步進(jìn)式加熱爐仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(duì)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(hù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求日益提高，因此，加熱爐過(guò)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(duì)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(guò)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(lái)料由上料輥道運(yùn)送到加熱爐裝入側(cè)[2]，通過(guò)裝鋼機(jī)裝入加熱爐開(kāi)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(guò)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(guò)程仿真系統(tǒng)就是要模擬加熱爐的生產(chǎn)過(guò)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(tái)。

2 仿真系統(tǒng)構(gòu)成

　　2.1 開(kāi)發(fā)與運(yùn)行環(huán)境

　　整個(gè)加熱爐生產(chǎn)過(guò)程仿真系統(tǒng)采用Microsoft Windows開(kāi)發(fā)平臺(tái)，其中前臺(tái)人機(jī)交互界面采用Visual Basic開(kāi)發(fā)，后臺(tái)采用Visual C++開(kāi)發(fā)，中間件采用Plature99，此系統(tǒng)可以運(yùn)行在Windows 2000 Server，Windows NT與Windows XP平臺(tái)上，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中采用了面向?qū)ο蟮拈_(kāi)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(huà)面系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)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(guò)標(biāo)準(zhǔn)的中間件接口函數(shù)訪問(wèn)，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(duì)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(guò)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(mǎn)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(mǎn)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(mǎn)足連鎖關(guān)系中步進(jìn)梁不能移動(dòng)之外，還要判斷畫(huà)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(mǎn)足動(dòng)作條件之外，在動(dòng)作判定的先后順序上也要滿(mǎn)足一定的原則，在這三個(gè)動(dòng)作中裝鋼、抽鋼的優(yōu)先級(jí)比較高應(yīng)該首先判定，步進(jìn)梁移動(dòng)的優(yōu)先級(jí)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(guò)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(kāi)始對(duì)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(guò)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(duì)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(guò)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(cè)試不再是對(duì)單個(gè)模型的靜態(tài)測(cè)試，而是對(duì)整個(gè)模型控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測(cè)試，不僅可以測(cè)試單個(gè)模型的計(jì)算效果，同時(shí)還可以測(cè)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(lèi)似的方法，如圖4所示，通過(guò)修改這些參數(shù)以及抽出節(jié)奏的方式，測(cè)試模型的計(jì)算效果。