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热处理炉数学模型设计思路解析

2016/9/27    来源:e-works    特约撰稿人:岳临萍      
关键字:数学模型  温度设定  数据库表单  
本文着重介绍了热处理炉控制系统数学模型的设计思路,对数学模型的公式计算、建立背景以及功能进行了较详细的描述,同时给出了几个主要数据库表单的设计代码等。
    热处理工艺钢板温度的加热控制是依靠热处理炉的数学模型来实现的,能够降低能源消耗、提高产品附加值。热处理炉L2计算机模型计算从一块钢板的装炉开始到这块钢板的出炉结束。L2计算机将炉内每个区域的温度设定点传送至PLC系统,由L1系统各检测元件和设备执行钢板的加热过程控制,数学模型是整个热处理炉温度控制的中心。
   
    1、数学模型的功能描述 
    
    数学模型的计算是循环模式,直至操作工手动输入钢板数据才会终止计算。 模型分成几个部分来执行不同的任务,每几秒种内部循环控制器会安排不同任务的执行。在每个循环的开始部分,数学模型会分析热处理炉内实际钢板的跟踪位置,数据由L1系统的PLC控制模块通过TCP/IP协议的报文传送到L2系统中,包括钢板ID号和所有钢板的头部位置等信息。数学模型的通讯数据流程图如图1所示:
 
数学模型数据流程图
 
    图1 数学模型数据流程图
 
    1.1钢板信息的录入和存档
 
    一张新钢板装炉时,操作员须在本地计算机HMI上手动输入钢板的ID号进行确认。如果有可用的L3管理系统,则通过触发这个输入的ID号,L2计算机系统会从L3数据库中找出该钢板的相关数据。L2,L3系统的数据交换通过相应的接口程序进行。如果L2系统与L3系统的通讯出现故障,则只应用L2的本地数据库。这种情况下,由操作员对装炉钢板进行核查,手工输入相应的数据。如:钢板ID,厚度,长度,加热时间,加热温度等。如图2所示:
 
钢板信息输入界面
 
    图2 钢板信息输入界面
 
    当找到有效的钢板数据后,根据奥氏体要求和加热时间,数学模型会建立这张钢板独有的加热曲线。这个加热曲线给出了这张钢板在整个热处理炉内直到具备出炉条件时所有控制区域的温度优化范围。在炉内的各个阶段,计算的钢板平均温度与加热曲线得出的温度设定点之间会有一个偏差值,在每个控制区域会平滑的修正温度偏差到最小值,优化的目标就是降低炉内能源消耗到最低,对这张钢板在极限公差内进行热处理工序的计算匹配。
 
    优化炉内钢板的加热过程后,所有重要的计算及控制数据都要写到本地的ORACLE数据库中。
 
    1.2装炉和出炉事件的计算原则
 
    只有当钢板如由于装炉或出炉等原因全部或者部分覆盖了热处理炉区域, 系统会执行装炉或出炉事件,首先要比较之前收到跟踪信息与实际收到的跟踪位置是否一致。装炉事件的触发,是将一块新的装炉钢板列入到数学模型的跟踪系统中。钢板温度设定曲线根据从L3系统传送来的奥氏体温度和保持时间来优化钢板的升温过程;出炉事件的触发,是将这块钢板从数学模型的跟踪系统中移出。钢板的出炉技术数据和温度数据等会传送到本地数据库中。钢板在炉内的运行过程中,会根据厚度来决定使用零维还是一维模型的计算方法对其温度计算进行周期性更新。
 
    计算完毕后,炉内温度设定值会传送到钢板的温度控制中。如果计算出来的钢板温度低于钢板的工艺加热曲线的定义值,温度设定点会自动修正增加炉内区域温度;如果高于会自动降低温度控制。如果炉内装入一块以上的钢板时,最前面的钢板会控制到后面的钢板。在每个炉内区域会重复这个过程。在将温度设定点数据传送到PLC系统之前,系统要确认新的温度设定点不能增加到最大值或者减少到最小值。
 
    2、数学模型的建立
 
    数学模型控制钢板在炉内的温度加热过程分为两个主要的部分:
 
    2.1计算炉内钢板的热量传递
  
    辐射管的热量传递计算,要考虑到炉墙和炉顶对钢板的热辐射和热交换。准确的钢板出炉温度以安装在出炉后的高温计的测量结果为准。炉内钢板的热量转移主要有热传导和辐射两种方式,主要数学公式如下:
 
    热对流传导: 热对流传导
 
    热辐射传导: 热辐射传导
 
    总的热量交换 : 热辐射传导
 
    2.2计算钢板内部的热耗散
 
    由于钢板的厚度不同,计算钢板的平均温度时,根据厚度进行分层计算。对20mm以上及以下的厚度分别运用不同的计算模型,计算的结果用来优化炉内设置点温度设定。
 
    2.2.1零维数学模型:
     
    数学模型对于厚度20mm以下钢板的温度计算采用零维计算方法。也就是说在钢板的厚度方向上没有温度坡度的计算。因为薄的钢板相对来说它的热导率较高,不适合分成多层来进行计算。
 
    2.2.2一维数学模型:
        
    钢板厚度大于20mm及以上时,模型会转变为一维计算,将钢板厚度方向分为多层次进行计算。一般会在厚度方向上以等几何方法分3-7层。
       
    所优化的炉内设定点温度的平均值就是钢板不同层次温度的平均值。每张钢板会在钢板的头部、钢板的中心以及钢板的尾部计算7个几何位置。钢板本身化学成分的组成也对计算有影响,其比热和热导率的计算从三个硬编码表中得出,既无合金钢、低合金钢和高合金钢编码表,钢板化学成分的多少决定了装炉钢板属于哪个编码表进行计算,一般热处理炉数学模型主要应用这几种合金:C, Si, Mn, Ni, Cr, Mo, V。
 
    2.2.3一维模型的傅立叶差分方程式:
 
    钢板温度分布一维方程的计算基于傅立叶差分方程,定义了一个标准的稳态解。钢板自装炉时起到加热结束,每隔2-5秒周期(根据钢板厚度和分层数)就要对钢板温度进行重复性计算,不断更新模型计算的数据。差分方程的计算使用FDM有限差分的方法进行计算,它给出一个递归方程对钢板的不同层次的温度进行计算,是一个根据上一周期计算结果进行计算的函数。
 
热处理炉数学模型设计思路解析
 
 热处理炉数学模型设计思路解析
 
    3、辊底式热处理炉的数学模型流程图如下所示(图3-7):
 
热处理炉数学模型设计思路解析

 
热处理炉数学模型设计思路解析
 
热处理炉数学模型设计思路解析

热处理炉数学模型设计思路解析

热处理炉数学模型设计思路解析
 
    4、L2系统的几个主要数据库表单设计
 
    4.1 L3系统的数据库表单设计
 
    -- Create table 
 
    create table LEVEL3 
 
    ( 
  
    MSGNUM      NUMBER(5) not null, 
  
    TIMESTAMP   DATE not null, 
  
    CYCLE       NUMBER(6), 
    
    BASE_ID     NUMBER(6), 
  
    BASETEMP    NUMBER(5), 
  
    BASETYPE    NUMBER(2), 
  
    TRANSMITTED NUMBER(2), 
  
    PLATE_NO    VARCHAR2(20) 
 
    ) 
 
    4.2 L2系统炉内设定点的表单设计
 
    -- Create table 
 
    create table FURNACE_SETPOINTS 
 
    ( 
  
    SID                 NUMBER(2) not null, 
  
    SNAME               VARCHAR2(32) not null, 
  
    HEAT_TREATMENT_CODE VARCHAR2(1) not null, 
  
    STEEL_GRADE_CODE    VARCHAR2(3) default 'DEF' not null, 
  
    SPHT                NUMBER default '0' not null, 
  
    THICKNESS_MIN       NUMBER default '0' not null, 
  
    THICKNESS_MAX       NUMBER default '0' not null, 
  
    HOLDINGTEMP_MIN     NUMBER default '0' not null, 
  
    HOLDINGTEMP_MAX     NUMBER default '0' not null, 
  
    MATTEMP1            NUMBER default '0' not null, 
 
    ~ MATTEMP10           NUMBER default '0' not null, 
  
    ZONETEMPUPPER1      NUMBER default '0' not null, 
  
    ~ ZONETEMPUPPER16     NUMBER default '0' not null, 
  
    ZONETEMPLOWER1      NUMBER default '0' not null, 
  
    ~ ZONETEMPLOWER16     NUMBER default '0' not null, 
  
    CHANGED             DATE not null, 
  
    HOLDTIME_MIN        NUMBER, 
  
    HOLDTIME_MAX        NUMBER 
 
    ) 
 
    4.3 热处理完成后钢板数据的存储与通讯
 
    所有的处理钢板数据进行存档,并由L2系统发送到L3数据库中。
 
    -- Create table 
 
    create table HEAT_TREATMENT_RESULT 
 
    ( 
  
    SEQID                     NUMBER(10) not null, 
  
    PLATE_ID                  VARCHAR2(20) not null, 
  
    PLAN_NO                   VARCHAR2(20) not null, 
  
    TIME_CHARGE_FURNACE  DATE default to_date('01.01.1970', 'DD.MM.YYYY')  not null, 
  
    TIME_DISCHARGE_FURNACE  DATE default to_date('01.01.1970', 'DD.MM.YYYY') not null, 
  
    TIME_DISCHARGE_QUENCH DATE default to_date('01.01.1970', 'DD.MM.YYYY') not null, 
  
    HOLDING_TEMP              NUMBER default 0 not null, 
  
    HEATINGUP_TIME_TARGET     NUMBER default 0 not null, 
  
    HEATINGUP_TIME_CALC       NUMBER default 0 not null, 
  
    HOLDING_TIME_TARGET       NUMBER default 0 not null, 
  
    HOLDING_TIME_CALC         NUMBER default 0 not null, 
  
    FURNACE_OSCILLATING_TIME  NUMBER default 0 not null, 
  
    TOTAL_TIME                NUMBER default 0 not null, 
  
    PLATE_TEMP_AVE            NUMBER default 0 not null, 
  
    PLATE_TEMP_UPPERSURF      NUMBER default 0 not null, 
  
    PLATE_TEMP_LOWERSURF      NUMBER default 0 not null, 
  
    PLATE_TEMP_CENTER         NUMBER default 0 not null, 
  
    PLATE_TEMP_PYROMETER      NUMBER default 0 not null, 
  
    PLATE_SPEED_CHARGE        NUMBER default 0 not null, 
  
    PLATE_SPEED_DISCHARGE     NUMBER default 0 not null, 
  
    QUENCH_SPEED              NUMBER default 0 not null, 
  
    CHANGED                   DATE default sysdate not null, 
  
    SENT                      NUMBER(1) default 0 
 
    ) 
 
    5、小结
    
    热处理工序是提高钢板金相组织结构,强化钢板性能的主要工艺过程,其二级数学模型的建立及计算直接影响到钢板处理的能耗和产品质量。因此数学模型是二级控制的核心,德国LOI公司热处理炉的设计在济钢宽厚板厂得到了较好的应用,跟大家分享一下设计思路,希望能有所帮助。
 
责任编辑:李欢
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