CN101221417B - 热连轧带钢虚拟轧制仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热轧带钢轧制技术，特别涉及热连轧带钢轧制过程的虚拟仿真。本发明公开了一种通过仿真技术解决带钢轧制过程中的设备问题、工艺缺陷、系统逻辑漏洞及模型精度的热连轧带钢虚拟轧制仿真系统。本发明的热连轧带钢虚拟轧制仿真方法包括下列步骤：构建热连轧过程的仿真设备及仿真输入控制策略触发系统；仿真输入控制策略触系统向仿真设备输入工况；仿真设备运行，得到设备及基础自动化级数据；将设备及基础自动化级数据转换后传输给真实设备，以及虚拟执行转换后的设备及基础自动化级数据并监控执行结果。本发明的有益效果是，显著地缩短现场维护调试时间，极大地提高控制质量和精度，为设计人员和最终用户之间提供了一个直观的交流平台。

Description

热连轧带钢虚拟轧制仿真方法

技术领域

本发明涉及热轧带钢轧制技术，特别涉及热连轧带钢轧制过程的虚拟仿真。

背景技术

在热轧带钢生产过程中，来自于连铸的坯料首先需要放入加热炉中进行加热，通过调节加热炉的炉温加热到1200度左右，然后经过运送辊道运送到粗轧机组进行轧制，在加热炉和粗轧机组间有一个高压水除鳞装置，当带钢经过时将用高压水去除带钢表面大部分的氧化铁皮，然后带钢以一定的穿带速度进入粗轧机组，粗轧机组一般分为E1R1(第一套立辊平辊)和E2R2(第二套立辊平辊)，带钢将在粗轧机组工作辊和立辊的控制下进行往返轧制，最后将150-250mm坯料轧制成25-60mm的中间坯，为了保证带刚有良好的头尾温度，中间坯在进入精轧机组前还需要经过热卷箱将其卷成一卷，开卷后需要在飞剪处切去15-30mm的废料以免在进入精轧组中发生卡钢辊印等事故，然后带钢进入精轧F1-F7机组，每个机架执行L2(过程控制自动化)模型系统下传的基准值，如轧制力、压下位置、机架速度、弯辊力、活套位置、机架间喷水、机架间张力等。在精轧组最后一个机架处带钢将被轧成计划目标厚度，为了控制带钢的性能，在F7(精轧机组第7个机架)出口到卷取机之间有一套层流冷却装置，层流冷却装置也执行L2模型系统下传基准，开启相应水阀门进行降温。最后成品带钢进入卷取机卷成一卷，完成热连轧带钢的轧制。针对热轧带钢轧制过程中可能出现轧制设备超极限、传感器闪烁、跟踪不稳定、模型系数调整不准确等影响带钢精度、废钢及事故事件。而出现问题之后才去响应的解决，严重影响了产品的控制质量和精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种通过仿真技术解决带钢轧制过程中的设备问题、工艺缺陷、系统逻辑漏洞及模型精度的热连轧带钢虚拟轧制仿真系统。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，热连轧带钢虚拟轧制仿真方法，其特征在于，包括下列步骤：

a、构建热连轧过程的仿真设备及仿真输入控制策略触发系统；

b、仿真输入控制策略触发系统向仿真设备输入工况；

c、仿真设备运行，得到设备及基础自动化级数据；

d、将设备及基础自动化级数据转换后传输给真实设备，以及虚拟执行转换后的设备及基础自动化级数据并监控执行结果；

所述仿真设备为设备的运转过程进行仿真，其中运转过程包括开机虚拟、设备负载输出、设备运行异常报警；

所述仿真设备包括虚拟加热炉、虚拟粗扎机组、虚拟热卷箱、虚拟飞剪、虚拟精扎机组、虚拟层流冷却机、虚拟卷取机；

所述虚拟加热炉根据精扎的轧制速度和坯料断面规格控制加热温度，通过控制加热炉的烧嘴的燃烧时间控制热需求，利用煤气发热值公式每隔固定时间计算加热炉各段的炉温；

所述虚拟粗轧机组与真实粗扎机设备属性参数一一对应，若检查到虚拟粗扎机组的开关保护值超限则复位到最大值并写入日志报警；

所述虚拟热卷箱中建立了热卷箱卷取速度、带钢穿带速度、热卷箱弯管棍缝、卷取张力与真实热卷箱设备一一对应，若所述虚拟热卷箱收到虚拟精扎机组发出的开卷通知，则以可调控开卷速度开卷；若所述虚拟热卷箱收到虚拟精扎机组发出的异常状态标志，则继续等钢，并不断更新带钢温度值；

所述虚拟飞剪与真实飞剪设备属性参数剪切速度对应，所述虚拟飞剪建立有虚拟传感器，通过虚拟位置传感器的数字闪烁及位置分布实现飞剪对带钢的头尾不规则部分进行剪切；在所述虚拟飞剪中加入了飞剪效果处理程序，在程序中建立带钢温度数组，每个带钢温度数组对应一个飞剪速度与穿带速度的线性表；

所述虚拟精扎机组与真实精扎机组对应，在虚拟精扎机组中建立一个机架模型，其它机架设备通过更改对应的属性和前后配置实现；

所述虚拟层流冷却机和虚拟卷取机内设置有虚拟位置传感器，根据带钢穿带速度计算模拟位置，根据虚拟位置传感器采集的位置信号激活对应虚拟位置工况的工艺设备。

进一步的，所述步骤b中，仿真输入控制策略触发系统通过仿真数据库向仿真设备输入工况；

进一步的，所述步骤d中，将转换后的设备及基础自动化级数据传送给过程自动化系统，由过程自动化系统传输给对应的真实设备。

本发明的有益效果是，显著地缩短现场维护调试时间，在仿真环境下校验测试自控软件，在去现场之前发现并更正绝大多数的设计错误。极大地提高控制质量和精度，在仿真环境下，有充裕的时间进行理想条件下的测试，提高设计质量，仿真校验为设计人员和最终用户之间提供了一个直观的交流平台，在现场之前消除歧义并以相对较小的成本进行必要的设计修改。仿真环境提供了更好的工作环境，避免进入一些高危险性的场合(高温、酸、易爆、有毒等)。

以下结合具体实施方式和附图，对本发明作进一步说明。

附图说明

图1是本发明的具体实施方式的模块图。

具体实施方式

从轧钢工艺流程出发，通过对轧钢过程进行数学建模，提取热轧带钢轧制过程中各个环节的主要设备参数，轧钢性能指标、运行原理、轧制功耗、磨损状态等，用OPENGL三维模型构建热轧现场底层软环境，用ROSE建模工具构建软件仿真支撑平台，直观快速地再现轧钢场景和带钢轧制过程中各设备状态以及带钢数据变化，实现轧钢过程的可视化仿真，提供模拟人工输入前台和带钢数据干预项，通过动态调节带钢轧制节奏及设备异常状态，可以仿真出带钢在不同设备工况和时序下的轧制过程。将本发明的仿真支撑平台搭建在L2(过程控制自动化)级与L1(设备级及基础自动化)级间，通过软仿真触发时序和模拟制定设备状态参数有效的进行异常控制，将人工前台输入的控制信号按照不同的周期转换为L2级信号，L2级应用系统在收到仿真层提供的触发信号和数据流后转入应用系统层控制环境，激活带钢跟踪、控制逻辑、模型系统、HMI(人机界面)交流平台等。仿真支撑平台在接口处可以变更周期的循环检索，如果有上游下传指令，则执行相应的请求，将结果传到L1级和HMI上及仿真屏幕上，通过一张全局网可以观察到现场设备的模拟运行状态、功能指标、L2级模拟基准结果、带钢模拟位置、带钢异常状态等。反复更改人工上传基本参数、触发周期、时序快慢，找到现场各工艺、设备、L1级、L2级、模型、通信、仿真数据库中存在的问题，做到用虚拟技术解决实际生产问题和优化计算机模型系统。

本发明的仿真支撑平台包括仿真设备及仿真输入控制策略触发系统，根据热轧现场工艺状态对主要设备的物理属性和工艺特性进行运转仿真，仿真包括设备开机虚拟、设备负载输出、设备运行异常报警等。模拟热轧带钢生产各个环节的真实设备，包括虚拟加热炉、虚拟粗扎机组、虚拟热卷箱、虚拟飞剪、虚拟精扎机组、虚拟层流冷却机、虚拟卷取机，为了能够检查真实设备的最大使用能力、PLC(可编程逻辑控制器)逻辑关系、L2级逻辑关系及计算准确性，引入仿真数据库异常管理数据方案和分布策略控制数据，通过仿真输入控制策略触发系统将其追加到各个虚拟设备上，形成统一的轧制环境。参见图1，仿真数据库与仿真输入控制策略触发系统连接，仿真输入控制策略触发系统顺次连接虚拟加热炉、虚拟粗扎机组、虚拟热卷箱、虚拟飞剪、虚拟精扎机组，虚拟精扎机组顺次连接虚拟层流冷却机、虚拟卷取机，仿真输入控制策略触发系统对各虚拟设备进行多工况的局部输入，各虚拟设备将运行后的设备及基础自动化级数据通过仿真设备数据转换层转换后进入PLC收发器，PLC收发器再顺次传输给L2通信接口、L2服务器，L2级应用系统开始正常启动。仿真设备数据转换层将各虚拟设备在不同时间产生的数据输出信号进行转换和分类，通过TCP/IP方式与真实PLC设备相连，建立消息异步相应处理循环，每20毫秒扫描一次仿真设备数据，对变换后的数据包通过ID号(与真实的PLC设备对应的计算机通信索引号)对应关系最后派送给真实的PLC设备。在程序实现上，用vc2005通过DCOM方式建立真实设备与虚拟设备的仿真设备数据转换层的连接，监视仿真设备数据转换层的输入和输出数据，包括了虚拟设备数据和上游计算机下传数据，并具有修改数据的功能，通过拦截仿真设备数据转换层的数据进行局部调整，实现微调。在L2级服务器模型数据下传后还需要建立输出反馈系统，将输出反馈系统挂在仿真设备数据转换层的后面，当上游计算机下传基准值给各虚拟设备后，对其运作机理和不同特性进行最大程度的仿真。输出反馈系统将对下传到各模拟设备的数据进行分派，并启动设备虚拟执行动作，仿真各设备在收到上游服务器下传基准后的执行情况。最后仿真结果传输到带钢质量和设备状态监控系统，从而完成了一次带钢的虚拟轧制。在整个过程中可以通过调整仿真数据库、控制策略系统、仿真控制终端进行不同阶段的人为修改和异常条件的触发。下面对各虚拟设备进行具体描述：

虚拟加热炉：将不同规格的连铸在控制燃烧技术可调的前提下，为了能够达到下游生产线的内控温度，有效减少能量消耗和氧化铁皮的产生，提高坯料的加热质量，达到最快的出钢节奏。在虚拟加热炉中建立一个虚拟加热器，其加热能力最大为300吨/座/小时，最大模拟能力三台，每台虚拟加热炉共分14段加热，采用高/焦炉混合煤气平均基准送气，加热到1250℃-1300℃出炉。为了能够更好仿真出真实加热炉的使用效果，在程序当中将虚拟加热器与真实加热器属性参数一一对应，引入空气系数1.05～1.15、炉压0～10Pa，关联温度自动控制、炉压自动控制、空燃比、换热器保护、点火火焰控制、产品温度检测、冷却水循环保护等。计算虚拟加热炉内各段温度时根据精轧的轧制速度和坯料断面规格进行控制，轧制速度较快及断面规格较大以及单仿真炉生产时，炉温按上限控制(上限值可调)，当轧制速度慢，超过加热制度规定的加热时间时，炉温自动按中、下限控制。在虚拟加热炉中对热需求的控制是通过其烧嘴的燃烧时间而不是空气和煤气的流量来实现的，烧嘴按顺序燃烧，且每个烧嘴单独控制。当烧嘴打开时，阀门大小不能够调整，它以100％的能力工作。利用煤气发热值公式每500毫秒计算一次加热炉各段炉温，出炉温度控制精度+-20℃。通过对每个烧嘴单位时间燃烧发热计算，虚拟加热炉将给出虚拟加热炉的炉内温度，当炉内温度超过最大允许范围，则将自动减少烧嘴数量，虚拟加热炉同样调用煤气发热值公式重新计算炉内温度。

虚拟粗轧机组：筛选出真实粗扎机组设备的主要属性参数，将虚拟粗轧机组与实际粗轧机设备的主要属性参数一一对应，包括E1(立棍1)位置、E1压力大小、R1(粗轧平棍1)棍缝、R1压力、E2(立棍2)位置、E2压力大小、R2(粗轧平棍2)棍缝、R2压力，给出主要设备常量R1工作棍棍径、R1支撑棍棍径、R2工作棍棍径、R2支撑棍棍径等及设备开关保护值R1最大电机功率、R2最大电机功率、R2最大电机功率、R1棍缝最大值、R2棍缝最大值、R1转速最大值、R2转速最大值、R1轧制力最大值、R2轧制力最大值、R1电压最大值、R2电压最大值、R1和R2钢度及调零轧制力等。如果检查出开关保护值超限则复位到最大值并写入日志报警。在出炉板坯传送到粗轧机途中，经高压水除鳞机除去其表面的炉生氧化铁皮及附着的残留保护渣，这段过程只需要给出模拟可控制时间，不需要单独建立虚拟设备。在虚拟粗轧机组系统中，内建板坯进入粗轧机组3-5道次可逆轧制策勒，构建虚拟粗轧机组立辊可逆轧机部分和虚拟水平四辊可逆轧机，仿真立辊轧机自动宽度控制(AWC)和短行程控制(SSC)功能，在虚拟水平四辊可逆轧机为电动机械压下，仿真出液压自动厚度控制系统(HAGC)，板坯在粗轧机组中的可调控目标厚度控制在25mm-40mm之间。

虚拟热卷箱：针对真实热卷箱的主要功能是保持带钢轧制温度，防止热量损失，在虚拟热卷箱中建立热卷箱卷取速度、带钢穿带速度、热卷箱弯管棍缝、卷取张力与真实设备对应关系，根据虚拟穿带速度加调控卷取速度、板坯入口调控温度和在热卷箱中的等钢调控时间计算出带钢的温度虚拟值，以便下一工序进一步连锁控制。因为热卷箱是位于热连轧生产线粗轧机和精轧机中间的工艺设备，主要的功能是将粗轧中间坯卷成热钢卷然后再开卷送入飞剪及精轧机，生产过程中热卷箱从粗扎接收中间坯将其卷成钢卷，如果虚拟的下一工序(虚拟精轧机组)向虚拟热卷箱发出开卷通知，则虚拟热卷箱将以可调控开卷速度开卷。如果虚拟精轧机组向虚拟热卷箱返回设备异常状态标志，则虚拟热卷箱继续等钢，并不断更新带钢温度值。

虚拟飞剪：将虚拟飞剪与实际飞剪设备属性参数剪切速度对应。在虚拟飞剪中设置虚拟位置传感器，通过其数字闪烁及位置分布来完成飞剪对带钢的头尾不规则部分进行剪切，虚拟飞剪的关键是根据虚拟热卷箱开卷信号触发虚拟飞剪与虚拟热卷箱之间间的虚拟位置传感器，根据虚拟飞剪的虚传位置感器传回的带钢速度计算出最佳剪切位置。如果带钢速度过低、温度过低、设备异常等状态造成飞剪不能投入自动、不摆位、不切、连切切头切尾不准等失控事故，在虚拟飞剪中通过内建的设备工艺条件进行设备异常处理和表现，在虚拟飞剪中加入飞剪效果处理程序：在程序中建立带钢温度数组，温度范围分为小于700度、700-980度、大于900度，每个温度数组对应一个飞剪速度与穿带速度的线性表，这样虚拟飞剪器根据温度、飞剪速度与穿带速度的对照关系就可以反映出设备的异常状态。

虚拟精轧机组：因为精轧机组各个机架的属性是相同的，所以在虚拟精扎机组中只建立一个机架模型，其它的机架模型通过更改对应的属性和前后配置实现。对应的属性指该机架模型的工作辊速度、轧制力、辊缝位置、弯窜辊、活套位置、活套张力、电机功率、机架间喷水等，对应的前后配置指该机架模型所处的位置及与前后机架模型的关系(如F2机架处于整个精轧机架中的第二个，与F1和F3机架前后相连，涉及到的主要属性就会改为F1-F2活套位置和F2F3活套位置、F1-F2活套张力和F2-F3活套张力、F1-F2机架间喷水和F2-F3机架间喷水)，将一个机架需要表现的设备常量与机架模型相连接，给出主要设备常量有Fx(第x架)工作棍棍径、Fx支撑棍棍径、Fx最大电机功率、Fx棍缝最大值、Fx转速最大值、Fx轧制力最大值、Fx(第x架)电压最大值、Fx活套角度最大值、Fx机架间喷水最大值、Fx调零轧制力、Fx轧机钢度。如果检查出设备最大范围允许值超限则复位到最大值，并将虚拟设备参数写入日志以便进一步分析错误原因。在虚拟精轧机组中建立虚拟位置传感器分布，根据带钢穿带速度计算出模拟位置，通过对虚拟设备输入参数电机功率、转速、活套位置、活套张力的调整来实现速度级联控制、张力控制、活套控制、APC(自动定位控制)等实际执行状态，从而模拟出带钢在实际精轧机中的轧制过程。

虚拟层流冷却机和虚拟卷取机：这两部分的虚拟同样需要内建虚拟位置传感器，根据带钢穿带速度计算出模拟位置，根据虚拟位置传感器采集到的位置信号来激活该位置工况的工艺设备，工艺设备的虚拟运作是在模拟系统中建立输入、输出参数、设备运作特性关系模型，通过虚拟设备的运作来达到产生对带钢的作用效果和自身极限负荷的检查，如果超限将会触发异常报警。

Claims (3)

1.热连轧带钢虚拟轧制仿真方法，其特征在于，包括下列步骤：

a、构建热连轧过程的仿真设备及仿真输入控制策略触发系统；

b、仿真输入控制策略触发系统向仿真设备输入工况；

c、仿真设备运行，得到设备及基础自动化级数据；

d、将设备及基础自动化级数据转换后传输给真实设备，以及虚拟执行转换后的设备及基础自动化级数据并监控执行结果；

所述仿真设备为设备的运转过程进行仿真，其中运转过程包括开机虚拟、设备负载输出、设备运行异常报警；

所述仿真设备包括虚拟加热炉、虚拟粗轧机组、虚拟热卷箱、虚拟飞剪、虚拟精轧机组、虚拟层流冷却机、虚拟卷取机；

所述虚拟加热炉根据精扎的轧制速度和坯料断面规格控制加热温度，通过控制加热炉的烧嘴的燃烧时间控制热需求，利用煤气发热值公式每隔固定时间计算加热炉各段的炉温；

所述虚拟粗轧机组与真实粗扎机设备属性参数一一对应，若检查到虚拟粗扎机组的开关保护值超限则复位到最大值并写入日志报警；

所述虚拟热卷箱中建立了热卷箱卷取速度、带钢穿带速度、热卷箱弯管棍缝、卷取张力与真实热卷箱设备一一对应，若所述虚拟热卷箱收到虚拟精扎机组发出的开卷通知，则以可调控开卷速度开卷；若所述虚拟热卷箱收到虚拟精扎机组发出的异常状态标志，则继续等钢，并不断更新带钢温度值；

所述虚拟飞剪与真实飞剪设备属性参数剪切速度对应，所述虚拟飞剪建立有虚拟传感器，通过虚拟位置传感器的数字闪烁及位置分布实现飞剪对带钢的头尾不规则部分进行剪切；在所述虚拟飞剪中加入了飞剪效果处理程序，在程序中建立带钢温度数组，每个带钢温度数组对应一个飞剪速度与穿带速度的线性表；

所述虚拟精扎机组与真实精扎机组对应，在虚拟精扎机组中建立一个机架模型，其它机架设备通过更改对应的属性和前后配置实现；

所述虚拟层流冷却机和虚拟卷取机内设置有虚拟位置传感器，根据带钢穿带速度计算模拟位置，根据虚拟位置传感器采集的位置信号激活对应虚拟位置工况的工艺设备。

2.如权利要求1所述热连轧带钢虚拟轧制仿真方法，其特征在于，所述步骤b中，仿真输入控制策略触发系统通过仿真数据库向仿真设备输入工况。

3.如权利要求1所述热连轧带钢虚拟轧制仿真方法，其特征在于，所述步骤d中，将转换后的设备及基础自动化级数据传送给过程自动化系统，由过程自动化系统传输给对应的真实设备。