Имитационное моделирование системы бесконтактного измерения температуры поверхности полосы металла перед смоткой на широкополосном стане горячей прокатки1

УДК 669.1

К.А. Харахнин, Д.В. Головкин, С.А. Аниськин, Р.Л. Мельников

ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ ПОЛОСЫ МЕТАЛЛА ПЕРЕД СМОТКОЙ НА ШИРОКОПОЛОСНОМ СТАНЕ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ1

В статье предствавлены имитационная модель и имитационное моделирование системы бесконтактного измерения температуры поверхности полосы металла на широкополосном стане горячей прокатки. Система определяет коэффициент излучения e, соответствующий текущим условиям прокатки, и динамически вводит его в пирометр; измеряет площадь поверхности полосы, на которой измеряется температура, а также вычисляет коэффициент покрытия, характеризующий эффективность измерения температуры.

Имитационная модель, система измерения температуры поверхности металла, стан горячей прокатки, стальная полоса.

The paper describes a simulation model and the simulation modeling of a system of noncontact measurement of a metal strip surface temperature in a wide-strip hot rolling mill. The system determines emissivity e corresponding to the current conditions of rolling and dynamically inducts it into a pyrometer. The system measures the area of the strip surface on which the temperature is measured, as well as estimates the coefficient of covering describing efficiency of temperature measurement.

Simulation model, system of measurement of temperature of a surface of metal, hot rolling mill, steel strip.

Измерение температуры поверхности металла на непрерывном широкополосном стане горячей прокатки имеет важное значение для обеспечения необходимого качества продукции. Термомеханическое воздействие на металл в потоке стана определяет механические характеристики листового проката. Неравномерность свойств горячекатаного металла по длине и ширине полос является следствием как перераспределения химического состава металла при разливке, так и неравномерности распределения температуры в процессе прокатки и охлаждения [5].

Измерение температуры поверхности прокатываемого металла на стане горячей прокатки возможно только бесконтактным методом с использованием пирометров излучения [1], [3], [4]. Наиболее распространённой является система измерения температуры, при которой стационарно установленный пирометр спектрального отношения визируется в центр полосы прокатываемого металла [2]. В этом случае производится измерение температуры некоторой области вдоль полосы, ограниченной полем визирования пирометра.

В то же время, как показывают практические исследования [5], неконтролируемый градиент температур между центром и краями полосы может достигать десятков градусов, что, в свою очередь, приводит к неравномерности механических свойств проката по ширине. При наличии неравномерного распределения температуры по ширине измеренное пирометром значение температуры поверхности, ограниченной его полем визирования, не может приниматься как значение температуры, соответствующее всей ширине полосы.

1 Работа отражает результаты НИР в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 гг.

Решением вышеотмеченной проблемы является установка дополнительного сканирующего пирометра частичного излучения (линейного инфракрасного сканера), измеряющего за один скан (проход) температуру по всей ширине прокатываемой полосы, а измерение температуры вдоль полосы обеспечивается движением самой полосы. Площадь поверхности полосы, температура которой измеряется, определяется частотой сканирования и скоростью движения полосы.

Особенностью измерений температуры пирометрами частичного излучения (к которым относится и линейный инфракрасный сканер) является зависимость результата измерения от излучательной способности объекта, выражаемой коэффициентом излучения е, при различных значениях температуры. Для корректного измерения температуры необходимо указать пирометру верное значение коэффициента излучения, так как неточное значение коэффициента излучения е приводит к погрешности измерения температуры.

Для определения е при измерении температуры смотки в условиях действующего широкополосного стана нашёл применение способ, предусматривающий временную установку в одной точке измерения двух пирометров - пирометра частичного излучения и пирометра спектрального отношения [1]. Изменение коэффициента излучения е на пирометре частичного излучения производится до тех пор, пока индицируемые обоими пирометрами температуры не будут равны.

На кафедре автоматизации и систем управления Череповецкого государственного университета разработана система бесконтактного измерения температуры [6], состоящая из пирометра спектрального отношения, сканирующего пирометра частичного

излучения (сканера), датчика скорости движения полосы, вычислительного блока с банком данных. В работах [7], [8] получена математическая модель, функциональная схема и алгоритм её функционирования. Система на основании измеренного пирометром спектрального отношения значения температуры поверхности прокатываемого металла с учётом геометрических параметров полосы, скорости её движения, особенностей оптики используемых пирометров и их взаимного расположения относительно друг друга определяет коэффициент излучения е, соответствующий текущим условиям прокатки, и динамически вводит его значение в сканер. Система также определяет площадь поверхности полосы, на которой измеряется температура, а также вычисляет коэффициенты покрытия пирометра Кп и сканера Кс, характеризующие эффективность измерения температуры (измерение температуры на максимально возможной площади поверхности полосы).

Функциональная схема системы приведена на рис. 1. Пирометром 1 непрерывно измеряются текущие значения температуры Тп в центральной части полосы вдоль оси прокатки, ограниченной по длине - длиной полосы, а по ширине - полем визирования этого пирометра. Одновременно с этим также непрерывно измеряется скорость полосы датчиком скорости 3, значение которой дифференцируется для определения ускорения полосы.

На основании данных о скорости V, ускорении а полосы и расстоянии Ь между пирометром 1 и сканером 2 в вычислительном блоке 4 (рис. 2) производится расчёт интервала времени t между моментом измерения температуры в данной точке полосы пи-

рометром и моментом измерения температуры в этой же точке полосы сканером.

Через интервал времени задержки 1 в сканер вводится значение коэффициента излучения е, извлекаемое из банка данных величин е, соответствующее текущей марке стали и температуре поверхности полосы. Если же такое значение отсутствует, то происходит его расчёт на основе имеющихся статистических данных путём использования методов интерполяции, например методом интерполяционного многочлена Лагранжа.

Сканером осуществляется измерение температуры Тс по ширине полосы и проверяется равенство Тп = Тс, и, если это равенство соблюдается и величина е была получена расчётным путём, значение е заносится в банк данных для использования во время последующих измерений при аналогичных условиях прокатки и характеристиках полосы.

До начала опытно-промышленного опробования в условиях действующего производства представляется целесообразным провести предварительное имитационное моделирование системы. Имитационная модель разработана в среде БтиИпк пакета программ Ма1;ЬаЬ и представлена на рис. 3.

Входными параметрами для модели являются измеренное пирометром значение температуры (Тп, 0С), марка стали, расстояние между пирометром и сканером (Ь, м), скорость движения полосы (V, м/с), длина (1рг, м) и ширина (И, м) полосы, частота сканирования линейного сканера (^, Гц), а также значения диаметров пятен визирования пирометра (йр, м) и сканера (йз, м).

4

Рис. 1. Функциональная схема системы измерения температуры смотки с динамическим вводом коэффициента излучения

Марка стали

Температура Тп Сталь 1 Сталь 2 Сталь 3 Сталь п

ТЛ1 £ц 81 т

Тп2 е21 е22 е23 е2т

Тпз е31 е32 е33 е3т

Тпт еп1 еп 2 еп3 е пт

е

Рис. 2. Функциональная схема вычислительного блока с банком данных

Банк данных представлен в модели в виде двухмерной матрицы. На входы блока банка данных поступают значения температуры (в виде номера строки, формируемой подсистемой формирования номера строки) и марки стали (в виде номера столбца). На выходе блока банка данных формируется значение коэффициента излучения, соответствующее пересечению номера строки и номера столбца. Содержание банка данных представлено на рис. 4.

В первом столбце находятся значения температуры поверхности полосы, во втором, третьем и четвёртом столбцах - известные значения коэффициентов излучения для различных марок стали.

Измеренное пирометром значение температуры Тп поступает в подсистему формирования номера строки банка данных. Если измеренное значение температуры для данной марки стали соответствует табличному значению, то на выходе подсистемы формируется значение номера строки банка данных. В противном же случае формируется сигнал запуска процедуры интерполяции, который активирует работу блока подсистемы интерполяции. На входы подсистемы интерполяции поступает значение марки стали и значение температуры Тп полосы металла, измеренной пирометром, и осуществляется расчёт коэффициента излучения на основе имеющихся данных.

Так как пирометр и сканер расположены на некотором известном расстоянии друг от друга по ходу прокатки, в модели рассчитывается интервал времени задержки £ через который определённый ранее коэффициент излучения должен быть введён в сканер. Для этого предназначена подсистема расчета интервала времени задержки, состоящая из блока расчёта времени задержки и блока реализации транспортной задержки.

После прокатки каждой полосы в подсистеме расчёта коэффициентов Кп и Кс на основании данных

о скорости движения полосы, длины и ширины полосы, частоты сканирования линейного сканера, а также значений диаметров пятен визирования пирометра и сканера осуществляется расчёт общей площади поверхности полосы металла 5о, площади поверхности полосы 5п, на которой пирометром была измерена температура Тп, и площади поверхности полосы Бс, на которой линейным сканером была измерена температура Тс.

Коэффициент покрытия пирометра Кп определяется как отношение площади поверхности полосы £п к общей площади £о поверхности полосы металла. Коэффициент покрытия сканера Кс определяется как отношение площади поверхности полосы £с к общей площади £о поверхности полосы металла.

Проведём имитационное исследование модели системы. Такие параметры, как расстояние Ь между пирометром и сканером, длина полосы 1рг и её ширина И, диаметр пятна визирования пирометра ф, диаметр пятна визирования сканера примем постоянными со значениями, указанными в табл. 1. Значения изменяемых параметров и результаты моделирования представлены в табл. 2.

Анализ результатов имитационного моделирования позволяет сделать следующие выводы:

1. При поступлении в модель значения температуры Тп, соответствующего значению, имеющемуся в банке данных для текущей марки стали, осуществляется извлечение из банка данных соответствующего значения коэффициента излучения и его ввод в сканер.

2. При поступлении в модель значения температуры Тп, не соответствующего значению, имеющемуся в банке данных для текущей марки стали, осуществляется запуск подсистемы аппроксимации и расчёт значения коэффициента излучения на основе имеющихся значений для последующего его ввода в сканер.

Рис. 3. Блок-схема имитационной модели системы

| 590]| "07911 0,811 0,691

| бООЦ °'811 0,81 11 0,7]

| 620Ц ~0Д5] | 0,8911 0,81

Содержание банка данных Рис. 4. Содержание банка данных

Таблица 1

|2-р Т[к]| Банк данных

Наименование параметра Значение параметра

Расстояние Ь между пирометром и сканером, м 2

Длина полосы 1рг, м 100

Ширина полосы И, м 2

Диаметр пятна визирования пирометра йр, м 0,1

Диаметр пятна визирования сканера йз, м 0,1

Таблица 2

№ режима Измеренное значение температуры Т„ , 0С Марка стали Скорость движения полосы V, м/с Частота сканирования w, Гц Измеренное значение температуры Тс , 0С при e = 0,87 Значение коэффициента излучения e, вводимого в сканер Устраняемая разница измерения температуры Тс , 0С Коэффициент покрытия пирометра К„ Коэффициент покрытия сканера Кс

1 590 1 8 5 583 0,7900 -7 0,05 0,2050

2 595 1 10 10 588 0,7938 -7 0,05 0,2500

3 600 2 10 15 595 0,8100 -5 0,05 0,3300

4 605 2 10 20 602 0,8280 -3 0,05 0,4250

5 610 3 12 20 597 0,7300 -13 0,05 0,3633

6 615 3 14 25 605 0,7587 -10 0,05 0,3851

7 620 3 16 25 614 0,8000 -6 0,05 0,3445

3. Определение коэффициента излучения е, соответствующего текущим условиям прокатки, и динамический ввод его в сканер позволяет повысить точность измерения температуры поверхности металла (например, для марки стали 3 при истинном значении температуры поверхности металла 620 °С и установленном неверном значении е = 0,87 при правильном значении е = 0,73 устраняемая разница измерения температуры между пирометром и сканером составит минус 13 °С).

4. Коэффициент покрытия пирометра Кп не зависит от параметров движения полосы и существенно меньше коэффициента покрытия сканера Кс при тех же параметрах движения полосы.

5. Так как коэффициент покрытия сканера Кс прямо пропорционален частоте сканирования V и обратно пропорционален скорости движения полосы V, то его максимальное значение (а, следовательно, и максимальная эффективность измерения температуры) зависит, прежде всего, от технических характеристик используемого сканера.

Таким образом, проведение имитационного моделирования разработанной системы бесконтактного измерения температуры поверхности полосы металла на широкополосном стане горячей прокатки показало её работоспособность и соответствие решаемым задачам.

Список литературы

1. Головкин, Д.В. Анализ методов контроля температуры металла на станах горячей прокатки / Д.В. Головкин, В.Н. Мочалин, С.А. Пойгина // Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства: материа-

лы междунар. науч.-техн. конференции: в 2 ч. Ч. 1. - Череповец, 2006. - С. 137 - 139.

2. Головкин, Д.В. Метод измерения температуры металла перед смоткой на стане горячей прокатки с коррекцией коэффициента излучения / Д.В. Головкин, В.Н. Мочалин, С. А. Пойгина // Вестник ЧГУ. - 2006. - № 2. - С. 99 - 101.

3. Гусев, Г.В. Измерение высоких температур в промышленности бесконтактными термометрами (пирометрами излучения) / Г.В. Гусев, В.Г. Харазов // Промышленные АСУ и контроллеры. - 2006. - № 5. - С. 47 - 51.

4. Измерение температуры: теория, практика, эксперимент: справочное издание: в 3 т. Т. 2: Измерение температуры в промышленности и энергетике / под ред. А.М. Беленького, В.Г. Лисиенко. - М., 2007.

5. Миленин, А.А. Математическое моделирование распределения температуры по длине и ширине горячекатаных полос / А.А. Миленин, В.Н. Данченко, А.Ю. Путноки, В.Т. Тилик // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2006. - № 1. - С. 40 - 44.

6. Пат. 2358821 Российская Федерация, МПК B 21 B 38/00. Способ измерения температуры полосы перед смоткой на стане горячей прокатки / Д.В. Головкин, А.В. Смирнов, К.А. Харахнин, В.Н. Мочалин; опубл. 20.06.2009 Бюл. № 17.

7. Разработка алгоритма обработки информации для бесконтактной системы измерения температуры поверхности полосы металла перед смоткой на непрерывном широкополосном стане горячей прокатки: научно-технический отчёт о выполнении 2-го этапа государственного контракта № П2395 от 18 ноября 2009 г. / ГОУ ВПО «Череповецкий государственный университет»; рук. К.А. Харахнин. - Череповец, 2010.

8. Харахнин, К.А. Система бесконтактного измерения температуры поверхности полосы перед смоткой на широкополосном стане горячей прокатки / К.А. Харахнин, Д.В. Головкин, С.А. Аниськин, Р.Л. Мельников // Производство проката. - 2010. - № 9. - С. 44 - 47.