矯志杰，何純玉，趙 忠（軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點(diǎn)實驗室（東北大學(xué)），110819沈陽）

面向?qū)ο蟮闹泻癜遘埦€模擬系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)

矯志杰，何純玉，趙 忠
（軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點(diǎn)實驗室（東北大學(xué)），110819沈陽）

為實現(xiàn)軋線自動化系統(tǒng)離線調(diào)試和優(yōu)化目的，開發(fā)了中厚板軋線模擬系統(tǒng).應(yīng)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)進(jìn)行模擬系統(tǒng)設(shè)計，將軋線劃分為設(shè)備對象、儀表對象和軋件對象.單體對象通過封裝的服務(wù)更新自身屬性，通過開放的公共屬性建立對象之間的關(guān)聯(lián).基于過程控制系統(tǒng)平臺環(huán)境進(jìn)行模擬系統(tǒng)開發(fā)，采用多線程結(jié)構(gòu)滿足中厚板軋線多個工藝區(qū)域的模擬要求，以時間觸發(fā)器控制模擬時間步長，采用實際數(shù)據(jù)回放方法產(chǎn)生模擬系統(tǒng)的軋制工藝數(shù)據(jù).模擬系統(tǒng)實現(xiàn)了從坯料上線開始到軋制結(jié)束生產(chǎn)過程的模擬，設(shè)計開發(fā)的中厚板軋線模擬系統(tǒng)已應(yīng)用于實際工程項目，滿足了軋線自動化系統(tǒng)的離線調(diào)試要求.

中厚板軋線；模擬系統(tǒng)；面向?qū)ο?；系統(tǒng)開發(fā)

軋線模擬系統(tǒng)是進(jìn)行軋制工藝和控制研究的重要工具，同時也是進(jìn)行自動化系統(tǒng)離線調(diào)試和優(yōu)化的重要手段.國內(nèi)外學(xué)者在軋線模擬系統(tǒng)針對軋制工藝和控制的研究方面開展了大量工作［1－6］.國內(nèi)的科研院所和鋼鐵企業(yè)，在軋線自動化系統(tǒng)開發(fā)方面緊跟世界先進(jìn)水平，針對板帶軋機(jī)自動化系統(tǒng)及模擬仿真功能開發(fā)方面也有突出成果［7－10］.目前軋線模擬系統(tǒng)的應(yīng)用尚還存在一些問題：使用模擬系統(tǒng)進(jìn)行軋制工藝和控制研究，雖然可以減少研究成本，降低直接在生產(chǎn)線進(jìn)行實驗的研究風(fēng)險，但軋制力、輥縫等主要工藝參數(shù)一般都是通過理論模型計算并附加隨機(jī)的擾動量作為模擬數(shù)據(jù)，與實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)相比會有一定偏差；進(jìn)行自動化系統(tǒng)離線調(diào)試和優(yōu)化時，目前通常做法是在軋線自動化系統(tǒng)中配備模擬功能，不作為一個獨(dú)立系統(tǒng).但軋線自動化系統(tǒng)有大量控制邏輯和工藝控制功能需要調(diào)試和測試，輔助的模擬功能不能完全滿足要求.因此開發(fā)一套適用性強(qiáng)，功能完備的模擬系統(tǒng)，對軋線自動化系統(tǒng)的調(diào)試和測試具有重要意義.另外，開發(fā)獨(dú)立完備的模擬系統(tǒng)與自動化系統(tǒng)結(jié)合，可以更好地進(jìn)行軋制工藝和控制的離線模擬仿真研究.本文依托于東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點(diǎn)實驗室承擔(dān)的中厚板軋線自動化系統(tǒng)項目，開發(fā)獨(dú)立的中厚板軋線模擬系統(tǒng).

1 中厚板軋線概況及模擬系統(tǒng)實現(xiàn)思路

中厚板軋線的生產(chǎn)工藝復(fù)雜，設(shè)備繁多，典型的中厚板軋線工藝設(shè)備布置如圖1所示.坯料上線，進(jìn)入加熱爐加熱.出爐后經(jīng)高壓水除磷去除表面氧化鐵皮，進(jìn)入軋機(jī)區(qū)軋制.軋制完成的鋼板進(jìn)入控冷區(qū)，通過水冷方式控制軋件溫降過程.隨后軋件通過矯直機(jī)矯平、冷床空冷，經(jīng)過切頭、切邊、定尺等精整工序得到最終成品［11］.

圖1 中厚板軋線工藝設(shè)備概況

中厚板軋線品種規(guī)格繁多，生產(chǎn)過程復(fù)雜.中厚板軋制過程為多階段多道次可逆軋制，需要經(jīng)過轉(zhuǎn)鋼和待溫等工藝過程，并且經(jīng)常有多塊軋件同時位于軋機(jī)區(qū)域，處于軋制和待溫等不同狀態(tài).這些生產(chǎn)特點(diǎn)決定了其控制功能復(fù)雜，對自動化系統(tǒng)提出了較高要求.

中厚板軋制生產(chǎn)線一般都會配備多級自動化系統(tǒng)來實現(xiàn)控制功能：3級制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）主要完成生產(chǎn)管理功能；2級過程控制系統(tǒng)（PCS）完成過程跟蹤、數(shù)據(jù)管理和工藝設(shè)定等功能；1級基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)備控制和工藝控制等功能；0級傳動系統(tǒng)完成設(shè)備傳動功能.典型的中厚板軋線自動化系統(tǒng)的配置如圖2中（a）所示.

圖2 中厚板軋線自動化系統(tǒng)及模擬系統(tǒng)概況

正常情況下，必須將整個自動化系統(tǒng)完備連接、現(xiàn)場設(shè)備具備條件、有加熱軋件供軋制，才能進(jìn)行自動化系統(tǒng)的全面調(diào)試.如何在離線條件下完成自動化系統(tǒng)調(diào)試，并能夠盡可能反映現(xiàn)場實際狀態(tài)，這是軋線模擬系統(tǒng)應(yīng)該實現(xiàn)的最重要功能要求.針對中厚板軋線控制特殊性，自動化系統(tǒng)中增加簡單模擬功能很難滿足要求，因此需要在現(xiàn)有自動化系統(tǒng)框架下，設(shè)計開發(fā)獨(dú)立的模擬系統(tǒng)，如圖2（b）所示.模擬系統(tǒng)實現(xiàn)的總體思路概況為以下幾個方面：

1）將L0傳動系統(tǒng)和現(xiàn)場設(shè)備及軋件作為模擬系統(tǒng)的替代對象；

2）自動化系統(tǒng)的主體控制功能不變，只增加必要的切換功能和輔助數(shù)據(jù)接口；

3）離線模擬狀態(tài)下，將原來發(fā)送到L0和現(xiàn)場設(shè)備的控制信號切換發(fā)送給模擬系統(tǒng)；

4）模擬系統(tǒng)產(chǎn)生與實際生產(chǎn)過程對應(yīng)的現(xiàn)場儀表檢測信號和設(shè)備控制反饋信號，并將這些信號傳遞給在線自動化系統(tǒng)，用于自動化系統(tǒng)的系統(tǒng)測試和功能調(diào)試.

2 面向?qū)ο蟮哪M系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)

2.1 面向?qū)ο蠹夹g(shù)的應(yīng)用

面向?qū)ο蠹夹g(shù)是一種與傳統(tǒng)面向過程不同的程序設(shè)計方法.面向過程方法是把系統(tǒng)分成若干個功能模塊來開發(fā)，而面向?qū)ο蠓椒◤默F(xiàn)實世界客觀存在的事物出發(fā)來構(gòu)造軟件系統(tǒng)，把系統(tǒng)看作是相互協(xié)作而又彼此獨(dú)立的對象集合.

軋線自動化系統(tǒng)的開發(fā)原來都是以面向過程的方式進(jìn)行，按照具體軋線的工藝過程將設(shè)備和軋制產(chǎn)品融合在一起，通過功能來實現(xiàn)控制過程，這種方式需要針對不同軋線的不同工藝過程進(jìn)行大量重復(fù)的程序設(shè)計開發(fā)工作.

從軟件開發(fā)角度分析，軋線自動化系統(tǒng)的控制對象為軋線設(shè)備，并將工藝過程施加于軋件，它們彼此獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)，可以采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，將軋線設(shè)備和軋件進(jìn)行對象抽象，對屬性和服務(wù)進(jìn)行類封裝，通過類的繼承和實例化手段，提高程序的可擴(kuò)展、可配置、可重用性，方便系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)，這也是程序設(shè)計和軟件開發(fā)的總體趨勢.

近年來，隨著計算機(jī)和軟件技術(shù)發(fā)展，國外引進(jìn)的軋線自動化系統(tǒng)已開始采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM(jìn)行過程控制系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)，國內(nèi)也開展了相關(guān)的研究和應(yīng)用工作.但軋線自動化系統(tǒng)開發(fā)從面向過程轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦驅(qū)ο蠓绞?，仍有大量工作要?軋線模擬系統(tǒng)采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)進(jìn)行設(shè)計和開發(fā)，既能提高程序代碼的復(fù)用性，方便后續(xù)開發(fā)和使用，還能為軋線自動化系統(tǒng)尤其是過程控制系統(tǒng)按照面向?qū)ο蠓绞竭M(jìn)行設(shè)計開發(fā)積累經(jīng)驗，提供參考.

2.2 模擬系統(tǒng)的面向?qū)ο笤O(shè)計

2.2.1 模擬系統(tǒng)的對象劃分

中厚板軋線模擬系統(tǒng)需要模擬的對象包括：加熱爐、軋機(jī)等機(jī)械設(shè)備；測溫儀、測厚儀等檢測儀表，以及作為加工對象的軋件.對于大型設(shè)備，如軋機(jī)，又可以分解為小設(shè)備對象.不同對象之間通過公共屬性建立關(guān)聯(lián)，模擬系統(tǒng)只需要將對象進(jìn)行關(guān)聯(lián)和組合即可.

通過對中厚板軋線模擬系統(tǒng)涉及對象的分析，將模擬系統(tǒng)主要對象分為設(shè)備、儀表和軋件3類，三者之間互相關(guān)聯(lián).對軋機(jī)區(qū)的設(shè)備和儀表對象進(jìn)行細(xì)化，對象劃分的層次關(guān)系示意如圖3所示.其他工藝區(qū)域涉及的設(shè)備和儀表對象層次劃分關(guān)系與此類似.在對不同區(qū)域的設(shè)備對象進(jìn)行拆解時，要考慮模擬需求，既要滿足功能要求，又不能拆分得過于零散.

圖3 軋機(jī)區(qū)對象層次關(guān)系

2.2.2 模擬系統(tǒng)的對象關(guān)聯(lián)

不同對象封裝各自的屬性和服務(wù)，每個對象通過自身的服務(wù)更新屬性，并通過開放的公共屬性接口建立對象之間的關(guān)聯(lián).中厚板軋制時軋件需要在軋機(jī)區(qū)往返軋制和運(yùn)送，并有多塊軋件同時在線，因此本文以軋件運(yùn)送過程涉及的輥道、測溫儀以及軋件對象為例介紹對象服務(wù)和屬性以及對象之間關(guān)聯(lián)的建立.這幾個對象封裝的部分屬性和服務(wù)如圖4所示.

對象的屬性更新包括：

1）輥道對象通過運(yùn)送服務(wù)更新速度屬性，通過占用判斷服務(wù)對是否有軋件位于該段輥道上進(jìn)行判斷賦值.

2）測溫儀對象通過溫度檢測服務(wù)將實測溫度賦值給溫度屬性，通過占用判斷服務(wù)對是否有軋件位于測溫儀下進(jìn)行判斷賦值.

3）軋件對象通過溫度預(yù)測服務(wù)為溫度屬性賦值，通過運(yùn)送服務(wù)更新位置坐標(biāo)屬性.

對象之間建立的關(guān)聯(lián)包括：

1）軋件位置坐標(biāo)屬性與輥道和測溫儀的位置坐標(biāo)屬性建立關(guān)聯(lián).輥道和測溫儀的位置坐標(biāo)在對象實例化時，根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備布置進(jìn)行賦值，并固定不變.以工藝段的起始位置作為坐標(biāo)原點(diǎn)，每段實例化輥道的位置坐標(biāo)包括起始坐標(biāo)和結(jié)束坐標(biāo)；每個實例化的測溫儀只有一個點(diǎn)坐標(biāo)；每塊實例化軋件的位置坐標(biāo)包括軋件頭部和尾部坐標(biāo).運(yùn)送過程中軋件位置坐標(biāo)不斷更新，并與輥道和測溫儀的固定坐標(biāo)匹配.

2）軋件速度屬性與輥道的速度屬性建立關(guān)聯(lián).當(dāng)軋件坐標(biāo)與某段輥道坐標(biāo)位置重合時，說明軋件位于該段輥道上，輥道速度與軋件速度匹配.如果軋件運(yùn)送到兩段輥道的交接處，需要判斷前后兩段輥道的速度，及軋件全長在兩段輥道上的分配關(guān)系，確定速度關(guān)聯(lián).

3）軋件溫度屬性與測溫儀的溫度屬性建立關(guān)聯(lián).當(dāng)軋件坐標(biāo)位置與某個測溫儀坐標(biāo)位置重合時，說明軋件位于該測溫儀下，測溫儀溫度與軋件溫度匹配.

圖4 對象屬性和服務(wù)示意

2.3 模擬系統(tǒng)軋制實際數(shù)據(jù)獲取

模擬系統(tǒng)能否產(chǎn)生與實際軋制過程一致的數(shù)據(jù)是模擬功能實現(xiàn)的關(guān)鍵.在實際軋制生產(chǎn)線上可以記錄大量的軋制過程實際數(shù)據(jù)，基于這些現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)記錄，采用數(shù)據(jù)回放方式產(chǎn)生模擬數(shù)據(jù)，可以真實再現(xiàn)軋制過程.模擬系統(tǒng)軋制實際數(shù)據(jù)的獲取過程如圖5所示，具體步驟包括：

1）基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊采集軋制過程的檢測儀表信號、設(shè)備運(yùn)行反饋數(shù)據(jù)等全部實際數(shù)據(jù)；

2）基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)送模塊將數(shù)據(jù)采集模塊采集的實際數(shù)據(jù)發(fā)送給模擬系統(tǒng)；

3）模擬系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，并以數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)文件形式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲；

4）模擬系統(tǒng)的數(shù)據(jù)回放模塊在進(jìn)行軋制過程模擬時，讀取存儲的實際數(shù)據(jù)；

5）模擬系統(tǒng)的軋制模擬模塊利用回放數(shù)據(jù)進(jìn)行軋制過程的完全模擬.

圖5 模擬系統(tǒng)的軋制實際數(shù)據(jù)獲取

2.4 模擬系統(tǒng)開發(fā)及功能實現(xiàn)

2.4.1 模擬系統(tǒng)的開發(fā)

基于面向?qū)ο笤O(shè)計，將原來分散在過程控制系統(tǒng)和基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)中的模擬功能整合到獨(dú)立的模擬系統(tǒng)中完成.模擬系統(tǒng)的開發(fā)基于現(xiàn)有的中厚板軋線自動化系統(tǒng)框架，軟件開發(fā)平臺利用過程控制系統(tǒng)平臺環(huán)境，開發(fā)軟件采用基于Microsoft操作系統(tǒng)的Visual Studio軟件，數(shù)據(jù)通訊采用實驗室自主開發(fā)的過程控制通訊軟件.

模擬系統(tǒng)按照自動化系統(tǒng)控制功能范圍，從加熱爐前的上料輥道開始，到軋機(jī)后的軋后區(qū)域.按照工藝區(qū)域分為入爐區(qū)、出爐區(qū)和軋機(jī)區(qū).后續(xù)的控冷、矯直、冷床、剪切區(qū)域不包括在本系統(tǒng)中，可以按照相同的設(shè)計思路加入模擬系統(tǒng).

模擬系統(tǒng)采用多線程結(jié)構(gòu)，針對入爐區(qū)、出爐區(qū)和軋機(jī)區(qū)設(shè)計獨(dú)立線程完成模擬功能.每個區(qū)域設(shè)備和儀表采用面向?qū)ο蟮念愒O(shè)計.設(shè)備和儀表的位置坐標(biāo)、尺寸等屬性通過配置文件導(dǎo)入，并可以靈活修改，以適應(yīng)不同軋線.每個工藝區(qū)域子線程設(shè)置單獨(dú)時間觸發(fā)器，用于控制該區(qū)域模擬的時間步長，并設(shè)計簡單的模擬顯示畫面.在設(shè)定的時間步長內(nèi)對該區(qū)域內(nèi)的設(shè)備、儀表及軋件屬性進(jìn)行更新，并在畫面上顯示設(shè)備、儀表及軋件狀態(tài).

2.4.2 模擬系統(tǒng)的功能實現(xiàn)

坯料從加熱爐前上料輥道上線，模擬開始.坯料向前運(yùn)送，依次啟動各段輥道，輥道模擬速度根據(jù)輥道傳動電機(jī)特性由靜止加速到設(shè)定速度，軋件速度與輥道速度匹配.坯料到達(dá)金屬檢測器和稱重儀處，根據(jù)對象屬性之間的關(guān)聯(lián)，產(chǎn)生模擬的檢測信號和稱重信號.坯料運(yùn)送到加熱爐前，進(jìn)行坯料定位.加熱爐前的坯料入爐裝置包括液壓升降裝置和電動送鋼裝置，液壓抬升到限位，電動送鋼裝置將坯料送入爐內(nèi)，模擬坯料入爐過程產(chǎn)生的反饋信號.加熱爐本體設(shè)備控制由單獨(dú)的自動化系統(tǒng)完成，不包括在本模擬系統(tǒng)中.坯料出爐過程與入爐過程類似，模擬坯料出爐過程液壓升降裝置和電動出鋼裝置產(chǎn)生的反饋信號.

軋機(jī)區(qū)模擬從坯料出爐開始.坯料出爐后，由爐前運(yùn)送到軋機(jī)前的模擬過程與加熱爐前坯料運(yùn)送過程一致.坯料運(yùn)送過程的溫度模擬在初始出爐溫度基礎(chǔ)上，考慮空冷溫降、與輥道接觸傳熱溫降以及高壓水除磷的水冷溫降.根據(jù)對象屬性關(guān)聯(lián)，坯料運(yùn)送經(jīng)過熱金屬檢測器和測溫儀時，產(chǎn)生模擬檢測信號.坯料運(yùn)送到軋機(jī)前，開始軋制過程.軋件在軋機(jī)區(qū)的往返多道次、轉(zhuǎn)鋼待溫多階段軋制過程的模擬，根據(jù)軋件PDI數(shù)據(jù)選取回放數(shù)據(jù)，產(chǎn)生軋制過程的模擬實際數(shù)據(jù).軋制結(jié)束后，成品軋件向后運(yùn)送，完成模擬過程.

3 實際應(yīng)用

開發(fā)的面向?qū)ο笾泻癜遘埦€模擬系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點(diǎn)實驗室承擔(dān)的唐山中厚板板材有限公司3 500 mm中厚板軋線自動化系統(tǒng)項目.

模擬系統(tǒng)實現(xiàn)了從坯料上線開始，坯料運(yùn)送、坯料入爐、坯料出爐、出爐后坯料運(yùn)送、軋件軋制，直到軋制結(jié)束將軋件運(yùn)送到控冷區(qū)整個生產(chǎn)過程的模擬.自動化系統(tǒng)利用模擬數(shù)據(jù)，離線調(diào)試本來需要在實際生產(chǎn)過程中才能調(diào)試完成的坯料自動運(yùn)送、自動定位、坯料入爐、坯料出爐、自動軋鋼、自動待溫等功能的控制邏輯、信號判斷和跟蹤處理，測試和優(yōu)化自動化系統(tǒng)在上述生產(chǎn)過程控制中的數(shù)據(jù)通訊、界面顯示和模型計算等功能邏輯.

利用由該模擬系統(tǒng)和基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)和人機(jī)界面系統(tǒng)共同搭建的離線模擬調(diào)試平臺，在不需要與現(xiàn)場控制設(shè)備和檢測儀表連接的條件下，實現(xiàn)了自動化系統(tǒng)離線調(diào)試和優(yōu)化的目標(biāo).

4 結(jié) 論

1）分析了中厚板軋線模擬系統(tǒng)功能及開發(fā)思路，將面向?qū)ο蠹夹g(shù)應(yīng)用于模擬系統(tǒng)設(shè)計.進(jìn)行模擬系統(tǒng)的對象層次劃分，將軋線對象劃分為設(shè)備對象、儀表對象和軋件對象.通過服務(wù)更新對象屬性，通過公共屬性建立不同對象的關(guān)聯(lián)；

2）基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)和過程控制系統(tǒng)平臺環(huán)境進(jìn)行模擬系統(tǒng)的開發(fā)，針對多個工藝區(qū)域采用多線程結(jié)構(gòu)設(shè)計，以時間觸發(fā)器控制模擬時間步長，采用數(shù)據(jù)回放方法產(chǎn)生模擬系統(tǒng)的實際軋制數(shù)據(jù)，并具體實現(xiàn)模擬系統(tǒng)功能.

3）依托于實際的中厚板軋線自動化系統(tǒng)項目，以自動化功能調(diào)試和優(yōu)化為目的，開發(fā)了中厚板軋線模擬系統(tǒng)，滿足了自動化系統(tǒng)的離線調(diào)試要求.

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（編輯 張 紅）

Design and development of object?oriented simulation system for plate mill line

JIAO Zhijie，HE Chunyu，ZHAO Zhong
（State Key Laboratory of Rolling and Automation（Northeastern University），110819 Shenyang，China）

Simulation system was developed，in order to achieve the purpose of offline functional debugging and optimization for the plate rolling line automation system.For the system，it was designed based on the object?oriented technology.Plate mill line was divided into equipment object，instrument object and plate piece object，in which single object attributes are updated by private service and different objects are associated through public property.Based on process control system platform environment，multi?thread structure was used to meet the simulation requirements of multiple process areas.Time trigger was used to control simulation time step，and actual rolling process data can be generated through data playback method.The process from putting slab online to end of rolling was simulated.The developed simulation system was used for one practical project，and the offline commissioning requirements were satisfied well.

plate mill line；simulation system；object?oriented；system development

TG335.52

A

0367－6234（2015）10－0059－05

10.11918／j.issn.0367?6234.2015.10.012

2014－07－28.

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助（N120407007）.

矯志杰（1976—），男，博士，副教授.

矯志杰，jiaozj＠ral.neu.edu.cn.