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带钢热连轧计算机控制系统的发展及其在我国的状况 Post By：2009-7-14 13:59:02 带钢热连轧计算机控制系统的发展及其在我国的状况刘文仲北京科技大学 高效轧制国家工程研究中心， 北京 100083摘要 回顾了我国带钢热连轧计算机控制系统的发展状况，讨论了关于我国发展带钢热连轧计算机控制系统方面的对策。关键词 带钢热连轧机；计算机控制系统；发展趋势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 前言由于带钢热连轧生产线的高效率性和高效益性，使得它成为各种新技术应用广泛的一个工业生产生产线。所以在工业控制过程自动化领域中，带钢热连轧计算机控制系统成为迅速发展、逐渐成熟、并且取得了明显经济效益的计算机系统。本文简要评述带钢热连轧计算机控制系统的发展历程及其在我国的应用状况。2 带钢热连轧计算机控制系统的分级和功能按照国际上的通用分类方法，工业控制过程自动化系统的分级如下：0级 传动级(Drive) 简称Level 0；1级 基础自动化级(Basic Automation)简称Level 1；2级 过程控制级(Process Control) 简称Level 2；3级 生产控制级(Production Control) 简称Level 3；更上一级的系统还有MES系统、ERP系统、生产管理系统、产销一体化系统等等，系统的名称和功能就不那么统一了。按照上述分级方法，对带钢热轧生产线来说，将第1、2、3级统称为带钢热连轧计算机控制系统。基础自动化级（L1级）主要完成设备的顺序控制、位置控制、速度控制以及质量控制（产品的厚度、宽度、温度、凸度、平直度、卷形等）。过程控制级（L2级）主要完成基于数学模型的轧制规程设定和数学模型自学习功能，完成生产工艺过程参数的设定计算与优化。生产控制级（L3级）主要完成生产计划的编制、调整和发行，生产实绩的收集、处理，对板坯库、钢卷库、成品库进行管理，以及进行产品质量监控等功能。3 发展历程及其特点1962年，美国在麦克劳斯（Mclouth）钢铁公司的1525 mm热轧机上实现了用计算机控制热轧精轧机组的压下位置和速度，这是世界上第一个带钢热连轧计算机控制系统。1964年，日本新日公司堺厂的1420 mm热轧机实现了计算机控制；1971年11月日本新日铁大分厂2235 mm热轧计算机控制系统投入运行，该热轧计算机控制系统作为当时的设计典范。1980年以后，国际上，带钢热连轧计算机控制系统发展得更加迅速，并且趋向于成熟。它的发展特点主要集中在以下五个方面。（1）计算机系统的结构逐步分散化系统的结构从最初的单机集中控制，发展到后来的多级分区的集中控制，再发展到现在按照生产工艺流程的分区、分功能的分散控制，即在硬件系统和网络配置上，按照区域、按照功能来划分。（2）控制功能不断完善，逐渐细化控制功能从最初的代替人工操作的设定控制，发展到生产全线的自动控制、产品质量控制、节能控制，轧制润滑控制、自由轧制控制、产品性能控制、柔性轧制控制等等。控制功能不断完善，从简单到复杂，从低级到高级，这些功能的完善也是来自于提高产品质量、降低生产成本、减少环境污染、操作维护方便、实现柔性轧制等方面的需求。（3）控制精度不断提高随着设备制造技术、检测仪表技术、数学模型技术的发展，对产品的控制精度也在不断提高，并且趋于稳定。例如，宝钢2050热轧和1580热轧厚度偏差0.03的控制水平分别达到98.4和97.1，宽度偏差（012.5）和（015）的控制水平分别达到99.5和99.8，凸度偏差（0.02）的控制水平分别达到99.3和98.7，精轧温度偏差（20）的控制水平分别达到96.7和99.2，卷取温度偏差（20）的控制水平分别达到97.5和96.4。（4）控制范围不断扩大，覆盖全厂上世纪60年代初期，以控制精轧机为主。主要是进行压下位置和轧机速度的预设定。上世纪60年代中后期，控制范围扩大到加热炉、粗轧机、精轧机、卷取机。到了上世纪80年代，控制范围又扩大到板坯库、钢卷库、成品库和热平整线、热分卷线、热剪切线，从而覆盖了整个热轧厂。（5）硬件标准化，应用软件和数学模型产品化基础自动化级使用基于国际标准的高性能控制器（HPC）和PLC。按照近些年在国内占有热轧市场份额较大的有：德国西门子公司的SIMATIC TDC系统和日本芝菱公司的V系列。还有GEFanuc的PAC系统、法国ALSTOM公司的系统等。过程控制级以前用ALPHA 服务器，现在使用PC服务器和容错计算机。硬件产品标准化，应用软件产品化，包括数学模型软件也实现了产品化，通过系统配置，就可以生成适应于各种类型热轧生产线的应用软件，从而大大减少了编程、调试的工作量和时间。4在我国的发展和应用状况4.1 概况 国内新建1250mm以上的带钢热连轧生产线和对老热轧生产线的改造,其中重要的一项内容就是建立带钢热连轧计算机控制系统。我国1250mm以上的带钢热连轧生产线中，基础自动化级(L1)和过程控制级(L2)计算机系统的投入率已经达到百分之百。1978年12月，我国引进的第一套带钢热连轧计算机控制系统即武汉钢铁公司1700 mm热连轧机控制系统投入运行。这个系统由日本东芝公司按照新日铁大分厂2235 mm热轧计算机控制系统的模式设计的。宝钢2050 mm热连轧机计算机控制系统是我国引进的第二套带钢热连轧计算机控制系统，采用了德国西门子的系统和技术。1993年11月，在武汉钢铁公司、重庆钢铁设计研究院、北京科技大学的共同合作下，完成了武汉钢铁公司1700 mm热连轧机计算机系统的更新改造工程。在国内热轧领域中，首次采用“硬件引进，软件立足国内”的方针，新系统在不停产的情况下顺利投入使用，并获得了比原有系统更好的控制效果，产品的控制精度得到提高。这是一个重要的标志，标志着在二十世纪九十年代，我国已经有能力依靠自己的力量设计和开发出像热连轧这样过程控制极为复杂、要求快速响应的计算机控制系统的软件，包括数学模型的软件。上世纪末和本世纪初，我国捆绑式引进的三条CSP热轧生产线，即珠（江）钢CSP、邯（郸）钢CSP和包（头）钢CSP相继投产，这三个热轧计算机控制系统都采用了德国西门子公司的系统和技术。当时，想以市场换技术，所以才有了捆绑式引进。后来的结果是：市场让出去了，核心技术却仍然掌握在外国公司手中，仍然没能改变引进的状态。笔者统计，我国已经投产的50多条热轧生产线中（包含常规热轧、CSP、FTSR、炉卷轧机等所有类型），从国外引进的计算机系统占四分之三还多。三十多年来，我国已经引进了世界上所有先进电气公司的带钢热连轧计算机控制系统（包括控制软件和数学模型）。其中，有美国通用电气、德国西门子、日本三菱电机、日本东芝、德国西马克、意大利ANSALDO、美国AEG、日本东芝GE、日本（东）芝(三)菱、奥地利VAI、法国ALSTOM、瑞典ABB、美国TIPPINS等公司。这在世界上是独一无二的现象。其中，德国西门子的系统和数学模型占的份额最大。4.2 五种模式我总结和归纳出我国三十多年来，在建立带钢热连轧计算机控制系统时，所有的工作模式。按照其产生的时间顺序排列如下。（1）全面引进、学习掌握 以武钢1700mm热连轧生产线和宝钢2050mm热连轧生产线的计算机控制系统为代表。采取的模式为：外方总包、技术总负责；中方技术人员学习掌握。近些年来，这种模式依然居多。 （2）外方总包、中方分包 这种模式只有上世纪九十年代，宝钢梅山1422mm热连轧计算机控制系统的第一次改造一例。采取的模式为：外方（美国AEG公司）总包、技术总负责；中方（武汉钢铁公司、北京科技大学）又从外方手中分包了部分软件编程和现场调试工作，外方实实在在地付钱给中方。该生产线的第二次计算机系统改造就又采用第一种模式，由美国通用电气公司总包了。（3）硬件引进、软件国内自主设计和开发 以武钢1700mm热连轧生产线计算机控制系统更新改造工程为代表。采取的模式为：中方总包，技术总负责；从国外仅仅引进计算机硬件系统，全部软件的设计和开发由国内自主完成。2005年投入运行的莱芜1500热轧和2006年投产的日照1580热轧计算机控制系统，也采用这种模式。（4）软件关键部分引进、中外合作开发 以宝钢1580mm热连轧生产线和鞍钢1780mm热连轧生产线的计算机控制系统为代表。采取的模式为：软件系统由中方、外方联合设计、联合开发、联合调试。笔者认为，这种模式也只有这两例。其后至今，虽然有许多引进合同中也写着“合作开发”，但是外方至多让中方技术人员做做HMI画面和报表软件，因为其核心技术的软件已经产品化了。（5）硬件系统自主集成、软件国内自主设计和开发 以鞍钢1700中薄板坯连铸连轧生产线的计算机控制系统为开始，继而在鞍钢2150热轧和济钢1700 热轧、鞍钢营口鲅鱼圈1580热轧推广，采取的模式为：国内单位（鞍山钢铁公司、北京科技大学）总包，技术总负责；不再引进整个计算机硬件系统，而从国际市场上采购硬件部件，然后自己集成整个硬件系统。全部软件由国内自主设计，开发完成。 宝钢1880热轧计算机控制系统的L2由宝钢自主设计完成，L1由日本芝菱公司提供，没有归并到上述模式。上述的第2种、第4种模式和宝钢1880热轧的模式属于特例，所以今后的选择主要集中在剩余的3种模式上。笔者认为：我们追求的第一目标应该是“硬件引进、软件国内自主设计和开发”（即第3种模式）；更进一步的目标是“硬件系统自主集成、软件国内自主设计和开发”（即第5种模式）；今后，应该尽量避免“全面引进” （即第1种模式）。5 自主创新，促进我国带钢热连轧计算机控制技术的发展5.1 从引进、消化、吸收到创新我国已经掌握了热轧计算机控制系统的设计和集成技术，开始实现从引进、消化、吸收到创新的跨越式发展。以鞍钢、宝钢、高效轧制国家工程研究中心等单位为代表，在国内走在技术和工程实践的前列。鞍钢已经有四条带钢热连轧生产线，即1780热轧、1700热轧、2150热轧和营口鲅鱼圈1580热轧。其中，1780热轧是中外合作设计、合作制造的，其余的三条带钢热连轧生产线都是国内自主设计、自主集成、自主制造的，包括计算机管理和控制系统。所有应用软件包括数学模型，都是由鞍钢和北京科技大学的技术人员合作设计和开发的。这两个单位还承担和完成了济钢1700热轧生产线的计算机控制系统设计、开发。宝钢在三热轧建设过程中，围绕高牌号无取向硅钢等高附加值产品的高精度和高强度要求，结合2050和1580热轧生产经验，使模型控制更加精细，更能适应品种变化的需要。这表明宝钢已经具备新产品、新工艺、新设备的建模创新能力及数学模型成套技术能力，实现了数模技术从引进、消化、吸收到创新的跨越式发展。高效轧制国家工程研究中心拥有成熟的基于PC服务器的L2级数学模型系统，拥有自主知识产权的轧钢系统中间件技术和软件产品；拥有成熟的轧钢板形控制技术和辊形设计技术，板形综合控制性能达到国际先进水平；成功完成了国内多条热连轧生产线的计算机控制系统新建和改造任务，在业绩方面处于全国领先地位。这些单位的实践，为我国轧钢自动化系统自主开发积累了经验，走出了一条产学研相结合的，起点高、投入少、产出快、效益高的企业技术改造和创新之路。引进不能代替创新。国外公司的技术平台不断更新。如果一直依赖于引进，就会走入“引进、落后、再引进、再落后”的怪圈。5.2 掌握和推广核心技术如何避免简单重复引进，加速自主开发，自主创新，这是国内许多行业都需要思考和解决的问题。高效轧制国家工程研究中心通过消化、吸收引进的技术，完全掌握了设计、开发、建立带钢热连轧计算机控制系统的核心技术和方法，并且成功应用于多个实际工程项目中，已经成为国外著名电气公司的有力竞争对手，所以近年来，才使得外国公司在我国进行投标和报价时，不得不比过去大大地降低了价钱。高效轧制国家工程研究中心成功地用HP ProLiant服务器构建过程控制计算机系统（Level 2）。采用了磁盘冗余阵列技术和磁盘镜像技术，解决了系统配置方面的技术问题，实现了系统的在线备用和切换；开发出了具有自主知识产权的中间件；设计和开发出全套热轧过程控制软件，包含数学模型软件。高效轧制国家工程研究中心开发出来的中间件PCDP（Process Control Develop Platform）实现了软件标准化、产品化，具有完全知识产权。与生产线的类型和具体工程项目无关，它适应于所有的工业过程控制项目，已经应用于国内许多项目。 实时数据文件管理(RDFM)：该组件可根据需要，在服务器物理内存中建立和维护多个数据表、数据文件，供应用程序之间进行实时数据交换，这些数据表能与磁盘中数据文件实时同步。 进程间通讯管理(IPC)：负责管理不同进程之间的通信。该组件为每一个进程建立专用的消息队列，这些进程可通过接口函数访问消息队列来实现消息传递。 外部通讯管理(Hub Ware)：管理计算机与其他外部计算机系统之间的通信链路以及数据收发队列。根据打开的端口数和实际通信链路数，Hub Ware将自动调整服务的进程和线程的数量，以保证对通信数据处理的实时性。 日志报警管理(Logger)：负责生成、显示和管理应用程序的报警日志信息。 数据库连接管理(DB Linker)：负责与数据库服务器建立ODBC连接，并向数据库保存数据，如果由于通信中断或其他原因而不能成功写入时，它能自动将数据缓存在本地硬盘中，并不断地周期尝试写入操作，直到完全成功后才清空本地缓存，以确保数据不丢失。 HMI变量管理(TagCenter)：采用COM技术，通过建立一个全局变量集合，在服务器和各HMI终端之间提供了一种方便灵活的HMI过程变量通信方法，并且适应各种HMI组态软件工具。 进程管理(TaskWatch)：负责管理应用软件的启动、停止、任务守护、出错信息输出和出错点定位，维护每个进程的运行健康状态，建立内存、CPU时间等统计信息，进行系统内时钟同步。高效轧制国家工程研究中心成功地将德国西门子公司的SIMATIC TDC控制器用于热连轧（包括冷连轧）生产控制。西门子TDC是一种高性能控制器，在国内外工业控制（特别是轧钢自动化）领域中有广泛的应用，但是系统集成和应用开发，过去都是由德国技术人员来完成的。高效轧制国家工程研究中心开创了在国内使用TDC控制器作为热连轧（包括冷连轧）基础自动化级（Level 1）控制器的先河。这项技术突破的意义在于：依靠自己的力量进行系统集成和应用开发，既掌握了核心技术又节省了投资。 在目前情况下，热轧控制用计算机硬件仍然需要使用国外产品。采用什么样的硬件，要根据最终用户（钢铁公司）的需求、使用习惯和资金状况来决定。不论采用哪种形式、购买什么样的硬件以后，中间件、应用软件（包括数学模型的软件）都争取自主设计和开发，从技术能力和技术水平方面来说，是没有问题的。国家有关部门应该对带钢热连轧计算机控制系统的自主开发给予全力支持，例如在产业政策、配套技术、考核和奖励机制等多方面给予支持。 参 考 文 献 1刘文仲. 关于实现热连轧计算机控制系统应用软件国产化和规范化的几点看法J. 计算机世界,1995,(16):151151.2刘文仲. 带钢热连轧计算机控制系统C. 见：曲凤山、王豹臣主编.ALPHA开发应用成果500例.北京：世界科技出版社，1999.104105.3刘玠、杨卫东、刘文仲编著. 热轧生产自动化技术，北京：冶金工业出版社，2006.4黄传清、张文学.宝钢热轧带钢生产技术进步与展望J.宝钢技术，2008（3）111.