典型连铸过程控制计算机系统的实现

潘渤

摘要：随着连铸工艺水平不断发展，对生产控制（结晶器液位，拉速，冷却水流量，切割长度等）的控制精度也越来越高，同时自动化技术和企业整体信息化也越来越趋向于一个整体，连铸过程控制计算机系统正是服务于这样一个大的发展趋势的计算机系统。一方面它接受管理系统的生产指令，并利用数学模型对实时数据分析计算的结果指导和控制生产；另一方面采集基础电气仪表自动化的数据和信号对物流进行跟踪，并对采集到的生产实绩数据进行归纳。它同时也是 MES/ERP系统与电气仪表基础自动化系统之间的桥梁和纽带，三者紧密结合，实现了生产控制的自动化，也实现了信息技术与现代管理技术相结合。本文以宝钢集团八一钢铁股份有限公司二炼钢连铸过程控制计算机系统为例，介绍了典型连铸过程控制计算机系统的具体实现。

关键词：L1L2L3连铸过程控制

中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）08（c）-0032-02

1系统概述

宝钢集团八一钢铁二炼钢连铸过程控制计算机系统覆盖八一钢厂板带工程二炼钢区域的4台垂直弯曲板坯连铸机。连铸机主要参数为：

流数：各1流；切割机：各1台；喷印机：各1台；二冷区：各9个区，16个控制回路。

铸机拉速范围：0.25～2.5m/min；铸机工作拉速：1.0～1.6m/min；板坯厚度：220mm，板坯宽度：750～1600mm；板坯长度：7500～10500mm；板坯最大单重：28.8t/块。该连铸过程控制计算机服务器硬件配置为2台高性能双路双模块冗余机架式容错服务器，其中一台为在线服务器，一台为备份服务器，磁盘采用阵列形式，采用共享磁盘管理技术，提高磁盘的可靠性，防止数据的丢失，减少系统切换的时间。数据库数据存放在共享磁盘阵列上，在线服务器和备份服务器共享数据库数据，保证了服务器切换的速度和数据的一致。服务器部署在L2中心机房，各个连铸电气室和操作室的边缘交换机通过多模光缆连接到L2中心机房的核心交换机，实现连铸过程控制计算机服务器与L1系统以及现场操作终端的网络互联。现场终端采用工控机、一般场所终端采用商务PC机。

系统软件软件上的配置和使用上，服务器的操作系统采用Linux Redhat AS4服务器数据库使用ORACLE 10G FOR LINUX版本，在终端上，安装ORACLE的客户端开发及运行环境包，包括FORMS和REPORTS（开发/运行显示画面和报表），同时安装SQL NET（实现客户端和数据库服务器的数据交互）。

2主要应用技术

与电气仪表基础自动化的通讯，使用了OPC方式，OPC是OLE Process Control的缩写，是一种主流的工业控制数据通讯的标准。目前全世界大多数的知名PLC厂家都提供了基于该标准的OPC Server，任何应用系统只要通过一个OPC Client软件就可以对PLC数据进行读写访问。通过这种机制，应用系统可以在不更改应用程序的前提下实现与不同的PLC厂家的产品通讯。我们使用的OPC Client软件是MultiLink（由宝信软件开发的基础通信中间件），它提供了一系列的API，应用开发人员可以方便的在应用程序中对PLC的数据进行读写， 实现对基础自动化数据的采集、设定及PLC数据变化后通知启动过程计算机的应用程序的功能，并提供了将PLC数据点配置成电文以及查看这些数据点内容的的工具。

与MES（L3）系统以及其他相关系统的通讯使用基于TCP/IP协议SOCKET方式，项目中使用XCOM_PCS（由宝信软件开发的基于TCP/IP协议的SOCKET通信中间件）来实现，与MultiLink类似，它也是提供了一系列简单方便的API（应用编程接口），实现在以太网环境下，基于TCP/IP协议的SOCKET数据通信，同时提供了电文数据类型转换的功能（2进制与ASCII码之间的转换，网络字节顺序和本地字节顺序之间的转换），同时也提供了查询通讯线路状态的工具和查询通讯电文内容历史记录的工具。

应用程序的开发，使用C++与PRO C，PRO C是ORACLE提供的预编译技术，将内嵌标准SQL语句的又混合了C/C++语法的源程序预编译，转换成完全符合C/C++语法的源程序（后缀为.C/.CPP），这样在C++的環境下，就能如同在ORACLE的存储过程中一样使用标准SQL语句方便的与ORACLE数据库交互，又能享受C++这种相对于ORACLE的存储过程要更强大而灵活的开发工具的各种优势。画面的开发使用ORACLE的FROMS。

应用程序的运行平台中间件，使用PLATURE 99（由宝信软件开发的运行平台中间件），它实现的功能包括实现各个应用程序之间的相互启动和调度，同时传递参数；在指定时刻启动某个/某些应用进程；定周期的启动某个/某些应用进程；提供管理维护和查看应用程序报警/LOG历史记录的功能。

3 应用功能

关于连铸过程控制计算机系统的应用功能，主要是从MES和分析等系统接受出钢计划，制造命令和，根据出钢计划画面上的生产计划钢种和制造命令，制造标准等数据，并启动内部动态二冷水，切长优化计算模型，同时将计算结果发送到PLC控制生产，连铸过程控制计算机系统在生产过程中对基础自动化（L1）上传的各个事件、信号进行跟踪，并将实绩生产实绩数据经过计算，过滤和组织，以连铸处理号作为键字来管理存储在连铸过程控制计算机系统的数据库，同时发送给MES（L3/L4）系统，供日后查阅分析，生成报表。

具体的，应用功能分为：工程数据管理，过程跟踪，过程数据采集，实绩数据生成，数学模型，人机界面几大模块。系统内部各模块之间数据流及与外部系统关系如图1所示。

3.1 工程数据管理模块

该模块主要功能为处理接受MES系统、分析系统及其它过程控制计算机系统发送来的信息，包括MES根据合同制定的计划类信息接收（铸造计划，炉次命令，板坯命令）、根据工艺需求制定的质量标准类信息接收（作业标准、制造标准）、其他工序作业实绩类接收（前工序实绩、分析信息，钢包信息等）和运转状况信息。

3.2 过程跟踪模块

该模块主要功能为对于连铸从钢包到达回转台开始到钢包吊走的各作业状况进行跟踪。进行作业状态变更的检查和接受、各作业时间的计算、同时收集浇铸过程中的各种浇铸信息。连铸跟踪的主要作业点包括：钢包到达、钢包浇铸开始、铸流铸造开始、钢包浇铸结束、钢包吊走，铸流铸造开始、铸流铸造结束，切割开始、切割结束、喷印信号，去毛刺信号等。

3.3 过程数据采集模块

该模块主要功能为周期性的收集连铸铸造过程数据，主要包括TD钢水重量，LD钢水重量、铸造长、铸造速度，结晶器上端宽度、结晶器下端宽度、结晶器液面位置、结晶器冷却水温度、入出口温差，结晶器振动频率、振幅，结晶器冷却水流量、二次冷却水流量、二次冷却水压力，辊缝信息等。

3.4 实绩数据生成模块

该模块主要功能为依据生产指令、过程采集及过程跟踪信息，生成板坯生产实绩、炉次生产实绩，把过程跟踪模块采集到的各个关键时刻和过程数据采集到的重要数据如重量，温度，长度等信息对应到具体的炉次和板坯上。

3.5 数学模型

主要包含了动态二冷水，切长优化，品质异常判定三个主要数学模型。

3.5.1 动态二冷水模型

连铸二冷区目标温度控制是通过对整个连铸过程铸坯表面温度的测定，由计算机控制沿拉坯方向的铸坯表面温度分布，使之符合设定的目标表面温度曲线来实现。通过铸坯凝固传热模型计算各二冷段表面温度，与目标温度相比较。当两者有偏差时，及时调整该冷却区的冷却强度，使铸坯表面温度与目标温度尽量靠近，实现二冷区目标温度的控制。

根据二冷模型原理，以钢水进入结晶器为其生命起点，以其根据铸造长对应的板坯出最后一个冷却段为其生命终点。在此过程中，全过程定周期跟踪其接受的冷却水量等数据，实时计算其凝固状态，并推定出其各相区域的分布情况。

根据各铸片的计算结果，综合推定整个铸机内板坯的凝固状态，动态推定出凝固终点位置、两相区和液相区的分布情况。

3.5.2 切长优化模型

切长优化模型以满足合同需求为目标，并兼顾板坯收得率为原则，针对浇铸异常点进行优化。参照板坯制造命令中的切割长度及其上、下限为基准，同时考虑品质异常部位（插铁板、异钢种交接，中间包交换、切尾）计算出钢水不足、钢水多余并根据钢水量的多少应用相关的优化策略进行优化计算，以实现预定板坯的消化，同时争取较高的收得率。钢包钢水浇注开始，参照制造命令，生成该炉次的切割预定，在浇铸过程中，跟踪发生的异常事件，考虑影响的区域（工艺规定），进行优化计算。在板坯切割开始时，根据切割的实际情况进行切割优化的再计算。并把优化结果通过人机界面展现给用户。优化过程主要包括：切割缝隙的考虑，采样的考虑，异常段的优化，板坯在钢水不足和钢水多余情况下的优化。

3.5.3 品质异常判定模型

该模型包含在线判定部分和分析部分2个模块。

在线判定：主要功能是：通过采集炼钢、连铸过程中对连铸的浇铸、板坯质量有可能产生影响的事件进行跟踪记录，并根据内建的模型进行分析，对连铸的质量给出一定的判断结论，从而达到连铸从上台到浇注成材的整个过程中对连铸浇注进行质量判断、提供操作指导，并在板坯产出时，对板坯的整体质量进行判断、提供操作指导。并将以上数据与结论很好地展示给工艺人员。

离线分析：具备很好的开发性，提供足够的离线学习功能和在线扩展功能。工艺人员不但能够对系统定义的异常进行调整，还能够利用模型提供的离线分析工具对历史数据进行分析，从而根据分析发现并定义新的约束条件，并将其加入到在线判定系统中实现自动判定。

3.6 人机界面

人机界面主要提供了计划管理、设备管理、操作监视、模型、实绩、报警和提示信息等画面。每个画面有共通的部分，主要是画面菜单、画面名称、报警或提示信息、工具栏功能键、班别、组别、当前时间。各个操作室和控制室的终端画面的权限通过用户名和角色统一认证管理，不同的角色拥有的权限不一样，看到的画面数量也不一样，对同一幅画面的操作权限也不一样。不同的用户可以拥有一个或者多个的角色。

4结语

通过实施了连铸过程控制系统，八钢二炼钢连铸区域实现了连铸生产过程的全程自动控制和对生产数据的全程监视，管理层亦能了解到现场的实时生产情况，并且所有生产都遵照合同和计划统一调度进行生产，从而提高连铸生产的自动化程度，降低生产人员的作业率，提高了生产效率。通过模型的应用，提高和稳定了铸坯的质量，并提高了铸坯的成材率。

参考文献

[1] 宝信八一钢铁二炼钢连铸过程计算机系统基本设计书.

[2] 宝信自动化研究所连铸模型设计书.