大型軋鋼廠重軌生產線自動化控制系統的優化研究

羅 遷，曲 博

（1河鋼邯鋼設計院，河北 邯鄲 056000；2河鋼邯鋼大型軋鋼廠，河北 邯鄲 056000）

大型軋鋼廠重軌自動化控制項目在，在我國鋼鐵企業發展應用較為廣，并且擁有世界先進技術裝備水平，集精煉、精軋、精整于一體的高速重軌生產精品基地，成為國內重軌生產品種最全、檔次最高的鋼鐵企業。憑借高純凈度、高強度、高精度、高平直度的產品性能，形成了明顯的市場競爭優勢，大型重軌在國內穩居三分之一以上的市場份額[1]。

全面有效的自動化生產控制系統能夠實現對大型軋鋼廠生產工藝流程的實時監控，并提升大型軋鋼廠的生產曹組規范性，進而提升整個軋鋼行業的生產水平[2]。大型軋鋼廠重軌生產線上的操作環節包括：原材料加熱、高壓風除鱗、軋制、開坯、軋邊、精整等。在生產過程中，控制系統的主要作用是利用信息化技術實現對生產過程中各類數據的傳輸，并實現對生產加工現場的監控和管理。重歸生產線與傳統生產方式相比，生產工藝更加復雜，并且會消耗大量的熱能[3]。若在生產過程中沒有良好的控制系統支撐，則會造成資源的嚴重浪費，同時生產工藝的水平和質量也無法得到保障。因此，針對這一問題，為提高大型軋鋼廠重軌生產線的工藝水平，本文對其開展自動化控制系統的優化研究[4]。

1 大型軋鋼廠重軌生產線自動化控制系統硬件優化

1.1 項目工藝簡介

預彎機是整個項目的重要設備，是重軌生產中的重要環節，鋼坯從加熱爐中通過萬能軋機的軋制，軋成120m左右的重軌熱料，通過輥道運輸到予彎冷床的入口輥道上，兩端的熱鋸將重軌熱料切割110m尺寸后，預彎機工作將重軌熱料按照控制畫面的設置推出弧度放置在予彎冷床上冷卻，重軌從予彎冷床運輸到2#冷床繼續冷卻，重軌冷卻平直度到達要求送到矯直機冷矯，進入檢測中心檢測[5]。

1.2 PLC可編程邏輯控制器優化

根據大型軋鋼廠重軌生產線的實際需要，考慮到生產過程中各個生產加工設備運行的復雜程度，本文通過引入PLC可編程邏輯控制器，實現對傳統控制系統控制指令傳輸精度低問題的優化。綜合不同型號PLC裝置，本文采用FX8W-32MR/ES-B型號FX8W系列PLC裝置。該型號PLC裝置的繼電器輸出為FX8W-32MR/ES-B，晶體管輸出為FX8W-32MR/ES-B，電流最大為30A，電源為AC110V～240V 50/60Hz，運行功率為30W。該型號PLC裝置由于具有良好的應用優勢，因此在食品機械、包裝機械、紡織機械、焊接等領域有著十分廣泛的應用。表1為PLC可編程邏輯控制器其他規格參數表。

表1 PLC可編程邏輯控制器其他規格參數表

在該型號PLC裝置當中，引入32路模擬量，分別將其應用于重軌生產線的兩側，用于對重軌生產操作指令進行同步控制[1]。在32路模擬量當中，包含了基礎操作指令16條，步進執行指令4條。考慮到未來大型軋鋼廠的重軌生產線復雜程度不斷提升，其余12路模擬量用于在日后增加相應生產操作指令使用。

1.3 I/O設備優化

I/O設備主要用于對本文自動化控制系統當中的各類控制指令進行內部及外部輸出和輸入。根據本文大型軋鋼廠重軌生產線的運行需要，本文選擇TCA6416ARTWR型號I/O端口擴展器作為本文I/O設備的核心硬件。圖1為該型號I/O端口擴展器的連接結構示意圖。

圖1 TCA6416ARTWR型號I/O端口擴展器連接結構示意圖

將TCA6416ARTWR型號I/O端口擴展器接入到本文系統當中，根據不同的控制指令控制電路上各個開關的連接或斷開，以此實現對大型軋鋼廠重軌生產線的實時控制。TCA6416ARTWR型號I/O端口擴展器當中輸入/輸出端口數量共16個，接口類型均為I2C，最大時鐘頻率為550kHz，工作過程中的電源電壓為1.25 V to 4.5 V。在工作過程中該型號I/O端口擴展器能夠承受的最小溫度為-35。C，最大溫度為125。C，滿足大型軋鋼廠重軌生產線在運行過程中的溫度需求。

2 大型軋鋼廠重軌生產線自動化控制系統軟件優化

2.1 采集、處理自動化控制數據

在系統軟件部分優化中，針對大型軋鋼廠重軌生產線，預先采集自動化控制信號，并將采集到的信號通過通訊網絡傳遞到控制主站，由控制主站將分析上報的控制信號，確定其自動化控制頻率以及控制區段。考慮到生產線控制信號類型繁多，本文通過將控制輻射功率最小化，從而起到除雜、降噪的目的，進一步保障信號的精度[2]。此過程可通過計算方程式加以表示，設其目標函數為R，可得公式（1）。

公式（1）中，n指的是控制信號集；i指的是控制點位個數；P指的是信號的初級聲源聲壓；H P指的是信號的次級聲源聲壓。通過公式（1），在保證控制能量平衡的前提下，可以將其作為同步信號。

在采集控制信號的基礎上，還需要將控制信號轉換為生產線自動化控制數據，進一步處理控制數據。本文按照Myspl_num4，進行信號與數據之間的同步轉換功能，將控制信號從某一個數據服務器連接到另一份服務器上，并按照數據的分類與存儲方式進行控制信號與數據之間的同步轉換。此過程中應考慮到控制信號與數據之間同步轉換行為的發生并不是一個獨立的行為，因此控制數據的處理應可滿足多數據異步并存的優勢。本文基于Lonworks技術，建立控制數據LONTALK通信協議。通過LONTALK通信協議，統一控制數據的傳輸機制，允許網絡設備建立一個重軌生產線與通信設備之間的邏輯連接。獲取標簽信息，保障控制數據傳輸中的高效性。根據建立的LONTALK通信協議，不斷調整控制數據傳輸速度確保系統控制數據傳輸功能的穩定運行。以此，實現針對自動化控制數據的采集與處理，為下文控制提供基礎數據支持。

2.2 基于PLC的控制信號線性回歸

在對大型軋鋼廠重軌生產線進行自動化控制時，還需要對傳輸到FX8W-32MR/ES-B型號PLC裝置當中的控制信號進行優化聚類，根據模糊控制理論，設定控制方法中海量控制信號的有限數據集，并實現對大型軋鋼廠重軌生產線線性控制信號的線性回歸。根據PLC裝置運行特點，得出本文上述采集并處理的大型軋鋼廠重軌生產線自動化控制數據當中的有效數據集為：

公式（2）中，M表示為大型軋鋼廠重軌生產線控制信號中有效數據集；n表示為所有大型軋鋼廠重軌生產線控制動作的控制信號樣本數量；R表示為任意范數下的聚類空間數據。當大型軋鋼廠重軌生產線控制信號中有效數據集的線性回歸因子為0時，則應當滿足下述公式：

公式（3）中，ρ(m)表示為大型軋鋼廠重軌生產線控制信號中有效數據集的線性回歸因子；k表示為優化聚類的迭代次數；sgn表示為符號函數。根據上述公式（3）完成對大型軋鋼廠重軌生產線線性控制信號的線性回歸，并將最終的計算結果帶入到FX8W-32MR/ES-B型號PLC裝置當中完成對大型軋鋼廠重軌生產線上各操作的控制。同時，為保證控制精度，還需要完成對所有控制偏差的補償，并將補償記錄錄入到本文控制系統當中，方便后續對生產線上的相同工作進行自動化控制。

3 對比實驗

為進一步驗證本文提出的自動化控制系統在實際應用中的效果，將本文自動化控制系統與傳統控制系統對相同的大型軋鋼廠重軌生產線進行控制，完成如下對比實驗。實驗過程中的相關參數數據如表2所示。

表2 對比實驗參數對照表

結合表2中的內容，完成在兩種控制系統下的大型軋鋼廠重軌生產線生產，并將加工產品合格數量作為實驗對比指標，通過記錄結果繪制如圖2所示的實驗結果對比圖。

圖2 兩種控制系統實驗結果對比圖

由圖2中的實驗結果可以看出，本文系統控制下大型軋鋼廠重軌生產線生產出的產品合格個數基本均能夠達到20個，而傳統系統控制下產品合格個數相對較少。因此，通過對比實驗證明，本文提出的大型軋鋼廠重軌生產線自動化控制系統在實際應用中能夠有效提高生產線的生產質量，具有更高的控制精度，值的廣泛推廣和應用。

4 結束語

本文通過開展大型軋鋼廠重軌生產線自動化控制系統的優化研究，提出一種全新的控制系統，并通過實驗進一步證明了該方法的實際應用效果。在實際應用本文控制系統時，還可根據具體生產情況，在系統當中引入更多控制指令，以此實現大型軋鋼廠的自動化生產。