冷軋帶鋼制造中分布式計算機(jī)控制系統(tǒng)的研究-3-3-

緒 論課題綜述論文引言本論文是基于CAM（ComputerAidedManufacture）——（制造）方面的課題，其研究方向是生產(chǎn)制造系統(tǒng)的CAM。而當(dāng)代的CAM技術(shù)的發(fā)展已不再局限于自動編程的數(shù)控技術(shù)，而是向集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的計算機(jī)輔助制造系統(tǒng) 拓展。計算機(jī)輔助制造系統(tǒng)是通過計算機(jī)分級結(jié)構(gòu)控制和管理制造過程的多方面工作，它 利用一個集成的信息網(wǎng)來監(jiān)測一個廣闊的相互關(guān)聯(lián)的制造作業(yè)范圍，并根據(jù)一個總體的管理策略控制每項作業(yè)。本論文《冷軋帶鋼制造中分布式計算機(jī)控制系統(tǒng)的研究》研究的就是一個典型的 計算機(jī)輔助制造系統(tǒng)，文中基于冷軋帶鋼制造為景，針對目前我國冷軋帶鋼制造中的工藝潤滑，設(shè)計出一套小型分布式控制系統(tǒng)對其進(jìn)行自動化控制和管理。在冷軋帶鋼制造中，工藝潤滑是冷軋工藝的重要組成部分，在軋制過程中起著重要作用 。采用工藝潤滑可以極大地減少變形金屬與工模具的直接接觸，減小金屬變形過程的摩擦力和變形力，從而達(dá)到節(jié)約能源消耗例如，板帶軋制時，采用適當(dāng)?shù)墓に嚌櫥梢越档蛙堉茐毫?0％～30軋機(jī)主電機(jī)電耗減少8％～20減少，使用壽命延長。在軋制過程中，采用工藝潤滑可提高軋輥使用壽命40制板形，降低軋后表面粗糙度。綜上所述，帶鋼冷軋過程中，工藝潤滑起著降低成形過程力能消耗；減少工模具損耗，延長其使用壽命，提高生產(chǎn)效率；改善帶鋼表面質(zhì)量等目前國內(nèi)、外的鋼鐵企業(yè)越來越注重這方面的研究，它是現(xiàn)代冷軋技術(shù)中的重要課題。本文從分布式控制系統(tǒng)的角度對其加以研究和探討。分布式計算機(jī)控制系統(tǒng)概述工業(yè)的發(fā)展，使得工業(yè)過程控制跨入了計算機(jī)控制時代。數(shù)字計算機(jī)應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域，發(fā)揮了其運算速度快，精度高，處理邏輯判斷能力強(qiáng)的特點。而分布式計算機(jī)控制系統(tǒng)即DCS供了強(qiáng)有力的控制手段，它采用微型計算機(jī)智能技術(shù)，不僅具有記憶、數(shù)據(jù)運算、邏輯判斷功能，還可以實現(xiàn)自適應(yīng)、自診斷、自檢測[3]級遞階結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)功能分散、風(fēng)險分散，提高了系統(tǒng)的可靠性，使系統(tǒng)更為靈活。而局部網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的應(yīng)用大大提高了分散控制系統(tǒng)的通信能力，可實現(xiàn)對全系統(tǒng)信息進(jìn)行綜合管理以及對各過程控制單元、人機(jī)接口單元和操作進(jìn)行管理。 DCS控制系統(tǒng)則在系統(tǒng)的處理能力和系統(tǒng)安全性面明顯優(yōu)于集中系統(tǒng)，這是由于 DCS采用多臺計算機(jī)分擔(dān)了控制的功能服務(wù)，使處理能力大大提高，而風(fēng)險性卻分散的緣故。經(jīng)過多年發(fā)展，目DCS控制層，這種結(jié)構(gòu)特別適合現(xiàn)代大系統(tǒng)控制和優(yōu)化理論的實施。DCS 系統(tǒng)的軟件采用開放性的接口，包括動態(tài)數(shù)據(jù)交換 DDE 和ActiveX動態(tài)連接庫 DLL目標(biāo)連接和插入 OLE開放數(shù)據(jù)庫訪問 ODBC結(jié)構(gòu)化查詢語言 SQL以及應(yīng)用編程界面 API。利用這些界面，可以方便地與商品化軟件或用戶開發(fā)的軟件進(jìn)行接口。采用DCS的生產(chǎn)過程自動化使控制系統(tǒng)在以下幾個方面具有很大的優(yōu)勢[3]：控制算法可以極大豐富，從經(jīng)典的反饋控制、前饋控制、 PID 制直到用戶自己開發(fā)的先進(jìn)控制算法如人工智能、模糊控制、預(yù)測控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自學(xué)習(xí)控制等；到優(yōu)化、協(xié)調(diào)和管控一體化、統(tǒng)計與分析等；圖形化功能越來越強(qiáng)，隨著圖形用戶界面(GUI)的不斷發(fā)展和完善，用于觀察現(xiàn)場運行狀態(tài)和參數(shù)的各種指針式或數(shù)字儀表、指示燈和工藝圖等逐漸被形象、生動、直觀的 CRT動態(tài)畫面所替代；號、實施控制與調(diào)節(jié)的信號逐步由模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號；操作方式越來越軟件化，通過對 CRT上的一些模擬圖表示的軟鈕、軟手柄等對控制裝置進(jìn)行操作，實際的物理設(shè)備的操作已被計算機(jī)的軟件操作所代替。同時，由于開放體系的通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，克服了過去各種計算機(jī)不能通信的“信息孤島”現(xiàn)象。計算機(jī)不僅能夠?qū)蝹€設(shè)備和生產(chǎn)工序進(jìn)行控制，也可以將這些個別的生產(chǎn)單元聯(lián)系在一起進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)整個生產(chǎn)過程的總體優(yōu)化。而就目前國內(nèi)的控制系統(tǒng)技術(shù)而言，大多采用了單變量的PID法，其缺點是無優(yōu)化能力，不能充分利用系統(tǒng)信息來處理系統(tǒng)之間的耦合問題。因此其控制性能和效率不高。所以，充分利用先進(jìn)控制理論和計算機(jī)控制技術(shù)來對老式的控制系統(tǒng)和控制方式進(jìn)行革新具有重要的現(xiàn)實意義，特別是對整體控制水平不高、經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)薄弱的中小企業(yè)尤其重要。本文針對我國整體裝備水平較低 、國產(chǎn)化率不高的冷軋板企業(yè)進(jìn)行了基于布式計算機(jī)控制系統(tǒng)方面的應(yīng)用研究與探討。課題的實用價值及理論意義目前在競爭激烈的冷軋行業(yè)中，生產(chǎn)成本和產(chǎn)品質(zhì)量對于企業(yè)來說至在冷軋帶鋼制造中，冷軋的工藝潤滑是影響軋制油消耗量和產(chǎn)品表面清潔性的主要因素。而帶鋼表面清潔性是冷軋帶鋼產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，軋制油噸鋼消耗量是影響冷軋成本的重要因素，改善冷軋機(jī)的工藝潤滑和工藝?yán)鋮s，不僅可以大幅度提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本，而且將給后部工序創(chuàng)造更好的生產(chǎn)條件，工藝潤滑和工藝?yán)鋮s已經(jīng)成為現(xiàn)代冷軋技術(shù)的重要課題。目前，國內(nèi)冷軋板企業(yè)只有少數(shù)幾家大型鋼廠能較好地應(yīng)用工藝潤滑，且多是引進(jìn)國外的二手設(shè)備，而多數(shù)冷軋板企業(yè)（包括國內(nèi)中小型冷軋板企業(yè)）則缺乏控制和管理軋制工藝潤滑劑（乳化液和軋制油）這直接影響產(chǎn)品的成品率及表面質(zhì)量，而且有些企業(yè)冷軋工藝潤滑油一次性使用不進(jìn)行回收循環(huán)，資源浪費嚴(yán)重，并造成環(huán)境污染，這些都使企業(yè)的利潤大幅減少，嚴(yán)重制約了這些企業(yè)的發(fā)展。本論文作為預(yù)研性課題，通過對分布式控制系統(tǒng)的研究，針對帶鋼制造中的軋制工藝潤滑和冷卻， 設(shè)計一套性能／價格比優(yōu)的小型分布式控系統(tǒng)，對其進(jìn)行自動化控制和管理。本文突出了分布式控制系統(tǒng)的高效率，高性價比，高可靠性，易維護(hù)性，便于系統(tǒng)靈活組態(tài)等特點，適用于正面臨資源整合，企業(yè)兼并、重組，急需技術(shù)更新和自動化改造的國內(nèi)中小型冷軋板企業(yè)，同樣也適用于大中型冷軋板企業(yè)的軋制工藝潤滑和冷卻的國產(chǎn)化改造，可最大限度地提高投入產(chǎn)出比，為冷軋企業(yè)利用現(xiàn)有條件在短期內(nèi)實現(xiàn)自動化改造、增加利潤提供了一條簡便易行的辦法，因此，該課題的研究無論在經(jīng)濟(jì)效益還是社會效益方面都有著重要意義。課題研究的內(nèi)容本論文在分析了大量國內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，基于分布式系統(tǒng)的基本理論，針對帶鋼制造中的軋制工藝潤滑和冷卻，設(shè)計一套性能／價格比優(yōu)的小型分布式控制系統(tǒng)，對其進(jìn)行自動化控制和管理。文中對冷軋帶鋼制造中的工藝潤滑和分布式控制系統(tǒng)分別進(jìn)行了深入的理論分析，并為冷軋潤滑工藝確定分布式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案和控制方案。本文的核心部分是小型分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計，其中包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。其中核心部分是小型分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計，包括硬件和軟件設(shè)計。在研制該系統(tǒng)的過程中，在盡量不影響系統(tǒng)性能的前提下，本著經(jīng)濟(jì)可行的原則，盡可能減少系統(tǒng)的硬件開銷而把重點放在軟件開發(fā)上。冷軋工藝潤滑理論冷軋工藝潤滑對產(chǎn)品質(zhì)量及軋制穩(wěn)定性有很大影響，關(guān)系到機(jī)組作業(yè)率和產(chǎn)量。與熱軋工藝潤滑不同，帶鋼冷軋生產(chǎn)過程中，工藝潤滑是軋制工藝中的重要環(huán)節(jié)，它也是冷軋帶鋼制造中的關(guān)鍵技術(shù)之一。因為熱軋過程中的氧化膜、水也可以起到一部分潤滑作用，而且材料變形抗力較低。但在冷軋過程中，由于帶鋼材料加工硬化，變形抗力增加，導(dǎo)致軋制壓力升高，同時，隨著軋制速度的提高，軋輥發(fā)熱，必須采用兼有冷卻作用的潤滑劑進(jìn)行工藝潤滑以減少摩擦、降低軋制壓力、冷卻軋輥、控制板形及[2,4,5]得良好板形以及減少能源消耗的關(guān)鍵工藝參數(shù)之一。冷軋工藝潤滑的作用機(jī)理工藝潤滑的機(jī)理金屬成形時的潤滑機(jī)制與機(jī)械潤滑機(jī)制不同，它是建立在潤滑力學(xué)和流體潤滑理論基礎(chǔ)之上 [2]。從軋制過程中潤滑理論的基本動力學(xué)方程（諾方程）d h3 dp v v dh r x （2-1）dx ep0

dx 2 dx式中 h——油膜厚度； ——潤滑動力黏度；0——壓黏系數(shù)；p——軋制壓力；v ——軋輥速度；rv——軋件速度。x并根據(jù) Wilson 綜合彈性流體動力學(xué)和塑性流體動力學(xué)而提出的 變形區(qū)入口油膜厚度ha

的計算公式

h 0

vr

（2-2）a xea

Kxa]式中 R——軋輥半徑；v——軋件入口速度；ax——變形區(qū)長度；aK

——軋件平面變形抗力與后張力。xa可以看出金屬塑性變形區(qū)潤滑狀態(tài)除了受潤滑劑黏度、速度影響外，同時還受到由于塑性變形引起的變形抗力等因素的影響，因此，金屬塑性變形區(qū)的潤滑是一個比較復(fù)雜的過程。在帶鋼軋制過程中，其塑性變形區(qū)的潤滑狀態(tài)對產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)過程非常關(guān)鍵。塑性變形區(qū)潤滑狀態(tài)包括流體潤滑、混合潤滑、邊界潤滑三種。流體潤滑流體潤滑的表現(xiàn)形式是兩接觸表面完全被潤滑油膜隔開，也即油膜厚度遠(yuǎn)大于接觸表面粗糙度， 系統(tǒng)的摩擦力來源于潤滑劑分子運動的內(nèi)摩擦流體潤滑的摩擦學(xué)特征決定于潤滑劑的流變學(xué)，所以可按流體力學(xué)的方法進(jìn)行有關(guān)計算或估算。流體潤滑時的摩擦力可根據(jù)牛頓流體定律，即T

dvs （2-3）dy式中 ——潤滑油黏度；dv——垂直與運動方向上的剪切速度梯度；dys——剪切面積。流體潤滑的主要優(yōu)點是摩擦力小，而且只取決于潤滑劑自身的特征，其摩擦系數(shù)可低至 0.001～0.008。但是由于兩表面完全被潤滑油膜隔開，在軋制過程中工件則處于類似自由變形狀態(tài)， 很容易產(chǎn)生塑性粗糙化現(xiàn)象導(dǎo)致軋后金屬表面粗糙度較高。因此，金屬成形過程中流體潤滑并不是最好的潤滑方式?；旌蠞櫥?dāng)發(fā)生了第一次兩表面微凸體相互接觸，便可以說得到了部分流體潤滑或混合潤滑。在混合潤滑狀態(tài)中，載荷一部分由潤滑劑油膜承擔(dān)，另一部分則由接觸中的表面微凸體承擔(dān)。因此，其摩擦學(xué)特征由潤滑劑的流變學(xué)和微凸體的相互作用共同決定?；旌蠞櫥哪Σ亮?F為：FS S S （2-4）a a b b c c式中 ——表面接觸點的剪切強(qiáng)度（帶鋼剪切強(qiáng)度） ；a ——邊界膜的剪切強(qiáng)度；b ——潤滑油膜的剪切強(qiáng)度；cS ——表面直接接觸面積；aS——邊界潤滑區(qū)面積；bS——流體潤滑區(qū)面積。c邊界潤滑邊界潤滑具有下列特征：兩金屬表面靠得如此之近以至在微凸體之間發(fā)生明顯的接觸；流體動壓作用和潤滑劑的整體流變性能對此幾乎無影響；摩擦學(xué)特性決定于薄層邊界潤滑劑與金屬表面之間相互作用。面之間形成，即易于剪切又能減小金屬表面直接接觸的邊界潤滑膜，該邊界膜不是普通潤滑油膜而是定向吸附膜，厚度通常在 0.1μm以下。邊界潤滑的摩擦力可看作是剪斷表面粘著部分的剪切力與剪斷邊界膜的剪切之和，即式中 ——帶鋼的剪切強(qiáng)a

FAr

c

mc

（2-5）b ——邊界膜的剪切強(qiáng)度；bA——變形區(qū)面積；rcm——變形區(qū)中發(fā)生金屬直接接觸部分的百分?jǐn)?shù)，且有cAm rm （2-6）c Ar載荷W是由接觸的微凸體和邊界膜承擔(dān)的，故有WmAc r

mc

r

A[mr c

mc

] （2-7）式中 ——金屬的抗壓屈服強(qiáng)度；s ——邊界膜屈服強(qiáng)度。sf使 ，且有s s sf

一般這兩者相差不很大。 假定取平均值s，WAr s

（2-8）由此可得邊界潤滑時的摩擦系數(shù)為F m m ca c W

（2-9）s因邊界膜的剪切強(qiáng)度比金屬的屈服強(qiáng)度要小得多，故邊界潤滑的摩擦系數(shù)比干摩擦小得多，其范圍一般在 0.05～0.15之間在實際冷軋生產(chǎn)中邊界潤滑具有較高的加工表面質(zhì)量。工藝潤滑的作用0.500.30 0.20m厚鋼 0.15帶0.100.05

工藝潤滑的作用在于以下幾方面：水礦物油合成棕櫚油水礦物油合成棕櫚油棕櫚油0 1 2 3 4 5 6 7 且滲入兩個接觸表面上的道次順序圖2-1 采用不同潤滑劑軋制效果

凹凸細(xì)孔把帶鋼與軋輥隔開，從而可以大大降低各接觸面上的摩擦力，使帶鋼變形抗力下降和帶鋼對軋輥的壓力減小。圖 2-2 是采用不同潤滑劑的軋制效果比較，從中可以看出，當(dāng)冷軋機(jī)工作輥直徑為 88mm，帶鋼原始厚度為0.5mm，用水作潤滑劑時，軋至 0.18mm 左右（第七道往后）就有點軋不下去了，用礦物油作潤滑劑僅需 6道即可軋制到 0.075mm 左右厚；而采用棕櫚油作潤滑劑時則用 4道就可軋至 0.05mm甚至更小的厚度。因此在軋輥同樣調(diào)整的條件下，采用良好的軋制潤滑劑可以保證較大的壓下量和延伸[6]。也就是說，軋制相同規(guī)格厚度的冷軋板時，采用軋制潤滑劑可大大減少摩擦、降低軋制壓力，從而大幅降低動力消耗。最佳地改善冷卻條件，迅速降低軋輥與軋制件的溫度，保證軋機(jī)一直能在高產(chǎn)量的條件下正常運行。帶鋼在冷軋時會由于劇烈的摩擦作用及變形功而產(chǎn)生大量的 軋制熱，一部分散發(fā)到大氣中，一部分則傳遞給輥，還有一部分留在帶鋼上。如果不通過冷卻劑將部分軋制熱帶走，會造成帶鋼和軋輥的溫度過高，過熱的板溫將使帶鋼表面形成一層氧化膜，不利于帶鋼后面工序的生產(chǎn)。且過高的輥溫會引起熱應(yīng)力過高，造成軋輥的凸度過大、輥耗增加、掉皮甚至粘輥等問題。適當(dāng)?shù)臐櫥瑒┛删鶆蛏⒉架堉茻崃?，起到調(diào)節(jié)和控制軋輥輥型的作用。劑的覆蓋下，可防止軋輥表面氧化，同時帶有潤滑劑的軋制對于被軋制帶鋼起了磨光作用。因此，適當(dāng)?shù)臐櫥瑒┛墒贡卉堉?的帶鋼表面光潔而具光澤。厚度。根據(jù)軋制工藝潤滑理論，軋制中帶鋼表面只覆蓋一層很薄的油膜即可減少軋制摩擦，保證冷軋順利進(jìn)行，而且?guī)т摫砻尜|(zhì)量好。在冷軋過程中，油膜厚度取決于潤滑劑的性能、帶鋼及軋輥的表面光滑程度、壓下量及軋制速度等。油膜太薄，易導(dǎo)致延伸不均及局部油膜破裂，冷軋薄帶鋼時甚至出現(xiàn)局部粘結(jié)；而油膜太厚時，多余的潤滑劑擠在帶鋼邊部，往往又重新流入帶卷的里面，以致在熱處理時難于燒盡而殘留斑點，當(dāng)油膜厚潤滑發(fā)生較大的滑動，而使帶鋼表面受摩擦而導(dǎo)致劃痕。因此，軋制過程中用油要適度，保證帶鋼上帶有臨界厚度的油膜即可。這樣，既有利于生產(chǎn)，又有利于節(jié)油，降低成本。冷軋對潤滑劑的要求選擇冷軋用潤滑劑的原則為了保證冷軋潤滑即軋制潤滑的良好作用，選擇的潤滑劑必須滿足以下的要求[7,8]：摩擦系數(shù)小，潤滑性能好；冷卻效果好；油膜強(qiáng)度要大；潤滑劑在軋后易于從帶鋼表面上清除，以免因殘留油漬或其它面污染而影響產(chǎn)品的表面 (如退火油斑)及后工序的加工(如鍍錫)；在冷軋過程中，能保持完整而不間斷的油膜的潤滑特性。具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。乳化性能；具有較低的成本、豐富的來源，易于配制。工藝潤滑劑的種類及特性們可以單獨使用，也可混合使用。其中，植物油和動物油（骨油、牛油、羊油等）都是較好的潤滑劑，特別是棕櫚油為最佳潤滑劑。而礦物油則較差，其原因是它含有游離脂肪酸（起潤滑作用） 比植物油和動物油要少植物油與動物油的潤滑能力雖較礦物油強(qiáng)，可以改善軋制時的摩擦系數(shù)，從而失去潤滑性能，且易遺留殘斑。加之植物油的抗壓性要比礦物油差，而礦物油的來源豐富而且成本也低，出于成本的考慮，對于高壓下的多輥冷軋機(jī)大都采用礦物油作潤滑劑。在冷軋帶鋼制造中常用的潤滑方式有油脂型和乳化液型。 與油脂相比乳化液的成本低，污染小，產(chǎn)品表面質(zhì)量好，在軋制過程中是冷連軋潤滑冷卻劑的一個主要發(fā)展方向。目前，國內(nèi)冷軋企業(yè)連軋機(jī)大都采用乳化劑形式的工藝潤滑，其中也包括一些中小型企業(yè)。乳化劑工藝潤滑即是把97%~99%1%~3%的軋制油（劑及極壓劑、防腐劑、抗氧化劑等添加劑）經(jīng)強(qiáng)烈攪拌而制成奶狀的乳濁液使用。此時, 水是作為冷卻劑和載油劑而起作用，油起潤滑作用。因此這時的乳化液既是工藝潤滑劑又是冷卻劑。為保證乳化液的作用，對乳化液要求是：當(dāng)以一定的供液量噴灑到帶鋼和軋輥表面上時，既能有效地吸收熱量，也能保證以較快的速度、并且一定數(shù)量地從乳化液中析離并粘附在輥面與帶鋼上，以形成均勻的厚度適當(dāng)?shù)挠湍?。目前，如何對乳化?行精確控制，達(dá)到預(yù)期的潤滑和冷卻效果是困擾多數(shù)冷軋企業(yè)，特別是對資金短缺、研發(fā)力量不足的中小型冷軋企業(yè)的關(guān)鍵問題之一。軋制潤滑劑的控制目前國內(nèi)冷連軋機(jī)多使用乳化液潤滑工藝，但多數(shù)企業(yè)缺乏對乳化液的使用知識和控制技術(shù)，致使乳化液潤滑工藝達(dá)不到預(yù)想效果，并使乳化液的使用周期大為縮短，造成極大浪費，增加噸鋼成本。因此，必須對乳化液的多項指標(biāo)（溫度、濃度、清潔度等）加以控制，從而保證乳化液準(zhǔn)確地噴涂到鋼板表面和軋輥上，充分帶走軋制時產(chǎn)生的熱量，在長期使用中保持乳化液的穩(wěn)定性和高的清潔度，達(dá)到軋制工藝潤滑的理想效果。乳化液溫度控制冷軋潤滑工藝中乳化液只有在適當(dāng)?shù)臏囟确秶?45~50℃）內(nèi)使用，能在實現(xiàn)良好的潤滑和冷卻作用 [9,10]。乳化液的溫度過低，軋制油就易凝聚，難于保持彌散的狀態(tài)；而溫度越高，油揮發(fā)越大，冷卻能力下降，軋輥內(nèi)部溫差也大，容易引起的軋輥裂紋和掉皮，并影響軋輥曲線，影響板形。因此，乳液系統(tǒng)溫度控制是十分重要的。冷軋過程中，主要有兩方面造成乳液系統(tǒng)溫度不穩(wěn)定。一方面，乳化液吸收大量的軋制熱而引起溫度升高，由于乳化液的流量和產(chǎn)生軋制熱大小的變化，乳化液溫度不恒定；另一 方面，由于系統(tǒng)是開放的，大氣溫度（不恒定）低于乳化液溫度，乳化液向大氣散熱，散熱多少不定。為確保乳化液的使用溫度能滿足使用要求，在乳化液收集箱內(nèi)設(shè)置無縫蛇形加熱鋼管，利用 130~140℃蒸汽通過加熱管與乳化液進(jìn)行熱交換對乳化液進(jìn)加熱；在供油主管上設(shè)置板式冷卻器，利用冷卻水通過板式冷卻器與乳化液進(jìn)行熱交換而冷卻溫度過高的乳化。寶鋼和國外先進(jìn)系統(tǒng)均采用乳液加熱系統(tǒng)，溫度自動控制，乳液溫度穩(wěn)定。但國內(nèi)多數(shù)冷軋企業(yè)由于是引進(jìn)的國外二手設(shè)備，相關(guān)配套設(shè)備還不夠齊全和完善，達(dá)不到相應(yīng)的控制要求。乳化液濃度控制擦越小，軋制后鋼板表面殘油越多，若沒有清洗系統(tǒng)，將影響鋼板表面清潔度。而且乳化液冷卻能力下降，同時濃度還影響臨界潤滑層 。隨軋制的進(jìn)行油漸漸消耗，水蒸發(fā)，乳液濃度漸漸下降，精確的油水補(bǔ)給系可達(dá)近百萬元，造成巨大浪費；而且，如果乳化液濃度 監(jiān)控不準(zhǔn)確，會成帶鋼潤滑不穩(wěn)定，甚至有時會出現(xiàn)用水軋制帶鋼的情況，產(chǎn)品質(zhì)量明顯下降，費品率高，噸鋼成本居高不下。乳化液清潔度的控制乳化液系統(tǒng)是一個開放的系統(tǒng)，其中含有機(jī)械混合物、金屬微粒、混入機(jī)械油、酸洗殘液等雜質(zhì)，軋制時對所用的乳化液要求較高且乳化液要重復(fù)利用，因此必須控制乳化液的清潔度。乳化液嚴(yán)重污染后的危害性均勻，易使帶鋼生銹；成劃傷、夾雜等表面缺陷；如果乳化液污染不能及時控制好會造成乳化液提前報廢而且成本較高；殘?zhí)?、雜質(zhì)較多不利于鋅液粘附在帶鋼表面，造成鍍鋅脫層；由于雜質(zhì)多使帶鋼在罩式爐退火后帶鋼表面發(fā)黑，造成平整后的帶鋼表現(xiàn)光潔度受到影響；f. 縮短?？刂迫榛旱那鍧嵍戎饕捎枚嗉夁^濾工藝控制乳化液的清潔度：第一級過濾：乳化液收集槽處的過濾網(wǎng)用于擋住大塊雜物；第二級過濾：粗分離器用于過濾掉 0.8mm以上的固體雜物；第三級過濾：霍夫曼過濾器過濾掉大于 20μm以上的固體雜物；第四級過濾：磁鏈過濾器利用磁性吸附清除鐵屑及 20μm的其它金屬物；第五級過濾：反沖洗過濾器用于清除于 0.1mm以上的雜物。潤滑冷卻系統(tǒng)基本構(gòu)成目前，雖然直接式供油系統(tǒng)在一些中小型冷軋企業(yè)中仍有應(yīng)用，但省油、表面清潔度好的乳化液循環(huán)系統(tǒng)已成為冷軋中的潤滑冷卻系統(tǒng)的主流本文在此僅對乳化液循環(huán)系統(tǒng)的工作原理加以說明。冷連軋潤滑冷卻系統(tǒng)由兩個部分組成：一是乳化液的配制；二是乳化液的循環(huán)系統(tǒng)。乳化液配制乳化液是將乳化基油按所需的濃度與脫鹽水充分混合而成，經(jīng)壓縮空氣或攪拌器進(jìn)行攪拌，攪拌時間約0.5h1h，轉(zhuǎn)速在450r/min~1420r/min之間，使乳化基油與脫鹽水能充分均勻地混合。然后由提升泵分別供給乳化液循環(huán)槽，供冷軋機(jī)潤滑和冷卻使用。乳化液循環(huán)系統(tǒng)乳化液循環(huán)系統(tǒng)，回收從機(jī)架返回的乳化液，經(jīng)處理，去除乳化液中的金屬粉粒、灰塵雜質(zhì)和浮油 ,凈化后再循環(huán)使用。使用過的乳化液，除含雜質(zhì)外，由于在軋制過程中帶走了部分帶鋼和軋輥的熱量，其溫度升高。因此，乳化液循環(huán)處理工藝中，還應(yīng)配置冷卻設(shè)備，用于乳化液的冷卻。乳化液循環(huán)處理系統(tǒng)見圖 2-2。去除乳化液中的氧化鐵屑及塵土雜質(zhì)， 是循環(huán)系統(tǒng)處理中的首要環(huán)節(jié)一般有三道設(shè)備：即機(jī)械篩過濾、磁性過濾器、自動供紙的壓力紙過濾機(jī)。經(jīng)三道過濾后，大于 10μm的固體顆粒均能去除，從而確?；赜玫娜榛瘜т摫砻婊旧喜粫斐扇毕?。在循環(huán)流程中，高速攪拌器是對有些破裂的油珠進(jìn)一步攪拌，使乳化液進(jìn)一步乳化，以提高它的潤滑性能。1313910141931521485111216176718圖2-2 乳化液循環(huán)系統(tǒng)示意圖1.磁性過濾器；2.撇油器；3.污油攪拌裝置；4.污油箱；5.過濾泵；6.熱蒸汽閥；7.冷水閥；8.凈油箱；9.多級過濾裝置；10.凈油攪拌裝置；11.加熱器；12.板式冷卻器；13.旁路控制閥；14.軋制油供給閥；15.水供給閥；16.供油泵；17.壓力控制裝置；18.污油泵；19.機(jī)架軋機(jī)乳化液循環(huán)系統(tǒng)有三種形式：三個循環(huán)供乳系統(tǒng)，兩個循環(huán)供乳系統(tǒng)，一個循環(huán)供乳系統(tǒng)。本文只針對潤滑工藝比較合理的三循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行分析。三個循環(huán)供乳系統(tǒng)：以4機(jī)架冷連軋機(jī)為例，0-1架-3架和4（為平整機(jī)使用）分別使用 A、B、C三個系統(tǒng)分箱供乳，這樣可防止各循環(huán)系統(tǒng)交叉污染，其中 A 系統(tǒng)有清洗酸洗槽殘液和酸洗防銹油作用， A、箱使用高濃度，B系統(tǒng)乳液比 A系統(tǒng)清潔，C系統(tǒng)采用低濃度，清洗帶鋼表面，提高帶鋼表面清潔度。綜上所述，冷軋帶鋼制造中的潤滑工藝是軋制工藝中的重要環(huán)節(jié)，是冷軋帶鋼制造中的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，由于國內(nèi)冷軋企業(yè)大多是引進(jìn)國外二手的冷連軋機(jī)，因此，在冷軋潤滑工藝方面自動化程度還不高，達(dá)不到相應(yīng)的控制要求，同時相關(guān)的配套設(shè)備還不夠齊全和完善，有必要對其進(jìn)行技術(shù)改造和更新。鑒于冷連軋機(jī)的潤滑冷卻系統(tǒng)的工藝特點，需對多點多項指標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，本文試采用分布式控制系統(tǒng)對其進(jìn)行自動化升級改造。分布式控制系統(tǒng)分析分布式控制系統(tǒng)的組成及體系結(jié)構(gòu)DCS 設(shè)計的基本原則[3]針對過程量的輸入輸出處理過于集中的問題，設(shè)想使用多臺控制器（計算機(jī)或 PLC）共同完成所有過程量的輸入輸出，每臺控制器只處一部分實時數(shù)據(jù)，而每臺控制器的失效只會影響到自己所處理的那一部分實時數(shù)據(jù)，不至于造成整個系統(tǒng)失去實時數(shù)據(jù)；一化，以提高每臺控制器的運行效率，而且單一化的處理在軟件結(jié)構(gòu)上容易做得簡單，提高了軟件的可靠性；用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)解決系統(tǒng)的擴(kuò)充與升級的問題，與計算機(jī)的內(nèi)部總一個網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)可以具有極大的伸縮性，從而使系統(tǒng)的規(guī)?？梢栽诤艽蟪潭壬蠈崿F(xiàn)擴(kuò)充而并不增加很多費用；賴關(guān)系，以保證任一計算機(jī)的失效只影響自身。DCS的關(guān)鍵是計算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，也就是說DCS的結(jié)構(gòu)其實質(zhì)就是一個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。如何充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，如何通過網(wǎng)絡(luò)DCS程中保證所處理信息的實時性、完整性和一致性，則成了 DCS設(shè)計中的鍵問題。DCS 的基本構(gòu)成及體系結(jié)構(gòu)DCS的基本構(gòu)成可以簡單地將其歸納為“三點一線”式的結(jié)構(gòu)。一線是指計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場總線3種不同類型的節(jié)點：面向被控過程的現(xiàn)場1/O控制站、面向操作員的操作站和面向DCS理人員的工程師站。下面對這幾個組成部分加以說明。DCS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)DCS的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在很多方面的要求不同于通用的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。首先，它是一個實時網(wǎng)絡(luò)，也就是說，網(wǎng)絡(luò)需要根據(jù)現(xiàn)場通信實時性的要求，在確定的時限內(nèi)完成信息的傳送。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，大致可以分為星形、總線形和環(huán)形 3種。星網(wǎng)由于其必須設(shè)置一中央節(jié)點，各個節(jié)點之間的通信必須經(jīng)由中央節(jié)點進(jìn)行，這種變相的集中系統(tǒng)不符合 DCS的設(shè)計原則。目前應(yīng)用最廣的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)是環(huán)形和總線形網(wǎng)。在這兩種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，各個節(jié)點可以說是平等的，任意兩個節(jié)點之間的通信可以直接通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行， 而不需其它節(jié)點的介入為了實現(xiàn)傳輸介質(zhì)共享，對于多個節(jié)點傳送信息的請求必須采用分時節(jié)點使用物理傳輸介質(zhì)， 即所謂TokenRing（對于環(huán)形網(wǎng)）或TokenPassing（對于總線形網(wǎng)）方式。令牌實際是一個標(biāo)識信號，它規(guī)定了要使用物理傳輸介質(zhì)的節(jié)點標(biāo)識，只有符合標(biāo)識的節(jié)點（節(jié)點的標(biāo)識號在系統(tǒng)中是唯一的）當(dāng)傳送信息的節(jié)點完成傳送之后，即刻釋放網(wǎng)絡(luò)，并產(chǎn)生一個令牌，將網(wǎng)絡(luò)讓給其它節(jié)點。這種令牌方式的網(wǎng)絡(luò)要求各個節(jié)點用網(wǎng)絡(luò)的時間是限定時間，即每個令牌從得到釋放的時間是確定的，這樣才能保證通信的實時性，對于較多的數(shù)據(jù)傳送請示，就有可能被分割成 多個令牌周期分多次完成傳送。另一種解決碰撞的技術(shù)是載波偵聽與碰撞檢測技術(shù)，即 CSMACD方式。這種方式不規(guī)定時間片，需要使用網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點。首先需要對網(wǎng)絡(luò)線進(jìn)行偵聽，檢測網(wǎng)絡(luò)是否忙，如果忙，則等待，直到網(wǎng)絡(luò)空閑。如果兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)，就會造成兩個節(jié)點的數(shù)據(jù)傳送同時出錯的情況，此時，各個需要使用網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點就需要延時一個隨機(jī)時間，然后再去試圖占用網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)運行機(jī)制不具備在確定時間內(nèi)完成信息傳送的特點，因此在DCS中較少采用。但是在更高一層的管理網(wǎng)絡(luò)中，CSMA方式的網(wǎng)絡(luò)使用比較普遍，這是由于當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點較多時，Token方式的網(wǎng)絡(luò)開銷比較大，使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的增加受一定限制。I/O現(xiàn)場I/O控制站是完成對過程現(xiàn)場 I/O處理并實現(xiàn)直接數(shù)字控制 (DDC)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，主要功能有 3個：將各種現(xiàn)場發(fā)生的過程量（壓、功率以及各種狀態(tài)等）進(jìn)行數(shù)字化，并將這些數(shù)字化后的量存在存儲器中，形成一個與現(xiàn)場過程量一致的、能一一對應(yīng)的、并按實際運行情況實時地改變和更新的現(xiàn)場過程量的實時數(shù)據(jù)；將本站采集到的實時數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)送到操作員站、工程師站及其它現(xiàn)場I/O控制站，以便實現(xiàn)全系統(tǒng)范圍內(nèi)的監(jiān)督和控制，同時現(xiàn)場控制站還可接收由操作員站、工程師站下發(fā)的信息，以實現(xiàn)對現(xiàn)場的人工控制或?qū)Ρ菊镜膮?shù)設(shè)定；在本站實現(xiàn)局部自動控制、回路的計算及閉環(huán)控制、順序控制等控制站通常采用 PLC或微型計算機(jī)實現(xiàn)。由于控制站是與現(xiàn)場直接打交道的部分，因此其可靠性顯得尤為重要，一般要求其平均無故障時間MTBF不小于30000h，出現(xiàn)故障后的故障修復(fù)時向 MTTR應(yīng)盡量短，一般不大于3h，這樣才可以保證系統(tǒng)可用率達(dá)到 99.99％。對于分布式控制系統(tǒng)，現(xiàn)場 I/O 控制站應(yīng)該是一個獨立運行單位，它具備了直接數(shù)字控制 ODC所需的一切條件，因此現(xiàn)場 I/O控制站應(yīng)具備不依賴DCS其它部分獨立運行的能力，這樣在 DCS其它部分失效的情況下仍能對現(xiàn)場執(zhí)行最基本的控制。操作員站DCS的操作員站是處理一切與運行操作有關(guān)的人機(jī)界面功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，其主要功能就是為系統(tǒng)的運行操作員提供人機(jī)界面，使操作員可以通過操作員站及時了解現(xiàn)場運行狀態(tài)和各種運行參數(shù)的當(dāng)前值。在人機(jī)界面上顯示的內(nèi)容包括如下：生產(chǎn)過程的模擬流程圖（即用模擬圖形表示的生產(chǎn)裝置或生產(chǎn)線其中標(biāo)有各關(guān)鍵數(shù)據(jù)、控制參數(shù)及設(shè)備狀態(tài)的當(dāng)前實時狀態(tài)。況，如數(shù)值越限、異常狀態(tài)的出現(xiàn)等。在屏幕的固定位置顯示，并且不隨屏幕顯示內(nèi)容的改變或畫面的滾動而改變，使操作員在任何時候都可以一眼看到這些最重要的關(guān)鍵數(shù)據(jù)?；厔萦们€表示出來，以便操作員對這個或這些數(shù)據(jù)的發(fā)展變化有所了解，并可幫助操作員分析生產(chǎn)過程的運行情況。的內(nèi)容及表達(dá)意義的反應(yīng)速度，減少因反應(yīng)遲鈍而造成的失誤。靈活方便的畫面調(diào)用方法，畫面切換、翻頁方法及“熱鍵”功能。音響報警裝置。要是為了形成運行報表和歷史趨勢曲線。一般的運行報表可分為時報、班報、日報、周報、月報和年報若干種，這些報表均要調(diào)用歷史數(shù)據(jù)庫，并按用戶要求進(jìn)行排版并打印輸出。工程師站工程師站是對 DCS進(jìn)行離線的配置、組態(tài)工作和在線的系統(tǒng)監(jiān)督、控制、維護(hù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。其主要功能是提供對 DCS進(jìn)行組態(tài)，配置工作的工具軟件（組態(tài)軟件），并在DCS在線運行時實時地監(jiān)視 DCS網(wǎng)絡(luò)上各個點的運行情況，使系統(tǒng)工程師可以通過工程師站及時調(diào)整系統(tǒng)配置及一些系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定，使 DCS隨時處在最佳的工作狀態(tài)之下工程師站應(yīng)提供如下功能：硬件配置組態(tài)功能其中包括定義各個現(xiàn)場 I/O 控制站的站號、絡(luò)節(jié)點號等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以及站內(nèi)的 I/O配置等；數(shù)據(jù)庫組態(tài)功能定義系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫的各種參數(shù)，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫包括實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫。實時數(shù)據(jù)庫組態(tài)主 要對各數(shù)據(jù)庫點逐點定其名稱、工程量轉(zhuǎn)換系數(shù)、上下限值、線性化處理、報警特性、報警條件等；歷史數(shù)據(jù)庫組態(tài)需要定義各個進(jìn)入歷史庫的點的保存周期?？刂苹芈方M態(tài)功能該功能定義各個控制回路的控制算法、調(diào)節(jié)周期及調(diào)節(jié)參數(shù)、某些系數(shù)等。邏輯控制及批控制組態(tài)這種組態(tài)定義預(yù)先確定的處理過程。理，使用若干程序語句來處理可以更簡單明了，因此工程師站應(yīng)具有控制算法處理程序，以便進(jìn)行算法語言定義。算法語言的主要方法是用一些類似程序語言的語句組合來描述一個控制過程，以實現(xiàn)預(yù)定的控制功能。操作員站顯示畫面的生成使用在 CRT屏幕上以人機(jī)交互方式直作圖的方法生成顯示畫面。操作員站的顯示畫面生成軟件，除了具有標(biāo)準(zhǔn)包括實時更新的狀態(tài)和檢測值、“熱點”活動按鈕、設(shè)定值使用的滑動桿或滾動條等。另外，還需定義各種多窗口顯示特性。報表生成組態(tài)類似于顯示畫面生成， 利用屏幕以人機(jī)交互方式接設(shè)計報表，包括表格形式及各個表項中所包含的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。組態(tài)數(shù)據(jù)的編譯和下裝。操作安全保護(hù)組態(tài)。分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性能評價指標(biāo)通常分布式控制系統(tǒng)采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與系統(tǒng)應(yīng)用對象的特征密切相關(guān)。所謂拓?fù)涫侵敢粋€網(wǎng)絡(luò)的鏈路和節(jié)點的幾何空間布置。鏈路是指兩個從簡化的系統(tǒng)級特征結(jié)構(gòu)提出的分布式控制系統(tǒng)的性能評價指標(biāo) [19~20]：平均通信路徑長度與網(wǎng)絡(luò)的直徑假設(shè)一個分布式控制系統(tǒng)由 n個節(jié)點M1，M2，?，Mn組成，則其統(tǒng)的平均通信路徑長度定義為：1Ln(n1)1

d(M,M )i j其中：d(M,Mi i

i,j)0d(MiMj) 為節(jié)點Mi與節(jié)點Mj之間的最短路徑長度。若不考慮信息的傳輸速率，則平均通信路徑長度較短的系統(tǒng)，其信息傳輸時間較短，具有較高的通信效率。為了簡化問題，也可以使用網(wǎng)絡(luò)的直徑（最大通信路徑長度）來描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的性能。通信并行度是指在任一時間片上，最多能同時在網(wǎng)絡(luò)的通信線上傳遞信息的數(shù)量。這可以反映系統(tǒng)的傳輸能力和性能，它影響系統(tǒng)對數(shù)據(jù)吞吐量的大小和響應(yīng)時間快慢。顯然，通信并行度愈高，系統(tǒng)的通信效率也愈高。通信接口數(shù)及其連通度分布式系統(tǒng)中的計算機(jī)節(jié)點是通過通信接口同通信線連接的。通信接口數(shù)量越多則成本越高，硬件軟件實現(xiàn)就越困難。側(cè)路徑算法復(fù)雜度 -根據(jù)目標(biāo)地址，用軟件方法確定選消息的路徑稱為通信路徑算法，簡稱路徑算法。路徑算法愈簡單，通信軟件的開銷就愈小。路徑算法反映機(jī)間互連的復(fù)雜程度。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的堅定性是指當(dāng)系統(tǒng)中若干個節(jié)點或某一部分鏈路失效時，可立即切除或把備用節(jié)點投入系統(tǒng)，使其重新組合。這樣做可能會使系統(tǒng)能力有所下降，但系統(tǒng)具有降格使用的能力。通信負(fù)載均勻度分布式系統(tǒng)中的每個處理單元，有時要承擔(dān)為其它控制單元中轉(zhuǎn)信息的任務(wù)。如果某一控制單元負(fù)擔(dān)了過重的信息中轉(zhuǎn)任務(wù)，則不僅會影響本身的控制任務(wù)，而且也可能會因中轉(zhuǎn)信息不能及時發(fā)出而發(fā)生信息擁塞現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案的分析對象分析冷軋帶鋼制造中，據(jù)冷連軋機(jī)的潤滑冷卻系統(tǒng)的工藝特點，需對多點多項指標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和控制相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。要實現(xiàn)對多點多項指標(biāo)的采集和發(fā)送命令，必須實現(xiàn)現(xiàn)場長距離多點控制，并且要充分考慮硬件成本和現(xiàn)場信號干擾問題。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案比較根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，大致可以分為星形、總線形和環(huán)形 3種。星網(wǎng)由于其必須設(shè)置一中央節(jié)點，各個節(jié)點之間的通信必須經(jīng)由中央節(jié)點進(jìn)行，這種變相的集中系統(tǒng)不符合 DCS的設(shè)計原則。而目前應(yīng)用最廣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)表3-1分布式系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)性能表總線結(jié)構(gòu)環(huán)型結(jié)構(gòu)平均通信路徑長度1n/2網(wǎng)絡(luò)直徑D1n-1通信并行度1N通信接口數(shù)11路徑算法無需路徑算法路徑算法簡單廉、工作可靠、在總優(yōu)點 線頻帶允許的范備類型。線竟?fàn)?；總線通路故主要缺點 障影響整個系統(tǒng)；傳輸距離較長時需加中繼。物理層改進(jìn)：在節(jié)點之間冗余總線；加寬改進(jìn)措施總線有效傳輸頻帶。結(jié)構(gòu)改進(jìn)：采用分級多總線結(jié)構(gòu)。

節(jié)點環(huán)路接口可作數(shù)據(jù)流中繼；接口可提供自己的總線仲裁和同步能力；多個消息在環(huán)上可同時傳輸，數(shù)據(jù)傳輸效率較高。為串行組織結(jié)構(gòu)，環(huán)形通路和接口的失效將破壞系統(tǒng)的正常運行。減少節(jié)點數(shù)量；大系統(tǒng)采用復(fù)合結(jié)構(gòu)。是環(huán)形和總線形網(wǎng)。在這兩種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，各個節(jié)點可以說是平等的，任意兩個節(jié)點之間的通信可以直接通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行， 而不需其它節(jié)點的介入。下面就兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，如表 3-1。從表3-1 中兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)優(yōu)劣比較可以看出環(huán)型構(gòu)的通信接口電路從數(shù)量或功能上都不利于降低系統(tǒng)的成本，并且通信軟件的編制工作量大，同時系統(tǒng)缺乏安全性和穩(wěn)定性，鑒于成本和穩(wěn)定性的考慮，總線結(jié)構(gòu)是優(yōu)選方案。系統(tǒng)自動控制算法冷軋帶鋼制造中潤滑工藝的控制系統(tǒng)需對乳化液的多項指標(biāo)進(jìn)行控制，這些被控指標(biāo)幾乎都是復(fù)雜的被控對象。以乳化液的溫度控制為例，控制中采用冷卻水和熱蒸汽分別對乳化液進(jìn)行冷卻或加熱，其冷、熱閥同時只能有一個打開，通過控制出口閥的開關(guān)時間來控制冷卻水或熱蒸汽的流量，進(jìn)而控制其溫度。根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，被加熱的乳化液吸熱量很大，因此系統(tǒng)的時間常數(shù)很大，存在很大的慣性。同時，該系統(tǒng)還受到現(xiàn)場環(huán)境的制約，熱源（冷、熱介質(zhì)）距離被控油箱稍遠(yuǎn)，存在非常大的傳輸延遲，而且加熱容器等又存在熱傳導(dǎo)延遲，因此整個溫度控制系統(tǒng)是一個典型的大慣性、大時滯系統(tǒng)。這也決定了整個控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。目前，在生產(chǎn)過程的自動控制中，PID然是當(dāng)今工控行業(yè)的主導(dǎo)控制方式，其算法簡單、魯棒性強(qiáng)、可靠性高?？刂圃黾恿撕艽蟮睦щy，應(yīng)用常規(guī)的 PID控制不能達(dá)到理想的控制效果。本文采用了基于模型的先進(jìn)控制算法——預(yù)測控制（ DMC）與傳統(tǒng)PID制相結(jié)合的控制方案，即串級結(jié)構(gòu)的預(yù)測—數(shù)字 PID 控制方式，如圖 3-1所示。此DMC—PID串級控制方法充分發(fā)揮了串級結(jié)構(gòu)、 PID控制和預(yù)測控制的各自特點，利用了串級控制的結(jié)構(gòu)優(yōu)點，通過內(nèi)回路密集的 PID控快速抑制進(jìn)入對象的二次干擾，同時，又利用了預(yù)測控制的算法優(yōu)點，在外回路自然地處理對象的純滯后，因而它與單純的 DMC或PID串級控制相比，具有更為優(yōu)越的綜合控制性能。該方法可減小超調(diào)量、提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性且加速調(diào)節(jié)過程，提高系統(tǒng)的快速性，同時節(jié)省硬件成本，可使系統(tǒng)達(dá)到滿意的控制效果。二次干擾二次干擾一次干擾wyDMCPIDG(s)2G(s)1DDD對象DDD廣義對象DM圖3-1 DMC—PID串級控制結(jié)構(gòu)CPIDDMC在傳統(tǒng)的工業(yè)過程控制中，常采用模擬 PID控制，這種模擬 PID調(diào)節(jié)器有電動、氣動、液壓等多種類型，此類模擬調(diào)節(jié)儀表是用硬件來實現(xiàn) 調(diào)節(jié)規(guī)律的。本文在 PID控制部分采用數(shù)字 PID控制，利用計算機(jī)軟件的靈活性來實現(xiàn)從簡單到復(fù)雜的各種控制規(guī)律，這樣不僅能大幅降低系統(tǒng)硬件投資，同時系統(tǒng)具有更大的靈活性，方便各種先進(jìn)控制算法的引進(jìn)。PID與數(shù)字PID控制相比，模擬 PID調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律如式： uKe1 i 0

edtTd

deudt dt

（3-1）其中Td為微分時間。而數(shù)字PID控制是一種計算機(jī)控制，計算機(jī)控制的工作方式又決定了其為采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量，因此（ 3-1)中的積分和微分項不能直接準(zhǔn)確計算，只能用數(shù)值計算的方法逼近。在采樣時刻t＝iT（T為采樣周期），式（3-1)PID值公式

TT u Ke e d(ee )

（3-2）i i

T j T ij0

i1 0近似計算。如果采樣周期 T取得足夠小，這種逼近可相當(dāng)準(zhǔn)確，被控過與連續(xù)控制過程十分接近，我們把這種情況稱為“準(zhǔn)連續(xù)控制” 。式（3-2）表示的控制算法提供了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置 ui，所以稱為位置式PID控制算法。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對數(shù)值，而是其增量時由式（3-2）可導(dǎo)出提供增量的 PID算法這只要將式 Ti T u Ke e d(ee )ui i

T j T ij0

i1 0 Ti1 T 及 u Ke e d(e e )ui1

T ij0

T

i2 0相減就可以導(dǎo)出下面的公式

T T uu Ke

e d e2e e （3-3）i i

i i1 T i T i

i1

i2式（3-3）稱為增量式 PID控制算法。式（3-3）也可進(jìn)一步改寫為 i

de0

de1

de2i2

（3-3） T T T其中 d

K1 d ；d K1d ；d K d0

T T i

1

T 0 T可見增量式算法只需要保持現(xiàn)時以前 3個時刻的偏差值即可。因此，在系統(tǒng)控制中，采用增量式算法要比位置式算法更為有利。干擾的抑制PID控制算法的輸入量是偏差 e，也就是給定值 w與系統(tǒng)輸出 y的差在進(jìn)入正常調(diào)節(jié)后，由于 y己接近w，e的值不會太大。所以相對而言，干擾值對調(diào)節(jié)有較大的影響。為了消除隨機(jī)干擾影響，除了從系統(tǒng)硬件及環(huán)對于作用時間較為短暫的快速干擾，可以簡單地采用連續(xù)多次采樣求平均值的辦法予以濾除。例如圍繞著采樣時刻 ti

=iT接連采樣 N次，可得到e,ei1

,?,eiN

。由于快速干擾往往比較強(qiáng)烈，只要有一個采樣數(shù)據(jù)受到快速隨機(jī)干擾，即使對它們求平均值，干擾的影響也將明顯地反映出來。因此，應(yīng)由計算機(jī)剔除其中的最大、最小值，即對剩余的 N-2次采樣值平均值。由于在 N次中連續(xù)幾次偶然出錯的可能很小，故這樣做已足以消除這類快速隨機(jī)干擾的影響。對于一般的隨機(jī)干擾，本文采用單獨修改微分項的辦法來抑制干擾。這是因為數(shù)字 PID算法式(3-2)和式（3-3)是對模擬PID控制式（3-1)的似，其中用和式代替了積分項，用差分代替了微分項。在各項中，差分（特別是二階差分）對數(shù)據(jù)誤差和噪聲特別敏感，一旦出現(xiàn)干擾，通過差分項的計算有可能引起很大的控制量變化。因此，在數(shù)字 PID算法中，干擾通過微分項對控制的影響是主要的。由于微分成分在 PID調(diào)節(jié)器中往往是必要（它可近似地補(bǔ)償調(diào)節(jié)對象的一個極點， 擴(kuò)大穩(wěn)定域，改善動態(tài)性能）不能簡單將其棄去。所以應(yīng)研究對干擾不過于敏感的微分項的近似算法。本文采用常用的 4點中心差分法。在這種修改方法中，一方面將幾 Td擇得比理想情況下稍小一些，另一方面在組成差分時，不是直接應(yīng)用現(xiàn)時

/T選偏差ei

，而是用過去和現(xiàn)在 4個采樣時刻的偏差的平均值作為基準(zhǔn)，即eei i

e

ei2

ei3

/4然后再通過加權(quán)求和形式近似構(gòu)成微分項，即TT ee e

ee ee d i d i i i1 i i i2 i i3T 4整理后得

d i dTTT

e

（3-4）T i

i1

i2

i3用式（3-4）代替式（3-2）中微分項，就可得到修改后 PID位置算法，即 TT u Ke e d ee

（3-5）i i

T j ij0

i1

i2

i3 0同樣地，用相應(yīng)于式 (3-4)的公式代替式(3-3)中的差分項及二階差分項，就可得到修改后的 PID增量算法，即1 T

T K ee

e d 2e6e

2e e （3-6）i 6

i2

i3

T i i

i1

i2

i3 i4預(yù)測控制算法預(yù)測控制是一種基于模型的計算機(jī)控制算法。它利用預(yù)測模型來預(yù)估過程未來的輸出與設(shè)定值之間的偏差，并采用“滾動式”的優(yōu)化策略計算當(dāng)前的控制輸入，它具有良好 的跟蹤性能，對模型誤差等具有較強(qiáng)的魯性。其中基于非參數(shù)模型的預(yù)測控制主要有：動態(tài)矩陣控制和模型算法控制。本文采用了動態(tài)矩陣控制（ DMC）這一預(yù)測控制算法，此算法適用漸近穩(wěn)定的線性對象，雖然實際工業(yè)過程往往帶有非線性特性，并且系統(tǒng)參數(shù)可能隨時間緩慢變化，但只要系統(tǒng)基本上保持線性，仍可用這一算法進(jìn)行控制。此算法尤其適用于大時滯、大慣性的控制系統(tǒng)。限于篇幅，本文對其原理不加贅述，只提供其具體算法。預(yù)測模型在動態(tài)矩陣控制中，首先要測定對象對單位階躍響應(yīng)的采樣值T其中可用模型向量

a i=1，2，? （3-7）ia[a a1 2

a ]TN近似地描述對象的動態(tài)信息。其中： N為建模時域。若在 k時刻假定控制作用保持不變時對未來 N個時刻輸出有初始預(yù)測值 yki|k；當(dāng)有M0連續(xù)控制增量△u(k),?, △u(k＋M＋1)作用下未來各時刻的輸出值為y ki|kyM

i|kminM,i i1 j

ukj i＝12?N（3-8）顯然，在任一時刻 k，只要知道了對象輸出的初始值 y0ki|k，就可以根據(jù)公式（3-8）計算未來的對象輸出。式中，上標(biāo) ~表示預(yù)測，k+i|k示在t=kT時刻預(yù)測t=(k+i)T。滾動優(yōu)化為了使預(yù)測值 yM

ki|k接近期望值kiu變化過于劇烈，確定優(yōu)化指標(biāo)minJk||ωky k||2 ||u k||2 （3-9）P PM Q M R其中：

y