一种基于plc的钢板温度在线预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于乳制领域，具体涉及一种基于PLC的钢板温度在线预测方法。
【背景技术】
[0002] 随着先进的计算机和控制技术在乳制中的广泛应用，用户对产品的尺寸、质量和 性能等要求越来越严格；对于钢板的乳制来说，钢板温度的控制至关重要，温度决定了金属 的变形抗力，是乳制力、力矩、功率等力学参数的敏感影响因素，影响到成品的厚度精度、板 形和表面状态等外形质量；同时温度也是钢板再结晶、相变、析出等微观组织变化的重要条 件，钢板温度的控制精度决定了乳后产品的组织和性能；
[0003] 乳制过程中钢板工艺规程的制定与温度制度密切相关，生产过程中生产线上每块 钢板的温度的变化是乳制节奏的控制和力能模型精确计算具的重要基础；目前生产环境下 对于钢板温度的处理和计算的方法具有如下缺点：
[0004] (1)通过测温仪测量钢板温度。
[0005] 现场安装的测温仪仅能测量到钢板在某个位置的表面温度，而且由于热乳钢板表 面氧化铁皮和表面残余冷却水的原因，特别是在乳机附近钢板温度的测量值变化剧烈，测 量结果并不能代表实际钢板温度，无法为模型计算提供精确温度数据；
[0006] (2)在计算机中使用模型计算温度。
[0007]目前的计算机中常采用的非实时操作系统，温度模型的计算周期长，无法实现高 速计算，计算精度无法保证；此外，计算机温度模型所需的大量数据均来自于生产现场，计 算机需要与生产控制PLC进行大量的数据通讯，消耗系统资源。
【发明内容】
[0008] 针对现有技术的不足，本发明提出一种基于PLC的钢板温度在线预测方法，以达 到提高钢板生产全过程的温度预测的计算速度、精度和响应速度的目的。
[0009] -种基于PLC的钢板温度在线预测方法，包括以下步骤：
[0010] 步骤1、建立生产过程中钢板的跟踪队列，并在跟踪队列中对钢板的头部位置、长 度、厚度和温度分布进行实时更新；
[0011] 步骤2、采用建立差分温度模型的方式描述钢板沿厚度方向的温度分布情况；
[0012] 步骤3、根据钢板的换热方式，基于PLC对钢板的温度进行在线预测，并在跟踪队 列中更新温度数据。
[0013] 步骤2所述的差分温度模型，具体如下：
[0014] 从钢板1/2厚度处向钢板上表面，沿厚度方向离散划分若干个节点，并建立差分 温度模型；所述的差分温度模型，包括边界节点随时间变化的差分温度模型和内部节点岁 时间变化的差分温度模型；
[0015] 边界节点随时间变化的差分温度模型，公式如下：
[0017] 其中，B1= hAy/K，h表示为钢板表面与外界的换热系数，K为导热系数；Ay表示 厚度方向相邻节点的距离；巧表示k时刻边界节点N的温度，表示k时刻边界节点N-1 的温度，Tf1表示k+Ι时刻边界节点N的温度
表示导温 系数，P表示材料密度；c表示比热；△ t表示时间迭代步长。
[0018] 内部节点随时间变化的差分温度模型，公式如下：
[0020] 其中，f表示k时刻节点j的温度，匕表示k时刻节点j-Ι的温度， 匕表示k时刻节点j+Ι的温度，"44表示k+Ι时刻节点j的温度，k = 0时，
出炉时钢板温@。
[0021 ] 步骤3所述的根据钢板的换热方式，基于PLC对钢板的温度进行在线预测，并在跟 踪队列中更新温度数据，具体包括如下步骤：
[0022] 步骤3-1、判断钢板所属换热方式，包括：空冷辐射换热、乳制过程乳辊与钢板接 触换热和除鳞过程高压水与钢板接触换热；
[0023] 当为空冷辐射换热时，则执行步骤3-2 ;
[0024] 当为乳制过程乳辊与钢板接触换热或除鳞过程高压水与钢板接触换热时，则执行 步骤3-3 ;
[0025] 步骤3-2、采用PLC中定时中断组织块0B35,定时获取跟踪队列中钢板的换热系 数、传导系数和比热，并根据建立的差分温度模型对跟踪队列中钢板的温度进行更新，实现 在线预测；
[0026] 步骤3-3、采用PLC中循环组织块0B1，根据触发获取跟踪队列中钢板的换热系数、 传导系数和比热，并根据建立的差分温度模型对跟踪队列中钢板的温度进行更新，实现在 线预测。
[0027] 本发明优点：
[0028] 本发明为了能够对乳制过程每块钢板的温度进行预测，建立队列对钢板进行位置 微跟踪；钢板从出炉开始加入队列中，乳制结束时从队列中删除；队列中钢板的位置跟踪 利用所占用的辊道速度进行计算，并通过金属检测器进行修正；在乳制过程中，根据实际的 乳制规程修改所跟踪钢板的厚度和长度信息。
[0029] 本发明在PLC中开发钢板温度计算的一维显式差分模型，使用结构化控制语言 (Structured Control Language，简称SCL)编写程序对队列中的所有钢板按照一定的触发 周期在线计算钢板厚度方向的温度变化，计算结果数据存储于在PLC中建立的数据块；钢 板温度计算主要考虑空冷、除鳞水冷和乳制过程三种边界条件，计算结果通过通讯接口传 递至人机界面和过程控制系统，用于实时显示和为力能模型计算提供温度数据；
[0030] 本发明针对钢板温度的在线预测模型直接嵌入至PLC中，能够高速运算，满足计 算精度的要求；同时，温度模型计算所需数据直接从PLC中获取，减少了通讯环节，计算结 果可为工艺模型提供温度预测数据，即具有计算速度快、精度高、响应迅速的特点，实时获 得钢板厚度方向上的温度分布，对于乳制工艺的稳定实施、指导乳制规程优化及过程控制 模型的参数自学习具有重要的实际意义。
【附图说明】
[0031] 图1为本发明一种实施例的基于PLC的钢板温度在线预测方法总体流程图；
[0032] 图2为本发明一种实施例的钢板温度有限差分计算节点划分示意图；
[0033] 图3为本发明一种实施例的基于PLC对钢板的温度进行在线预测方法流程图；
[0034] 图4为本发明一种实施例的钢板温度在线计算模块间调用示意图；
[0035] 图5为本发明一种实施例的各个道次温降变化曲线示意图。
【具体实施方式】
[0036] 下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。
[0037] 本发明实施例中，选择对某双机架3000mm中厚板生产车间钢板温度进行预测，从 钢板出炉开始计算，至乳制结束整个产品的生产过程，乳制产品的原始数据及工艺参数如 下：
[0038] ?钢种：Q345
[0039] ?坯料规格：23〇mmX l25〇mmX 225〇mm
[0040] ?成品尺寸：l6mmX l75〇mm
[0041] ?出炉温度：1180 °C
[0042] ?乳机刚度：6500kN/mm
[0043] ?零点乳制力：20000kN
[0044] 乳制规程如表1所示，其中包括粗乳8道次，精乳6道次，有些乳制道次需要开启 除鳞，以去除钢板表面的氧化铁皮。乳制规程的分配是由过程控制模型根据原始数据和实 际的工艺要求，按照预设定的乳制节奏，考虑钢板乳制过程的温降以及力能校核条件，包括 最大咬入角、最大乳制力、最大扭矩等限制条件进行计算的。由于实际的乳制节奏可能和预 设定的节奏有偏差，所以过程控制模型中钢板温降过程的计算与实际钢板温度相比同样存 在偏差，进而影响乳制规程的设定精度，这也是基于PLC对钢板温度在线预测的重要意义 所在，可以及时将钢板温度的变化反馈给工艺模型，提高乳制规程的计算精度。
[0045] 表1双机架乳机乳制规程
[0046]
[0047] 本发明实施例中，基于PLC的钢板温度在线预测方法，如图1所示，包括以下步 骤：
[0048] 步骤1、建立生产过程中钢板的跟踪队列，并在跟踪队列中对钢板的头部位置、长 度、厚度和温度分布进行实时更新；
[0049] 本发明实施例中，在乳制过程中，生产线上常常同时存在多块钢板，每块钢板的尺 寸、位置及温度边界条件均不一致，为了能够同时预测多块钢板的温度值，需要建立一个队 列对乳线上的钢板进行管理，本发明实施例中，PLC中的温度模型不断的对钢板队列进行遍 历，根据每块钢板的边界条件求解温度值。
[0050] 本发明实施例中，钢板跟踪的起点为加热炉出口，跟踪终点为精乳机乳制结束；在 PLC的数据块中建立能最大容纳10块钢板属性的队列，每块钢板的属性包括身份证、钢种、 碳含量、头部位置、长度、厚度信息和需要计算的温度值，钢板跟踪方式如下：
[0051] (1)在钢板出炉触发时加入跟踪队列，整个乳制阶段完成后从队列中删除；
[0052] (2)在PLC定时中断0B35中，根据钢板所占用的辊道速度、方向和PLC中的触发时 间周期，计算钢板头部的位置变化；
[0053] (3)利用金属检测器的上升沿、下降沿信号，以及钢板的咬钢、抛钢信号对队列中 钢板的位置进行修正计算；
[0054] (4)乳制过程随着钢板的变薄、变长，根据乳制工艺对钢板的尺寸进行更新；
[0055] 步骤2、采用建立差分温度模型的方式描述钢板沿厚度方向的温度