钢板冷却控制模拟系统及方法

专利名称：：钢板冷却控制模拟系统及方法
技术领域：
：本发明属于轧后钢板冷却过程仿真及自动控制
技术领域：
，具体地说，涉及钢板冷却控制模拟系统及方法。
背景技术：
：轧后高温钢板的在线加速冷却过程，已经广泛应用于高强度、高韧性、可焊接性良好厚板生产过程。钢板的控制冷却是通过对钢板组织的控制，大大降低合金的投入，节省后处理工序，从而达到节省成本、提高经济效益的目的。随着控轧控冷(TMCP)技术的发展，对冷却控制值设定的速度要求越来越高，物理-数学模型计算的速度是否满足要求、交叉轧制冷却的启动点调整到何处合适、以及新的学习算法是否起到优化的效果等等，都是对现有系统进行改进或调整过程中必须解决的问题。但是，上述任何一项的改进都需要对上、下位机系统有全面的掌握、对接口有充分了解，大的工艺改进还将涉及到系统结构的变化，这些都会给产线的调试带来风险，甚至可能带来一定的损失。虽然目前也有许多层流冷却仿真的论文发表，但基本都是基于具体算法或某一个过程的研究，仿真软件包没有传感器与控制器等信号的交换，都是在许多假设前提下得到的仿真结果，只能在一定程度上进行算法评价，很难实现通用控制技术的工程化研究。
发明内容本发明要解决的技术问题是提供一种钢板冷却控制模拟系统及方法，能够方便地模拟出轧后钢板冷却过程。为了达到上述目的，本发明的技术方案如下一种钢板冷却控制模拟系统，包括通过数据总线连接的过程控制装置和冷却设备模拟装置；所述冷却设备模拟装置包括传动装置，其上固定有一钢条；模拟温度测量的巡检显示仪；电动电位器，接收来自过程控制装置的接通信号后转动，并将电动电位器的位置信息传送到过程控制装置；光电开关和位置指示灯，所述光电开关设在钢条的运行路径上；过程控制装置接收来自光电开关测到的钢条位置信息，并发送控制信号给位置指示灯。所述过程控制装置包括PLC;监控模块和过程控制模块，与PLC通过网络连接；工控机，具有模数转换端和数模转换端，其中的模数转换端连接巡检显示仪，数模转换端连接光电开关。所述冷却设备模拟装置包括模拟上、下冷却水区域的排灯；上、下冷却水打开的组数和位置信号通过PLC传送到排灯指定的位置上，灯的亮/灭状态传送到PLC。所述上冷却水区域的排灯和下冷却水区域的排灯分别是并联的19组方灯。每组方灯的个数为2个或者3个。所述冷却设备模拟装置包括侧喷状态指示灯，过程控制模块通过PLC将灯的亮/灭信号传送给侧喷状态指示灯。所述冷却设备模拟装置包括模拟上下流量开关阀的开关，该开关信号通过PLC传送到过程控制模块。所述传动装置包括变频电机和由该电机带动的皮带轮，所述变频电机与PLC相连。相应地，一种钢板冷却控制模拟方法，包括如下步骤过程控制模块将优化设定计算的控制量通过TCP/IP网络下发到PLC的数据接收模块；PLC的数据收集模块将控制信号和实测数据通过TCP/IP网络上传给过程控制模块;PLC通过与冷却设备模拟装置的开关信号、模拟钢板运动的变频电机、位置检测仪表及电动调节开关、模拟温度测量仪表的连接，对模拟冷却钢板的位置进行跟踪；PLC根据钢板位置信号启动优化设定模型的计算功能，接收过程控制模块的设定控制量，完成为模拟流量设备、开关、模拟边部遮蔽的设定调节，并根据实际调节阀的响应时间，设计模拟调节时间，模拟实际设备响应状态，从而确定最佳控制点位置；PID控制器对模拟流量调节阀和变频电机速度实现闭环控制;PLC通过接收工控机计算得到的虚拟钢板的在到达模拟冷却线不同位置的温度，上传给过程控制模块，过程控制模块完成设定控制量的重新优化后再次发送给PLC，PLC实现在线的优化控制。PLC将过程控制模块设定的速度信号传送给变频电机，变频电机驱动皮带轮带动钢条运动。当钢条头部运动到光电开关检测点处，光电开关将钢条位置信息传送给PLC,PLC根据钢条位置信息控制位置指示灯的亮、灭。工控机利用热传导方程通过二维有限元计算钢板各点的温度值，以500ms为周期通过D/A卡传送到巡检显示仪表上，巡检显示仪表的温度值定周期地传送到PLC，作为冷却区入口和出口的温度实测数据。PLC设定电动电位器的转动速度，按照过程控制模块提供的优化设定流量给定电动电位转动时间，PLC将转动速度和通电线路的接通信号下发给电动电位器，电动电位器接通，按给定转速转动到设定位置，当接收电压为O的信号则停止转动。设定并联的19组方灯，PLC将控制要求的上、下冷却水打开的组数和位置通过PLC将信号传送到排灯指定的位置上，灯亮为该组冷却打开，灯灭为该组冷却关闭，同时PLC将此时灯的状态采集进行控制水量的确认。采用本发明的上述模拟系统及方法，为轧后钢板加速冷却过程，提供上位机模型过程控制、下位机基础自动化PLC控制，直到钢板加速冷却装置及控制仪表的整个控制系统设计方法，为控制系统的改进和完善过程，提供一种检测冷却控制系统结构、冷却控制系统功能、钢板位置跟踪状态、控制模型性能、控制方法、学习算法等是否合理的模拟评价的中试试验装置。该装置和方法为系统测试、学习算法调试及闭环回路控制等提供了良好的模拟环境，节省了在线调试时间和生产调试的费用，大大降低了上线风险。使用该模拟系统及方法可以取得的有益效果如下-*可以根据不同的工艺要求，提供冷却生产线的设计方案；*由于本装置三级分层清晰，可以很好地对该装置内的控制变量实现闭环控制；*可以对优化模型进行调整，并且可以对自适应或自学习算法的效果进行模拟评估；采用本发明的装置及方法，可以实现钢板加速冷却过程的自动优化设定控制，从而为更好地满足冷却钢板的机械性能，提供最佳的控制策略；*采用本装置及方法，可以对厚钢板心部与表面温度梯度进行有效模拟。图1是本发明的钢板冷却控制模拟系统的结构示意图；图2是本发明的钢板冷却控制模拟系统中各部分的通讯示意图；图3是钢板冷却控制模拟系统中对钢板运行和钢板位置检测进行模拟所采用的装置的结构示意图；图4是本发明的钢板冷却控制模拟方法的流程图；图5是本发明的钢板冷却控制模拟系统中的冷却设备模拟装置的示意图；图6是模拟的钢板长度方向冷却入口和出口的温度变化图；图7是动态控制的电机的速度曲线图。具体实施方式下面根据图1至图7，给出本发明一个较好实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。图1是本发明的钢板冷却控制模拟系统的结构示意图。如图所示，本发明的钢板冷却控制模拟系统包括通过数据总线连接的过程控制装置和冷却设备模拟装置。冷却设备模拟装置包括温度测量点模拟部分、上下流量调节阀模拟部分、边部遮蔽的行程调节模拟部分、侧喷阀打开显示部分、热金属探测点模拟部分、上下流量开关阀模拟部分、模拟温度测量的巡检显示仪、上下冷却水区域模拟部分和辊道上运行的钢板模拟部分。程控制装置包括PLC，监控模块WINCC、过程控制模块，以及工控机。过程控制模块由完成冷却过程预设定功能的预计算模块、在冷却过程中进行优化求解的在线计算模块，以及实现自学习功能的后计算模块构成。其中预计算模块由物理计算装置和控制计算装置构成，其中物理计算装置完成热物性和传热学相关计算，以钢板的原始参数(例如金属板材料数据)和精轧机组出口的实测值(例如钢板传输速度，精轧机组出口点金属板表面温度和轧后规格等)，以及工艺要求冷却目标参数作为装置输入值。控制计算装置采用神经网络原理对物理计算装置的输出进行处理，结合冷却控制段冷却装置的参数和控制方面的限定条件，得到最终的预计算结果，包括预设定水量、阀门模式、金属板基准运行速度、遮蔽设定等；在线计算模块是由实测数据处理装置、在线控制装置和自适应装置构成的，通过对钢板运行状况的实时跟踪和对收集的实测数据的运算处理，对预计算模块预设定结果进行在线的优化求解，实现钢板冷却过程模拟的实时控制；后计算模块进行钢板冷却过程数据的收集、处理、统计工作，并最终对其进行归档。同时自学习装置启动，自学习装置通过检查当前钢板类别对应的自适应系数集决定自学习策略，如果对当前金属板类别，物理模型计算结果误差比较大，则通过启动自学习模型，求解得到钢板类别相关的物理模型自学习系数。针对预计算装置中的功能，用户不仅可以选择，还可以为每个模块配置不同算法。由于完全采用面向对象的模块化编程方式，用户可以自定义算法也可以选择模型库中已有的算法模块进行仿真验证，增加了设计、策划的可扩展性。钢板冷却控制模拟系统中各部分的通讯连接方式如图2所示，监控模块WINCC和过程控制模块通过TCP/IP网络与PLC连接，PLC通过总线Profibus与远程I/O端口相连，凭借远程I/O端口与冷却设备模拟装置相连。冷却设备模拟装置如图5所示，包括有巡检显示仪7a、7b、7c，电动电位器2，电动电位器3，指示灯4，模拟热金属探测点用的光电开关5和位置指示灯5'，模拟上下流量开关阀的开关6，模拟上下冷却水区域的排灯8以及驱动代表钢板的钢条9运行的传动装置。模拟温度测量点的实测温度用巡检显示仪7a、7b、7c显示。它是由工控机利用热传导方程通过二维有限元计算钢板各点的温度值，以500ms为周期通过D/A卡传送到巡检显示仪7a、7b、7c上，巡检显示的温度值定周期地传送到PLC的AI端子，作为冷却区入口和出口的温度实测数据。模拟上下流量调节阀的电动电位器2。它是通过PLC设定电动电位器2的转动速度，按照过程控制模块提供的优化设定流量给定电动电位器2的转动时间，PLC将转动速度和通电线路的接通信号通过AO端口一起下发给电动电位器2，电动电位器2接通，按给定转速转动到设定位置后，若接收电压为0的信号则停止转动。PLC的再通过AI端口将电动电位器2位置实际值采集进来，以便达到闭环控制，满足流量设定值。模拟边部遮蔽的行程调节也是采用电动电位器3，过程同上。侧喷阀打开显示用指示灯4模拟。当过程控制模块设定侧喷打开或关上时，PLC通过DO端口将此信号传送给指示灯4，灯亮代表侧喷打开，灯灭代表侧喷关闭。模拟热金属探测点用的光电开关5和位指置示灯5'。面板后有光电开关检测钢板运动的位置，并且这个光电开关的输出点接到PLC的输入点上，PLC将其状态通过PLC的输出点直接控制面板上位置灯5'的亮灭来检测钢板运动的实际位置，进行位置跟踪。可以设定为钢板到某位置时相应位置的灯就亮，离开此位置时相应位置的灯就灭。模拟上下流量开关阀的开关6。将开关6接通代表该组冷却喷头工作正常，否则不正常，并将开关6的信号通过PLC的DI端口传送到PLC，再反馈到过程控制模块，以便在模型优化设定时考虑去除故障组喷头。模拟上下冷却水区域的排灯8。上、下冷却水区域分别用19组3个、2个方灯并联来模拟，PLC将控制要求的上、下冷却水打开的组数和位置通过PLC的DO端口将信号传送到排灯8指定的位置上，灯亮为该组冷却打开，灯灭为该组冷却关闭，同时PLC的DI端口将此时灯的状态采集进行控制水量的确认。参阅图4，模拟辊道上运行的钢板，用一变频电机驱动传动轮带动皮带运动，皮带上固定一钢条9，钢条9是在箱表面的中缝中运动，箱体面板后装有变频电机带动皮带，当变频电机转动，皮带上钢条9由模拟的轧机位置，以设定的速度运动，同时变频电机速度可以不断改变，也可以反转，使钢条9重新回到轧机出口的初始点，变频电机的转速直接与PLC的模拟AI/AO端口相接，以便实现动态调节。参阅图3，过程控制装置将优化设定计算的控制量通过TCP/IP网络下发到PLC的数据接收模块，PLC的数据收集模块将控制信号和实测数据通过TCP/IP网络上传给过程控制装置的数据处理模块；同时PLC的I/O与冷却模拟装置的开关信号、模拟钢板运动的变频电机，位置检测仪表及电动调节开关，模拟温度测量仪表的直接连接，实现模拟钢板的冷却效果，可以实现对模拟冷却钢板的位置跟踪。基础自动化装置中根据跟踪信号启动优化设定模型的计算功能，接收过程控制装置的设定控制量，完成为模拟流量设备、开关、模拟边部遮蔽的设定调节，并根据实际调节阀的响应时间，在可编程控制器中设计模拟调节时间，模拟实际设备响应状态，从而确定最佳控制点位置，利用PID控制器对模拟流量调节阀和电机速度实现闭环控制，模拟柜上对冷却水的控制和故障阀门状态可以手动将开关设置在关闭状态实现冷却集管故障状态的模拟，PLC通过接收工控机计算得到的虚拟钢板的在到达模拟柜冷却线不同位置的温度，上传给过程控制装置，过程控制装置完成设定控制量的重新优化后再次发送给PLC，PLC实现在线的优化控制功能。当启动开关按下后，PLC接收过程控制装置传送下来的优化控制设定，按照设定要求速度，马达带动钢条9运动，当钢条9头部运动到光电开关5检测点处，光电开关5被遮挡，信号由0—1，PLC的DI端得到此信号并转给PLC的D0端口控制指示灯5'亮，当钢条9尾部离开光电开关5检测点处，光电开关5不再被遮挡，信号由1—0，PLC的DI端得到此信号并转给PLC的DO端控制指示灯5'灭，随着钢条9的运动，指示灯5'依次亮、灭，在模拟箱面板上得到模拟钢板位置跟踪的显示；当钢条9运动到A时，得到工控机计算的钢板温度模拟值，并按照设定要求的流量、冷却水打开的组数、位置、侧喷打开的组数，遮蔽的宽度等对DO、AO端进行调节和设定，流量、遮蔽使电动电位器按照PLC设定的速度和转动的周期转动，哪组冷却水打开，哪个侧喷打开将通过模拟箱面板相应的指示灯亮来显示，同时，这些实际的模拟量(电动电位器的实际位置)和开关量(指示灯的亮灭)信号又通过AI、DI端传送到PLC，实现实测信号的收集，完成PLC的反馈控制；当钢板运动到B时，再次收到工控机按照实际给定流量和打开冷却水组数计算的钢板温度模拟值，PLC将数据收集传送给过程控制装置使其完成模型的自适应和自学习功能。本发明利用冷却设备模拟装置对整个冷却生产线进行不定比例的縮小，描述了检测仪表和执行机构的输入输出特性。利用变频电机带动皮带转动来模拟钢板在冷却辊道上的运动过程，利用电动电位器模拟整个冷却水量的调节过程和响应时间，利用接近开关代替现场的光栅和热金属探测器，在工控机上对主要完成相关的传热学计算、热物性计算和微观组织计算，将冷却温降计算结果通过工控机上的A/D、D/A转换卡实现钢板温度的实时显示，并可对干扰信号、故障状态进行现实模拟，通过回路控制方法研究得到最佳控制效果。相对于现有的冷却仿真算法，本发明具有以下特点1)针对钢板冷却过程，提出由虚拟对象平台、仪表与执行机构的物理装置平台、回路控制平台、优化设定控制平台(包括过程监控)在内几个子平台组成的控制系统实验平台。架构了由对象、设备、检测仪表、回路控制层和优化设定层组成的优化控制系统结构。各个子平台不仅可以协同工作，完成系统设计，也可以独立工作，进行各自的建模、优化算法的研究。2)—个实际使用的加速控制冷却方案，都是对单一控制冷却段的控制方案进行求解，这样的方案无法对具有复杂工艺要求(如，双相钢或三相钢的生产工艺要求)的材料进行冷却控制和冷却线调整设计。本专利可以对任何生产线，多个冷却段、不同的冷却设备(强冷、弱冷等)提出的控制冷却指标进行模拟试验，找到适合本产品生产大纲和生产能力要求的冷却线节能设计方案，可以很好地解决具有复杂工艺要求材料的冷却控制问题。3)现有的加速控制冷却方案中，设备、仪表及冷却装置本身都非常复杂、昂贵，本专利提出的冷却控制系统模拟装置是对整个冷却过程的简化模拟基础自动化PLC只保留必要的与主要关键技术相关的模块，自行设计的物理模拟柜对整个冷却线(包括跟踪、流量调节，辊道运行等)进行模拟，其中仪表的量程，装置的物理尺寸可以对l)设计的任意一冷却生产线进行控制系统的设计与调试。4)在现有的加速冷却控制方案中，钢板的冷却温降过程受控于冷却装置本身，本专利提供的钢板温降对象模拟平台，是在3)的基础上，建立供工程需要的不同对象模型(用热焓或潜热建立的利用有限元和差分等方法的模型库)，对钢板冷却温度进行分段计算，在模拟装置提供的位置跟踪点处，将温度计算结果实时显示在温度显示表上，正如上述2)、3)部分所述，因为该设备模拟装置可对其冷却装置的能力按照工艺要求进行设计，计算的结果(即钢板温度的变化)就会随之改变，因此避免了装置的限制。5)在现有的仿真方案中，大都采用全数字的仿真。本方案提出的模拟装置，不仅可以对过程优化控制级进行结构设计和优化方法调整，而且可以对基础自动化PLC级的控制回路进行直接设计和调整，在在线应用时不必要再做二次开发，节省了调试时间，同时避免了调试风险。6)本发明的优化控制平台完全按工程要求设计，充分考虑了跨平台设计，接口软件针对多PLC设计，有利于各子功能的应用或层级的应用。实例当给定钢板厚度25.35mm，宽度3857mm，长度21559mm，轧机出口温度793士5t:，冷却目标温度53(TC，冷却速率20K/S，钢种给定，过程控制装置设定的控制量和电动电位器反馈的实际流量如下<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>PLC接收过程控制装置的设定值后，按下启动按钮，电机按照500ms周期刷新速度(设定速度-12mm/s)，电机带动皮带转动,使装在皮带上的钢条开始运动。当模拟钢板头部运动到第一个光电开关位置时，模拟流量调节的电动电位器和模拟遮蔽的电动电位器开始动作，达到流量和边部遮蔽设定要求的位置。当模拟钢板头部运行到冷却排灯前的光电开关位置时，模拟冷却阀门状态的排灯，按照优化设定要求依次打开，同时打开要求打开的侧喷灯。钢板运动时，光电开关状态所输出的指示灯发生相应的变化，从图6、7可以看出，冷却温降计算模型的温度也随之相应变化，电机速度也是动态调整的。以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。权利要求1.一种钢板冷却控制模拟系统，其特征在于，包括通过数据总线连接的过程控制装置和冷却设备模拟装置；所述冷却设备模拟装置包括传动装置，其上固定有一钢条；模拟温度测量的巡检显示仪；电动电位器，接收来自过程控制装置的接通信号后转动，并将电动电位器的位置信息传送到过程控制装置；光电开关和位置指示灯，所述光电开关设在钢条的运行路径上；过程控制装置接收来自光电开关测到的钢条位置信息，并发送控制信号给位置指示灯。2、根据权利要求1所述的钢板冷却控制模拟系统，其特征在于，所述过程控制装置包括PLC;监控模块和过程控制模块，与PLC通过网络连接；工控机，具有模数转换端和数模转换端，其中的模数转换端连接巡检显示仪，数模转换端连接光电开关。3、根据权利要求2所述的钢板冷却控制模拟系统，其特征在于，所述冷却设备模拟装置包括模拟上、下冷却水区域的排灯；上、下冷却水打开的组数和位置信号通过PLC传送到排灯指定的位置上，灯的亮/灭状态传送到PLC。4、根据权利要求3所述的钢板冷却控制模拟系统，其特征在于，所述上冷却水区域的排灯和下冷却水区域的排灯分别是并联的19组方灯。5、根据权利要求4所述的钢板冷却控制模拟系统，其特征在于，每组方灯的个数为2个或者3个。6、根据权利要求3或4或5所述的钢板冷却控制模拟系统，其特征在于，所述冷却设备模拟装置包括侧喷状态指示灯，过程控制模块通过PLC将灯的亮/灭信号传送给侧喷状态指示灯。7、根据权利要求6所述的钢板冷却控制模拟系统，其特征在于，所述冷却设备模拟装置包括模拟上下流量开关阀的开关，该开关信号通过PLC传送到过程控制模块。8、根据权利要求2所述的钢板冷却控制模拟系统，其特征在于，所述传动装置包括变频电机和由该电机带动的皮带轮，所述减速交流电机与PLC相连。9、一种钢板冷却控制模拟方法，包括如下步骤过程控制模块将优化设定计算的控制量通过TCP/IP网络下发到PLC的数据接收模块；PLC的数据收集模块将控制信号和实测数据通过TCP/IP网络上传给过程控制模块；PLC通过与冷却设备模拟装置的开关信号、模拟钢板运动的变频电机、位置检测仪表及电动调节开关、模拟温度测量仪表的连接，模拟钢板的冷却效果，对模拟冷却钢板的位置进行跟踪；PLC根据钢板位置信号启动优化设定模型的计算功能，接收过程控制模块的设定控制量，完成为模拟流量设备、开关、模拟边部遮蔽的设定调节，并根据实际调节阀的响应时间，设计模拟调节时间，模拟实际设备响应状态，从而确定最佳控制点位置；PID控制器对模拟流量调节阀和变频电机速度实现闭环控制；PLC通过接收工控机计算得到的虚拟钢板的在到达模拟柜冷却线不同位置的温度，上传给过程控制模块，过程控制模块完成设定控制量的重新优化后再次发送给PLC，PLC实现在线的优化控制。10、根据权利要求9所述的钢板冷却控制模拟方法，其特征在于，PLC将过程控制模块设定的速度信号传送给变频电机，变频电机驱动皮带轮带动钢条运动。11、根据权利要求10所述的钢板冷却控制模拟方法，其特征在于，当钢条头部运动到光电开关检测点处，光电开关将钢条位置信息传送给PLC，PLC根据钢条位置信息控制位置指示灯的亮、灭。12、根据权利要求ll所述的钢板冷却控制模拟方法，其特征在于，工控机利用热传导方程通过二维有限元计算钢板各点的温度值，以固定周期通过D/A卡传送到巡检显示仪表上，巡检显示仪表的温度值定周期地传送到PLC,作为冷却区入口和出口的温度实测数据。13、根据权利要求12所述的钢板冷却控制模拟方法，其特征在于，PLC设定电动电位器的转动速度，按照过程控制模块提供的优化设定流量给定电动电位转动时间，PLC将转动速度和通电线路的接通信号下发给电动电位器，电动电位器接通，按给定转速转动到设定位置，当接收电压为O的信号则停止转动。14、根据权利要求13所述的钢板冷却控制模拟方法，其特征在于，设定并联的19组方灯，PLC将控制要求的上、下冷却水打开的组数和位置通过PLC将信号传送到排灯指定的位置上，灯亮为该组冷却打开，灯灭为该组冷却关闭，同时PLC将此时灯的状态采集进行控制水量的确认。全文摘要本发明公开了一种钢板冷却控制模拟系统及方法。通过PLC连接过程控制装置和冷却设备模拟装置，冷却设备模拟装置包括固定有钢条的传动装置、模拟温度测量的冷却过程温度计算装置和用于温度显示的巡检显示仪、电动电位器、光电开关和位置指示灯，光电开关设在钢条的运行路径上。过程控制装置完成对PLC控制量的优化设定功能，PLC完成冷却模拟过程的实时控制功能，冷却设备模拟装置执行模拟冷却线的实际开关和调节动作，以及实现实时数据采集过程。通过上述各个装置的硬件互连和软件协作，完成对冷却控制过程系统模拟，为控制系统的改进和完善过程，提供一种模拟评价的中试试验装置。文档编号B21B45/02GK101276209SQ20071003852公开日2008年10月1日申请日期2007年3月27日优先权日2007年3月27日发明者晔刘,王笑波申请人:宝山钢铁股份有限公司