熱連軋帶鋼虛擬軋制仿真方法
2023-10-18 07:48:44
專利名稱：熱連軋帶鋼虛擬軋制仿真方法
技術領域：
本發明涉及熱軋帶鋼軋制技術，特別涉及熱連軋帶鋼軋制過程的虛擬仿真。
技術背景在熱軋帶鋼生產過程中，來自於連鑄的坯料首先需要放入加熱爐中進行加熱，通過調節 加熱爐的爐溫加熱到1200度左右，然後經過運送輥道運送到粗軋機組進行軋制，在加熱爐和 粗軋機組間有一個高壓水除鱗裝置，當帶鋼經過時將用高壓水去除帶鋼表面大部分的氧化鐵 皮，然後帶鋼以一定的穿帶速度進入粗軋機組，粗軋機組一般分為E1R1(第一套立輥平輥)和 E2R2(第二套立輥平輥)，帶鋼將在粗軋機組工作輥和立輥的控制下進行往返軋制，最後將 150-250mm坯料軋製成25-60mm的中間坯，為了保證帶剛有良好的頭尾溫度，中間坯在進入精 軋機組前還需要經過熱巻箱將其巻成一巻，開巻後需要在飛剪處切去15 — 30mm的廢料以免在 進入精軋組中發生卡鋼輥印等事故，然後帶鋼進入精軋F1—F7機組，每個機架執行L2 (過程 控制自動化)模型系統下傳的基準值，如軋制力、壓下位置、機架速度、彎輥力、活套位置 、機架間噴水、機架間張力等。在精軋組最後一個機架處帶鋼將被軋成計劃目標厚度，為了 控制帶鋼的性能，在F7 (精軋機組第7個機架)出口到巻取機之間有一套層流冷卻裝置，層 流冷卻裝置也執行L2模型系統下傳基準，開啟相應水閥門進行降溫。最後成品帶鋼進入巻取 機巻成一巻，完成熱連軋帶鋼的軋制。針對熱軋帶鋼軋制過程中可能出現軋制設備超極限、 傳感器閃爍、跟蹤不穩定、模型係數調整不準確等影響帶鋼精度、廢鋼及事故事件。而出現 問題之後才去響應的解決，嚴重影響了產品的控制質量和精度。發明內容本發明所要解決的技術問題是，提供一種通過仿真技術解決帶鋼軋制過程中的設備問題 、工藝缺陷、系統邏輯漏洞及模型精度的熱連軋帶鋼虛擬軋制仿真系統。本發明解決所述技術問題採用的技術方案是，熱連軋帶鋼虛擬軋制仿真方法，其特徵 在於，包括下列步驟a、 構建熱連軋過程的仿真設備及仿真輸入控制策略觸發系統；b、 仿真輸入控制策略觸發系統向仿真設備輸入工況；c、 仿真設備運行，得到設備及基礎自動化級數據；d、 將設備及基礎自動化級數據轉換後傳輸給真實設備，以及虛擬執行轉換後的設備及基礎自動化級數據並監控執行結果；進一步的，步驟a中，所述仿真設備為設備的運轉仿真，包括開機虛擬、設備負載輸出 、設備運行異常報警；進一步的，所述仿真設備包括虛擬加熱爐、虛擬粗扎機組、虛擬熱巻箱、虛擬飛剪、虛 擬精扎機組、虛擬層流冷卻機、虛擬巻取機；進一步的，所述虛擬加熱爐根據精扎的軋制速度和坯料斷面規格控制加熱溫度，通過控 制加熱爐的燒嘴的燃燒時間控制熱需求，利用煤氣發熱值公式每隔固定時間計算加熱爐各段 的爐溫；所述虛擬粗軋機組與真實粗扎機設備屬性參數一一對應，若檢査到虛擬粗扎機組的開關 保護值超限則復位到最大值並寫入日誌報警；所述虛擬熱巻箱中方建立了熱巻箱巻取速度、帶鋼穿帶速度、熱巻箱彎管棍縫、巻取張 力與真實熱巻箱設備一一對應，若所述虛擬熱巻箱收到虛擬精扎機組發出的開巻通知，則以 可調控開巻速度開巻；若所述虛擬熱巻箱收到虛擬精扎機組發出的異常狀態標誌，則繼續等 鋼，並不斷更新帶鋼溫度值；所述虛擬飛剪與真實飛剪設備屬性參數剪切速度對應，所述虛擬飛剪建立有虛擬傳感器 ，通過虛擬位置傳感器的數字閃爍及位置分布實現飛剪對帶鋼的頭尾不規則部分進行剪切； 所述虛擬飛剪中，將設置的帶鋼溫度數組與飛剪速度與穿帶速度的對應，反應設備的異常狀 態；所述虛擬精扎機組與真實精扎機組對應，在虛擬精扎機組中建立一個機架模型，其它機 架設備通過更改對應的屬性和前後配置實現；所述虛擬層流冷卻機和虛擬巻取機內設置有虛擬位置傳感器，根據帶鋼穿戴速度計算模 擬位置，根據虛擬位置傳感器採集的位置信號激活其工況的工藝設備；進一步的，所述步驟b中，仿真輸入控制策略觸系統通過仿真資料庫向仿真設備輸入工況；進一步的，所述步驟d中，將轉換後的設備及基礎自動化級數據傳送給過程自動化系統 ，由過程自動化系統傳輸給對應的真實設備。本發明的有益效果是，顯著地縮短現場維護調試時間，在仿真環境下校驗測試自控軟體 ，在去現場之前發現並更正絕大多數的設計錯誤。極大地提高控制質量和精度，在仿真環境 下，有充裕的時間進行理想條件下的測試，提高設計質量，仿真校驗為設計人員和最終用 戶之間提供了一個直觀的交流平臺，在現場之前消除歧義並以相對較小的成本進行必要的設計修改。仿真環境提供了更好的工作環境，避免進入一些高危險性的場合(高溫、酸、易爆 、有毒等)。以下結合具體實施方式
和附圖，對本發明作進一步說明。
圖l是本發明的具體實施方式
的模塊圖。
具體實施方式
從軋鋼工藝流程出發，通過對軋鋼過程進行數學建模，提取熱軋帶鋼軋制過程中各個環 節的主要設備參數，軋鋼性能指標、運行原理、軋制功耗、磨損狀態等，用OPENGL三維模型 構建熱軋現場底層軟環境，用ROSE建模工具構建軟體仿真支撐平臺，直觀快速地再現軋鋼場 景和帶鋼軋制過程中各設備狀態以及帶鋼數據變化，實現軋鋼過程的可視化仿真，提供模擬 人工輸入前臺和帶鋼數據幹預項，通過動態調節帶鋼軋制節奏及設備異常狀態，可以仿真出 帶鋼在不同設備工況和時序下的軋制過程。將本發明的仿真支撐平臺搭建在L2 (過程控制自 動化)級與L1 (設備級及基礎自動化)級間，通過軟仿真觸發時序和模擬制定設備狀態參數 有效的進行異常控制，將人工前臺輸入的控制信號按照不同的周期轉換為L2級信號，L2級應 用系統在收到仿真層提供的觸發信號和數據流後轉入應用系統層控制環境，激活帶鋼跟蹤、 控制邏輯、模型系統、HMI (人機界面)交流平臺等。仿真支撐平臺在接口處可以變更周期 的循環檢索，如果有上遊下傳指令，則執行相應的請求，將結果傳到L1級和HMI上及仿真屏 幕上，通過一張全局網可以觀察到現場設備的模擬運行狀態、功能指標、L2級模擬基準結果 、帶鋼模擬位置、帶鋼異常狀態等。反覆更改人工上傳基本參數、觸發周期、時序快慢，找 到現場各工藝、設備、Ll級、L2級、模型、通信、仿真資料庫中存在的問題，做到用虛擬技 術解決實際生產問題和優化計算機模型系統。本發明的仿真支撐平臺包括仿真設備及仿真輸入控制策略觸發系統，根據熱軋現場工藝 狀態對主要設備的物理屬性和工藝特性進行運轉仿真，仿真包括設備開機虛擬、設備負載輸 出、設備運行異常報警等。模擬熱軋帶鋼生產各個環節的真實設備，包括虛擬加熱爐、虛擬 粗扎機組、虛擬熱巻箱、虛擬飛剪、虛擬精扎機組、虛擬層流冷卻機、虛擬巻取機，為了能 夠檢査真實設備的最大使用能力、PLC (可編程邏輯控制器)邏輯關係、L2級邏輯關係及計 算準確性，引入仿真資料庫異常管理數據方案和分布策略控制數據，通過仿真輸入控制策略 觸發系統將其追加到各個虛擬設備上，形成統一的軋制環境。參見圖l，仿真資料庫與仿真 輸入控制策略觸發系統連接，仿真輸入控制策略觸發系統順次連接虛擬加熱爐、虛擬粗扎機 組、虛擬熱巻箱、虛擬飛剪、虛擬精扎機組，虛擬精扎機組順次連接虛擬層流冷卻機、虛擬巻取機，仿真輸入控制策略觸發系統對各虛擬設備進行多工況的局部輸入，各虛擬設備將運 行後的設備及基礎自動化級數據通過仿真設備數據轉換層轉換後進入PLC收發器，PLC收發器 再順次傳輸給L2通信接口、 L2伺服器，L2級應用系統開始正常啟動。仿真設備數據轉換層 將各虛擬設備在不同時間產生的數據輸出信號進行轉換和分類，通過TCP/IP方式與真實PLC 設備相連，建立消息異步相應處理循環，每20毫秒掃描一次仿真設備數據，對變換後的數據 包通過ID號(與真實的PLC設備對應的計算機通信索引號)對應關係最後派送給真實的PLC設 備。在程序實現上，用vc2005通過DC0M方式建立真實設備與虛擬設備的仿真設備數據轉換層 的連接，監視仿真設備數據轉換層的輸入和輸出數據，包括了虛擬設備數據和上遊計算機下 傳數據，並具有修改數據的功能，通過攔截仿真設備數據轉換層的數據進行局部調整，實現 微調。在L2級伺服器模型數據下傳後還需要建立輸出反饋系統，將輸出反饋系統掛在仿真設 備數據轉換層的後面，當上遊計算機下傳基準值給各虛擬設備後，對其運作機理和不同特性 進行最大程度的仿真。輸出反饋系統將對下傳到各模擬設備的數據進行分派，並啟動設備虛 擬執行動作，仿真各設備在收到上遊伺服器下傳基準後的執行情況。最後仿真結果傳輸到帶 鋼質量和設備狀態監控系統，從而完成了一次帶鋼的虛擬軋制。在整個過程中可以通過調整 仿真資料庫、控制策略系統、仿真控制終端進行不同階段的人為修改和異常條件的觸發。下 面對各虛擬設備進行具體描述虛擬加熱爐將不同規格的連鑄在控制燃燒技術可調的前提下，為了能夠達到下遊生產 線的內控溫度，有效減少能量消耗和氧化鐵皮的產生，提高坯料的加熱質量，達到最快的出 鋼節奏。在虛擬加熱爐中建立一個虛擬加熱器，其加熱能力最大為300噸/座/小時，最大模 擬能力三臺，每臺虛擬加熱爐共分14段加熱，採用高/焦爐混合煤氣平均基準送氣，加熱到 125(TC-130(TC出爐。為了能夠更好仿真出真實加熱爐的使用效果，在程序當中將虛擬加熱 器與真實加熱器屬性參數一一對應，引入空氣係數1.05 1. 15、爐壓0 10Pa，關聯溫度自 動控制、爐壓自動控制、空燃比、換熱器保護、點火火焰控制、產品溫度檢測、冷卻水循環 保護等。計算虛擬加熱爐內各段溫度時根據精軋的軋制速度和坯料斷面規格進行控制，軋制 速度較快及斷面規格較大以及單仿真爐生產時，爐溫按上限控制(上限值可調)，當軋制速 度慢，超過加熱制度規定的加熱時間時，爐溫自動按中、下限控制。在虛擬加熱爐中對熱需 求的控制是通過其燒嘴的燃燒時間而不是空氣和煤氣的流量來實現的，燒嘴按順序燃燒，且 每個燒嘴單獨控制。當燒嘴打開時，閥門大小不能夠調整，它以100%的能力工作。利用煤 氣發熱值公式每500毫秒計算一次加熱爐各段爐溫，出爐溫度控制精度+ -20°C。通過對每個 燒嘴單位時間燃燒發熱計算，虛擬加熱爐將給出虛擬加熱爐的爐內溫度，當爐內溫度超過最大允許範圍，則將自動減少燒嘴數量，虛擬加熱爐同樣調用煤氣發熱值公式重新計算爐內溫度。虛擬粗軋機組篩選出真實粗扎機組設備的主要屬性參數，將虛擬粗軋機組與實際粗軋 機設備的主要屬性參數一一對應，包括E1 (立棍l)位置、El壓力大小、Rl (粗軋平棍l)棍 縫、Rl壓力、E2 (立棍2)位置、E2壓力大小、R2 (粗軋平棍2)棍縫、R2壓力，給出主要設 備常量R1工作棍棍徑、Rl支撐棍棍徑、R2工作棍棍徑、R2支撐棍棍徑等及設備開關保護值R1 最大電機功率、R2最大電機功率、R2最大電機功率、Rl棍縫最大值、R2棍縫最大值、Rl轉速 最大值、R2轉速最大值、Rl軋制力最大值、R2軋制力最大值、Rl電壓最大值、R2電壓最大值 、R1和R2鋼度及調零軋制力等。如果檢査出開關保護值超限則復位到最大值並寫入日誌報警 。在出爐板坯傳送到粗軋機途中，經高壓水除鱗機除去其表面的爐生氧化鐵皮及附著的殘留 保護渣，這段過程只需要給出模擬可控制時間，不需要單獨建立虛擬設備。在虛擬粗軋機組 系統中，內建板坯進入粗軋機組3-5道次可逆軋制策勒，構建虛擬粗軋機組立輥可逆軋機部 分和虛擬水平四輥可逆軋機，仿真立輥軋機自動寬度控制(AWC)和短行程控制(SSC)功能 ，在虛擬水平四輥可逆軋機為電動機械壓下，仿真出液壓自動厚度控制系統(HAGC)，板坯 在粗軋機組中的可調控目標厚度控制在25mm-40mm之間。虛擬熱巻箱針對真實熱巻箱的主要功能是保持帶鋼軋制溫度，防止熱量損失，在虛擬 熱巻箱中建立熱巻箱巻取速度、帶鋼穿帶速度、熱巻箱彎管棍縫、巻取張力與真實設備對應 關係，根據虛擬穿帶速度加調控巻取速度、板坯入口調控溫度和在熱巻箱中的等鋼調控時間 計算出帶鋼的溫度虛擬值，以便下一工序進一步連鎖控制。因為熱巻箱是位於熱連軋生產線 粗軋機和精軋機中間的工藝設備，主要的功能是將粗軋中間坯巻成熱鋼巻然後再開巻送入飛 剪及精軋機，生產過程中熱巻箱從粗扎接收中間坯將其巻成鋼巻，如果虛擬的下一工序(虛 擬精軋機組)向虛擬熱巻箱發出開巻通知，則虛擬熱巻箱將以可調控開巻速度開巻。如果虛 擬精軋機組向虛擬熱巻箱返回設備異常狀態標誌，則虛擬熱巻箱繼續等鋼，並不斷更新帶鋼 溫度值。虛擬飛剪將虛擬飛剪與實際飛剪設備屬性參數剪切速度對應。在虛擬飛剪中設置虛擬位置傳感器，通過其數字閃爍及位置分布來完成飛剪對帶鋼的頭尾不規則部分進行剪切，虛 擬飛剪的關鍵是根據虛擬熱巻箱開巻信號觸發虛擬飛剪與虛擬熱巻箱之間間的虛擬位置傳感 器，根據虛擬飛剪的虛傳位置感器傳回的帶鋼速度計算出最佳剪切位置。如果帶鋼速度過低 、溫度過低、設備異常等狀態造成飛剪不能投入自動、不擺位、不切、連切切頭切尾不準等 失控事故，在虛擬飛剪中通過內建的設備工藝條件進行設備異常處理和表現，在虛擬飛剪中加入飛剪效果處理程序在程序中建立帶鋼溫度數組，溫度範圍分為小於700度、700-980度 、大於900度，每個溫度數組對應一個飛剪速度與穿帶速度的線性表，這樣虛擬飛剪器根據 溫度、飛剪速度與穿帶速度的對照關係就可以反映出設備的異常狀態。虛擬精軋機組因為精軋機組各個機架的屬性是相同的，所以在虛擬精扎機組中只建立 一個機架模型，其它的機架模型通過更改對應的屬性和前後配置實現。對應的屬性指該機架 模型的工作輥速度、軋制力、輥縫位置、彎竄輥、活套位置、活套張力、電機功率、機架間 噴水等，對應的前後配置指該機架模型所處的位置及與前後機架模型的關係(如F2機架處於 整個精軋機架中的第二個，與F1和F3機架前後相連，涉及到的主要屬性就會改為F1-F2活套 位置和F2-F3活套位置、F1-F2活套張力和F2-F3活套張力、F1-F2機架間噴水和F2-F3機架間 噴水)，將一個機架需要表現的設備常量與機架模型相連接，給出主要設備常量有Fx (第x 架)工作棍棍徑、Fx支撐棍棍徑、Fx最大電機功率、Fx棍縫最大值、Fx轉速最大值、Fx軋制 力最大值、Fx (第x架)電壓最大值、Fx活套角度最大值、Fx機架間噴水最大值、Fx調零軋 制力、Fx軋機鋼度。如果檢査出設備最大範圍允許值超限則復位到最大值，並將虛擬設備參 數寫入日誌以便進一步分析錯誤原因。在虛擬精軋機組中建立虛擬位置傳感器分布，根據帶 鋼穿帶速度計算出模擬位置，通過對虛擬設備輸入參數電機功率、轉速、活套位置、活套張 力的調整來實現速度級聯控制、張力控制、活套控制、APC(自動定位控制)等實際執行狀態 ，從而模擬出帶鋼在實際精軋機中的軋制過程。虛擬層流冷卻機和虛擬巻取機這兩部分的虛擬同樣需要內建虛擬位置傳感器，根據帶 鋼穿帶速度計算出模擬位置，根據虛擬位置傳感器採集到的位置信號來激活該位置工況的工 藝設備，工藝設備的虛擬運作是在模擬系統中建立輸入、輸出參數、設備運作特性關係模型 ，通過虛擬設備的運作來達到產生對帶鋼的作用效果和自身極限負荷的檢査，如果超限將會 觸發異常報警。
權利要求
1. 熱連軋帶鋼虛擬軋制仿真方法，其特徵在於，包括下列步驟a、構建熱連軋過程的仿真設備及仿真輸入控制策略觸發系統；b、仿真輸入控制策略觸發系統向仿真設備輸入工況；c、仿真設備運行，得到設備及基礎自動化級數據；d、將設備及基礎自動化級數據轉換後傳輸給真實設備，以及虛擬執行轉換後的設備及基礎自動化級數據並監控執行結果。
權利要求2如權利要求l所述熱連軋帶鋼虛擬軋制仿真方法，其特徵在於，步 驟a中，所述仿真設備為設備的運轉仿真，包括開機虛擬、設備負載輸出、設備運行異常報*。
權利要求3如權利要求2所述熱連軋帶鋼虛擬軋制仿真方法，其特徵在於，所 述仿真設備包括虛擬加熱爐、虛擬粗扎機組、虛擬熱巻箱、虛擬飛剪、虛擬精扎機組、虛擬 層流冷卻機、虛擬巻取機。
權利要求4如權利要求3所述熱連軋帶鋼虛擬軋制仿真方法，其特徵在於，所述虛擬加熱爐根據精扎的軋制速度和坯料斷面規格控制加熱溫度，通過控制加熱爐 的燒嘴的燃燒時間控制熱需求，利用煤氣發熱值公式每隔固定時間計算加熱爐各段的爐溫；所述虛擬粗軋機組與真實粗扎機設備屬性參數一一對應，若檢査到虛擬粗扎機組的開 關保護值超限則復位到最大值並寫入日誌報警；所述虛擬熱巻箱中方建立了熱巻箱巻取速度、帶鋼穿帶速度、熱巻箱彎管棍縫、巻取 張力與真實熱巻箱設備一一對應，若所述虛擬熱巻箱收到虛擬精扎機組發出的開巻通知，則 以可調控開巻速度開巻；若所述虛擬熱巻箱收到虛擬精扎機組發出的異常狀態標誌，則繼續 等鋼，並不斷更新帶鋼溫度值；所述虛擬飛剪與真實飛剪設備屬性參數剪切速度對應，所述虛擬飛剪建立有虛擬傳感 器，通過虛擬位置傳感器的數字閃爍及位置分布實現飛剪對帶鋼的頭尾不規則部分進行剪切 ;所述虛擬飛剪中，將設置的帶鋼溫度數組與飛剪速度與穿帶速度的對應，反應設備的異常狀態；所述虛擬精扎機組與真實精扎機組對應，在虛擬精扎機組中建立一個機架模型，其它 機架設備通過更改對應的屬性和前後配置實現；所述虛擬層流冷卻機和虛擬巻取機內設置有虛擬位置傳感器，根據帶鋼穿戴速度計算 模擬位置，根據虛擬位置傳感器採集的位置信號激活其工況的工藝設備。
5.如權利要求l所述熱連軋帶鋼虛擬軋制仿真方法，其特徵在於，所 述步驟b中，仿真輸入控制策略觸系統通過仿真資料庫向仿真設備輸入工況。
6.如權利要求l所述熱連軋帶鋼虛擬軋制仿真方法，其特徵在於，所 述步驟d中，將轉換後的設備及基礎自動化級數據傳送給過程自動化系統，由過程自動化系 統傳輸給對應的真實設備。
全文摘要
本發明涉及熱軋帶鋼軋制技術，特別涉及熱連軋帶鋼軋制過程的虛擬仿真。本發明公開了一種通過仿真技術解決帶鋼軋制過程中的設備問題、工藝缺陷、系統邏輯漏洞及模型精度的熱連軋帶鋼虛擬軋制仿真系統。本發明的熱連軋帶鋼虛擬軋制仿真方法包括下列步驟構建熱連軋過程的仿真設備及仿真輸入控制策略觸發系統；仿真輸入控制策略觸系統向仿真設備輸入工況；仿真設備運行，得到設備及基礎自動化級數據；將設備及基礎自動化級數據轉換後傳輸給真實設備，以及虛擬執行轉換後的設備及基礎自動化級數據並監控執行結果。本發明的有益效果是，顯著地縮短現場維護調試時間，極大地提高控制質量和精度，為設計人員和最終用戶之間提供了一個直觀的交流平臺。
文檔編號G05B17/02GK101221417SQ200710203558
公開日2008年7月16日 申請日期2007年12月29日 優先權日2007年12月29日
發明者佘廣夫, 靜 華, 芮 張, 張中平, 楊成有, 胡松濤 申請人:攀枝花新鋼釩股份有限公司