冶金工业轧制自动化主要技术现状与发展方向.pdf

第3 9卷第3期 2 0 1 5年 5月 冶 金自 动 化 Me t a l l u r g i c a l I n d us t r y Au t o ma t i o n Vo 1 ． 3 9 No ． 3， pl一9 Ma v 2 01 5 综 述 与 评 论 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 0 7 0 5 9 ． 2 0 1 5 ． 0 3 ． 0 0 1 冶 金 工业 轧 制 自动化 主要 技术 现 状与发 展 方 向 张勇军 ， 何安瑞 ， 郭 强 。 1 ． 北京科技大学高效轧制国家工程研究中心， 北京 1 0 0 0 8 3 ； 2 ． 北京科技大学设计研究院有限公司， 北京 1 0 0 0 8 3 摘要 阐述冶金工业轧制 自动化技术的特点和主要 内容 ， 总结轧制 自动化关键技术的发展现状， 分析相关方 面的优势与不足， 指出轧制 自动化技术 的未来发展将会以大数据、 物联网、 云计算等为基础 ， 向更有效服务于 制造装备业的智能化 、 信息化、 绿色化方向发展 ； 除解决传统的精度、 质量与效率问题 以外 ， 在轧制 自动化技 术发展 中应更加注意相关技术与全流程信息化概念的融合 ， 重点关注依然长期依赖进 口的关键装备与技术 的消化吸收和国产化。 关键词 冶金工业 ； 轧制 自动化； 质量控制； 信息管理 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 0 5 9 2 0 1 5 0 3 430 0 1 4 3 9 Cu r r e n t s i t u a t i o n a n d d e v e l o p me n t d i r e c t i o n s o f ma j o r t e c h n o l o g i e s f o r r o l l i ng a u t o m a t i o n i n me t a l l ur g i c a l i n dus t r y Z H AN G Y o n g - j u n ， HE A n ． r u i ， G U O Q i a n g ’ 1 ． N a t i o n a l E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C e n t e r f o r A d v a n c e d R o l l i n g T e c h n o l o g y ， U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ； 2 ． D e s i g n a n d R e s e a r c h I n s t i t u t e o f U S T B C o ． ， L t d ． ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a Ab s t r a c t Ma j o r t e c h n o l o g i e s f o r r o l l i n g a u t o m a t i o n i n me t a l l u r g i c a l i n d u s t ry a n d t h e i r f e a t u r e s a r e i n t r o d u c e d ． T h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f t h e r e l e v a n t t e c h n o l o g i e s a t p r e s e n t i n C h i n a a r e p r e s e n t e d a n d a n a l y s e d． I n t h e f o r e s e e a b l e f u t u r e， t h e r o l l i n g a u t o ma t i o n t e c h no l o g i e s wi l l b e d e v e l o p e d o n t h e b a s i s o f b i g d a t a， i n t e r n e t o f t h i ng s， c l o u d c o mpu t i ng， e t c ． And t h e d e v e l o pme n t d i r e c t i o n s a r e i n t e l l i g e n t i z a t i o n， i n f o r ma t i z a t i o n a n d g r e e n i z a t i o n， wh i c h wi l l ma k e t h e s e t e c h n o l o g i e s wo r k f o r t h e ma nu f a c t u rin g i nd u s t ry mo r e e ffic i e nt l y． I n t he p r o c e s s o f de v e l o p me n t ， be s i d e s s o l v i ng t he p r o bl e ms o f a c c ur a c y， qu a ul i t y a nd e ffic i e n c y， mo r e a t t e n t i o n s h o u l d b e p a i d t o t h e i n t e g r a t i o n b e t we e n r e l a v e n t t e c h no l o g i e s a n d t o t al p r o c e s s i n g i n f o r ma t i o n c o n c e p t i o n， e s p e c i a l l y t h e di g e s t i o n a n d a bs o r p t i o n o f k e y e q u i p me n t a n d t e c h n o l o g i e s wh i c h a r e s t i l l d e p e n d e n t o n i mp o r t i n g f r o m o t h e r c o u n t rie s ． Ke y wo r d s me t a l l u r g i c a l i n d u s t ry ； r o l l i n g a u t o ma t i o n； q u a l i t y c o n t r o l ； i n f o r ma t i o n ma n a g e me n t O 引言 中国冶金 工业 经过 多年迅 猛发 展后 正处 于 艰难的转 型期 ， 企业面 临着资 源 、 成本 、 环保 、 市 场等多方面的压力 ， 轧制生产过程作为成品材加 工的主要工 序 和最 后 一道 工 序 ， 对 提高 产 品质 量 、 降低生产成 本 、 合 理使用 资源及 提高企业 综 合实力十分重要， 在一定意义上起着决定性的作 用 卜引。第 4次工业 革命 的到 来 为包括 冶 金工 业在 内的传统产业 带来 了新 的发展契机 ， 轧制领 域 的 自动化技 术作为科技创 新 的前沿 在提升企 作者简介 张勇军 1 9 7 3 一 ， 男 ， 副研究员， 博士； 收稿 日期 2 0 1 4 9 ． 2 4 冶 金自 动 化 第3 9卷 业核心竞争力 、 促进企业战略发展 的转 型过程 中 必将起到至关重要的作用 。 自2 0世纪 9 0年代开始 ， 在信 息技术 和控制 技术的迅猛发展和广泛应用的推动下 ， 冶金行业 中涌现的与短流程 、 高效率 、 低能 耗相关 的新技 术 、新工艺被不断应用 ， 与提高产 品外形 尺寸精 度、 表面和内部 质量相关 的技术更 加受 到重视 。 与此同时 ， 生产技术装备 向大型化 、 连续化迈进 ， 信息技术 、 控制技术使检测和执行设备取代 了传 统的人工操作 ， 工艺参数 的检测方法和检i 贝 0 羡 得到了高速发展； 以信息检测、 模型控制、 系统 化为核心的轧制 自动化技术也在 向着智能化 、 息化 、 绿色化方向发展 。 现代冶金工 业 中的轧制 自动化是 一个 典型 的多学科综合融合技术 ， 从基本的执行元器件到 一 体化管控平 台 ， 涉 及到 电气 工程 、 控制 科学 与 工程 、 信息与通信工程 、 计算机科学与技术 、 机械 工程 、 材料科学 与工程 、 管理科 学与工 程等 多个 一 级学科。随着企业对 质量要求 和成本 目标 的 不断提升 ， 工 艺装备与 管理水平 也不断 进步 ， 企 业 由粗放型经 营 向集约化 经营转 变 ， 以 自动 化 、 信息化 、 智能化为特点的现代轧制技术为这种转 变过程提供 了强有力 的支撑 。 本文对现代冶金 工业 的轧制 自动化 相关 的 现有主要技术进行 回顾和总结 ， 并对其关键 技术 需求及未来发展趋势做 出展望。 1 发 展及现 状 传统意 义上 的轧制 自动化 系统 为典 型 的 3 级结构 ， 由基础 自动化系统 L l级 、 过程 自动化 系统 L 2级 和生产 自动化系统 L 3级 组成 ， 各 级之间由高速通信 网络连接 ， 构成一个按 功能和 区域划分的分布式 控制 系统。随着轧 制工艺 进 步和产品质量水平的不 断提升 ， 轧制 自动化技术 的内容和范围也有 了扩展 ， 向前包 含 了以电气与 液压传动为代表的设备执行系统 L O级 ， 向后 可 以外延到 以生产管控 为核心 的制造执 行 系统 ME S ， L 4级 以及 以信息 和管理 技术 为核心 的 企业信息化系统 I 5 级 ， 还包 括 以设 备状态 和 产 品质量监控为 目标 的综合分析检测系统 。 1 ． 1设备执行 系统 轧制过程 中 的设备 执行 系统 主要包括 各类 电动机 、 液压缸 、 电磁铁 、 阀门和开关 等 ， 其 中与 自动化控制 水平密切相 关 的关键 设备 主要为 轧 机的主传 动电动机控制及液压伺服控制 。 轧机主传动系统是轧制生产 的核 心装备 ， 其 特点是单机容量大 2～ 2 0 M V A ， 要求电流和 速度响应快 、 调速精度高 、 转矩脉动低 、 动态速 降 小 。在过去很长一段时间 内， 由于功率器件 和控 制手段的限制 ， 这 一领域长期 以直 流传动 为主 ， 但直流电动机的固有缺陷限制了轧机主传动 向 大型化 、 高速化方向的发展 。随着功率半导体器 件的更新换代、 矢量控制与直接转矩控制等先进 控制算法的出现 ， 交流变频调速系统逐步开始取 代直流调速 系统 。应用 于轧机 的交流调 速 系统 主要有交交变频 和交直交 变频两类 。与直流 传 动相 比， 交交变 频很容 易实现 电动运行 、 再 生制 动 、 正反转 和电气传动 4象限运行 ， 具 有转换 效 率高 ， 无需换流装置等优点 ， 目前 国内已在低 速 、 频繁 可 逆 的 大 功 率 轧 制 传 动 中 得 到 成 熟 应 用 j ， 但交 交变频 系统又 有输入 侧 谐波 大 、 功 率因数低、 调速范围窄等缺点。而以新型全控功 率半导体器件为代表的交直交变频调速能够克 服上述缺点 ， 逐步成为近些年轧机主传动系统改 造的主要方向 一 7 3 ， 但交直 交型轧机主传动技术 与装 备 目前基本被 国外几家公 司所垄 断 ， 一次性 投资成本较 高。2 0 1 3年 1 0月 ， 国内首 次将 大功 率 的高性能交直交 变频技术应 用在超 宽 幅的铝 合金板带热连轧生产线上， 取得了与国际先进技 术和装备同样的控制效果 ， 这对于促进该技术的 进步及 降低企业投资成本将产生重要影响 j 。 高速 、 高精度 的液压伺服控制是实现精确 轧 制质量控制 的关键 ， 其闭环控制部分 主要在基 础 自动化系统 中实现 ， 对精 度要求 高 的应 用场合 ， 主要执行机构 的本 体设备 还依赖进 口或合 资企 、 【 生 产 。 第3期 张勇军， 等 冶金工业轧制 自动化主要技术现状与发展方向 3 1 ． 2 基础 自动化 系统 轧制过程的基础 自动化系统 L l级 一般采 用高性能控制器 HP C 或可 编程控 制器 P L C 等对轧机及其辅助设备进行直接控制 ， 承担着各 种生产工艺参数 的计量检测 和设 备逻 辑控 制任 务 ， 包括速度控 制 、 位置控制 、 开关 控制 、 启 动逻 辑 、 轧件跟踪等 ， 实施控制 的主要依据来 自冷／ 热 金属检测 器、 测 温仪 、 测力仪 、 测宽 仪 、 测厚仪 等 检测仪表 ， 通常还配置人机 接 口系统及数 据采集 系统 。L 1级一 般通 过现 场总线 、 工 业 以太 网等 多种通信 网络分别 与 L o设 备执行 级和 L 2过程 自动化级进行数据交换 。 基础 自动 化作为设 备与工 艺直 接衔接 的重 要组成部分 ， 起着 承上启 下 的作用 。一般来 说 ， 生产工艺控制越复杂 ， 基础 自动化的复杂程度 和 功能要求就越高 ， 如热 轧带钢生 产 中， 自动厚度 控制 AG C 、 自动宽度控制 A WC 、 速度级联控 制等都在 L l 级 中实现 。中国冶金企业 中这 一 级 的控制系统基本上得到普及 ， 但控 制效果 良 莠不齐 ， 由于 L l级 的控制 直接关 系到设备 执行 情况 ， 与生产效率和产品质量息息相关 ， 因此 ， 针 对这一级 的技 术升级 改造也是 近些年 最为频 繁 和难度最 大的。 中国在 系统集成 及控 制功 能开 发上已具备与 国外先进技术抗衡 的能力 ， 成套技 术 已经应用于莱芜钢铁集团有 限公司 1 5 0 0、 武汉 钢铁 集 团 公 司 1 7 0 0、 广 西柳州钢铁 集 团 公 司 1 4 5 0等热连 轧 生产线 ， 但 目前所 有 L l级 使用 的高性能控制器 、 P L C等核心硬件产 品还依 赖 于进 口 。 1 ． 3 过程 自动化系统 过程 自动化级 L 2 是提高产品质量 、 保证生 产过程优化控制 的重要环节 ， 一般 由过程控制计 算机系统 的软 硬件 实 现 ， 包 括工 艺 控制 数 学模 型、 数据 库 、 中间件 平 台、 过 程 数 据 接 口 P D I 等 。L 2级 的主要功 能包 括轧 制规 程设 定 、 模 型 计算、 数据分析、 质量控制、 报表生成等， 其中， 轧 制规程设定与模型计算为核心功能 ， 它们直接决 定 了材料轧制中的变形情况 ， 同时板带 生产 中的 板形控制功能也依托这一级来实现 ， 对 产品 的形 状尺寸精度 和组织性 能有 至关重 要 的影响 。为 了提高设定计算 的精度 ， 除了进行初始设 定计算 外 ， 还需根据轧制过程 中实测 的温度 、 厚度 、 轧制 力等参 数 的变化 情况 ， 对计 算 结果 进 行不 断 修 正 ， 通过模 型的 自适 应 、 自校正功 能实 现轧制 过 程的最优化 ， 从而提高系统的预报和控制精度 。 冶金企业早 期引进 了世界 先进 的过程 控制 系统及其模 型 ， 通过对 国外技术 的消化 吸收与创 新性开发 ， 中国已经掌握 了先进 的轧制过程计算 机系统及数学模型 ， 进而形成了众 多具有 自主知 识产权 的技术 ， 取得 了如带 钢热 连轧计 算 机控制系统 、 冷连轧机轧制过程动态 仿真及控制 优化 、 宽带钢冷连轧工艺及模 型控制 技术研发与 集成等一批具有国际先进水平的科技成果 ， 并将 其应用 于重庆钢铁 集 团 有 限责任 公 司 1 7 8 0 、 广西北海诚德不锈钢有限公 司 1 6 3 0 、 福建鼎信科 技有限公司 1 7 8 0等生产线 。在新建 和改造 的轧 制过程 自动化系统 中， 国产 系统也 占有 了越来越 大的份额 。 1 ． 4制造执行 系统 冶金行业制 造执行 系统 ME S 由各 区域管 理计算机系统的软硬件和数据库平 台构成 ， 主要 完成在线作业计划和生产 调度管理 、 质量跟踪控 制等功能。这一级相对起 步较 晚 ， 但也越来越得 到用户 的关注和认可E 1 4 ] 。轧制过程 的 ME S作 为 整个流程的重要组成部分 ， 使生产控制 系统 和管 理信息系统能够实现无缝对接 和系统集 成 ， 生产 中的实际数据 和生产管理指 令顺 畅地上传 和下 达 ， 在整个系统架构 中的位置和作用十分重要 。 中国重点 冶金 企业 的 ME S普及 率 比较 高 ， 基本实现了冶 、 铸 、 轧一体化 计划 编制及 动态调 整 、 事件 驱动 的 全过 程合 同动态 控 制 和实 时跟 踪 、 全流程物流跟踪 、 库存 动态管理 等功能 ， 但在 大量的中小型冶金企业 中 ME S还有 待建设或需 要完善。此外 ， 面向能源管控的许 多功能在部分 现场得到一定 的推广应用 ， 可以实现能源远程监 控 、 集 中调 配 以及 能源计 划／ 质量／ 设 备／ 成本 综 冶 金自 动 化 第3 9卷 合管理等功能； 针对生产过程中各工序之间和工 序内部实现质量信息的采集 、 处理 、 分析 、 追溯和 控制等难题 ， 目前开发和研制 的具有质量统计过 程控制 、 产品质量分析等功能 的全流程工艺质量 在线监控与分析诊断系统也将逐步成为热点。 1 ． 5 企业信息化系统 随着冶金企业管理水平 的不断提高 ， 基于上 述生产过程 控制及 ME S平 台 ， 企业 信 息化 系统 建设也得 以进一 步发展 ， 以互联 网和工业 以太 网 为基础 的企 业 资源计 划 E R P 、 客 户关 系管理 C R M 和供应链管理 S C M 等都有了成功的应 用。以管控衔 接 、 产销 一体 、 信 息 流／ 物资 流／ 资 金流同步为特征 的体系通 过信息化技 术可 以对 分散的信息数据孤 岛实现信息融合 与共享 ， 并把 信息化从生产性环节延伸到服务性环节 ， 为更好 地满足客户需求 、 实现精细控制生产成本等发挥 更大作用 。 企业信息化系统从广义角度来说 ， 实际上 是 可 以囊括整个生产和管理环节 的信息 网络 ， 生产 和管理环节包括从提供信号 的检测元件 、 负责设 备动作的执行元件 ， 到基础 自动化 、 过程 自动化 、 ME S ， 再到企业 E R P等 。依据这 一系统平 台 ， 还 可以进一步将企业绩效管理与分析 、 工业研发设 计优化等都纳入 到信息 系统建设 体系 。除部 分 大型企业外， 中国冶金企业的全方位信息化系统 普及率并不 高 ， 在 轧制领域也 是如此 ， 利用 数字 化 的生产设 备 、 智 能化 的生产 过程 、 集散化 的制 造执行平台等， 将传统工业生产与现代信息技术 结合 ， 真正实现现代企业信息化， 这方面还有大 量的工作需要完成。 1 ． 6 综合分析检测系统 轧制过程 中的综合 分析检 测 系统 主要 实现 生产设备状态 的故 障监测 和诊断 以及对 产 品质 量信息的检测和分析。由于轧制过程的输出一 般 为最终产品或半成品， 对质量可靠性 和稳 定性 有极高要求 ， 且 由设备异常引起的质量 问题难 以 在上述各级控制与信息化系统中及时检测发现， 因此 ， 对设备状态的实时监控和对产 品质量 的实 时检测是维持有效稳定生产 、 避免 出现大范 围问 题产品的有效途径。随着高性能 、 智能化检测仪 器仪表 的出现和计算机软硬件 的高 速发展 ， 现代 综合分析检测技术能够为轧制 生产 质量管理 、 设 备在 线 监 视 和 故 障 分 析 提 供 越 来 越 多 的 信 息 ] 。 在设备运行状态信息检测技术方 面 ， 以 自动 化检测为背景的设备故障诊断技术在信号采集、 数据传输 、 诊 断方法与系统集成等方面都有 了很 大发展。已研制 出可在 多种极端 恶劣条 件下运 行并具有高可靠性 的精密传感器与检测系统 ， 能 够对轧制中主要 工艺设 备 的机械 、 电气 、 环境 等 状态进行有效在线检测 ， 部分系统还融合 了无线 传感器和远程 网络技术 ， 如附着式传感器通过测 量热轧机高温立柱应变间接测量 轧制力 ， 旋转轴 扭矩遥测装置实现对大型轧机等主传动扭矩的 在线遥测等 。 在产品质量信息检测和分析技术方面 ， 中国 在高速带钢多功能检测 系统 、 热轧板带材表 面质 量检测 、 原材料铸坯 表面质量 检测 、 冷轧 带钢板 形检测 、 高精度冷轧带钢截面轮廓检测等关键 技 术上都取得很大进步 ， 精度和稳定性得到提高。 针对高端产 品的质量检测控制 ， 普遍应用 了计算 机 图像处理技术 、 激光和无损检测等先进检测技 术 ， 形成了多项具有 自主知识产权 的检测装置及 技术 。 从整个行业应用情况 上看 ， 轧制过程 中的综 合分析检测技 术及产 品的使用 率和应 用效果 与 中国冶金行业 的发展水平不相符 ， 状态监测与故 障诊断系统在检测精度 、 网络化 、 跨平 台 、 可扩展 性等方面有待进一步提高 ， 大量高精尖 的仪器仪 表还依赖进 口。 2 关键技术 轧制过程 中涉 及到 的 自动 化设备 和系统 比 较 多， 其 技术 水 平对 最终 产 品 的质量 影 响也 最 大 ， 是冶金 自动化技术应用最集 中的地方。轧制 自动化技术实施的主要目的是提高生产效率、 改 进产品质量、 降低生产成本、 改善劳动条件等， 其 第3期 张勇军， 等 I 冶金 工业轧制 自动化主要技 术现状与发展方向 5 中降低成 本 和改进 质 量 日益 成 为关 注 的重 点。 降低成本包括对 自动化系统 一次性 投资 和运行 成本等进行控制 ， 而产品质量通常包 括尺寸形状 精度 、 内部组织性能 、 表面状况等 主要方 面 ， 围绕 这些重点关注 的内容 ， 轧制过程 自动化 的关键技 术也得到快速发展。 2 ． 1 产 品尺寸精度控制 轧制产品 的外形 尺寸控 制技 术 主要 指轧 制 过程 中按照 产 品尺 寸设 定值要 求进行 的动 态调 整技术 ， 主要应用 于板带 材生产 中， 包括 A G C和 AW C。 相对成 熟 的 A G C技 术包 括 根据 轧制 力 由 弹跳方程 间接计算厚度偏 差改 变辊缝 以消 除厚 度偏差 的压力 A G C、 根据轧机出 口测厚仪测 出的 厚度偏差调节 辊缝或张力 以消 除厚度偏 差 的监 控 A G C、 根据入 口测厚仪测得的厚度偏差调节辊 缝或张力以消除厚差的前馈 A G C 、 根据各 机架人 出 口金属秒流量 恒定原理 调节辊缝 或 张力 以消 除厚差的秒流量 AG C等。各种 AG C控制的实施 效果不仅依 赖于 A G C控制 软件本 身 ， 而且 与模 型计算和设定精度 、 检测仪表及执行元件 响应速 度等都有密切关系[ 1 8 - 2 0 ] 。 冷连轧过程 中速度 快 、 轧制力 大 、 产 品精度 要求高 ， 不 同的机架需要按控制功能的需要采用 几种不同的 A G C， 另外 ， 通常还需 要加入 轧辊偏 心补偿 、 轧辊轴 承油膜厚 度补偿 、 加 减速过 程 中 惯性和摩擦 因数补偿等功能 ， 以获 得理想 的控制 效果 - 2 2 ] 。合理 配置多 种厚 度控 制措施 后 ， 目 前现代冷连 轧机组 的厚 度偏差 精度 可 以控制 在 厚度尺寸 的 1 ％ 以内。 热连轧过程 的温度作用要 比冷轧强烈 ， 且成 卷轧制轧件头尾与 中部的状态变化大 ， 因而厚度 控制难度更 大。通 常采用 弹跳方 程计算 轧件 头 部在 咬入精轧机组时 的厚度 ， 并将它作 为控制 目 标值 ， 除不同机架需要按控制功能要求组合多种 上述 A G C外 ， 绝对 值 AG C的引入 可 以进一步缩 短指标超差长度 ， 这种方法 中的绝对厚度 目标值 由设定模型给定 ， 根据实测轧制力与预设定 轧制 力 的偏差改变压下位 置 ， 使轧 出的板厚达到设定 计算的 目标厚度 。此外 一些 热轧 机组借 鉴冷连 轧 的经验 ， 在精轧机组 的机架间安装测速仪和测 厚仪 ， 进行前馈控 制和 自适 应 控制 ， 大 幅度 提高 了热轧产 品 的头部 精度 。 目前 现代 化热连 轧机 的厚度控制精度在 0 ． 0 2 5 mm之 内的可达全长 的 9 5 ％ 以上 ， 甚至更好 。 中 宽 厚板 的轧制过 程需要 在一个机 架 内 往复进行 多道次轧制 ， 辊缝 尺寸 变化 幅度大 ， 而 且轧件短 ， 头尾 占的 比例 大 ， 纯轧制时 间短 ， 动态 过程 中进行 厚度控制 难度很 大 。通过 采用 高精 度 的设定模 型和绝对值 A G C方法并结合近距 离 安装测厚仪等措施提高厚度控制精度 ， 目前 同板 差可 达 - 4- 0 ． 0 5 0 mm， 异 板 差 可 达 - t- O ． 1 0 0 mm。 另外 ， 在热轧粗轧和 中 宽 厚板 的生产过 程 中， 轧件头尾 变 形条 件 与 中部差 异 较 大 ， 头尾 温 度 低 ， 没有外力 的作用 ， 容易 在轧件 头尾产 生失 宽 从而影响宽度控制精度和成材率。为此 ， 在实 现 A WC的同时 ， 可在立 辊轧 制道 次 中加 入对 头尾 失宽的补偿 控制 ， 主要包 括立 辊短行 程控制 、 轧 制力反馈控制 、 机前测宽仪前馈控制及宽度模 型 自学习等功能 。 棒线材的尺寸精度控制与板带材不 同 ， 在没 有带料压下 的调节装置前 ， 尺寸精度主要 由孔型 设计和手 动调整 的水平决 定 。随着 精轧机 架带 液压压下轧机及高精度减定径机组 的出现 ， 针对 棒线材尺寸精度 的 自动外 径控制 A DC 也 应运 而生。配置 了 A D C的棒材轧机 可以采用多种动 态调整手段大 幅度提 高棒线材 生产 的外形尺 寸 控制精度 。 2 ． 2板 形 控 制 板形控制技术主要应用 于板带材生产 ， 包 括 平直度控制 A F C 和断面轮廓控制 P C ， 其中， AF C对 冷 、 热轧带材 和 中厚 板都非 常重要 ， 是 板 形控制 的重点 。具有板形控 制功能 的轧机 主 要包括在线连续改变凸度 C VC 轧机 、 通过 中间 辊横移控制轧机横向刚度 H C 轧机、 通过工作 辊与支 撑辊 成对 交叉 控制 辊缝 凸度 P C轧 机 6 冶 金自 动 化 第3 9卷 等 。 冷连轧过程由于张力较大 ， 板形缺陷不易 肉 眼发 现 ， 常用分段测量辊测 出轧件横 向张力 的分 布后换算得 到板形值 。对测 得 的板 形缺 陷通过 弯辊 、 轧辊横移或交 叉 、 冷 却水分段 等 的调节进 行实时控制 。而热连轧过 程无法在线采用 冷 轧用 的分段辊式板形仪 ， 通 常采用激光式板 形仪 或多功能仪在轧 制过程 中得到板 形数据 。板 形 控制的主要执行机构是轧机的弯辊和窜辊 心 - 2 6 ] 。 中厚板轧制中轧件 的厚度相对较 大 ， 金属横 向流动 自调节能力较强 ， 平直度 问题 不突出。对 板形的关注多集 中于轧件平面形状的控制 ， 以尽 量减小切头、 切尾 、 切边造成 的金属损失 ， 同时板 形控制功能也兼顾 中厚板轧 机的断面 形状 与轧 制稳定性控制 。 2 ． 3组织性能控制 在成分一定的条件下 ， 最终产 品性能 由其微 观组织决定 ， 它是轧制过程 中再结 晶、 相变、 晶粒 形核与长大 、 微合金元素析 出等一 系列物理冶金 过程演 变 的结 果。 因此 ， 对特 定成 分 的金 属 材 料 ， 其成 品组织性能 由轧制过程参 数决定 。而轧 制过程 中对轧件组 织性能 的控制 主要 通过控 轧 控冷实现 ， 包括轧件变形量控制 以及轧件温度和 冷却 速度控制[ 2 7 - 3 0 ] 。轧件变形量控制 主要取决 于工艺参数和模 型设定 ， 而轧件温度控制通过机 架 间冷却和轧后加速冷却等方式完成 ， 如 热轧卷 取温度 、 中厚板 加速冷却 、 棒线 材穿水 冷却 等控 制 ， 冷却 速度 控制 除 了冷 却水 阀门开 关控 制 以 外 ， 还设有流 量调节 和辊 速调节 ， 以满足终 冷温 度精度的要求 。 根据物理冶金原理 ， 利用轧制生产线 的在线 参数检测和计算机系统的数据处 理功能 ， 结合控 轧控冷等技术 ， 能够实现生产过程 中产 品关 键性 能参数 如屈服强 度 、 抗拉 强度 、 延伸率 等 的在 线预报 以及产 品组织性能 的在线控制 。 2 ． 4 面 向全流程的质量判定与稳定生产控制 面 向全流 程 的质 量判定 与稳定 生产控 制技 术 ， 用于提高产 品质量 ， 解决 影 响成 品 质量环节 多 、 关联 性 大 、 质量 缺 陷难 以确 定 原 因等 问题 。 中国在金属制品， 尤其是钢铁产品上 已经实现 了 大批量生产 ， 但产品的形状 、 尺寸、 表面及性能 的 波动范 围与 国际先进 企 业相 比仍有 较大 差 距。 总体趋势正在 由单工序 质量 自动 检验 与判定转 向全流程判定 ， 利用全流程质量信息监控 与分 析 系统实现对产 品质量 的检测 ， 并 为材料 深加工和 质量控制提供全局数据 。以企业信 息化 平 台 为基础 ， 通过对冶金生产过程的综合质量数据集 成 ， 建立有效 的实 时质量分析 及优化 控制平 台 ， 准确界定质量问题的成因， 从而实施预防和控制 的手段 ， 对 实 现高 质量 产 品 的稳定 生 产意 义 重 大 。 3 发展 趋势 中国大型冷 热连轧 机、 高速线材 轧 机 、 控 轧 控冷装置等大批先 进装备 的制造 和研 发 已基本 实现国产化或 自主系统集成 ， 国内的轧制 自动化 技术水平也得到迅猛发展 ， 但应清醒地看到 与国 际顶尖水平 尚存在差距 和不 足 。轧制 自动化 技术 的发展 ， 除解 决轧制 本身强 调的精度 、 质量 与效率 问题外 ， 领域 中相关技术 与大数据 、 物联 网等信息化概念 的融合将是 重要方 向， 此外 ， 还 需重点关注长期 依赖进 口的关键装 备与技 术 的 消化吸收和 自主研发 。 3 ． 1 高端装备和技术的研发 尽管冶金轧制领 域基 本普及 了具有 多级 自 动化功能的检测 、 控制系统 ， 但应该注意到 ， 无论 是 L o级的高性能 中压交直交轧机 主传动 、 L l级 的 HP C， 还是轧制线 上高端 的检测分 析仪表 如 高精度测厚仪、 多功能板形仪 、 轧制力与张力测 量仪等 ， 都还依赖于国外进口， 针对这些设备和 检测仪表 的研发还有大量工作需要完成 。此外 ， 为适应产品质量 提高 、 品种开发 能力 的需要 ， 具 有高精度轧制能力 及多功能 在线热 处理能 力 的 成套装备技术也成为重要发展方向， 主要包括高 精度轧 制 和在线 检 测技 术 、 全 流程 板形 控 制技 术 、 新一代控轧控冷技术 、 三辊轧机／ 高精 度棒 线 材定减径机组等等[ 3 。以轧机 交流 主传动 系统 第3 期 张勇军， 等 冶金 工业轧制 自动化主要技术现状与发展方向 7 为例， 中国虽然已经具备交交变频主传动的集成 能力 ， 但核心控 制器 的软硬件依 然依 赖进 口， 国 外供货商借此赚 取高额 的利 润。而整体 更为先 进 的大功率交直交中压变频轧机 主传 动系统 ， 由 于技术与价格 的主动权掌握在 国外企业 手 中， 因 此 国内还没有真正具有市场竞争力 的成熟装 备。 核心技术装备和技术 的缺乏 ， 直接导致冶金企业 在投资成本 和售后服务 上 只能处于被 动接 受 的 状态。 以热连轧全线计算 机控制系统为例 ， 在 中国 掌握此项技术并具有竞争力后 ， 企业 建设 同等水 平生产线 的投资成本将缩减至原有 的 1 ／ 4左右 。 具有 自主知识 产权 的高 端装备 和技术 不仅仅 意 味着投资和使用成本的降低 ， 也是打破国外公司 垄断 ， 提高中国冶金行业核心制造装备 的 自主配 套能力和产业竞争力的必 由之路。 3 ． 2 大数据支持的控制优化技术 大数据技术 在促进 工业化 与信 息化融 合 方 面的作用 已经在很多方面得 到体 现 ， 成为带动 检 测与控制 、 决策功能进一步发展 的重要技术 。将 云计算 、 大数据技术应用于传统冶金生产过程 的 全流程和全生命周期 的数据分析挖掘 ， 能够对控 制过程优化起到有效支持 ， 也可为进一步提高金 属制品的轧制质量及生产效率 、 降低 生产成本及 节能降耗 、 实现绿色制造提供新的思路 。 作为整个冶金生产工序 中的主要环节 ， 轧制 过程 每时每刻都在产生大量的过程数据 ， 包括合 同订单信息 、 产 品规范 、 工艺参 数 、 生产 消耗 、 实 绩曲线 等 ， 这些数据与过程质 量控制、 成本控 制、 精度控制等 多种 目标 相关 ， 具有 多重耦合 性 、 离 散性 、 高速性 、 多样性等复杂特征 ， 具有典 型的现 代 大数据特 征。这 些特点 所表征 的生产 流程 的 复杂性也使数据 的分析挖 掘和应 用难度 比较大 。 因此 ， 将多层次 、 多尺度 孤立 的数 据信 息有效 整 合和提取后作为各个控制 目标 的输 入 ， 必定 能够 为轧制过程 的多 目标优 化提供有 价值 的数据 支 持 ， 对冶金企业智能控制与决策分析技术具有 重 要意义 。相关 技术 主要包括 基于数 据挖 掘 的新 一 代轧制 自动化技术 、 大数据驱动 的轧制 过程模 型与工艺模 型支撑平台 、 基于多流程数据 的无 应 力板形控制技术 、 冶金全流程大数据智能分 析与 决策技术等。 3 ． 3基于物联网的冶金信息化平台建设 冶金行业 的 自动化 装备水 平正在 从数 字化 向信息化 、 智 能化发展 ， 在其 运行 中更加 强调智 能化的作用 ， 包括研发设计 、 生产制造 、 经营管理 和市场营销 的智 能化等 等。将轧制