帶鋼熱連軋計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展及其在我國的狀況.doc

帶鋼熱連軋計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展及其在我國的狀況 Post By：2009-7-14 13:59:02 帶鋼熱連軋計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展及其在我國的狀況劉文仲北京科技大學(xué) 高效軋制國家工程研究中心， 北京 100083摘要 回顧了我國帶鋼熱連軋計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r，討論了關(guān)于我國發(fā)展帶鋼熱連軋計算機控制系統(tǒng)方面的對策。關(guān)鍵詞 帶鋼熱連軋機；計算機控制系統(tǒng)；發(fā)展趨勢Development of computer control system for Hot Rolling Strip mill and current situation in ChinaLiu Wen ZhongNational Engineering Research Center for Advanced Rolling Technology, USTB, Beijing 100083ABSTRACT The development status of computer control system for hot rolling strip mill in China was reviewed，And the countermeasures were also discussed.KEY WORDS hot rolling strip mill，computer control system，development trend1 前言由于帶鋼熱連軋生產(chǎn)線的高效率性和高效益性，使得它成為各種新技術(shù)應(yīng)用廣泛的一個工業(yè)生產(chǎn)生產(chǎn)線。所以在工業(yè)控制過程自動化領(lǐng)域中，帶鋼熱連軋計算機控制系統(tǒng)成為迅速發(fā)展、逐漸成熟、并且取得了明顯經(jīng)濟效益的計算機系統(tǒng)。本文簡要評述帶鋼熱連軋計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程及其在我國的應(yīng)用狀況。2 帶鋼熱連軋計算機控制系統(tǒng)的分級和功能按照國際上的通用分類方法，工業(yè)控制過程自動化系統(tǒng)的分級如下：0級 傳動級(Drive) 簡稱Level 0；1級 基礎(chǔ)自動化級(Basic Automation)簡稱Level 1；2級 過程控制級(Process Control) 簡稱Level 2；3級 生產(chǎn)控制級(Production Control) 簡稱Level 3；更上一級的系統(tǒng)還有MES系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)、產(chǎn)銷一體化系統(tǒng)等等，系統(tǒng)的名稱和功能就不那么統(tǒng)一了。按照上述分級方法，對帶鋼熱軋生產(chǎn)線來說，將第1、2、3級統(tǒng)稱為帶鋼熱連軋計算機控制系統(tǒng)。基礎(chǔ)自動化級（L1級）主要完成設(shè)備的順序控制、位置控制、速度控制以及質(zhì)量控制（產(chǎn)品的厚度、寬度、溫度、凸度、平直度、卷形等）。過程控制級（L2級）主要完成基于數(shù)學(xué)模型的軋制規(guī)程設(shè)定和數(shù)學(xué)模型自學(xué)習(xí)功能，完成生產(chǎn)工藝過程參數(shù)的設(shè)定計算與優(yōu)化。生產(chǎn)控制級（L3級）主要完成生產(chǎn)計劃的編制、調(diào)整和發(fā)行，生產(chǎn)實績的收集、處理，對板坯庫、鋼卷庫、成品庫進行管理，以及進行產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控等功能。3 發(fā)展歷程及其特點1962年，美國在麥克勞斯（Mclouth）鋼鐵公司的1525 mm熱軋機上實現(xiàn)了用計算機控制熱軋精軋機組的壓下位置和速度，這是世界上第一個帶鋼熱連軋計算機控制系統(tǒng)。1964年，日本新日公司堺廠的1420 mm熱軋機實現(xiàn)了計算機控制；1971年11月日本新日鐵大分廠2235 mm熱軋計算機控制系統(tǒng)投入運行，該熱軋計算機控制系統(tǒng)作為當(dāng)時的設(shè)計典范。1980年以后，國際上，帶鋼熱連軋計算機控制系統(tǒng)發(fā)展得更加迅速，并且趨向于成熟。它的發(fā)展特點主要集中在以下五個方面。（1）計算機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)逐步分散化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)從最初的單機集中控制，發(fā)展到后來的多級分區(qū)的集中控制，再發(fā)展到現(xiàn)在按照生產(chǎn)工藝流程的分區(qū)、分功能的分散控制，即在硬件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)配置上，按照區(qū)域、按照功能來劃分。（2）控制功能不斷完善，逐漸細(xì)化控制功能從最初的代替人工操作的設(shè)定控制，發(fā)展到生產(chǎn)全線的自動控制、產(chǎn)品質(zhì)量控制、節(jié)能控制，軋制潤滑控制、自由軋制控制、產(chǎn)品性能控制、柔性軋制控制等等?？刂乒δ懿粩嗤晟?，從簡單到復(fù)雜，從低級到高級，這些功能的完善也是來自于提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、減少環(huán)境污染、操作維護方便、實現(xiàn)柔性軋制等方面的需求。（3）控制精度不斷提高隨著設(shè)備制造技術(shù)、檢測儀表技術(shù)、數(shù)學(xué)模型技術(shù)的發(fā)展，對產(chǎn)品的控制精度也在不斷提高，并且趨于穩(wěn)定。例如，寶鋼2050熱軋和1580熱軋厚度偏差0.03的控制水平分別達(dá)到98.4和97.1，寬度偏差（012.5）和（015）的控制水平分別達(dá)到99.5和99.8，凸度偏差（0.02）的控制水平分別達(dá)到99.3和98.7，精軋溫度偏差（20）的控制水平分別達(dá)到96.7和99.2，卷取溫度偏差（20）的控制水平分別達(dá)到97.5和96.4。（4）控制范圍不斷擴大，覆蓋全廠上世紀(jì)60年代初期，以控制精軋機為主。主要是進行壓下位置和軋機速度的預(yù)設(shè)定。上世紀(jì)60年代中后期，控制范圍擴大到加熱爐、粗軋機、精軋機、卷取機。到了上世紀(jì)80年代，控制范圍又?jǐn)U大到板坯庫、鋼卷庫、成品庫和熱平整線、熱分卷線、熱剪切線，從而覆蓋了整個熱軋廠。（5）硬件標(biāo)準(zhǔn)化，應(yīng)用軟件和數(shù)學(xué)模型產(chǎn)品化基礎(chǔ)自動化級使用基于國際標(biāo)準(zhǔn)的高性能控制器（HPC）和PLC。按照近些年在國內(nèi)占有熱軋市場份額較大的有：德國西門子公司的SIMATIC TDC系統(tǒng)和日本芝菱公司的V系列。還有GEFanuc的PAC系統(tǒng)、法國ALSTOM公司的系統(tǒng)等。過程控制級以前用ALPHA 服務(wù)器，現(xiàn)在使用PC服務(wù)器和容錯計算機。硬件產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化，應(yīng)用軟件產(chǎn)品化，包括數(shù)學(xué)模型軟件也實現(xiàn)了產(chǎn)品化，通過系統(tǒng)配置，就可以生成適應(yīng)于各種類型熱軋生產(chǎn)線的應(yīng)用軟件，從而大大減少了編程、調(diào)試的工作量和時間。4在我國的發(fā)展和應(yīng)用狀況4.1 概況 國內(nèi)新建1250mm以上的帶鋼熱連軋生產(chǎn)線和對老熱軋生產(chǎn)線的改造,其中重要的一項內(nèi)容就是建立帶鋼熱連軋計算機控制系統(tǒng)。我國1250mm以上的帶鋼熱連軋生產(chǎn)線中，基礎(chǔ)自動化級(L1)和過程控制級(L2)計算機系統(tǒng)的投入率已經(jīng)達(dá)到百分之百。1978年12月，我國引進的第一套帶鋼熱連軋計算機控制系統(tǒng)即武漢鋼鐵公司1700 mm熱連軋機控制系統(tǒng)投入運行。這個系統(tǒng)由日本東芝公司按照新日鐵大分廠2235 mm熱軋計算機控制系統(tǒng)的模式設(shè)計的。寶鋼2050 mm熱連軋機計算機控制系統(tǒng)是我國引進的第二套帶鋼熱連軋計算機控制系統(tǒng)，采用了德國西門子的系統(tǒng)和技術(shù)。1993年11月，在武漢鋼鐵公司、重慶鋼鐵設(shè)計研究院、北京科技大學(xué)的共同合作下，完成了武漢鋼鐵公司1700 mm熱連軋機計算機系統(tǒng)的更新改造工程。在國內(nèi)熱軋領(lǐng)域中，首次采用“硬件引進，軟件立足國內(nèi)”的方針，新系統(tǒng)在不停產(chǎn)的情況下順利投入使用，并獲得了比原有系統(tǒng)更好的控制效果，產(chǎn)品的控制精度得到提高。這是一個重要的標(biāo)志，標(biāo)志著在二十世紀(jì)九十年代，我國已經(jīng)有能力依靠自己的力量設(shè)計和開發(fā)出像熱連軋這樣過程控制極為復(fù)雜、要求快速響應(yīng)的計算機控制系統(tǒng)的軟件，包括數(shù)學(xué)模型的軟件。上世紀(jì)末和本世紀(jì)初，我國捆綁式引進的三條CSP熱軋生產(chǎn)線，即珠（江）鋼CSP、邯（鄲）鋼CSP和包（頭）鋼CSP相繼投產(chǎn)，這三個熱軋計算機控制系統(tǒng)都采用了德國西門子公司的系統(tǒng)和技術(shù)。當(dāng)時，想以市場換技術(shù)，所以才有了捆綁式引進。后來的結(jié)果是：市場讓出去了，核心技術(shù)卻仍然掌握在外國公司手中，仍然沒能改變引進的狀態(tài)。筆者統(tǒng)計，我國已經(jīng)投產(chǎn)的50多條熱軋生產(chǎn)線中（包含常規(guī)熱軋、CSP、FTSR、爐卷軋機等所有類型），從國外引進的計算機系統(tǒng)占四分之三還多。三十多年來，我國已經(jīng)引進了世界上所有先進電氣公司的帶鋼熱連軋計算機控制系統(tǒng)（包括控制軟件和數(shù)學(xué)模型）。其中，有美國通用電氣、德國西門子、日本三菱電機、日本東芝、德國西馬克、意大利ANSALDO、美國AEG、日本東芝GE、日本（東）芝(三)菱、奧地利VAI、法國ALSTOM、瑞典ABB、美國TIPPINS等公司。這在世界上是獨一無二的現(xiàn)象。其中，德國西門子的系統(tǒng)和數(shù)學(xué)模型占的份額最大。4.2 五種模式我總結(jié)和歸納出我國三十多年來，在建立帶鋼熱連軋計算機控制系統(tǒng)時，所有的工作模式。按照其產(chǎn)生的時間順序排列如下。（1）全面引進、學(xué)習(xí)掌握 以武鋼1700mm熱連軋生產(chǎn)線和寶鋼2050mm熱連軋生產(chǎn)線的計算機控制系統(tǒng)為代表。采取的模式為：外方總包、技術(shù)總負(fù)責(zé)；中方技術(shù)人員學(xué)習(xí)掌握。近些年來，這種模式依然居多。 （2）外方總包、中方分包 這種模式只有上世紀(jì)九十年代，寶鋼梅山1422mm熱連軋計算機控制系統(tǒng)的第一次改造一例。采取的模式為：外方（美國AEG公司）總包、技術(shù)總負(fù)責(zé)；中方（武漢鋼鐵公司、北京科技大學(xué)）又從外方手中分包了部分軟件編程和現(xiàn)場調(diào)試工作，外方實實在在地付錢給中方。該生產(chǎn)線的第二次計算機系統(tǒng)改造就又采用第一種模式，由美國通用電氣公司總包了。（3）硬件引進、軟件國內(nèi)自主設(shè)計和開發(fā) 以武鋼1700mm熱連軋生產(chǎn)線計算機控制系統(tǒng)更新改造工程為代表。采取的模式為：中方總包，技術(shù)總負(fù)責(zé)；從國外僅僅引進計算機硬件系統(tǒng)，全部軟件的設(shè)計和開發(fā)由國內(nèi)自主完成。2005年投入運行的萊蕪1500熱軋和2006年投產(chǎn)的日照1580熱軋計算機控制系統(tǒng)，也采用這種模式。（4）軟件關(guān)鍵部分引進、中外合作開發(fā) 以寶鋼1580mm熱連軋生產(chǎn)線和鞍鋼1780mm熱連軋生產(chǎn)線的計算機控制系統(tǒng)為代表。采取的模式為：軟件系統(tǒng)由中方、外方聯(lián)合設(shè)計、聯(lián)合開發(fā)、聯(lián)合調(diào)試。筆者認(rèn)為，這種模式也只有這兩例。其后至今，雖然有許多引進合同中也寫著“合作開發(fā)”，但是外方至多讓中方技術(shù)人員做做HMI畫面和報表軟件，因為其核心技術(shù)的軟件已經(jīng)產(chǎn)品化了。（5）硬件系統(tǒng)自主集成、軟件國內(nèi)自主設(shè)計和開發(fā) 以鞍鋼1700中薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線的計算機控制系統(tǒng)為開始，繼而在鞍鋼2150熱軋和濟鋼1700 熱軋、鞍鋼營口鲅魚圈1580熱軋推廣，采取的模式為：國內(nèi)單位（鞍山鋼鐵公司、北京科技大學(xué)）總包，技術(shù)總負(fù)責(zé)；不再引進整個計算機硬件系統(tǒng)，而從國際市場上采購硬件部件，然后自己集成整個硬件系統(tǒng)。全部軟件由國內(nèi)自主設(shè)計，開發(fā)完成。 寶鋼1880熱軋計算機控制系統(tǒng)的L2由寶鋼自主設(shè)計完成，L1由日本芝菱公司提供，沒有歸并到上述模式。上述的第2種、第4種模式和寶鋼1880熱軋的模式屬于特例，所以今后的選擇主要集中在剩余的3種模式上。筆者認(rèn)為：我們追求的第一目標(biāo)應(yīng)該是“硬件引進、軟件國內(nèi)自主設(shè)計和開發(fā)”（即第3種模式）；更進一步的目標(biāo)是“硬件系統(tǒng)自主集成、軟件國內(nèi)自主設(shè)計和開發(fā)”（即第5種模式）；今后，應(yīng)該盡量避免“全面引進” （即第1種模式）。5 自主創(chuàng)新，促進我國帶鋼熱連軋計算機控制技術(shù)的發(fā)展5.1 從引進、消化、吸收到創(chuàng)新我國已經(jīng)掌握了熱軋計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計和集成技術(shù)，開始實現(xiàn)從引進、消化、吸收到創(chuàng)新的跨越式發(fā)展。以鞍鋼、寶鋼、高效軋制國家工程研究中心等單位為代表，在國內(nèi)走在技術(shù)和工程實踐的前列。鞍鋼已經(jīng)有四條帶鋼熱連軋生產(chǎn)線，即1780熱軋、1700熱軋、2150熱軋和營口鲅魚圈1580熱軋。其中，1780熱軋是中外合作設(shè)計、合作制造的，其余的三條帶鋼熱連軋生產(chǎn)線都是國內(nèi)自主設(shè)計、自主集成、自主制造的，包括計算機管理和控制系統(tǒng)。所有應(yīng)用軟件包括數(shù)學(xué)模型，都是由鞍鋼和北京科技大學(xué)的技術(shù)人員合作設(shè)計和開發(fā)的。這兩個單位還承擔(dān)和完成了濟鋼1700熱軋生產(chǎn)線的計算機控制系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)。寶鋼在三熱軋建設(shè)過程中，圍繞高牌號無取向硅鋼等高附加值產(chǎn)品的高精度和高強度要求，結(jié)合2050和1580熱軋生產(chǎn)經(jīng)驗，使模型控制更加精細(xì)，更能適應(yīng)品種變化的需要。這表明寶鋼已經(jīng)具備新產(chǎn)品、新工藝、新設(shè)備的建模創(chuàng)新能力及數(shù)學(xué)模型成套技術(shù)能力，實現(xiàn)了數(shù)模技術(shù)從引進、消化、吸收到創(chuàng)新的跨越式發(fā)展。高效軋制國家工程研究中心擁有成熟的基于PC服務(wù)器的L2級數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的軋鋼系統(tǒng)中間件技術(shù)和軟件產(chǎn)品；擁有成熟的軋鋼板形控制技術(shù)和輥形設(shè)計技術(shù)，板形綜合控制性能達(dá)到國際先進水平；成功完成了國內(nèi)多條熱連軋生產(chǎn)線的計算機控制系統(tǒng)新建和改造任務(wù)，在業(yè)績方面處于全國領(lǐng)先地位。這些單位的實踐，為我國軋鋼自動化系統(tǒng)自主開發(fā)積累了經(jīng)驗，走出了一條產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的，起點高、投入少、產(chǎn)出快、效益高的企業(yè)技術(shù)改造和創(chuàng)新之路。引進不能代替創(chuàng)新。國外公司的技術(shù)平臺不斷更新。如果一直依賴于引進，就會走入“引進、落后、再引進、再落后”的怪圈。5.2 掌握和推廣核心技術(shù)如何避免簡單重復(fù)引進，加速自主開發(fā)，自主創(chuàng)新，這是國內(nèi)許多行業(yè)都需要思考和解決的問題。高效軋制國家工程研究中心通過消化、吸收引進的技術(shù)，完全掌握了設(shè)計、開發(fā)、建立帶鋼熱連軋計算機控制系統(tǒng)的核心技術(shù)和方法，并且成功應(yīng)用于多個實際工程項目中，已經(jīng)成為國外著名電氣公司的有力競爭對手，所以近年來，才使得外國公司在我國進行投標(biāo)和報價時，不得不比過去大大地降低了價錢。高效軋制國家工程研究中心成功地用HP ProLiant服務(wù)器構(gòu)建過程控制計算機系統(tǒng)（Level 2）。采用了磁盤冗余陣列技術(shù)和磁盤鏡像技術(shù)，解決了系統(tǒng)配置方面的技術(shù)問題，實現(xiàn)了系統(tǒng)的在線備用和切換；開發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的中間件；設(shè)計和開發(fā)出全套熱軋過程控制軟件，包含數(shù)學(xué)模型軟件。高效軋制國家工程研究中心開發(fā)出來的中間件PCDP（Process Control Develop Platform）實現(xiàn)了軟件標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)品化，具有完全知識產(chǎn)權(quán)。與生產(chǎn)線的類型和具體工程項目無關(guān)，它適應(yīng)于所有的工業(yè)過程控制項目，已經(jīng)應(yīng)用于國內(nèi)許多項目。 實時數(shù)據(jù)文件管理(RDFM)：該組件可根據(jù)需要，在服務(wù)器物理內(nèi)存中建立和維護多個數(shù)據(jù)表、數(shù)據(jù)文件，供應(yīng)用程序之間進行實時數(shù)據(jù)交換，這些數(shù)據(jù)表能與磁盤中數(shù)據(jù)文件實時同步。 進程間通訊管理(IPC)：負(fù)責(zé)管理不同進程之間的通信。該組件為每一個進程建立專用的消息隊列，這些進程可通過接口函數(shù)訪問消息隊列來實現(xiàn)消息傳遞。 外部通訊管理(Hub Ware)：管理計算機與其他外部計算機系統(tǒng)之間的通信鏈路以及數(shù)據(jù)收發(fā)隊列。根據(jù)打開的端口數(shù)和實際通信鏈路數(shù)，Hub Ware將自動調(diào)整服務(wù)的進程和線程的數(shù)量，以保證對通信數(shù)據(jù)處理的實時性。 日志報警管理(Logger)：負(fù)責(zé)生成、顯示和管理應(yīng)用程序的報警日志信息。 數(shù)據(jù)庫連接管理(DB Linker)：負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器建立ODBC連接，并向數(shù)據(jù)庫保存數(shù)據(jù)，如果由于通信中斷或其他原因而不能成功寫入時，它能自動將數(shù)據(jù)緩存在本地硬盤中，并不斷地周期嘗試寫入操作，直到完全成功后才清空本地緩存，以確保數(shù)據(jù)不丟失。 HMI變量管理(TagCenter)：采用COM技術(shù)，通過建立一個全局變量集合，在服務(wù)器和各HMI終端之間提供了一種方便靈活的HMI過程變量通信方法，并且適應(yīng)各種HMI組態(tài)軟件工具。 進程管理(TaskWatch)：負(fù)責(zé)管理應(yīng)用軟件的啟動、停止、任務(wù)守護、出錯信息輸出和出錯點定位，維護每個進程的運行健康狀態(tài)，建立內(nèi)存