一種基于plc的鋼板溫度在線預測方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于乳制領域，具體涉及一種基于PLC的鋼板溫度在線預測方法。
【背景技術】
[0002] 隨著先進的計算機和控制技術在乳制中的廣泛應用，用戶對產(chǎn)品的尺寸、質(zhì)量和 性能等要求越來越嚴格；對于鋼板的乳制來說，鋼板溫度的控制至關重要，溫度決定了金屬 的變形抗力，是乳制力、力矩、功率等力學參數(shù)的敏感影響因素，影響到成品的厚度精度、板 形和表面狀態(tài)等外形質(zhì)量；同時溫度也是鋼板再結(jié)晶、相變、析出等微觀組織變化的重要條 件，鋼板溫度的控制精度決定了乳后產(chǎn)品的組織和性能；
[0003] 乳制過程中鋼板工藝規(guī)程的制定與溫度制度密切相關，生產(chǎn)過程中生產(chǎn)線上每塊 鋼板的溫度的變化是乳制節(jié)奏的控制和力能模型精確計算具的重要基礎；目前生產(chǎn)環(huán)境下 對于鋼板溫度的處理和計算的方法具有如下缺點：
[0004] (1)通過測溫儀測量鋼板溫度。
[0005] 現(xiàn)場安裝的測溫儀僅能測量到鋼板在某個位置的表面溫度，而且由于熱乳鋼板表 面氧化鐵皮和表面殘余冷卻水的原因，特別是在乳機附近鋼板溫度的測量值變化劇烈，測 量結(jié)果并不能代表實際鋼板溫度，無法為模型計算提供精確溫度數(shù)據(jù)；
[0006] (2)在計算機中使用模型計算溫度。
[0007]目前的計算機中常采用的非實時操作系統(tǒng)，溫度模型的計算周期長，無法實現(xiàn)高 速計算，計算精度無法保證；此外，計算機溫度模型所需的大量數(shù)據(jù)均來自于生產(chǎn)現(xiàn)場，計 算機需要與生產(chǎn)控制PLC進行大量的數(shù)據(jù)通訊，消耗系統(tǒng)資源。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提出一種基于PLC的鋼板溫度在線預測方法，以達 到提高鋼板生產(chǎn)全過程的溫度預測的計算速度、精度和響應速度的目的。
[0009] -種基于PLC的鋼板溫度在線預測方法，包括以下步驟：
[0010] 步驟1、建立生產(chǎn)過程中鋼板的跟蹤隊列，并在跟蹤隊列中對鋼板的頭部位置、長 度、厚度和溫度分布進行實時更新；
[0011] 步驟2、采用建立差分溫度模型的方式描述鋼板沿厚度方向的溫度分布情況；
[0012] 步驟3、根據(jù)鋼板的換熱方式，基于PLC對鋼板的溫度進行在線預測，并在跟蹤隊 列中更新溫度數(shù)據(jù)。
[0013] 步驟2所述的差分溫度模型，具體如下：
[0014] 從鋼板1/2厚度處向鋼板上表面，沿厚度方向離散劃分若干個節(jié)點，并建立差分 溫度模型；所述的差分溫度模型，包括邊界節(jié)點隨時間變化的差分溫度模型和內(nèi)部節(jié)點歲 時間變化的差分溫度模型；
[0015] 邊界節(jié)點隨時間變化的差分溫度模型，公式如下：
[0017] 其中，B1= hAy/K，h表示為鋼板表面與外界的換熱系數(shù)，K為導熱系數(shù)；Ay表示 厚度方向相鄰節(jié)點的距離；巧表示k時刻邊界節(jié)點N的溫度，表示k時刻邊界節(jié)點N-1 的溫度，Tf1表示k+Ι時刻邊界節(jié)點N的溫度
表示導溫 系數(shù)，P表示材料密度；c表示比熱；△ t表示時間迭代步長。
[0018] 內(nèi)部節(jié)點隨時間變化的差分溫度模型，公式如下：
[0020] 其中，f表示k時刻節(jié)點j的溫度，匕表示k時刻節(jié)點j-Ι的溫度， 匕表示k時刻節(jié)點j+Ι的溫度，"44表示k+Ι時刻節(jié)點j的溫度，k = 0時，
出爐時鋼板溫@。
[0021 ] 步驟3所述的根據(jù)鋼板的換熱方式，基于PLC對鋼板的溫度進行在線預測，并在跟 蹤隊列中更新溫度數(shù)據(jù)，具體包括如下步驟：
[0022] 步驟3-1、判斷鋼板所屬換熱方式，包括：空冷輻射換熱、乳制過程乳輥與鋼板接 觸換熱和除鱗過程高壓水與鋼板接觸換熱；
[0023] 當為空冷輻射換熱時，則執(zhí)行步驟3-2 ;
[0024] 當為乳制過程乳輥與鋼板接觸換熱或除鱗過程高壓水與鋼板接觸換熱時，則執(zhí)行 步驟3-3 ;
[0025] 步驟3-2、采用PLC中定時中斷組織塊0B35,定時獲取跟蹤隊列中鋼板的換熱系 數(shù)、傳導系數(shù)和比熱，并根據(jù)建立的差分溫度模型對跟蹤隊列中鋼板的溫度進行更新，實現(xiàn) 在線預測；
[0026] 步驟3-3、采用PLC中循環(huán)組織塊0B1，根據(jù)觸發(fā)獲取跟蹤隊列中鋼板的換熱系數(shù)、 傳導系數(shù)和比熱，并根據(jù)建立的差分溫度模型對跟蹤隊列中鋼板的溫度進行更新，實現(xiàn)在 線預測。
[0027] 本發(fā)明優(yōu)點：
[0028] 本發(fā)明為了能夠?qū)θ橹七^程每塊鋼板的溫度進行預測，建立隊列對鋼板進行位置 微跟蹤；鋼板從出爐開始加入隊列中，乳制結(jié)束時從隊列中刪除；隊列中鋼板的位置跟蹤 利用所占用的輥道速度進行計算，并通過金屬檢測器進行修正；在乳制過程中，根據(jù)實際的 乳制規(guī)程修改所跟蹤鋼板的厚度和長度信息。
[0029] 本發(fā)明在PLC中開發(fā)鋼板溫度計算的一維顯式差分模型，使用結(jié)構化控制語言 (Structured Control Language，簡稱SCL)編寫程序?qū)﹃犃兄械乃袖摪灏凑找欢ǖ挠|發(fā) 周期在線計算鋼板厚度方向的溫度變化，計算結(jié)果數(shù)據(jù)存儲于在PLC中建立的數(shù)據(jù)塊；鋼 板溫度計算主要考慮空冷、除鱗水冷和乳制過程三種邊界條件，計算結(jié)果通過通訊接口傳 遞至人機界面和過程控制系統(tǒng)，用于實時顯示和為力能模型計算提供溫度數(shù)據(jù)；
[0030] 本發(fā)明針對鋼板溫度的在線預測模型直接嵌入至PLC中，能夠高速運算，滿足計 算精度的要求；同時，溫度模型計算所需數(shù)據(jù)直接從PLC中獲取，減少了通訊環(huán)節(jié)，計算結(jié) 果可為工藝模型提供溫度預測數(shù)據(jù)，即具有計算速度快、精度高、響應迅速的特點，實時獲 得鋼板厚度方向上的溫度分布，對于乳制工藝的穩(wěn)定實施、指導乳制規(guī)程優(yōu)化及過程控制 模型的參數(shù)自學習具有重要的實際意義。
【附圖說明】
[0031] 圖1為本發(fā)明一種實施例的基于PLC的鋼板溫度在線預測方法總體流程圖；
[0032] 圖2為本發(fā)明一種實施例的鋼板溫度有限差分計算節(jié)點劃分示意圖；
[0033] 圖3為本發(fā)明一種實施例的基于PLC對鋼板的溫度進行在線預測方法流程圖；
[0034] 圖4為本發(fā)明一種實施例的鋼板溫度在線計算模塊間調(diào)用示意圖；
[0035] 圖5為本發(fā)明一種實施例的各個道次溫降變化曲線示意圖。
【具體實施方式】
[0036] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明一種實施例做進一步說明。
[0037] 本發(fā)明實施例中，選擇對某雙機架3000mm中厚板生產(chǎn)車間鋼板溫度進行預測，從 鋼板出爐開始計算，至乳制結(jié)束整個產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，乳制產(chǎn)品的原始數(shù)據(jù)及工藝參數(shù)如 下：
[0038] ?鋼種：Q345
[0039] ?坯料規(guī)格：23〇mmX l25〇mmX 225〇mm
[0040] ?成品尺寸：l6mmX l75〇mm
[0041] ?出爐溫度：1180 °C
[0042] ?乳機剛度：6500kN/mm
[0043] ?零點乳制力：20000kN
[0044] 乳制規(guī)程如表1所示，其中包括粗乳8道次，精乳6道次，有些乳制道次需要開啟 除鱗，以去除鋼板表面的氧化鐵皮。乳制規(guī)程的分配是由過程控制模型根據(jù)原始數(shù)據(jù)和實 際的工藝要求，按照預設定的乳制節(jié)奏，考慮鋼板乳制過程的溫降以及力能校核條件，包括 最大咬入角、最大乳制力、最大扭矩等限制條件進行計算的。由于實際的乳制節(jié)奏可能和預 設定的節(jié)奏有偏差，所以過程控制模型中鋼板溫降過程的計算與實際鋼板溫度相比同樣存 在偏差，進而影響乳制規(guī)程的設定精度，這也是基于PLC對鋼板溫度在線預測的重要意義 所在，可以及時將鋼板溫度的變化反饋給工藝模型，提高乳制規(guī)程的計算精度。
[0045] 表1雙機架乳機乳制規(guī)程
[0046]
[0047] 本發(fā)明實施例中，基于PLC的鋼板溫度在線預測方法，如圖1所示，包括以下步 驟：
[0048] 步驟1、建立生產(chǎn)過程中鋼板的跟蹤隊列，并在跟蹤隊列中對鋼板的頭部位置、長 度、厚度和溫度分布進行實時更新；
[0049] 本發(fā)明實施例中，在乳制過程中，生產(chǎn)線上常常同時存在多塊鋼板，每塊鋼板的尺 寸、位置及溫度邊界條件均不一致，為了能夠同時預測多塊鋼板的溫度值，需要建立一個隊 列對乳線上的鋼板進行管理，本發(fā)明實施例中，PLC中的溫度模型不斷的對鋼板隊列進行遍 歷，根據(jù)每塊鋼板的邊界條件求解溫度值。
[0050] 本發(fā)明實施例中，鋼板跟蹤的起點為加熱爐出口，跟蹤終點為精乳機乳制結(jié)束；在 PLC的數(shù)據(jù)塊中建立能最大容納10塊鋼板屬性的隊列，每塊鋼板的屬性包括身份證、鋼種、 碳含量、頭部位置、長度、厚度信息和需要計算的溫度值，鋼板跟蹤方式如下：
[0051] (1)在鋼板出爐觸發(fā)時加入跟蹤隊列，整個乳制階段完成后從隊列中刪除；
[0052] (2)在PLC定時中斷0B35中，根據(jù)鋼板所占用的輥道速度、方向和PLC中的觸發(fā)時 間周期，計算鋼板頭部的位置變化；
[0053] (3)利用金屬檢測器的上升沿、下降沿信號，以及鋼板的咬鋼、拋鋼信號對隊列中 鋼板的位置進行修正計算；
[0054] (4)乳制過程隨著鋼板的變薄、變長，根據(jù)乳制工藝對鋼板的尺寸進行更新；
[0055] 步驟2、采用建立差分溫度模型的方式描述鋼板沿厚度方向的溫度