现代棒材轧机信息化、自动化及其发展趋势马竹梧（冶金自动化研究设计院北京100071）1 前言板、管和型材是钢铁工业的主要产品，特别是棒材，是建筑等行业必须的材料，需用量很大，是国民经济急需的产品，而且对品种、质量、价格和交货日期要求越来越高，为了适应激烈的市场竞争、降低成本、改善质量、提高效率、节能降耗，生产过程自动化和信息化是必不可少的。
现代棒材轧机信息化、自动化包括基础自动化、过程自动化和企业管理自动化，通过各种网络通信连成一体，为企业高产、高效、优质、低耗及低成本提供了保证和先决条件。
棒材轧钢厂的企业管理自动化主要是制造执行系统（MES）的形式，并上连以ERP为核心的事务管理系统（BPS）的计算机；基础自动化包括交直流调速及其电力传动控制、以加热炉自动控制和轧线控制（以微张力、活套、控轧控冷、级联为核心）以及人机界面（HMI，监控、各类设定）为主要内容的自动化。
过程自动化主要是跟踪、轧制规程的编制和存储及选择，在没有MES时，还包括某些管理功能。
随着市场对棒材要求的提高，棒材轧钢厂在设备上、新技术使用上也有不少的进展，如直接影响产品弯曲度及包装的冷床上卸钢及下卸钢设备、为了生产超级钢（强度提高40%以上）设置了控轧（在精轧入口装设控轧装置）及控冷（在精轧出口装设控冷装置）设备，这些都对自动化提出更苛刻的要求（如冷床的精确同步、准确的上卸钢及平移交接的下卸钢，精确的控轧控冷控制等）。
2 系统结构与特点现代棒材轧机生产都是全连续的，其流程虽然与产品规格而稍有不同（如精轧机架数量等），下面将以某厂的可生产超级钢的棒材轧制线作为例子，其系统结构见图1。
图1 现代棒材轧机自动化系统框图系统的特点是：●3级自动化系统结构（基础自动化、过程自动化和制造执行系统MES），通过网络连接，组成并行运算、集中管理、分散控制、资源共享的分布式计算机控制系统；●全PLC控制并采用高档PC服务器作为HMI、过程计算机等之用，因而造价低；●过程自动化级与基础自动化级等之间采用星形拓扑结构的工业以太网，可以采用光纤或双绞线作为通信介质，TCP/IP协议，通信速度可以选择10MB/s或100MB/s；●全数字式电力传动，可以选择交流调速或直流调速，同等功率的造价，后者约为前者的1/3-1/2；●仪表包括冷热金属探测器、高温计、活套扫描器、流量压力仪表、脉冲发生器、激光测径仪等；●人机接口以画面形式向操作员提供系统工作状态显示，并能输入/修改控制数据，显示画面简单实用利于维护，故障报警及时反映系统有关设备故障，减少查找时间，提高作业率；●许多机电一体化设备（如3号飞剪、控轧控冷、加热炉、润滑站和液压站等），机电一体化设备越来越多，自身设有完整的控制系统，但需统一连网，和提供轧线必要的连锁与安全信号，由于可能有异种计算机以及其他连接等问题，这是自动化系统必须注意的问题。
3 系统的主要功能3.1 基础自动化的主要功能（1）加热炉PLC。
执行各段炉温、空气流量、煤气流量、空燃比的串级控制及交叉限幅；炉膛压力控制；助燃空气压力控制；助燃空气及煤气温度检测；预热器温度越限报警及控制；汽化冷却控制；加热炉逻辑连锁等顺序控制；钢坯称重及长度检测；钢坯冷热上料控制；步进梁或推钢机控制；出料控制；炉区风、水、气、电等计量与监控。
（2）主轧线PLC。
1）执行粗轧机区逻辑连锁等顺序控制；轧件头部速度冲击补偿；微张力控制；轧机级联控制；2）中轧机区逻辑连锁等顺序控制；轧件头部速度冲击补偿；微张力控制；轧机级联控制；活套控制；3）精轧机区逻辑连锁等顺序控制；轧件头部速度冲击补偿；活套控制；轧机级联控制；4）冷床区逻辑连锁等顺序控制；冷床控制等；5）轧线设备的启动/停止、正反点动及爬行、试小样以及紧急停车控制、单/联调的无扰动切换等。
（3）控轧控冷PLC。
在精轧机组后设置穿水冷却装置，轧件经穿水冷却装置后提高钢材的综合机械性能，在不增加微合金元素情况下，使Ⅱ级钢筋达到Ⅲ钢筋水平，同时可减少二次氧化铁皮的生成量，提高成材率。
PLC按棒材实际温度和目标温度差，并按数学模型控制冷却水流量，然后按出口温度进行自适应修正。
（4）润滑站、液压站、飞剪等PLC均为机电一体化设备。
在在专门章节叙述。
3.2 过程自动化的主要功能（1）轧件跟踪与轧制节奏控制。
轧件自咬入第一架粗轧机一直跟踪到冷床。
利用热金属探测器、电流传感器、电机码盘等作为跟踪信号源，除按有关位置信号源发出控制信号外，还在CRT上显示模拟红钢前进画面。
例如利用在相应地点（粗轧机出入口、中轧机出入口、精轧机出入口、到达飞剪时、到达冷床时）设置的热金属探测器检测出轧件头部位置，到达轧机时，从咬钢冲击，电机电流值突变取信号，当到达各飞剪时，从飞剪电机码盘上取位置信号，到达活套位置时，活套辊推出动作作为信号源等等。
（2）监控。
包括开机画面（轧线各区段启动条件图形显示），轧线各区段过程变量图形及趋势曲线显示，接受MES来的计划和进行轧制计划管理以及轧制程序选择，轧制表的建立、存贮和修改，轧制规程参数的自适应，工程参数的预设定（包括轧辊等技术参数输入）及修改，系统故障诊断，各种故障信息的显示、存贮及打印，生产报表的存贮及打印，打捆机工作监视，有关电力传动的显示（如两路进线高压柜的有功电度表模拟输出信号进入PLC模拟口、18架轧机及9台整流变压器温度巡检仪的超温报警开关量信号进入PLC、高压真空开关合/分闸（接点）信号进入PLC等显示）。
主要画面有：主菜单和子菜单，轧机速度设定画面，轧辊辊径设定画面，轧制程序画面，轧线组态和机架控制选择，轧制状态显示画面（主轧线模拟画面，1~18#机架电流及速度趋势棒图，1~18#机架电流及速度等参数的实时趋势和历史趋势曲线，活套位置基准设定画面，轧线故障（含变压器、电机温度报警）及PLC 故障的报警画面，液压系统阀状态显示画面，控轧控冷画面，帮助画面等。
（3）数学模型运算。
包括加热炉优化设定模型、待轧模型、控轧控冷模型等。
加热炉优化设定模型主要是以工艺理论为基础的物理模型，如新日铁模型（武钢1700mm热连轧引进），它按剩余在炉时间、现在钢坯温度、规格和要求出炉温度等参数，用热传导、热辐射和热交换等理论计算钢坯在炉内行进中各点加热所需的热量及其相应各加热段、均热段所需设定温度，并由实测钢坯温度进行模型自适应；其他还有使用现代控制理论（如离散状态空间模型方法对钢坯升温进行计算）和智能控制理论来建模，但现场成功使用不多。
在国内以工艺理论为基础的物理模型及使用现代控制理论都在研究，其中如Q-P 模型已在多个加热炉实际应用。
控轧控冷模型目前都是离线按钢种、规格、工艺要求计算所需的冷却水流量，然后按出口温度、检验数值、生产经验进行修正，最后形成表格存储在过程机中，在使用时调出应用。
（4）数据通信。
主要是与基础自动化、制造执行系统等通信。
3.3 制造执行系统的主要功能（1）制造标准管理。
（1）制造标准管理。
即棒材生产的工艺制造标准（技术标准等）、作业标准等的输入与维护。
（2）作业计划编制及计划管理（包括合同管理）。
根据ERP（企业资源规划）下达的日计划及当时的生产实绩，编制棒材生产的的作业计划，确定计划顺序及物流顺序。
（3）生产指令生成及下达。
根据确定的计划及质量设计结果自动生成作业指令及PDI数据并转化成给过程自动化级的指令。
（4）生产实绩收集及生产统计。
将棒材生产中的具体设定参数及生产实绩、质量情况（棒材的规格、合格率等）等结果传给MES系统，MES系统根据生产实绩对计划和物料作相应的处理，设置计划执行状态和物料状态。
并可以对物料进行生产经历跟踪以及分品种、规格对生产结果实行实时统计。
（5）质量管理及质量跟踪。
MES系统为各种产品的生产质量控制建立设计基准，包括产品极限规格、各工序工艺控制参数、在线取样要求、成品放行标准等。
下达各种物流的质量判断标准，把生产实绩的质量实绩数据，与判定标准进行比对，对不合格的产品设置状态标志和在线封锁。
并作合同转接等柔性处理。
（6）生产成本的实时控制。
收集各工序的成本数据，包括能源消耗等数据，完成对生产成本的动态核算。
在物料的产出与管理过程中，伴随物料的每次异动情况，MES系统会向ERP的财务系统提供实际的产出量、对应的投入量以及与该物料相关的履历数据等并分析产生成本差异的原因。
（7）生产及设备运行状况监视与技术数据分析与统计。
在线跟踪加热炉、粗轧机、中轧机、精轧机、飞剪和冷床等主要设备运转状况和生产进程，并进行在各种操作状态下，生产结果，分析与统计等，为改进生产创造条件，甚至用优选法、运筹学设立模型以求棒材厂生产优化，从而获得最大的经济效益。
为生产计划的动态编制和及及时调度提供实时依据。
（8）产品库存管理。
包括对整个棒材厂方坯、棒材的跟踪、钢种、规格、在库时间、位置及质量判定的全部信息。
库存分析工具将提供全部库存量及其对订货合同的适用性，包括轧辊信息，即轧辊购买数据、使用历史、修整、存放位置和自动分组以便优化轧辊利用率。
（9）设备管理。
包括：设备基础和动态数据、维护标准和故障等管理（含设备外观、趋势、修复时间和安全要求等记录）、编制维护支持等电气及机械维护计划、生成维护工作单、收集维护记录等。
（10）生产调度。
按照生产及设备运行状况监视与技术数据分析与统计结果，及时进行必要的生产调度，并为生产计划的动态编制提供实时依据。
4 主要控制系统简述4.1 动态速降补偿控制电动机系统在突加额定负载时的动态速降约在5%左右，恢复时间约在0.5s之间。
上述过渡过程将在机架咬钢时影响机架间设定正确的速度关系，使机架间产生轧件堆积。
动态速降补偿系统于咬钢之前在正常的轧机设定速度上迭加一速度增量，咬钢后将上述增量撤销，从而达到减小或消除动态速降影响的目的。
另一方面，一定量的动态速降有助于机架间的活套形成，初始套量的大小在一定程度上可通过改变动态速降补偿值进行控制。
动态速降补偿量一般不大于轧机额定速度的5%。
4.2 微张力控制粗、精轧机组，由于轧件断面过大，难以使用活套，一般采用转矩记忆法（又称初始电流法）进行微张力控制(FTC)。
转矩记忆法的原理是：相邻两机架形成连轧时，转矩的变化都是由于速度不匹配引起拉力或推力变化引起的。
当轧件头部进入第一架轧机，电动机动态速降恢复后，直到进入第二架轧机前，对第一架轧机而言，相当于无前张力自由轧制，记下此自由轧制转矩，当该轧件头部进入第二架轧机时（由负载继电器带载信号作为启动信号），若速度不匹配引起第一架轧机力矩变化，此时通过调节第二架轧机的速度（附加速度补偿值）使第一架轧机力矩回复到记下的自由轧制转矩，同时记下第二架轧机的当前转矩，当轧件头部进入第三架轧机时，以第三架轧机的负载继电器带载信号作为FTCl（第一、二架轧机间的微张力控制）的停止信号，速度补偿保持当前值，同时，把该信号作为FTC2（第二、三架轧机间的微张力控制）的启动信号，依次类推，这就是微张力控制的方法。