，并且渗入两个接触表面上的凹凸细孔把带钢与轧辊隔开，从而可以大大降低各接触面上的摩擦力，使带钢变形抗力下降和带钢对轧辊的压力减小。图2-2是采用不同润滑剂的轧制效果比较，从中可以看出，当冷轧机工作辊直径为88mm，带钢原始厚度为0.5mm，用水作润滑剂时，轧至0.18mm左右（第七道往后）就有点轧不下去了，用矿物油作润滑剂仅需6道即可轧制到0.075mm左右厚；而采用棕榈油作润滑剂时则用4道就可轧至0.05mm，甚至更小的厚度。因此，在轧辊同样调整的条件下，采用良好的轧制润滑剂可以保证较大的压下量和延伸6。也就是说，轧制相同规格厚度的冷轧板时，采用轧制润滑剂可大大减少摩擦、降低轧制压力，从而大幅降低动力消耗。b. 最佳地改善冷却条件，迅速降低轧辊与轧制件的温度，保证轧机一直能在高产量的条件下正常运行。带钢在冷轧时会由于剧烈的摩擦作用及变形功而产生大量的轧制热，一部分散发到大气中，一部分则传递给轧辊，还有一部分留在带钢上。如果不通过冷却剂将部分轧制热带走，会造成带钢和轧辊的温度过高，过热的板温将使带钢表面形成一层氧化膜，不利于带钢后面工序的生产。且过高的辊温会引起热应力过高，造成轧辊的凸度过大、辊耗增加、掉皮甚至粘辊等问题。适当的润滑剂可均匀散布轧制热量，起到调节和控制轧辊辊型的作用。c. 使轧制产品获得良好的表面质量。带钢冷轧中，轧辊表面在润滑剂的覆盖下，可防止轧辊表面氧化，同时带有润滑剂的轧制对于被轧制带钢起了磨光作用。因此，适当的润滑剂可使被轧制的带钢表面光洁而具有光泽。在冷轧过程中，使用轧制润滑油能起到上述作用，但要合理控制油膜厚度。根据轧制工艺润滑理论，轧制中带钢表面只覆盖一层很薄的油膜即可减少轧制摩擦，保证冷轧顺利进行，而且带钢表面质量好。在冷轧过程中，油膜厚度取决于润滑剂的性能、带钢及轧辊的表面光滑程度、压下量及轧制速度等。油膜太薄，易导致延伸不均及局部油膜破裂，冷轧薄带钢时甚至出现局部粘结；而油膜太厚时，多余的润滑剂挤在带钢边部，往往又重新流入带卷的里面，以致在热处理时难于烧尽而残留斑点，当油膜厚度超过一定比值时，不但不能显著减小轧制中的摩擦，反而会由于过量的润滑发生较大的滑动，而使带钢表面受摩擦而导致划痕。因此，轧制过程中用油要适度，保证带钢上带有临界厚度的油膜即可。这样，既有利于生产，又有利于节油，降低成本。2.2 冷轧对润滑剂的要求2.2.1 选择冷轧用润滑剂的原则为了保证冷轧润滑即轧制润滑的良好作用，选择的润滑剂必须满足以下的要求7,8：a. 摩擦系数小，润滑性能好；b. 冷却效果好；c. 油膜强度要大；d. 润滑剂在轧后易于从带钢表面上清除，以免因残留油渍或其它表面污染而影响产品的表面(如退火油斑)及后工序的加工(如镀锡)；e. 在冷轧过程中，能保持完整而不间断的油膜的润滑特性。f. 具有良好的化学稳定性。g. 对于需将润滑油与水配成乳化液使用的润滑剂，还应具有良好的乳化性能；h. 具有较低的成本、丰富的来源，易于配制。2.2.2 工艺润滑剂的种类及特性目前用于冷轧的工艺润滑剂有很多，有植物油、动物油、矿物油，它们可以单独使用，也可混合使用。其中，植物油和动物油（骨油、牛油、羊油等）都是较好的润滑剂，特别是棕榈油为最佳润滑剂。而矿物油则较差，其原因是它含有游离脂肪酸（起润滑作用）比植物油和动物油要少。植物油与动物油的润滑能力虽较矿物油强，可以改善轧制时的摩擦系数，从而增加轧制压下率。但植物油的化学性能不太稳定，不易保存，易酸化，从而失去润滑性能，且易遗留残斑。加之植物油的抗压性要比矿物油差，而矿物油的来源丰富而且成本也低，出于成本的考虑，对于高压下的多辊冷轧机大都采用矿物油作润滑剂。在冷轧带钢制造中常用的润滑方式有油脂型和乳化液型。与油脂相比，乳化液的成本低，污染小，产品表面质量好，在轧制过程中是冷连轧润滑冷却剂的一个主要发展方向。目前，国内冷轧企业连轧机大都采用乳化剂形式的工艺润滑，其中也包括一些中小型企业。乳化剂工艺润滑即是把97%99%的水加1%3%的轧制油（其主要成分为矿物油、油性剂表面活性剂及极压剂、防腐剂、抗氧化剂等添加剂）经强烈搅拌而制成奶状的乳浊液使用。此时, 水是作为冷却剂和载油剂而起作用，油起润滑作用。因此，这时的乳化液既是工艺润滑剂又是冷却剂。为保证乳化液的作用，对乳化液要求是：当以一定的供液量喷洒到带钢和轧辊表面上时，既能有效地吸收热量，也能保证以较快的速度、并且一定数量地从乳化液中析离并粘附在辊面与带钢上，以形成均匀的厚度适当的油膜。目前，如何对乳化液进行精确控制，达到预期的润滑和冷却效果是困扰多数冷轧企业，特别是对资金短缺、研发力量不足的中小型冷轧企业的关键问题之一。2.3 轧制润滑剂的控制目前国内冷连轧机多使用乳化液润滑工艺，但多数企业缺乏对乳化液的使用知识和控制技术，致使乳化液润滑工艺达不到预想效果，并使乳化液的使用周期大为缩短，造成极大浪费，增加吨钢成本。因此，必须对乳化液的多项指标（温度、浓度、清洁度等）加以控制，从而保证乳化液准确地喷涂到钢板表面和轧辊上，充分带走轧制时产生的热量，在长期使用中保持乳化液的稳定性和高的清洁度，达到轧制工艺润滑的理想效果。2.3.1 乳化液温度控制冷轧润滑工艺中乳化液只有在适当的温度范围（4550）内使用，才能在实现良好的润滑和冷却作用9,10。乳化液的温度过低，轧制油就易凝聚，难于保持弥散的状态；而温度越高，油挥发越大，冷却能力下降，轧辊内部温差也大，容易引起的轧辊裂纹和掉皮，并影响轧辊曲线，影响板形。因此，乳液系统温度控制是十分重要的。冷轧过程中，主要有两方面造成乳液系统温度不稳定。一方面，乳化液吸收大量的轧制热而引起温度升高，由于乳化液的流量和产生轧制热大小的变化，乳化液温度不恒定；另一方面，由于系统是开放的，大气温度（不恒定）低于乳化液温度，乳化液向大气散热，散热多少不定。为确保乳化液的使用温度能满足使用要求，在乳化液收集箱内设置无缝蛇形加热钢管，利用130140蒸汽通过加热管与乳化液进行热交换对乳化液进行加热；在供油主管上设置板式冷却器，利用冷却水通过板式冷却器与乳化液进行热交换而冷却温度过高的乳化。宝钢和国外先进系统均采用乳液加热系统，温度自动控制，乳液温度稳定。但国内多数冷轧企业由于是引进的国外二手设备，相关配套设备还不够齐全和完善，达不到相应的控制要求。2.3.2 乳化液浓度控制乳化液浓度也是影响润滑的一个重要因素，浓度越高润滑层越厚，摩擦越小，轧制后钢板表面残油越多，若没有清洗系统，将影响钢板表面清洁度。而且乳化液冷却能力下降，同时浓度还影响临界润滑层3741。随着轧制的进行油渐渐消耗，水蒸发，乳液浓度渐渐下降，精确的油水补给系统对保证润滑稳定起关键作用。因此，必须对乳液浓度在线实时监控。目前，国内很多冷轧企业还达不到自动实时监控，甚至有的企业还在采用人工监测和配比乳化液浓度，这样容易造成轧制油的使用超标，年浪费甚至可达近百万元，造成巨大浪费；而且，如果乳化液浓度监控不准确，会造成带钢润滑不稳定，甚至有时会出现用水轧制带钢的情况，产品质量明显下降，费品率高，吨钢成本居高不下。2.3.3 乳化液清洁度的控制乳化液系统是一个开放的系统，其中含有机械混合物、金属微粒、混入机械油、酸洗残液等杂质，轧制时对所用的乳化液要求较高且乳化液要重复利用，因此必须控制乳化液的清洁度。2.3.3.1 乳化液严重污染后的危害性a. 轧后带钢表面轧油、杂物较多，造成带钢表面发黑，形成油膜不均匀，易使带钢生锈；b. 如果乳化液中金属杂质较多，会在轧制过程中压入带钢表面，形成划伤、夹杂等表面缺陷；c. 如果乳化液污染不能及时控制好会造成乳化液提前报废而且成本较高；d. 乳化液的污染没有控制好，在镀锌退火炉快速退火后带钢表面的残碳、杂质较多不利于锌液粘附在带钢表面，造成镀锌脱层；由于杂质多使带钢在罩式炉退火后带钢表面发黑，造成平整后的带钢表现光洁度受到影响；f. 对轧机轧辊、机架设备的污染造成设备磨损加剧，轧辊使用寿命缩短。2.3.3.2 控制乳化液的清洁度主要采用多级过滤工艺控制乳化液的清洁度：第一级过滤：乳化液收集槽处的过滤网用于挡住大块杂物；第二级过滤：粗分离器用于过滤掉0.8mm以上的固体杂物；第三级过滤：霍夫曼过滤器过滤掉大于20m以上的固体杂物；第四级过滤：磁链过滤器利用磁性吸附清除铁屑及20m的其它金属物；第五级过滤：反冲洗过滤器用于清除于0.1mm以上的杂物。2.4 润滑冷却系统基本构成目前，虽然直接式供油系统在一些中小型冷轧企业中仍有应用，但省油、表面清洁度好的乳化液循环系统已成为冷轧中的润滑冷却系统的主流1113。国内大型冷轧企业多使用乳化液循环系统作为其冷轧中的润滑冷却系统，而这也是中小企业在润滑冷却系统方面今后技术改造的方向。因此，本文在此仅对乳化液循环系统的工作原理加以说明。冷连轧润滑冷却系统由两个部分组成：一是乳化液的配制；二是乳化液的循环系统。2.4.1 乳化液配制乳化液是将乳化基油按所需的浓度与脱盐水充分混合而成，经压缩空气或搅拌器进行搅拌，搅拌时间约0.5h至1h，转速在450r/min1420r/min之间，使乳化基油与脱盐水能充分均匀地混合。然后由提升泵分别供给乳化液循环槽，供冷轧机润滑和冷却使用。2.4.2 乳化液循环系统乳化液循环系统，回收从机架返回的乳化液，经处理，去除乳化液中的金属粉粒、灰尘杂质和浮油,净化后再循环使用。使用过的乳化液，除了含杂质外，由于在轧制过程中带走了部分带钢和轧辊的热量，其温度升高。因此，乳化液循环处理工艺中，还应配置冷却设备，用于乳化液的冷却。乳化液循环处理系统见图2-2。去除乳化液中的氧化铁屑及尘土杂质，是循环系统处理中的首要环节。一般有三道设备：即机械筛过滤、磁性过滤器、自动供纸的压力纸过滤机。经三道过滤后，大于10m的固体颗粒均能去除，从而确保回用的乳化液对带钢表面基本上不会造成缺陷。在循环流程中，高速搅拌器是对有些破裂的油珠进一步搅拌，使乳化液进一步乳化，以提高它的润滑性能。12356791011121314151617181948图2-2 乳化液循环系统示意图1.磁性过滤器；2.撇油器；3.污油搅拌装置；4.污油箱；5.过滤泵；6.热蒸汽阀；7.冷水阀；8.净油箱；9.多级过滤装置；10.净油搅拌装置；11.加热器；12.板式冷却器；13.旁路控制阀；14.轧制油供给阀；15.水供给阀；16.供油泵；17.压力控制装置；18.污油泵；19.机架轧机乳化液循环系统有三种形式：三个循环供乳系统，两个循环供乳系统，一个循环供乳系统。本文只针对润滑工艺比较合理的三循环系统进行分析。三个循环供乳系统：以4机架冷连轧机为例，0-1架，2 -3架和4架（作为平整机使用）分别使用A、B、C三个系统分箱供乳，这样可防止各循环系统交叉污染，其中A系统有清洗酸洗槽残液和酸洗防锈油作用，A、B箱使用高浓度，B系统乳液比A系统清洁，C系统采用低浓度，清洗带钢表面，提高带钢表面清洁度。综上所述，冷轧带钢制造中的润滑工艺是轧制工艺中的重要环节，是冷轧带钢制造中的关键技术之一。目前，由于国内冷轧企业大多是引进国外二手的冷连轧机，因此，在冷轧润滑工艺方面自动化程度还不高，达不到相应的控制要求，同时相关的配套设备还不够齐全和完善，有必要对其进行技术改造和更新。鉴于冷连轧机的润滑冷却系统的工艺特点，需对多点多项指标进行远程监控，本文试采用分布式控制系统对其进行自动化升级改造。3 分布式控制系统分析3.1 分布式控制系统的组成及体系结构3.1.1 DCS设计的基本原则3a. 针对过程量的输入输出处理过于集中的问题，设想使用多台控制器（计算机或PLC）共同完成所有过程量的输入输出，每台控制器只处理一部分实时数据，而每台控制器的失效只会影响到自己所处理的那一部分实时数据，不至于造成整个系统失去实时数据；b. 用不同的计算机去处理不同的功能，使每台控制器的处理尽量单一化，以提高每台控制器的运行效率，而且单一化的处理在软件结构上容易做得简单，提高了软件的可靠性；c. 用计算机网络解决系统的扩充与升级的问题，与计算机的内部总线相比，计算机网络具有设备相对简单、可扩性强等特点，只要选型得当，一个网络的架构可以具有极大的伸缩性，从而使系统的规模可以在很大程度上实现扩充而并不增加很多费用；d. 网络中的各台控制器处于平等地位，在运行中互相之间不存在依赖关系，以保证任一计算机的失效只影响自身。据上述设计原则分析，DCS的关键是计算机的网络技术，也就是说DCS的结构其实质就是一个网络结构。如何充分利用网络资源，如何通过网络协调DCS中各台控制器的运行，如何在多台控制器共同完成系统功能的过程中保证所处理信息的实时性、完整性和一致性，则成了DCS设计中的关键问题。3.1.2 DCS的基本构成及体系结构DCS的基本构成可以简单地将其归纳为“三点一线”式的结构。一线是指计算机网络和现场总线1418。三点是指在网络上3种不同类型的节点：面向被控过程的现场1/O控制站、面向操作员的操作站和面向DCS监督管理人员的工程师站。下面对这几个组成部分加以说明。3.1.2.1 DCS的网络结构用于DCS的计算机网络在很多方面的要求不同于通用的计算机网络。首先，它是一个实时网络，也就是说，网络需要根据现场通信实时性的要求，在确定的时限内完成信息的传送。根据网络的拓扑结构，大致可以分为星形、总线形和环形3种。星形网由于其必须设置一中央节点，各个节点之间的通信必须经由中央节点进行，这种变相的集中系统不符合DCS的设计原则。目前应用最广的网络结构是环形和总线形网。在这两种结构的网络中，各个节点可以说是平等的，任意两个节点之间的通信可以直接通过网络进行，而不需其它节点的介入。为了实现传输介质共享，对于多个节点传送信息的请求必须采用分时的方法，以避免信息在网络上的碰撞。目前各种网络解决碰撞的技术不外两种。一种是以令牌的方式划分各个节点的时间片，使每一瞬间只有一个节点使用物理传输介质，即所谓Token Ring（对于环形网）或Token Passing（对于总线形网）方式。令牌实际是一个标识信号，它规定了要使用物理传输介质的节点标识，只有符合标识的节点（节点的标识号在系统中是唯一的）才能使用网络。这样就避免了某个节点传送信息时被其它节点干扰，当传送信息的节点完成传送之后，即刻释放网络，并产生一个令牌，将网络让给其它节点。这种令牌方式的网络要求各个节点用网络的时间是限定时间，即每个令牌从得到释放的时间是确定的，这样才能保证通信的实时性，对于较多的数据传送请示，就有可能被分割成多个令牌周期分多次完成传送。另一种解决碰撞的技术是载波侦听与碰撞检测技术，即CSMACD方式。这种方式不规定时间片，需要使用网络的节点。首先需要对网络线进行侦听，检测网络是否忙，如果忙，则等待，直到网络空闲。如果两个节点同时向网络发送数据，就会造成两个节点的数据传送同时出错的情况，此时，各个需要使用网络的节点就需要延时一个随机时间，然后再去试图占用网络。这种网络运行机制不具备在确定时间内完成信息传送的特点，因此在DCS中较少采用。但是在更高一层的管理网络中，CSMACD方式的网络使用比较普遍，这是由于当网络上节点较多时，Token方式的网络开销比较大，使得网络节点的增加受一定限制。3.1.2.2 现场I/O控制站现场I/O控制站是完成对过程现场I/O处理并实现直接数字控制(DDC )的网络节点，主要功能有3个：a. 将各种现场发生的过程量（流量、压力、液位、温度、电流、电压、功率以及各种状态等）进行数字化，并将这些数字化后的量存在存储器中，形成一个与现场过程量一致的、能一一对应的、并按实际运行情况实时地改变和更新的现场过程量的实时数据；b. 将本站采集到的实时数据通过网络送到操作员站、工程师站及其它现场I/O控制站，以便实现全系统范围内的监督和控制，同时现场I/O控制站还可接收由操作员站、工程师站下发的信息，以实现对现场的人工控制或对本站的参数设定；c. 在本站实现局部自动控制、回路的计算及闭环控制、顺序控制等。控制站通常采用PLC或微型计算机实现。由于控制站是与现场直接打交道的部分，因此其可靠性显得尤为重要，一般要求其平均无故障时间MTBF不小于30000h，出现故障后的故障修复时向MTTR应尽量短，一般不大于3h，这样才可以保证系统可用率达到99. 99。对于分布式控制系统，现场I/O控制站应该是一个独立运行单位，它具备了直接数字控制ODC所需的一切条件，因此现场I/O控制站应具备不依赖DCS其它部分独立运行的能力，这样在DCS其它部分失效的情况下，仍能对现场执行最基本的控制。3.1.2.3 操作员站DCS的操作员站是处理一切与运行操作有关的人机界面功能的网络节点，其主要功能就是为系统的运行操作员提供人机界面，使操作员可以通过操作员站及时了解现场运行状态和各种运行参数的当前值。在人机界面上显示的内容包括如下：a. 生产过程的模拟流程图（即用模拟图形表示的生产装置或生产线）其中标有各关键数据、控制参数及设备状态的当前实时状态。b. 报警窗口以倒排时间顺序的方式显示所有生产过程出现的异常情况，如数值越限、异常状态的出现等。c. 关键数据的常驻显示对于生产过程至关重要的少数关键数据需要在屏幕的固定位置显示，并且不随屏幕显示内容的改变或画面的滚动而改变，使操作员在任何时候都可以一眼看到这些最重要的关键数据。d. 实时趋势显示可对一个或几个生产过程数据的最近一段时间的变化趋势用曲线表示出来，以便操作员对这个或这些数据的发展变化有所了解，并可帮助操作员分析生产过程的运行情况。e. 检测及控制仪表的模拟显示它可以提高操作员对实时数据所表示的内容及表达意义的反应速度，减少因反应迟钝而造成的失误。f. 灵活方便的画面调用方法，画面切换、翻页方法及“热键”功能。g. 音响报警装置。除了人机界面功能外，操作员站还应具有历史数据的处理功能，这主要是为了形成运行报表和历史趋势曲线。一般的运行报表可分为时报、班报、日报、周报、月报和年报若干种，这些报表均要调用历史数据库，并按用户要求进行排版并打印输出。3.1.2.4 工程师站工程师站是对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护的网络节点。其主要功能是提供对DCS进行组态，配置工作的工具软件（组态软件），并在DCS在线运行时实时地监视DCS网络上各个节点的运行情况，使系统工程师可以通过工程师站及时调整系统配置及一些系统参数的设定，使DCS随时处在最佳的工作状态之下。工程师站应提供如下功能：a. 硬件配置组态功能其中包括定义各个现场I/O控制站的站号、网络节点号等网络参数以及站内的I/O配置等；b. 数据库组态功能定义系统中数据库的各种参数，系统的数据库包括实时数据库和历史数据库。实时数据库组态主要对各数据库点逐点定义其名称、工程量转换系数、上下限值、线性化处理、报警特性、报警条件等；历史数据库组态需要定义各个进入历史库的点的保存周期。c. 控制回路组态功能该功能定义各个控制回路的控制算法、调节周期及调节参数、某些系数等。d. 逻辑控制及批控制组态这种组态定义预先确定的处理过程。e. 控制算法语言的组态在有些情况下，特别是一些较特殊的控制处理，使用若干程序语句来处理可以更简单明了，因此工程师站应具有控制算法处理程序，以便进行算法语言定义。算法语言的主要方法是用一些类似程序语言的语句组合来描述一个控制过程，以实现预定的控制功能。f. 操作员站显示画面的生成使用在CRT屏幕上以人机交互方式直接作图的方法生成显示画面。操作员站的显示画面生成软件，除了具有标准的绘图功能之外，还应该具有实时动态点的定义功能。因此实时画面是由两部分组成的：一部分是静态画面，常称为背景图；另一部分是动态点，包括实时更新的状态和检测值、“热点”活动按钮、设定值使用的滑动杆或滚动条等。另外，还需定义各种多窗口显示特性。g. 报表生成组态类似于显示画面生成，利用屏幕以人机交互方式直接设计报表，包括表格形式及各个表项中所包含的实时数据和历史数据。h. 组态数据的编译和下装。i. 操作安全保护组态。3.2 分布式控制系统结构性能评价指标通常分布式控制系统采用的拓扑结构与系统应用对象的特征密切相关。所谓拓扑是指一个网络的链路和节点的几何空间布置。链路是指两个节点间的通信通路。节点可看作一个功能处理单元。任何一种结构从理论上分析都非尽善尽美。以下是在不考虑具体应用系统的特殊要求情况下，从简化的系统级特征结构提出的分布式控制系统的性能评价指标1920：a. 平均通信路径长度与网络的直径假设一个分布式控制系统由n个节点M1，M2，Mn组成，则其系统的平均通信路径长度定义为： 其中： 为节点Mi与节点Mj之间的最短路径长度。若不考虑信息的传输速率，则平均通信路径长度较短的系统，其信息传输时间较短，具有较高的通信效率。为了简化问题，也可以使用网络的直径（最大通信路径长度）来描述系统结构的性能。b. 通信并行度是指在任一时间片上，最多能同时在网络的通信线上传递信息的数量。这可以反映系统的传输能力和性能，它影响系统对数据吞吐量的大小和响应时间快慢。显然，通信并行度愈高，系统的通信效率也愈高。c. 通信接口数及其连通度分布式系统中的计算机节点是通过通信接口同通信线连接的。通信接口数量越多则成本越高，硬件软件实现就越困难。d. 侧路径算法复杂度-根据目标地址，用软件方法确定选消息的路径称为通信路径算法，简称路径算法。路径算法愈简单，通信软件的开销就愈小。路径算法反映机间互连的复杂程度。e. 系统结构的坚定性是指当系统中若干个节点或某一部分链路失效时，可立即切除或把备用节点投入系统，使其重新组合。这样做可能会使系统能力有所下降，但系统具有降格使用的能力。f. 通信负载均匀度分布式系统中的每个处理单元，有时要承担为其它控制单元中转信息的任务。如果某一控制单元负担了过重的信息中转任务，则不仅会影响本身的控制任务，而且也可能会因中转信息不能及时发出而发生信息拥塞现象。因此，通信负载在分布式系统中的分配问题也会影响系统的通信效率。3.3 系统结构方案的分析3.3.1 对象分析冷轧带钢制造中，据冷连轧机的润滑冷却系统的工艺特点，需对多点多项指标进行远程数据采集和控制相应执行机构。要实现对多点多项指标的采集和发送命令，必须实现现场长距离多点控制，并且要充分考虑硬件成本和现场信号干扰问题。3.3.2 系统结构方案比较根据网络的拓扑结构，大致可以分为星形、总线形和环形3种。星形网由于其必须设置一中央节点，各个节点之间的通信必须经由中央节点进行，这种变相的集中系统不符合DCS的设计原则。而目前应用最广的网络结构表3-1分布式系统基本结构性能表总线结构环型结构平均通信路径长度1n/2网络直径D1n-1通信并行度1N通信接口数11路径算法无需路径算法路径算法简单优点结构简单、价格低廉、工作可靠、在总线频带允许的范围内易实现增减系统节点数目和改变设备类型。节点环路接口可作数据流中继；接口可提供自己的总线仲裁和同步能力；多个消息在环上可同时传输，数据传输效率较高。主要缺点存在节点饱和及总线竟争；总线通路故障影响整个系统；传输距离较长时需增加中继。为串行组织结构，环形通路和接口的失效将破坏系统的正常运行。改进措施物理层改进：在节点之间冗余总线；加宽总线有效传输频带。结构改进：采用分级多总线结构。减少节点数量；大系统采用复合结构。是环形和总线形网。在这两种结构的网络中，各个节点可以说是平等的，任意两个节点之间的通信可以直接通过网络进行，而不需其它节点的介入。下面就两种网络拓扑结构进行比较，如表3-1。从表3-1中两种拓扑结构网络结构性能指标优劣比较可以看出环型结构的通信接口电路从数量或功能上都不利于降低系统的成本，并且通信软件的编制工作量大，同时系统缺乏安全性和稳定性，鉴于成本和稳定性的考虑，总线结构是优选方案。3.4 系统自动控制算法冷轧带钢制造中润滑工艺的控制系统需对乳化液的多项指标进行控制，这些被控指标几乎都是复杂的被控对象。以乳化液的温度控制为例，控制中采用冷却水和热蒸汽分别对乳化液进行冷却或加热，其冷、热阀同时只能有一个打开，通过控制出口阀的开关时间来控制冷却水或热蒸汽的流量，进而控制其温度。根据生产工艺的要求，被加热的乳化液吸热量很大，因此系统的时间常数很大，存在很大的惯性。同时，该系统还受到现场环境的制约，热源（冷、热介质）距离被控油箱稍远，存在非常大的传输延迟，而且加热容器等又存在热传导延迟，因此整个温度控制系统是一个典型的大惯性、大时滞系统。这也决定了整个控制系统的复杂性。目前，在生产过程的自动控制中，PID控制作为经典的控制理论，仍然是当今工控行业的主导控制方式，其算法简单、鲁棒性强、可靠性高。但在冷轧带钢制造中的润滑工艺中，由于系统具有高度的高噪声干扰、大滞后的以及复杂的信息结构等特点，使得被控量不能及时地反映系统所承受的扰动，因此控制系统的稳定性变差，调节时间延长，对系统的设计和控制增加了很大的困难，应用常规的PID控制不能达到理想的控制效果。本文采用了基于模型的先进控制算法预测控制（DMC）与传统PID控制相结合的控制方案，即串级结构的预测数字PID控制方式，如图3-1所示。此DMCPID串级控制方法充分发挥了串级结构、PID控制和预测控制的各自特点，利用了串级控制的结构优点，通过内回路密集的PID控制快速抑制进入对象的二次干扰，同时，又利用了预测控制的算法优点，在外回路自然地处理对象的纯滞后，因而它与单纯的DMC或PID串级控制相比，具有更为优越的综合控制性能。该方法可减小超调量、提高系统的稳定性且加速调节过程，提高系统的快速性，同时节省硬件成本，可使系统达到满意的控制效果。图3-1 DMCPID串级控制结构一次干扰 PID G2(s) G1(s)对象广义对象wy二次干扰 DDDDDDDMCDMCDMC3.4.1 数字PID控制算法在传统的工业过程控制中，常采用模拟PID控制，这种模拟PID调节器有电动、气动、液压等多种类型，此类模拟调节仪表是用硬件来实现PID调节规律的。本文在PID控制部分采用数字PID控制，利用计算机软件的灵活性来实现从简单到复杂的各种控制规律，这样不仅能大幅降低系统硬件投资，同时系统具有更大的灵活性，方便各种先进控制算法的引进。a. 数字PID控制算法与数字PID控制相比，模拟PID调节器的控制规律如式： （3-1）其中为微分时间。而数字PID控制是一种计算机控制，计算机控制的工作方式又决定了其为采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此（3-1)式中的积分和微分项不能直接准确计算，只能用数值计算的方法逼近。在采样时刻tiT（T为采样周期），式（3-1)所表示的PID调节规律可通过数值公式 （3-2）近似计算。如果采样周期T取得足够小，这种逼近可相当准确，被控过程与连续控制过程十分接近，我们把这种情况称为“准连续控制”。式（3-2）表示的控制算法提供了执行机构的位置ui，所以称为位置式PID控制算法。当执行机构需要的不是控制量的绝对数值，而是其增量时，由式（3-2）可导出提供增量的PID算法这只要将式及 相减就可以导出下面的公式 （3-3）式（3-3）称为增量式PID控制算法。式（3-3）也可进一步改写为 （3-3）其中 ； ；可见增量式算法只需要保持现时以前3个时刻的偏差值即可。因此，在本系统控制中，采用增量式算法要比位置式算法更为有利。b. 干扰的抑制PID控制算法的输入量是偏差e，也就是给定值w与系统输出y的差。在进入正常调节后，由于y己接近w，e的值不会太大。所以相对而言，干扰值对调节有较大的影响。为了消除随机干扰影响，除了从系统硬件及环境方面采取措施外，在控制算法上也应采取一定措施，以抑制干扰的影响。对于作用时间较为短暂的快速干扰，可以简单地采用连续多次采样求平均值的办法予以滤除。例如围绕着采样时刻ti=iT接连采样N次，可得到ei1, ei2, eiN。由于快速干扰往往比较强烈，只要有一个采样数据受到快速随机干扰，即使对它们求平均值，干扰的影响也将明显地反映出来。因此，应由计算机剔除其中的最大、最小值，即对剩余的N-2次采样值求