步进式加热炉仿真系统设计

XJzy

   引言

　　热轧加热炉是整个热轧生产中的一个重要生产工序[1]，加热炉对板坯的加热质量直接影响到之后各道工序的生产质量。随着现代技术的发展，产品品种不断增多，用户对产品质量的要求日益提高，因此，加热炉过程控制系统的控制策略和数学模型一直是人们关心的重要研究课题，对其进行不断的改进已成为提高热轧产品质量和产量的重要途径之一。

　　1 热轧加热炉生产过程

　　加热炉仿真系统基于4座步进式加热炉，生产的原料为板坯，如图1所示。

　　整个加热炉区主要包括上料辊道、装钢机、4座步进式加热炉、抽钢机和出炉辊道。来料由上料辊道运送到加热炉装入侧[2]，通过装钢机装入加热炉开始加热，之后由步进梁移动板坯到加热炉出口完成加热过程，抽钢机抽出板坯放到出炉辊道上送往轧线。

　　加热炉生产过程仿真系统就是要模拟加热炉的生产过程，将加热炉模型加载到仿真系统中，为模型的调试、研发提供一个动态的仿真平台。

2 仿真系统构成

　　2.1 开发与运行环境

　　整个加热炉生产过程仿真系统采用Microsoft Windows开发平台，其中前台人机交互界面采用Visual Basic开发，后台采用Visual C++开发，中间件采用Plature99，此系统可以运行在Windows 2000 Server，Windows NT与Windows XP平台上，在开发过程中采用了面向对象的开发技术，代码复用率高，核心部分代码可以直接移植到工业应用环境中。

　　2.2 结构与功能

　　仿真系统结构如图2所示。

　　整个仿真系统由应用系统、模型系统、画面系统、数据库系统、中间件系统五个部分组成。各个部分都封装成独立的模块，每个模块相互之间通过标准的中间件接口函数访问，采用这种方式可以最大程度地隔离各功能模块，使各模块功能单一，接口清晰，相互之间不会影响，最大限度地提高了系统的鲁棒性。

　应用系统中包括系统总控模块、装入模块、步进梁移动模块和抽出模块共四个模块，其中系统总控模块是应用系统的主体，负责监控整个系统的状态，管理、调度加热炉动态装钢、步进梁移动和抽钢三个进程的执行;装入模块主要实现装入位置的确定，启动装入模型计算等功能;步进梁移动模块负责对板坯位置的跟踪和计算;抽出模块主要启动抽出模型计算板坯的出炉温度，以及出炉后的数据清理。

　　如果想要模拟加热炉的生产过程，必须要了解实际生产中步进梁动作与装钢、抽钢动作之间存在的连锁关系，如表1所示，这种关系在某种程度上影响了加热炉的生产节奏，仿真系统必须要模拟这种实际生产的节奏才能够达到比较理想的动态模拟效果。

　　表1 加热炉动作连锁关系

　　在仿真系统中连锁关系表现为状态的变化，每个动作是否可以执行首先要判定其它两个动作的状态，在满足连锁关系的前提下才可以执行，否则必须等待。连锁关系只是判定是否可以动作的一个基本前提，在满足这个基本前提的情况下还要根据实际的仿真情况判定是否可以动作，以装入为例，除了要满足连锁关系中步进梁不能移动之外，还要判断画面中装钢标志是否可装、加热炉炉尾段是否有足够的位置可以装入等限制条件。除了要满足动作条件之外，在动作判定的先后顺序上也要满足一定的原则，在这三个动作中装钢、抽钢的优先级比较高应该首先判定，步进梁移动的优先级较低，只有在不能装入和抽出的时候才判定步进梁是否可以移动。仿真系统只有在合理地调度、监控这三者之间关系的基础上才能够比较真实地模拟加热炉的生产过程。

　　系统总控功能是工作频率最为频繁的服务程序，设定每1s启动一次，并且在仿真程序启动后自动运行，开始对系统状态进行监控。之所以如此频繁地启动系统总控程序是因为系统的状态随时都有可能发生变化，要在尽量早的时间内启动相应处理过程，更加逼真地模拟加热炉生产情况。

　　2.2.2 模型系统

　　模型系统包括装入模型处理进程，周期处理进程和抽钢模型处理进程。

　　周期处理进程是模型系统的核心同时也是一个模型集合，如图3所示，包括板坯温度计算模型，剩余在炉时间计算模型，必要炉温计算模型和炉温设定模型等，每种模型都可以采用不同的计算方法或者控制策略。其中板坯温度计算，不仅可以采用指数模型，还可以采用一维差分模型，甚至是二维差分模型[3]。对于炉气温度预报可以采用按段末目标温度预报，也可以按出炉目标温度预报。这些控制策略和模型算法都可以做成不同的模块，通过参数配置决定执行哪种方法。

　　在加热炉仿真系统中，由于板坯在动态地装入、移动和抽出，所以模型的测试不再是对单个模型的静态测试，而是对整个模型控制系统的动态测试，不仅可以测试单个模型的计算效果，同时还可以测试模型间的相互影响。

为了模拟实际生产中的炉气温度、抽出目标温度修正等情况，仿真系统中也提供了类似的方法，如图4所示，通过修改这些参数以及抽出节奏的方式，测试模型的计算效果。

　　　　画面系统提供了人机交互界面，用来监控系统状态、设定系统参数、控制仿真的运行方式。图5是系统的配置画面，用户可以在此画面中设定仿真的运行速率，装入、抽出和步进梁动作周期等参数，同时还可以动态监控每个加热炉当前的状态。

　　在人机界面设计中，采用了C/S模式，人机界面可以作为一个单独客户程序装在任何一台和仿真主机在网络上连通的PC机上，通过TCP/IP与主机的仿真管理单元的界面数据接收单元交换数据，这样可以做到多个用户(包括远程用户)同时使用仿真系统。

　　2.2.4 数据库系统

　　数据库系统采用实时数据文件系统，其原理是使用了内存文件存取的数据技术。实时数据文件与关系型数据库相比具有以下优点：

　　首先实时数据文件非常小巧，适合内嵌到过程机系统，不像关系型数据库比较庞大，需要独立的数据库管理系统;其次，实时数据文件存取速度很快，其采用的是内存文件形式，直接在内存中存取，这是关系型数据库所不能比拟的，对于实时性要求比较高的系统来说是一个比较好的选择，而且实时数据文件操作方便，只要学会使用中间件提供的API函数和一些简单的原理就可以自如地操作数据。

　　其缺点是记录数固定，不支持SQL语言，数据维护完全由人工控制。

　　2.2.5 中间件系统

　　中间件系统为整个系统提供了进程管理、数据文件管理、消息管理、画面管理等系统功能，屏蔽了应用程序与操作系统之间的细节问题，使开发者可以将精力放在软件需求功能上，而不必过多地考虑如何与操作系统打交道，开发者将主要精力放在实现系统所要求的功能上，可以大大提高软件开发的效率。

　　3 仿真效果

　　仿真系统针对表2中同钢种不同目标温度的板坯进行了动态仿真，板坯从装入开始，按照仿真设定的生产节奏(120s抽出一块板坯)，从入炉侧向出炉侧移动，整个过程经历炉尾段、预热段、加热段和均热段，最终从抽出侧抽出。板坯温度跟踪采用厚度方向上的一维中心差分模型，根据模拟的炉气温度计算出辐射传导流入板坯的热量，从而计算出板坯各层的温度，然后根据板坯当前温度和生产节奏预测的剩余在炉时间，计算出板坯达到目标温度所需的各段必要炉温。由于仿真过程中加热炉每个加热段都有好几块板坯，每块板坯的温度是不同的，因此预测的必要炉温也不相同，而模型下发到L1的设定值只能是一个，对此炉温设定模型采用加权平均的方法计算设定温度。

　图6给出表2中两种不同目标温度的仿真结果，不难看出为了保证1250℃ 的出炉温度，图6(b)中各段炉气温度都有所提高，从而保证目标温度控制在15℃之内。仿真结果表明加热炉模型是切实可行的，模型人员可以通过仿真系统确定初始模型系数，定性地分析模型的可用性、可靠性、计算速率以及模型问的相互影响，同时也可以作为新模型上线前的测试平台，发现模型存在的问题，减少上线后的风险。

　　但是仿真系统也有不足之处，主要反映在系统对炉气温度这个环节进行了简化，每次仿真计算的炉气温度是根据前一个计算周期的设定炉气温度加上一个扰动值作为本周期计算时的炉气温度，这与实际生产中加热炉大滞后，大惯性的情况是有所区别的，这也是以后有待改进的地方。