热连轧节奏控制系统仿真研究.pdf_大学文库

北京钢铁学院学报年第期热连轧节奏控制系统仿真研究 ’ 自动化系杨金标摘要本文把带钢热连轧节奏控制系统视作随机服务系统进行分析，在统计生产实际数据的墓础上，确定系统的服务时问和服务条件，通过数字仿真，研究不同条件对节奏控制时间和产量的影响。一、概述带钢热连轧计算机控制是目前钢铁工业中应用电子计算机控制最成熟、最有效果的一个部门，它的控制项目很多，轧制节奏控制就是其中之一。轧制节奏控制系统的功能主要用来实现对加热炉钢坯抽出时间的控制。其目的是合理地控制加热炉抽钢间隔时间，充分发挥轧机的效率，在提高生产率的同时，要求前后抽出钢坯不会发生碰撞，保证安全生产。带钢热连轧车间粗略地可以分为四个区段，即、加热炉区段，、粗轧机区段，、精轧机区段、卷取区段。如图所示。，「门门门己万加热沪区段祖轧机区段淤机区” 卷取区段图加热炉区段主要由炉前辊道、，抽钢出口辊道及一、二、三号加热炉组成。粗轧机区段主要由大立辊、粗轧机，、玉、、 ‘ 及立辊、、 ‘ 组成。精轧机区段由七架精轧机续甲户，组成。卷取区段由三台卷取机、、组成。不同规格的轧件，在加热炉、粗轧、精轧、卷取所用的时间是不同的。我们把其中时间最长的区段，称为关键区段，或称为薄弱环节。例如轧制某种钢号标准规格所需时间如下表所示木文年月收到。计算机实验室李滨江同志协助进行本文程序的上机计算工作。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1981．02．010

区段加热粗轧精轧卷取平均时间 100秒 100秒 200秒 100秒表中所列精轧区段所需时间最长，则以精轧区段为关键区段，来确定抽钢间隔时间。在实际确定抽钢间隔时间时，还要考虑安全因素，前后钢坯需保持一定时间间隔，此外，关键区段并非永久不变，加热炉区段、卷取区段亦有可能成为关键。此外，在确定抽钢间隔时间基础上，还应加上修正时间。考虑上述因素后，钢坯抽出间时问计算方法如图2所示： tot.t 先时光F, 材时 1后i 后，抽到刻材时材刻达抽刻到时达刻 t 图2 抽钢间隔时间： T=t:+ta+t6+t。+t?-tz 式中：t一先材从抽出时刻到达F:所需时间影 t。一精轧所需时间， t。一标准间隔时间， t。一操作人员修正的空闲时间， t,一加热炉成为关键工序时，燃烧所需修正延长时间， t2一后材从抽出时刻到达F,所需时间。如果上述各值均已确定，而且为一常数值，那么计算轧制一定数量的钢坯所需的时间、计算班产量、都将是一件简单的事情。但是在实际情况中，钢坯规格有很大变化，产品规格品种很多，精轧所需时间极不相同。而且即使用同一规格钢坯轧制同一规格产品，也因钢坯长度不同，而影响轧制时间的长短。一般情况下，热轧板坯厚度、宽度变化不大，而长度允许从8米到10米范围内变化，而且具有均匀分布性质。若轧制同一规格的钢坯长度变化10%，则当钢坏长度变化时，钢坯重量也变化，根据秒流量相等原理，轧制时间也将相应变化。此外，在编制轧制生产单位时，为了保证板型，不能只轧一种规格，而耍求先轧制普通易轧的中等厚度、中等宽度的始轧材，然后再轧制一定数量的过渡材，尽快过渡到轧制薄而宽的品种，最后再安排轧制厚而窄的产品。这样一来，来料长度有变化，产品的宽度、厚度也变化，因此要求计算轧制一定数量产品所需的时间，就不可能用上述简单的方法进行计算。在线计算机控制系统可以根据实际板坯数据，实际轧制产品而记录轧制时间及各种不正常现象发生的概率。本文的目的是把节奏控制系统作为随机服务系统进行分析，而且利用已往生产实际统计的数据，确定系统的平均服务时间和服务条件，并通过数字仿真来研究不同 91

粤加热 … 粗轧平均时间秒秒秒秒表中所列精轧区段所需时间最长，则以精轧区段为关键区段，来确定抽钢间隔时间。在实际确定抽钢间隔时间时，还要考虑安全因素，前后钢坯需保持一定时间间隔，此外，关键区段并非永久不变，加热炉区段、卷取区段亦有可能成为关键。此外，在确定抽钢间隔时间基础上，还应加上修正时间。考虑上述因素后，钢坯抽出间阳时问计算方法如图所示 … ‘ 冬 “ 图抽钢间隔时间一。一式中－先材从抽出时刻到达所需时间 ‘ －精轧所需时间，。－标准间隔时间，。－操作人员修正的空闲时间，－加热炉成为关键工序时，燃烧所需修正延长时间，－后材从抽出时刻到达，所需时间。如果上述各值均已确定，而且为一常数值，那么计算轧制一定数量的钢坯所需的时间、计算班产量、都将是一件简单的事情。但是在实际情况中，钢坯规格有很大变化，产品规格品种很多，精轧所需时间极不相同。而且即使用同一规格钢坯轧制同一规格产品，也因钢坯长度不同，而影响轧制时间的长短。一般情况下，热轧板坯厚度、宽度变化不大，而长度允许从米到米范围内变化，而且具有均匀分布性质。若轧制同一规格的钢坯长度变化，则当钢环长度变化时，钢坯重量也变化，根据秒流量相等原理，轧制时间也将相应变化。此外，在编制轧制生产单位时，为了保证板型，不能只轧一种规格，而耍求先刻制普通易轧的中等厚度、中等宽度的始轧材，然后再轧制一定数量的过渡材，尽快过渡到轧制薄而宽的品种最后再安排轧制厚而窄的产品。这样一来，来料长度有变化，产品的宽度、厚度也变化，因此耍求计算轧制一定数量产品所需的时间，就不可能用上述简单的方法进行计、算。在线计算机控制系统可以根据实际板坏数据，实际轧制产品而记录轧制时间及各种不正常现象发生的概率。本文的目的是把节奏控制系统作为随机服务系统进行分析，而且利用巳往生产实际统计的数据，确定系统的平均服务时间和服务条件，并通过数字仿真来研究不同

条件对节凑控制时间和班产量的影响。二、节海控制系统分析节茶控制系统可以视作随机服务系统进行分析。随机服务系统由许多具有一定属性：的实体组成。按照实体在：系统中存在的时间特征，我们把它们划分为临时实体和水久实体，如图3所示。时实休水久实作在服务系统中，临时实体不断地 (服务对象) (服务机构) 到达系统，又不断地离开系统，它们 (顷客) (服务i) 在服务系统中是时存在：的，义称为服务系统服务对象，或直呼之为顾客。描述临时实体最基本的属性是互相到达时图3 间，即相邻两个临时实体到达服务系统的时间间隔。互相到达时间以Ta表实体1 示，如图4所示。 T:=t2-ti 实体2 式中：t2一临时实体2到达系统的时刻 t一临时实体1到达系统的图4 时刻。若入为临时实体的到达速度，则入与Ta有如下失系。入=十在服务系统中，永久实体在服务过程中是始终存在的，又称为服务机构，或直呼之为服务员。描述永久实体最基本的属性是服务时间，即单个永久实体为一个临时实体服务所需的时间。如图4所示，服务时间T,可用下式表示： T:=t1-ti ·式中：t1一临时实体1到达系统的时刻 t:'一临时实体1服务结束时刻若μ为永久实体的服务速度，则μ与T,的关系如下： u=, 随机服务系统中，由于各种随机因素的影响，互相到达时间和服务时间都不是一个定值，一般都耍用概率统计分布规律来描述。把一个服务系统分为临时实体和永久实体两个互相对立而又互相统一的两个方面，并且各自用互相到达时间和服务时间描述它们主耍属性的方法，也可以广泛地用来研究工业控制系统。例如：把热连轧节奏控制系统视作服务系统时，因为钢坯在系统中是临时存在的，可以视作临时实体，而整个轧钢系统中的加热炉、粗轧机、精轧机、卷取机都是为轧制钢板服务的机构，都是永久实体。如果在这几个区段中，精轧时间最长为200秒，如表一所示，则 92

条件对节奏控制时间和班产量的影响。二、节长一狡制系统分析节奏控制系统可以视作随机服务系统」片于分析。随机服务系统山许多具有一定属性的实体组成。按照实体在系统中存在的时间特征，我们把它们划分为临时实体和水久实体，如图所示。在服务系统中，临时实体不断地到达系统，又不断地离开系统，它们在服务系统【一卜是临时存在的，又称为服务对象，或直呼之为顾客。描述临时实体最基木的属性是互相到达时问，即相邻两个临时实体到达服务系统的时间间隔。互相到达时间以表示，如图所示。二一式中－临时实体到达系统的时刻，，－临时实体到达系统的时刻。临时实体水久实体服务对象服务机抢》顾客服务员图塑方一 ‘ ’ 实体卜一若久为临时实体的到达速度，则入与有如下失系。在服务系统中，永久实休在服务过程中是始终存在的，又称为服务机构，或直呼之为服务员。描述永久实体最基木的属性是服务时间，即单个永久实体为一个临时实体服务所需的时间。如图所示，服务时间可用下式表示一，一 ‘ 式中－临时实体到达系统的时刻尸－临时实体服务结束时刻若卜为永久实体的服务速度，则卜与的关系如下一随机服务系统中，由于各种随机因素的影响，互相到达时间和服务时间都不是一个定值，一般都耍用概率统计分布规律来描述。把一个服务系统分为临时实体和永久实体两个互相对立而又互相统一的两个方面，并且各自用互相到达时间和服务时间描述它们主耍属性的方法，也可以广泛地用来研究工业控制系统。例如把热连轧节奏控制系统视作服务系统时，因为钢坯在系统中是临时存在的，可以视作临时实体，而整个轧钢系统中的加热炉、粗轧机、精轧机、卷取机都是为轧制钢板服务的机构，都是永久实体。如果在这几个区段中，精轧时间最长为秒，如表一所示，则

可把精轧区段视作服务机构，那么，精轧时间就是服务时间，当钢坯长度有±10%变化时，则轧制同一规格产品时，精轧服务时间将不为定值，而将为200秒±20秒之间的任一整数。即由180秒至220秒之间的任一整数，都具有相等的可能性。任一钢坯从抽钢时刻起至精轧机下：的时间称为临时实体的渡越时间。因为一、二、三号炉出口至VSB距离不同，所以钢坯运行所需时问也不相同。若粗轧机组的服务时间为ta,则渡越时间t:为钢坯从出钢口至粗轧完毕时间： t=t3+tci 或 t1=t3+tc2 或 ti=t3+tcs 式中：tc1、tc2、tc3为一、二、三号炉至VSB所需时间。任意两根钢坏的抽钢间隔时间T,就是任意两个临时实体的互相到达时间。其计算方法如图2所示。这样，有关随机服务系统的理论分析和仿真技术，就可以用来分析节奏挖制系统。在随机服务系统中，当系统服务速度小于临时实体互相到达速度时，在服务机构前面就出现排队现象。描述排队现象时，耍说明排队规律，决定如何从等候队伍中挑选下一个接受服务的临时实体。在节奏控制系统中，为了使前后钢坏不致发生碰撞现象，不采用钢坏出炉后再在轧机前排队办法，而采用推迟出钢时间的办法，也就是说，当服务时间过长时，相应延长临时实体的到达时间，以避免钢坏在精轧机组前发生碰撞。这一点与一般随机服务系统不同。此外，为保证安全生产，一般耍求，前材离开精轧机组间歇若干秒后，后材才允许进入精轧机。间歇时间还可以由操作工人在操作台人工给定予以修正。如果先材抽出后，在途中出现就搁时，耍延长后材抽出时间5秒，若延长10次，还存在就搁现象时，则需进行报瞥，故障处理完后，再继续进行节奏控制。此外，还耍考虑两种因素对节奏控制时间的影响： 1.加热炉区段成为薄弱环节的影响：热连轧的综合生产能力，有时取决于加热炉，有时取决于精轧机，有时取决于卷取机。因轧制品种、规格不同，这三方面的时间长短耍发生变化。因此进行计算机在线控制时，需耍利用加热炉燃烧挖制模型经常地予测三者之间的大小关系，并且以其中的最大值来决定轧制节凑。如果以精轧机组作为薄弱环节计算节奏控制时间，那么，当加热炉成为薄弱环节时，就需耍在节泰挖制时间上附加一个修正时间t,。 2.轧制计划编制对节奏控制时间的影响：热轧时，为保证板型，耍求按轧制规程编制轧制单位表。精轧工作辊两次换辊之间的轧制计划即为一个轧制单位，热连轧耍求编制出适应于精轧机工作辊型轧出最好产品的计划。在编制轧制计划时，一般原则是先轧制这套轧机容易轧制的、成熟的品种规格作为始轧材，然后尽快过渡到轧薄而宽的品种，最后再安排轧制厚而窄的产品一直轧制到换辊。一个轧制单位中轧制板材的总重量有一定耍求。轧制规格品种不同将直接影响精轧服务时间。精轧机轧制所需时间的计算可以在求出成品的长度后，除以精轧机的末架速度V,而求得。从以上分析可知，把节奏控制系统作为随机服务系统看待时，精轧机组的轧制时间T, 即为服务时间Ts,而两块钢坏之间的抽钢间隔时间T,即为临时实体的互相达时间T。,而影响T,和T的因素很多： T4=f(B、D1、L1、D2、B2、V,) 93

可把精轧区段视作服务机构，那么，精轧时间就是服务时间，当钢坯长度有士变化时，则轧制同一规格产品时，精轧服务时间将不为定值，而将为秒士秒之间的任一整数。即由秒至秒之间的任一整数，都具有相等的可能性。任一钢坯从抽钢时刻起至精轧机，的时间称为临时实体的渡越时间。因为一、二、三号炉出口至距离不同，所以钢坯运行所需时间也不相同。若粗轧机组的服务时间为。，则渡越时间为钢坯从出钢口至粗轧完毕时间一或，或，，式中。、。、。为一、二、三号炉至所需时间。任意两根钢坯的抽钢间隔时间，就是任意两个临时实休的互相到达时间。其计算方法如图所示。这样，有关随机服务系统的理论分析和仿真技术，就可以用来分析节奏控制系统。在随机服务系统巾，当系统服务速度小于临时实休互相到达速度时，在服务机构前面就出现排队现象。描述排队现象时，耍说明排队规律，决定如何从等候队伍中挑选下一个接受服务的临时实体。在节奏控制系统中，为了使前后钢坏不致发生碰撞现象，不采用钢坏出炉后再在轧机前排队办法，而采用推迟出钢时间的办法，也就是说，当服务时间过长时，相应延长临时实休的到达时间，以避免钢坏在精轧机组前发生碰撞。这一点与一般随机服务系统不同。此外，为保证安全生产，一般耍求，前材离开精轧机组间歇若干秒后，后材才允许进入精轧机。间歇时间还可以由操作工人在操作台人工给定予以修正。如果先材抽出后，在途中出现耽搁时，耍延长后材抽出时间秒，若延长次，还存在耽搁现象时，则需进行报瞥，故障处理完后，再继续进行节奏控制。此外，还耍考虑两种因素对节奏控制时间的影响加热炉区段成为薄弱环节的影响热连轧的综合生产能力，有时取决于加热炉，有时取决于精轧机，有时取决于卷取机。因轧制品种、规格不同，这三方面的时间长短耍发生变化。因此进行计算机在线控制时，需耍利用加热炉燃烧控制模型经常地予测三者之间的大小关系，并且以其中的最大值来决定轧制节奏。如果以精轧机组作为薄弱环节计算节冬控制时间，那么，当加热炉成为薄弱环节时，就需耍在节奏控制时间上附加一个修正时间。轧制计划编制对节奏控制时间的影响热轧时，为保证板型，耍求按轧制规程编制轧制单位表。精轧工作辊两次换辊之间的轧制计划即为一个轧制单位，热连轧耍求编制出适应于精轧机工作辊型轧出最好产品的计划。在编制轧制计划时，一般原则是先轧制这套轧机容易轧制的、成熟的品种规格作为始轧材，然后尽快过渡到轧薄而宽的品种，最后再安排轧制厚而窄的产品一直轧制到换辊。一个轧制单位中轧制板材的总重量有一定耍求。轧制规格品种不同将直接影响精轧服务时间。精轧机轧制所需时间的计算可以在求出成品的长度后，除以精轧机的末架速度而求得。从以上分析可知，把节奏控制系统作为随机服务系统看待时，精轧机组的轧制时间 ‘ ，即为服务时间，而两块钢坯之间的抽钢间隔时间，即为临时实体的互相达时间，而影响 ‘ 和的因素很多一、、、、、

T=f(T1、T2、T4、T5、T、T、T8、Tg、T) 式中：B、D、L1是板坯宽、厚、长， Bz、D2是成品宽、厚； V,是精轧机组末架速度影 T,是前一块板坯由抽钢出口至精轧机组所需的渡越时间； T2是后一块板坯由抽钢出口至精轧机组所需的渡越时间； T,是精轧机组的服务时间； T。是标准间歇时间， T。是工人给定的修正时间：实体1一T T,是加热炉成为关键时的修正时间， T。是每块钢坯就搁所需延实体2 迟时间， T,是处理故障所需的时间。图5 T。是换辊所需时间，它影响每班平均节奏控制时间。计算节奏控制时间可改用图5进行计算。 T=T:+T,+Ts+To+T7+Ta+To-Ta 其中T1、T2、T,与产品有关，T。为保证安全生产所必须，它们对节奏控制时间的影响是不可控制的，T?、Tg、T。是加热炉成为关键所需的时间、钢材躭搁所需延迟时间、处理故障所需时间，它们发生的概率和所需的时间均可以统计求得；T。是工人设定的修正时间，对节奏控制时间有直接影响。三、概率统计模型把节类控制系统作为随机服务系统进行仿真之前，必须建立概率统计模型去表示互相到达时间、服务时间、排队规律。建立概型的过程是耍产生一个数列，这个数列的每一个值是随机的，而且它们都有所描述的随机变量的特殊分布。在实际中常用的特殊分布随机数，有均匀分布随机数、二项分布随机数、指数分布随机数、正态分布随机数等，用这些特殊分布随机数就可以去表示临时实体到达时间概型、永久实体的服务时间概型和服务条件概率概型。 f(x) 理论上只耍有一种具有连续分布的随机数，就可以通过直接抽样、舍选补偿等方法，产生其它任意分布的随机数。在连续分布中，在〔0,1)区间上均匀分布函数是最简单、最容 0 易实现的一种分布，其密度函数和分布函数如图6 图6所示。其中：当0≤x≤1时 f(x)={ 其余 94

、、 ‘ 、、、、、。、。式中、、是板坯宽、厚、长，、是成品宽、厚是精轧机组末架速度，是前一块板坯由抽钢出口至精轧机组所需的渡越时间是后一块板坯由抽钢出口至精轧机组所需的渡越时间 ‘ 是精轧机组的服务时间。是标准间歇时间，。是工人给定的修正时间是加热炉成为关键时的修正时间，。是每块钢坯耽搁所需延迟时间，。是处理故障所需的时间。图。是换辊所需时间，它影响每班平均节奏控制时间。计算节奏控制时间可改用图进行计算。 ‘ 。。， ‘ 。一其中、 ‘ 、 ‘ 与产品有关，。为保证安全生产所必须，它们对节奏控制时间的影响是不可控制的，、 ’ 。、是加热炉成为关键所需的时间、钢材耽搁所需延迟时间、处理故障所需时间，它们发生的概率和所需的时间均可以统计求得，。是工人设定的修正时间，对节奏控制时间有直接影响。三、概率统计模型把节奏控制系统作为随机服务系统进行仿真之前，必须建立概率统计模型去表示互相到达时间、服务时间、排队规律。建立概型的过程是耍产生一个数列，这个数列的每一个值是随机的，而且它们都有所描述的随机变量的特殊分布。在实际中常用的特殊分布随机数，有均匀分布随机数、二项分布随机数、指数分布随机数、正态分布随机数等，用这些特殊分布随机数就可以去表示临时实体到达时间概型、永久实体的服务时间概型和服务条件概率概型。理论上只耍有一种具有连续分布的随机数，就可以通过直接抽样、舍选补偿等方法，产生其它任意分布的随机数。在连续分布中，在〔，约区间上均匀分布函数是最简单、最容易实现的一种分布，其密度函数和分布函数如图所示。其中图当三三时其余、，‘ 一