CN112840061B - 镀覆量控制装置和控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种利用气刀的钢板的镀覆量控制装置，其包括：气刀条件导出单元，用于导出相对于目标镀覆量的第一气刀间隙和最终气刀压力，并导出当前气刀压力下用于达到所述目标镀覆量的第二气刀间隙；以及气刀压力响应补偿单元，用于根据基于所述第二气刀间隙与所述第一气刀间隙之差的间隙补偿量和控制周期内的气刀压力变动量的间隙补偿比例确定最终气刀间隙，所述控制周期可以是更新相对于所述目标镀覆量的气刀条件的周期。

Description

镀覆量控制装置和控制方法
技术领域
本公开涉及一种镀覆量控制装置和镀覆量控制方法。
背景技术
热浸镀工艺是用于生产对热轧或冷轧钢板表面进行熔融金属镀覆处理以提高耐腐蚀性/耐磨性/耐热性等的镀层钢板的工艺。例如有镀锌钢板，镀锌钢板广泛应用于家电、汽车、建筑等。
热浸镀锌工艺是由用于热处理、镀覆等的几个单元区段(section)组成，其中在镀覆区段钢板依次通过装有熔融锌液的镀锅(锌锅(Zinc Pot))、气刀、冷却装置，在钢板的表面上形成锌镀层。在镀覆区段中，气刀是控制表面的镀层厚度或镀覆量的设备，为了准确控制镀覆量，调整喷射的气体(Air Jet)的压力和钢板与气刀的间距。
当镀覆量控制得不准确时，为了防止实际镀覆量少于预定镀覆量，以高于预定镀覆量的目标镀覆量进行镀覆工艺，发生不必要的锌消耗。为了避免这样的情况，需要准确地控制镀覆量。然而，因为镀覆量是镀层凝固后测量的，所以发生非常大的测量延迟。因此，一般的反馈控制性能受到限制。
现有的镀覆量控制主要是通过操作员的手动操作来完成。近来，通过利用预测模型等的气刀控制正处于自动化趋势。为了镀覆量控制的自动化，必须将控制系统指示的气刀操作条件迅速准确地反映到设备。然而，气刀的操作条件变更时，特别是目标镀覆量变更时，压力根据当前值和控制目标值反应较慢，跟踪指示值需要时间，而且控制误差也较大。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明旨在提供一种可以补偿气刀导出压力的控制反应的镀覆量控制装置和控制方法。
(二)技术方案
根据本发明一个特征的利用气刀的钢板的镀覆量控制装置，其包括：气刀条件导出单元，用于导出相对于目标镀覆量的第一气刀间隙和最终气刀压力，并导出当前气刀压力下用于达到所述目标镀覆量的第二气刀间隙；以及气刀压力响应补偿单元，用于根据基于所述第二气刀间隙与所述第一气刀间隙之差的间隙补偿量和控制周期内的气刀压力变动量的间隙补偿比例确定最终气刀间隙，所述控制周期是更新相对于所述目标镀覆量的气刀条件的周期。
当所述控制周期为压力响应期间或更短时，所述气刀压力响应补偿单元基于所述控制周期内的所述气刀压力变动量算出所述间隙补偿比例，当所述控制周期比所述压力响应期间更长时，所述气刀压力响应补偿单元将所述间隙补偿比例设定为零，所述压力响应期间可以是所述当前气刀压力达到所述最终气刀压力的期间。
当所述控制周期为所述压力响应期间或更短时，所述气刀压力响应补偿单元可基于所述控制周期除以所述压力响应期间的值算出所述间隙补偿比例。
所述间隙补偿比例遵循以下数学公式，
间隙补偿比例＝1-Tc/2Tp，(Tp>＝Tc)
间隙补偿比例＝0，(Tp<Tc),
可以是Tc为所述控制周期，Tp为所述压力响应期间。
所述气刀压力响应补偿单元可通过所述间隙补偿量乘以所述间隙补偿比例后将所述乘积与所述第一气刀间隙相加来算出所述最终气刀间隙。
所述气刀压力响应补偿单元可通过所述间隙补偿量乘以所述间隙补偿比例后将所述乘积的量化结果与所述第一气刀间隙相加来算出所述最终气刀间隙。
当一个控制周期内气刀压力变化率为预定的临界比例或更大时，所述气刀压力响应补偿单元可导出以当前气刀压力用于达到所述目标镀覆量的第三气刀间隙，并根据所述第三气刀间隙与所述第一气刀间隙之差的间隙补偿量和所述间隙补偿比例确定最终气刀间隙。
根据本发明另一特征的利用气刀的钢板的镀覆量控制方法，其包括：镀覆量控制装置导出相对于目标镀覆量的第一气刀间隙和最终气刀压力的步骤、所述镀覆量控制装置导出当前气刀压力下用于达到所述目标镀覆量的第二气刀间隙的步骤、所述镀覆量控制装置算出所述第二气刀间隙与所述第一气刀间隙之差的间隙补偿量的步骤、所述镀覆量控制装置算出基于控制周期内的气刀压力变动量的间隙补偿比例的步骤、所述镀覆量控制装置基于所述间隙补偿量和所述间隙补偿比例确定最终气刀间隙的步骤，所述控制周期可以是更新相对于所述目标镀覆量的气刀条件的周期。
所述算出间隙补偿比例的步骤包括：当所述控制周期为压力响应期间或更短时，基于所述控制周期内的所述气刀压力变动量算出所述间隙补偿比例的步骤；以及当所述控制周期比所述压力响应期间更长时，将所述间隙补偿比例设定为零的步骤，所述压力响应期间可以是所述当前气刀压力达到所述最终气刀压力的期间。
所述控制周期为所述压力响应期间或更短时的算出所述间隙补偿比例的步骤可包括：基于所述控制周期除以所述压力响应期间的值算出所述间隙补偿比例的步骤。
所述间隙补偿比例遵循以下数学公式，
间隙补偿比例＝1-Tc/2Tp，(Tp>＝Tc)
间隙补偿比例＝0，(Tp<Tc),
可以是Tc为所述控制周期，Tp为所述压力响应期间。
所述确定最终气刀间隙的步骤可包括：通过所述间隙补偿量乘以所述间隙补偿比例后将所述乘积与所述第一气刀间隙相加来算出所述最终气刀间隙的步骤。
所述确定最终气刀间隙的步骤可通过所述间隙补偿量乘以所述间隙补偿比例后将所述乘积的量化结果与所述第一气刀间隙相加来算出所述最终气刀间隙。
所述镀覆量控制方法还可包括：当一个控制周期内气刀压力变化率为预定的临界比例或更大时，导出以当前气刀压力用于达到所述目标镀覆量的第三气刀间隙的步骤；以及根据所述第三气刀间隙与所述第一气刀间隙之差的间隙补偿量和所述间隙补偿比例确定最终气刀间隙的步骤。
(三)有益效果
通过实施例，可以补偿气刀压力的控制反应，由此可使操作更接近于预定镀覆量，从而可以提供能够减少锌消耗的效果。
附图说明
图1是根据实施例的镀覆装置和镀覆量控制装置的示意图。
图2是根据实施例的镀覆量控制方法的流程示意图。
图3是示出气刀压力变化以说明算出间隙补偿比例的方法的图。
图4是示出关于量化的一实例的图。
图5是通过实施例显示出改善的效果的镀覆量、气刀压力和气刀间隙的图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述本发明的实施例，以使本发明所属技术领域的普通技术人员容易实施本发明。然而，本发明能够以各种不同方式实施，并不限于下述的实施例。另外，为了清楚地描述本发明，附图中省略了与描述无关的部分，通篇说明书中类似部分采用了类似的附图标记。
在镀覆量控制系统中，为了控制镀覆量而调整的因素是气刀的间隙和压力。其中，气刀的间隙是通过马达-螺杆方式的机械装置来控制，从而以较快的响应速度准确地跟踪镀覆量控制系统所提供的间隙指示值。然而，对于压力，控制方式根据所使用的流体有所不同，并且控制反应性慢，误差也较大。当GI钢板生产方式中使用N2时，由于N2的压力响应慢，比起对压力的控制，可以更加重视对间隙的控制。生产GI时一般使用N2，但也有使用空气(AIR)的情况。然而，即使在这种情况下，压力响应也比所需的响应速度慢，而且即使在通过性能改善的鼓风机来使用N2的情况下，压力响应仍比所需的响应速度慢。
在实施例中，对用于控制镀覆量的压力控制中发生的响应延迟和误差利用间隙进行补偿。
图1是根据实施例的镀覆装置和镀覆量控制装置的示意图。
镀覆装置100包括镀锅110、擦拭单元120和冷却单元130。在实施例中，镀覆装置100可以是熔融锌液镀覆装置。
镀锅110用于对钢板SS进行热浸镀，引导至镀锅110的钢板SS经过配置在镀锅110内的沉没辊(sink roll)111浸入熔融金属112，从而进行热浸镀工艺。钢板SS被沉没辊111改变行进方向而移动到镀锅110上方。表面被镀锅110内的熔融金属112镀覆的钢板SS拉出到镀锅110上方。钢板SS沿着行进方向经过依次配置的擦拭单元120和冷却单元130制成镀层钢板。经由冷却单元130冷却的钢板SS经过张紧辊140输送到后续工艺。
在实施例中，镀覆溶液可以使用锌、锌合金、铝和/或铝合金等。
擦拭单元120沿着钢板SS的行进方向在镀锅110后端配置于钢板的一侧或两侧，用于控制钢板的镀覆附着量。擦拭单元120包括气刀(air knife)121、122，气刀121、122向附着在钢板SS表面上的镀层从相隔气刀间隙的距离以气刀压力喷射气体，以调节镀覆附着量。例如，气刀121、122具有沿着钢板SS宽度方向延伸以及内部有超低温液体循环的刀体，刀体前端上可以形成有相对于钢板SS的镀层倾斜气刀角度的刀尖(未图示)。从气刀喷射的气体可以是空气或氮气等。
气刀121、122各自可根据由镀覆量控制装置200生成的控制信号(AFC1、AFC2)来控制气刀间隙和压力。
冷却单元130可通过向钢板SS表面的镀层喷射薄雾(mist)或喷射空气(AIR)来冷却钢板SS。例如，冷却体131、132可包括沿着钢板宽度方向延伸以及内部有超低温液体循环且抵接于钢板表面的镀层施加冷气的冷却辊(未图示)。这样的冷却辊可以是多个冷却辊沿着钢板SS的行进方向有间隔地配置成多级。
镀覆量控制装置200包括气刀条件导出单元210和气刀压力响应补偿单元220。
气刀条件导出单元210被输入目标镀覆量和操作条件，导出相对于目标镀覆量的第一气刀间隙g1和最终气刀压力pf，并导出用于在当前气刀压力下达到目标镀覆量的第二气刀间隙g2。
气刀压力响应补偿单元220接收控制周期Tc、压力响应期间Tp、第一气刀间隙g1和第二气刀间隙g2，基于第二气刀间隙与第一气刀间隙之差的间隙补偿量(g2-g1)和间隙补偿比例确定最终气刀间隙。控制周期Tc是更新相对于目标镀覆量的气刀条件的周期。压力响应期间Tp是从当前气刀压力达到相对于目标镀覆量的最终气刀压力所需的期间。
对于间隙补偿比例，当控制周期Tc为压力响应期间Tp或更短时，基于控制周期Tc内的气刀压力变动量算出间隙补偿比例。控制周期Tc比压力响应期间Tp更长时的间隙补偿率可为“0”。例如，气刀条件中气刀间隙和气刀压力在每个控制周期Tc得到更新，当前一个控制周期与目标镀覆量相同时，可以导出前一个周期的气刀间隙和压力。
气刀条件导出单元210可以利用镀覆量预测模型导出相对于目标镀覆量的第一气刀间隙g1和最终气刀压力pf。
镀覆量预测模型可以用产线速度、气刀间隙和气刀压力等操作条件作为输入以及镀覆量作为输出的函数来表示。例如，可以用产线速度(V)、气刀(air knife)间隙(G)、气刀压力(P)等作为输入以及预测镀覆量(CP)作为输出导出的函数即数学公式1表示。
[数学公式1]
CP＝F(V，G，P，...)
气刀条件导出单元210可以通过对适用目标镀覆量的镀覆量预测模型进行逆运算来导出第一气刀间隙g1和最终气刀压力pf。
然而，本发明不限于此，例如可以通过基于回归模型的控制来导出第一气刀间隙g1和最终气刀压力pf或者基于累积的操作条件中与当前操作条件类似的操作条件导出第一气刀间隙g1和最终气刀压力pf。
气刀压力响应补偿单元220可基于控制周期与压力响应期间的对比结果确定间隙补偿比例。在镀覆操作中，气刀压力继续朝最终气刀压力pf变动，因此每个控制周期Tc适用100％的间隙补偿量时，控制周期Tc内变动的气刀压力不会被反映。那么，实际镀覆量不会收敛到目标镀覆量，两者之差可能会增加。因此，鉴于控制周期和压力响应确定间隙补偿量。
下面参照图2说明根据实施例的镀覆量控制装置的最终气刀间隙运算方法。
图2是根据实施例的镀覆量控制方法的流程示意图。
首先，当开始新的控制周期Tc时(步骤S0)，气刀条件导出单元210利用镀覆量控制模型导出用于达到目标镀覆量的第一气刀间隙g1和最终气刀压力pf(步骤S1)。此时，气刀条件导出单元210中可以输入针对目标镀覆量和操作条件的数据。
气刀条件导出单元210利用镀覆量控制模型导出当前气刀压力条件下用于达到目标镀覆量的第二气刀间隙g2(步骤S2)。
接着，气刀压力响应补偿单元220通过从第二气刀间隙g2减去第一气刀间隙g1来算出间隙补偿量(g2-g1)(步骤S3)。
另一方面，气刀压力响应补偿单元220将控制周期Tc和压力响应期间Tp进行对比(步骤S4)。
步骤S4的对比结果，当控制周期Tc比压力响应期间Tp更长时，间隙补偿比例成为“0”(步骤S5)。那么，最终气刀间隙gf被设定为第一气刀间隙g1(步骤S6)。
步骤S4的对比结果，当控制周期Tc为压力响应期间Tp或更短时，气刀压力响应补偿单元220基于控制周期Tc内的气刀压力的变动量算出间隙补偿比例(步骤S7)。
图3是示出气刀压力变化以说明算出间隙补偿比例的方法的图。
在图3中，“x”表示控制周期Tc内气刀压力的变动量。在实施例中，控制周期Tc的中间时间点(Tc/2)的气刀压力被设定为控制周期Tc内气刀压力的变动量。这是相当于控制周期Tc内气刀压力平均的值，是适用于实施例的一个实例，本发明不限于此。
在图3中，“y”是控制周期Tc内的气刀压力变动与气刀压力p1之差，实施例中间隙补偿比例取决于“y”。具体地，间隙补偿比例为y:p1，如数学公式2所示。
[数学公式2]
Figure GDA0004059851100000081
根据控制周期Tc与压力响应期间Tp的对比结果整理间隙补偿比例如数学公式3所示。
[数学公式3]
Figure GDA0004059851100000082
(间隙补偿比例)＝0，(Tp＜Tc)
气刀压力响应补偿单元220通过步骤S3中算出的间隙补偿量乘以步骤S7中算出的间隙补偿比例来算出最终气刀间隙gf(步骤S8)。步骤S8中算出的最终气刀间隙可以表示为如数学公式4所示。
[数学公式4]
Figure GDA0004059851100000091
如此确定的最终气刀间隙gf与最终气刀压力pf一起可适用于气刀121、122中对应的一个气刀，或者两个气刀121、122都可以同样适用，或者对另一个气刀也可以适用以相同方式生成的其他最终气刀间隙和最终气刀压力。
对于气刀间隙补偿比例，可以根据从气刀喷射的气体的压力响应性进行调节。例如，在使用压力响应期间相对短的空气的情况下，间隙补偿比例可为“0”。在使用压力响应期间长的氮气的情况下，间隙补偿比例可为“1-Tc/2Tp”。
对于镀覆量控制装置200，为了将气刀间隙补偿所造成的反效果降到最低，当控制周期Tc内气刀压力变化率为临界比例或更大时，不管控制周期Tc，以当前气刀压力为准，可以重新计算用于达到目标镀覆量的气刀间隙。
在某些情况下，气刀压力在控制周期内迅速变化接近目标压力。在此情况下，当保持当前气刀间隙时，可能会产生间隙补偿所造成的反效果。为了防止这种情况，当控制周期Tc内气刀压力变化率为临界比例或更大时，即使还没有经过控制周期Tc，也能够以当前气刀压力为准重新计算气刀间隙。也就是说，虽然还没有经过控制周期，但是在气刀压力变化率为临界比例或更大的情况下，重新导出以当前气刀压力用于达到目标镀覆量的气刀间隙，将第一气刀间隙与重新导出的气刀间隙之差的间隙补偿量乘以间隙补偿比例，从而可以算出最终气刀间隙。
另外，基于间隙补偿的最终气刀间隙频繁变化，因此用于调节气刀间隙的马达的负荷可能会过大。为了防止这样的情况，在数学公式4中，如图4所示对“(g2-g1)*(1-Tc/2Tp)”进行量化(quantizing)，从而可以降低气刀间隙调节马达的负荷。
图4是示出关于量化的一实例的图。
如图4所示，当作为输入的“(g2-g1)*(1-Tc/2Tp)”的值为0～△时，输出为△/2，当输入为△～2△时，输出为3△/2，当输入为2△～3△时，输出为5△/2，当输入为3△～4△时，输出为7△/2，这种形式的量化可适用于实施例。
图5是通过实施例显示出改善的效果的镀覆量、气刀压力和气刀间隙的图。
如图5所示，与气刀间隙补偿前相比，气刀间隙补偿后的镀覆量偏差迅速减小。
尤其，在产生压力波动的时间点T2上，目标镀覆量与实际镀覆量之差CP2也远小于传统的镀覆量差CP1。这是因为，由于气刀间隙补偿，从时间点T1开始气刀间隙为gf1。也就是说，当压力波动导致气刀压力减小时，作为用于补偿值导出气刀间隙。那么，与按照目标压力导出气刀间隙的传统技术相比，不管压力波动如何，根据压力变化补偿气刀间隙，因此通过气刀间隙补偿，可以减小压力波动所造成的明显的镀覆量偏差。
在传统的镀覆量控制系统中，存在如下问题：气刀的间隙在几秒内跟踪指示值，气刀压力达到指示值，根据响应性需要几十秒至几分钟。也就是说，实际镀覆量跟踪目标镀覆量所需的时间相当于气刀压力跟踪指示值所消耗的时间。那么，即使计算出相对于目标镀覆量的最佳气刀间隙和压力，也不会准确地反映实际气刀压力，因此出现降低镀覆量控制匹配性的结果。在实施例中，无需新增额外的压力控制设备的情况下，可以改善镀覆量控制匹配性，而且不需要额外的成本或管理。
虽然在上面详细描述了本发明的实施例，但是本发明的权利范围不限于此，利用权利要求书中定义的本发明的基本概念的各种变形和改进形式也落入本发明的权利范围。

Claims (7)

1.一种利用气刀的钢板的镀覆量控制装置，其特征在于，所述镀覆量控制装置包括：
气刀条件导出单元，用于导出相对于目标镀覆量的第一气刀间隙和最终气刀压力，并导出当前气刀压力下用于达到所述目标镀覆量的第二气刀间隙；以及
气刀压力响应补偿单元，用于根据基于所述第二气刀间隙与所述第一气刀间隙之差的间隙补偿量和控制周期内的气刀压力变动量的间隙补偿比例确定最终气刀间隙，
所述控制周期是更新相对于所述目标镀覆量的气刀条件的周期，
当所述控制周期为压力响应期间或更短时，所述气刀压力响应补偿单元基于所述控制周期内的所述气刀压力变动量算出所述间隙补偿比例，
当所述控制周期比所述压力响应期间更长时，所述气刀压力响应补偿单元将所述间隙补偿比例设定为零，
所述压力响应期间是所述当前气刀压力达到所述最终气刀压力的期间，
当所述控制周期为所述压力响应期间或更短时，
所述气刀压力响应补偿单元基于所述控制周期除以所述压力响应期间的值算出所述间隙补偿比例，
所述气刀压力响应补偿单元通过所述间隙补偿量乘以所述间隙补偿比例后将所述乘积与所述第一气刀间隙相加来算出第一最终气刀间隙，
所述气刀压力响应补偿单元通过所述间隙补偿量乘以所述间隙补偿比例后将所述乘积的量化结果与所述第一气刀间隙相加来算出第二最终气刀间隙，
所述最终气刀间隙是所述第一最终气刀间隙或所述第二最终气刀间隙。
2.根据权利要求1所述的镀覆量控制装置，其特征在于，
所述间隙补偿比例遵循以下数学公式，
间隙补偿比例＝1-Tc/2Tp，(Tp>＝Tc)
间隙补偿比例＝0，(Tp<Tc),
Tc为所述控制周期，Tp为所述压力响应期间。
3.根据权利要求1所述的镀覆量控制装置，其特征在于，
当一个控制周期内气刀压力变化率为预定的临界比例或更大时，
所述气刀压力响应补偿单元导出以当前气刀压力用于达到所述目标镀覆量的第三气刀间隙，并根据所述第三气刀间隙与所述第一气刀间隙之差的间隙补偿量和所述间隙补偿比例确定最终气刀间隙。
4.一种利用气刀的钢板的镀覆量控制方法，其特征在于，所述镀覆量控制方法包括：
镀覆量控制装置导出相对于目标镀覆量的第一气刀间隙和最终气刀压力的步骤；
所述镀覆量控制装置导出当前气刀压力下用于达到所述目标镀覆量的第二气刀间隙的步骤；
所述镀覆量控制装置算出所述第二气刀间隙与所述第一气刀间隙之差的间隙补偿量的步骤；
所述镀覆量控制装置算出基于控制周期内的气刀压力变动量的间隙补偿比例的步骤；
所述镀覆量控制装置基于所述间隙补偿量和所述间隙补偿比例确定最终气刀间隙的步骤，
所述控制周期是更新相对于所述目标镀覆量的气刀条件的周期，
所述算出间隙补偿比例的步骤包括：
当所述控制周期为压力响应期间或更短时，基于所述控制周期内的所述气刀压力变动量算出所述间隙补偿比例的步骤；以及
当所述控制周期比所述压力响应期间更长时，将所述间隙补偿比例设定为零的步骤，
所述压力响应期间是所述当前气刀压力达到所述最终气刀压力的期间，
所述控制周期为所述压力响应期间或更短时的算出所述间隙补偿比例的步骤包括：
基于所述控制周期除以所述压力响应期间的值算出所述间隙补偿比例的步骤，
所述最终气刀间隙是第一最终气刀间隙或第二最终气刀间隙，
所述确定最终气刀间隙的步骤包括：
通过所述间隙补偿量乘以所述间隙补偿比例后将所述乘积与所述第一气刀间隙相加来算出所述第一最终气刀间隙的步骤。
5.根据权利要求4所述的镀覆量控制方法，其特征在于，
所述间隙补偿比例遵循以下数学公式，
间隙补偿比例＝1-Tc/2Tp，(Tp>＝Tc)
间隙补偿比例＝0，(Tp<Tc),
Tc为所述控制周期，Tp为所述压力响应期间。
6.根据权利要求4所述的镀覆量控制方法，其特征在于，
所述确定最终气刀间隙的步骤进一步包括：
通过所述间隙补偿量乘以所述间隙补偿比例后将所述乘积的量化结果与所述第一气刀间隙相加来算出所述第二最终气刀间隙的步骤。
7.根据权利要求4所述的镀覆量控制方法，其特征在于，所述镀覆量控制方法还包括：
当一个控制周期内气刀压力变化率为预定的临界比例或更大时，导出以当前气刀压力用于达到所述目标镀覆量的第三气刀间隙的步骤；以及
根据所述第三气刀间隙与所述第一气刀间隙之差的间隙补偿量和所述间隙补偿比例确定最终气刀间隙的步骤。
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