一個(gè)改進(jìn)的爐卷軋機(jī)模型及其實(shí)現(xiàn)研究

王秀媛

（安陽(yáng)技師學(xué)院，安陽(yáng) 455000）

0 引言

爐卷軋機(jī)生產(chǎn)線是一條采用卷板生產(chǎn)工藝生產(chǎn)線，由于爐卷軋機(jī)生產(chǎn)線自身的工藝設(shè)備特點(diǎn),與常規(guī)的中厚板和熱連軋板帶生產(chǎn)線相比，在軋制薄而寬規(guī)格的鋼板時(shí)具有一定的優(yōu)勢(shì)。爐卷軋機(jī)控制系統(tǒng)中數(shù)學(xué)模型是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程計(jì)算機(jī)控制的基礎(chǔ)，其重要特點(diǎn)是描述參數(shù)的變化，然而由于熱軋制過(guò)程中軋輥存在彈性變形、軋輥磨損、帶鋼溫度變化等多種復(fù)雜因素的影響，鋼板參數(shù)難以控制，諸多從實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出來(lái)的軋制數(shù)學(xué)模型因軋制環(huán)境的變化原有參數(shù)已不能滿足高精度軋制的需要，因而在實(shí)踐中需要根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工藝不斷修正參數(shù)[1]，來(lái)保證控制要求，本課題來(lái)源于安鋼爐卷軋機(jī)控制系統(tǒng)工程[2]優(yōu)化項(xiàng)目，本文是對(duì)一個(gè)改進(jìn)的爐卷軋機(jī)模型及其實(shí)現(xiàn)研究。

1 爐卷軋機(jī)模型思想

爐卷軋機(jī)也是一種生產(chǎn)熱帶鋼的生產(chǎn)工藝。爐卷軋機(jī)目前存在的問(wèn)題是，帶鋼在卷取爐內(nèi)加熱時(shí)間長(zhǎng)，產(chǎn)生氧化鐵皮，使帶鋼表面質(zhì)量較差； 帶鋼頭尾與本體溫差大，導(dǎo)致帶鋼厚度偏差大、板形較差；卷重較小、收得率較低?；谝陨蠁?wèn)題的解決，為爐卷軋機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)引入一套規(guī)范的模型是十分必要的。

由于用于生產(chǎn)過(guò)程計(jì)算機(jī)在線控制，時(shí)間上有一定限制，因此需采取一些簡(jiǎn)化措施抓住主要因素，忽略次要的以及不可測(cè)量的因素，利用模型改進(jìn)來(lái)保證控制精度。金屬塑性流動(dòng)應(yīng)力是指單向應(yīng)力狀態(tài)下金屬材料產(chǎn)生塑性變形所需單位面積上的力，它的大小不僅與金屬材料的化學(xué)成分有關(guān)，而且還取決于塑性變形的物理?xiàng)l件。

我們從以下幾個(gè)角度來(lái)分析幾個(gè)關(guān)鍵的變量。變形溫度對(duì)流動(dòng)應(yīng)力的影響最突出，其影響項(xiàng)可用指數(shù)函數(shù)表示。變形程度對(duì)流動(dòng)應(yīng)力的影響較為復(fù)雜，不能簡(jiǎn)單地采用單調(diào)遞增的冪函數(shù)表示，考慮到化學(xué)成分、變形溫度等因素的影響，應(yīng)采用非線性函數(shù)表示之。變形速率對(duì)流動(dòng)應(yīng)力的影響可出冪函數(shù)表示，指數(shù)與變形溫度等因素有關(guān)。在線控制使用的數(shù)學(xué)模型精度要高，但結(jié)構(gòu)不能太復(fù)雜，可由下面的方程式給出：

2 爐卷軋機(jī)模型描述

金屬塑性流動(dòng)應(yīng)力是壓力加工理論及設(shè)備能力參數(shù)設(shè)計(jì)的最基本參數(shù)之一，是加工過(guò)程中計(jì)算機(jī)控制的最基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)模型。爐卷軋機(jī)的啟動(dòng)模型為粗軋機(jī)提供了啟動(dòng)參數(shù)，F(xiàn)RS為流動(dòng)應(yīng)力模型提供了估計(jì)數(shù)據(jù)，流動(dòng)應(yīng)力反過(guò)來(lái)為RFS提供了傳輸數(shù)據(jù)。流動(dòng)應(yīng)力模型在軋機(jī)控制系統(tǒng)中起著重要的作用，流動(dòng)應(yīng)力（在給定的溫度和拉力速率下產(chǎn)生的壓力）是壓力模型輸入的變形限制的原素。

圖1 模型結(jié)構(gòu)及主要元素

模型通過(guò)板坯指示器獲得最終的反饋掃描數(shù)據(jù)總的模型結(jié)構(gòu)及主要的元素如圖1所示。RFS從存儲(chǔ)的文件中讀取所有的靜態(tài)配置數(shù)據(jù)，并初始化主存。在初始化階段RFS從RTWM模型進(jìn)程中獲得軋制信息,并初始化RFS內(nèi)部的軋制狀態(tài),然后RFS進(jìn)入無(wú)線循環(huán)中, 來(lái)等待板坯指示器所指示的工作要求,決定是啟動(dòng)還是反饋計(jì)算RFS為一個(gè)單元的運(yùn)行時(shí)間設(shè)計(jì)一個(gè)配置進(jìn)程,這個(gè)進(jìn)程在模型控制面中處理所有板坯啟動(dòng)和反饋需求,這個(gè)模型控制開(kāi)始于軋機(jī)入口延伸于軋機(jī)出口傳感器。RFS產(chǎn)品的配置是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化ASCII文件的修改所完成的,ASCII文件位于RFS產(chǎn)品的配置字典中。這些配置文件對(duì)RFS來(lái)說(shuō)是很關(guān)鍵的,軋機(jī)定義調(diào)頻參數(shù)都在這些文件中說(shuō)明的,由依賴于文件的請(qǐng)求,因此一個(gè)請(qǐng)求不能轉(zhuǎn)移為另一個(gè)請(qǐng)求。

RFS可以利用適當(dāng)?shù)拿顓?shù)運(yùn)行在線、單機(jī)、離線方式下。在線模式下，RFS在一個(gè)控制機(jī)器上運(yùn)行并通過(guò)消息與其他自動(dòng)化系統(tǒng)通訊,板坯指示器將給RFS發(fā)送包含工作需求和數(shù)據(jù)的消息,RFS從板坯指示器中獲得系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)和PDI目標(biāo)數(shù)據(jù),計(jì)算出新的啟動(dòng),并把計(jì)算好的數(shù)據(jù)反送給板坯指示器進(jìn)程。在離線模式中,RFS典型的運(yùn)行在一個(gè)后備計(jì)算機(jī)上,并通過(guò)消息與別的自動(dòng)化系統(tǒng)通訊,板坯指示器將會(huì)給RFS進(jìn)程發(fā)送一個(gè)包含工作需求和數(shù)據(jù)的消息。RFS講讀取所需的其它數(shù)據(jù),但不像板坯指示器進(jìn)程發(fā)送參數(shù),也不做適應(yīng)性的更新,分散的日志文件將在輸出字典中產(chǎn)生。單機(jī)模式下,RFS典型的運(yùn)行在遠(yuǎn)離在線系統(tǒng)的后備計(jì)算機(jī)上,用來(lái)調(diào)適合開(kāi)發(fā)工作,單機(jī)計(jì)算機(jī)所有要求的數(shù)據(jù)是通過(guò)制定的配置的文件提供的。RFS寫(xiě)下傳送給板坯指示器的外部軋機(jī)參數(shù),板坯指示器使用RFS軋機(jī)參數(shù)記錄的信息為不同的FM設(shè)備產(chǎn)生參數(shù)，如：FM主傳動(dòng),AGC(自動(dòng)測(cè)量控制),AWC(自動(dòng)寬度控制)功能。

3 爐卷軋機(jī)模型分析

RFS模型使用標(biāo)準(zhǔn)模型建立塊作為啟動(dòng)和反饋功能的基本平臺(tái)。無(wú)論是機(jī)理型還是經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)型模型為了用于一定的軋機(jī)必須利用該軋機(jī)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以使模型用于該軋機(jī)的具體條件下能獲得要求的預(yù)報(bào)精度。在現(xiàn)場(chǎng)收集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時(shí)應(yīng)考慮需有一定數(shù)量條件相同的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以提高統(tǒng)計(jì)的可靠性。應(yīng)該說(shuō)要保證完全達(dá)到“條件相同”是較困難的，例如同一鋼種帶坯成分不可能完全一致，同一軋機(jī)在新?lián)Q上軋輥及軋輥己磨損即將換下來(lái)時(shí)，其軋制情況是不完全相同的等等，因此應(yīng)用大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)所得的模型系數(shù)，使模型具有平均性質(zhì)。

自變量應(yīng)有較寬的范圍以使統(tǒng)計(jì)結(jié)果較為穩(wěn)定，當(dāng)自變量范圍太窄將使統(tǒng)計(jì)后的模型預(yù)報(bào)精度降低。如圖2所示，左圖可知當(dāng)自變量太窄時(shí)的回歸直線可以是A亦可以是B線，如圖2所示，右圖當(dāng)自變量范圍加寬后回歸方程明顯為A，而不可能是B線。需對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，應(yīng)將過(guò)于分散的實(shí)測(cè)點(diǎn)剔除后再進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。但剔除實(shí)測(cè)點(diǎn)要小心不能具有人為傾向以免產(chǎn)生誤差，當(dāng)是否屬于分散，不能肯定時(shí)不要輕易剔除數(shù)據(jù)。此時(shí)可進(jìn)行預(yù)分析，即先用比較“分散”的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析在獲得初步結(jié)果后將偏差超過(guò)3σ的點(diǎn)加以剔除(超過(guò)3σ意味著99%可能性是“壞” 的數(shù)據(jù))，然后再進(jìn)行最終的回歸分析。另外要注意不能將具有曲線性質(zhì)的散點(diǎn)圖按直線來(lái)回歸，這種情況下數(shù)據(jù)剔除將會(huì)把“好”數(shù)據(jù)剔掉。即使是經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型亦應(yīng)根據(jù)機(jī)理分析來(lái)確定主要影響因素及公式的大致結(jié)構(gòu)。亦可以將試驗(yàn)數(shù)據(jù)先給出散點(diǎn)圖以確定較好的公式結(jié)構(gòu)，以有利于加快系數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析。事先制訂出試驗(yàn)方案，使數(shù)據(jù)收集有計(jì)劃進(jìn)行，這包括為了試驗(yàn)需軋制的規(guī)格和鋼種，需要記錄的數(shù)據(jù)，試驗(yàn)編號(hào)等等。模型建立后應(yīng)在生產(chǎn)實(shí)際中進(jìn)行驗(yàn)證，考慮到統(tǒng)計(jì)后模型具有平均性質(zhì)，因此一定的誤差是允許的。為了增加軋制壓力預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，流動(dòng)應(yīng)力下面保持與每個(gè)鋼種的流動(dòng)應(yīng)力系數(shù)的設(shè)置計(jì)算相分離，同時(shí)對(duì)每個(gè)鋼種在軋制中有三個(gè)設(shè)置計(jì)算，它們包含了所要求的三個(gè)厚度的允許范圍。

圖2 自變量選擇

圖3 程序框架

4 爐卷軋機(jī)模型實(shí)現(xiàn)及結(jié)果分析

流動(dòng)應(yīng)力模型要在實(shí)踐中加以實(shí)現(xiàn)還需要程序來(lái)編制，其程序的框架，如圖3所示。對(duì)于流動(dòng)應(yīng)力模型計(jì)算實(shí)現(xiàn)是對(duì)該模型的數(shù)學(xué)式需盡量化為線性模型來(lái)回歸，再用最小二乘法并有效地利用多次數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行指數(shù)平滑方法可達(dá)到要求的精確性。為了有效地采用此方法，通常進(jìn)行矩陣系數(shù)的指數(shù)平滑，不斷利用即時(shí)信息來(lái)進(jìn)行模型參數(shù)修正的功能，這樣保證了數(shù)據(jù)的有效性和連續(xù)性。

改進(jìn)的爐卷軋機(jī)在線參數(shù)模型及實(shí)現(xiàn)，從而使安鋼爐卷軋機(jī)控制系統(tǒng)更加優(yōu)化，進(jìn)一步提高了中厚板的成材率,并且保證控制要求。從而進(jìn)一步促進(jìn)了帶鋼熱連軋生產(chǎn)的發(fā)展，并產(chǎn)生了極大的經(jīng)濟(jì)效益，并為全面掌握整個(gè)控制系統(tǒng)提供一個(gè)有益的參考，為相關(guān)研究提供一個(gè)樣板。

總之，爐卷軋機(jī)在線參數(shù)模型的改進(jìn)和實(shí)現(xiàn)，使安鋼爐卷軋機(jī)控制系統(tǒng)更加優(yōu)化和有效，并進(jìn)一步提高了軋制的成材率，實(shí)現(xiàn)流動(dòng)應(yīng)力模型系統(tǒng)平臺(tái)，流動(dòng)應(yīng)力模型在爐卷軋機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)，證明了流動(dòng)應(yīng)力模型的開(kāi)發(fā)具有我們分析的目前現(xiàn)存的控制系統(tǒng)不具備的優(yōu)點(diǎn)、性能及高擴(kuò)展性。

[1] 楊節(jié).軋制過(guò)程的數(shù)學(xué)模型(第2版)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1993.127-135.

[2] 戰(zhàn)英.軋制變形規(guī)程優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1996.245-256.

[3] 冀志宏.安鋼爐卷軋機(jī)軋制質(zhì)量控制[J].寬厚板,2006,(06).

[4] 程秀英.過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在爐卷軋機(jī)中的應(yīng)用[J].甘肅冶金,2005,(01).

[5] Giorgio Dall'Armellina;Ugo de Siervo.達(dá)涅利中板和爐卷軋機(jī)自動(dòng)控制技術(shù):Trametal,Valsider,KSC[J].鋼鐵,2003,(11).