引言
熱軋加熱爐是整個(gè)熱軋生產(chǎn)中的一個(gè)重要生產(chǎn)工序[1]，加熱爐對板坯的加熱質(zhì)量直接影響到之后各道工序的生產(chǎn)質(zhì)量。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品品種不斷增多，用戶對產(chǎn)品質(zhì)量的要求日益提高，因此，加熱爐過程控制系統(tǒng)的控制策略和數(shù)學(xué)模型一直是人們關(guān)心的重要研究課題，對其進(jìn)行不斷的改進(jìn)已成為提高熱軋產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的重要途徑之一。
1熱軋加熱爐生產(chǎn)過程
加熱爐仿真系統(tǒng)基于4座步進(jìn)式加熱爐，生產(chǎn)的原料為板坯，如圖1所示。
整個(gè)加熱爐區(qū)主要包括上料輥道、裝鋼機(jī)、4座步進(jìn)式加熱爐、抽鋼機(jī)和出爐輥道。來料由上料輥道運(yùn)送到加熱爐裝入側(cè)[2]，通過裝鋼機(jī)裝入加熱爐開始加熱，之后由步進(jìn)梁移動(dòng)板坯到加熱爐出口完成加熱過程，抽鋼機(jī)抽出板坯放到出爐輥道上送往軋線。
加熱爐生產(chǎn)過程仿真系統(tǒng)就是要模擬加熱爐的生產(chǎn)過程，將加熱爐模型加載到仿真系統(tǒng)中，為模型的調(diào)試、研發(fā)提供一個(gè)動(dòng)態(tài)的仿真平臺。
2仿真系統(tǒng)構(gòu)成
2.1開發(fā)與運(yùn)行環(huán)境
整個(gè)加熱爐生產(chǎn)過程仿真系統(tǒng)采用MicrosoftWindows開發(fā)平臺，其中前臺人機(jī)交互界面采用VisualBasic開發(fā)，后臺采用VisualC++開發(fā)，中間件采用Plature99，此系統(tǒng)可以運(yùn)行在Windows2000Server，WindowsNT與WindowsXP平臺上，在開發(fā)過程中采用了面向?qū)ο蟮拈_發(fā)技術(shù)，代碼復(fù)用率高，核心部分代碼可以直接移植到工業(yè)應(yīng)用環(huán)境中。
2.2結(jié)構(gòu)與功能
仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
整個(gè)仿真系統(tǒng)由應(yīng)用系統(tǒng)、模型系統(tǒng)、畫面系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、中間件系統(tǒng)五個(gè)部分組成。各個(gè)部分都封裝成獨(dú)立的模塊，每個(gè)模塊相互之間通過標(biāo)準(zhǔn)的中間件接口函數(shù)訪問，采用這種方式可以最大程度地隔離各功能模塊，使各模塊功能單一，接口清晰，相互之間不會(huì)影響，最大限度地提高了系統(tǒng)的魯棒性。
2.2.1應(yīng)用系統(tǒng)
應(yīng)用系統(tǒng)中包括系統(tǒng)總控模塊、裝入模塊、步進(jìn)梁移動(dòng)模塊和抽出模塊共四個(gè)模塊，其中系統(tǒng)總控模塊是應(yīng)用系統(tǒng)的主體，負(fù)責(zé)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)，管理、調(diào)度加熱爐動(dòng)態(tài)裝鋼、步進(jìn)梁移動(dòng)和抽鋼三個(gè)進(jìn)程的執(zhí)行;裝入模塊主要實(shí)現(xiàn)裝入位置的確定，啟動(dòng)裝入模型計(jì)算等功能;步進(jìn)梁移動(dòng)模塊負(fù)責(zé)對板坯位置的跟蹤和計(jì)算;抽出模塊主要啟動(dòng)抽出模型計(jì)算板坯的出爐溫度，以及出爐后的數(shù)據(jù)清理。
如果想要模擬加熱爐的生產(chǎn)過程，必須要了解實(shí)際生產(chǎn)中步進(jìn)梁動(dòng)作與裝鋼、抽鋼動(dòng)作之間存在的連鎖關(guān)系，如表1所示，這種關(guān)系在某種程度上影響了加熱爐的生產(chǎn)節(jié)奏，仿真系統(tǒng)必須要模擬這種實(shí)際生產(chǎn)的節(jié)奏才能夠達(dá)到比較理想的動(dòng)態(tài)模擬效果。
表1加熱爐動(dòng)作連鎖關(guān)系
在仿真系統(tǒng)中連鎖關(guān)系表現(xiàn)為狀態(tài)的變化，每個(gè)動(dòng)作是否可以執(zhí)行首先要判定其它兩個(gè)動(dòng)作的狀態(tài)，在滿足連鎖關(guān)系的前提下才可以執(zhí)行，否則必須等待。連鎖關(guān)系只是判定是否可以動(dòng)作的一個(gè)基本前提，在滿足這個(gè)基本前提的情況下還要根據(jù)實(shí)際的仿真情況判定是否可以動(dòng)作，以裝入為例，除了要滿足連鎖關(guān)系中步進(jìn)梁不能移動(dòng)之外，還要判斷畫面中裝鋼標(biāo)志是否可裝、加熱爐爐尾段是否有足夠的位置可以裝入等限制條件。除了要滿足動(dòng)作條件之外，在動(dòng)作判定的先后順序上也要滿足一定的原則，在這三個(gè)動(dòng)作中裝鋼、抽鋼的優(yōu)先級比較高應(yīng)該首先判定，步進(jìn)梁移動(dòng)的優(yōu)先級較低，只有在不能裝入和抽出的時(shí)候才判定步進(jìn)梁是否可以移動(dòng)。仿真系統(tǒng)只有在合理地調(diào)度、監(jiān)控這三者之間關(guān)系的基礎(chǔ)上才能夠比較真實(shí)地模擬加熱爐的生產(chǎn)過程。
系統(tǒng)總控功能是工作頻率最為頻繁的服務(wù)程序，設(shè)定每1s啟動(dòng)一次，并且在仿真程序啟動(dòng)后自動(dòng)運(yùn)行，開始對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。之所以如此頻繁地啟動(dòng)系統(tǒng)總控程序是因?yàn)橄到y(tǒng)的狀態(tài)隨時(shí)都有可能發(fā)生變化，要在盡量早的時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)相應(yīng)處理過程，更加逼真地模擬加熱爐生產(chǎn)情況。
2.2.2模型系統(tǒng)
模型系統(tǒng)包括裝入模型處理進(jìn)程，周期處理進(jìn)程和抽鋼模型處理進(jìn)程。
周期處理進(jìn)程是模型系統(tǒng)的核心同時(shí)也是一個(gè)模型集合，如圖3所示，包括板坯溫度計(jì)算模型，剩余在爐時(shí)間計(jì)算模型，必要爐溫計(jì)算模型和爐溫設(shè)定模型等，每種模型都可以采用不同的計(jì)算方法或者控制策略。其中板坯溫度計(jì)算，不僅可以采用指數(shù)模型，還可以采用一維差分模型，甚至是二維差分模型[3]。對于爐氣溫度預(yù)報(bào)可以采用按段末目標(biāo)溫度預(yù)報(bào)，也可以按出爐目標(biāo)溫度預(yù)報(bào)。這些控制策略和模型算法都可以做成不同的模塊，通過參數(shù)配置決定執(zhí)行哪種方法。
在加熱爐仿真系統(tǒng)中，由于板坯在動(dòng)態(tài)地裝入、移動(dòng)和抽出，所以模型的測試不再是對單個(gè)模型的靜態(tài)測試，而是對整個(gè)模型控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測試，不僅可以測試單個(gè)模型的計(jì)算效果，同時(shí)還可以測試模型間的相互影響。
為了模擬實(shí)際生產(chǎn)中的爐氣溫度、抽出目標(biāo)溫度修正等情況，仿真系統(tǒng)中也提供了類似的方法，如圖4所示，通過修改這些參數(shù)以及抽出節(jié)奏的方式，測試模型的計(jì)算效果。
2.2.3畫面系統(tǒng)
畫面系統(tǒng)提供了人機(jī)交互界面，用來監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)、設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)、控制仿真的運(yùn)行方式。圖5是系統(tǒng)的配置畫面，用戶可以在此畫面中設(shè)定仿真的運(yùn)行速率，裝入、抽出和步進(jìn)梁動(dòng)作周期等參數(shù)，同時(shí)還可以動(dòng)態(tài)監(jiān)控每個(gè)加熱爐當(dāng)前的狀態(tài)。
在人機(jī)界面設(shè)計(jì)中，采用了C/S模式，人機(jī)界面可以作為一個(gè)單獨(dú)客戶程序裝在任何一臺和仿真主機(jī)在網(wǎng)絡(luò)上連通的PC機(jī)上，通過TCP/IP與主機(jī)的仿真管理單元的界面數(shù)據(jù)接收單元交換數(shù)據(jù)，這樣可以做到多個(gè)用戶(包括遠(yuǎn)程用戶)同時(shí)使用仿真系統(tǒng)。
2.2.4數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)
數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)文件系統(tǒng)，其原理是使用了內(nèi)存文件存取的數(shù)據(jù)技術(shù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)文件與關(guān)系型數(shù)據(jù)庫相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
首先實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)文件非常小巧，適合內(nèi)嵌到過程機(jī)系統(tǒng)，不像關(guān)系型數(shù)據(jù)庫比較龐大，需要獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng);其次，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)文件存取速度很快，其采用的是內(nèi)存文件形式，直接在內(nèi)存中存取，這是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫所不能比擬的，對于實(shí)時(shí)性要求比較高的系統(tǒng)來說是一個(gè)比較好的選擇，而且實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)文件操作方便，只要學(xué)會(huì)使用中間件提供的API函數(shù)和一些簡單的原理就可以自如地操作數(shù)據(jù)。
其缺點(diǎn)是記錄數(shù)固定，不支持SQL語言，數(shù)據(jù)維護(hù)完全由人工控制。
2.2.5中間件系統(tǒng)
中間件系統(tǒng)為整個(gè)系統(tǒng)提供了進(jìn)程管理、數(shù)據(jù)文件管理、消息管理、畫面管理等系統(tǒng)功能，屏蔽了應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)之間的細(xì)節(jié)問題，使開發(fā)者可以將精力放在軟件需求功能上，而不必過多地考慮如何與操作系統(tǒng)打交道，開發(fā)者將主要精力放在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所要求的功能上，可以大大提高軟件開發(fā)的效率。
3仿真效果
仿真系統(tǒng)針對表2中同鋼種不同目標(biāo)溫度的板坯進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真，板坯從裝入開始，按照仿真設(shè)定的生產(chǎn)節(jié)奏(120s抽出一塊板坯)，從入爐側(cè)向出爐側(cè)移動(dòng)，整個(gè)過程經(jīng)歷爐尾段、預(yù)熱段、加熱段和均熱段，最終從抽出側(cè)抽出。板坯溫度跟蹤采用厚度方向上的一維中心差分模型，根據(jù)模擬的爐氣溫度計(jì)算出輻射傳導(dǎo)流入板坯的熱量，從而計(jì)算出板坯各層的溫度，然后根據(jù)板坯當(dāng)前溫度和生產(chǎn)節(jié)奏預(yù)測的剩余在爐時(shí)間，計(jì)算出板坯達(dá)到目標(biāo)溫度所需的各段必要爐溫。由于仿真過程中加熱爐每個(gè)加熱段都有好幾塊板坯，每塊板坯的溫度是不同的，因此預(yù)測的必要爐溫也不相同，而模型下發(fā)到L1的設(shè)定值只能是一個(gè)，對此爐溫設(shè)定模型采用加權(quán)平均的方法計(jì)算設(shè)定溫度。
圖6給出表2中兩種不同目標(biāo)溫度的仿真結(jié)果，不難看出為了保證1250℃的出爐溫度，圖6(b)中各段爐氣溫度都有所提高，從而保證目標(biāo)溫度控制在15℃之內(nèi)。仿真結(jié)果表明加熱爐模型是切實(shí)可行的，模型人員可以通過仿真系統(tǒng)確定初始模型系數(shù)，定性地分析模型的可用性、可靠性、計(jì)算速率以及模型問的相互影響，同時(shí)也可以作為新模型上線前的測試平臺，發(fā)現(xiàn)模型存在的問題，減少上線后的風(fēng)險(xiǎn)。
但是仿真系統(tǒng)也有不足之處，主要反映在系統(tǒng)對爐氣溫度這個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了簡化，每次仿真計(jì)算的爐氣溫度是根據(jù)前一個(gè)計(jì)算周期的設(shè)定爐氣溫度加上一個(gè)擾動(dòng)值作為本周期計(jì)算時(shí)的爐氣溫度，這與實(shí)際生產(chǎn)中加熱爐大滯后，大慣性的情況是有所區(qū)別的，這也是以后有待改進(jìn)的地方。