重卷过程自动化控制系统的开发与应用

唐山钢铁集团信息自动化部 盛 琪

0 前言

随着钢铁技术的不断发展，自动化技术在工艺生产中起着越来越重的作用，但是在传统的重卷线生产中，多数是采用半自动的控制方式，存在如下问题：（1）操作工在生产过程中要手动输入大量数据，极易输入错误且效率低下；（2）张力设定值、负载等工艺值全靠操作工的经验值，没有科学性连续性，产品质量一直上不去；（3）每个班都需配备一个专人负责打印标签，耗费人力。

高度的自动化控制技术，简化了工艺操作流程，以更合理、更科学的方式控制生产流程和产品质量，是未来钢铁技术的发展方向。重卷过程自动化控制系统的投入使用，摒弃了以往生产全靠操作工凭经验手动输入设定值的传统方式，采用科学合理的自动化控制技术，由计算机程序计算工艺参数值，全自动进行张力控制，简化了操作工艺流程，降低了操作工人为输入出错的概率，减少了产品质量事故，提高了生产产量。

1 系统方案

采用“B/S”模式，其中服务端提供接收报文、发送报文、解析XML数据、物料跟踪、设定值计算、全线张力控制、自动剪切分卷、收集测量值、自动打印标签、网络服务等管理功能；客户端采用将网站镶嵌在WINCC画面的模式，将基础自动化和过程自动化协同在一起，更加直观和方便，用于查看并修改原料数据、成品数据、测量值、设定值等数据，显示线上物料跟踪、控制上卷、分卷、退卷等操作。当操作工在客户端修改数据时，客户端向服务端发送修改请求，服务端先记录下请求信息并存储到日志中再更新数据到数据库中，最后将修改后的结果返回到客户端显示。

2 系统功能

重卷过程自动化控制系统主要功能有：接收三级生产计划、XML数据解析、计算设定值、全线物料跟踪、对带钢进行张力控制，自动剪切分卷、自动打印标签、收集现场测量值、发送成品质量数据等。

2.1 XML数据解析

计划员在三级系统下发计划后，生成XML文件传输到接口，由本系统的触发器触发存储过程对新数据进行解析处理，然后将解析后的数据存入本地数据库。向三级系统发送数据时，本地数据库触发器触发存储过程对数据封装处理，封装完成后存入三级系统远程数据表。这样处理极大的提高了处理效率并且降低了资源开销。结构如图1所示：

图1 与三级的通讯流程

2.2 物料跟踪

物料跟踪一直是自动化控制中最重要的部分之一。本项目采用基础自动化和过程自动化协同处理，基础自动化提供焊缝跟踪数据，过程自动化显示卷号并计算跟踪距离的方式来进行物料跟踪。当操作工将钢卷从步进梁上到开卷机后，全程由系统自动控制并显示，当现场设备检测到焊缝到达时将测量数值传给过程自动化，由过程自动化匹配卷号并计算跟踪，最终再将跟踪数据反馈给基础自动化。

2.3 设定值计算与发送

设定值计算是当钢卷到入口步进梁上后，根据其PDI原始数据，如钢种、宽度、厚度等，自动计算生产过程中所需的设定值，并根据物料跟踪到各区域时，自动将该区域设备所需的设定值发送给基础自动化系统。这里主要分开卷机、拉矫机、检查站、卷取机四个区域发送。当钢卷上开卷机后，自动将开卷机区域所需的设定值发送给基础自动化系统，当焊缝到达拉矫机前，自动发送拉矫机区域的设定值，检查站、卷取机区域以此类推。发送机制采用TCP/IP协议的SOCKET通信技术，发送端主动向接收端请求连接打开通道，将要发送的内容封装成包发送到接收端的IP地址和端口上。

2.4 张力控制

张力控制是重卷线生产的最核心环节，决定着重卷线产品质量的好坏，也是自动化水平高度的体现。在传统的重卷线系统中，张力控制全靠操作工凭借经验手动控制，高度依赖操作工的工艺水平和经验，没有科学性和连续性，容易发生质量事故。本系统根据现场生产经验、设备性能参数与科学的工艺理论、自动化技术相结合，建立了一套独有的张力控制模型。如卷取机张力参数计算公式如下：

（1）因子A=(Tmax-T)/(Tmax-Tmin)

注：Tmax：分组最大厚度；Tmin：分组最小厚度；T：带钢实际厚度。

（2）卷曲张力RT=(Rmax-A×(Rmax-Rmin))×T×W

注：Rmax：分组最大张力；Rmin：分组最小张力；W：带钢实际宽度拉矫机是重卷线生产和修复问题卷的重要设备，其张力控制也是最难的,我们根据拉矫机设备性能参数和其前后段的张力控制建立了一个数学模型来计算张力。其中的一个公式如下：

张力系数Y=(X4+1)×T2×1.6+T1

注：T1：开卷机张力；T2：卷取机张力；X：拉矫机某性能参数。

2.5 自动剪切分卷技术

自动剪切时，剪切模式分为按焊缝剪切和按重量剪切两种模式。如果按焊缝剪切，当跟踪到下一焊缝到飞剪前时，会自动减速，在焊缝前剪切。如果按重量剪切，系统会根据分卷规则、分卷最大最小重量和该卷实际剩余长度以及按拉矫机延伸率得出的预计延伸长度进行计算，得到下一次剪切长度。当带钢到达该长度后，自动减速剪切分卷。计算公式如下：

（1）分卷最小长度Lmin=Wmin×(1+E/100)/W×L

（2）分卷最大长度Lmax=Wmax×(1+E/100)/W×L

（3）总长度Lt=Lr×(1+E/100)

（4）将总长度L在(Lmin, Lmax)区间范围内循环平分取余，计算出下一次剪切长度。注：Wmin:分卷最小重量；Wmax:分卷最大重量；E:延伸率；W:实际重量；L:实际长度。

3 应用效果

系统上线后，取消了很多手动输入、分卷、分配卷号等传统流程，减少了人为失误造成生产事故的发生，实现了全流程跟踪自动控制；解决了以往生产控制全由操作工凭经验操作的问题，由系统自动进行计算控制，使得张力分配更加合理科学，因张力问题造成的生产事故和质量事故明显下降，大幅提高了产量和质量。