CN101221428A - 一种步进式板坯加热炉在线三维温度场数模系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种步进式板坯加热炉在线三维温度场数模系统，其属于自动化、计算机软件应用、热能技术相结合的综合技术领域。它由加热炉一级信号检测系统、网络通讯系统、三维温度场模型系统、数据结果验证系统组成。本发明利用三维传热数学模型计算方法，通过计算机应用软件计算出坯料在加热炉各位置、各时间段内动态温度分布，并通过等温面的方法显示出计算结果，应用在步进梁式的板坯加热炉上，实现了加热炉供热制度的优化配置，达到了提高产品质量，节能降耗的目的。

Description

一种步进式板坯加热炉在线三维温度场数模系统

技术领域：

本发明涉及一种步进式板坯加热炉在线三维温度场数模系统。它集信号检测技术、自动化PLC技术、计算机网络通讯技术、数学模型技术、应用软件接口技术及数据库存储技术与一体，共同完成加热炉在线三维温度场的数值模拟，实现了铸坯在加热炉内的动态跟踪及动态温度分布。

背景技术：

近年来，随着钢铁冶金技术的不断进步，钢铁产品产量与质量的不断提高，板坯加热炉作为板材生产线中的重要环节，在整个轧钢生产过程中起着举足轻重的作用。主要原因是：一、加热炉的能量消耗直接关系到整个轧线的生产成本；二、加热出的钢坯温度必须满足轧线的需要，钢坯不能欠烧、过烧，钢坯温差必须满足温度要求，才能轧制出高质量的板材。因此，按照轧线的要求，低耗、高质地加热出钢坯是我们所追求的目标。

由于加热炉工况的多样化，某些反映加热炉状况的主要热工参数不能直接或连续地检测(如：钢坯在加热炉内的温度过程变化情况)，因此研究和开发加热炉数学模型已成为当前冶金行业研究的热点之一。加热炉内铸坯的加热过程是一个包含流体流动、化学反应、传热与传质等复杂的物理化学过程，因此，针对不同的研究对象和研究目的，国内外学者提出了多种形式的加热炉数学模型，但是不管哪种形式的离线、在线模型，大都采用了一维、二维的炉膛、坯料传热数学模型，而同时考虑长、宽、高三个方向传热的三维加热炉炉膛、坯料、冷却水印数学模型，到目前为止还没有发现在加热炉上实现在线控制的，所以想了解铸坯在加热炉中各位置、各时间段内温度分布情况(即动态温度分布情况)非常困难。

发明内容：

本发明提供了一种步进式板坯加热炉在线三维温度场数模系统，它实现了铸坯在加热炉内的动态跟踪及动态温度分布，从而进一步优化加热制度，降低能耗，提高坯料加热质量，解决了现有技术中存在的问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种步进式板坯加热炉在线三维温度场数模系统，它由加热炉一级信号检测系统、网络通讯系统、数据库系统、三维温度场模型系统组成，其中：

加热炉一级信号检测系统用于坯料在入炉、炉膛、出炉阶段实时的数据检测并把检测数据传入一级系统；

网络通讯系统用于与一级系统、管理网系统连接分别把实时数据、生产管理信息数据传入系统数据库；

数据库系统用于对坯料实时、历史数据存储，供三维温度场模型系统调用，进行数据交换；

三维温度场模型系统用于坯料在整个加热过程中进行实时跟踪、动态温度分布计算、结果分析显示、坯料信息存储以及实现系统自我诊断功能。

本发明进一步的技术方案是，所述加热炉一级信号检测系统包括入炉信号检测模块、炉膛内信号检测模块和出炉信号检测模块，其中：

入炉信号检测模块用于利用激光测距仪检测坯料尺寸；利用摄像仪图像处理系统检测坯料在行进过程中的偏移，进行补偿计算修正尺寸；利用红外测温仪检测入炉坯料的温度；并将这些变量传入一级系统；

炉膛内信号检测模块用于炉膛内预热段、一加热段、二加热段、均热段实时炉气温度的检测以及步进机构步进信号的检测、支撑梁水流量信号的检测，并将这些信号传入一级系统；

出炉信号检测模块用于坯料出炉温度的检测、触发信号的检测以及坯料出炉的时间记录，并将这些信号传入一级系统。

本发明进一步的技术方案是，所述网络通讯系统包括数据通讯模块和生产管理数据通讯模块，其中：

数据通讯模块用于与一级系统连接把实时检测数据传入数据库系统；

生产管理数据通讯模块用于与生产管理MES系统连接把生产管理信息数据传入数据库系统。

本发明进一步的技术方案是，所述三维温度场模型系统包括生产过程数据采集模块、炉内坯料跟踪与温度场计算模块、出炉记录查询模块、仿真结果分析显示模块、分析报表及数据管理模块、工艺参数保存模块、材料管理模块、系统运行错误记录模块，其中：

生产过程数据采集模块用于对数据库系统实时的、历史的数据进行管理，供其它模块随时根据需要进行数据调用；

炉内坯料跟踪与温度场计算模块用于坯料在加热炉内的动态跟踪及坯料瞬时温度场的计算；

出炉记录查询模块用于对加热完成的每一块坯料的信息进行记录并供查询与追溯；

仿真结果分析显示模块用于利用等温面的方法将加热坯料温度的动态分布进行显示，并对坯料进行温度最高、最低分布情况进行分析；

分析报表及数据管理模块用于按日自动生成加热炉运行记录报表，报表数据可以导出，供有关人员保存、分析、查询；

工艺参数保存模块用于保存生产过程操作参数，形成参数历史数据库，并生成参数历史曲线图，供工程技术人员分析、查询；

材料管理模块用于加热炉各钢种的热物性参数的保存，供模型计算调用；

系统运行错误记录模块用于记录系统运行过程中产生的各种错误信息，供工程技术人员进行设备调试，修复和完善系统。

本发明采用上述三维温度场数模系统，利用三维传热数学模型计算方法，通过计算机应用软件计算出坯料在加热炉中各位置、各时间段内的动态温度分布情况，并通过等温面的方法显示出计算结果，应用在步进梁式的板坯加热炉上，以实现加热炉供热制度的优化配置，达到提高产品质量、节能降耗的目的。

附图说明：

图1为本发明的结构原理框图。

图2为本发明三维温度场模型系统主程序流程图。

图3为本发明瞬态温度场算法流程图。

具体实施方式：

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。

如图1所示，一种步进式板坯加热炉在线三维温度场数模系统，它由加热炉一级信号检测系统、网络通讯系统、数据库系统、三维温度场模型系统组成，其中：

加热炉一级信号检测系统用于坯料在入炉、炉膛、出炉阶段实时的数据检测并把检测数据传入一级系统；

网络通讯系统用于与一级系统、管理网系统连接分别把实时数据、生产管理信息数据传入系统数据库；

数据库系统用于对坯料实时、历史数据存储，供三维温度场模型系统调用，进行数据交换；

三维温度场模型系统用于坯料在整个加热过程中进行实时跟踪、动态温度分布计算、结果分析显示、坯料信息存储以及实现系统自我诊断功能。

本发明进一步的技术方案是，所述加热炉一级信号检测系统包括入炉信号检测模块、炉膛内信号检测模块和出炉信号检测模块，其中：

入炉信号检测模块用于利用激光测距仪检测坯料尺寸；利用摄像仪图像处理系统检测坯料在行进过程中的偏移，进行补偿计算修正尺寸；利用红外测温仪检测入炉坯料的温度；并将这些变量传入一级系统；

炉膛内信号检测模块用于炉膛内预热段、一加热段、二加热段、均热段实时炉气温度的检测以及步进机构步进信号的检测、支撑梁水流量信号的检测，并将这些信号传入一级系统；

出炉信号检测模块用于坯料出炉温度的检测、触发信号的检测以及坯料出炉的时间记录，并将这些信号传入一级系统。

加热炉一级信号检测系统实施包括开关量信号和模拟量信号，其中一部分信号为加热炉在投产时已经检测传入一级系统的信号，如入炉触发信号、炉内各段炉气测温、出炉激光检测信号等；另外一部分模型计算中需要的信号，如坯料入炉尺寸信号与温度信号等，在坯料入炉辊道侧安装激光测距仪与红外测温仪进行检测，并传入一级系统。

本发明进一步的技术方案是，所述网络通讯系统包括数据通讯模块和生产管理数据通讯模块，其中：

数据通讯模块用于与一级系统连接把实时检测数据传入数据库系统；

生产管理数据通讯模块用于与生产管理MES系统连接把生产管理信息数据传入数据库系统。

本发明进一步的技术方案是，所述三维温度场模型系统包括生产过程数据采集模块、炉内坯料跟踪与温度场计算模块、出炉记录查询模块、仿真结果分析显示模块、分析报表及数据管理模块、工艺参数保存模块、材料管理模块、系统运行错误记录模块，其中：

生产过程数据采集模块用于对数据库系统实时的、历史的数据进行管理，供其它模块随时根据需要进行数据调用；

炉内坯料跟踪与温度场计算模块用于坯料在加热炉内的动态跟踪及坯料瞬时温度场的计算；本模块根据一级变量信号的特点，采用模式识别的方法建立起钢坯入炉、运动和出炉的特征模式，系统自动跟踪钢坯在炉内的运动状态，从而与原有系统实现无缝对接，操作人员可根据需要，处理生成炉内不同位置的钢坯温度，掌握炉内不同位置钢坯的加热情况，为操作人员调整加热过程提供依据。具体操作时，系统根据选取的相应道次的坯料自动运行温度场模型系统主程序，进一步调用瞬态温度场算法子程序，对所对应的坯料进行仿真计算处理，处理结果显示在“板坯信息”信息卡中，包括：平均温度、上表面温度、下表面温度、上下表面温差、上表与中心温差、下表面与中心温度等；

出炉记录查询模块用于对加热完成的每一块坯料的信息进行记录并供查询与追溯；本模块中系统自动记录各钢坯的出、入炉时间等相关信息，并对每一块出炉钢坯自动进行仿真计算，并保存仿真结果，供历史追溯查询分析；

仿真结果分析显示模块用于利用等温面的方法将加热坯料温度的动态分布进行显示，并对坯料进行温度最高、最低分布情况进行分析；

分析报表及数据管理模块用于按日自动生成加热炉运行记录报表，报表数据可以导出，供有关人员保存、分析、查询；

工艺参数保存模块用于保存生产过程操作参数，形成参数历史数据库，并生成参数历史曲线图，供工程技术人员分析、查询；

材料管理模块用于加热炉各钢种的热物性参数的保存，供模型计算调用；本模块主要对生产现场所有钢种的热物性进行管理，其中主要包括每一钢种的化学成分、热容、热导率曲线、液相线、固相线温度、热导率以及不同温度下的钢的密度等参数，用于模型运算；

系统运行错误记录模块用于记录系统运行过程中产生的各种错误信息，供工程技术人员进行设备调试，修复和完善系统。

本发明数模系统的工作原理如下：

数模系统启动运行，把需要加热的坯料的相关信息(钢种、炉号、坯号等)，通过网络通讯系统中的生产管理数据通讯模块，自动预先传入数据库系统并存储。同时由加热炉一级信号检测系统炉膛内信号检测模块，实时的把加热炉内预热段、一加热段、二加热段、均热段各段炉温，步进信号等，实时的以6秒为单位传入数据库系统并存储。

当坯料在入炉辊道运行到加热炉入炉炉口位置时，由加热炉一级信号检测系统入炉信号检测模块，完成温度场模型计算需要的初始化信息坯料尺寸、坯料入炉温度以及入炉时间的检测，并把上述信息传入一级系统，由网络通讯系统中的实时数据通讯模块把上述信息传入数据库系统，并与数据库系统中的坯料的相关信息进行关联匹配。

当坯料在炉膛内加热过程中，根据生产需要，选择需要计算的坯料(具体到每一块，也可选多块计算)，由三维温度场模型系统中的炉内板坯跟踪及温度场计算模块完成坯料在加热炉内的动态跟踪及动态温度分布计算。具体操作时，首先，启动三维温度场模型系统主程序，向数据库系统申请，在线调用提取坯料的各种函数(在炉内位置)、跟踪信息(在炉内各段停留时间)和对应炉温(N＝1)，然后调用瞬态有限差分法求解钢坯温度场，即瞬态温度场算法子程序。对于瞬态温度场算法子程序，首先建立控制方程、确定初始条件与边界条件，即首先建立温度场三维传热数学模型，确定边界条件。下一步对研究对象坯料划分子区域，确定节点(区域离散化)；然后利用有限差分法建立离散方程，确定离散方程的初始与边界条件，对离散方程进行线性、非线性判断。如是线性问题，直接对离散方程求解，程序结束；如是非线性问题，然后判断离散方程的解是否收敛，如果离散方程的解不收敛，则以当前值重建离散方程，进行新一轮判断计算；如果离散方程的解收敛，直接结束子程序，返回主程序。下一步对坯料进行判断，如果没完成计算，则继续执行瞬态温度场算法子程序，如果所有需要计算的跟踪坯料都已计算完成，则保存每块坯料的计算结果，处理调用后程序，由三维温度场模型系统中的仿真结果分析显示模块，利用等温面的方法显示相关数值结果，并可对加热坯料温度的最高、最低点进行分析显示。操作人员可根据掌握的炉内不同位置钢坯的加热情况，随时调整坯料的加热过程。

当坯料在炉膛内加热完成后，由加热炉一级信号检测系统中的出炉信号检测模块，完成相应的坯料出炉信息的检测，并传入一级系统，再由网络通讯系统中的实时数据通讯模块，把相应的信息传入数据库系统，这样一块坯料由入炉到加热，再到出炉的信息则跟踪完成，并完整的保存到数据库中。需要加热的每块坯料都可按上述方法进行信息跟踪，存储到数据库系统中，形成历史数据库。

Claims (4)

1.一种步进式板坯加热炉在线三维温度场数模系统，其特征在于：它由加热炉一级信号检测系统、网络通讯系统、数据库系统、三维温度场模型系统组成，其中：

加热炉一级信号检测系统用于坯料在入炉、炉膛、出炉阶段实时的数据检测并把检测数据传入一级系统；

网络通讯系统用于与一级系统、管理网系统连接分别把实时数据、生产管理信息数据传入系统数据库；

数据库系统用于对坯料实时、历史数据存储，供三维温度场模型系统调用，进行数据交换；

三维温度场模型系统用于坯料在整个加热过程中进行实时跟踪、动态温度分布计算、结果分析显示、坯料信息存储以及实现系统自我诊断功能。

2.根据权利要求1所述的一种步进式板坯加热炉在线三维温度场数模系统，其特征在于：所述加热炉一级信号检测系统包括入炉信号检测模块、炉膛内信号检测模块和出炉信号检测模块，其中：

入炉信号检测模块用于利用激光测距仪检测坯料尺寸；利用摄像仪图像处理系统检测坯料在行进过程中的偏移，进行补偿计算修正尺寸；利用红外测温仪检测入炉坯料的温度；并将这些变量传入一级系统；

炉膛内信号检测模块用于炉膛内预热段、一加热段、二加热段、均热段实时炉气温度的检测以及步进机构步进信号的检测、支撑梁水流量信号的检测，并将这些信号传入一级系统；

出炉信号检测模块用于坯料出炉温度的检测、触发信号的检测以及坯料出炉的时间记录，并将这些信号传入一级系统。

3.根据权利要求1所述的一种步进式板坯加热炉在线三维温度场数模系统，其特征在于：所述网络通讯系统包括数据通讯模块和生产管理数据通讯模块，其中：

数据通讯模块用于与一级系统连接把实时检测数据传入数据库系统；

生产管理数据通讯模块用于与生产管理MES系统连接把生产管理信息数据传入数据库系统。

4.根据权利要求1所述的一种步进式板坯加热炉在线三维温度场数模系统，其特征在于：所述三维温度场模型系统包括生产过程数据采集模块、炉内坯料跟踪与温度场计算模块、出炉记录查询模块、仿真结果分析显示模块、分析报表及数据管理模块、工艺参数保存模块、材料管理模块、系统运行错误记录模块，其中：

生产过程数据采集模块用于对数据库系统实时的、历史的数据进行管理，供其它模块随时根据需要进行数据调用；

炉内坯料跟踪与温度场计算模块用于坯料在加热炉内的动态跟踪及坯料瞬时温度场的计算；

出炉记录查询模块用于对加热完成的每一块坯料的信息进行记录并供查询与追溯；

仿真结果分析显示模块用于利用等温面的方法将加热坯料温度的动态分布进行显示，并对坯料进行温度最高、最低分布情况进行分析；

分析报表及数据管理模块用于按日自动生成加热炉运行记录报表，报表数据可以导出，供有关人员保存、分析、查询；

工艺参数保存模块用于保存生产过程操作参数，形成参数历史数据库，并生成参数历史曲线图，供工程技术人员分析、查询；

材料管理模块用于加热炉各钢种的热物性参数的保存，供模型计算调用；

系统运行错误记录模块用于记录系统运行过程中产生的各种错误信息，供工程技术人员进行设备调试，修复和完善系统。

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