美国Citisteel 公司轧钢厂四辊轧机自动轧钢系统.doc

美国Citisteel公司轧钢厂四辊轧机自动轧钢系统王保军杜大川摘要介绍由钢铁研究总院开发的美国Citisteel公司轧钢厂液压AGC自动轧钢控制系统，着重讲述自动轧钢控制系统的特点、构成、功能和控制效果。该系统现已投入使用并通过厂方验收。关键词自动轧钢四辊轧机过程控制Automatic rolling control system for four-high mill in Citisteel USA Inc Wang Baojun Du Dachuan (Central Iron Steel Research Institute Beijing 100081) Abstract To introduce the four high mill hydraulic AGC automatic rolling control system, developed by CISRI(Central Iron Steel Research Institute), in Citisteel USA Inc. The key attention is paid to the specification, construction, functions and control results of the AGC system. The system has been put into operation Key words automatic rolling; four high mill; process control and checked and accepted by the USA user.Citisteel公司位于美国特拉华州，是一个具有近百年历史的老企业，其基础设备相当陈旧、落后。Citisteel公司包括1个炼钢厂和1个轧钢厂，其中轧钢厂有1个二辊轧机和1个4064mm四辊轧机，二辊开坯粗轧，四辊精轧。1997年6月，Citisteel公司与中国钢铁研究总院签定了四辊轧机改造合同，由钢铁研究总院负责对四辊轧机进行改造。改造前，四辊轧机的压下完全由人工控制压下螺丝来完成，改造要求增加液压AGC功能，并且完全实现轧钢自动化。1998年7月底至1999年2月初，钢铁研究总院的相关工程技术人员奔赴美国，克服种种困难，圆满完成任务，并于1999年1月底进行了项目验收，各项技术指标均达到或超过合同指标，受到厂方的好评。1系统特点由于中厚板生产的特殊性，要想获得理想的产品质量，液压AGC技术是必不可少的，而AGC要取得理想的效果，就要求控制系统必须快速、可靠。Citisteel公司轧钢厂液压AGC自动轧钢控制系统选用了美国Reliance公司生产的AutoMax分布式控制系统。该系统对于同时需要有顺序控制、逻辑控制、数据采集、复杂的数学运算并且要求达到毫秒级响应时间的应用场合来说是一种理想的实时控制系统。AutoMax分布式控制系统具有以下特点。1.1运算速度快AutoMax分布式控制系统有6010和7010两种Multibus处理器，其中7010处理器是基于32位的Motorola68020，主频为25MHz，内存有512KB。运行于这两种处理器中的任务的最小控制周期可以达到0.5ms。1.2功能强AutoMax分布式控制系统是一种多处理器、多任务实时控制系统，1个机架中最多可以包含4个处理器，而每个处理器中又可以运行多个任务，每个任务都可以根据控制需要定义各自的控制周期及其运行的优先级。1.3编程灵活AutoMax的开发软件可以在Windows3.1(或更高版本)或Windows95的操作系统中运行。AutoMax同时提供逻辑梯形图、图形化功能块、增强型BASIC3种编程语言。用户可以根据自己的需要选用不同的编程语言，而不同语言编写的任务可以在同一处理器中运行。1.4产品种类齐全AutoMax分布式控制系统拥有丰富的硬件模块。机架有6槽、10槽、16槽3种，同时还有各种各样的I/O模块和接口模块。用户可以根据自己的实际情况任意选用不同的机架、电源、处理器、I/O模块和接口模块，从而构成满足各种要求的控制系统。1.5可扩展性强,组网容易AutoMax分布式控制系统拥有快速可靠、连接简单的DCS网络，通过网络通信卡可以将最多56个机架(PC机通过PCLINK卡可以作为虚拟机架，直接与AutoMax控制系统进行数据交换，使得用户很容易通过PC对控制系统进行监控)连接起来，构成一个或多个网络，而且AutoMax系统还支持主从结构的远程I/O网络。这种远程I/O网络的连接方式与DCS网络完全相同，可以大大减少电缆的数量，降低故障率。另外，AutoMax系统中还有多种外接接口模块，使其可以与A-BPLC、以太网及其它公司的产品或网络连接起来。下面介绍液压AGC自动轧钢控制系统的构成、功能和控制效果。2系统构成Citisteel公司轧钢厂液压AGC自动轧钢控制系统分为3级：管理级、过程控制级、基础自动化级。其中，管理级向过程控制级下达生产计划、来料信息、产品目标；过程控制级根据管理级送来的来料信息及产品目标，计算出一个轧制规程，并收集基础自动化级的各种工艺参数，在线修改轧制规程，实时传送到基础自动化级；基础自动化级实时采集各种传感器、仪器仪表的数据及开关、按钮的状态等信息，进行处理，然后根据过程控制级传送来的轧制表，控制执行机构完成轧辊的定位。Citisteel公司轧钢厂液压AGC自动轧钢控制系统构成如图1所示。图1 控制系统结构示意图2.1管理级Citisteel公司有着先进、完善的信息管理系统，公司所有办公室的微机全都联在一起，构成了完整的公司信息管理网络，网上的任一台微机都可以看到公司的生产计划以及生产过程中从“装料加热粗轧除磷精轧测厚矫直剪切入库”每个阶段详细的技术参数。四辊计算机是Citisteel公司网络上的1个站点，其机槽内安装1块以太网卡与公司管理网络相连，还装有1块PCLINK卡与液压AGC自动轧钢控制系统的DCS网络相连，成为DCS网络中的1个虚拟机架(A45)；另外，四辊计算机机槽中还有触摸屏接口卡与四辊操作触摸屏相连。通过以太网卡，四辊计算机可以得到公司的生产计划、来料信息、产品目标及测厚信息，然后再通过PCLINK卡将这些信息下达给过程控制级；另一方面，又通过PCLINK卡实时获取基础自动化级的各种轧钢过程信息和状态，再通过触摸屏接口卡在触摸屏上显示给操作工，而操作工对触摸屏的操作又可以通过触摸屏接口卡和PCLINK卡为基础自动化级所接收，从而改变轧钢控制操作方式。2.2过程控制级过程控制级包括2台PC机(离线机、在线机)，都是通过PCLINK卡与控制系统的DCS网络相连，作为DCS网络中的2个虚拟机架(离线机：A10;在线机：A20)。其中离线机作为模型机，主要进行离线的标准规程计算及轧制数据分析用；在线机是过程控制机，它根据管理级送来的来料信息(钢种、锭型、尺寸、温度和目标厚度)以及模型机上计算出来的标准规程，在线计算出1个实用的轧制规程，并根据基础自动化级实时传送过来的各种过程参数，在线修改轧制规程，实时传送到基础自动化级，控制相应的执行机构动作。同时，过程控制机还可以监控轧钢过程，显示报警信息，保存和打印各种过程数据等。离线机又是在线机的备份，一旦在线机出现故障，可以立即在离线机上运行过程控制软件，替代在线机。2.3基础自动化级基础自动化级包括4个AutoMax机架(A00、A06、A07、远程AutoMax)、1个虚拟机架(监控计算机：A40)和1套A-BPLC(液压站)。1)A0016槽的AutoMax机架，是液压AGC自动轧钢控制系统的核心，也是DCS网络中的主机架。其构成包括：(1)1块电源卡(57C493)，功率为376W，提供5VDC(50A)、12VDC(4A)、15VDC(1A)电源。(2)1块公共存贮器卡(57C423)(256KB)，主要功能是存贮配置任务和公共变量、总线仲裁(控制处理获得数据的优先权)、控制系统WATCHDOG的时间。当1个AutoMax机架中包含多于1个处理器时，公共存贮器卡是必须的。(3)3块处理器卡(57C435)7010。(4)2块开关量输入卡(57C419)(32路524V开关量输入)，主要用于输入钢板位置、压下螺丝限位开关、油缸限位开关、顶冒传感器(检测压下螺丝位置)等检测信号。(5)2块开关量输出卡(57C420)(32路524V开关量输出)，主要用于控制快泄阀及对电动辊缝的清零。(6)2块模拟量输入卡(57C409)(2路高速模拟量输入，转换时间只要0.5ms)，用于连接油缸上的位移传感器。(7)2块4路模拟量输出卡(57C410)，输出液压伺服阀的控制信号。(8)1块16路模拟量输入卡(61C542)，主要输入压力传感器、测温仪等的信号。(9)1块远程I/O卡(57C416)，通过一根同轴电缆与放在操作台的6槽AutoMax机架相连，把操作台上的所有开关、按钮、指示表等信号连接进来。(10)1块A-B扫描卡(57C443)，通过一根同轴电缆与液压站的A-BPLC相连，把液压站各种必要的状态、信息读进来。(11)1块网络卡(57C404)，通过此卡与其它节点(A06、A07、A10、A20、A40、A45)连接起来。2)A0616槽的AutoMax机架，主要用来控制压下螺丝的动作。通过DCS网络，A06向A00传送压下控制系统的状态及压下螺丝的位置信息，而A00向A06发送压下螺丝的目标位置及其起停信号，A06则根据这些信息来控制压下螺丝到达所要求的位置。3)A0716槽的AutoMax机架，主要用来控制四辊主传动。通过DCS网络，A07向A00传送主传动系统的状态信息，只有当主传动系统的所有环节全部正常的情况下，自动轧钢系统才可以投入运行。4)A40监控计算机，通过PCLINK卡作为DCS网络中的1个虚拟机架，主要功能是在线显示轧钢的过程数据和各种报警、故障信息，并快速地实时记录一些重要的过程参数(例如辊缝、压力等，用户可以自己定义数据记录的时间和频率)，以供用户随时调出来进行分析。3系统功能Citisteel公司轧钢厂液压AGC自动轧钢控制系统采取“电动液压微调”方式，其中油缸最大行程为25mm，轧钢时液压辊缝以清零之后的位置为基准零点(油缸中液柱高度大约为10mm左右)，正常工作行程为5mm。由于电动压下具有大行程时速度快(10mm/s)，但是加速度小、定位精度较低，而液压系统则具有绝对速度较慢，但加速度非常大且定位精度高的特点，“电动液压微调”方式则综合了电动和液压两方面的优点，因此实际应用效果比较理想。该系统具有APC(自动位置控制)、AGC(自动厚度控制)、自动辊缝清零(或叫自动压靠)、保护(过压、过压差、液柱过高或过低、压力传感器断线等)等自动功能，以及辊缝微调、镰刀弯调节等人工干预功能。3.1APC(自动位置控制)在实际轧钢过程中，控制系统根据过程控制机下达的设定位置，首先控制压下螺丝动作，当定35t锅炉DDZ型仪表供电系统的改造新余钢铁公司335t锅炉于1995年建成投产，热工检测系统采用DDZ型仪表，中控室供电系统为220V交流电源经HZ系列转换开关、螺旋式熔断器供给DFY3110电源箱，输出24V直流电源供给仪表系统。运行两年多来，由于熔断器被炸，更换不及时，造成汽包水位急剧下降，导致汽轮鼓风机停机，高炉紧急休风事故和电源箱跳闸，全部仪表失电，操作工无法操作等危险状况，严重威胁到安全生产。因此，锅炉仪表供电系统的改造十分必要。分析事故时发现：1)原设计总电源保护采用RL系列螺旋式熔断器，当它被炸后，不易发觉，延误检查判断时间，备件更换不及时；2)总电源一路供电，当出现故障时，短时间内无法恢复，同样会造成仪表全部失电；3)无报警装置，当电源箱跳闸时，不易发现、及时维修，造成事故。改进的措施是采用双路电源供电；将HZ系列转换开关改为DZ系列自动开关；热备一台电源箱；中控室和仪表工值班室安装声光报警装置。供电系统自1997年改造后，主电源箱跳闸时，能自动切换到备用电源上，仪表工听到报警后能及时赶到现场，处理故障。供电系统改造后，从未发生过锅炉仪表中断供电的事故，从而确保了锅炉的安全生产，位误差进入0.3mm时，压下螺丝停下，由液压缸来补偿电动定位误差，使APC的最终定位精度达到0.02mm。3.2AGC(自动厚度控制)采取动态设定型AGC，包括绝对值和相对值两种。自动轧钢时，采取绝对值AGC方式，由过程控制机向A00发送每1道次的压力设定值和变刚度系数等，A00则根据实测压力和过程控制机下达的相关数据计算出AGC调节量；手动轧钢时，采取相对值AGC方式，过程控制机不参与控制，A00在咬钢以后锁定1个压力值作为本道次的压力设定值，然后将实测压力和此设定值比较，计算出AGC调节量。AGC调节量被叠加到辊缝设定值中，控制辊缝动态调整，以减小同板差。3.3自动辊缝清零(或叫自动压靠)包括电动辊缝清零和液压辊缝清零。当需要做辊缝标定(清零)时，操作人员只需在触摸屏上按一下辊缝清零按钮，AutoMaxA00通过DCS网向A06(压下控制系统)发出起动压下螺丝信号，压下螺丝带着油缸(此时油缸中带10mm左右的液柱)自动下压直到压力达到300400t(两侧压力之和)时停住，并将电动辊缝清零，然后向A00发出电动辊缝清零完成信号，A00通过控制伺服阀驱动油缸动作直到压力达到700t(两侧压力之和，可以根据用户需要选定压靠压力的大小)并保持5s左右，将液压辊缝清零，至此辊缝清零完成，可以开始正常轧钢。3.4保护为了保证设备和系统的安全可靠，该系统设计了多种保护措施，如过压保护(压力和)、过压差保护。当两侧压力和超