【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 3 早期，對(duì)層流冷卻控制系統(tǒng)的技術(shù)改造主要集中在工藝設(shè)備的改進(jìn)方面。 九十年代以后，尤其是近幾年來(lái)， 國(guó)內(nèi)外對(duì)層流冷卻的研究主要包括兩個(gè)方面：一是通過(guò)對(duì)冷卻過(guò)程的研究建立精確的導(dǎo)熱數(shù)學(xué)模型；二是針對(duì)層流冷卻控冷過(guò)程的特點(diǎn)對(duì)控制策略進(jìn)行研究。具體內(nèi)容如下： （ 1）數(shù)學(xué)模型的研究。以往的層流冷卻溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型往往是實(shí)際冷卻過(guò)程的簡(jiǎn)化形式，這樣可大大減少計(jì)算時(shí)間，容易實(shí)現(xiàn)，但同時(shí)可能對(duì)冷卻效果帶來(lái)不利的影響。例如： 應(yīng)用于攀鋼的意大利 ANSALDO INDUSTRIA公司開(kāi)發(fā)的數(shù)學(xué)模型比較簡(jiǎn)單，但對(duì)流換熱系數(shù)的確定不夠精確 [5]； 應(yīng)用于鞍鋼熱軋廠、本鋼 1700熱軋廠的由德國(guó) SIMENS公司開(kāi)發(fā)的數(shù)學(xué)模型沒(méi)有考慮帶鋼與環(huán)境的熱輻射，也沒(méi)有考慮水溫、帶鋼運(yùn)行速度、終軋溫度對(duì)模型參數(shù)的影響，而且模型中的時(shí)間常數(shù)描述的是帶鋼表面溫度，對(duì)厚規(guī)格帶鋼的控制效果不理想，模型精度受到了限制 [6]；應(yīng)用于寶鋼 1580mm熱軋廠的由日本三菱電器開(kāi)發(fā)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)各種對(duì)流換熱因素考慮的較為全面，是一種較先進(jìn)的層流冷卻控制模型，但還需要對(duì)許多參數(shù)進(jìn)行回歸，按照厚度層別等 做出一系列控制表 [7]。 （ 2）控制策略的研究。根據(jù)層流冷卻控制的工藝特點(diǎn)，目前控冷的方式基本采用預(yù)設(shè)定計(jì)算、前饋控制、反饋控制和模型參數(shù)自適應(yīng)等幾個(gè)策略，并且采用動(dòng)態(tài)控制的方法，將帶鋼在延長(zhǎng)度方向上進(jìn)行分段（稱作帶鋼段），同時(shí)將冷卻輥道劃分為若干冷卻段，每個(gè)冷卻段由若干冷卻閥組成，然后動(dòng)態(tài)跟蹤每一個(gè)帶鋼段，即確定帶鋼段到達(dá)某個(gè)冷卻段的時(shí)刻以及經(jīng)過(guò)的時(shí)間，以便在前饋和反饋時(shí)確定應(yīng)調(diào)節(jié)的水閥數(shù)目。當(dāng)帶鋼和冷卻輥道分段越細(xì)，帶鋼長(zhǎng)度方向上的冷卻控制越均勻，控制精度越高，但控制也將越復(fù)雜。 隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的迅猛發(fā) 展，帶鋼熱連軋技術(shù)已經(jīng)成為多學(xué)科結(jié)合的應(yīng)用技術(shù)。尤其是近幾年，由 SMS公司設(shè)計(jì)制造的緊湊型熱帶生產(chǎn)線（ CSP）被國(guó)內(nèi)大量引進(jìn)。國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)紛紛與高校和知名冶金科研機(jī)構(gòu)合作，消化引進(jìn)技術(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以提高控制精度。例如：唐山鋼鐵公司從理論和工藝的角度分析了控冷過(guò)程中換層別后自適應(yīng)能力差、尾部溫差大以及低目標(biāo)卷取溫度精度低等問(wèn)題產(chǎn)生的原因，提出了虛擬檢測(cè)水溫、反推速減點(diǎn)、細(xì)化層別等對(duì)應(yīng)的優(yōu)化策略。 另外，智能控制理論的發(fā)展，為描述與控制不確定、非線性的復(fù)雜過(guò)程提供了理論基礎(chǔ)，也使得智能控制在層流冷卻中得到了 越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。其中，北京科技大學(xué)高效軋制國(guó)家工程研究中心提出的遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，將遺傳算法的能夠收斂到全局最優(yōu)解和魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來(lái)，并運(yùn)用實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試，離線實(shí)現(xiàn)了卷取溫度高精度的實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)，并得到了在線應(yīng)用。 章節(jié)安排 本課題以北京科技大學(xué)高效軋制國(guó)家工程研究中心承接的國(guó)內(nèi)某大型鋼鐵集團(tuán)的帶鋼熱連軋生產(chǎn)線二級(jí)系統(tǒng)改造項(xiàng)目為背景，介紹了層流冷卻技術(shù)的研究安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 4 現(xiàn)狀，分析了層流冷卻系統(tǒng)設(shè)備布置和控制結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)研究了層流冷卻系統(tǒng)中所用到的控制模型和控制策略。并根據(jù)這些理論，繪制 了層流冷卻的控制畫(huà)面。實(shí)踐證明這些控制策略和控制模型是有效的、實(shí)用的。 第一章主要介紹了本文的研究背景和意義，對(duì)比了幾種冷卻方式，并從 數(shù)學(xué)模型 和 控制策略方面 對(duì)層流冷卻系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了概述。 第二章給出了層流冷卻系統(tǒng)的設(shè)備布置圖 和實(shí)物圖 ，對(duì)層流冷卻系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)以及各個(gè)結(jié)構(gòu)之間的相互協(xié)調(diào)關(guān)系進(jìn)行了介紹。 第三章對(duì)層流冷卻系統(tǒng)的控制模型進(jìn)行了研究，控制模型主要包括溫降模型、卷取溫度預(yù)報(bào)模型、預(yù)設(shè)定模型、前饋控制模型、反饋控制模型和自學(xué)習(xí)模型以及數(shù)據(jù)庫(kù)模型。著重分析了改進(jìn)后的卷取溫度預(yù)報(bào)模型。 第四章對(duì)層流冷 卻系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行了研究，控制策略主要包括冷卻策略、帶鋼分段控制、冷卻區(qū)分段控制、冷卻速度控制、側(cè)噴和吹掃控制和上下集管水比配置。 第五章給出改進(jìn)的控制模型取得的實(shí)驗(yàn)效果，并展示了設(shè)計(jì)和繪制的 HMI畫(huà)面。 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 5 1現(xiàn)場(chǎng) I/O 柜 2現(xiàn)場(chǎng) I/O 柜 軋制方向 高溫計(jì)T1 側(cè)噴 高溫計(jì)T2 側(cè)噴 粗調(diào)第 1 組 手動(dòng)閥 精調(diào)第 6 組 氣動(dòng)閥 F7 14090mm 59400mm 操作臺(tái)及 HMI 流量計(jì) 卷取機(jī) 冷卻水分配裝置 2 層流冷卻系統(tǒng)簡(jiǎn)介 層流冷卻系統(tǒng)設(shè)備布置 本文中的 帶鋼熱連軋生產(chǎn)線的層流冷卻系統(tǒng)由上、下冷卻系統(tǒng)和側(cè)噴吹掃 系統(tǒng)三部分組成。上部和下部冷卻系統(tǒng)各分成 60個(gè)冷卻控制段，每 4個(gè)控制段為一組， 一共 15組， 前 9組用于粗調(diào)，后 6組用于精調(diào)。每個(gè)冷卻控制段 由一個(gè)閥 門(mén) 進(jìn)行冷卻水的開(kāi)關(guān)控制。上部的每個(gè)控制段有兩根常規(guī) U 型層流集管，每根集管上設(shè)有多個(gè)鵝頸噴水管；下部的每個(gè)控制段有 4根帶一定噴射角的直噴集管，每根集管上有 11或 12個(gè)噴嘴。也就是說(shuō)，上部冷卻系統(tǒng)由 120根集管構(gòu)成，下部冷卻系統(tǒng)由 240根集管構(gòu)成。側(cè)噴吹掃 系統(tǒng)分布在輸出輥道的兩側(cè)，而且交叉分布，共有 9個(gè)側(cè)噴嘴，其中有 2個(gè)為高壓氣噴，以吹散霧氣，防止對(duì)軋線控制儀表的干擾。 層流冷卻的長(zhǎng)度約為 60m，冷卻寬度為 1700mm。系統(tǒng)同時(shí)配置了多種調(diào)節(jié)閥門(mén)和檢測(cè)儀表 ,包括手動(dòng)調(diào)節(jié)閥、氣動(dòng)截止閥、電磁流量計(jì)、熱金 屬檢測(cè)器、激光檢測(cè)器、高溫計(jì)、水溫計(jì)、壓力計(jì)、液位計(jì)等 ,用于系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)、帶鋼跟蹤及自動(dòng)控制。層流冷卻系統(tǒng)設(shè)備布置 原理圖 如圖 21所示 ，設(shè)備布置的實(shí)物圖 如圖 22所示： 圖 21 層流冷卻系統(tǒng)設(shè)備布置 原理圖 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 6 圖 22 層流冷卻系統(tǒng)設(shè)備布置 實(shí)物圖 層流冷卻系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 層流冷卻系統(tǒng)由機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。機(jī)械系統(tǒng)包括供水系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)、水量分配系統(tǒng)、層流系統(tǒng)、側(cè)噴和前后吹掃系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)包括過(guò)程自動(dòng)化控制 L2級(jí)、基礎(chǔ)自動(dòng)化控制 L1級(jí)。 層流冷卻的策略和控制模型屬于過(guò)程自動(dòng)化控制 L2級(jí)的范疇。 在控制過(guò)程中，過(guò)程自動(dòng)化控制 L2級(jí)對(duì)整個(gè)冷卻過(guò)程進(jìn)行跟蹤、控制、參數(shù)計(jì)算和設(shè)定。其中設(shè)定過(guò)程，主要根據(jù) PDI的目標(biāo)參數(shù)、終軋參數(shù)、HMI參數(shù)和設(shè)備參數(shù)為層冷區(qū)的各種生產(chǎn)設(shè)備提供設(shè)定值或設(shè)定方式，并以工藝規(guī)定的時(shí)序?qū)⒃O(shè)定結(jié)果傳送給基礎(chǔ)自動(dòng)化控制 L1級(jí)。 L1級(jí)根據(jù) L2級(jí)的設(shè)定值和帶鋼跟蹤信息進(jìn)行集管開(kāi)閉操作，并為 L2級(jí) 提供測(cè)量信號(hào)。 當(dāng)?shù)谝慌_(tái)精軋機(jī) F1咬鋼時(shí)， L1級(jí)給 L2級(jí)發(fā)送事件信號(hào)，啟動(dòng)層流冷卻控制系統(tǒng)的 L2級(jí)作預(yù)設(shè)定， L2級(jí)預(yù)設(shè)定完成后，將設(shè)定結(jié)果下達(dá)給 L1級(jí)， L1級(jí)進(jìn)行帶鋼的頭部跟蹤。當(dāng)判斷帶 鋼進(jìn)入層流冷卻區(qū)時(shí)，考慮閥門(mén)的開(kāi)啟延時(shí)，提前打開(kāi)閥門(mén)，在整個(gè)帶鋼的頭部通過(guò)層冷區(qū)時(shí)，會(huì)依次按照預(yù)設(shè)定的結(jié)果開(kāi)閥。同時(shí)，L2級(jí)啟動(dòng)動(dòng)態(tài)修正，修正由于終軋速度、終軋溫度和終軋厚度對(duì)開(kāi)閥數(shù)的影響，動(dòng)態(tài)修正計(jì)算是控制系統(tǒng)的前饋控制；當(dāng)有帶鋼段出層流區(qū)的高溫計(jì)時(shí)， L2級(jí)會(huì)進(jìn)行帶鋼段之間的自適應(yīng)，對(duì)模型計(jì)算進(jìn)行修正，帶鋼段之間的自適應(yīng)是控制系統(tǒng)的反饋控制。當(dāng) L1級(jí)的尾部跟蹤程序跟蹤到帶鋼的尾部進(jìn)入層冷區(qū)時(shí)，會(huì)依次關(guān)閉閥門(mén)；當(dāng)尾部離開(kāi)層流區(qū)時(shí)， L2級(jí)啟動(dòng)帶鋼之間的自學(xué)習(xí)。 這樣，整個(gè)層流冷卻系統(tǒng)就形成了一個(gè)前饋控制和閉環(huán) 控制相結(jié)合的控制系統(tǒng)，從而保證了控制系統(tǒng)的精度。層流冷卻的控制結(jié)構(gòu) 圖 如圖 23所示，基礎(chǔ)自動(dòng)化 L1級(jí)控制器圖如圖 24，過(guò)程自動(dòng)化 L2級(jí)服務(wù)器圖如圖 25所示： 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 7 圖 23 層流冷卻的控制結(jié)構(gòu) 圖 圖 24 基礎(chǔ)自動(dòng)化控制 L1級(jí)控制器圖 閥門(mén)開(kāi)閉延時(shí)處理 測(cè)量值處理 帶鋼 段跟蹤 動(dòng)態(tài)設(shè)定 頭尾跟蹤 預(yù)設(shè)定 冷卻模型 FT h Qw、 Tw 精軋?jiān)O(shè)定數(shù)據(jù) PDI、工藝參數(shù) 自適應(yīng) 測(cè)量值處 理 帶鋼 段跟蹤 Qw、 Tw CT 閉環(huán)控制 前饋控制 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 8 圖 25 過(guò)程自動(dòng)化控制 L2級(jí)服務(wù)器圖 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 9 本章小結(jié) 本章 首先 介紹了 層流冷卻 系統(tǒng)的設(shè)備布置 ， 并給出了設(shè)備布置 的原理 圖 和實(shí)物圖 ；然后對(duì)層流冷卻系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)以及各個(gè)結(jié)構(gòu)之間的相互協(xié)調(diào)關(guān)系進(jìn)行了描述 ，并給出了層流冷卻控制結(jié)構(gòu)圖、基礎(chǔ)自動(dòng)化控制 L1級(jí)控制器圖和過(guò)程自動(dòng)化控制級(jí) L2服務(wù)器圖。通過(guò)本章的介紹和描述，對(duì)層流冷卻系統(tǒng)有了整體上的認(rèn)識(shí)。 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 10 3 層流冷卻的控制模型 層流冷卻系統(tǒng)控制模型 主要包括溫降模型、卷取溫度預(yù)報(bào)模型、預(yù)設(shè)定模型、前饋控制模型、反饋控制模型、自學(xué)習(xí)模型和數(shù)據(jù)庫(kù)模型。 溫降模型 從帶鋼離開(kāi)精軋末機(jī)架到達(dá)卷取測(cè)溫計(jì) CT，帶鋼依次處于空冷區(qū)、水 冷區(qū)和空冷區(qū) 。 層流冷卻溫降模型的計(jì)算精度直接影響到卷取溫度的控制精度，主要包括空冷區(qū) 溫降模型和水冷區(qū)溫降模型。 空冷區(qū)溫降模型 在空冷區(qū)， 高溫輻射熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)空氣對(duì)流熱量， 帶鋼主要以輻射的形式散熱， 因此，可以只考慮輻射熱量損失，而把其他影響都包括在根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定的輻射系數(shù) ε 中。 另外，空冷區(qū)的長(zhǎng)度一般都較短，在整個(gè)過(guò)程中可以用同一個(gè)溫度 T 來(lái)計(jì)算。 空冷區(qū) 的 輻射 溫降 ΔTf 可以按下列公式計(jì)算 ： 42 27 3()100f TT Ch?? ?? ?? ? ? ? () 式中 ΔTf — 空冷區(qū)溫降， ℃ ； Δτ — 軋件移動(dòng)時(shí)的溫 降時(shí)間， Δτ = ΔL/v， s； ΔL — 軋件移動(dòng)的距離， m； v — 軋件移動(dòng)的速度， m/s； ε — 軋件的熱輻射系數(shù)； δ — 斯蒂芬 玻爾茲曼常數(shù)， 108W/() ； C — 比熱容， J/( )； γ — 密度， kg/m3； h — 軋件的厚度， m； 水冷區(qū)溫降模型 帶鋼的層流冷卻屬于低壓噴水冷卻，帶鋼通過(guò)層流水時(shí)的換熱是一種強(qiáng)迫對(duì)流形式，主要是以對(duì)流的形式散熱。水冷區(qū)的對(duì)流溫降 ΔTd 可以按下列公式計(jì)算： 00 2[ ( ) e xp ( ) ]d W W LT T T T T C ???? ? ? ? ? () 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 11 式中 ΔTd — 層流冷卻溫降， ℃ ； To — 帶鋼進(jìn)入水冷區(qū)的溫度， ℃ ； TW — 層流冷卻水的溫度 ， ℃ ； α — 對(duì)流換熱系數(shù)； L — 水冷段長(zhǎng)度， m； C — 比熱容， J/( )； γ — 密度， kg/m3； 上述計(jì)算中的關(guān)鍵參數(shù) 是對(duì)流換熱系數(shù) α 值。它與冷卻水的溫度、水量、帶鋼的溫度、帶鋼的運(yùn)行速度、帶鋼的尺寸等一系列因 素有關(guān) [8]。為了使理論計(jì)算更接近于生產(chǎn)實(shí)際，必須對(duì)輸出輥道上的冷卻情況進(jìn)行大量的統(tǒng)計(jì)，以便確定對(duì)流換熱系數(shù) α 的變化規(guī)律。 因此對(duì)流換 熱系數(shù)一般是理論公式和實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)相結(jié) 合的綜合統(tǒng)計(jì)模型。一般采用下列 回歸公式計(jì)算： 201aa a Q T? ?? () 式中 T — 帶鋼表面溫度， ℃ ； Q — 水流密度； a0、 a a2 — 回歸系數(shù)。 卷取溫度預(yù)報(bào)模型 在層流冷卻系 統(tǒng)數(shù)學(xué)模型中，卷取溫度預(yù)報(bào)模型是基礎(chǔ)模型，也是其他控制模型的關(guān)鍵與核心，其精度直接關(guān)系到整個(gè)冷卻控制系統(tǒng)的溫度控制效果及產(chǎn)品性能 。 傳統(tǒng)卷取溫度預(yù)報(bào)模型 傳統(tǒng)卷取溫度預(yù)報(bào)模型根據(jù)熱傳導(dǎo)的原理，在得到精軋傳送過(guò)來(lái)的帶鋼基本參數(shù) （材質(zhì)、厚度、溫度、速度和目標(biāo)卷取溫度等）和軋制基本參數(shù)后，利用溫降模型及集管開(kāi)啟組合狀態(tài)，進(jìn)行卷取溫度預(yù)測(cè)。帶鋼表面