热轧带钢层流冷却过程控制系统及应用

RAL2005.11层冷控制模型在热带轧制中的应用龚殿尧轧制技术及连轧自动化国家重点实验室（东北大学）轧制技术及连轧自动化国家重点实验室RALRALRAL2005.111.功能概述1.1主要设备概述1.2与其它功能的关系1.3控制模型描述1.4启动逻辑1.5控制方式1.6控制模式1.7控制策略2.主要功能模块2.1计算准备处理2.2预设定模块2.3修正设定模块2.4自学习模块3.通用处理模块3.1常规冷却设定3.2冷却速度设定3.3常规冷却再设定3.4冷却速度再设定4.数学模型说明主要内容RAL2005.11层流冷却设备安装在精轧机出口机架至卷取机之间，在过程自动化系统和基础自动化系统的控制之下，根据带钢精轧出口的带钢温度、速度等数据和其它工艺设备参数，经过模型运算（包括预设定计算、修正设定计算、自学习计算），控制层流冷却区的冷却设备的集管组态，实现对带钢的冷却模式、卷取温度和冷却速率的控制，将热轧带钢按预定路径冷却到工艺要求的卷取温度，使其力学性能和金相组织结构达到预定的质量要求。1功能概述层流冷却过程设定模型RAL2005.111.1主要设备概述卷取机1卷取机2``侧喷集管垂直喷集管精轧出口高温计卷取机入口高温计主冷区精冷区带钢轧制方向主要设备功能输出辊道上部U形管和下部喷射管水冷侧喷集管垂直喷射集管空气吹扫装置残留水清扫主冷区和精冷区前馈和反馈RAL2005.111.2层冷模型与其它功能的关系过程设定系统层冷模型PDI数据精轧设定数据实测数据历史数据层别数据自学习设定结果Ⅰ级Ⅱ级报警信息报表文件终端RAL2005.111.3层冷模型描述层冷模型六部分计算准备处理预设定计算修正设定计算反馈控制计算自学习计算控制终了处理如钢种组别、冷却模式、特殊控制模式以及模型计算时的各种参数数据进行与带钢头部的冷却集管组态的预设定修正与带钢各样本段对应的冷却集管组态由基础自动化完成基于控制目标的实测值和模型计算值之间的偏差，对控制模型中的学习项进行修正，纠正模型预报偏差，以提高模型的预报精度，改善控制效果由基础自动化完成RAL2005.11计算准备处理预设定计算修正设定计算自学习计算常规冷却控制冷却速度控制一组集管的水冷温降计算空冷温降计算过程跟踪带钢位置的过程控制级跟踪模型中各种组别的确定常规冷却控制设定计算（仅以卷取温度为控制目的）冷却速度控制计算一组集管内的水冷温降计算空冷温降计算其它功能还包括RAL2005.111.4启动逻辑No功能启动时刻终了时刻1计算准备处理精轧前测温仪检得带钢数据准备完毕2预设定计算精轧F2机架咬钢时，由控制逻辑启动模型预设定计算执行结束3修正设定计算精轧出口高温计检得（对于带钢头部）、带钢定长样本达到时，由控制逻辑启动带钢尾部通过精轧出口高温计4反馈控制CT-ON＋时间后，经一定周期被启动，在基础自动化中完成带钢中部通过卷取机前的测温仪5学习计算学习点到达CT位置时刻，由控制逻辑启动学习计算执行结束RAL2005.111.5冷却控制方式控制方式描述控冷过程进行自动设定层流冷却的初始设定和前馈控制由过程计算机完成，基础自动化按照过程计算机所给出的喷水组态控制相应喷水阀门的开闭由操作员通过终端对控冷过程进行设定冷却制度和规程将由操作员在终端(HMI)输入，并可对其进行存储，供操作员选择调用。由基础自动化完成带钢的头尾跟踪、反馈和精轧机抛钢后的前馈控制功能。手动控制方式完全由操作工启/停冷却设备的运行RAL2005.111.6冷却模式模式描述1设定计算所使用的带钢终轧温度为带钢头部温度值，按常规冷却方法计算热输出辊道上的集管组态并输出2设定计算所使用的带钢终轧温度为从带钢长度各分段点收集精轧出口温度值，按常规冷却方法计算并输出热输出辊道上对应各段的集管组态，适用于精轧出口温度（FDT）是变化的、有轧制加减速或恒速的工艺状况，其控制目标为卷取温度3从带钢长度各分段点收集精轧出口温度值(FDT)，按冷却速度控制方法计算并输出热输出辊道上对应各段的集管组态。此种控制模式适用于精轧出口温度（FDT）是变化的、并且有轧制加减速或恒速的工艺状况，需要进行模型学习项的更新。其控制目标为冷却速度、中间目标温度和卷取温度缺省模式RAL2005.111.7冷却策略FDTCT............CT............FDTFDTCT......FDTCT............前段主冷：显微组织以铁素体和珠光体为主的普碳钢和优质结构钢后段主冷：显微组织以铁素体和贝氏体为主的的双相钢，以及厚度小于1.7mm的碳素钢和低级硅钢的冷却稀疏冷却：以控制微合金元素的碳氮化物的析出为主的微合金钢按管稀疏按组稀疏RAL2005.112.1总体模块关联计算准备处理预设定计算处理层流冷却过程控制模型通用模块内部专用模块通用模块内部专用模块修正设定计算自学习计算通用模块内部专用模块通用模块内部专用模块2层冷控制模块RAL2005.112.2计算准备处理模块计算准备处理带钢组别确定控制模式选择钢种组别确定厚度组别1确定厚度组别2确定宽度组别确定卷取目标温度组别确定冷却速度组别确定冷却策略选择热头热尾处理头部特殊处理控制参数的准备仿真准备卷取目标温度确定组别中各种数据的检索冷却速度控制的判定平均比热的计算通用模块计算准备组别索引数据表查询控制模式和策略模型其它参数热头热尾处理头部特殊处理RAL2005.112.3预设定模块预设定计算同一组别判定热流密度（学习系数）读入头部预先喷水数常规冷却设定计算冷却速度控制设定计算通用模块初始反馈段的水冷温降计算一组集管的水冷温降计算前段空冷温降计算后段空冷温降计算空冷温降计算垂直喷射冷却温降计算通用模块预设定计算的主要功能是根据带钢精轧出口预报温度、速度、带钢目标厚度、带钢厚度预报值、卷取目标温度及冷却控制策略等进行层流冷却控制设定预计算。设定计算输出结果为初始集管组态。RAL2005.112.4修正设定模块修正设定计算头尾部跟踪标志的更新带钢水冷区跟踪标志更新基本热流密度系数更新带钢速度预测头部特殊控制处理尾部速度处理目标卷取温度更新常规冷却设定计算常规冷却设定再计算冷却速度控制设定计算冷却速度控制再设定计算通用模块初始反馈段的水冷温降计算一组集管的水冷温降计算前段空冷温降计算后段空冷温降计算空冷温降计算垂直喷射冷却温降计算通用模块计数器更新根据实测的各段的平均终轧温度、速度和厚度，利用与预设定计算相同的模型计算各个区段的特有组态，由跟踪系统起动修正设定计算并确定输出时刻RAL2005.11段跟踪及前馈控制功能精轧出口高温计卷取机入口高温计带钢轧制方向N-1NN-2N-3N-kN-k-1N-k-2根据实测的精轧出口温度FDT和所选定的控制模式计算必要冷却量，对喷水组态进行微调。此项微调按照分段长度周期进行，因而需要对带钢进行分段和段跟踪。RAL2005.11热头热尾处理功能热头长度热尾长度热头温升热尾温升为了保证硬质材、厚板的头尾部的卷形良好和方便卷取，需要将带钢头尾部的温度提高，此功能称为热头热尾处理。可以通过把带钢头尾端的目标温度在某一定区间范围提高来实现热头热尾功能。尾部速度预测及温度补偿由基础自动化级完成RAL2005.112.5自学习计算自学习计算初始化及参数准备实测温度有效性检查和处理热流密度系数的修正系数学习系数的平滑计算学习瞬时值计算初始反馈段的水冷温降计算一组集管的水冷温降计算前段空冷温降计算后段空冷温降计算空冷温降计算垂直喷射冷却温降计算通用模块水冷自学习空冷自学习前段后段层冷出口有高温计短期自学习长期自学习头部中部尾部热流密度系数学习系数稳定RAL2005.113通用处理模块功能说明3.1常规冷却控制设定第i组集管水冷温降第j组集管水冷温降一根集管的水冷温降精冷区单根集管的水冷温降空冷时温度目标卷取温度带钢位置CT点FDT点温度FDT第k组集管水冷温降主冷区集管温降示意图RAL2005.111212集管入口侧上方集管下方集管集管岀口侧计算顺序最末集管开启顺序i1T[i]FDT-T[i]T[i]空冷集管（＋）各组集管后的带钢温度及必要冷却量的计算RAL2005.113.2常规冷却再设定第i组集管水冷温降第j组集管水冷温降每根集管的水冷温降末集管中每根集管的水冷温降空冷时卷取温度目标卷取温度冷却区位置CT点FDT点温度FDT①：控制点到本次计算时刻已通过集管组的水冷温降累积值②①②：控制点由下一时刻开始的必要冷却量RAL2005.11控制点再控制点的定义123456789101112123456789101112再计算点3对应的再计算开始区控制点控制点的个数为：N_control=int（带钢长度/跟踪区段长度）再计算点个数为：3再计算开始区个数：3计算点之前的带钢温度必要冷却量从再计算区开始的集管组态RAL2005.113.3冷却速度设定计算FDT位置P3P1P2A（FDT位置，FDT）D（P3，CTNOM）B（P1，T2*）△T2AIR△T2LAST△T3AIR△T4AIR△T3AIRi△T3LASTiC（P2，T3*）FDT完全空冷时CT1、从FDT到P1的冷却过程；2、是从P1到P2的冷却过程；3、是从P2到目标卷取温度的冷却过程。RAL2005.11_([])NlastxfbvtairairbeforeinTFDTTTTTiT式中，ΔTlast：必要冷却量；FDT：实测终轧温度；ΔTx：到当前计算区间为止的带钢冷却温降累积值；ΔTfbk：反馈段的初始温降；ΔTair_before：从再计算区到使用的卷取高温计处的空冷温降；ΔTair[i]：第i组集管对应的空冷温降；ΔTvt:垂直喷射温降。1、再计算点在P1集管组之前（包括P1集管组）；2、再计算点在P1集管组和P2集管组之间（包括P2集管组）；3、是再计算点在P2后。3.4冷却速度再设定计算RAL2005.11层冷冷却能力稳定层冷冷却能力均匀精轧出口厚度均匀精轧出口速度均匀4现场应用条件精轧出口温度均匀板坯出炉温度均匀良好的冷却效果预设冷却路径理想的组织性能全线的高精度轧制及相关的辅助功能，以及对设备、模型的精心维护RAL2005.11现场特殊情况过程设定系统层冷模型PDI数据精轧设定数据实测数据历史数据层别数据自学习设定结果Ⅰ级Ⅱ级报警信息报表文件终端RAL2005.114现场特殊情况下的特殊处理精轧出口高温计卷取机入口高温计带钢轧制方向N-1NN-2N-3N-kN-k-1N-k-2文件保存N=5RAL2005.114现场应用效果02468101214166006507007508008509004.04.14.24.34.44.54.6StripTemprature,degCSampleNumber,-FMXTempFMXThicknessCoilerSpeedCtCalculteValueCtMeasureValueSteelGRD:Q235ASteelTHK:4.5mmCoilerSpeed,m/sStripThk,mmRAL2005.114现场应用效果02468101214650700750800850StirpsurfaceTemp,degCBankNumber,-Grade:Q235Athickness:3.05mmcoilerspeed:8.5m/sFMX:850degCCTTarget:630degC单根集管温降大现场设备不稳定其它工艺水平不高RAL开发的层冷Ⅱ级过程控制模型，在现场条件较差的情况下，取得较好的实际应用效果RAL2005.11结束页[e-mail]