五機(jī)架冷連軋機(jī)軋制規(guī)程的優(yōu)化計(jì)算及實(shí)現(xiàn)

1、五機(jī)架冷連軋機(jī)軋制規(guī)程的優(yōu)化計(jì)算及實(shí)現(xiàn)五機(jī)架冷連軋機(jī)軋制規(guī)程的優(yōu)化計(jì)算及實(shí)現(xiàn)五機(jī)架冷連軋機(jī)軋制規(guī)程的優(yōu)化計(jì)算及實(shí)現(xiàn)OptimizationDesignandCalculationofRollingScheduleforTheFive-standColdTandemRollingMill李強(qiáng)方一嗚趙琳琳韓永成(燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院,河北秦皇島066004)摘要'根據(jù)五機(jī)架冷連軋機(jī)的特性,采用綜合等負(fù)荷函數(shù)法,通過對=負(fù)荷余量和出口厚度進(jìn)行雙重嵌套迭代來實(shí)現(xiàn)軋制規(guī)程的優(yōu)化計(jì)算;采用西門子公司的WinCC組態(tài)軟件作為設(shè)計(jì)平臺對該優(yōu)化算法進(jìn)行人機(jī)界面設(shè)計(jì)并加以編程實(shí)現(xiàn).關(guān)鍵詞:軋制規(guī)程計(jì)算,綜

2、合等負(fù)荷函數(shù)法,WinCC,組態(tài)畫面AbstractAccordingtothecharacteristicsoffivestandcoldtandemrollingmill,usingtheintegratedequalloadfunctionmethodtocarryoutthescheduleoptimizationbytheapproachofdoubleembedding-overlappediterativealgorithmtotheloadsurplusandtheexportthickness,usingtheWinCCconfigurablesoftwareoftheSie

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

4、raphics冷軋帶鋼軋制規(guī)程是生產(chǎn)工藝的主要內(nèi)容,對其進(jìn)行優(yōu)化可使軋制過程處于最佳狀態(tài),實(shí)現(xiàn)節(jié)省軋制能耗,充分發(fā)揮軋機(jī)生產(chǎn)能力的目的.其中,根據(jù)軋件特性和工藝要求快速計(jì)算出特定意義下的最佳的厚度分配和壓力分配,對壓下規(guī)程進(jìn)行實(shí)時的優(yōu)化又是在軋機(jī)實(shí)際生產(chǎn)領(lǐng)域中不斷追求的目標(biāo),綜合等負(fù)荷函數(shù)法的提出很好的解決了上述問題.在實(shí)際生產(chǎn)中,對于五機(jī)架冷連軋機(jī)這樣復(fù)雜的系統(tǒng),軋制規(guī)程的計(jì)算及優(yōu)化大都是通過上位機(jī)計(jì)算實(shí)現(xiàn)的,西門子公司研發(fā)的WinCC組態(tài)軟件作為上位機(jī)的監(jiān)控組態(tài)軟件在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,本文就是在WinCC組態(tài)軟件環(huán)境下,采用綜合等負(fù)荷函數(shù)法實(shí)現(xiàn)對五機(jī)架冷連軋機(jī)軋制規(guī)程的優(yōu)化計(jì)算

5、,計(jì)算結(jié)果表明該算法能夠滿足軋制規(guī)程的優(yōu)化要求;所組態(tài)的軋制規(guī)程優(yōu)化界面友好,在運(yùn)行環(huán)境下能夠根據(jù)不同的生產(chǎn)工藝要求方便地對軋制初始參數(shù)進(jìn)行修改,并且在同一界面下能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)驗(yàn)法軋制規(guī)程計(jì)算和優(yōu)化軋制規(guī)程的計(jì)算,方便計(jì)算結(jié)果的比較,具有很好的靈活性,直觀性和可擴(kuò)展性.本文所設(shè)計(jì)的界面既能作為試驗(yàn)平臺用于其他優(yōu)化方法的實(shí)現(xiàn),也能作為監(jiān)控系統(tǒng)的一部分直接用于實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)中,具有很強(qiáng)的推廣價值和實(shí)際應(yīng)用價值.1軋制規(guī)程相關(guān)模型計(jì)算1.軋制力模型的計(jì)算冷軋機(jī)軋制力模型一般采用以BlandFord模型為基礎(chǔ)的Hill簡化式,即,Pm=Bm|cpm=Bm|cQ.K式中:B一軋件的平均寬度,m;I一考慮壓

6、扁后的變形區(qū)接觸面積和接觸弧長,mm;Q.一考慮壓扁后的外摩擦應(yīng)力狀態(tài)系數(shù);K一張力影響系數(shù),取K:1.15o-,Mpa.1_2彈性壓扁計(jì)算按照Hithcock提出的兩圓柱體彈性接觸變形理論,計(jì)算軋輥壓扁后接觸弧長I:|c=RhR=(1+2.210-)R式中:P一軋制力,kN;R一壓扁后軋輥半徑,mm;1.3速度制度軋機(jī)的最大速度V應(yīng)考慮下列工藝參數(shù):1)最大軋制力矩,電機(jī)最大轉(zhuǎn)速;2)最大入軋速度換算到末機(jī)架的最大軋制速度.N機(jī)架連軋穩(wěn)態(tài)軋制時,應(yīng)遵守秒流量守恒原則:,hiB=Const軋輥線速度為:=,/(7+f)式中:V一第i機(jī)架出口帶材的速度;f廣第i機(jī)架的前滑值.當(dāng)末機(jī)架出口速度給定

7、后,以厚度分配為依據(jù),通過前滑模型和流量方程可以確定各機(jī)架的速度值.1.4前滑模型前滑值f采用BlandFord公式:f=式中:為中性角.由于影響前滑的主要因素是變形程度e,當(dāng)e變化從O.1到O.5時,f將從2.6%變到16.8%,而h及變化時f的影響僅為前滑值的2%左右,因此為了實(shí)際的應(yīng)用,可將BlandFord公式簡化為下式:f=0.0015+0222e+0,2222由此式計(jì)算出的前滑值與BlandFord公式計(jì)算結(jié)果相比,誤差小于2%.1.5軋制力矩及軋制功率模型考慮到軋制力矩在冷軋時僅作為設(shè)備能力核算,因此主電機(jī)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一軋制力矩,kNm;a一力臂,m;(p一力臂系數(shù).工業(yè)控制計(jì)算柵2007年20卷第11期軋制時電機(jī)軸上的功率:N=0.103Mn式中:M一電機(jī)軸力矩,kNm;n一電機(jī)軸轉(zhuǎn)速,r/min.2采用綜合等負(fù)荷函數(shù)法優(yōu)化軋制規(guī)程的基本原理本文采用綜合等負(fù)荷算法對軋制規(guī)程進(jìn)行優(yōu)化,其中綜合等負(fù)荷是指將各機(jī)架處于薄弱環(huán)節(jié)的負(fù)荷諸如軋制功率N,軋制壓力P,軋制力矩M等均衡化,這對于發(fā)揮軋機(jī)的生產(chǎn)能力,并根據(jù)具體生產(chǎn)情況對各種負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整是有重要意義的.根據(jù)軋制理論可知,軋制功率N,軋制壓力P,軋制力矩M均可看做是關(guān)于人口厚度h和出口厚度h.的函數(shù),稱為負(fù)荷函數(shù),記做

9、(h,h,).若f(h,h,)(i=I,2n)都是二元連續(xù)函數(shù)且滿足單調(diào)性條件,則有minmax(hs一1,h)fi=l,2,nl=maxrainfi(hi_,hj)1i=1,2,n(1)并且(1)式的解必然滿足等負(fù)荷條件(ho,h,)=(n,he)=?=(n一,hn)(2)取負(fù)荷函數(shù),hi)一min,譬,式中:P.,N.,M.,8.,n.分別表示第i機(jī)架軋制力,軋制功率,軋制力矩,相對變形量和軋機(jī)轉(zhuǎn)速的許可值;P.,N.,M,8.,n.表示第i機(jī)架軋制力,軋制功率,軋制力矩,相對變形量和軋機(jī)轉(zhuǎn)速;表示富裕量分配系數(shù).對于任何一個可行規(guī)程均應(yīng)滿足下面的工藝限制條件DIv,oPPDMf允下,下D

10、nin,在原料厚度ho和產(chǎn)品厚度h一定時,使各機(jī)架的各種負(fù)荷均衡,則滿足(ho,h)=(n,he)=?'=(n一,h)=c(4)其中,C為負(fù)荷余量,是常數(shù).本文采用對負(fù)荷余量C和出口厚度h.(i=1,2,3,4)的"雙重嵌套迭代"的思維方法來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化參數(shù)的求解:對于負(fù)荷余量C的求取,給定搜索區(qū)間,采用黃金分割點(diǎn)法進(jìn)行迭代求解;對各機(jī)架的出口厚度h.,可將式(3)化為一系列單變量非線性方程,根據(jù)負(fù)荷余量C的迭代數(shù)值,采用遞推法求得h,h2,h.求解過程中,負(fù)荷余量和出口厚度彼此互相嵌套迭代,直到滿足"等負(fù)荷"要求.采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是:第一,可以保

11、證在所有負(fù)荷都達(dá)到均衡的基礎(chǔ)上使某些負(fù)荷達(dá)到最優(yōu),而不像一般的單一負(fù)荷達(dá)到最優(yōu),其他負(fù)荷有趨向極限的不合理情況.第二,富裕參數(shù)的引入,使得能夠通過調(diào)節(jié)富裕參數(shù)來滿足不同的生產(chǎn)要求或軋制目標(biāo).第三,由于軋制負(fù)荷對于人口厚度和出口厚度是單調(diào)的,所以式(1)中的解就是等負(fù)荷解且是唯一解,在某種意義上也是最優(yōu)的,從而將求目標(biāo)函數(shù)式(1)的非線性約束規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為單調(diào)函數(shù)求根問題,這對于在實(shí)際生產(chǎn)中編程實(shí)現(xiàn)的實(shí)時性具有重要的意義.3軋制規(guī)程優(yōu)化的WinCC組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)3.1軋制規(guī)程優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)平臺本文中軋制規(guī)程優(yōu)化根據(jù)來料基本數(shù)據(jù)及軋制工藝要求,如軋制材料的種類,板材寬度,末機(jī)架的線速度,來料厚度,出口厚

12、度等,利用WinCC組態(tài)軟件在組態(tài)界面中,通過對綜合等負(fù)荷函數(shù)優(yōu)化方法編程來實(shí)現(xiàn)實(shí)時的軋制規(guī)程優(yōu)化計(jì)算,并將優(yōu)化的結(jié)果在組態(tài)畫面中顯示.3l2軋制規(guī)程優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)過程在WinCC組態(tài)軟件環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對軋制規(guī)程的優(yōu)化并將計(jì)算結(jié)果在WinCC組態(tài)畫面中顯示出來,這在實(shí)時生產(chǎn)中具有重要的意義.其具體的組態(tài)步驟如下:1)定義變量.對于規(guī)程優(yōu)化中所用到的參數(shù)和變量町以分成兩部分:一部分是用于定義軋制規(guī)程的初始條件以及顯示軋制規(guī)程優(yōu)化結(jié)果的變量,按照變量的功能,將這部分變量參數(shù)定義為內(nèi)部變量;另一部分變量主要是作為規(guī)程優(yōu)化過程中的中間變量.2)組態(tài)界面.畫面中用到的主要組態(tài)元件是輸入/輸出域,靜態(tài)文本以及按鈕

13、.其中輸入/輸出域通過設(shè)置完成變量的連接用于優(yōu)化結(jié)果的顯示;靜態(tài)文本主要是標(biāo)注的作用;按鈕主要用于功能的實(shí)現(xiàn).3)功能實(shí)現(xiàn).通過對按鈕編程主要實(shí)現(xiàn)二個功能:軋制規(guī)程計(jì)算,軋制規(guī)程優(yōu)化.軋制規(guī)程的計(jì)算采用經(jīng)驗(yàn)法結(jié)合軋制規(guī)程模型進(jìn)行編程;優(yōu)化算法采用綜合等負(fù)荷函數(shù)法來實(shí)現(xiàn).其程序框圖如圖1所示.f啦jc作捷緇sjzzf;filift【1=05)水L架j童J業(yè),11.繪Ic¨.艘索ll'i"Hi(a拾0cla+0382(b.a),c2=aIh-cl0I趣拊解糾t,/7h,島)c1.術(shù)ti1n一1)R=(17.hd)I擗釬療紲(矗一)二-c2,求矗1ln.1)水(h一c2)

14、廠,N山,/YIla=Cl,cl=c2c2一a+0618(ba)-4遞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綜合等負(fù)荷函數(shù)法算法流程圈本文采用WinCC組態(tài)軟件作為軋制規(guī)程優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)平臺具有如下優(yōu)點(diǎn):具有很強(qiáng)的靈活性.文中所組態(tài)的軋制規(guī)程優(yōu)化界面簡潔,直觀,友好,程序修改方便,完全可以作為一個試驗(yàn)平臺應(yīng)用于其他優(yōu)化方法的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn).具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性,文中所設(shè)計(jì)的界

15、面可以通過簡單的功能擴(kuò)展直接用于實(shí)際生產(chǎn)中作為二級控制系統(tǒng)的一部分,能夠大大縮短系統(tǒng)開發(fā)周期.4五機(jī)架冷連軋機(jī)軋制規(guī)程優(yōu)化計(jì)算實(shí)例本文以某廠1450mm五機(jī)架冷連軋機(jī)的機(jī)組參數(shù)為例.在組態(tài)軟件平臺下進(jìn)行優(yōu)化算法的測試,能夠根據(jù)不同的軋制要(下轉(zhuǎn)第61頁)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)2007年20卷第11期61即外輪廓線,所以在系統(tǒng)使用之前,我們要通過事先建模,檢測出一條標(biāo)準(zhǔn)的蔭罩外輪廓線,通過計(jì)'算確定蔭罩外輪廓線的幾何特征因子(由i積,周長,形狀因子),將這些特征因子作為標(biāo)準(zhǔn)值固定下來.1)區(qū)域面積A:對于任何封閉的二值圖形區(qū)域,可以把它限制在MN的矩形區(qū)域內(nèi),掃描整個區(qū)域,計(jì)算灰度值為1的像素總

16、數(shù),即為區(qū)域的面積.MA:似,)=2)區(qū)域周長L.假如區(qū)域的輪廓是用鏈碼表示的,如果每個碼字所表示的距離用歐風(fēng)里德度量,則有:,AL=I當(dāng)c0,2,4,6【,/當(dāng)C7,3,5,71L:L3)形狀因子:c=L/4丌A.1.2.4蔭罩輪廓的搜索判決蔭罩懸掛鏈定位后,蔭罩圖像基本處在CCD視場的中心區(qū)域范圍內(nèi),以視場的中心像素點(diǎn)作為起點(diǎn)向一個固定的方向進(jìn)行搜索,當(dāng)搜索到一條封閉的邊界輪廓曲線后,計(jì)算出該曲線的特征值,與所建模的標(biāo)準(zhǔn)特征值進(jìn)行比較,如果在設(shè)定的允許誤差范圍內(nèi),可以認(rèn)為該輪廓曲線即為我們所要找的蔭罩外輪廓線,搜索完成.如果與標(biāo)準(zhǔn)特征值不相符,繼續(xù)搜索下一條封閉曲線,最后總能找到我們所求蔭

17、罩的外輪廓線.2蔭罩圖像位置的計(jì)算通過上面的圖像處理和邊界檢測以后,我們得到了所要研究的蔭罩外輪廓曲線,提取出該輪廓曲線的坐標(biāo)值,可求得如下圖A,B,C,D4個點(diǎn).即X坐標(biāo)最大與最小,y坐標(biāo)最大與最小4個極值點(diǎn).假設(shè)由A,B問所有邊界點(diǎn)所構(gòu)成的直線方程為yl=kxl+bl;C,D問所有邊界點(diǎn)所構(gòu)成的直線方程為y2=k2x+b2;通過(上接第59頁)求進(jìn)行參數(shù)輸入,具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性."軋制規(guī)程計(jì)算"按鈕所編寫的程序采用的是經(jīng)驗(yàn)法結(jié)合軋制規(guī)程模型來進(jìn)行計(jì)算."軋制規(guī)程優(yōu)化計(jì)算"按鈕所編寫的程序是采用綜合等負(fù)荷函數(shù)算法來對軋制規(guī)程進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,優(yōu)化的結(jié)

18、果顯示如圖2所示.圖2五機(jī)架冷連軋機(jī)軋制規(guī)程優(yōu)化圖線性回歸的最小二乘法分別可以求得k1,b1和k2,b2,那么與直線y1,y2等間距的直線L1的直線方程式為x十下bl+b2同理亦可求得中間線L2的直線方程,計(jì)算出L1,L2的交點(diǎn)O的坐標(biāo)值(a,b),則此坐標(biāo)值為蔭罩的中心坐標(biāo).理論上L1,L2應(yīng)完全垂直,但實(shí)際上由于CCD攝像機(jī)的安裝角度無法與蔭罩平面保持絕對垂直,加上蔭罩外框尺寸并非絕對標(biāo)準(zhǔn)矩形,計(jì)算得到的L1和L2只是近似垂直,為了簡化處理,我們只取蔭罩長邊方向L1的傾角為蔭罩的旋轉(zhuǎn)角度O=arctg(kl+k2)/2,最后使用點(diǎn)對點(diǎn)的通訊協(xié)議,將蔭罩中心點(diǎn)坐標(biāo)(a,b),旋轉(zhuǎn)角度O,通過數(shù)據(jù)線發(fā)送給機(jī)器人,機(jī)器人將根據(jù)這些參數(shù)來調(diào)整其取網(wǎng)點(diǎn)的位置,實(shí)現(xiàn)對蔭罩的正確抓取.3結(jié)束語系統(tǒng)經(jīng)過改造后,提高了機(jī)器人對蔭罩位置變化的適應(yīng)能力,保證了對蔭罩抓取的準(zhǔn)確無誤,避免了對蔭罩可能造成的傷害,降低了蔭罩材料的消耗,具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益.參考文獻(xiàn)1王慶有.CCD應(yīng)用技術(shù)M.天津:天津大學(xué)出版社,20002朱維仲,董彩平.中值濾波技術(shù)及其在圖像處理過程中