CN102363162A - 一种超快速冷却和加速冷却联动控制系统 - Google Patents
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Abstract
一种超快速冷却和加速冷却联动控制系统，属于热轧控制冷却自动控制技术领域。该系统包括UFC二级控制系统、ACC控制系统、UFC-ACC联动切换模块；其特征在于，首先构建UFC二级控制系统，然后构建UFC-ACC联动切换模块，将UFC-ACC联动切换模块分别安装在原ACC控制系统和UFC控制系统中，两套系统的切换功能在UFC二级控制系统中实现，并且具备对已安装ACC控制系统的兼容性；联动控制系统根据外部系统给定的工艺要求实现钢板的超快速冷却单独控制、加速冷却单独控制或两种联合控制。优点在于，系统可以利用现场实测数据进行多次计算、模型自动在线修正和模型参数的自学习，保证了联动控制系统的精度。
Description
技术领域
本发明属于中厚板控制冷却自动控制技术领域，特别是涉及一种超快速冷却和加速冷却联动控制系统。
背景技术
由控制轧制和控制冷却所组合的TMCP工艺是当前生产高质量中厚板产品的核心技术，其目标是实现晶粒细化和细晶强化。传统的TMCP工艺首先采用“低温大压下”和添加微合金元素等控制轧制手段得到硬化状态的奥氏体晶粒，然后采用加速冷却方法对处于硬化状态的奥氏体晶粒的相变过程进行控制，进一步细化铁素体晶粒，甚至通过相变强化得到贝氏体等强化相，进一步改善材料性能。这种控制轧制和加速冷却的组合正广泛应用于热轧领域，通过给定不同的控轧控冷参数，可以生产出不同性能的高质量钢板。但是这种工艺的应用也受到了一些限制，特别是添加微合金元素后材料的碳当量升高，导致其焊接性能恶化；同时“低温大压下”控制思想导致轧制力急剧上升，受到设备能力及操作方面的限制；加速冷却不均匀导致材料的残余应力增大，甚至会发生钢板翘曲等现象。
为了解决传统TMCP工艺带来的不利影响，发展出了新一代TMCP工艺，即超快速冷却为核心的新工艺。这种新工艺的中心思想是：(1)在奥氏体区间，趁热打铁，在适于变形的温度区间完成连续大变形和应变积累，得到硬化的奥氏体；(2)轧后立即进行超快冷，使轧件迅速通过奥氏体相区，保持轧件奥氏体硬化状态；(3)在奥氏体向铁素体相变的动态相变点终止冷却；(4)后续依照材料组织和性能的需要进行冷却路径的控制。新的TMCP工艺减少了合金元素加入量，不再要求低温大压下，而是常温连续大压下和其后立即超快速冷却得到硬化奥氏体，然后再按照冷却路径控制。因而在保证产品质量的同时提高了生产效率，提高了钢板的焊接性能，节约能源和合金资源。
新一代TMCP工艺技术是当前发展的新技术，该技术还处于推广阶段，同时某些特定钢种的生产还脱离不开传统的TMCP工艺。不论是传统以加速冷却方式实现的TMCP工艺还是新一代以超快速冷却为核心的TMCP工艺，都需要采用计算机控制系统实现对钢板冷却过程的精确控制。目前，在大多数现代化中厚板厂都配备了两级自动化(一级基础自动化和二级过程自动化)的控制冷却计算机控制系统，具备对传统TMCP工艺的自动化控制手段，但是缺乏超快速冷却控制机械设备和自动化控制系统。因此钢厂在新增超快速冷却设备后，需要增加超快速冷却控制系统，同时需要对原加速冷却控制系统进行改造，使得新系统既能够实现超快速冷却新工艺，同时又保留原来的加速冷却控制。由于轧钢生产是一个高度自动化的过程，要将超快速冷却控制系统融入整个工厂的自动化控制体系中，同时实现加速冷却和超快速冷却两种工艺的联动控制和平稳切换存在较大困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超快速冷却和加速冷却联动控制系统，使得新增的超快速冷却控制系统与原加速冷却控制系统可以协同使用，实现单独加速冷却功能(适用于传统TMCP工艺)，单独超快速冷却功能(适用于新一代TMCP工艺)，以及超快速冷却和加速冷却的组合功能。传统钢厂稍加改造即可拥有传统TMCP工艺的加速冷却控制(以下简称ACC)系统和新一代TMCP工艺的超快速冷却控制(以下简称UFC)系统，两个系统之间可以实现平稳切换和任意组合，提高了中厚板控制冷却过程的灵活性，系统的高精度模型还保证了钢板冷却过程的控制精度，提高了产品性能。
本发明包括UFC二级控制系统、ACC控制系统、UFC-ACC联动切换模块；首先构建UFC二级控制系统，然后构建UFC-ACC联动切换模块，将UFC-ACC联动切换模块分别安装在原ACC控制系统和新增的UFC控制系统中，两套系统的切换功能在UFC二级控制系统中实现，并且具备对已安装ACC控制系统的兼容性。
本发明所述的UFC二级控制系统由外部通讯适配模块、UFC逻辑控制模块、UFC模型模块和UFC一级通讯模块构成；然后构建UFC-ACC联动切换模块。各模块的功能为：
外部通讯适配模块采用TCP/IP协议与外部系统进行通讯，包括接收外部系统的信息和发送计算结果给外部系统。外部通讯适配模块接收的信息主要包括轧件的原始数据和工艺指令信息，上游工序轧制道次信息；模块发送的信息主要包括UFC系统计算结果信息和UFC处理时间信息。在外部通讯适配模块接收的工艺指令信息中给出钢板需要何种冷却方式(UFC冷却，ACC冷却，或联合冷却)，及冷却过程相关工艺要求。模块接收到外部信息后将数据写入UFC系统的共享内存中，并更新相关信息对应的状态标志位，UFC逻辑控制模块根据该状态标志位信息作出相应响应。如果有信息要发往外部系统，系统共享内存的相关状态标志会发送变化，外部通讯适配模块检测到变化后会将相关信息发送到指定的外部系统。
UFC逻辑控制模块是UFC二级系统的控制枢纽，通过系统共享内存中钢板的工艺指令、钢板位置和实测数据等信息综合判断需要激活哪种模型计算，并准备好模型计算的相关参数写入共享内存，然后激活UFC模型模块进行计算处理；计算完成后UFC逻辑控制模块确定模型计算的有效性，生成电气设备能够执行的指令，通过UFC一级通讯模块和UFC-ACC联动切换模块发送给ACC控制系统执行，如果有必要也将结果通过外部通讯适配模块发送给相应的外部系统。
UFC模型模块是UFC二级系统核心计算模块，所有设备指令的计算都通过该模块完成，这里的设备指令包括新增的UFC本体设备控制指令和原有的ACC设备控制指令。控制指令主要包括UFC和ACC设备各集管的开闭状态、各集管的水流量，边部遮蔽设备的控制量，钢板的运行速度等。UFC模型模块的主要数学模型包括钢板的空冷模型温度模型、钢板的水冷温度模型、钢板冷却过程相变模型以及模型参数的自学习。UFC模型模块计算的预处理参数来自系统共享内存(由逻辑控制模块写入)，UFC模型模块计算的结果同样也写入共享内存中，并通知逻辑控制模块发送到基础自动化系统执行。
UFC一级通讯模块采用TCP/IP协议与UFC一级基础自动化系统进行通讯，通讯内容包括接收基础自动化系统的实测数据和发送控制指令到基础自动化系统。发送和接收的所有信息都保存在共享内存中，发送的信息主要包括模型计算的设备控制指令和钢板的冷却模式指令，接收的信息主要包括钢板的实测温度、钢板实测速度和冷却设备实测集管流量等信息。
UFC-ACC联动切换模块实现对UFC和ACC设备的联动切换，分别安装在UFC二级控制系统和ACC二级控制系统中。该模块首先根据外部系统对该块钢板的工艺要求确定钢板采用何种冷却方式(UFC冷却，ACC冷却，或联合冷却)，然后通知其它模块进行相应的冷却控制。具体来说，在UFC二级控制系统中，UFC-ACC联动切换模块首先构建一个钢板冷却计划列表，该列表的信息中包含了钢板的基本信息以及钢板采用何种冷却方式；如果钢板只进行UFC冷却，则UFC-ACC联动切换模块通知UFC逻辑控制模块只进行UFC模型计算，同时将该块钢板的冷却模式等信息通过TCP/IP协议发送到ACC控制系统的UFC-ACC联动切换模块，该模块会切断ACC控制系统中关于该模块的计算过程；如果钢板只进行ACC冷却，则UFC-ACC联动切换模块通知UFC逻辑控制模块不需要进行模型计算，同时将该块钢板的冷却模式等信息通过TCP/IP协议发送到ACC控制系统的UFC-ACC联动切换模块，该模块通知ACC系统的模型进行相关计算，并将结果发送到ACC一级基础自动化系统执行；如果钢板进行UFC+ACC联合冷却，则UFC-ACC联动切换模块通知UFC逻辑控制模块同时对UFC和ACC设备参数进行模型计算，ACC设备参数的计算结果通过UFC控制系统的UFC-ACC联动切换模块传送到ACC控制系统的UFC-ACC联动切换模块，该模块会切断ACC系统的模型计算，同时将UFC系统计算的ACC设备控制指令通过ACC一级通讯模块下发到ACC一级系统执行。在ACC控制系统中的UFC-ACC联动切换模块也建立一个钢板冷却计划列表，它与UFC控制系统中UFC-ACC联动切换模块的计划列表是实时同步的。UFC-ACC联动切换模块(ACC控制系统中)根据钢板冷却方式决定是否切断ACC模型计算，以及下发哪个系统计算的结果给ACC一级系统。下表是各个系统联动切换的动作。
表1UFC-ACC联动切换过程模块响应
以上所述均为自动模式下系统的工作原理，在实际钢板冷却过程中二级子系统模型将根据轧线实测数据进行多次自动修正计算和模型参数自学习计算，以提高模型计算精度。在手动模式下，UFC和ACC系统独立工作，实现对各自区域的管辖，这种模式下二级系统并不执行模型计算，主要由操作工在人机界面或操作台上操作完成。半自动模式与手动模式类似，UFC和ACC系统独立工作，只是控制参数可能是存储在二级系统中的经验参数或模型预计算参数。
有益效果
与当前的ACC控制冷却系统相比，本发明的有益效果是：
(1)可以实现对新一代TMCP技术(UFC)的两级自动化控制，通过高精度数学模型计算出UFC控制的关键参数，并通过多次在线修正和自学习计算提高模型的控制精度，完全满足UFC的工艺要求；
(2)实现对传统ACC和新一代UFC工艺的联动控制，系统可以单独工作在ACC模式下，或者UFC模式下，或者两者联合工作模式下，实现了工艺控制的多样化和系统切换过程的无干扰和平稳运行；
(3)新建钢厂无需拆除原有设备和控制系统，只需添加少量模块即可实现原系统与新系统的无缝连接，充分利用已经建成的ACC系统，减少投资，同时也减少了产品质量的波动；
(4)本系统在约定好通讯模式后，可以与外部系统自动兼容，新上超快速冷却系统无需对原工厂自动化控制系统进行大量改造；
(5)本系统具备手动、半自动和全自动工作模式，适应不同工况下的钢板冷却过程控制和设备维检要求，易于操作和维护。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
图1为本发明“一种超快速冷却和加速冷却联动控制系统”的总体架构图。其中，轧机示意图1、超快冷设备示意图2、加速冷却设备示意图3。
图2为本发明具体实施方式的系统功能模块构造图。
图3为本发明具体实施方式的ACC单独控制模式下系统数据流图。
图4为本发明具体实施方式的UFC单独控制模式下系统数据流图。
图5为本发明具体实施方式的ACC+UFC联合控制模式下系统数据流图。
具体实施方式：
本发明提出的一种超快速冷却和加速冷却联动控制系统，在原有ACC二级控制子系统的基础上新构建一套UFC二级控制子系统和UFC-ACC联动切换模块，并实现对UFC和ACC子系统的单独控制和联合控制，实现了钢板控制冷却过程的多种方式全自动控制，结合附图和实例详细说明如下：
下面以一个具体的中厚板产线为例，详细说明超快速冷却和加速冷却联动控制的全过程。
本实施例选用的中厚板控制冷却生产线的主要参数为：
超快速冷却设备：2组缝隙喷嘴+7组双联喷嘴+5组高压水喷嘴
ACC冷却设备：上部15组U形管，下部30根直集管
产品厚度范围：5.0～50.0mm
产品宽度范围：1500～4200mm
本发明实施的基础条件是控制冷却生产线必须具备完整的超快冷和ACC设备、自动化网络条件、高性能的一级系统硬件条件和二级系统硬件条件，同时具有温度自动检测设备。系统的整体架构如图1所示，外部系统、超快冷一二级系统、ACC一二级系统均由工业快速网络连接，外部系统将工艺要求由网络下发到UFC二级系统，UFC二级系统将控制指令下发到UFC一级执行，ACC二级系统将控制指令下发到ACC一级执行，UFC二级和ACC二级之间通过网络进行模式切换和数据交互。UFC设备和ACC设备分别由UFC一级和ACC一级进行控制。现场检测仪表数据通过网络接入各自的一级控制系统，并反馈到二级子系统进行模型计算。
在图2所示的系统功能模块图中，UFC二级子系统拥有5个主要功能模块：外部通讯适配模块，用于接收外部的通讯报文(主要是冷却模式，钢板信息和钢板工艺要求)；UFC逻辑控制模块，主要用于整个UFC二级系统的逻辑控制，协调其它模块工作，并为模型计算模块准备相关预处理参数；UFC模型计算模块，主要用于计算UFC冷却设备的控制参数，包括冷却水流量，阀门开闭，钢板运行速度和钢板边部遮蔽量；UFC一级通讯模块，用于将计算结果发送到一级系统和从一级系统接收仪表实测数据和操作工干预数据；UFC-ACC联动切换模块，用于将联动切换信息和控制指令传送到ACC系统，也用于接收ACC系统的实测数据和操作工干预数据；UFC二级系统各模块之间通过共享内存实现模块间的数据快速交换。ACC二级子系统拥有3个主要功能模块：UFC-ACC联动切换模块，用于接收UFC联动切换信息和控制指令信息，也用于将ACC系统的实测数据和操作工干预数据发送到UFC系统；ACC模型计算模块，主要用于计算ACC冷却设备的控制参数，包括冷却水流量，阀门开闭，钢板运行速度和钢板边部遮蔽量；ACC一级通讯模块，用于将计算结果发送到一级系统和从一级系统接收仪表实测数据和操作工干预数据；ACC二级系统各模块之间也是通过共享内存实现模块间的数据快速交换。
在图3所示的实施例中，钢板采用ACC系统单独控制。首先UFC二级系统外部通讯适配模块接收到外部系统的工艺控制要求(采用ACC工艺)，UFC二级系统的UFC-ACC联动切换模块将该块钢板加入自身计划列表中，同时通过UFC-ACC联动切换模块通知ACC二级系统该块钢板采用ACC工艺，ACC二级系统对该块钢板进行模型计算，当钢板即将进入ACC区域时ACC二级系统将计算的控制指令由ACC一级通讯模块下发到一级执行。UFC二级系统通知UFC一级系统该块钢板采用ACC工艺，一级系统指挥UFC设备不要动作，同时ACC设备和辊道控制权交由ACC控制系统。
在图4所示的实施例中，钢板采用UFC系统单独控制。首先UFC二级系统外部通讯适配模块接收到外部系统的工艺控制要求(采用UFC工艺)，UFC二级系统的UFC-ACC联动切换模块将该块钢板加入自身计划列表中，同时通过UFC-ACC联动切换模块通知ACC二级系统该块钢板采用ACC工艺，ACC二级系统不对该块钢板的冷却过程进行控制，由UFC二级系统计算该块钢板的UFC冷却设备控制参数；当钢板即将进入UFC区域时UFC二级系统将计算的控制指令由UFC一级通讯模块下发到UFC一级执行。ACC二级系统通知ACC一级系统该块钢板采用UFC工艺，一级系统指挥ACC设备不要动作，同时辊道控制权交由UFC控制系统。
在图5所示的实施例中，钢板采用ACC+UFC系统联合控制。首先UFC二级系统外部通讯适配模块接收到外部系统的工艺控制要求(采用ACC+UFC工艺)，UFC二级系统的UFC-ACC联动切换模块将该块钢板加入自身计划列表中，同时通过UFC-ACC联动切换模块通知ACC二级系统该块钢板采用ACC+UFC控制工艺，ACC二级系统不对该块钢板的冷却过程进行计算，由UFC二级系统计算该块钢板的ACC和UFC冷却设备控制参数；当钢板即将进入UFC区域时UFC二级系统将计算的控制指令由UFC一级通讯模块下发到UFC一级执行，同时将ACC设备控制指令发送到ACC二级系统经ACC一级通讯模块下发到ACC一级执行。
Claims (4)
1.一种超快速冷却和加速冷却联动控制系统，包括UFC二级控制系统、ACC控制系统、UFC-ACC联动切换模块；其特征在于，首先构建UFC二级控制系统，然后构建UFC-ACC联动切换模块，将UFC-ACC联动切换模块分别安装在原ACC控制系统和UFC控制系统中，两套系统的切换功能在UFC二级控制系统中实现，并且具备对已安装ACC控制系统的兼容性；联动控制系统根据外部系统给定的工艺要求实现钢板的超快速冷却单独控制、加速冷却单独控制或两种联合控制；
所述的UFC二级控制系统由外部通讯适配模块、UFC逻辑控制模块、UFC模型模块和UFC一级通讯模块构成；
外部通讯适配模块采用TCP/IP协议与外部系统进行通讯，包括接收外部系统的信息和发送计算结果给外部系统；
UFC逻辑控制模块是UFC二级系统的控制枢纽，通过系统共享内存中钢板的工艺指令、钢板位置和实测数据等信息综合判断需要激活哪种模型计算，并准备好模型计算的相关参数写入共享内存，然后激活UFC模型模块进行计算处理；计算完成后UFC逻辑控制模块确定模型计算的有效性，生成电气设备能够执行的指令，通过UFC一级通讯模块和UFC-ACC联动切换模块发送给ACC控制系统执行；
UFC模型模块是UFC二级系统核心计算模块，所有设备指令的计算都通过该模块完成；
UFC一级通讯模块采用TCP/IP协议与UFC一级基础自动化系统进行通讯，通讯内容包括接收基础自动化系统的实测数据和发送控制指令到基础自动化系统；发送和接收的所有信息都保存在共享内存中，发送的信息主要包括模型计算的设备控制指令和钢板的冷却模式指令，接收的信息主要包括钢板的实测温度、钢板实测速度和冷却设备实测集管流量；
所述的UFC-ACC联动切换模块实现对UFC和ACC设备的联动切换，分别安装在UFC二级控制系统和ACC二级控制系统中，该模块首先根据外部系统对该块钢板的工艺要求确定钢板采用何种冷却方式，然后通知其它模块进行相应的冷却控制；冷却方式包括UFC冷却，ACC冷却，或联合冷却。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在UFC二级控制系统中，UFC-ACC联动切换模块首先构建一个钢板冷却计划列表，该列表的信息中包含钢板的基本信息以及钢板采用何种冷却方式；当钢板只进行UFC冷却，则UFC-ACC联动切换模块通知UFC逻辑控制模块只进行UFC模型计算，同时将该块钢板的冷却模式等信息通过TCP/IP协议发送到ACC控制系统的UFC-ACC联动切换模块，该模块会切断ACC控制系统中关于该模块的计算过程；当钢板只进行ACC冷却，则UFC-ACC联动切换模块通知UFC逻辑控制模块不需要进行模型计算，同时将该块钢板的冷却模式等信息通过TCP/IP协议发送到ACC控制系统的UFC-ACC联动切换模块，该模块通知ACC系统的模型进行相关计算，并将结果发送到ACC一级基础自动化系统执行；当钢板进行UFC+ACC联合冷却，则UFC-ACC联动切换模块通知UFC逻辑控制模块同时对UFC和ACC设备参数进行模型计算，ACC设备参数的计算结果通过UFC控制系统的UFC-ACC联动切换模块传送到ACC控制系统的UFC-ACC联动切换模块，该模块会切断ACC系统的模型计算，同时将UFC系统计算的ACC设备控制指令通过ACC一级通讯模块下发到ACC一级系统执行；在ACC控制系统中的UFC-ACC联动切换模块还建立一个钢板冷却计划列表，它与UFC控制系统中UFC-ACC联动切换模块的计划列表是实时同步的；ACC控制系统中UFC-ACC联动切换模块根据钢板冷却方式决定是否切断ACC模型计算，以及下发哪个系统计算的结果给ACC一级系统。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的外部通讯适配模块接收的信息主要包括轧件的原始数据和工艺指令信息，上游工序轧制道次信息；外部通讯适配模块发送的信息主要包括UFC系统计算结果信息和UFC处理时间信息；在外部通讯适配模块接收的工艺指令信息中给出钢板需要何种冷却方式，及冷却过程相关工艺要求；模块接收到外部信息后将数据写入UFC系统的共享内存中，并更新相关信息对应的状态标志位，UFC逻辑控制模块根据该状态标志位信息作出相应响应；当有信息要发往外部系统，系统共享内存的相关状态标志会发送变化，外部通讯适配模块检测到变化后会将相关信息发送到指定的外部系统；所述的冷却方式为UFC冷却、ACC冷却或联合冷却。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的设备指令包括新增的UFC本体设备控制指令和原有的ACC设备控制指令；控制指令包括UFC和ACC设备各集管的开闭状态、各集管的水流量，边部遮蔽设备的控制量，钢板的运行速度；UFC模型模块的数学模型包括钢板的空冷模型温度模型、钢板的水冷温度模型、钢板冷却过程相变模型以及模型参数的自学习；UFC模型模块计算的预处理参数来自于系统共享内存，UFC模型模块计算的结果同样也写入共享内存中，并通知逻辑控制模块发送到基础自动化系统执行。
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