CN103464474A

CN103464474A - 棒材控冷系统的温度自动控制方法

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Publication number: CN103464474A
Application number: CN2013103494070A
Authority: CN
Inventors: 王鹏; 李国富; 邸全康; 袁欢; 姜澎; 彭卫革; 陈志�; 王海龙; 聂学伟; 郑服印
Original assignee: Beijing Shougang Automation Information Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Shougang Automation Information Technology Co Ltd
Priority date: 2013-08-12
Filing date: 2013-08-12
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2033-08-12
Also published as: CN103464474B

Abstract

一种棒材控冷系统的温度自动控制方法，属于棒材热处理技术领域。控制步骤包括：温度检测处理：包括对实际温度检测设备有效值的判断、实际检测值的修正；温度自动调节：对棒材精轧前的预冷段后温度实现温度自动调节，对棒材的冷床入口温度实现温度自动调节。有效的解决了棒材温度控制精度和稳定性的问题。优点在于，所有控冷设备都自动运行，经过控冷自动控制后的棒材表面温度和芯部温度的分布平稳，从而提高了钢材的强度和韧性，改善了钢材组织，并且通过自动控制冷却水泵和阀组节省了电能源和水能源。

Description

棒材控冷系统的温度自动控制方法

技术领域

本发明属于棒材热处理技术领域，特别涉及一种棒材控冷系统的温度自动控制方法，是一种基于传统PID调节、自学习和模糊控制相结合的棒材控冷全自动控制的方法。

背景技术

在二十一世纪的现代化棒材生产线上，棒材冷却装置是一个非常重要的组成部分，通常安装在棒材轧机之间或者精轧机后，分别用于对棒材进行轧制过程温度控制和成品冷却温度控制，达到改善产品性能的目的。随着工艺技术的不断进步，对生产高强度、低成本棒材的自动化控制水平要求也越来越高，传统的温度控制方法已经无法满足要求。传统的棒材冷却控制普遍采用开环控制模式，依靠操作工经验来控制冷却水量，当钢材温度波动时，操作工不能及时调整冷却水量，导致冷却效果不好，棒材预冷后温度、上冷床温度和工艺要求的温度偏差大，从而造成棒材成品的金相组织不理想，晶粒粗大且不均匀，使棒材的机械性能和沿长度方向的抗拉强度波动超出指标。

发明内容

本发明的目的在于提供棒材控冷系统的温度自动控制方法，以冷却水流量调节阀为控制对象，以棒材预冷后温度和上冷床温度为控制目标，建立一个模糊控制结合传统控制的自动调节控制系统，使得棒材预冷后温度、上冷床温度的测量值和设定值的偏差满足工艺要求，该系统采用模糊控制与自寻优控制相结合的方法，建立的温度模型可靠性高、适应性强，有效的解决了棒材预冷后温度和上冷床温度偏差大的问题，使棒材的产品性能和金相组织都保持在需求的范围之内。实现本发明的工艺步骤如下：

1.温度检测处理：包括对实际温度检测设备有效值的判断、实际检测值的修正。

（1）除去偶然性数据

将采集到的温度传感器信号进行预处理，首先对4到20毫安的温度传感器信号进行模数转换，转换成以温度为单位的工程量，计算的过程中要将小于4毫安和大于20毫安的温度传感器信号舍弃不用，然后计算出当前采集周期和前一个采集周期的温度差，如果偏差大于量程的10%认为当前周期的数据为虚假信号，将此虚假信号舍弃不用，如果连续15个周期偏差都大于量程的10%，则将第15个周期的数据做为当前信号，这样就去除了信号干扰等因素对系统控制稳定性造成的影响。

（2）取偏高点温度

取前一时段的N个数据（根据不同时刻的选择和不同位置的温度检测而定），计算出N个数值的最大值、最小值和平均值，考虑到温度传感器检测点受到多种因素的影响，如控冷后棒材表面附着水流、棒材过活套等设备时的波动等，这些因素都会导致测量结果偏低，因此采用温度值的偏高值算法，根据偏高值算法计算出温度偏高值做为处理后的温度值，公式采用T_偏高值=a T_最大值+b T_平均值，其中的a、b系数为百分比，a、b的和为1。

2.温度自动调节：对棒材精轧前的预冷段后温度实现温度自动调节，对棒材的冷床入口温度实现温度自动调节，此温度自动调节的几个特征如下：

（1）压力自动调节，控冷供水系统采用两工频、两变频共4个供水泵，根据当前压力和设定压力的差值，采用智能组合的自动调节算法控制4个泵的启停状态和运转频率，从而保证冷却段喷水点的压力，节约能源。

（2）流量自动调节，根据设定流量，使用PID算法自动调节冷却水阀，记录生产中冷却水的流量和调节阀的阀位值，得出冷却水流量和调节阀阀位的对应关系，分出得出调节快、正常、慢三种结果，并且对应三组PI参数值，使得调节阀能最快调节到设定流量。自动调节时，流量设定采用以下公式来修正F_Set=F_t+aF₁+bF₂+cF₃+dF₄+eF₅+fF₆+gF₇+h。其中F_Set为流量设定值，F₁到F₇分别对应是轧机速度、冷却前温度、当前冷却水流量、冷却水压力、冷却水温度、棒材直径、冷却器使用个数的影响因素，其中的a到h为系统补正系数。

（3）低流量调节模型，调节阀15%以下时，建立流量与阀门开度的对应关系列表，通过记录最近几次钢坯生产数据进行加权平均处理，自学习修正关系列表，稳定水流量控制。

（4）温度串级调节结合模糊控制，根据设定温度，使用PID算法自动调节流量设定，通过模糊控制修正温度串级调节的PI参数，根据设定温度和棒材实际温度的偏差分出大大、大、正常、小、小小五个区间，并且对应出五组P（比例）参数，通过记录的棒材温度和冷却水流量的数值，得出棒材温度和冷却水流量的一个关系列表，根据棒材温度和冷却水流量的对应关系分别得出调节快、正常、慢三个区间，并且对应三组I（积分）参数值。

（5）限幅控制及修正：在温度自动调节过程中，对阀位的上下限进行限幅，根据当前的钢种、规格来设定上下限初值，通常下限在设定在8%-20%之间，上限设定在65%-90%之间，避免水量变化过大，影响其它并行水段的自动控制。但限幅值并不是保持不变的，根据轧机速度、冷却速度和水流量的实际情况，实时的修正调节阀允许动作的上限和下限值。

采用上述控制方法后，本发明的有益效果是：

1.实现棒材冷却过程的全自动控制，冷却过程适合棒材生产的轧制节奏，并提高了棒材冷却温度控制的精度。

2.生产低强度钢种时可使用普碳钢进行轧制，生产高强度钢种时，不仅可以最大限度的减少合金使用量，而且能够稳定控制最终的产品性能达到合格标准。

3.通过冷却水变频泵调节冷却水压力，控制稳定的水压保证了冷却效果，并且通过4个冷却水泵的自动启停组合，提高泵的使用效率，节约了电能。

4.实现冷却水调节阀的自动投入，不仅控制了棒材的温度均衡，而且节约了水能源。

5.本发明在解决冷却过程的几个关键问题的同时，重点解决冷却过程的全自动控制，最大限度地避免人为干预，减轻操作人员的工作强度。

本发明的冷却数学模型和冷却策略成功地实现了在线应用，所有棒材冷却设备实现了全自动控制，并具有很高的控制精度，同一根棒材温差和同一批棒材温差在10℃内的命中率均达到95%以上，生产低碳钢时比未采用控冷控制时提高产品的抗拉强度约40～65MP，极大程度的提高了棒材产品的钢材性能合格率，满足了工业生产的要求。

附图说明

图1为棒材控冷系统的布置图。

图2为棒材控冷系统的温度自动控制系统功能原理图。

具体实施方式

本发明提出的一套应用于棒材控冷系统的温度自动控制方法，采用水冷参数自修正、PI参数自学习和模糊控制相结合的控制方法，下面以一个具体的棒材控冷系统为实施例详细说明整个实施过程的具体步骤。

1.安装并组态所需的控制硬件、软件和以太网络等。在实际实施内容如下：

（1）安装计算机操作系统、自动化编程软件和人机界面软件：计算机采用研华工控机和微软windows XP sp3操作系统，自动化编程软件采用西门子step75.5版本的编程软件，人机界面软件采用西门子Wincc7.0亚洲版。

（2）安装和设置PLC硬件控制设备：本实施例采用了西门子step75.5版本的编程软件相适应的S7400系列的西门子PLC控制设备。对一些需要设置的PLC硬件进行设置，例如输入模块的信号类型、ET200模块的分站地址等。

（3）组态编程软件：在编程软件的硬件设置里，组态PLC模块相对应的设备，包括模块类型和版本等，保证配置的模块参数与实际硬件设置一致。

（4）组态编程软件的以太网：设置以太网参数并选择通讯模式，采用以太网通讯方式进行通讯，检测与PLC相连接的以太网线路。

（5）信号校对：在现场设备安装完成后，通过编程软件对现场设备进行校验，完成对每个PLC模件的通道和软件的内部地址一一对应关系的确认。

2.对棒材控冷系统进行自动化系统编程，对系统输入输出信号进行编程，具体实施内容如下：

使用西门子step75.5版本的编程软件，对所有PLC的模块通道进行符号定义，然后对模拟量输入信号和模拟量输出信号的工程量转换，并且编程实现所有设备的逻辑启动和停止程序。

3.对棒材控冷系统进行自动化系统编程，对温度的采集值进行有效性处理，具体实施内容如下：

棒材生产线的5个红外测温仪信号进行工程量转换以后，编制程序判断并除去偶然性数据，将采集到的温度传感器信号进行预处理，首先对4到20毫安的温度传感器信号进行模数转换，转换成以温度为单位的工程量，计算的过程中要将小于4毫安和大于20毫安的温度传感器信号舍弃不用，把采集周期定为200毫秒，然后计算出当前采集周期和前一个采集周期的温度差，如果偏差大于量程的10%认为当前周期的数据为虚假信号，将此虚假信号舍弃不用，如果连续15个周期偏差都大于量程的10%，则将第15个周期的数据做为当前信号，这样就去除了信号干扰等因素对系统控制稳定性造成的影响。在处理过后数据中选择偏高点温度，取前一时段的10个数据，计算出10个数值的最大值、最小值和平均值，考虑到温度传感器检测点受到多种因素的影响，如控冷后棒材表面附着水流、棒材过活套等设备时的波动等，这些因素都会导致测量结果偏低，因此采用温度值的偏高值算法，根据偏高值算法计算出温度偏高值做为处理后的温度值，公式采用T_偏高值=a T_最大值+b T_平均值，其中的a、b系数分别设为60%、40%，可根据计算后的温度波动情况再调整a、b系数。

4.对棒材控冷系统进行自动化系统编程，对温度自动控制进行编程，具体实施内容如下：

（1）编程实现压力自动调节，控冷供水系统采用两工频、两变频共4个供水泵，根据当前压力和设定压力的差值，采用智能组合的自动调节算法控制4个泵的启停状态和运转频率，从而保证冷却段喷水点的压力，节约能源。四个泵分别为单独的逻辑块控制，再编制一个控制四个泵启停状态的逻辑块，实现泵的互备和压力调节控制，当有一个泵发生故障停机时备用泵就会自动启动，当压力设定高于当前泵组所能提供的压力范围时备用泵也会自动启动，当压力设定低于当前泵组所能提供的压力范围并且变频器低频范围内运行时会自动停止其中一个正在运行的泵。

（2）编程实现流量自动调节，根据设定流量，使用PID算法自动调节冷却水阀，记录生产中冷却水流量和调节阀的阀位值，得出冷却水流量和调节阀阀位的对应关系，分出得出调节快、正常、慢三种结果，并且对应三组PI参数值，使得调节阀能最快调节到设定流量。自动调节时，流量设定采用以下公式来修正F_Set=F_t+aF₁+ bF₂+ cF₃+ dF₄+eF₅+ fF₆+ gF₇+h。其中F_Set为流量设定值，F₁到F₇分别对应是轧机速度、冷却前温度、当前冷却水流量、冷却水压力、冷却水温度、棒材直径、冷却器使用个数的影响因素，其中的a到h为系统补正系数。

（3）编程实现低流量调节模型，调节阀15%以下时，建立流量与阀门开度的对应关系列表，初始数据如下表，通过记录最近几次钢坯生产数据进行加权平均处理，自学习修正关系列表，稳定水流量控制。

阀位（％）	0	1	2	3	4	5	6	7
									流量（m3/h)	0	0	5.3	7.1	18.3	22.5	31.7	32.3
阀位（％)	8	9	10	11	12	13	14	15
									流量（m3/h)	32.6	49.1	53	57.8	63.4	65.2	66.4	73.2

图3 调节阀低流量时阀位和流量关系表

（4）编程实现温度串级调节结合模糊控制，根据设定温度，使用PID算法自动调节流量设定，通过模糊控制修正温度串级调节的PI参数，根据设定温度和棒材实际温度的偏差分出大大、大、正常、小、小小五个区间，并且对应出五组初始的P参数1.5、0.9、0.5、0.3、0.1，通过记录的棒材温度和冷却水流量的数值，得出棒材温度和冷却水流量的一个关系列表，根据棒材温度和冷却水流量的对应关系分别得出调节快、正常、慢三个区间，并且对应三组初始的I参数值2200、1400、800，可根据温度曲线的情况再进行修正PI的区间参数值。

（5）编程实现限幅控制及修正，在温度自动调节过程中，对阀位的上下限进行限幅，根据当前的钢种、规格来设定上下限初值，通常下限在设定在8%-20%之间，上限设定在65%-90%之间，避免水量变化过大，影响其它并行水段的自动控制。但限幅值并不是保持不变的，根据轧机速度、冷却速度和水流量的实际情况，实时的修正调节阀允许动作的上限和下限值。

5.对棒材控冷系统的投入运行，具体实施内容如下：

（1）选择控制系统的工作方式，冷却水调节阀有流量控制和温度控制两种方式，投产前期和检修时可采用流量控制方式，稳定生产时多采用温度控制方式，通过人工设定预冷后温度和冷床入口温度。

（2）对各个冷却段的流量控制进行投入，保证调节阀自动工作正常，流量、压力等控制范围达到设计要求。

（3）采用以上方法控制效果稳定一段时间后，投入温度检测处理模块。

（4）当温度检测处理模块的结果和实测的钢材温度接近时，同时其它流量、压力、速度等参数也都准确无误时，投入温度自动调节模块，同时记录温度自动调节模块的输入参数和控制结果，通过输入参数和结果的关系列表，不断的修正参数和自学习；

（5）系统正常运行，当温度的设定值和温度的过程值产生的偏差超过系统设定的死区范围时，调节阀开始自动调节，完成棒材温度的自动控制过程。

Claims

1.一种棒材控冷系统的温度自动控制方法，以冷却水流量调节阀为控制对象，以棒材预冷后温度和上冷床温度为控制目标，建立一个模糊控制结合传统PID控制的温度自动控制系统；其特征在于：工艺步骤如下：

（1）温度检测处理：

a、除去偶然性数据:将采集到的温度传感器信号进行预处理，首先对4到20毫安的温度传感器信号进行模数转换，转换成以温度为单位的工程量，计算的过程中要将小于4毫安和大于20毫安的温度传感器信号舍弃不用，然后计算出当前采集周期和前一个采集周期的温度差，当偏差大于量程的10%认为当前周期的数据为虚假信号，将此虚假信号舍弃不用，当连续15个周期偏差都大于量程的10%，则将第15个周期的数据做为当前信号，这样就去除了信号干扰因素对系统控制稳定性造成的影响；

b、取偏高点温度

取前一时段的N个数据，计算出N个数值的最大值、最小值和平均值，考虑控冷后棒材表面附着水流、棒材过活套设备时的波动因素的影响，这些因素都会导致测量结果偏低，因此采用温度值的偏高值算法，根据偏高值算法计算出温度偏高值做为处理后的温度值，公式采用T_偏高值= a T_最大值+ b T_平均值，其中的a、b系数为百分比，a、b的和为1；

（2）温度自动调节：

压力自动调节，控冷供水系统采用两工频、两变频共4个供水泵，根据当前压力和设定压力的差值，采用智能组合的自动调节算法控制4个泵的启停状态和运转频率，从而保证冷却段喷水点的压力；

流量自动调节，根据设定流量，使用PID算法自动调节冷却水阀，记录生产中冷却水的流量和调节阀的阀位值，得出冷却水流量和调节阀阀位的对应关系，分出得出调节快、正常、慢三种结果，并且对应三组PI参数值，使得调节阀能最快调节到设定流量；自动调节时，流量设定采用以下公式来修正F_Set=F_t+aF₁+ bF₂+ cF₃+ dF₄+ eF₅+ fF₆+gF₇+h；其中F_Set为流量设定值，F₁到F₇分别对应是轧机速度、冷却前温度、当前冷却水流量、冷却水压力、冷却水温度、棒材直径、冷却器使用个数的影响因素，其中的a到h为系统补正系数；

低流量调节模型，调节阀15%以下时，建立流量与阀门开度的对应关系列表，通过记录最近几次钢坯生产数据进行加权平均处理，自学习修正关系列表，稳定水流量控制；

温度串级调节结合模糊控制，根据设定温度，使用PID算法自动调节流量设定，通过模糊控制修正温度串级调节的PI参数，根据设定温度和棒材实际温度的偏差分出大大、大、正常、小、小小五个区间，并且对应出五组P比例参数，通过记录的棒材温度和冷却水流量的数值，得出棒材温度和冷却水流量的一个关系列表，根据棒材温度和冷却水流量的对应关系分别得出调节快、正常、慢三个区间，并且对应三组I积分参数值；

限幅控制及修正：在温度自动调节过程中，对阀位的上下限进行限幅，根据当前的钢种、规格来设定上下限初值，下限在设定在8%-20%之间，上限设定在65%-90%之间，避免水量变化过大，影响其它并行水段的自动控制。