在基础自动化中实现板坯生命周期模型的系统

摘要

本发明公开了一种在基础自动化中实现板坯生命周期模型的系统，包括：板坯跟踪模块，对热流切片进行动态跟踪；生命周期速度计算模块，记录每一冷却回路切片出结晶器的时间；基于拉速的流量设定值模块，根据浇注过程中拉速的动态变化而动态调整各冷却区的冷却目标流量；拉速流量曲线在线优化模块，通过人机界面在线优化冷却区拉速与冷却区流量曲线，以及修改在不同拉速下的冷却回路目标流量；流量温度补偿模块，根据温度偏差进行PID水量补偿控制，根据目标温度优化冷却水量。本发明能克服在浇注过程中因拉速突变导致的冷却区的目标流量控制偏差，提高冷却区的目标流量控制精度，实时反映现场实际拉速情况。

说明书

技术领域

本发明涉及冶金行业的中厚板轧制领域，特别是涉及一种用于板坯连铸二次冷却流量控制系统的，在基础自动化中实现板坯生命周期模型的系统。

背景技术

在中厚板轧制的连铸生产过程中，一般所说的拉速为电气拉速，即各夹送辊(或拉矫辊)变频器反馈的平均拉速(这里称为电气拉速，下同)。电气拉速与连铸各冷却区的实际浇注方向移动速度拉速(这里称为冷却区实际拉速，下同)存在较大偏差。导致电气拉速与各冷却区的冷却区实际拉速存在较大偏差的原因如下：

1、连铸机拉速正常稳定状态下夹送辊的电气拉速并非各冷却区的冷却区实际拉速。一般来说，连铸机分为立式、立弯式、直弧式等，这些连铸机辊列排列方式均为非线性，因此导致在连铸各冷却区的冷却区实际拉速并非电气拉速。

2、开浇以及拉尾坯过程中不稳定的拉速。在开浇过程以及拉尾坯过程中，拉速会按预先储存在PLC(可编程控制器)中的速度曲线变化或由操作员人为控制拉速，引起冷却区实际拉速与电气拉速偏差较大。

3、浇注过程中拉速的突变。由于各种现场条件的变化，如设备发生故障或存在缺陷(如漏钢预报等)，拉速会自动或由人工干预减低速度，引起冷却区实际拉速与电气拉速偏差较大。

储存在PLC中的拉速流量对应关系表如果输入的拉速不准确，则会导致各冷却区的目标流量的不准确。

针对冷却区实际拉速并非电气拉速的情况，国际领先的连铸冶金设备供货商或国内大型冶金设计院均开发二次冷却模型来进行应对。这种解决方案可以称为模型计算机方案，即用模型计算机通过高级语言编程的方式去实现，将计算的结果(实际拉速)与基础自动化系统通过以太网进行通讯，由此实现拉速与流量的精确匹配与控制。

这种方法的优点是充分利用计算机在数据计算、跟踪、数据管理方面的优势；但也有不足之处，具体表现在：

(1)模型计算机与PLC通过以太网进行通讯时，模型计算机的设定值与PLC过程数据采样周期在通讯时间上存在滞后。根据目前收集的数据，模型计算机与PLC的通讯至少存在2秒到20秒的时间滞后，模型计算机计算的冷却区实际拉速无法精确得到变频器实时反馈给基础自动化的平均拉速实际拉速情况。

(2)如果模型计算机不投入使用、因为某种原因通讯中断或者在拉速突变，PLC暂时不读取模型计算机的设定值时，尽管PLC会自动取内部存储的拉速流量函数去替代模型计算机的目标拉速，但此时PLC内部采用的拉速为电气拉速而非各冷却区实际拉速，从而导致冷却区的目标流量不准确。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种在基础自动化中实现板坯生命周期模型的系统，克服在浇注过程中因拉速突变导致的冷却区的目标流量控制偏差，提高冷却区的目标流量控制精度，实时反映现场实际拉速情况。

为解决上述技术问题，本发明的在基础自动化中实现板坯生命周期模型的系统包括：

板坯跟踪模块，对热流切片进行动态跟踪，将热流分为多个冷却区，每个冷却区又分为多个长度为100mm的切片，每个切片从结晶器浇注出来时的时间存储在时间队列数据块中并随着切片往前移动，一直到该切片出铸机为止；

生命周期速度计算模块，记录每一冷却回路切片出结晶器的时间，所述切片以与拉速相关的速度随着流向前移动，储存在时间队列的对应切片的时间也相应变化，当切片到达某一个冷却区时，根据储存在时间队列的与该切片相对应的时间计算出切片速度；

基于拉速的流量设定值模块，在PLC中储存不同钢种、不同板坯断面规格的拉速与流量关系对应曲线，根据浇注过程中拉速的动态变化而动态调整各冷却区的冷却目标流量；

拉速流量曲线在线优化模块，根据液芯控制模型计算冷却区板坯表面实际温度，通过人机界面在线优化冷却区拉速与冷却区流量曲线，以及修改在不同拉速下的冷却回路目标流量；

流量温度补偿模块，由液芯控制模型计算出各冷却区板坯表面的实际温度，该实际温度与目标温度比较后产生温度偏差，根据温度偏差进行PID水量补偿控制，根据目标温度优化冷却水量。

采用本发明的系统能有效提高板坯连铸二次冷却流量控制系统的控制精度、快速响应性和复杂浇注条件下的稳定性；并且充分发挥了PLC控制的快速性、实时性特点。

采用本发明的系统在模型计算机不起作用的情况下能提高冷却区的目标流量控制精度，有效地解决了板坯连铸生产中冷却区的目标流量精确控制问题。

采用本发明的系统能避免模型计算机与基础自动化系统通讯时存在的时间滞后问题，实时反映现场实际拉速情况。

在拉速突变过程中，利用基础自动化系统实时性强的特点，在系统中通过对切片的动态跟踪，求得各段二次冷却回路的实际拉速，并通过储存在基础自动化系统中的“流量拉速对应曲线”来得到各冷却回路精确的目标流量。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明的一实施例系统控制框图；

图2是在基础自动化系统中板坯生命周期模型投入前后冷却温度偏差比较示意图；

图3是在基础自动化系统中板坯生命周期模型投入控制示意图；

图4是每一冷却回路PLC对切片进行跟踪的时间队列示意图；

图5是冷却回路的拉速与流量对应曲线示意图；

图6是温度偏差流量补偿控制框图。

具体实施方式

参见图1所示，在本发明的一实施例中，所述在基础自动化中实现板坯生命周期模型的系统包括：

板坯跟踪模块，对热流切片进行动态跟踪，根据机械、工艺设计将热流分为N(N为大于1的整数)个冷却区(或称冷却回路)，每个冷却区又分为M(M为大于1的整数)个长度为100mm的切片，每个切片从结晶器浇注出来时的时间存储在时间队列数据块中(结合图4所示)并随着切片往前移动(因为浇注的关系)，一直到该切片出铸机为止。

每一冷却回路PLC对切片进行跟踪的时间队列结构如图4所示(图4中V₁、V₂、Vn分别表示冷却回路1实际速度、冷却回路2实际速度、冷却回路n实际速度；LOOP₁、LOOP₂、LOOP_n、分别表示冷却回路1、冷却回路2、冷却回路n)。

对于冷却回路I的生命周期速度可采用公式1计算得出。

$\mathrm{Vi}\left(j\right)=\frac{\mathrm{Vi}\left(1\right)+\mathrm{vi}\left(2\right)+···+\mathrm{Vi}\left(m\right)}{m}$(公式1)

$m=\frac{\mathrm{Li}}{100},$

其中：Vi(j)为第i冷却回路第j切片的速度，其中i为冷却回路序号，j为第i冷却区的第j块切片；Li为冷却区的长度(单位：毫米)，根据工艺冷却强度结合机械辊列设计确定；m为每个冷却区划分为长度为100mm的切片的数量。

生命周期速度计算模块，记录每一冷却回路切片出结晶器的时间，并以与拉速相关的一定速度随着热流向前移动，其切片储存的时间也相应变化，当切片到达某一个冷却区时，根据储存在时间队列的与该切片相对应的时间计算出切片速度。

生命周期速度是以冷却回路作为计算单位的，所谓切片的生命周期是指切片从出结晶器开始到切片出尾端扇形段为止的这一段时间。

对每一冷却回路而言，当切片到达本冷却回路时，根据储存在时间队列的与该切片相对应的时间可通过公式2计算出切片速度。

切片速度＝切片距结晶器出口侧的距离/切片的时间差(公式2)，

其中，所述的切片的时间差是指刚到达本冷却回路的切片的时间与刚出结晶器的切片的时间的差。

当然，为了精确地计算出每个切片的速度，对于不同的喷淋区尤其是临近结晶器的喷淋区，通过设定不同的权重，来优化切片速度。

精确切片速度＝[切片拉速×(100-K)+实际拉速×K]/100(公式3)

其中，K为实际拉速的权重系数。

每个冷却区由若干切片组成，冷却区的所有切片平均速度代表本冷却区的速度，由速度流量函数可直接计算出本冷却区的目标流量值。

基于拉速的流量设定值模块，在PLC中储存不同钢种、不同板坯断面规格的拉速与流量关系对应曲线，根据浇注过程中拉速的动态变化而动态调整各冷却区的冷却目标流量，各冷却区因为实际拉速的不同而冷却目标流量也不相同。

速度流量函数为冷却区拉速与冷却区相对于板坯单位宽度流量的对应关系，该函数是冷却区拉速与冷却区流量的曲线对应关系，拉速与流量对应关系一般由冶金工程师确定。冷却回路的拉速与流量对应曲线参见图5所示。

拉速流量曲线在线优化模块，冶金工程师可根据液芯控制模型计算冷却区板坯表面实际温度，通过人机界面来在线优化冷却区拉速与冷却区流量曲线，以及修改在不同拉速下的冷却回路目标流量。

流量温度补偿模块，根据温度偏差进行流量补偿控制的流程如图6所示，由液芯控制模型计算出各冷却区板坯表面的实际温度，该实际温度与目标温度比较后产生温度偏差，根据温度偏差进行PID流量补偿控制，根据目标温度优化冷却水量。

如图3所示，对所述生命周期模型在基础自动化系统中投入(即“生命周期模式”)与不投入(即“拉速关联模式”)的效果可以直观的进行比较；通过工具(即“液芯控制模型”)可以计算出各冷却回路的板坯表面实际温度，数据采集与分析工具可以记录在基础自动化系统中，所述生命周期模型投入与不投入时各冷却区的板坯表面目标温度与板坯表面实际温度的偏差，具体可参见图2所示。在图2中所述的冷却区为5个，在基础自动化系统中的生命周期模型不投入(拉速关联模式)模式下，5个冷却区的实际温度偏差在±80℃左右(参见图2a)，在基础自动化系统中的生命周期模型投入(生命周期模式)模式下，5个冷却区的实际温度偏差在±20℃左右。由此可见在生命周期模型投入后，对各冷却区的板坯表面目标温度的控制明显精确。

采用本发明的在基础自动化中实现板坯生命周期模型的系统平均拉速直接在基础自动化系统中计算，有效克服了模型计算机与PLC通讯时模型计算机计算的流量目标值下传，与电气拉速、冷却回路实际水量等上传存在的时间上的滞后。一般这种滞后时间为10秒到20秒左右，也就是说模型计算机计算基础数据存在10秒到20秒的滞后，本发明在基础自动化系统中实现平均拉速的计算，数据采集精度在10毫秒左右；有效解决了冷却区实际拉速与冷却水量的滞后问题。

以上通过具体实施方式对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。