薄板坯连铸连轧过程控制系统在线改造研究Online upgrading of process control system for thin slab continuous casting and rolling

何安瑞 1，宋勇 1，荆丰伟 1，邵健 1，赵海山 2，周杰 2

HE Anrui1, SONG Yong1, Jing Fengwei1, SHAO Jian1, ZHAO Haishan2, ZHOU Jie2

(1．北京科技大学冶金工程研究院，北京 100083；2．马鞍山钢铁股份有限公司一钢轧，安徽马鞍山 243011)(1. Engineering Research Institute, University of Science and Technology Beijing. Beijing, 100083, China; 2. No.1 Steel Making and Rolling General, Maanshan Iron & Steel Co., Ltd. Maanshan 243011, China)

摘要：薄板坯连铸连轧具有很多优点并因此得到长足的发展。国内早期投产的薄板坯连铸连轧生产线的控制系统存在控制精度下降、不能满足新钢种轧制要求等问题。针对这种特殊工艺流程的改造需求，设计了基于网关服务器的新老过程控制系统并行运行方案，实现了过程控制系统的在线改造，克服了常规改造中对生产产生的不利影响。同时，新系统采用了多项关键的模型新技术，包括高牌号硅钢轧制模型、板形控制模型、组织性能在线预报模型、智能学习算法、多目标层流冷却模型等，完善了控制功能，克服了原系统存在的不足。新老系统并行运行的生产实绩表明新系统用户界面友好，生产过程稳定，产品质量得到提升，尤其是在两炉不同钢种交叉轧制时，操作人员的干预明显减少。关键词：连铸连轧；过程控制；在线改造；数学模型Abstract: The continuous casting and rolling process has much advantages and was developed considerably. Its control system of

these product lines in China, which was put into operation early, had much problem, such as control precision was declined, it

could not meet the requirement of new steel rolling, and so on. In view of the upgrading demand for this special technological

process, the parallel running solution of new system and old system was developed based on the gateway server, and online

upgrading of the process control system was realized. The negative impact of the production was overcome by this new solution.

Additionally, several new model technologies were developed in the new system, including rolling model of high grade silicon

steel, profile and flatness control model, on-line prediction model of microstructure property, intelligent learning algorithm, multi

objective laminar cooling model. Some control functions were improved and the deficiency of the old system was reduced. The

actual production data of the new system showed its user interface was friendly, the production process was stable and the

product quality was improved. Especially to the cross rolling of different steel grade in two furnaces, the operator intervention was

reduced significantly.

Key words: Continuous casting and rolling; Process control system; Online upgrading; Mathematical model

1 前言单就中国而言，目前已经建成的薄（含中薄）板坯连轧连轧生产线累计有 15 条。目前国内建成的薄板坯连铸连轧生

产线的控制系统均由国际知名的电气自动化公司完成。考虑到设备老化、控制元器件更新换代及控制系统大概每十年进行升级改造的周期，这些生产线的控制系统大多面临改造需求。本文针对国内某 CSP 生产线在新产品研发及系统运行存在的问题，首次对其过程控制系统进行了在线升级改造，并取得好的效果。2 原系统运行情况2.1 硅钢轧制模型

原过程控制系统没有专门的硅钢轧制力模型，不能根据不同的硅铝合金含量来计算高温时硅钢的变形抗力，设定计算时仍按普碳钢进行。生产硅钢时，开浇或换辊后的前几块钢，过程控制模型的设定计算有很大偏差。特别是对于W600、W470、W350 这些高硅系列轧制力预报计算误差可达到 800~1000 t，造成生产不稳定，控制精度差。表 1为 2010

年连续 3个月统计的轧制硅钢的生产实绩数据。表 1 硅钢头部厚度、终轧及卷取温度命中率

Table 1 Hit rate of head strip thickness, finishing rolling and coiling temperature of silicon steel

月份 统计钢卷数 头部厚度 头部终轧温度 头部卷取温度±50μm 的命中率% ±15℃的命中率% ±15℃的命中率%

8月 1784 73.8 39.6 41.0

9月 1828 69.6 61.2 25.4

10月 1810 74.3 57.3 70.6

2.2 轧辊热胀与磨损计算模型轧辊热胀模型与磨损辊形模型是板形设系统中最为重要的两个子模型，其计算精度将直接影响承载辊缝形状的计算，

进而影响板形调节手段的设定精度。2.3 常规工作辊的窜辊模型

现有模型在使用常规工作辊时存在以下问题：(1) 初始辊形值无法向模型输入。(2) 窜辊策略的初始行程限幅为[-80mm, 80mm]，而设备的最大窜辊行程为[-100mm, 100mm]，见图 1。

-80

-40

0

40

80

1 10 19 28 37 46 55 64

窜辊量

/mm

带钢序号

图 1 原系统中常规工作辊窜辊策略Fig.1 The shifting tactic of conventional worl roll in old systems

3 新系统硬件配置新的过程控制系统采用 3台 PC 服务器，其中 1台为过程控制服务器（PCS），运行中间件和所有应用软件；1台为数

据库服务器（DBS），安装 ORACLE 数据库软件，实现与MES、连铸和隧道炉的通信以及新过程控制系统的数据归档；1台为 HMI 服务器（HMI），安装中间件 HMI 组件和 HMI 工程软件，实现 HMI画面管理。新系统的所有服务器的操作系统均采用 Windows 2012 Server（64位）。4 新系统主要软件功能4.1 轧件跟踪

轧件的位置跟踪和设定时序主要是以基础自动化的跟踪模块 MTR为主，过程控制系统的跟踪功能主要是管理轧件数据，如图 2、图 3所示。

TDC1 TDC2

机架控制 TDC

NGS

PCSMAS3MAS2MAS1

测量数据

设定数据

L1 GDM网

原有的以太网

新增的以太网

原二级系统 新二级系统

HMI

DBSMAS4

轧件跟踪原始数据管理

MTR（轧件跟踪）

SDH（设定数据处理）

LCO（轧线协调）

生产统计

实测值处理 精轧模型 层冷模型

L1

L2跟踪事件 设定

数据

请求同步

PDI通知启动数据统计

启动计算测量值

通知

计算完成

启动计算

应答信息

轧线状态

计算完成

图 2 新老系统网络结构及并行运行的数据流 图 3 过程控制系统轧件跟踪的模块关系Fig.2 The network structure and data stream of new Fig.3 The relationship of the strip tracking modules

and old systems

4.2 实测数据处理在现有的基础自动化系统中具有一个专门的实际值处理（ ADH）模块，它可向过程控制系统提供周期测量值和段测量

值，其中原系统模型自学习的实测数据就是来自其发送的段测量值电文。在实测值数据处理完成后，通知轧件跟踪模块启动相关功能读取经过处理后的轧件实测值，并进行模型自学习、生产统计等后续操作。4.3 HMI 系统开发

新系统 HMI画面是在中间件 PCDP开发平台上基于 FLEX 技术开发的。针对新系统开发的要求，该 HMI 中间件系统支持两种通信模式：面向标签和面向消息。标签是一种可以通过全局广

播进行实时同步的过程变量，即在一个设备上修改后，其他所有设备将会同步更新。同步标签一般用于跟踪信息、工艺参数干预和在线模型设定等内容的显示。消息通知模式是一种点对点的通信机制，主要用于响应操作人员，操作人员在某个终端上操作时，比如查看轧制计划、模型预设定等，模型系统反馈回来的显示内容只会在该终端上更新，而不会影响其他终端上画面显示内容。由于 HMI 系统开发采用了成熟可靠的中间件技术，大大降低了画面设计和维护的难度，同时，画面美观，可显示复杂信息，如图 4 显示工作辊温度场及辊形的 HMI。

图 4 工作辊温度场及辊形 HMIFig.4 HMI of temperature field and contour of work roll

4.4 规程计算根据工艺流程特点，轧件从入炉到卷取完成这段时间内要进行多次规程设定计算，每次的计算条件、目的和方法各不

相同。5 数学模型新技术5.1 轧件组织性能在线预报

轧件组织性能在线预报主要基于在线生产工艺数据，以过程控制系统模型计算的工艺数据作为主要的输入参数，结合相应的冶金模型，完成从板坯到成品的组织演变在线预报。5.2 适合高牌号硅钢的轧制力模型

在新的轧制力模型中，考虑到硅钢的变形抗力与普通碳钢的差异较大，建立了单独的硅钢变形抗力模型，并且分牌号采用不同的模型系数。5.3 模型自学习智能算法

针对该生产线硅钢和碳钢交叉轧制、双流混轧等生产工艺特点，新系统中采用模糊换规格判定策略和智能自学习策略，动态对短期、中期和长期的自学习过程进行有效结合，提高模型对工况频繁变换的适应能力。5.4 多目标控制的层冷模型

在新的层冷控制系统中通过采用高精度的温度预报模型和基于全长相似性原理的自学习算法，允许在轧件长度方向上按多个卷取目标温度进行控制，并通过在原设定电文中增加一个标志位使得基础自动化系统能够对新设定参数进行识别，以适应新老系统设定的在线切换。6 改造效果图 5、图 6为原系统与新系统的大生产数据的控制精度对比，可以看出，新系统在厚度、精轧出口温度、卷取温度、

凸度、平坦度的控制精度方面，均有不同程度的提高。

2.2

2.3

2.4

1 21 41 61 81 101 121

原系统新系统

带钢厚度

/mm

采集点

图 5 原系统与新系统轧制 W800 的厚度数据对比 图 6 原系统与新系统控制精度对比Fig.5 Actual W800 thickness of old system and new system Fig.6 Control precision of old system and new system

7 结论(1) 薄板坯连铸连轧生产线对控制系统的稳定性和精度提出更高的要求，需要在改造方案上给予特殊考虑；(2) 设计了基于网关服务器的新老过程控制系统过渡期并行运行方案，实现薄板坯连轧连轧过程控制系统的在线升

级，并将新系统调试、投入运行的风险降至最低；(3) 试生产的实绩表明，新系统适应薄板坯连铸连轧工艺流程，运行稳定，产品质量良好。