CN103861879A - 一种中厚板在线冷却装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中厚板在线冷却装置及控制方法。该控制方法采集并绘制集管的流量和阀门开口度曲线；采集并绘制供水泵频率与冷却装置终端的总水量之间的关系；根据设定供水压力P0、设定集管流量F0以及预先采集到的集管流量与阀门开口度关系曲线，进行线性插值计算，快速设定阀门开口度U0；根据设定供水压力P0、设定总流量F以及预先采集到的供水量与供水泵频率之间的关系曲线，进行线性插值计算，快速设定供水泵频率V0；当集管阀门开口度和供水泵频率达到设定值，控制单元的集管流量和供水压力耦合闭环控制模块投入运行，实现对集管流量和供水压力的快速高精度耦合控制，满足供水系统压力精度的控制需求。

Description

一种中厚板在线冷却装置及控制方法

技术领域

本发明涉及热轧中厚板冷却技术领域，尤其涉及一种中厚板在线冷却装置及控制方法。

背景技术

近年来，中厚板轧后控制冷却技术受到了人们越来越多的重视。钢铁企业为了生产高性能产品提出了更高的冷却速度及冷却均匀性需求，传统的层流冷却装置已不能满足钢铁企业日益提高的冷却性能需求。

TMCP工艺（Thermo Mechanical Control Process，热机械控制工艺）对轧后钢板的金相组织和力学性能有着十分重要的影响。终冷温度、冷却速度等工艺参数的高精度控制是品种、规格多样的中厚板超快速冷却工艺严格执行的基本保障。超快速冷却系统采用带有一定压力的冷却水对高温钢板进行射流冲击冷却，从而获得比常规加速冷却更高的冷却强度。集管作为超快冷系统最基本的控制单元其流量是最为核心的控制参数。集管流量调整范围决定轧后产品冷却速度的控制能力；集管流量调节的响应速度、控制精度直接影响冷却速率、终冷温度等核心冷却工艺参数的控制精度，甚至影响产品冷却过程中的均匀性，进而影响产品的组织性能均匀性及成材率。

现有冷超快冷却设备，由于技术比较落后，没有结合更加精确的控制元件和检测元件，冷却控制精度达不到要求，本专利采用先进的元件进行设计，满足了现有的钢厂要求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种中厚板在线冷却装置及控制方法，其能够实现对钢板冷却的精确控制。

上述目的是通过下述方案实现的：

一种中厚板在线冷却装置，其特征在于，所述冷却装置包括高压变频供水泵（1）、分流集水管（2）、旁通阀（4）、温度计（6）、水压计（7）、多个喷水集管（8）和控制单元（9）；

所述供水泵（1）的输出端连接到所述分流集水管（2）的进水口；所述分流集水管（2）的通过多条连接管路（10）连接到所述多个喷水集管（8），在所述多条连接管路（10）上均安装有流量气动调节阀（3）和流量计（5），在所述分流集水管（2）上还连接有旁通管路（11），在该旁通管路（11）也安装有旁通阀（12）；并且，所述分流集水管（2）上连接有所述温度计（6）和水压计（7），该温度计（6）和水压计（7）的信号输出连接到所述控制单元（9），该控制单元（9）的控制信号连接到供水泵以及各流量控制阀的控制端。

一种上述的冷却装置的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

（1）采集并绘制集管的流量和阀门开口度曲线；采集并绘制供水泵频率与冷却装置终端的总水量之间的关系；

（2）根据设定供水压力P0、设定集管流量F0以及预先采集到的集管流量与阀门开口度关系曲线，进行线性插值计算，快速设定阀门开口度U0；

（3）根据设定供水压力P0、设定总流量F以及预先采集到的供水量与供水泵频率之间的关系曲线，进行线性插值计算，快速设定供水泵频率V0；

（4）当集管阀门开口度和供水泵频率达到设定值，所述控制单元（9）的集管流量和供水压力耦合闭环控制模块投入运行；所述控制模块根据设定流量F0与流量计检测到集管实际流量F1之间的偏差e=F0-F1，设定阀门开口度补偿量U′，修正调节阀开口度，从而实现对流量闭环控制；所述控制模块根据设定供水压力P0与压力计检测到水系统实际压力P1之间的偏差e=P0-P1，基于PID算法设定供水泵频率补偿量V′，修正调节供水泵频率，从而实现对供水系统压力的闭环控制；在PID控制算法中，恒压变频供水系统主要分为变频器、供水电机和供水管路三个过程：

                    （1）

其中，变频器的传递函数可设定为一个惯性环节，传递函数表示为：

                    （2）

式中，常数

取为5；比例系数取为3；

供水电机的传递函数表示为：

                    （3）

式中，电机常数取为0.4；常数

取为0.2；

供水管路的传递函数表示为：

                   （4）

式中，

为系统总增益，取为1；

为系统惯性时间常数，取为3；

为系统总滞后时间，取为2。

根据上述的控制方法，其特征在于，调节过程中供水系统压力变化将引起的集管流量波动F′，其将作为集管流量实测值的组成部分，在集管流量调节闭环中得到消除；同理，集管流量变化引起的供水系统压力变化P′也将作为压力实测值的组成部分，在供水压力调节闭环中得到消除。

本发明的有益效果：本发明的装置和方法能够实现对集管流量和供水压力的快速高精度耦合控制，满足供水系统压力精度的控制需求。

附图说明

图1 为供水装置及集管流量控制单元组成示意图；

图2 为缝隙喷嘴流量和阀门开口度关系曲线；

图3 为高密快冷集管流量和阀门开口度关系曲线；

图4 为供水泵频率与总流量之间的关系曲线；

图5 为供水压力-集管流量耦合控制方法示意图；

图6 为0.2MPa压力下高密快冷集管流量控制曲线；

图7 为0.2MPa压力下供水系统压力及总流量控制曲线；

图8 为0.5MPa压力下高密快冷流量控制曲线；

图9 为0.5MPa压力下供水系统压力及总流量控制曲线。

具体实施方式

图1示出的是本发明中厚板在线冷却装置的结构，其包括高压变频供水泵1、分流集水管2、旁通阀4、温度计6、水压计7、多个喷水集管8和控制单元9。供水泵1的输出端连接到分流集水管2的进水口，分流集水管2的通过多条连接管路10连接到多个喷水集管8，在多条连接管路10上均安装有流量气动调节阀3和流量计5，在分流集水管2上还连接有旁通管路11，在旁通管路11也安装有旁通阀4。并且，分流集水管2上连接有温度计6和水压计7，温度计6和水压计7的信号输出连接到控制单元9，控制单元9的控制信号连接到供水泵以及各流量控制阀的控制端。

供水泵提供带流量压力可调节的中压冷却水。冷却水经由供水管路进入分流集水管，经过均流后由集管供水管路分配至喷水集管，在集管内部受到阻尼装置整流、均流作用，均匀地喷射至钢板表面对钢板进行冷却。采集到的压力和温度值将用于控制模型进行冷却规程的计算。同时，水压将用于供水系统的压力闭环控制。集管供水管路上依次布置流量计、流量调节阀，用于集管水量调节、检测和控制。

流量控制精度、调节响应速度以及控制稳定性是表征集管流量调节性能的重要参数。为获得集管流量变化规律，分别采集分析缝隙集管和高密快冷集管的流量和阀门开口度曲线，如附图2和附图3所示。阀门开口度变化对集管流量控制有重要影响，随着阀门开口度的增加，集管流量单调增大。阀门开口度在15%至90%的调节范围内时，0.2MPa压力条件下，缝隙集管水量控制范围为50-250m3/h，水流密度约为300-1500l/(m²·min)；0.5MPa压力条件下，缝隙集管水量控制范围为80-380m3/h，水流密度约为500-2300l/(m²·min)。0.2MPa压力条件下，高密快冷集管水量控制范围为30-230m3/h，水流密度约为180-750l/(m²·min)；0.5MPa压力条件下，高密快冷集管水量控制范围为50-350m3/h，水流密度约为300-2100l/(m²·min)。缝隙集管与高密快冷集管流量存在较大差别，其原因在于二者的供水管径、集管内部阻尼结构以及喷嘴形式存在较大差异。

同理采集并分析供水泵频率与冷却装置终端的总水量（即指供水泵的总供水量）之间的关系，如附图4所示。总流量随供水泵频率的增加而增大，但增加趋势趋于平缓。0.2MPa压力下采用2台泵供水，供水泵工作频率在20-30Hz之间，总水量约为500-4000m3/h；0.5MPa压力下采用3台泵供水，供水泵工作频率在30-50Hz之间，总水量约为1200-5500m3/h。

在供水压力和喷水集管流量调节过程中二者相互影响。为了实现供水压力和集管流量的快速高精度控制，控制系统针对供水压力和集管流量进行快速高精度耦合控制，如图9所示。

首先，根据设定供水压力P0、设定集管流量F0以及预先采集到的0.2MPa（0.5MPa）压力条件下的集管流量与阀门开口度关系曲线，进行线性插值计算，快速设定阀门开口度U0。同理，根据设定供水压力P0、设定总流量F以及预先采集到的0.2MPa（0.5MPa）压力条件下的供水量与供水泵频率之间的关系曲线，进行线性插值计算，快速设定供水泵频率V0。当集管阀门开口度和供水泵频率达到设定值，集管流量和供水压力耦合闭环控制模块投入运行，以提高集管流量及供水压力控制精度。控制模块根据设定流量F0与流量计检测到集管实际流量F1之间的偏差e（e=F0-F1），设定阀门开口度补偿量U′，修正调节阀开口度，从而实现对流量闭环控制。PLC扫描设定周期为100ms，误差逼近控制器的具体参数如表1所示。

表1 

 

同理，控制模块根据设定供水压力P0与压力计检测到水系统实际压力P1之间的偏差e（e=P0-P1），基于PID算法设定供水泵频率补偿量V′，修正调节供水泵频率，从而实现对供水系统压力的闭环控制。在PID控制算法中，恒压变频供水系统主要分为变频器、供水电机和供水管路三个过程。

                    （1）

其中，变频器的传递函数可设定为一个惯性环节，传递函数表示为：

                    （2）

式中，常数

取为5；比例系数

取为3。

供水电机的传递函数表示为：

                    （3）

式中，电机常数取为0.4；常数

取为0.2。

供水管路的传递函数表示为：

                   （4）

式中，为系统总增益，取为1；

为系统惯性时间常数，取为3；

为系统总滞后时间，取为2。

调节过程中供水系统压力变化将引起的集管流量波动F′，其将作为集管流量实测值的组成部分，在集管流量调节闭环中得到消除。同理，集管流量变化引起的供水系统压力变化P′也将作为压力实测值的组成部分，在供水压力调节闭环中得到消除。经控制模块反复调整实现对集管流量和供水压力的快速高精度耦合控制，满足供水系统压力精度的控制需求。

图6-图9是采用本发明的方法进行在线冷却控制的效果图。

图5为0.2MPa压力条件下，阀门开口度、集管流量以及供水系统压力随时间的变化曲线。由图可知，流量的调节过程分为三个阶段，阀门快速开启阶段约持续2s，阀门开口度保持阶段约持续1s，集管流量及供水压力闭环调整阶段约持续6~7s。在此过程中供水压力呈先下降后上升的趋势，压力最低值达到0.153MPa。随着流量调节阀快速开启，集管流量迅速增加，而阀门开口度保持阶段是为了避免流量滞后产生严重的超调，随后在供水压力和阀门开口的共同调解下，集管流量逐步调整至目标值200±5 m3/h。集管流量快速调节的时间约为5s，达到稳定状态所需调节时间约为10s。

图6为0.2MPa压力条件下，供水泵频率、总流量以及供水系统压力随时间的变化曲线。由图可知，供水系统压力达到目标设定值0.2±0.02MPa的时间约为10s。总流量的调节时间略滞后于单组集管的流量调节。原因在于其由多个单组集管流量叠加而成，而为了避免水锤冲击集管的开启过程往往采用顺次激活的方式。而其他集管开启时引起的供水压力及总流量变化对图8所示集管的流量稳定造成了冲击。

图7和8为0.5MPa压力条件下集管流量和供水压力调节的控制曲线。分析可知，其流量和压力的调节趋势与0.2MPa压力条件下相类似。但因为单组集管流量、总流量以及供水压力均较大，所以其达到稳定状态的时间也较长。集管流量及供水压力分别达到350±5m3/h和0.5±0.02MPa的时间约为15s。同时，供水系统压力波动范围较大，最低值达到0.370MPa。综上采用供水压力和集管流量耦合控制方法，实现了集管流量和供水压力的快速高精度控制，能够满足中厚板产品品种繁多、生产节奏快、冷却工艺窗口狭窄的控制需求。同样利用上述方法可以实现钢板头尾低温区域的流量遮蔽控制，满足产品纵向冷却均匀性的控制需求。

Claims (3)

1.一种中厚板在线冷却装置，其特征在于，所述冷却装置包括高压变频供水泵（1）、分流集水管（2）、旁通阀（4）、温度计（6）、水压计（7）、多个喷水集管（8）和控制单元（9）；

所述供水泵（1）的输出端连接到所述分流集水管（2）的进水口；所述分流集水管（2）的通过多条连接管路（10）连接到所述多个喷水集管（8），在所述多条连接管路（10）上均安装有流量气动调节阀（3）和流量计（5），在所述分流集水管（2）上还连接有旁通管路（11），在该旁通管路（11）也安装有旁通阀（12）；并且，所述分流集水管（2）上连接有所述温度计（6）和水压计（7），该温度计（6）和水压计（7）的信号输出连接到所述控制单元（9），该控制单元（9）的控制信号连接到供水泵以及各流量控制阀的控制端。

2.一种如权利要求1所述的冷却装置的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

（1）采集并绘制集管的流量和阀门开口度曲线；采集并绘制供水泵频率与冷却装置终端的总水量之间的关系；

（2）根据设定供水压力P0、设定集管流量F0以及预先采集到的集管流量与阀门开口度关系曲线，进行线性插值计算，快速设定阀门开口度U0；

（3）根据设定供水压力P0、设定总流量F以及预先采集到的供水量与供水泵频率之间的关系曲线，进行线性插值计算，快速设定供水泵频率V0；

（4）当集管阀门开口度和供水泵频率达到设定值，所述控制单元（9）的集管流量和供水压力耦合闭环控制模块投入运行；所述控制模块根据设定流量F0与流量计检测到集管实际流量F1之间的偏差e=F0-F1，设定阀门开口度补偿量U′，修正调节阀开口度，从而实现对流量闭环控制；所述控制模块根据设定供水压力P0与压力计检测到水系统实际压力P1之间的偏差e=P0-P1，基于PID算法设定供水泵频率补偿量V′，修正调节供水泵频率，从而实现对供水系统压力的闭环控制；在PID控制算法中，恒压变频供水系统主要分为变频器、供水电机和供水管路三个过程：

                      （1）

其中，变频器的传递函数可设定为一个惯性环节，传递函数表示为：

                          （2）

式中，常数取为5；比例系数

取为3；

供水电机的传递函数表示为：

                          （3）

式中，电机常数

取为0.4；常数取为0.2；

供水管路的传递函数表示为：

                      （4）

式中，

为系统总增益，取为1；

为系统惯性时间常数，取为3；

为系统总滞后时间，取为2。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，调节过程中供水系统压力变化将引起的集管流量波动F′，其将作为集管流量实测值的组成部分，在集管流量调节闭环中得到消除；同理，集管流量变化引起的供水系统压力变化P′也将作为压力实测值的组成部分，在供水压力调节闭环中得到消除。

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