تحسين أداء خطوط التلدين المستمرة باستخدام نموذج تحكم تنبؤي

تُستخدم خطوط التلدين المستمرة للمعالجة الحرارية لشريط الفولاذ المدلفن على البارد ، وهو أمر ضروري للحصول على الخصائص الميكانيكية المناسبة لمختلف التطبيقات. يتم تسخين الشريط إلى درجات حرارة تتراوح بين 600 و 800 درجة مئوية عن طريق أنابيب مشعة يتم فيها الاحتراق ينتقل الشريط الفولاذي في جو وقائي من الهيدروجين والنيتروجين لتجنب الأكسدة.

يتمثل التحدي الذي يواجه هذا الخط في تسخين الشريط المدلفن على البارد إلى درجات حرارة تتراوح بين 600 و 700 درجة مئوية ضمن تفاوتات درجة حرارة الشريط الضيق. بسبب انتقالات الشريط والتغييرات المفروضة في السرعة ، يواجه التحكم التقليدي صعوبات في تلبية هذه التفاوتات.

تم مؤخرًا تطوير وحدة تحكم تنبؤية نموذجية وتنفيذها في خط تلدين مستمر بإنتاج سنوي يبلغ 400000 طن. باستخدام نموذج الفرن ذي المبدأ الأول ، تحسب وحدة التحكم حمل الموقد المطلوب وسرعة الخط ، بحيث يتم تلدين الملف عند درجة حرارة التلدين المستهدفة مع زيادة سرعة الخط وتقليل تأثيرات الانتقال على درجة الحرارة. في خوارزمية التحكم ، يتم حل مشكلة التحسين الديناميكي المقيدة غير الخطية عن طريق تطبيق نماذج خطية متعددة التعريف على أفق متراجع.

زادت وحدة التحكم التنبؤية في النموذج من طول الشريط حسب المواصفات من 75 إلى 98٪ ، مع زيادة الطاقة الإنتاجية بنسبة 3٪ وتقليل استهلاك الغاز الطبيعي بنسبة 6٪.

۱. مقدمة

يعد التلدين بالدرفلة على البارد ضروريًا لاستعادة الخصائص الميكانيكية قبل إجراء مزيد من المعالجة. في خط التلدين المستمر ، يتم تسخين الشريط إلى درجات حرارة تتراوح بين 600 و 800 درجة مئوية عن طريق أنابيب مشعة داخل فرن (RTF). يعد التحكم الجيد في عملية التلدين أمرًا حيويًا لتحقيق صفات المنتج المرغوبة ، ولزيادة كفاءة العملية وإنتاجية الخط إلى الحد الأقصى وتقليل استهلاك الطاقة.

لا تأخذ وحدات التحكم التقليدية في هذه التركيبات في الاعتبار تأثير القصور الذاتي للفرن وديناميكياته الحرارية على درجة حرارة الشريط. علاوة على ذلك ، فإن الشريط نفسه يزعج العملية في كل مرة تدخل فيها نقطة لحام ، ما يسمى بانتقال الشريط ، إلى الفرن لإدخال تغييرات في أبعاد الشريط ، ودرجة الحرارة المستهدفة ، وحد السرعة ، والانبعاثية ، وما إلى ذلك. وبالتالي ، فإن التحكم الدقيق في درجة حرارة الشريط في مثل هذا النظام الانتقالي والتأخير الزمني يمثل مهمة صعبة حقًا.

نموذج التحكم التنبئي

نموذج التحكم التنبئي (MPC) نموذج التحكم التنبئي (MPC) هو استراتيجية تحكم تستخدم نموذجًا لعمل تنبؤات عبر الإنترنت لسلوك العملية في المستقبل على المدى القصير. إنه يحسن متغيرات العملية خلال إطار زمني معين في المستقبل. يزيد من الكفاءة من خلال دفع العملية نحو قيود العملية الخاصة بها دون انتهاكها ويتوقع تغييرات العملية المخطط لها ، على سبيل المثال انتقالات الشريط وبالتالي تغيرات السماكة أو درجة الحرارة المستهدفة في خط التلدين المستمر.

يمكن وصف مبدأ عمل MPC بمساعدة الشكل 1.

يُظهر الخط الأزرق المتقطع الإخراج المتوقع من الحاضر إلى المستقبل القريب ، وهو على سبيل المثال درجة حرارة الشريط في خط التلدين. يعتمد هذا الإخراج على الإدخال الثابت المقدم في الخط البرتقالي المتقطع ، وهو على سبيل المثال حمل الفرن. يمكن حساب هذا الناتج المستقبلي عن طريق الأحداث المستقبلية المعروفة – مثل انتقالات الشريط – ونموذج ديناميكي دقيق. الخط الأحمر المستمر هو متغير عملية مقيد ، على سبيل المثال درجة حرارة أمان الأنبوب المشع في التلدين المستمر. يجب ألا يتجاوز متغير العملية حدوده. تحسب MPC المدخلات المستقبلية ، كما هو موضح بالخط البرتقالي المنقط ، للسماح للمخرجات الخاضعة للرقابة ، الموضحة بالخط الأزرق المنقط ، بمطابقة الهدف في أقرب وقت ممكن ، دون انتهاك القيود ، كما هو موضح كخطوط حمراء متقطعة.

بسبب الاضطرابات غير المقاسة والقياس وأخطاء النموذج ، من المحتمل أن ينحرف المستقبل “الحقيقي” عن المستقبل المتوقع. لذلك ، يتم إرسال المعالجة الأولى فقط إلى العملية ويتم استخدام المخرجات المقاسة كنقطة بداية جديدة للحساب التالي.

يُفضل نموذج المبدأ الأول على نموذج العلاقة الإحصائية [1] ، حيث أن العملية أثناء انتقال الشريط غير خطية إلى حد كبير.

Since non-linear models are difficult to implement in the MPC problem [2], piecewise linearization is applied to construct localised linear models that are solved with improved stability. يتم تحسين العبء الحسابي عن طريق تخصيص خطوات زمنية غير متساوية البعد عبر أفق التنبؤ.

۲. نموذج عملية ديناميكي صارم

في قسم التسخين ، ينتقل الشريط لأعلى ولأسفل في ممرات متعددة فوق لفات النقل الموضوعة أعلى وأسفل الفرن (الشكل 2). بين الممرات ، الأنابيب المشعة هي الأماكن التي تشكل مصدر الطاقة. تمتلئ أجواء الفرن بغاز وقائي يمنع الشريط من الأكسدة. في النموذج ، ينقسم الفرن إلى مصفوفة من الخلايا الحسابية. اعتمادًا على موضع الخلية ، تكون الخلية إما خلية أنبوبية مشعة ، أو خلية لفة نقل ، أو خلية فارغة.

الشكل 2 – تفريغ الفرن الأنبوبي المشع في مصفوفة من الخلايا

تحتوي كل خلية على عدد من العناصر التي تمثل الجدار والشريط والأنبوب المشع والغاز و / أو اللفة. بالنسبة لكل عنصر ، يتم حساب موازين الحرارة g(T،u)، حيث يمثل المتجه T حالات درجة الحرارة لجميع العناصر في النموذج ويحتوي المتجه u على معلمات العملية مثل سمك الشريط وعرضه وسرعة الخط وتسخين الفرن قوة.

يعتمد الحل الديناميكي على التكامل العددي لوظيفة المشتق الجزئي غير الخطية التالية.

وظيفة التدفق الحراري الصافي الجزئي q_i بالنسبة للعنصر i ، يعتمد فقط على حالات درجة الحرارةT ومعلمات العمليةu. كتلة العنصر m ثابتة ، باستثناء عنصر الشريط وتعتمد الحرارة النوعية c_p على المادة ودرجة حرارة العنصر.

يتم اختيار هيكل النموذج الصارم بحيث يكون مشتق درجة الحرارة T والتدرج T∇ و u∇ رخيصًا من الناحية الحسابية (انظر المعادلة 2 ، حيث fn(T،u) هو النموذج الصارم).

التدرجات اللونية مفيدة لتثبيت الحل الديناميكي ولإيجاد حل الحالة المستقرة 0 = dtdT ، والتي تُستخدم كحالة أولية للحساب.

انتقال الحرارة بالإشعاع

يتم نقل حوالي 95٪ من الحرارة في الفرن ذي الأنبوب المشع عن طريق الإشعاع ، وبالتالي فإن وصف النموذج الدقيق لانتقال الحرارة بالإشعاع يعد أمرًا حيويًا لوحدة التحكم هذه. يعتمد نقل الحرارة الإشعاعية على طريقة حساب التبادل الكلي للإشعاع داخل حاوية موصوفة بواسطة [3] ، حيث يُفترض أن يكون الغاز شفافًا.

تعتمد عوامل العرض على هندسة الخلية المدروسة ويتم حسابها باستخدام المعادلات الهندسية القياسية [4]. يظهر الشكل الهندسي للخلية الأنبوبية في الشكل 3.

الشكل 3 – عناصر مختلفة داخل خلية RTF

نقل الحرارة من الأنبوب

الأنبوب المشع مع الموقد المرفق في الشكل 4 هو مصدر الطاقة للفرن. يحدث الاحتراق داخل الأنبوب الموجود في طرف الموقد. تنتقل غازات المداخن الساخنة عبر الأنبوب على شكل حرف W وتخرج من طرف آخر. يتم توصيل جهاز التعافي بمخرج غازات المداخن لاستعادة الحرارة المفقودة للتسخين المسبق لهواء الاحتراق.

الشكل 4 – تخطيط تخطيطي لوحدة الأنبوب المشع مع سلك لحام الموقد وسلك اللحام الملدن.

يتكون حساب توازن الحرارة للأنبوب من:

• • حرارة الاحتراق
• • استرداد الحرارة بواسطة جهاز التعافي
• • الإشعاع من غازات المداخن إلى السطح الداخلي للأنبوب المشع

يشكل المصطلح الأخير حدود حساب إشعاع الفرن.

انتقال الحرارة الأخرى

إلى جانب الإشعاع وتوازن حرارة الأنبوب ، تحدث مبادئ نقل الحرارة الأخرى في الفرن ، وبالتالي يتم نمذجتها في نموذج ديناميكي صارم ، مثل:

• • انتقال الحرارة الحراري بين الغاز والعناصر السطحية
• • استخلاص الحرارة بسبب حركة الغاز الواقية.
• • استخلاص الحرارة بسبب حركات الشريط
• • فقدان الحرارة وتخزينها في الحراريات عن طريق التوصيل
• • انتقال الحرارة بين الشريط وبكرات النقل

التحقق من صحة النموذج

يحتوي الخط على فرن أنبوب مشع به 148 أنبوبًا مشعًا تقع في 5 مناطق تسخين. يتم تكوين النموذج وفقًا لذلك ويحتوي على إجمالي 772 عنصرًا (أو حالات درجة الحرارة).

يرسم الرسمان البيانيان في الشكل 5 ناتج النموذج بالمقارنة مع القياسات. يظهر بشكل عام اتفاق جيد بين القيم المحسوبة والمقاسة ، بمتوسط خطأ تنبؤ يبلغ 14 درجة مئوية لدرجة حرارة المنطقة و 8 درجات مئوية لدرجة حرارة الشريط. علاوة على ذلك ، يتنبأ النموذج بأن ديناميكيات العملية دقيقة تمامًا ، على سبيل المثال عند انتقال السُمك عند 3:50 وتتغير السرعة عند 1:30 و 11:10. تثبت النتائج أن النموذج يلتقط ديناميكيات العملية بدقة كافية.

الشكل 5 – نتائج التحقق من صحة النموذج

3. نموذج التحكم التنبئي

نموذج التنبؤ

لا يمكن تطبيق النموذج الصارم غير الخطي الموضح في الفصل السابق بشكل مباشر في MPC. لذلك فإنه يحسب مجموعة من النماذج الفضائية ذات الحالة الخطية متعددة التعريف على طول أفق التنبؤ [5] (انظر المعادلة 3).

أين x_k هو ناقل الحالة (أو درجة الحرارة) ، u_k هو متجه إدخال النظام (سرعة الخط وحمل المنطقة) ، و y_k هو متجه إخراج النظام مع درجات حرارة الشريط والمنطقة. يلتقط المصطلح الجبري z عناصر الحالة المستقرة (عناصر الغاز). المصطلحات x_s و y_z و يتم تقديم z_s لتمكين النموذج الخطي من العمل بمقياس مطلق دون فقدان العمومية والدقة والسماح بإجراء عملية خطية في نقطة تشغيل عابرة.

يوضح الشكل 6 نتيجة استجابة درجة حرارة الشريط لتغيير خطوة في سرعة الخط للنموذج الخطي الفردي مقارنة بالنموذج غير الخطي. يتنبأ النموذج الخطي باستجابة درجة الحرارة بدقة كافية ، حيث يكون هناك إزاحة صغيرة فقط مرئية في النهاية.

الشكل 6 – استجابة درجة الحرارة لاضطراب السرعة من 600 م / دقيقة إلى 450 م / دقيقة من النموذج الخطي مقابل النموذج الصارم غير الخطي

حجم خطوة الوقت

مطلوب خطوات زمنية كبيرة للحد من العبء الحسابي. ومع ذلك ، يلزم وجود تفاصيل كافية على المدى القصير وأثناء عمليات الانتقال. باستخدام تحويل Tustin [6] ، يمكن ملء أفق التنبؤ بنماذج حجم خطوة زمنية مختلفة ، مما يتيح تفاصيل كافية عند الحاجة. هذا موضح في الشكل 7 ، الذي يوضح أنه يتم وضع مزيد من التفاصيل في الخطوات الزمنية القليلة الأولى وحول الانتقال. تمتد الخطوة الزمنية الأخيرة حتى نهاية التوقع . يتم حساب هذا التوزيع لكل خطوة تحكم لالتقاط ومتابعة الانتقال الذي يقترب عن كثب.

الشكل 7 – توزيع الخطوة الزمنية التكيفية في أفق التنبؤ

مرشح كالمان

يتم استخدام النموذج الديناميكي الصارم كمراقب للحالة ، حيث يتم تطبيق مرشح كالمان الممتد [6] لتقدير حالة درجة الحرارة ومعلمات النموذج. هذا يضمن أن النموذج الديناميكي الصارم يتبع القياسات عن كثب.

مشكلة التحسين المقيدة

تصف الوظيفة الهدف رياضيًا مشكلة التحسين وللتلدين المستمر ، فإن الهدف الرئيسي هو تحقيق درجة حرارة التلدين المستهدفة وزيادة الإنتاجية. يعتبر التشغيل المستقر والحفاظ على الطاقة أهدافًا ثانوية.

يتم أخذ القيود في الاعتبار بشكل صريح في التحسين ، حيث تعتبر قيود التثبيت مثل نطاقات المشغل وسرعة التصميم القصوى “قيودًا صارمة”. يجب الوفاء بهذه القيود الصعبة في أي وقت لتجنب إجراءات التحكم “غير الواقعية”. تعتبر قيود العملية “قيودًا لينة” ، مثل درجة حرارة أمان الفرن ، حيث يتم معاقبة انتهاك القيود اللينة في الوظيفة الموضوعية للسماح لوحدة التحكم بالتعافي من المواقف غير المرغوب فيها.

4. التنفيذ

تم تنفيذ تجارب الإنتاج وأظهرت أن MPC تفوقت باستمرار على التحكم التقليدي وحققت تحسينات واسعة. تم التحكم في درجة حرارة الشريط بدقة شديدة ، حتى في انتقالات الشريط كما هو موضح في الشكل 8. تؤدي الإجراءات المتوقعة لكل من سرعة الخط وحمل الفرن إلى أطوال صغيرة جدًا خارج المواصفات عند التحولات ، على سبيل المثال عندما يتغير سمك الشريط من 0.24 إلى 0.19 ملم كما هو موضح في الشكل 8.

الشكل 8 – مثال على التحكم في انتقال الشريط بواسطة وحدة التحكم القائمة على MPC

تم تنفيذ تجربة تحمل لمدة شهرين للحكم على أداء وحدة التحكم الجديدة مقابل التحكم التقليدي. أظهرت نتائج التقييم كما هو موضح في الشكل 9 أن كمية طول الشريط ضمن نطاق درجة الحرارة المستهدفة تحسنت من 75٪ إلى 98٪. علاوة على ذلك ، ارتفع معدل الإنتاج بنسبة 3٪ ، بينما انخفض استهلاك الغاز الطبيعي بنسبة 6٪. تم الحصول على الفوائد الأخيرة لأن وحدة التحكم التنبؤية النموذجية لم يتم تحديها فقط لتقليل خطأ درجة حرارة الشريط ، ولكن أيضًا لزيادة سرعة الإنتاج وتقليل استهلاك الغاز. علاوة على ذلك ، نظرًا للتشغيل الأكثر استقرارًا ، انخفض عدد توقف الخط بشكل كبير. يسعد مشغلو الفرن بوحدة التحكم الجديدة في الفرن ، من بين أمور أخرى لأن كمية تدخلات المشغل المطلوبة قد انخفضت بشكل كبير.

الشكل 9 – تحسين دقة التحكم في درجة حرارة الشريط بسبب نموذج التحكم التنبئي

۵. الاستنتاجات والتوقعات

زاد نظام التحكم التنبئي النموذجي المطور داخليًا من طول المواصفات من 75 إلى 98٪ ، مع زيادة الطاقة الإنتاجية بنسبة 3٪ ، وتقليل استهلاك الغاز الطبيعي بنسبة 6٪ وتدخل المشغل إلى الحد الأدنى.

للحصول على معلومات حول سعر أسلاك اللحام بغاز ثاني أكسيد الكربون وشراء أسلاك co2 ومنتجات دلتا وایر الأخرى ، اتصل على 09121147793 باسم طبایی.