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冶金工业轧制自动化控制主要技术现状与发展方向王鹏（南京钢铁股份有限公司，江苏南京210044）摘要：随着我国自动化技术的不断发展，冶金行业运用自动化技术逐步代替人工高危工作，对确保冶金行业安全生产发挥了重要的作用。然而，在自动化技术的应用过程中出现了一些瓶颈，主要表现为设备精度有限、耗资较高和过程复杂等。在分析现有冶金工业轧制自动化技术现状的基础上，探讨冶金工业的发展方向，通过构建基于物联网的冶金自动化系统、建立大数据系统管理平台、创新轧制自动化技术，研发高端设备，促进冶金轧制自动化将朝着更加智能化的方向发展。关键词：冶金工业；轧制自动化；技术现状；发展方向中图分类号：TG334.9文献标识码：A文章编号：1672-1152（2023）05-0110-030引言随着自动化技术在工业领域中的快速发展，工业自动化水平得到了显著提升。自动化技术运用于冶金行业，可以降低人工操作的危险性，提高生产效率，促进了冶金行业的发展。第四次工业革命以来，冶金行业融合信息化与自动化控制技术，不断开发新产品、新工艺，外形尺寸精度、表面质量显著提升，生产设备向智能化、大型化发展。然而，由于行业的特殊性，自动化技术在我国冶金行业中仍然存在一些瓶颈问题，如相关技术设备不够完善、技术数据不够精确、产品利润低以及过程复杂等。因此，需要对现有的技术进行创新，加快冶金自动化的发展，实现冶金轧制智能化运用。1发展现状根据现有的研究，轧制自动化系统最初可以分为三个部分，分别为基础自动化系统、过程自动化系统和生产自动化系统。三个部分按照区域划分，得到一个分布式调控系统。随着轧制技术的不断深入，轧制自动化系统的范围更广，包括设备执行系统、生产管控系统、信息化管理系统和产品质量的分析检测系统1，整个冶金轧制的流程，由设备到生产，再到管理，实现了智能化和自动化，如图 1 所示。1.1设备执行系统设备执行系统包括电动机、阀门和开关等。其中，对设备执行系统自动化较为关键的是轧机的电动机控制和液压控制。轧机主传动系统受功率和控制条件的限制，主要以直流传动为主。随着功率半导体和直接转矩的应用，设计了新的算法，用交流变频调速代替了直流传动，不需转换装置，且转换效率高2。但是，由于核心技术被国外公司掌控，投资成本较高，企业在改造方面受到了一定的限制。液压伺服控制系统是高速、高精度质量的关键，对基础自动化系统部分至关重要。目前，在对精度要求较高的企业，主要依赖进口和合资生产。1.2基础自动化系统轧制自动化在基础设备层中，使用可编程控制器或高性能控制器，通过烧录相关程序，对轧机和连在轧机上的设备进行控制。设计相关的传感器、金属传感器、温度传感器、力度传感器和长度探测仪等，并设定生产工艺参数和设备的逻辑，包括速度、位置、开关和轧件跟踪等。将设备与现场总线、工业网络建立联系，与设备执行级和程序实现自动化传输，对数据进行进一步的分析和处理。基础自动化系统位于设备和程序控制之间，具有衔接作用。根据现有理论分析可知，冶金工艺复杂程度越高，则对应自动化的需求也越高。需要在自动化控制中，实现宽度和速度的控制。相关数据表明，冶金行业控制系统的应用效果不太理想。由于基础自动化系统与设备运行的时间和效率相关，若自动化系统效果不好，将直接导致运行时间成本增加、效率降低。目前，莱芜钢铁、武汉钢铁和广西柳州钢铁等公司都进行了自动化改造，但是较为核心的硬件设备还是依赖于进口3。1.3过程自动化系统过程自动化系统衔接于基础自动化系统和生产自动化系统，发挥着关键的作用。一般由计算机软硬收稿日期：2022-12-09作者简介：王鹏（1989），男，江苏南京人，本科，毕业于南京信息工程大学电气工程自动化专业，工程师，研究方向为轧钢自动化。总第 208 期2023 年第 5 期山西冶金Shanxi MetallurgyTotal 208No.5，2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.05.042图 1轧制自动化系统组成部分设备执行系统生产自动化系统过程自动化系统基础自动化系统理论研究2023 年第 5 期件来控制生产过程。对于工艺部分，通过构建数学模型，建立中间件平台，开发数据接口和数据库管理，优化生产过程，提高产品质量。过程自动化包含设定冶金轧制的流程、计算数学模型，对产生的数据进行分析，并生成相关结果。其中，最为核心的部分是制定规程和计算模型，其结果直接影响了材料轧制中的变形情况以及后续数据的分析。板带直接影响了产品的形状、精度和性能。而板型的功能设计也是通过过程自动化系统完成。在自动化设计过程中，需要实时测量轧制过程中温度、厚度和力度等参数，以此来提高计算的精度，模型的优化也是根据参数的变化而来。通过模型的适应、参数的校正等，提高系统的计算精度，实现轧制过程的优化。在轧制过程的计算方面，特别是在热连轧机机制和宽带刚热连轧工艺部分，国内已经取得一定的科技成果，并得到了较为广泛的运用。1.4生产自动化系统生产自动化系统位于过程自动化系统之上，主要由各区域管理系统和数据库平台组成。线上制定生产任务和计划，并根据任务和计划进行调度和监控。冶金生产自动化系统在国内起步较晚，近些年来受到了企业和用户的关注。在重点冶金企业中，生产自动化系统的应用较为普及，实现了自动下发计划、调整任务、实时监控和跟踪等。对于中小企业，生产自动化系统运用还不够完善，因企业自身的限制，系统只能够运用其中的一部分，如生产、调控或运营等。轧制过程生产自动化，可以有效连接生产系统和管理系统，实时管控任务的下达和上传，是轧制自动化的重要体现。现有的轧制自动化已经实现了冶、铸、轧流程一体化和动态调整，在动态控制、实时监控和库存管理方面也有所升级4。随着信息化技术的不断深入，生产过程中的各种工序已经实现了对信息进行采集、分析、处理和控制，做到了全过程的统计和质量分析，使生产自动化系统能够更好地为企业的生产和运营做贡献。2关键技术轧制自动化的实现有利于提高生产效率、提升产品质量、降低劳动成本、改善工作环境。对于冶金企业来说，主要目的集中于提高生产效率、提高产品的质量。根据研究发现，生产效率与设备的先进性有着密切的关系，而产品质量包括形状、精度和内部性能等，与系统的运行控制有关。因此，在提高轧制自动化方面，需要从产品尺寸控制、板形设计和性能控制方面来考虑。2.1产品尺寸精度控制控制冶金轧制外形尺寸主要是按照尺寸设定进行动态调整，采用轧机出口测厚仪来测量厚度偏差，调节张力，自动控制轧制厚度5。在热连轧过程中，由于其速度较快、轧制力度大，可以采用不同的厚度控制模块进行控制。另外，可以进行辅助设计，加入轧辊轴承油膜厚度补偿或者加减速过程摩擦补偿等功能，进而提高控制效果。在热连轧过程中，因头尾部变化较大，在控制厚度时，难度上升。可以通过设计弹跳方程计算进入精轧机的厚度，并作为目标值进行控制。也可以在精轧机中安装测速仪和测厚仪，在过程控制前进行自适应控制，提高热轧产品的头部准确度。2.2板形控制板形控制主要用于板带材生产方面，主要技术包括平直度控制和断面轮廓控制。其中，平直度控制是板形控制中的关键点。由于热连轧的张力较大，不容易发现板形缺陷。因此，可以通过分段测量横向张力的具体值推算出板形值。若存在板形缺陷，可以采用弯辊、轧辊横移和分段冷却水进行实时控制。对于仍然无法解决的缺陷，可以通过激光式板型仪测量得到板形数据。中厚板轧制的厚度大，横向流动调节能力强，平直度问题较为少见，可以将更多精力放在控制平面形状上，减少切边、切头和切尾造成的损失。2.3组织性能控制产品的性能由微观物质决定，在成分材料确定的情况下，产品的性能由轧制过程中具体的参数决定。在现有的控制轧机中，主要包括控制变形量、温度和冷却速度。轧件温度控制是较为常见的控制方式，可以使用冷却中厚板、棒线材等方式来实现，并在外端设置流量调节机制，实现对冷却温度的控制。根据冶金原理，轧制生产结合控轧温度等机制，可以确定产品的参数，实时掌控产品的性能。3发展方向3.1构建基于物联网的冶金自动化系统冶金行业的自动化不能局限于冶金设备自动化，要与信息化、数字化产品相结合，包括产品设计、生产工艺、经营管理和产品营销等，将轧制自动化推向一个新的高度6。基于物联网的自动化系统，可以实现生产、控制、检测和运维等环节的紧密联系，并且实现快速高效的结合。对数据进行统一标准化处理，规范了企业的管理和维护方案，提升了企业的生产效率和品牌效应。物联网在冶金轧制控制中，较为广泛应用于过程控制中，包括一系列高性能传感器、机电一体化技术、工艺流程的实时连通与处理。在数据处理中，自动化系统可以实时处理新出现的数据，并提取出有目标作用的数据进行分析，为生产管理提供依据。3.2建立大数据系统管理平台过程控制和生产控制时都会产生大量的数据，数据利用价值高，对轧制自动化控制和决策都起到了重王鹏：冶金工业轧制自动化控制主要技术现状与发展方向111山西冶金E-mail:第 46 卷要的作用，若能够从数据中找到有用的价值，则可以进一步提高生产系统的效率，减少生产出错的可能性，节约成本。根据现有数据系统，冶金生产中的轧制数据主要集中在订单、产品规范、生产工艺、消耗量和产品详细数据等方面，这些数据直接与质量、成本和精度有关，可以经过分析建立新一代基于数据的轧制模型平台，实现多流程数据板形控制、智能化分析和自动化运营，为企业的管理提供精准的决策。3.3研发高端设备和技术经过上述分析可知，我国的轧制自动化设备主要依赖进口，导致产品的利润率较低，同时，也遏制了企业的发展。特别是中压交直交轧机和高精度的检测仪等设备，严重依赖进口，需要进行技术研发来扭转这一局面。因此，在未来，应在板形控制、控轧空冷和高精度检测仪等方面展开研究。在交交变频主传动中，可以侧重于大功率交直变频主传动系统。另外。在热连轧计算机控制研究方面，中国已经有所突破，相关产品也应用到新的产线，取得了较好的效果，降低了投资成本，有利于进一步实现资金向研发部门流动。4结论冶金工业在轧制自动化方面，已经有所运用，在基础自动化和过程自动化方面，运用得较为明显，提升了企业的运行效率，降低了生产成本。然而，自动化技术在应用过程中关键技术受制于人、自动化运用不完善等，成为冶金轧制的瓶颈。因此，冶金行业要运用新一代物联网技术，进行智能化改造，通过大数据分析和处理，提升管理效率，进一步研发出高端设备和技术，将轧制的整个生产运行掌握在自己手里。随着自动化技术的充分运用，冶金轧制自动化将朝着更加智能化的方向发展。参考文献1李小明.冶金工业轧制工艺的自动化技术发展研究J.冶金与材料，2019（5）：99-100.2黄粱.冶金工业轧制工艺的自动化技术发展研究J.冶金管理，2020（1）：71-72.3张勇军.冶金工业轧制自动化主要技术现状与发展方向J.冶金自动化，2015（3）：1-9.4易勇.冶金工业轧制自动化技术的应用现状及前景探讨J.科学中国人，2016（6）：222.5张清东，尹忠俊，秦勤，等.冶金机械及自动化分学科发展冶金机械R/20122013 冶金工程技术学科发展报告.北京：中国科学技术出版社，2014.6薛兴昌，黄维纲，胡仁安.工程科学的前沿技术轧制过程自动化工程支撑体系J.冶金自动化，2010（4）：1-5；9.（编辑：郭萍茹）Main Technical Status and Development Direction of Rolling Automation Control inMetallurgical IndustryWang Peng（Nanjing Iron and Steel Co.,Ltd.,Nanjing Jiangsu 210044）Abstract:With the continuous development of automation technology in China,the metallurgical industry is gradually replacing high-riskmanual work with automation technology,which plays an important role in the safety and production efficiency of the metallurgical industry.However,there have been some bottlenecks in the application of automation technology,mainly manifested as limited equipment accuracy,high cost,and complex processes.On the basis of analyzing the current status of rolling automation technology in the metallurgical industry,this paper explores the development direction of the metallurgical industry.By constructing a metallurgical automation system based on theInternet of Things,it establishes a big data system management platform,innovates rolling automation technology,develops high-endequipment,and promotes the development of metallurgical rolling automation towards a more intelligent direction.Key words:metallurgical industry;rolling automation;technical status;development direction4王翔，国新春，宁珅，等.高硬度车轮在热处理中关键元素的控制J.山西冶金，2021，44（4）：91-92.5张澎拜，刘金朝，张斌，等.基于主应力法和修正的 Grossland 疲劳准则的动车组车轮疲劳强度评定方法J.中国铁道科学，2014，35（2）：52-57.（编辑：苗运平）Study on the Effect of Heat Treatment Process on Residual Stress of WheelDeng Rongjie,Guo Xinchun,Li Zhi,Huang Xiaoqing,Zhai Long,Tao Yinglong,Zhang Yize（Baowu Group Masteel Transit Materials Techonlogy Co.,Ltd.,Maanshan Anhui 243000）Abstract:Grasp the influence rule of heat treatment process parameters and wheel shape parameters on wheel residual stress，study theinfluence of wheel residual stress on wheel web fatigue evaluation，and establish the web fatigue evaluation model of wheel residual stress.Itis of great significance to improve the safety of the wheel by carrying out the research on the influence of the residual stress of the web on thestrength and fatigue evaluation of the wheel and analyzing the influence of the residual stress on the fatigue performance of the web.Key words:residual stress;heat treatment process;fatigue;security（上接第 109 页）112