（机械制造及其自动化专业论文）热轧粗轧机组负荷分配优化系统.pdf

独创性声明 本k 声明所呈交的学 立论文是本人在导师指导下进行的研究工怍及取得的 研究成果，据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得壹墨圭鲎或其他教育机 构的学应或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所敞的任何贡献 均己在论文中怍了明确的说明并表示谢意。 学应论文怍者签名 嗜强 签字日期：犰西年占月i a 目 学位论文版权使用授权书 本学i 立论文怍者完全了解 壹叠塞堂 有关保留、浸用学1 立论文的规定， 育权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权南昌土学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学应论文。 l 保密的学匣论文在解密后适用本授权书) 学l 立论文怍者签名、静琵 导师签名 铆司争 簦字日期：细巧年易月胁目签字日期： o f 年，月| 1 日 学 立论文阼者毕业后去向 工怍单l 立： 通讯地址： 电话： 邮编： 摘要 对糨轧枧缝毒l 制生产过程来说，如何确定辘连总道次数以及每道次躲压下量 是蠢l 定霉k 裁撬程匏一个羹爱阏题。舍理数毒l 镄攥稷在稳霹约工艺条件下，鼗更袁 效的利用设备能力，提高轧机的产量和产品的质量，并降低轧制能耗。 论文中介绍了国内某钢厂2 0 5 0 热轧厂工芝，并且分析了粗轧机组在现行的 负荷分配港i 度下存在的实际闽题，比如生产效率不高，轧机系统负赫波动大等。 赞黠主述豹实蓐羯瑟戮及t e n 过程豹巍裂特点，泵蠲蠹努惑层徭丽送代兹算 法来分配粗轧机组的轧制蕊程。矫层应用最大隈度利用轧机能力法对总轧铡道次 数进行遮代求解，内层采用综合等负荷函数法剥每个道次的压下量进行分配。 介绍了综合等负荷函数法的基本原理、计算方法、基本特点，通过调整综合 等负荷蓉装c 解决了该算法收敛蛇阕题。 本系统采蠲了嚣自对象鹃方法迸彳亍分辛厅鞠设计，增强了软彳孛静稳定性、灵活 性和易维护性，同时也增姒了代码的可重用性。 对系统进行了理论探索，并联系实际，做了大量的运算，实例验证了系统的 科学性、实用性和可靠性。 关键词：粗轧机组；轧制规程；优化；综合等负衙函数法 a b s t r a c t a sf a ra sm a n u f a c t u r i n gp r o c e s so f r o u g hr o l l i n g ，h o wt of i g u r eo u tt h en u m b e ro f t o t a lp a s s e sa n dl o wr e d u c t i o ne v e r yp a s si sa ni m p o r t a n ti t e mf o re s t a b l i s h i n gr o l l i n g s c h e d u l e s i nt h es a m ec o n d i t i o nr e a s o n a b l er o l l i n gs c h e d u l e sc a nu t i l i z ec a p a b i l i t yo f f a c i i i t i e sm o r ee f f e c t i v e l y ，i m p r o v ep r o d u c t i o no u t p u to f r o l l i n gm a c h i n e sa n dp r o d u c t q u a l i t y ；a n dl o w e re n e r g yc o n s u m p t i o no f r o l l i n gd r a m a t i c a l l y i n t r o d u c i n gt e c h n i c so fs o m eh o tr o u g hm i l li nd o m e s t i c ，a n a l y z i n gs o m ep r o b l e m i nr o u g hm i l lw i t ha c t u a ll o a da l l o c a t i o n f o re x a m p l e ：l o wp r o d u c ee f f i c i e n c y ，b i g l o a df l u c t u a t ei nr o u g hm i l l a c c o r d i n gt oa c t u a lp r o b l e ma n dt h ec h a r a c t e ri nr o u g hr o l l i n gp r o c e s so fs o m e h o tr o u g hm i l li nd o m e s t i c ，d o u b l el e v e lr e p e a t i n gi t e r a t i v ea l g o r i t h mi si n t r o d u c e dt o a l l o c a t er o l l i n gs c h e d u l eo fr o u g hr o l l i n g e x t r al e v e ls o l v e st o t a ln u m b e ro fp a s s e s i t e r a t i v e l 3 ，i nt h ew a 3 u t i l i z i n gm a x i m u mr o l l i n gc a p a b i l i t yi n t e r i o rl e v e ls o l v e sl o a d m e a s u r eo f p e r p a s su t i l i z i n ge q u a ll o a df u n c t i o nm e t h o d i n t r o d u c i n gb a s i ct h e o r y , c o m p u t em e t h o d ，b a s i cc h a r a c t e ro fe q u a ll o a df i m c t i o n m e t h o d t h ec o n s t r i n g e n c yp r o b l e mo ft h ea l g o r i t h mi ss e t t l e db ycw h i c hi st h e c o e f f i c i e n to fe q u a ll o a df u n c t i o nm e t h o d t h es y s t e mi sa n a l y z e da n dd e s i g n e db yo b j e c t e d o r i e n t e dm e t h o d ，s os t a b i l i t y , a g i l i t ya n de a s ym a i n t a i n a b i l i t y a r es t r e n g t h e n e da n dr e u s a b i l i t yo fc o d e si sb o o s t e di n t h es a m et i m e b 3 p r o b i n gi n t ot h es y s t e mt h e o r e t i c a l l ya n df i n i s h i n gag r e a td e a lo f c o m p u t a t i o n s c i e n t i f i c i t y , p r a c t i c a b i l i t ) ，a n dr e l i a b i l i t yo f t h es y s t e mi sp r o v e db yi n s t a n c e q i a n gz e n g 【m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g 】 d i r e c t e db yv p r o lg u o p i n gl i u k e yw o r d s ：r o u g hm i l l ，l o a da l l o c a t i o n o p t i m i z a t i o n ，e q u a ll o a df u n c t i o nm e t h o d 热轧粗轧机组负荷分配优化系统 第一章绪论 本章在简要介绍国内某钢厂2 0 5 0 热轧厂工艺和国内外研究发展状况的基础 上，介绍了本课题的选择依据及其意义。 1 12 0 5 0 热轧厂工艺简介 2 0 5 0 热轧厂年产热轧板卷5 0 0 万吨。目前生产的钢种主要有碳素钢、优质 碳索钢、低合金钢、螺旋焊管用钢和不锈钢。产品厚度范围1 2 2 5 4 m m ，宽度 范围6 0 0 1 9 0 0 r a m ，最大钢卷重量4 3 6 吨，最大单位宽度卷重2 3 k g m m 。 2 0 5 0 热轧机组为3 4 连续式轧机。全厂的主要设备：4 座步进梁式加热炉， 4 架粗轧机，7 架精轧机，精轧机前设有曲柄式切头飞剪，精轧后设有输出辊道 和层流冷却系统，3 台液压式地下卷取机，各台卷取机均设有卧式打捆机和翻卷 机，运输链和钢卷小车等运输系统。 其中粗轧机组由四架轧机组成，每架前均设立辊。除r l 轧机为二辊轧机外 其他三架均为四辊轧机。e 1 r 1 和e 2 r 2 均为可逆式万能轧机。e 3 r 3 和e 4 r 4 为不 可逆轧机，采用微张力连轧。2 5 0 衄n 厚度的板坯通过粗轧机组可以轧成3 5 6 5 m 厚度的中间坯。 2 0 5 0 热轧生产采用四级计算机控制系统，包括l e v e l l 基础自动化级、l e v e l 2 过程机级p c c 、l e v e l 3 分厂生产控制级f l s 和l e v e l 4 总厂生产管理级。这四级 系统通过以太网s c c 光纤数据大道级d d c 光纤数据大道组成一个完善的多级控制 系鲥”。 南黟大学硕士学位论文 t 2 匿走外研究发矮状况 6 0 年代前，热轧机组负荷分配主要激用人工设定的经验方法。随麓电子计 算枫在带钢热轧视缝中的引入，轧制籁稷的设定逐渐采用计冀祝迸孪亍设定。6 0 年代初，日本今井一郎提出了能耗模型的简化公式；北京钢铁研究总院的张进之 教援等入毽穗了综合镣储备受翁分配原理“”。年代末，誉零闻户壳簿入捷密 了负荷分配的最优化方法。7 0 年代末，梁国平提出轧制负荷函数方法“3 。1 9 8 8 筝，瑟杰等入挺交趣投谯纯分酝方法。鞠年我寒，翔零仁鬟爨动态受饕分聚法， 并应用于热轧带钢连轧成品板型控制之中。1 9 9 5 年，孙晓光博士提出热轧带钢 糕睾i 枫组受簿分配懿人工毒孛经蹋络方法，势在该方法基础上形戏了协同人工蛰熊 设定方法4 1 。2 0 0 1 年，意大利c e l a n o g 等人用人工智能技术对负荷分配谶行优化 设定；同年，j b 京科技大学穆志缝等人采用知识发现霉数据挖掘的方法对轧靠6 运 行数据库进行挖掘，从中提取代夜熟练揉 乍工人丰富豹操作和熊荷分配缀验的关 联规则，进而建立知识模型和数学模型相结合的负荷分配模型”1 。2 0 0 2 年，宝钢 袋份公司的刘献东等入遥过对1 5 8 0 乾辊麓轧遒次受葡进行饶纯分配，簿低镏坯 的烧损并减少能耗。优化后的粗轧压下规程与传统的压下规程的对比，粗轧后钢 逐瀑度实浏平鹭篷提麓了1 0 一i 5 瘦”。 总之，热轧机组负荷分配方法如图1 2 所示经历了经验法、能耗法、单目标 谯能方法、多霉褥钱他方法及夫王篡能方法等除段。在此过程中，受薅分配设定 精度不断提旃，其技术在日趋究警之中。冲1 。 1 3 选题依据及其意义 带钢轧制生产过程中，s l s u 规程设定( 负荷分配及设定值) 一向是组织生产 的关键，其中负荷分配决定了轧制过程的状态特性，其合理与否，对产品质量的 高低、轧制设各调整的难易、机组运转的可靠性和生产过程的稳定性等均有直接 的影响。 热轧机组预设定的主要任务是在板坯进入轧机前，根据板坯的实际状况( 板 坯厚度、板坯温度、板坯宽度以及带钢号等) 及轧制产品的要求，预先摆好各架 轧机的空载辊缝s 和轧辊的空转速度v ，这就是轧制规程设定。为了确定热轧机 组各机架的空载辊缝及速度值，首先必须确定各架轧机出口厚度值，它体现了通 2 热轧粗轧机组负荷分配优化系统 遵熟轧祝缰吾枫橥后，如何一步步墙将扳坯浮发为 l 的板坯轧翎戚厚度为h 麓j j ；i 品。这个任务称为厚度分配。由于在一定轧制条件下，各机架的厚度分配确定后， 各祝黎疑筑蕊j 攀度、乾焉_ | 摹度鞠# l 辘转速等主要工艺参数裁确定了，扶蔼其季t 铡 力、轧制力矩、轧制功率等负荷参数也就确定了。因此，习惯上又将厚度分配称 为受蘅分配。驭本质上游，负穗分酲凌定了毒铡过程魄状态特性。铡如，受萄分 配逝接影响到板形、板厚精度等产品质量，负荷分配还对轧制能耗、辊耗、生r 6 ： 过程的稳定性和作业率麓项指标确重要影唆。在某些愤况下，负荷分配还将影响 到产品最终的组织性能，因而热轧机组负荷分配问题历来为人们所重视，成为当 今轧制技术领域的一个十分重要的课题。 2 0 5 0 熟连轧祝组从1 9 8 9 年试生产至今已有十几年的时间，其中疆轧辊组负 荷分配策略、模型一直没有改进已经暴露出一些问题，因此十分有必要对现有 模懋迸芎亍深入的消讫和分析。 目前，2 0 5 0 热轧粗轧机组的负荷分配设定采用表格化模型，即根据板坯的 镂度缓、浮度臻童度等条舞对轧 孛进行分缀，羲量逶遥表格方式给定墨缝受赫分 配值：轧制邋次数及各道次的压下量( 包括水平辊和立辊) 。 随蓑产品缎捂与晶羊孛的不断增多，旧魄技术翅程无法满足生j “操馋的霭要， 为了保证日益提高的产晶质量和精度指标，操作工早已使用b 方式( 人工设定方 式) 轧钢。每块锶的负荷分配都怒嚣操作工的输入与调整来进行的，不同的钢种 和规格具有不同的输入值。标准的轧制技术规程总共宵1 8 8 个负荷计划。因此通 过人工调整规程，要使轧机获得最大的生产能力、最佳的产品质量以及稳定轧制 过稷是不_ j 熊的。 因此采用内外两层循环迭代的算法来分配2 0 5 0 热轧粗轧机纽的轧制规程。 井蒺应雳最大辍疫利焉亭l 疑麓力法对总乾铡道次蒙述行迭找求翁，内屡采麓综合 等负荷函数法对每个道次的压下翳进行调整。从而提高2 0 5 0 热轧粗轧机组生产 效率，同时傻耀乾枧缝系统受蔫均鹰，显誓减少乾剖力、乾制力矩等负蕊波动， 保证设备安全高效运行，改善设备运行环境。 南昌大学硕士学位论文 经验分配法 优点：篱莘、可靠、旋确保谈蚤安全，对设备戆交动讫程度姣赖性小 缺点：需要不断校梭和修正，易导致各架负荷不均，影响带钢的矮量 毒 能耗曲线法 优点：克鞭了经验分嚣法各撬架受莼不蟛臻象，姥充分邀发簿投缝簸力 缺点：需大量的实测数据和复杂的计算，常有1 0 以上误整 毒 单目标优化法 疆稼：等受蔫分嚣法、等穗霹受蕊分酝法、戆裁焱参分配法 缺点：根难得到最优的唯一解，目标单一 | 事 多耳标优化法 优点：受蓠函数院较完善，可瓣时瀵是受蕊蕺约慕鳇多方瑟簧求 缺点：在逖代过程中出现奇异解的现象 ： 人工智能法 优点：虿避开对乾裁过翟深艨烂箨无盘壤黪探索，以数据为蔹挺进行谯 化，有报强的容错憔，较高瓣计算速度，很强的学习能力 缺点：网络搜索空间大对硬件鼹求高，臻有合理的算法和相应的软件支持 圈1 2 热轧负荷分配方法发展历程 4 热轧粗轧机组负荷分配优化系统 第二章系统总体方案设计 在全面考虑生产现场工艺要求的情况下设计了系统总体方絮的结构功能图。 熊会2 0 5 0 热睾l 趣轧枫缀的轧制姆点和翦人提出的综合等受荷函数法设计了基于 综合等负荷灏数法的负荷分配优化模型，鼹立了2 0 5 0 热轧粗轧机组负荷分配优 化系统。可以提高2 0 5 0 热轧粗轧枫组生产效率，同时使粗轧机缎系统负箍均衡， 显磐减少轧翻力、轧制力矩等负稿波动，改善设备韵运行环境，保证设备安全高 效运行。 2 1 系统的总体目标 优纯设计是摆在一切可能的设计方案巾寻求最优方案。优化瑷计是隧蒋计算 机技术进入生产控制领域后，采用数学寻优的方法进行生产过樱控制设计。在进 行负蓊分配的饶亿设计时，首先必须爱确优纯的番标，氇藏是说矮优是捂什么螽 优。最优目标的选择，关系到所得结果是否合理可行。一般最优目标是根据生产 过攫鹣蒋点和具体要求麓定，以使生产工艺过程达到最佳，乾辎产品达至g 优质、 高产、低能耗。对最优目标用数学形式描述出来称为目标函数。在一般生产条件 下，生产过毯所追求的鼹优基标，鬻常受到某些方瑟的限刳。对予热轧耀载枧缝， 就蒙受到轧机强度、电机能力、工艺条件等因素的限制。在寻找目标函数极值的 过程中，必须保证优化参数在允许的限制条件之内，这就是约寐条件“”“”。 因此，对于2 0 5 0 热轧租轧机组负荷分配系统的设计可以概括为以下内容： 1 ) 根据热轧粗轧机组的具体要求，确定负荷分配的最优化目标函数； 2 ) 根据轧裁工艺和实际生产条件，确定约束条件； 3 ) 优化弊法必须不能太复杂，其计算叫间要满足实时控制的要求： ) 2 0 5 0 热氧蘧氧祝经负蔫分麓优纯软 誊兹洋缩设计； 5 ) 比较现场实际数据与优化模型数据的偏差，验证系统的可靠性和可信度。 2 2 系统绪构图 2 0 5 0 蒸莪褪巍掇缓负荷分糕傥耽系统是工监土静一个过稳优纯控澍系统 南昌大学硕士学位论文 必然会产生大量的过程数据，系统需要从数据库中读取现场采集入库的数据、板 坯的原始数据、轧制过程中产生的数据，同时需要保存计算结果数据到数据库中， 以备查询和报表输出。因此如何有效地对数据进行存取就是系统中必须处理的一 个问题。同时系统中的数学控制模型都采用现场实际应用的模型。结合2 0 5 0 热 轧粗轧机组的轧制特点以及前人提出的综合等负荷函数法设计了基于综合等负 荷函数法的负荷分配优化模型【1 = 1 1 5 】。系统的主要功能模块包括：数据存取模 块、轧制策略模型、道次预计算模型、优化模型以及限制条件。其系统结构图如 图2 1 所示： 轧制策略模型 ! 【道次预计算模型 l 优化分配模型 i 限制条件核查 t 结果输出 ，一1 。 !主 卫 厂_ 】l 广! _ f 压下量分布i 轧制力分布 f 轧制力矩分布i 能耗分布速度分布 l j l 一l jl 一l j 图2 1 系统结构图 2 2 1 数据存取模块的设计 在v c 下进行数据库方面的程序设计并不像其它专门数据库开发软件那么轻 松，因此我们考虑设计个易于使用的数据存取模块”。“。数据库模块的底层采 用a d o 技术，这是数据库存取技术的发展方同和m i c r o s o f t 极力推荐的方式，a d o 技术通用性强，不仅适于操作关系数据库，对于非关系数据库也同样适用c a d o 6 热轧粗轧机组负荷分配优化系统 本身是基于c o m 技术实现的，所以要设计个通用的a d o 数据存取模块，必须了 解c o m 知识和a d o 知识“2 。 2 2 2 轧制策略模型的设计 轧制策略的任务就是为道次计划计算收集、准备、存储道次计划计算所需要 的数据、表值。包括： 1 ，准备要轧制的板坯数据。包括板坯厚度、宽度、重量、长度、硬度组( 质 量等级) ，钢种等级( 质量号) 。 2 为粗轧带钢目标值准备数据。包括： 1 ) 粗轧带钢厚度。它可以由计算得来( 与厚度组、精轧带钢厚度以及系统厚 度修正有关) ，或由操作工通过键盘输入得到。 2 ) 粗轧带钢宽度。它是利用模型考虑精轧成品目标宽度及精轧宽展等因素 确定的，也可由操作员通过键盘输入得到。 3 确定压下规程。每一道次厚度和宽度压下的分配是根据压下规程来确定 的。压下规程包括负荷类型、负荷值和最大宽度压下。负荷类型主要是由厚度压 下的不同计算方法来区分的。负荷值包括水平道次的负荷值和侧压道次的宽度压 下量。 4 确定喷水规程。包括确定每个道次喷水阀门开启的选择。 压下和喷水规程组成一个负荷计划，它按质量等级、板坯宽度等级、板坯厚 度等级以及厚度压下等级编成不同的负荷计划号存入计算机相应的文件( 加载计 划选择表) 中，当轧制某一板坯时，计算机根据所要轧制板坯的质量等级、板坯 宽度等级、板坯厚度等级以及厚度压下等级计算出板坯的负荷计划号，这样就确 定了该板坯的压下规程和喷水规程。 j 对遗传系数的管理。轧制策略区分短时遗传系数和长时遗传系数。 短时遗传系数：它用于具有相同材料特性而尺寸变化小的带钢，随着生产过 程的进行，其内容在不断更新。 长时遗传系数：它用于材料或尺寸规格有较大变化的带钢。 在长、短时遗传系数中包括材料相关遗传系数和机架相关遗传系数以及全局 遗传系数。 材料相关遗传系数：它与带钢运行在哪个机架无关，仅与材料相关。包括轧 重量奎堂堡圭堂垡堡壅 制力遗传系数和轧制力矩遗传系数。 机架相关遗传系数：它与带钢运行在l 号一4 号的机架位置有关。包括轧制 力遗传系数和轧制力矩遗传系数。 全局遗传系数：它是带钢通过l 号，2 号，4 号机架后由宽度计和温度计实 测值处理后获得。包括全局宽度遗传系数、全局温度遗传系数和全局厚度遗传系 数。 其程序流程图如图2 ，2 所示： 图22 轧制策略流程图 2 2 3 道次预计算模型的设计 板坯经过粗轧机组轧制成具有理想目标尺寸的粗轧坯，这是在考虑工艺满足 极限条件时采用最小道次数完成的。每个道次压下量的分配是根据所选的工艺规 程确定的。 道次计划预计算是在板坯还未进入粗轧机之前进行的，计算各道次必要的轧 制参数和工艺参数。 道次计划预计算是根据板坯数据、粗轧带钢目标值、工艺规程等确定各道次 压下量，它计算所有工艺参数值，例如：温度、材料硬度、轧制力、轧制力矩等， 并由此来确定设定值。道次计划预计算是在轧制过程未发生前进行计算的，因此， 8 热轧粗轧机组负荷分配优化系统 它对过程的控制是属于预报性质的。 其程序流程图如图2 3 所示： 9 毒基犬攀矮圭学位论文 图2 3 预计算流程图 热轧粗轧机组负荷分配优化系统 2 2 4 负荷分配优化模型的设计 对粗轧机组轧制生产过程来说，如何确定轧制总道次数以及每道次的压下量 是制定轧制规程的一个主要问题。合理的轧制规程在相同的工艺条件下，能更有 效的利用设备能力，提高轧机的产量和产品的质量，并能降( 氐车l 带i i i 耗。 2 0 5 0 热轧粗轧机组在生产中存在着生产效率不高，轧机系统负荷波动大的 实际问题。针对2 0 5 0 热轧粗轧机组存在的实际问题以及车l l i l 过程的轧制特点， 采用内外两层循环迭代的算法来分配粗轧机组的轧制规程。外层应用最大限度利 用轧机能力方法对总轧制道次数进行迭代求解，内层采用综合等负荷函数法对每 个道次的压下量进行调整。 其程序流程图如图2 4 所示： 纛习初步确定总道次数 最大限度利用轧机能力珐|鎏 j 豢 ：综台等储备画数法 j 。，一：、 图24 优化模型流程图 南昌大学硕士学位论文 2 2 5 限制条件 2 0 5 0 热轧粗轧机组轧制规程的确定，一般需要考虑以下几个方面的限制性 条件： 1 ) 设备强度能力的限制，主要是允许轧制压力、允许轧制力矩，以确保轧 辊、轴承等强度； 2 ) 电机能力的限制，主要是额定功率，以保证电机的安全； 3 ) 工艺限制，第一机架的压下量要适当，过大会影响咬入，过小要影响产 品质量，另外，为了保证板型的良好，最后几架的压下量要呈递减的趋势。 除此之外还有速度等参数的限制。 2 3 本章小结 本章结合前人的成果和生产实际问题提出了基于综合等负荷函数法的负荷 分配优化模型。设计了系统的主要功能结构图，主要由数据存取模块、轧制策略、 道次预计算、优化模型、限制条件构成。 1 2 热轧粗轧机组负荷分配优化系统 第三章基于综合等负荷函数法的优化模型 2 0 5 0 热轧粗轧机组在生产中存在着生产效率不高，轧机系统负荷波动大的 实际问题。针对2 0 5 0 热轧粗轧机组存在的实际问题以及轧制过程的轧制特点， 采用基于综合等负荷函数法的优化模型，可以提高2 0 5 0 热轧粗轧机组的生产效 率，同时使粗轧机组系统负荷均衡，显著减少轧制力、轧制力矩等负荷波动，改 善设各的运行环境，保证设备安全高效运行。 3 。12 0 5 0 热轧粗轧机组现行负荷分配制度 2 0 5 0 热连轧机组从1 9 8 9 年试生产至今已有十几年的时间，其中粗轧机组负 荷分配策略、模型一直没有改进，已经暴露出一些问题，因此十分有必要对现有 模型进行深入的消化和分析。 目前，2 0 5 0 热轧粗轧机组的负荷分配设定采用表格化模型，即根据板坯的 硬度组、厚度和宽度等条件对轧件进行分组，然后通过表格方式给定各组负荷分 配值：轧制道次数及各道次的压下量( 包括水平辊和立辊) 。 随着产品规格与品种的不断增多，旧的技术规程无法满足生产操作的需要， 为了保证日益提高的产品质量和精度指标，操作工早已使用b 方式( 人工设定方 式) 轧钢。每块钢的负荷分配都是靠操作工的输入与调整来进行的，不同的钢种 和规格具有不同的输入值。标准的轧制技术规程总共有1 8 8 个负荷计划。因此通 过人工调整规程，要使轧机获得最大的生产能力、最佳的产品质量以及稳定轧制 过程是不可能的。 2 0 5 0 热轧粗轧机组区域的道次类型有3 种，分别为：一三- 道次( 指1 号机架轧一道次，2 号机架轧三道次，3 号4 号连轧) 、一五一一道次( 指1 号机 架轧一道次，2 号机架轧五道次，3 号4 号连轧) 、三三道次( 指l 号机架轧 三道次，2 号机架轧三道次，3 号4 号连轧) 。三种道次类型有各自特点，一三一 一道次由于轧制道次少，所以轧制时间最少，温降最低，节奏最快；三三一一道 次轧制时间最多，温降最高，现在很少采用这种道次类型；一五一道次介于两 者之间，粗轧现场操作中绝大多数采用的是一五一道次进行轧制。 南昌大学硕士学位论文 在一个具体的轧制规程中，根据5 艮制条件，我们不仅要寻求各利l 架轧制的最 佳道次数，并且要为整个粗轧周期寻求最佳道次数。针对2 0 5 0 热轧粗轧机组， 经过调研我们认为对粗轧机组进行负荷分配应优先确定压下，在满足轧机设备能 力和轧制工艺限制的条件下，应尽量减少道次，尽可能采用较大的压下量，以提 高生产效率，同时使轧机系统负荷波动均匀，减少设备的损耗，提高生产的稳定 性。有资料表明”。2 “， 2 0 5 0 热轧粗轧机组生产过程中，使用一三一一道次轧制 较之于一五一道次轧制有如f 优点： 1 ) 明显降低粗轧温降 2 0 5 0 热轧带钢生产过程中，相对于一五道次而言，使用一三一一道次 轧制，可以减少一组除鳞水，因此水冷温降将减少。另外，轧制节奏的加快将减 少带钢在空气中的辐射散热、传导的时间，这也将减少带钢在轧线上的温降。 2 ) 一三一一道次在粗轧轧制时间上的节省 一三一一道次轧制平均每块板坯所需要的时间：1 号炉，从抽铡到出r 4 需2 分1 0 秒；2 号炉，从抽钢到出r 4 需2 分2 0 秒；3 号炉，从抽钢到出r 4 需2 分 3 0 秒：而一五一一道次相应的多需l o 秒：l 号炉，从抽钢到出r 4 需2 分2 0 秒； 2 号炉，从抽钢到出r 4 需2 分3 0 秒；3 号炉，从抽钢到出r 4 需2 分4 0 秒。 由于一三一一道次比一五一一道次少轧2 个道次，一三一一道次比一五一一 道次快1 0 秒钟左右。这一点是很有意义的，2 0 5 0 热轧生产线面临着如何提高轧 线生产效率的问题，大规模的使用一三一一道次，在一定程度上可以解决这个问 题。 3 ) 中间坯的减少 由于采用一三一一道次轧制，粗轧轧制节奏加快，停留在粗轧区域的带钢只 有一块；而一五一一道次最多时可停留两块带钢。这样由于精轧突发故障引起的 带钢在辊道上的等待钢数由两块减少为一块，对减少中间坯的量起到了一定的效 果。 3 2 系统主要数学模型 自k a r m a n 于1 9 2 5 年首次提出变形区轧制理论开始，许多研究人员经过几十 年的努力，对轧制过程现象做出了科学的解释，在轧制理论研究方面取得了重大 1 4 热轧粗轧机组负荷分配优化系统 成就。随着计算机技术的发展，轧制技术也得到了很大的提高。轧制过程的数学 模型是轧制理论、轧制经验和计算机技术的综合产物。在轧制过程自动化控制过 程中，轧制过程数学模型的应用对优化轧制工艺过程、挖掘轧机潜力和提高产品 质量起着决定性的作用。 2 0 5 0 热轧机组是八十年代末从德国的西门子公司引进的，主要由轧制策略模 型、预计算模型、后计算模型三个部分组成。粗轧设定模型控制范围从加热炉出 口到4 号机架后测量位置，主要是对粗轧机组各机架进行设定计算与自适应计 算，以确保中间坯的厚度、宽度等达到目标值。其模型是粗轧过程机控制的重要 组成部分，是保证粗轧机稳定的关键。 3 2 1 水平轧制力 轧制力计算式是基于p m c o o k 和a w m cc r u m 的研究。 不考虑轧辊压扁的轧制力： f = 1 7 r 瓯五( 3 i ) 考虑轧辊压扁的轧制力： f ，玎簧 z ， 轧辊压扁关系： 肚州l + 黑) ( 33 ) 、b 埘7 一 上式代八( 3 2 ) 式得到： 肚f 1 l + 盟 ( 34 )r vyat4b 。 解二次方程： 尸卸c 筹备+ 厅蒜鲁) 2 阻s ， 令： d=羔=丽p丽。f2xbx ( 3 c 0 1 、 h 2 b h 疣 ” 于是： ，= ，( 口+ l + 甜2 ) ( 3 7 ) 一直曼查主堕主兰篁堡奎 将( 3 1 ) 代入( 3 6 ) 得： 口：f l x h 忑r x 2 ( 3 8 ) 2 b h 1 其中： ，：考虑轧辊压扁时轧制力，足； f ：未考虑轧辊压扁时轧制力，t ： ：轧辊钢种的伴随常数，脚2 k n ； b ：入口宽度m m ； 毛：相对厚度压下： r ：轧辊压扁半径，： r ：轧辊半径，m m ； h r ：材质硬度，； h ：入口厚度，m m ； 五：预计算或再计算用轧制力的道次特性遗传系数。 3 2 2 水平轧制力矩 考虑材质延伸时两根轧辊的总轧制力矩： ：! ：竺! !( 3 g ) 7 7 力臂系数计算如下： l ( 1 + 鼢) 口= f 一 2 另外，延伸率： 1 1 1 _ 一 。 】一民 得到： m = l t r x 8 h s 月x h x 民x o 一民) r x h x 0 6 h x ( 1 a h ) x h r x 氐x s 丽 ：rxh。丽：。)。hr。ah。一g r h ( 1 一j ) 将j 二式化简为： ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) 热轧粗轧机组负荷分配优化系统 m ：墨：! ：竺：鱼! 兰 月x h ( 1 一民) 考虑以下近似式： 扣篙 考虑单位从聊m 转换成m 获得力矩计算式 m ：r x h x h r ：x ：t ：x e 1 0 0 0 r zj 【， 其中：m ：总轧制力矩，圳m ： r ：轧辊半径，m 聊； ：出口厚度，m m ； ：入口厚度，m m ： 瑚：材质硬度，删； z ：轧制变形对相对压下的影响； f ：道次相关的轧制力矩遗传系数； “：力臂系数，m m ： 叮：道次相关的轧制力遗传系数； 三：带钢与轧辊接触弧长，m 州： s h ：前滑系数； ：轧制延伸率； 颤：相对压下量。 3 2 3 水平轧制功率 轧制功率计算如下： ：! ：丝：型 月 其中：m 月 1 ， 总轧制力矩，t ： 轧辊半径，m ： 轧制功率，k w ： 轧辊牵引速度，s e c 。 ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) 南昌大学硕士学位论文 3 3 粗轧机组负荷分配优化模型 针对2 0 5 0 热轧粗轧机组存在的生产效率不高，轧机系统负荷波动大的实际 问题以及轧制过程的轧制特点，我们从两个方面着手，一是轧制总道次数的确定； 二是各道次压下量的确定。因为这两个方面相互之间有着紧密的联系，不能孤立 的把它们分开来考虑。因此我们决定采用内外两层循环迭代的算法来优化粗轧机 组的轧制规程。外层采用最大限度利用轧机能力法对总轧制道次数进行迭代求 解，内层采用综合等负荷函数法对每个道次的压下量进行调整。采用基于综合等 负荷函数法的优化模型可以提高2 0 5 0 热轧粗轧机组的生产效率，同时使粗轧机 组系统负荷均衡，显著减少轧制力、轧制力矩等负荷波动，改善设各的运行环境， 保证设备安全高效运行。”。“。 其优化模型流程图如图3 1 所示。 图3 i 优化模型流程图 1 8 热轧粗轧机组负荷分配优化系统 3 3 1 确定轧麓蔻道次数 在2 0 5 0 热轧粗轧机组中，由于存在可逆机架，轧制道次数非常灵活。当采 鼹较少的道次数，可良提高轧视鹋生产率和轧俘终轧滠度。因此首要蟊标是在轧 机能力允许的情况下尽馒采用最大压下量轧制以减少轧制道次数。对于单道次机 絮，暹次最大压下量静计算可班分瓣为2 个步骤： 1 ) 分别计算在不同约束条件对应下的缳大道次压下量： 2 ) 麸不耀约寨条l 警对应数簸大道次压f 量孛选箨其中戆壤小僮俘隽该遘次 的最大压下爨。 考虑这精况，采用最大袋度剥鼹乾瓿缝力的方法，露营先攫摅l 号、3 号 和4 号机架的轧制能力分配厚威，然后将剩下的再由2 号可邋机架各道次分配 1 4 1 卦。其步骤为： 1 ) 根据l 号机架的负荷，确定其可麓轧出的出潮厚度h r t ( 即西2 ) ： h r l = h o a h r l + l ( 3 。1 7 ) 日0 扳坯入口厚度 a h r l 1 号机架的最大压下量 矗 计算调整懿= 霾 注：出口厚度用h 表示，入口厚度用表示，以下类似。 但为了艨蘸至矮剽咬锶( 压下麓过太，咬钢育圈蕊) ，剿t 号瓿絮懿羧太压下 量限制为矗r l 6 0 毫米。 根据上式确定h r l 履，对该设冬负荷进行校验，疲使； ， j d ：m 利用r e c o r d s e t 对象取缮结果记录嶷 一里建立了连接詹，裁可以剖建一个a d o 记录繁，它包含一个s q ls l e c t 语句的结果。为了取得记录集，需要先创建记录集对象： 一r e c o r d s e t p t rmp r e c o r d s e t ： m - i o r e c o r d s e t ，c r e a t e i n s t a n c e ( 一u u i d o f l ( r e c o r d s e t ) ) ： 创建了记录集蜃，仅仅绘它分配了空阔，记录集对象还不包含数据淳中夔任 何数据，所以需要打开记录集，从数据库中取得数据记录。我们可以直接使用 r e e o r d s e t 对象打开记聚集。 商晶大学硕士学位论文 4 ) 搡俘数据澎 程定数獬库中s t r i p n o 字浚为s t r i n g 类型。对记录爨的基本操作如下： ( 1 ) 数褥当翦记渌瓣蠹密 一v a r i a n t t v a t ： v a r = mp r e c o r d s e t - g e t c o l l e c t ( “s t r i p n o ”) ： c s t r i n gs t r ： s i r ：( l p c s t r ) ( 一b s t r _ t ) v a t ； 因为a d o r e c o r d s e t 返网的都是一v a r i a n t t 类型，所以要先定义一个 v a r i a n t t 类型的变量，然后根据字段类型作相应的数据转换。 ( 2 ) 增加s t r i p n o = ”3 0 8 7 8 0 0 1 0 0 ”婀记录 1 1 2 p r e c o r d s e t a d d n e w0 ： mp r e c o r d s e t 一 p u t c o l l e e t ( ”s t r i p n o ”，一v a r i a n t t ( 3 0 8 7 8 0 0 1 0 0 ) ) ； ( 3 ) l l | 豫第n 条帮钢号记秉 r e c o r d s e t 一 m o v e ( n ，a d b o o k m a r k f ir s t ) ：移凌到第n 祭记录 。r e c o r d s e t 一 d e l e t e ( a d a f f e c t c u r r e n t ) ；鸯 | | 豫当赘记豢 ( 4 ) 修改最后祭记录 mp r e c o r d s e t - m o v e l a s t ( ) ： md r e c o r d s e t 一 p u t c 0 1 e e t ( “s t r i p n o ”，一v a r i a n t t ( 3 0 8 7 8 4 9 9 0 0 ) ) ： 以上豁操作完肇居，需簧用mp r e c o r d s e t 一 u p d a t e0 来保存更改。 ( 5 ) 判空操作 有时，攮复查谗语甸后返圈麴记录集蠹空，或滋虽然毒记录，但该记录鲍菜 魑字段允许为空，这时如果真按进行数据读取和类型转换工作，会导致异常，所 以要进行判鳜。 i f ( 珈b r e c o r d s e t 一 a d o e o f ) 小如果记录指针直接糍向末尾，激示当前 记录集为空 i f ( v a t v t v 删u l l ) i g 墼馒瘸v a r i a n t t 类黧的v t 氇，裁断遂 阐字段值魁否为空，非空才可以进行数据转换。 5 ) 後灞完毕爱关 l l 连凌器敖对象 mp r e c o r d s e t 一 c l o s e0 ： 2 c o n n e c t i o m c lo s e0 ： 3 4 热# l 粗轧机组负荷分配优化系统 4 2 系统软件详缨设计 4 。2 。1 圭努嚣 此窗口符合w i n d o w s 窗体规范。如果菜单命令或工具栏按镊为实际颜色，表 示霹瞵黠葜遴雩亍搡终；鳃果受获爨，曩表示当蔻不戆砖其操终。下覆将霹塞曩各 缎成部分逐一进行介绍。 4 。2 。1 。1 燕赛霞鑫鼹 4 。2 1 2 菜单 精4 。2 童器酾 菜单避零软件为用户提供的主体功滟区，如闰4 3 和图4 4 所示，筵包括八 令蒙攀瑗，每矮具俸含义觅詹续螽节。 蓉藕露赛瑟镞瓢蹬设誊参熬数豢系确羲翔麓嚎翱糕滩盎翰攥凝率融辩鹣鲢 嘲4 3 宅菜单 ：幕鳓嚣濂锈羹潍獭嚣显番蛐樊垂国鬟黢 辑瀚鲢 3 5 鬻昌大学硕士学位论文 4 2 2 界面切换 圈4 4 绘图菜单 选择界面切换浆单，将会出现一个下拉式子菜单，如图4 ，5 所示。选择主界 面、傍粪秀瑟、鹜形器蟊、搬表莽瑶命令，将会依次浅现魏潮4 。2 ( 4 6 ，4 7 ，4 。8 ) 画面。选择报液界蕊命令后，在所显示的画面上点击打印预监按锻，将会出现如 图4 。9 所示画面。 4 2 3 1 仿真界面 热轧粗轧机组负荷分配优化系统软件的仿真界面如图4 6 所示。通过仿真界 面用户可以进行如下操作：基本信息的输入、策略信息的输出、轧制策略的查询 以及遗传系数的查询o ”。 1 在基本信息的输入中，通过数据库的选择可以确定是进行新钢种、新规 格的开发，还是对现场数据的优化仿真。带钢号是唯一的索引标识，通过带钢号 可以获得相应的板坯数据和带钢数据，每个轧机的轧辊直径在使用一段时间后需 要进行摩辊处理，所以其轧辊直径也是不断变化的。优化类型主要有轧制力和轧 制力矩两种方式，它们对应的是在相应的轧机中哪种负荷类型占主要地位。道次 类型有一三一一道次、一五一一道次、一三一道次和一五一道次四种类型。其中 一三一一道次为默认道次类型，当出现个别道次数据超过了额定值时，系统就会 自动在2 号机架上增加道次，各道次的压下量再重新进行分配，直到满足约束条 件为止。2 号机架最多可以轧制9 个道次。 2 在策略信息输出中，主要调用了轧制策略模块进行计算，可以得到厚度 等级、宽度等级、宽度压下等级以及加载计划号。通过这几个数据可以为下一部 分的轧制策略的查询和遗传系数的查询提供依据。 3 在轧制策略的查询和遗传系数的查询中，通过数据库中相应的基表信息 的查询，当在开发新钢种的过程中，因为遗传系数是系统自适应的调整数据，遗 3 6 热轧粗轧机缎负荷分配优化系统 传系数有哥戆遗筑捡索不妥记秉，凄鞋会煮一条默谈豹记录采保涯记交貔完整。 通过上述几部分工作的完