典型連鑄過程控制計算機系統的實現

潘渤

摘要：隨著連鑄工藝水平不斷發展，對生產控制（結晶器液位，拉速，冷卻水流量，切割長度等）的控制精度也越來越高，同時自動化技術和企業整體信息化也越來越趨向于一個整體，連鑄過程控制計算機系統正是服務于這樣一個大的發展趨勢的計算機系統。一方面它接受管理系統的生產指令，并利用數學模型對實時數據分析計算的結果指導和控制生產；另一方面采集基礎電氣儀表自動化的數據和信號對物流進行跟蹤，并對采集到的生產實績數據進行歸納。它同時也是 MES/ERP系統與電氣儀表基礎自動化系統之間的橋梁和紐帶，三者緊密結合，實現了生產控制的自動化，也實現了信息技術與現代管理技術相結合。本文以寶鋼集團八一鋼鐵股份有限公司二煉鋼連鑄過程控制計算機系統為例，介紹了典型連鑄過程控制計算機系統的具體實現。

關鍵詞：L1L2L3連鑄過程控制

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）08（c）-0032-02

1系統概述

寶鋼集團八一鋼鐵二煉鋼連鑄過程控制計算機系統覆蓋八一鋼廠板帶工程二煉鋼區域的4臺垂直彎曲板坯連鑄機。連鑄機主要參數為：

流數：各1流；切割機：各1臺；噴印機：各1臺；二冷區：各9個區，16個控制回路。

鑄機拉速范圍：0.25～2.5m/min；鑄機工作拉速：1.0～1.6m/min；板坯厚度：220mm，板坯寬度：750～1600mm；板坯長度：7500～10500mm；板坯最大單重：28.8t/塊。該連鑄過程控制計算機服務器硬件配置為2臺高性能雙路雙模塊冗余機架式容錯服務器，其中一臺為在線服務器，一臺為備份服務器，磁盤采用陣列形式，采用共享磁盤管理技術，提高磁盤的可靠性，防止數據的丟失，減少系統切換的時間。數據庫數據存放在共享磁盤陣列上，在線服務器和備份服務器共享數據庫數據，保證了服務器切換的速度和數據的一致。服務器部署在L2中心機房，各個連鑄電氣室和操作室的邊緣交換機通過多模光纜連接到L2中心機房的核心交換機，實現連鑄過程控制計算機服務器與L1系統以及現場操作終端的網絡互聯?，F場終端采用工控機、一般場所終端采用商務PC機。

系統軟件軟件上的配置和使用上，服務器的操作系統采用Linux Redhat AS4服務器數據庫使用ORACLE 10G FOR LINUX版本，在終端上，安裝ORACLE的客戶端開發及運行環境包，包括FORMS和REPORTS（開發/運行顯示畫面和報表），同時安裝SQL NET（實現客戶端和數據庫服務器的數據交互）。

2主要應用技術

與電氣儀表基礎自動化的通訊，使用了OPC方式，OPC是OLE Process Control的縮寫，是一種主流的工業控制數據通訊的標準。目前全世界大多數的知名PLC廠家都提供了基于該標準的OPC Server，任何應用系統只要通過一個OPC Client軟件就可以對PLC數據進行讀寫訪問。通過這種機制，應用系統可以在不更改應用程序的前提下實現與不同的PLC廠家的產品通訊。我們使用的OPC Client軟件是MultiLink（由寶信軟件開發的基礎通信中間件），它提供了一系列的API，應用開發人員可以方便的在應用程序中對PLC的數據進行讀寫， 實現對基礎自動化數據的采集、設定及PLC數據變化后通知啟動過程計算機的應用程序的功能，并提供了將PLC數據點配置成電文以及查看這些數據點內容的的工具。

與MES（L3）系統以及其他相關系統的通訊使用基于TCP/IP協議SOCKET方式，項目中使用XCOM_PCS（由寶信軟件開發的基于TCP/IP協議的SOCKET通信中間件）來實現，與MultiLink類似，它也是提供了一系列簡單方便的API（應用編程接口），實現在以太網環境下，基于TCP/IP協議的SOCKET數據通信，同時提供了電文數據類型轉換的功能（2進制與ASCII碼之間的轉換，網絡字節順序和本地字節順序之間的轉換），同時也提供了查詢通訊線路狀態的工具和查詢通訊電文內容歷史記錄的工具。

應用程序的開發，使用C++與PRO C，PRO C是ORACLE提供的預編譯技術，將內嵌標準SQL語句的又混合了C/C++語法的源程序預編譯，轉換成完全符合C/C++語法的源程序（后綴為.C/.CPP），這樣在C++的環境下，就能如同在ORACLE的存儲過程中一樣使用標準SQL語句方便的與ORACLE數據庫交互，又能享受C++這種相對于ORACLE的存儲過程要更強大而靈活的開發工具的各種優勢。畫面的開發使用ORACLE的FROMS。

應用程序的運行平臺中間件，使用PLATURE 99（由寶信軟件開發的運行平臺中間件），它實現的功能包括實現各個應用程序之間的相互啟動和調度，同時傳遞參數；在指定時刻啟動某個/某些應用進程；定周期的啟動某個/某些應用進程；提供管理維護和查看應用程序報警/LOG歷史記錄的功能。

3 應用功能

關于連鑄過程控制計算機系統的應用功能，主要是從MES和分析等系統接受出鋼計劃，制造命令和，根據出鋼計劃畫面上的生產計劃鋼種和制造命令，制造標準等數據，并啟動內部動態二冷水，切長優化計算模型，同時將計算結果發送到PLC控制生產，連鑄過程控制計算機系統在生產過程中對基礎自動化（L1）上傳的各個事件、信號進行跟蹤，并將實績生產實績數據經過計算，過濾和組織，以連鑄處理號作為鍵字來管理存儲在連鑄過程控制計算機系統的數據庫，同時發送給MES（L3/L4）系統，供日后查閱分析，生成報表。

具體的，應用功能分為：工程數據管理，過程跟蹤，過程數據采集，實績數據生成，數學模型，人機界面幾大模塊。系統內部各模塊之間數據流及與外部系統關系如圖1所示。

3.1 工程數據管理模塊

該模塊主要功能為處理接受MES系統、分析系統及其它過程控制計算機系統發送來的信息，包括MES根據合同制定的計劃類信息接收（鑄造計劃，爐次命令，板坯命令）、根據工藝需求制定的質量標準類信息接收（作業標準、制造標準）、其他工序作業實績類接收（前工序實績、分析信息，鋼包信息等）和運轉狀況信息。

3.2 過程跟蹤模塊

該模塊主要功能為對于連鑄從鋼包到達回轉臺開始到鋼包吊走的各作業狀況進行跟蹤。進行作業狀態變更的檢查和接受、各作業時間的計算、同時收集澆鑄過程中的各種澆鑄信息。連鑄跟蹤的主要作業點包括：鋼包到達、鋼包澆鑄開始、鑄流鑄造開始、鋼包澆鑄結束、鋼包吊走，鑄流鑄造開始、鑄流鑄造結束，切割開始、切割結束、噴印信號，去毛刺信號等。

3.3 過程數據采集模塊

該模塊主要功能為周期性的收集連鑄鑄造過程數據，主要包括TD鋼水重量，LD鋼水重量、鑄造長、鑄造速度，結晶器上端寬度、結晶器下端寬度、結晶器液面位置、結晶器冷卻水溫度、入出口溫差，結晶器振動頻率、振幅，結晶器冷卻水流量、二次冷卻水流量、二次冷卻水壓力，輥縫信息等。

3.4 實績數據生成模塊

該模塊主要功能為依據生產指令、過程采集及過程跟蹤信息，生成板坯生產實績、爐次生產實績，把過程跟蹤模塊采集到的各個關鍵時刻和過程數據采集到的重要數據如重量，溫度，長度等信息對應到具體的爐次和板坯上。

3.5 數學模型

主要包含了動態二冷水，切長優化，品質異常判定三個主要數學模型。

3.5.1 動態二冷水模型

連鑄二冷區目標溫度控制是通過對整個連鑄過程鑄坯表面溫度的測定，由計算機控制沿拉坯方向的鑄坯表面溫度分布，使之符合設定的目標表面溫度曲線來實現。通過鑄坯凝固傳熱模型計算各二冷段表面溫度，與目標溫度相比較。當兩者有偏差時，及時調整該冷卻區的冷卻強度，使鑄坯表面溫度與目標溫度盡量靠近，實現二冷區目標溫度的控制。

根據二冷模型原理，以鋼水進入結晶器為其生命起點，以其根據鑄造長對應的板坯出最后一個冷卻段為其生命終點。在此過程中，全過程定周期跟蹤其接受的冷卻水量等數據，實時計算其凝固狀態，并推定出其各相區域的分布情況。

根據各鑄片的計算結果，綜合推定整個鑄機內板坯的凝固狀態，動態推定出凝固終點位置、兩相區和液相區的分布情況。

3.5.2 切長優化模型

切長優化模型以滿足合同需求為目標，并兼顧板坯收得率為原則，針對澆鑄異常點進行優化。參照板坯制造命令中的切割長度及其上、下限為基準，同時考慮品質異常部位（插鐵板、異鋼種交接，中間包交換、切尾）計算出鋼水不足、鋼水多余并根據鋼水量的多少應用相關的優化策略進行優化計算，以實現預定板坯的消化，同時爭取較高的收得率。鋼包鋼水澆注開始，參照制造命令，生成該爐次的切割預定，在澆鑄過程中，跟蹤發生的異常事件，考慮影響的區域（工藝規定），進行優化計算。在板坯切割開始時，根據切割的實際情況進行切割優化的再計算。并把優化結果通過人機界面展現給用戶。優化過程主要包括：切割縫隙的考慮，采樣的考慮，異常段的優化，板坯在鋼水不足和鋼水多余情況下的優化。

3.5.3 品質異常判定模型

該模型包含在線判定部分和分析部分2個模塊。

在線判定：主要功能是：通過采集煉鋼、連鑄過程中對連鑄的澆鑄、板坯質量有可能產生影響的事件進行跟蹤記錄，并根據內建的模型進行分析，對連鑄的質量給出一定的判斷結論，從而達到連鑄從上臺到澆注成材的整個過程中對連鑄澆注進行質量判斷、提供操作指導，并在板坯產出時，對板坯的整體質量進行判斷、提供操作指導。并將以上數據與結論很好地展示給工藝人員。

離線分析：具備很好的開發性，提供足夠的離線學習功能和在線擴展功能。工藝人員不但能夠對系統定義的異常進行調整，還能夠利用模型提供的離線分析工具對歷史數據進行分析，從而根據分析發現并定義新的約束條件，并將其加入到在線判定系統中實現自動判定。

3.6 人機界面

人機界面主要提供了計劃管理、設備管理、操作監視、模型、實績、報警和提示信息等畫面。每個畫面有共通的部分，主要是畫面菜單、畫面名稱、報警或提示信息、工具欄功能鍵、班別、組別、當前時間。各個操作室和控制室的終端畫面的權限通過用戶名和角色統一認證管理，不同的角色擁有的權限不一樣，看到的畫面數量也不一樣，對同一幅畫面的操作權限也不一樣。不同的用戶可以擁有一個或者多個的角色。

4結語

通過實施了連鑄過程控制系統，八鋼二煉鋼連鑄區域實現了連鑄生產過程的全程自動控制和對生產數據的全程監視，管理層亦能了解到現場的實時生產情況，并且所有生產都遵照合同和計劃統一調度進行生產，從而提高連鑄生產的自動化程度，降低生產人員的作業率，提高了生產效率。通過模型的應用，提高和穩定了鑄坯的質量，并提高了鑄坯的成材率。

參考文獻

[1] 寶信八一鋼鐵二煉鋼連鑄過程計算機系統基本設計書.

[2] 寶信自動化研究所連鑄模型設計書.