基于MVC的雙機(jī)架爐卷軋機(jī)軋制力矩的仿真研究

王 智，張 果，王劍平，楊俊東，楊奇，尹麗瓊

(1.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500；2.云南大學(xué) 信息學(xué)院，云南 昆明 650091；3.昆明鋼鐵控股有限公司，云南 昆明 650500)

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·實(shí)驗(yàn)研究·

基于MVC的雙機(jī)架爐卷軋機(jī)軋制力矩的仿真研究

王 智1，張 果1，王劍平1，楊俊東2，楊奇3，尹麗瓊3

(1.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500；2.云南大學(xué) 信息學(xué)院，云南 昆明 650091；3.昆明鋼鐵控股有限公司，云南 昆明 650500)

在雙機(jī)架爐卷軋機(jī)帶鋼熱軋過(guò)程中，軋制力矩?cái)?shù)據(jù)是否合理直接影響軋制成品的質(zhì)量。運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件Visual Studio，開(kāi)發(fā)出基于MVC框架的雙機(jī)架往復(fù)式爐卷熱軋機(jī)軋制力矩網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了軋制力矩的相應(yīng)仿真模塊以及對(duì)軋制力矩進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真。仿真結(jié)果表明軋制力矩相對(duì)誤差在很小范圍以內(nèi)變化，結(jié)果對(duì)實(shí)際軋制生產(chǎn)具有指導(dǎo)作用。

雙機(jī)架爐卷軋機(jī)；熱軋帶鋼；MVC框架；仿真系統(tǒng)；軋制力矩

0 前言

在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷推進(jìn)中，軋鋼廠軋制產(chǎn)品有著舉足輕重的作用。在生產(chǎn)軋制產(chǎn)品時(shí)，為了研究板帶軋制過(guò)程中每個(gè)環(huán)節(jié)的軋制情況和相關(guān)數(shù)據(jù)變化，就需要取得大量的軋制數(shù)據(jù)。由于軋制現(xiàn)場(chǎng)處在高溫的環(huán)境下，軋制產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程控制及其復(fù)雜，傳感器只能采集到軋制過(guò)程中的一部分?jǐn)?shù)據(jù)，使用統(tǒng)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)誤差往往較大，不能較準(zhǔn)確的反映軋鋼產(chǎn)品的質(zhì)量情況。因此，使用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)軋制過(guò)程的網(wǎng)絡(luò)仿真變得及其重要，而且計(jì)算機(jī)技術(shù)仿真更能安全、方便地研究軋鋼過(guò)程得變化情況。研究者可借鑒相關(guān)的仿真數(shù)據(jù)并對(duì)軋制現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行指導(dǎo)，有助于提高軋制產(chǎn)品的質(zhì)量，更能滿足軋鋼產(chǎn)品的軋制要求，達(dá)到增加經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的目的。

雙機(jī)架爐卷軋機(jī)是新引進(jìn)的一種全新的軋制帶材軋機(jī)。本文針對(duì)該軋機(jī)在軋制過(guò)程中的軋制力矩進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真，由于軋制力矩的波動(dòng)對(duì)板帶軋制產(chǎn)品厚度有很大影響，主要影響產(chǎn)品性能和板形，從而影響鋼板質(zhì)量。而軋制力矩的分布是鋼板壓下量，厚度分配等參數(shù)計(jì)算的依據(jù)，所以軋制力矩是軋制工藝中及其最重要的參數(shù)之一。軋制力矩的準(zhǔn)確性也直接影響到軋制成品的性能指標(biāo)。為滿足現(xiàn)代鋼廠生產(chǎn)需求，本文提出了采用基于MVC框架的雙機(jī)架往復(fù)式爐卷軋機(jī)軋制力矩的網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)[1-2]。研究軋制工藝的軋制力和軋制力矩，設(shè)計(jì)軋制力矩的仿真模塊，通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)與軋制仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，其仿真結(jié)果表明該網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)具有可行性，其仿真數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有很好的指導(dǎo)作用和可借鑒性。

1 基于MVC的帶鋼軋制網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ASP.NET MVC是一種構(gòu)建Web應(yīng)用程序的框架，它是將一般的MVC模式應(yīng)用于ASP.NET框架[3]，MVC是按應(yīng)用程序的用戶界面(UI: User Interface)分為模型、視圖和控制器三個(gè)部分。在ASP.NET MVC程序中，用戶對(duì)于ASP.NET MVC程序的頁(yè)面的請(qǐng)求首先會(huì)被發(fā)送到控制器(Controller)中，Controller在接受請(qǐng)求之后，會(huì)調(diào)用數(shù)據(jù)模型(Model)里設(shè)置好的變量并且進(jìn)行賦值，然后把相應(yīng)的變量、值和請(qǐng)求發(fā)送到視圖(View)中，最終視圖(View)就會(huì)將頁(yè)面呈現(xiàn)在瀏覽器中。

在設(shè)計(jì)軋鋼過(guò)程網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)時(shí)，所需要的操作系統(tǒng)軟件平臺(tái)是Visual Studio 2013和數(shù)據(jù)庫(kù)SQL SEVER 2008 R2[4]。建立雙機(jī)架往復(fù)式爐卷軋軋制力矩仿真系統(tǒng)的目的就是為了讓研究者更好的了解軋制帶鋼的實(shí)際工藝流程。使用ASP.NET MVC5.0設(shè)計(jì)的軋鋼仿真系統(tǒng)可以通過(guò)微軟自身公布的IIS(互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù))發(fā)布網(wǎng)頁(yè)，使用者可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)該軋鋼過(guò)程仿真系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)研究資料的共享[5]。

在該仿真系統(tǒng)中仿真數(shù)據(jù)、仿真表格、仿真圖形等各自在MVC中設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。MVC框架會(huì)對(duì)URL路由進(jìn)行控制，當(dāng)系統(tǒng)收到外部的HTTP請(qǐng)求時(shí)，ASP.NET MVC 框架在生成頁(yè)面之前，會(huì)通過(guò)系統(tǒng)啟動(dòng)所生成的路由表來(lái)確定選擇對(duì)應(yīng)的Controller 和 Action 處理，最后向客戶端返回處理結(jié)果。

該軋制力矩仿真系統(tǒng)是由仿真數(shù)學(xué)模型、仿真表格、仿真圖形組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 軋鋼過(guò)程網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Rolling process simulation system network architecture

控制器(Controller)通常情況下使用數(shù)據(jù)模型(Model)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行讀寫(xiě)操作。在Model中，Model能夠?qū)鹘y(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)映射成面向?qū)ο蟮拈_(kāi)發(fā)模型，開(kāi)發(fā)人員能夠使用面向?qū)ο蟮乃枷脒M(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)存取。Controller從Model中讀取數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在相應(yīng)的變量中，如圖2所示。

圖2 MVC運(yùn)行流程圖Fig.2 MVC operation flow chart

在Model中需要將數(shù)據(jù)庫(kù)抽象成面向?qū)ο笾械囊粋€(gè)對(duì)象，開(kāi)發(fā)人員能夠使用LINQ進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的抽象，這樣就能夠方便的將數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)抽象成相應(yīng)的對(duì)象并通過(guò)對(duì)象的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)的存取和更新。

在仿真系統(tǒng)中仿真數(shù)學(xué)模型、仿真表格、仿真圖形各自在MVC中設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)如圖3所示。

圖3 軋制力矩仿真模型的MVC關(guān)系Fig.3 The relationship of MVC rolling moment Simulation Model

在View中輸入已知的仿真數(shù)據(jù)，通過(guò)ViewData方法把這些數(shù)據(jù)傳遞至Controller中，在Controller中根據(jù)軋制力矩?cái)?shù)學(xué)模型計(jì)算出相應(yīng)的中間變量數(shù)值和最終的數(shù)據(jù)。一方面把全部仿真數(shù)據(jù)通過(guò)ViewData方法傳遞給View中以供用戶瀏覽；另一方面依據(jù)在數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)立的相應(yīng)數(shù)據(jù)格式與數(shù)據(jù)變量，把仿真數(shù)據(jù)傳遞至Model中以供其進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)操作，而仿真數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在SQL數(shù)據(jù)庫(kù)中供仿真表格、仿真圖形的使用。

2 軋制力和力矩的數(shù)學(xué)模型

2.1 軋制力的數(shù)學(xué)模型

在軋制過(guò)程中，軋輥軋制力使軋件產(chǎn)生塑性變形，但是鋼坯體積并不會(huì)發(fā)生改變。所以得出軋制力的理論數(shù)學(xué)模型，即SIMS公式，計(jì)算軋制力如公式(1)所示[6-10]。

P=KLWQ

(1)

式中，P為軋制力(N)；K為變形抗力(MPa)；W為帶鋼的寬度(mm)；為接觸弧長(zhǎng)(mm)；Q為應(yīng)力狀態(tài)影響系數(shù)。

變形抗力的值K=1.15σ，其中σ為流動(dòng)應(yīng)力(MPa)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如公式(2)所示[11]。

(2)

式中，u為變形速度(s-1)；e為真正變形程度；T為變形溫度(℃)。

在鋼板不斷變形的情況下，變形程度 的數(shù)學(xué)公式如公式(3)所示。

(3)

式中，h0為鋼板初始厚度，h1為經(jīng)過(guò)軋機(jī)軋制后的厚度。

而變形速度ux的計(jì)算公式如公式(4)所示。

(4)

假設(shè)軋件與軋輥之間沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)，接觸弧上軋輥的線速度與軋件的線速度相等，根據(jù)上述計(jì)算可得出公式(5)。

(5)

由于軋制帶鋼時(shí)，φx的值相對(duì)來(lái)說(shuō)比較小，因此sinφx=φx，則變形速度ux的值如公式(6)所示。

(6)

當(dāng)φx為某一恒值時(shí)，變形區(qū)的變形速度的平均值可用平均變形速度來(lái)表達(dá)，平均變形速度的計(jì)算值如公式(7)所示，假設(shè)φx=α?xí)r，

(7)

在軋制鋼板時(shí)軋制力很大，因此軋輥與鋼板的接觸弧長(zhǎng)L會(huì)發(fā)生改變，根據(jù)Hitchikok公式可計(jì)算出軋輥壓扁變形時(shí)半徑，如式(8)所示。接觸弧長(zhǎng)L如公式(9)所示[12]。

(8)

(9)

式中,R為軋輥的原始半徑,mm；γ為軋輥的泊松比；E為軋輥的楊氏模量,GPa。

當(dāng)鋼板寬展忽略不計(jì)時(shí)，應(yīng)力狀態(tài)影響系數(shù)Q是軋輥接觸長(zhǎng)度、入口厚度和出口厚度的函數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(10)所示[13]。

(10)

式中，a為鋼板長(zhǎng)寬比。其數(shù)值如式(11)。

(11)

2.2 軋制力矩的數(shù)學(xué)模型

軋制力矩是為使軋制正常進(jìn)行，對(duì)軋機(jī)的軋輥施加的克服鋼板變形抗力和鋼板同軋輥間的摩擦力的力矩。其數(shù)學(xué)模型見(jiàn)公式(12)所示[14]。

(12)

在公式(12)中，軋制力P、軋輥壓扁半徑R′公式均可由以上公式推出，力臂系數(shù)La可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值，一般為0.42～0.55。

3 軋制力矩的網(wǎng)絡(luò)仿真算法流程

基于軋制力與力矩的數(shù)學(xué)模型，雙機(jī)架往復(fù)式爐卷熱軋機(jī)軋制帶鋼的軋制力矩仿真算法流程圖如圖4所示。

圖4 軋制力矩的仿真流程圖Fig.4 The simulation flowchart of rolling moment

4 軋制力矩的仿真結(jié)果與分析

以某鋼廠Q195號(hào)鋼坯為例，Q195表示帶鋼的屈服強(qiáng)度σx=195 MPa。帶鋼經(jīng)過(guò)第一個(gè)軋機(jī)(進(jìn)入第1道次)時(shí)所受軋制力矩的相關(guān)仿真數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 軋制力矩的數(shù)據(jù)仿真表(道次1)

當(dāng)帶鋼第一次經(jīng)過(guò)軋機(jī)(道次1)時(shí)，根據(jù)上表對(duì)軋鋼過(guò)程中所需的軋制力矩進(jìn)行仿真，在該軋制力矩仿真系統(tǒng)界面中，輸入軋制力矩仿真模塊相關(guān)數(shù)據(jù)為帶鋼入口厚度、出口厚度、軋輥線速度、變形溫度、軋件運(yùn)行速、軋輥半徑、軋輥泊松比和軋輥楊氏模量，通過(guò)仿真的中間數(shù)據(jù)得出網(wǎng)絡(luò)仿真的最終結(jié)果為：帶鋼第一次經(jīng)過(guò)軋機(jī)時(shí)所需要的軋制力為10.6 MN，軋制力矩大約為1084 kN·m。實(shí)際的軋制過(guò)程中軋制力矩檢測(cè)的結(jié)果為1090 kN·m，仿真數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)相差了6 kN·m，誤差率為0.55%。

當(dāng)帶鋼最后一次經(jīng)過(guò)軋機(jī)(第14道次)時(shí)所受軋制力矩的相關(guān)仿真數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 軋制力矩仿真數(shù)據(jù)表(道次14)

同理，帶鋼依次在雙機(jī)架軋機(jī)之間不斷進(jìn)行軋制，當(dāng)帶鋼達(dá)到軋制尺寸，最后一次經(jīng)過(guò)軋機(jī)(道次14)時(shí)，由表2輸入最后一次軋制力矩相關(guān)數(shù)據(jù)，得出仿真結(jié)果為：帶鋼最后一次經(jīng)過(guò)軋機(jī)時(shí)的軋制力為12.47 MN，軋制力矩大約為257 kN·m。實(shí)際軋制過(guò)程中軋制力矩檢測(cè)結(jié)果為244 kN·m，仿真數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)相差了13 kN·m，誤差率為5.5%。

軋制力矩的仿真曲線圖如圖5所示。

圖5 軋制力矩網(wǎng)絡(luò)仿真曲線圖Fig.5 The network simulation graph of rolling moment

軋制力矩的最終仿真結(jié)果如表3所示。

表3 軋制力矩仿真結(jié)果

由仿真圖5和表3可知，該軋制力矩在第1道次至第14道次時(shí)的仿真圖形為一平滑的曲線段。從誤差曲線段可以看出，兩端誤差相對(duì)較大，但通過(guò)計(jì)算，最大誤差率為5.5%，在一定誤差范圍內(nèi)，說(shuō)明該軋制力矩仿真系統(tǒng)具有較好的適用性能。

5 結(jié)論

通過(guò)使用計(jì)算機(jī)軟件開(kāi)發(fā)工具，開(kāi)發(fā)出基于MVC框架的雙機(jī)架往復(fù)式爐卷熱軋機(jī)的帶鋼軋制力矩網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以有效的仿真出實(shí)際生產(chǎn)軋制過(guò)程中軋制力矩的一系列相關(guān)數(shù)據(jù)，仿真結(jié)果相對(duì)誤差較小，仿真數(shù)據(jù)表明該網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)具有真實(shí)可行性，仿真數(shù)據(jù)對(duì)軋鋼廠而言具有一定的參考借鑒價(jià)值和指導(dǎo)作用。因此，該網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)為軋鋼廠軋制力矩的高精度預(yù)報(bào)奠定了基礎(chǔ)。

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The research of simulation on the rolling moment of dual-stand steckel mill based on MVC

WANG Zhi1, ZHANG Guo1,WANG Jian-ping1,YANG Jun-dong2,YANG Qi3,YIN Li-qiong3

(1.College of Information Engineering and Automation, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China; 2.School of Information，Yunnan University， Kunming 650091，China;3.Kunming Iron & Steel Holding Co., Ltd., Kunming 650500,China)

In the dual-stand steckel hot strip rolling, rolling torque is reasonable data directly affect the quality of the finished product rolling. Through the use of computer software Visual Studio development tools, developed based on reciprocating double rack Steckel hot rolling mill rolling moment network simulation system MVC framework to study the strip rolling process rolling force and moment simulation data, and We design the simulation module rolling moment and rolling moment on the network simulation. In this simulation system, the input torque associated with rolling rolling data network simulation results show that the simulation system can effectively simulate the change in the rolling process rolling mill torque relative error of simulation results in 6 % or less, the actual rolling simulation results have a very good guide.

dual-stand steckel mill；hot strip；MVC framework; simulation system； rolling moment

2016-04-20；

2016-05-10

國(guó)家自然科學(xué)基金(61364008):云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(2014FA029);云南省教育廳重點(diǎn)基金項(xiàng)目(2013Z127)；昆明理工大學(xué)復(fù)雜工業(yè)控制學(xué)科方向團(tuán)隊(duì)建設(shè)計(jì)劃

王智(1987-)，男，碩士研究生，研究方向：自動(dòng)化工業(yè)過(guò)程控制。

張果(1976-)，男，副教授，主要研究方向：智能測(cè)控系統(tǒng)，工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)。

TP391.9

A

1001-196X(2016)05-0026-05