步进式加热炉仿真系统设计

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。2.2.1 应用系统

　　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。