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一套冷连轧仿真系统 1. 引言 　　冷连轧过程是冶金工业的一个重要环节。它直接影响到最终产品的质量。这是一个大而复杂的系统，涉及到多学科领域，如计算机科学、自动控制、机械、压力加工等。任何一个环节的改进都可为企业带来可观的效益。 　　仿真对工程技术人员而言是一个有效的工具，尤其在自动控制领域。有关仿真与轧钢相结合的论文也有很多[1-4]， 但大部分工作是单目标的。也就是说，每个仿真器的开发只为了一个目标，如：解决轧机震动问题[2], 提高产品质量[1]等。 　　在工业界，很多问题是多学科交叉的。例如，一个断带可以是来料的原因，也可以是控制算法的原因。现场工程师就必须具备多学科的知识。“冷连轧全过程仿真”项目以此为基础在宝钢产生并实现，其目的是： 　　（1）为工艺工程师提供新产品开发和故障诊断平台； 　　（2）为控制工程师提供新算法并开发研究平台； 　　（3）为设备工程师提供设备选型平台； 　　（4）为操作工提供培训平台。 　　本文介绍了冷连轧仿真系统的概况，特别对仿真结构、模型库、人机界面做了详细的介绍。最后本文还介绍了本仿真系统在宝钢的二个应用，以显示本仿真系统的初步应用结果。 2. 冷连轧过程介绍 　　本仿真系统的仿真对象为宝钢2030五机架冷连轧过程。过程概貌如图1所示，主要组成有：二个开卷机、一个焊机、一个活套、五个四辊轧机、一个飞剪、和二个卷取机。 　　从控制的角度来看，该过程为一个三级控制系统（图2）。最高层为L2计算机，其主要功能是计算合适的负荷分配，并把设定值送至下级计算机。它也被称作优化计算机。第二级控制是在L1计算机上实现，其主要功能是进行逻辑控制、顺序控制、和自动厚度控制（AGC）。它也被称作过程控制级。第三级控制在多块模拟量板上实现，主要是对速度、张力、压下进行反馈控制。 图1 宝钢2030mm 冷连轧过程 图2 控制系统框图 　　驱动设备有两种：电机和液压系统。电机用来驱动轧辊的转动，液压系统用来执行轧辊的压下。工作辊作用在板材上，使其变形，从而达到生产的目的。 3. 仿真结构 　　冷连轧仿真是一个大型复杂系统。它涉及到计算机领域（L2），自动控制领域（L1和L0），机械领域（驱动器、轧辊），和材料加工领域（带钢的形变）。仿真系统的设计好坏对延长仿真系统的生命周期至关重要。 　　图3为冷连轧仿真的分布式仿真结构，每台计算机对应现场的每个设备组。这是现场工程师所熟悉的构架。每台计算机都连到企业网上，用户可以在厂里的任何地方上网仿真。 图3 仿真结构 　　主要的仿真模块为：L2计算机，L1计算机，模拟量控制，和虚拟轧机。这也是现场四个主要设备。这些子系统分别独立在MATRIXx平台上运行，并通过PlugSim进行协同仿真。 　　L2计算机主要有下列模块：材料跟踪，预设定，参数自学习，和报表。L1计算机的主要功能有：带钢跟踪，轧线速度控制，厚度自动控制和数据采集。模拟量控制是一系列PID调节器，用来实现带钢张力、电机速度、和轧制压力的控制。 　　虚拟轧机包括两部分：机械系统和材料形变系统。机械系统又包括机架、轧辊、电机、液压系统等。电机和液压系统的特性用动态模型来描述。材料形变系统用非线性模型来描述压力、张力、速度与带钢厚度间的关系。 　　在上述四个主要系统之外，还引入了三个子系统：数据库计算机系统、虚拟操作台、和动画显示。数据库计算机中有一个基于Sybase的数据库，用来存取现场过程纪录和仿真结果。用户可以用现场数据进行模型研究，或比较仿真结果。 　　虚拟操作台和动画显示出于虚拟现实的理念，下文将做详细描述。 4. 模型库 　　L2计算机的主要功能基于模型的预设定。 在设定计算中要用到多个模型，如：轧制压力模型、轧制力矩模型、电机电流模型等。而每个模型又有不同的计算方程可选择。因此有必要收集常用的模型，建立一个模型库，为将来的模型研究提供平台。模型库的内容包括： 　　（1）轧制压力模型 　　 Bland-Ford模型 　　 Stone模型 　　 Hill模型 　　 Siemens模型 　　（2）轧制力矩模型 　　 Force arm模型 　　 Friction模型 　　 Forced strip模型 　　 Energy balancing模型 　　 Cut-surface模型 　　 Siemens模型 　　模型库建立在MATRIXx的SystemBuild之上，如图4所示。用户可以方便地用鼠标的简单操作更换模型，进行仿真。也可以对已有的模型进行修改和删除，或增加新的模型。 图4 模型库样式 5. 人机界面 　　人机界面 (MMI) 是整个系统的窗口。现场工程师是本系统的主要用户，它们对现场的一切都非常熟悉，如开关、按钮、仪表等。多亏了计算机技术的快速发展，人机界面可以方便地做成与现场相像。人机界面包括：