五机架冷连轧机轧制规程的优化计算及实现

1、五机架冷连轧机轧制规程的优化计算及实现五机架冷连轧机轧制规程的优化计算及实现五机架冷连轧机轧制规程的优化计算及实现OptimizationDesignandCalculationofRollingScheduleforTheFive-standColdTandemRollingMill李强方一呜赵琳琳韩永成(燕山大学电气工程学院,河北秦皇岛066004)摘要'根据五机架冷连轧机的特性,采用综合等负荷函数法,通过对=负荷余量和出口厚度进行双重嵌套迭代来实现轧制规程的优化计算;采用西门子公司的WinCC组态软件作为设计平台对该优化算法进行人机界面设计并加以编程实现.关键词:轧制规程计算,综

2、合等负荷函数法,WinCC,组态画面AbstractAccordingtothecharacteristicsoffivestandcoldtandemrollingmill,usingtheintegratedequalloadfunctionmethodtocarryoutthescheduleoptimizationbytheapproachofdoubleembedding-overlappediterativealgorithmtotheloadsurplusandtheexportthickness,usingtheWinCCconfigurablesoftwareoftheSie

3、menscompanyasthedesignflatrooftorealizethehuman-machineinterface(HM1)designandtheprogramfortheoptimizationmethod.Thedesignedinterfaceisfriendlyandconvenientformodifyingtheparametersoftheinitialrollingconditions.Keywords:rollingschedulecalculation,integratedequalloadfunctionmethod,WinCC,configurableg

4、raphics冷轧带钢轧制规程是生产工艺的主要内容,对其进行优化可使轧制过程处于最佳状态,实现节省轧制能耗,充分发挥轧机生产能力的目的.其中,根据轧件特性和工艺要求快速计算出特定意义下的最佳的厚度分配和压力分配,对压下规程进行实时的优化又是在轧机实际生产领域中不断追求的目标,综合等负荷函数法的提出很好的解决了上述问题.在实际生产中,对于五机架冷连轧机这样复杂的系统,轧制规程的计算及优化大都是通过上位机计算实现的,西门子公司研发的WinCC组态软件作为上位机的监控组态软件在工业控制领域得到了广泛的应用,本文就是在WinCC组态软件环境下,采用综合等负荷函数法实现对五机架冷连轧机轧制规程的优化计算

5、,计算结果表明该算法能够满足轧制规程的优化要求;所组态的轧制规程优化界面友好,在运行环境下能够根据不同的生产工艺要求方便地对轧制初始参数进行修改,并且在同一界面下能够实现经验法轧制规程计算和优化轧制规程的计算,方便计算结果的比较,具有很好的灵活性,直观性和可扩展性.本文所设计的界面既能作为试验平台用于其他优化方法的实现,也能作为监控系统的一部分直接用于实际系统设计开发中,具有很强的推广价值和实际应用价值.1轧制规程相关模型计算1.轧制力模型的计算冷轧机轧制力模型一般采用以BlandFord模型为基础的Hill简化式,即,Pm=Bm|cpm=Bm|cQ.K式中:B一轧件的平均宽度,m;I一考虑压

6、扁后的变形区接触面积和接触弧长,mm;Q.一考虑压扁后的外摩擦应力状态系数;K一张力影响系数,取K:1.15o-,Mpa.1_2弹性压扁计算按照Hithcock提出的两圆柱体弹性接触变形理论,计算轧辊压扁后接触弧长I:|c=RhR=(1+2.210-)R式中:P一轧制力,kN;R一压扁后轧辊半径,mm;1.3速度制度轧机的最大速度V应考虑下列工艺参数:1)最大轧制力矩,电机最大转速;2)最大入轧速度换算到末机架的最大轧制速度.N机架连轧稳态轧制时,应遵守秒流量守恒原则:,hiB=Const轧辊线速度为:=,/(7+f)式中:V一第i机架出口带材的速度;f广第i机架的前滑值.当末机架出口速度给定

7、后,以厚度分配为依据,通过前滑模型和流量方程可以确定各机架的速度值.1.4前滑模型前滑值f采用BlandFord公式:f=式中:为中性角.由于影响前滑的主要因素是变形程度e,当e变化从O.1到O.5时,f将从2.6%变到16.8%,而h及变化时f的影响仅为前滑值的2%左右,因此为了实际的应用,可将BlandFord公式简化为下式:f=0.0015+0222e+0,2222由此式计算出的前滑值与BlandFord公式计算结果相比,误差小于2%.1.5轧制力矩及轧制功率模型考虑到轧制力矩在冷轧时仅作为设备能力核算,因此主电机力矩采用如下力矩模型:M.=2Pa=2PIo/IO00'D=D64

8、89-0.8066+O.3491式中:MP一轧制力矩,kNm;a一力臂,m;(p一力臂系数.工业控制计算栅2007年20卷第11期轧制时电机轴上的功率:N=0.103Mn式中:M一电机轴力矩,kNm;n一电机轴转速,r/min.2采用综合等负荷函数法优化轧制规程的基本原理本文采用综合等负荷算法对轧制规程进行优化,其中综合等负荷是指将各机架处于薄弱环节的负荷诸如轧制功率N,轧制压力P,轧制力矩M等均衡化,这对于发挥轧机的生产能力,并根据具体生产情况对各种负荷进行调整是有重要意义的.根据轧制理论可知,轧制功率N,轧制压力P,轧制力矩M均可看做是关于人口厚度h和出口厚度h.的函数,称为负荷函数,记做

9、(h,h,).若f(h,h,)(i=I,2n)都是二元连续函数且满足单调性条件,则有minmax(hs一1,h)fi=l,2,nl=maxrainfi(hi_,hj)1i=1,2,n(1)并且(1)式的解必然满足等负荷条件(ho,h,)=(n,he)=?=(n一,hn)(2)取负荷函数,hi)一min,譬,式中:P.,N.,M.,8.,n.分别表示第i机架轧制力,轧制功率,轧制力矩,相对变形量和轧机转速的许可值;P.,N.,M,8.,n.表示第i机架轧制力,轧制功率,轧制力矩,相对变形量和轧机转速;表示富裕量分配系数.对于任何一个可行规程均应满足下面的工艺限制条件DIv,oPPDMf允下,下D

10、nin,在原料厚度ho和产品厚度h一定时,使各机架的各种负荷均衡,则满足(ho,h)=(n,he)=?'=(n一,h)=c(4)其中,C为负荷余量,是常数.本文采用对负荷余量C和出口厚度h.(i=1,2,3,4)的"双重嵌套迭代"的思维方法来实现优化参数的求解:对于负荷余量C的求取,给定搜索区间,采用黄金分割点法进行迭代求解;对各机架的出口厚度h.,可将式(3)化为一系列单变量非线性方程,根据负荷余量C的迭代数值,采用递推法求得h,h2,h.求解过程中,负荷余量和出口厚度彼此互相嵌套迭代,直到满足"等负荷"要求.采用这种方法的优点是:第一,可以保

11、证在所有负荷都达到均衡的基础上使某些负荷达到最优,而不像一般的单一负荷达到最优,其他负荷有趋向极限的不合理情况.第二,富裕参数的引入,使得能够通过调节富裕参数来满足不同的生产要求或轧制目标.第三,由于轧制负荷对于人口厚度和出口厚度是单调的,所以式(1)中的解就是等负荷解且是唯一解,在某种意义上也是最优的,从而将求目标函数式(1)的非线性约束规划问题转化为单调函数求根问题,这对于在实际生产中编程实现的实时性具有重要的意义.3轧制规程优化的WinCC组态软件实现3.1轧制规程优化的实现平台本文中轧制规程优化根据来料基本数据及轧制工艺要求,如轧制材料的种类,板材宽度,末机架的线速度,来料厚度,出口厚

12、度等,利用WinCC组态软件在组态界面中,通过对综合等负荷函数优化方法编程来实现实时的轧制规程优化计算,并将优化的结果在组态画面中显示.3l2轧制规程优化的实现过程在WinCC组态软件环境下实现对轧制规程的优化并将计算结果在WinCC组态画面中显示出来,这在实时生产中具有重要的意义.其具体的组态步骤如下:1)定义变量.对于规程优化中所用到的参数和变量町以分成两部分:一部分是用于定义轧制规程的初始条件以及显示轧制规程优化结果的变量,按照变量的功能,将这部分变量参数定义为内部变量;另一部分变量主要是作为规程优化过程中的中间变量.2)组态界面.画面中用到的主要组态元件是输入/输出域,静态文本以及按钮

13、.其中输入/输出域通过设置完成变量的连接用于优化结果的显示;静态文本主要是标注的作用;按钮主要用于功能的实现.3)功能实现.通过对按钮编程主要实现二个功能:轧制规程计算,轧制规程优化.轧制规程的计算采用经验法结合轧制规程模型进行编程;优化算法采用综合等负荷函数法来实现.其程序框图如图1所示.f啦jc作捷缁sjzzf;filift【1=05)水L架j童J业,11.绘Ic¨.艘索ll'i"Hi(a拾0cla+0382(b.a),c2=aIh-cl0I趣拊解纠t,/7h,岛)c1.术ti1n一1)R=(17.hd)I擗钎疗绁(矗一)二-c2,求矗1ln.1)水(h一c2)

14、厂,N山,/YIla=Cl,cl=c2c2一a+0618(ba)-4递tflf/(力I/(hj)-=-c2球i=l1卜1)l求=(一.2)Ib=c2.c2=cl.cl=b-0618ma1,垃推婀t舒(小)一cI.(1=卜n-1)=(,h一c1)Nc=05fafh1l"iJJf7JTtll教赧f逸Ifq州梭IlCz:Jjfl_t1圈1综合等负荷函数法算法流程圈本文采用WinCC组态软件作为轧制规程优化的实现平台具有如下优点:具有很强的灵活性.文中所组态的轧制规程优化界面简洁,直观,友好,程序修改方便,完全可以作为一个试验平台应用于其他优化方法的设计实现.具有很强的扩展性,文中所设计的界

15、面可以通过简单的功能扩展直接用于实际生产中作为二级控制系统的一部分,能够大大缩短系统开发周期.4五机架冷连轧机轧制规程优化计算实例本文以某厂1450mm五机架冷连轧机的机组参数为例.在组态软件平台下进行优化算法的测试,能够根据不同的轧制要(下转第61页)工业控制计算机2007年20卷第11期61即外轮廓线,所以在系统使用之前,我们要通过事先建模,检测出一条标准的荫罩外轮廓线,通过计'算确定荫罩外轮廓线的几何特征因子(由i积,周长,形状因子),将这些特征因子作为标准值固定下来.1)区域面积A:对于任何封闭的二值图形区域,可以把它限制在MN的矩形区域内,扫描整个区域,计算灰度值为1的像素总

16、数,即为区域的面积.MA:似,)=2)区域周长L.假如区域的轮廓是用链码表示的,如果每个码字所表示的距离用欧风里德度量,则有:,AL=I当c0,2,4,6【,/当C7,3,5,71L:L3)形状因子:c=L/4丌A.1.2.4荫罩轮廓的搜索判决荫罩悬挂链定位后,荫罩图像基本处在CCD视场的中心区域范围内,以视场的中心像素点作为起点向一个固定的方向进行搜索,当搜索到一条封闭的边界轮廓曲线后,计算出该曲线的特征值,与所建模的标准特征值进行比较,如果在设定的允许误差范围内,可以认为该轮廓曲线即为我们所要找的荫罩外轮廓线,搜索完成.如果与标准特征值不相符,继续搜索下一条封闭曲线,最后总能找到我们所求荫

17、罩的外轮廓线.2荫罩图像位置的计算通过上面的图像处理和边界检测以后,我们得到了所要研究的荫罩外轮廓曲线,提取出该轮廓曲线的坐标值,可求得如下图A,B,C,D4个点.即X坐标最大与最小,y坐标最大与最小4个极值点.假设由A,B问所有边界点所构成的直线方程为yl=kxl+bl;C,D问所有边界点所构成的直线方程为y2=k2x+b2;通过(上接第59页)求进行参数输入,具有很强的适应性和灵活性."轧制规程计算"按钮所编写的程序采用的是经验法结合轧制规程模型来进行计算."轧制规程优化计算"按钮所编写的程序是采用综合等负荷函数算法来对轧制规程进行优化计算,优化的结

18、果显示如图2所示.图2五机架冷连轧机轧制规程优化图线性回归的最小二乘法分别可以求得k1,b1和k2,b2,那么与直线y1,y2等间距的直线L1的直线方程式为x十下bl+b2同理亦可求得中间线L2的直线方程,计算出L1,L2的交点O的坐标值(a,b),则此坐标值为荫罩的中心坐标.理论上L1,L2应完全垂直,但实际上由于CCD摄像机的安装角度无法与荫罩平面保持绝对垂直,加上荫罩外框尺寸并非绝对标准矩形,计算得到的L1和L2只是近似垂直,为了简化处理,我们只取荫罩长边方向L1的倾角为荫罩的旋转角度O=arctg(kl+k2)/2,最后使用点对点的通讯协议,将荫罩中心点坐标(a,b),旋转角度O,通过数据线发送给机器人,机器人将根据这些参数来调整其取网点的位置,实现对荫罩的正确抓取.3结束语系统经过改造后,提高了机器人对荫罩位置变化的适应能力,保证了对荫罩抓取的准确无误,避免了对荫罩可能造成的伤害,降低了荫罩材料的消耗,具有显着的经济效益.参考文献1王庆有.CCD应用技术M.天津:天津大学出版社,20002朱维仲,董彩平.中值滤波技术及其在图像处理过程中