帶鋼熱軋智能控制系統(tǒng)

帶鋼熱軋智能控制系統(tǒng)

國產化項目建設方案張君hangjunyou@國內熱連軋控制系統(tǒng)現(xiàn)狀國內寬度＞1250mm的板卷軋機已建成200多套，其中2000mm以上高端軋機達16條。以鞍鋼1700mm產線為例，年產能約350萬噸，按4100元/噸計算，年產值可達143.5億元，設備成本約2000萬（含40臺控制柜，單柜50萬）。熱軋控制系統(tǒng)由歐洲（西門子TDC）、日本（TMEICGE）和國內自主技術（北科大、冶金自動化院）三足鼎立，新建產線多采用這三類方案。當前國產化率不足1%，但自主技術成本優(yōu)勢顯著（國內5000萬/套vs國外1.2億/套），市場潛力巨大。北京科技大學（北科麥思科）和冶金自動化院（金自天正）主導國內系統(tǒng)集成，掌握控制算法等關鍵技術。五個區(qū)：板坯庫、加熱爐區(qū)、粗軋區(qū)、精軋區(qū)和卷取區(qū)當前方案整體介紹：從板坯庫開始一直到運輸鏈結束，全軋線上分布了33臺GE的VME總線機箱式PAC-1800控制系統(tǒng)、26套HPC液壓控制模塊。在部分機架控制PAC系統(tǒng)中插入了自帶I/O的HPC，完成快速的液壓或高速閉環(huán)控制。PAC控制站間采用GE光纖反射內存環(huán)網實現(xiàn)控制站間數(shù)據實時共享，數(shù)據刷新周期1ms，帶寬2Gb/s。1ms級高速數(shù)據采集采用德國IBAPDA，接入光纖反射內存環(huán)網。國產化改進思路：按照區(qū)域部署冗余的智能控制器替代GE控制器和HPC控制模塊?；谧匝袃却娣瓷錂C制替代GE光纖反射內存環(huán)網?；谧匝懈咝阅軐崟r數(shù)據庫實現(xiàn)1ms級高速數(shù)據采集存儲，替代德國IBAPDA。智能控制器集成邊緣計算和邊緣AI，實現(xiàn)區(qū)域智能化控制，同時整線SCADA集成人工智能大模型實現(xiàn)整線智能化自適應。國產化替代思路國產化方案整體介紹基于國產CPU的高性能控制板、可擴展背板總線和模塊，形成一套自主可靠的高性能控制器突破實時控制器內核、PLC編程、主流IDE、

開放生態(tài)工具鏈、邊緣控制多虛擬調度等，形成一套高性能控制核心軟件通過先進的數(shù)據存儲、處理和分析技術，為鋼鐵行業(yè)提供高效、可靠的一套跨平臺高性能實時數(shù)據庫可插拔多工業(yè)協(xié)議總線擴展架構，融合人工智能云化控制技術，實現(xiàn)PLC與

云服務之間的數(shù)據通信，實現(xiàn)對工業(yè)物聯(lián)網的安全管理和監(jiān)控助力開發(fā)帶鋼熱軋過程控制軟件、行業(yè)指令庫和工藝控制庫自主可控高性能軋鋼控制器鞍鋼1780熱連軋產線自動化系統(tǒng)包含多個工藝段的控制系統(tǒng)，用于各工藝段的控制計算機約53臺，全線一共32-40個控制柜，

以精軋和卷取機的控制精度要求較高，約35臺。要求快速控制：由于控制對象是機電、液壓系統(tǒng)，要求快速控制。

其中液壓位置控制或液壓恒壓力控制系統(tǒng)的控制周期為2-3ms甚至1mS?？刂乒δ鼙姸喽壹校阂詭т摕徇B軋精軋機組為例，總共將近55個控制回路，因此要求采用多控制器，控制器內采用多處理器結構。功能間相互影響：由于眾多功能最終的影響都將集中到精軋機軋輥、

軋件之間的變形區(qū)，因此功能間要相互協(xié)調，相互傳遞補償信號。要求各

個工藝段具備快速通信能力。多個功能需共享輸入和輸出模塊：即多CPU共同訪問一個IO模塊。

因此快速處理能力、多個CPU(多個控制器及控制器內多個CPU)、CPUCPU、

控制器間的高速通信能力，是帶鋼熱連軋分布式計算機

控制系統(tǒng)所必須考慮的特點，由此構造出一類快速分布式計算機控制系統(tǒng)。自主可控高性能軋鋼控制器圍繞支持的總線進行背板總線擴展：VME總線、SRIO總線、PCIE總

線

。其他本地擴展接口設計：串口可以擴展HMI接口，工程師調試

接口；非實時以太網接口；以太網口可以擴展HMI接口；工程師調試接口；

非實時以太網接口；I2c接口：SPI接口、SATA存儲接口XMC/PMC槽位擴展協(xié)議：VME協(xié)議、SRIO協(xié)議、PMC接口板卡設計經過預研選型，國產化器件基礎良好，100%可以實現(xiàn)完全自

主支持獨立的控制總線，多卡同步任務周期支持最低

至100uS,控制周期抖動<25uS自主可控高性能軋鋼控制器HICMIC?

框架式設計，高速背板總線?

對標西門子TDC系列產品?

適用于冷熱軋機等高速多處理單元協(xié)同控制應用模塊化設計，豐富的擴展接口對標西門子S7-416+FM458,S7-1518系列產品適用于軋鋼處理線等高速控制應用開發(fā)工程師站集成開發(fā)環(huán)境（IDE）EthernetTCP/IP反射內存網HICMIC人機交互HMI以太網反射內存網PROFIBUSEtherCAT自主可控高性能軋鋼控制器其他硬件產品系列智能邊緣控制器產品系列支持PCI/CPCI系列、PCIE/PXIE、XMC系列、VME-VME-64X/VME-S系列背板總線。支持Intel、飛騰、龍芯系列處理器板卡豐富的現(xiàn)場總線接口智能邊緣一體機產品系列提供包括IntelX86、NVIDIAJetson和ARMNPU在內的多種芯片架構選擇支持華為Atlas、飛騰、兆芯和海光等國產芯片邊緣AI服務器產品系列支持企業(yè)級ARM集群方案支持華為Atlas、飛騰、兆芯和海光等國產芯片高性能可擴展背板總線擬以傳統(tǒng)VME總線為基礎，開發(fā)增強型的VME-S

總線平臺。進行背板優(yōu)化，研究開發(fā)增強版DLINK總線。基于新一代工業(yè)互聯(lián)標準SRIO總線，

使得擴展板卡具備了高帶寬、方便擴展、熱插拔的特點。在部分國內熱連軋系統(tǒng)中，1ms的快速IO共約1500點；10ms周期的慢速IO共約9000點

在新項目中的提速需求已經產生，本設計背板性能不低于此接入規(guī)模?？筛鶕刂葡到y(tǒng)規(guī)模，提供系列化的機箱尺寸和背板容量。規(guī)模較大可以上機架，規(guī)模較小可以導軌掛接安裝。逐漸提高不同產線建設規(guī)模的系統(tǒng)規(guī)模適配產品。不同工藝段，CPU數(shù)量和IO數(shù)量，現(xiàn)場總線擴展槽位均不一致。因此機箱和背板產品需要系列化，既可以提供機柜貨架式產品，

也可以提供導軌式產品。高性能可擴展背板總線新型高性能背板中VME總線，適合突發(fā)小字節(jié)數(shù)據量傳輸，尤其是控制指令新型高性能背板中DLINK總線，帶寬高適合實時大數(shù)據量傳輸，

圍繞交換機SWC卡進行路由仲裁開發(fā)，以實現(xiàn)多CPU并發(fā)訪問網絡的高

實時低抖動應用VME總線支持從電氣到結構，到軟件系統(tǒng)等方面的全方位定義，為了兼容SRIO總線互聯(lián)，改進型的VME-S機箱增加了PO連接器高性能可擴展背板總線滿足最快100uS的任務切換周期?？刂贫秳有∮?5us,訪問延遲小于20us

。系統(tǒng)內插卡模塊，SBC、SWC、FIO等快速閉環(huán)模塊，均支

持DLINK傳輸協(xié)議。采用DLINK光纖網絡，將快速IO擴展部署到遠端，減少電氣走線的規(guī)模，提高信號的抗干擾能力。提供Ethercat和Profinet兩種總線擴展方案基于DLINK總線擴展策略復雜多控制機柜機箱系統(tǒng)的并聯(lián)同步運行方案熱連軋控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)控制規(guī)模較大，50多臺處理器沒法在一個機箱內展開，需要分布在30多套機箱中。這就涉及到了系統(tǒng)間互聯(lián)。絕大部

分控制系統(tǒng)間需要進行1mS的準實時數(shù)據同步。光纖反射內存環(huán)網數(shù)據更

新時間達到1ms:通過系統(tǒng)PDA記錄液壓控制器的計數(shù)器檢驗光纖網數(shù)據刷新達到1ms,液壓控制器測試周期1ms，PDA采樣周期設置為1ms。采

用RTDATA產品實現(xiàn)系統(tǒng)間互聯(lián)。RTDATA通信系統(tǒng)分為Node通信節(jié)點和RTDATA-SW交換機兩級網絡。1路發(fā)送，1路接收SFP+接口，1310nm單模光纖光纖高速網絡5Gbps最大支持256個節(jié)點光纖協(xié)議不占用CPU資源多模光纖節(jié)點距離300米單模光纖節(jié)點距離10千米板載256MByteDDR3低延遲率(納秒級)動態(tài)包長：每個包4到64或1M字節(jié)。自研反射內存網L2系統(tǒng)L1主控制器L1主控制器反射內存網數(shù)據存儲站實時仿真站反射內存網的功能：L1主控制器之間的高實時數(shù)據同步；數(shù)據存儲站1ms級高實時采集L1主控制器的數(shù)據；L2系統(tǒng)的HMI與L1主控制器之間的人機交互數(shù)據；實時仿真站與L1主控制器的數(shù)據交互。在線狀態(tài)下的模擬軋鋼，采用下一塊將要出爐的板坯數(shù)據進行模擬軋制，給L1下發(fā)PDI板坯數(shù)據，L2系統(tǒng)的所有跟蹤、時序、模型均正常運行，L1所有控制器設備均按照軋制過程正常模擬的過程。該模軋方式主要用于正常生產時。拆分成兩種數(shù)據類型，對應兩種通信方式：①控制器內部，VPLC之間站間通信，共享內存；控制器對外通信(自定義UDP)，通過TSN交換機組播：控制器之間；發(fā)送到高實時數(shù)據存儲站；與L2系統(tǒng)的HMI之間；與實時仿真站之間。對外通信的技術可行性：TSNqbv+組播+類GOOSE(定周期，廣播，基于”APPID”確定數(shù)據含義)；MaVIEW

IDE對軋線控制系統(tǒng)全局“反射內存網”的網絡變量進行“APPID”唯一性管理；發(fā)送端發(fā)送數(shù)據廣播形式，接收端收到數(shù)據按照“APPID”取數(shù)據。

L2系統(tǒng)L1主控制器L1主控制器反射內存網以太網輔助控制器HMI系統(tǒng)遠程I/O主輔傳動DPDP故障診斷站數(shù)據存儲站實時仿真站系統(tǒng)主網為2Gbps的光纖反射內存網，1ms刷新，32個控制站，每臺2KB，6臺IBA數(shù)據存儲站，若干L2HMI，實時仿真站?？刂破鲗ι蟂CADA監(jiān)控網，1000Mbps?？刂破鲗ο逻B接I/O、傳動，ProfibusDP總線。鞍鋼1780熱連軋產線網絡結構高性能控制核心軟件最快100uS周期的任務切換任務執(zhí)行抖動不超過25uS可按優(yōu)先級和時間片CPU分配任務執(zhí)行順序CPU核心周邊驅動、IO網絡驅動等上電啟動過程的機制和流程BSP開發(fā)、測試環(huán)境AI和PLC應用統(tǒng)一運行時環(huán)境統(tǒng)一應用生命周期管理支持IEC61131-3控制語言邏輯任務和主流AI框架板級支持軟件智能控制內核軟件實時操作系統(tǒng)010302智能控制軟件和運行時環(huán)境支持AI應用和PLC應用統(tǒng)一運行時環(huán)境。支持應用的統(tǒng)一生命周期管理。支持應用自由安裝組合構建以數(shù)據為中心的解決方案?；诮M態(tài)-運行模式的控制架構，為了提高執(zhí)行的效率，采用組態(tài)軟件編譯生成二進制代碼，實時控制器內核軟件Runtime重定位的方式來實現(xiàn)。對現(xiàn)場控制邏輯的修改不能影響已有的控制流程，無需停機重新啟動即可實現(xiàn)邏輯的在線修改，實現(xiàn)控制工藝的升級跨平臺高性能實時數(shù)據庫多源設備時序數(shù)據統(tǒng)一建模自然地表達高基數(shù)時序數(shù)據中復雜設備各器件之間的裝配關系通過創(chuàng)建指向模板的引用而不是重新創(chuàng)建復雜設備及其內部傳感器對應的節(jié)點以提升存儲效率引入MTreeStore負責維持前綴樹的結構性功能，同時對外屏蔽內外存

交換的細節(jié)，對內協(xié)調緩存與文件的協(xié)作，通過寫前日志和異步刷盤，提供高效的序列注冊與元數(shù)據訪問功能SchemaFile負責在磁盤上管理所有的元數(shù)據樹節(jié)點的持久化信息，封

裝了元數(shù)據磁盤讀寫的實現(xiàn)細節(jié)。其主要包括以下兩個功能：對模塊外部

而言，向上層元數(shù)據存儲模塊(MTreeStore)提供MNode讀寫接口；對模

塊內部而言，將對MNode的讀寫請求分發(fā)到具體的存儲組文件進行元數(shù)據

的持久化落盤及磁盤查詢?？缙脚_高性能實時數(shù)據庫采用控制器內置數(shù)據高壓縮存儲數(shù)據文件結構減少工業(yè)設備數(shù)據傳輸過程中的數(shù)據加載、轉換、重載負擔，為鋼鐵生產全流程的數(shù)據管理分析減輕數(shù)據傳輸壓力。面對鋼鐵生產場景下海量時序數(shù)據管理的需求，提供高數(shù)據壓縮比、支持分析型查詢，完美解決傳統(tǒng)大數(shù)據的Parquet存儲格式無法直接讀取的存儲模式對數(shù)據庫讀性能產生的影響采用基于時間戳對齊的元組物化策略，使用了基于最小堆的合并算法，這種算法本質上就是歸并排序的一種實現(xiàn)，有助于查詢流程優(yōu)化。跨平臺高性能實時數(shù)據庫數(shù)據庫實例間數(shù)據高效同步機制，在數(shù)據傳輸全鏈

路統(tǒng)一采用開放式標準時序數(shù)據文件結構，利用場站資源對數(shù)據進行高效整理，直接加載至云側系統(tǒng)進行管理，實現(xiàn)邊側組織，云側加載的高效數(shù)據協(xié)同體系，以解決當前云側重復處理數(shù)據、資源需求上限高的痛點。在鋼鐵生產中，PLC與DCS系統(tǒng)協(xié)同實現(xiàn)煉鋼爐溫度、軋機運行等核心環(huán)節(jié)的自動化控制，通過工業(yè)以太網、無線網絡及Modbus/OPCUA等協(xié)議構建端到端數(shù)據傳輸架構，將傳感器數(shù)據經控制層處理同步至MES/ERP系統(tǒng)集中管理。在該流程下云側將所有邊緣側數(shù)據全部重新處理，其計算資源需求量是邊緣側設備的總和，其資源需求隨著邊緣側設備的不斷增加最終會難以為繼?？缙脚_高性能實時數(shù)據庫采用分層架構設計，輸入層支持原始時序數(shù)據多源接入，變換層提供三類數(shù)據轉換方式，輸出層通過列式讀取方式高效拼接處理結果集，支持對原始數(shù)據的回溯訪問。模塊化管理，提供編譯構建、動態(tài)注冊、查詢優(yōu)化、內存控制和全生命周期監(jiān)控能力。提供實時檢索、統(tǒng)計檢索、事件檢索和估算檢索等自定義處理能力內置高性能計算引擎，支持連續(xù)查詢、

觸發(fā)器、UDF、

函數(shù)庫等高級數(shù)據處理功能，允許用戶通過時序數(shù)據自定義分析流程框架完成對鋼鐵生產時產生的海量時序數(shù)據實時監(jiān)測與分析。通過自定義函數(shù)機制，可以完成對鋼鐵生產場景監(jiān)測數(shù)據的時頻轉換、

濾波、數(shù)據質量“畫、檢、修”等定制化數(shù)據處理，在數(shù)據庫內完成一站式數(shù)據存儲和分析工作。多工業(yè)協(xié)議總線擴展架構多協(xié)議芯片和單芯片相結合，形成了多種進口/國產解決方案，同步還形成了軟協(xié)議棧解決方案；在主站/Master方面，積累了Profibus硬芯片、Profinet軟協(xié)議棧解決方案，國內也有應用基礎?；诒嘲蹇偩€設計VME-S設計多協(xié)議總線卡基于核心控制器設計多協(xié)議總線卡通過合理定義軋鋼控制系統(tǒng)內物聯(lián)網角色的角色定義和分配，可

以確保MQTT系統(tǒng)高效、安全、穩(wěn)定地運行多工業(yè)協(xié)議總線擴展架構實時數(shù)據總線提供高帶寬低延時通訊協(xié)議，支持多平行節(jié)點的并發(fā)大數(shù)據帶寬適合于熱插拔應用，光/電接口擴展便捷。節(jié)點間

通信基礎帶寬20Gbps,交換機級聯(lián)帶寬是40Gbps。優(yōu)化高效包傳輸?shù)膮f(xié)議，各節(jié)點間高效傳輸，互相獨立，無需數(shù)據共享，協(xié)議開銷小。良好的流控制和故障管理技術。系統(tǒng)平均故障間隔時間和平均修

復時間小。多工業(yè)協(xié)議總線擴展架構融合人工智能云化控制技術利用云平臺的強大計算能力和高性能的實時數(shù)據庫實現(xiàn)帶鋼熱軋過程建模，進而實現(xiàn)對于該過程的過程監(jiān)測和故障診斷。利用數(shù)據驅動方法實現(xiàn)多工序-多系統(tǒng)性能關聯(lián)分析，數(shù)據和機理聯(lián)合驅動的方法來對多尺度、多性能關聯(lián)建模和對全過程的過程

監(jiān)測?？绻ば虻膸т摕彳堖^程性能異常精準溯源方法。多維度的帶鋼熱軋過程性能預警指標設計與預測模型構建方法。帶鋼熱軋工業(yè)場景控制功能模塊指令庫名稱指令庫功能B_BY2.c把I1-I8組裝為一個BYTEB_BOL8.c把1個BYTE分解為8個BOOLB8E1V0.c把8個word轉為8個IntB8E1V1.c如果輸入是word,則轉譯成Int,否則不轉譯NOP8_1.c與B8E1V1功能一致NOP8_2.c與B8E1V0功能一致I8E1V0.c將B8E1VO功能擴展到整數(shù)類型I8E1V1.c將B8E1V1功能擴展到整數(shù)類型R8E1V0.c功能類似B8E1VO,數(shù)據類型擴展為REALR8E1V1.c功能類似B8E1V1,數(shù)據類型擴展為REALBSW8.c將BSW擴展為8通道BYTESW.c將NSW類似功能，擴展到BYTE數(shù)據類型ISW8.c8通道的BSW,數(shù)據類型為INTNSW8.c功能同NSW,擴展為8通道B8SEL.c根據SEL這個整數(shù)輸入，選擇對應的I通道輸出給QI8SEL.c8通道的BSW,數(shù)據類型為INTMUX8B.c參考MUX功能，擴展為8通道，數(shù)據類型從REAL擴展為BOOL量R8SEL.c功能類似I8SEL功能，數(shù)據類型改為REALADD8_1.c8通道的ADD,被加數(shù)相同ADD8_8.c8通道的ADD,被加數(shù)不同DIV8_1.c8通道的DIV,除數(shù)相同DIV8_8.c8通道的DIV,每個通道使用獨立的除數(shù)MUL8_1.c參考MUL功能，擴展為8通道，共用一個乘數(shù)MUL8_8.c參考MUL功能，擴展為8通道，每個通道使用獨立的乘數(shù)SUB8_1.cSUB擴展為8通道，但共用一個減數(shù)SUB8_8.cSUB擴展為8通道，每個通道使用獨立減數(shù)CNT_I2.c累加計數(shù)器LIM_I.c考系統(tǒng)LIM塊功能，數(shù)據類型改為INTTI_MS.c功能與TASKTM一致D_CFLG.c一旦發(fā)現(xiàn)輸入DINT與上1周期不一樣，輸出1個BOOL量鋼鐵行業(yè)指令庫是針對鋼鐵行業(yè)特點而設計的一套集成

化、智能化的指令系統(tǒng)。該指令庫覆蓋了從加熱爐、粗軋、精軋到卷取運輸?shù)恼麄€生產流程，旨在通過統(tǒng)一操作指令，增加模塊的可服用性、降低開發(fā)成本，并推動鋼鐵行業(yè)的數(shù)字化、智能化轉型。指令庫充分考慮了鋼鐵行業(yè)的特殊性，如控制設備數(shù)目繁多、數(shù)據交換量大、低延遲需求等特點，設計與之相適應的指令系統(tǒng)。并集成了生產、

質量、設備、能源等多個子系統(tǒng)的指令，實現(xiàn)了信息的共享和協(xié)同工作。

通過大數(shù)據、人工智能等技術，指令庫能夠根據編程進度自動推薦指令，提高生產效率和產品質量。此外指令庫支持用戶自定義指令和擴展功能，可根據用戶的實際需求進行靈活配置。帶鋼熱軋工業(yè)場景控制功能模塊帶鋼熱軋工藝控制庫由粗軋、精軋、卷取、運輸、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)5個部分構成。除了控件初始化、數(shù)據收發(fā)等通用功能外，粗軋部分還包括

粗軋主控、粗軋壓下、粗軋換輥與側導板；精軋部分還包括飛剪推鋼機及保溫罩、精軋主控與活套、精軋板型、精軋壓下、精軋側導板與換輥。各控制庫可根據現(xiàn)場情況選擇合適的模塊組合，進一步提高企業(yè)生產效率和產品質量，增強企業(yè)的市場競爭力。國內已建寬帶熱軋板卷生產線序號鋼廠軋機寬度（mm）設計產能(萬噸)備注1邯鋼1900240SIEMENS2寶邯鋼22504503包鋼1790250SIEMENS4太鋼1549300SIEMENS5太鋼2250500TMEICGE6唐鋼1900260三菱7唐鋼1700200SIEMENS8唐山港陸12502009唐山國豐145020010唐山國豐145020011唐山新豐145016012承德鋼鐵178040013首鋼225045014京唐曹妃甸1780450北科大、自動化院15京唐曹妃甸225055016天鐵178040017山西海鑫150025018滄州縱橫145030019日照鋼廠215050020日照鋼廠1580260北科大21濟鋼1700250北科大、鞍鋼22萊鋼1550250北科大23新余鋼鐵1580300國內已建寬帶熱軋板卷生產線序號鋼廠軋機寬度（mm）設計產能(萬噸)備注24萍鄉(xiāng)鋼鐵145028025漣源鋼鐵2250500東芝GE26寶鋼2050540西門子27寶鋼1580380三菱28寶鋼188037029上一1780350三菱30梅鋼1422230東芝GE31馬鋼1800200西門子32馬鋼225050033南鋼3500150爐卷軋機34沙鋼178045035寧波建龍1780450冶金自動化院36鞍鋼1700300北科大、鞍鋼37鞍鋼1780400三菱38鞍鋼2150480北科大、鞍鋼39本鋼1700400東芝GE40本鋼1880280三菱41通鋼1750250芝菱42北臺1780400北科大43鞍鋼1580350北科大、鞍鋼41通鋼1750250芝菱4