способ и устройства регулирования величин управляющего воздействия в металлургических производствах

Формула изобретения

1. Способ регулирования расхода энергоносителей, подаваемых в процессы металлургического производства для настройки гидравлических, электрических, а также пневматических устройств при помощи системы регулирования (3), посредством которой на основе задающей величины (1) и величины обратной связи (2) осуществляют вычисление текущего регулируемого отклонения и задают новую величину управляющего воздействия (4) для контура регулирования (8), и посредством которой с использованием исполнительного элемента (5_1,2,n ) преобразуют регулируемый параметр (7_1,2,n) расхода, при помощи которого затем регулируют общий расход подаваемых в процесс (10) энергоносителей из заданного объема снабжения (6), отличающийся тем, что для реализации максимально большого диапазона регулирования для подаваемого общего расхода энергоносителя используют контур регулирования (8), в котором при регулировании в сторону повышения регулируемого параметра (7) к имеющемуся исполнительному элементу (5₁) с переменно настраиваемым, регулируемым параметром (7₁) расхода на основе величины управляющего воздействия (4), равной х, подключают параллельно по меньшей мере еще один исполнительный элемент (5₂ ) со свободно устанавливаемым постоянным регулируемым параметром (7₂) и на основе исходной величины управляющего воздействия (4), равной х, посредством комбинации полученных частичных расходов (6_1,2,n) подаваемого энергоносителя устанавливают общий расход поставляемого энергоносителя, причем при регулировании в сторону понижения учитывают присутствие собственного определенного гистерезиса (h) таким образом, что при величине управляющего воздействия, равной x-h, происходит выключение (12) исполнительного элемента (5₂), и, начиная с этого значения x-h управляющего воздействия, исполнительный элемент (5₁) вновь берет на себя регулирование общим расходом поставляемого энергоносителя в диапазоне от 0 до x-h.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при величине управляющего воздействия (4), равной х, во время подключения (11) исполнительного элемента (5₂ ) одновременно регулируют в сторону понижения исполнительный элемент (5₁), при этом он с вновь установленным переменным регулируемым параметром (7₁) расхода продолжает процесс регулирования и обеспечивает общий расход поставляемого энергоносителя.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что требуемый в связи с гистерезисом (h) меньший диапазон регулирования (S) исполнительного элемента (5₁) определяют следующим образом:

если x-h 50%, то S=x и

если x-h>50%, то S=x-h.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для установки постоянного регулируемого параметра (7₂) расхода изменяют проходящие параметры исполнительного элемента (5₂), как например сопротивление, положение дросселя, диаметр трубопровода, и/или параллельно подсоединяют другие исполнительные элементы (5 _n).

5. Устройство для регулирования расхода энергоносителей, подаваемых в процессы металлургического производства, для настройки гидравлических, электрических, а также пневматических устройств при помощи системы регулирования (3), посредством которой на основе задающей величины (1) и величины обратной связи (2) осуществляются вычисление текущего регулируемого отклонения и задание новой величины управляющего воздействия (4) для контура регулирования (8), посредством которой исполнительный элемент (5_1,2,n ) преобразует регулируемый параметр (7_1,2,n) расхода, при помощи которого затем регулируется общий расход подаваемых в процесс (10) энергоносителей, например масла для гидросистем, воды, воздуха, электрического напряжения или тока, из заданного объема снабжения (6), в частности, для реализации способа по любому из пп.1-4, при этом в контуре регулирования (8) по меньшей мере один исполнительный элемент (5₁) с переменно настраиваемым, регулируемым параметром (7₁) расхода параллельно соединен по меньшей мере с одним исполнительным элементом (5₂) со свободно устанавливаемым постоянным регулируемым параметром (7₂) расхода.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что исполнительный элемент (5₁) представляет собой регулирующее устройство, а исполнительный элемент (5_2,n) - переключающее устройство.

7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что по меньшей мере два исполнительных элемента (5₁) с переменным регулируемым параметром (7₁) расхода соединены параллельно друг с другом.

8. Устройство по п.5, отличающееся тем, что по меньшей мере два исполнительных элемента (5₂) с постоянным регулируемым параметром (7₁) расхода соединены параллельно друг с другом в форме каскадной схемы.

9. Устройство по п.5, отличающееся тем, что по меньшей мере один исполнительный элемент (5₂) с постоянным регулируемым параметром (7₂) расхода представляет собой простой двухпозиционный исполнительный элемент.

10. Устройство по п.8, отличающееся тем, что исполнительные элементы (5₂) с постоянным регулируемым параметром (7₂) расхода представляют собой простые двухпозиционные исполнительные элементы.

11. Устройство по п.5, отличающееся тем, что исполнительный элемент (5₁) имеет переменный регулируемый параметр (7 ₁) расхода, посредством которого регулируется по меньшей мере величина управляющего воздействия (4) до х %, а затем для значений выше х величину управляющего воздействия от х до 100% минус постоянный регулируемый параметр (7₂) расхода.

12. Устройство по любому из пп.5-11, отличающееся тем, что оно предназначено для регулирования расхода воздуха, воды, масла как гидравлической среды, например HFC Ultra safe, Quintolubric или минерального масла для гидросистем, масла как смазочного материала или других подобных рабочих сред в сталеплавильном цехе для производства и дальнейшей обработки жидкой стали, а также жидких цветных металлов.

13. Устройство по любому из пп.5-11, отличающееся тем, что оно предназначено для регулирования расхода воздуха, воды, масла как гидравлической среды, например HFC Ultra safe, Quintolubric или минерального масла для гидросистем, масла как смазочного материала или других подобных рабочих сред в установке непрерывной разливки для дальнейшей обработки жидкой стали, а также жидких цветных металлов, для заготовок, таких как слябы, тонкие слябы, прямоугольные заготовки, блюмы и подобное.

14. Устройство по любому из пп.5-11, отличающееся тем, что оно предназначено для регулирования расхода воздуха, воды, масла как гидравлической среды, например HFC Ultra safe, Quintolubric или минерального масла для гидросистем, масла как смазочного материала или других подобных рабочих сред в прокатном цехе для дальнейшей обработки слябов, тонких слябов, прямоугольных заготовок, блюмов и подобного.

15. Устройство по любому из пп.5-11, отличающееся тем, что оно предназначено для регулирования расхода воздуха, воды, масла как гидравлической среды, например HFC Ultra safe, Quintolubric или минерального масла для гидросистем, масла как смазочного материала или других подобных рабочих сред для дополнительных устройств прокатного цеха как, например моталки, участка ламинарного охлаждения и подобного.

16. Устройство по любому из пп.5-11, отличающееся тем, что оно предназначено для регулирования расхода воздуха, воды, масла как гидравлической среды, например HFC Ultra safe, Quintolubric или минерального масла для гидросистем, масла как смазочного материала или других подобных рабочих сред для установки технологической обработки полос.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу и устройству регулирования самых различных регулируемых параметров в металлургических производствах, таких как, например, сталеплавильные цеха, установки непрерывной разливки, прокатные цеха, например, для настройки гидравлических, электрических, а также пневматических устройств при помощи системы регулирования, посредством которой на основе задающей величины и величины обратной связи осуществляют вычисление текущего регулируемого отклонения и задают новую величину управляющего воздействия для контура регулирования, посредством которой состоящий, например, из клапана исполнительный элемент преобразует регулируемый параметр, при помощи которого затем регулируется общий расход подаваемых в процесс энергоносителей, например, масла для гидросистем, воды, воздуха, электрического напряжения или тока, из данного объема снабжения.

Для функционирования металлургических производств необходим целый ряд средств регулирования самых различных регулируемых параметров для настройки гидравлических, электрических, а также пневматических приводов, которые непосредственно или опосредованно воздействуют на внутренние, равно как и на внешние показатели качества конечного продукта. Приведем здесь в виде примера струйное охлаждение, которое, во-первых, влияет на внутреннее качество посредством скорости полного затвердевания, равно как и на внешнее качество, то есть на поверхность конечного продукта. При этом качеству (точности регулирования), в соответствии с которым все средства регулирования, которые участвуют в производстве непрерывно-литых заготовок, устанавливают свои регулируемые параметры, придается огромное значение.

Во многих случаях требования к этим средствам регулирования за последнее время выросли настолько, что изготовитель исполнительных элементов (клапанов и подобного), которые используются в установках непрерывной разливки, не могут соответствовать этим требованиям. Для регулирования воды для струйного охлаждения на рынке предлагаются лишь регулировочные клапаны, которые обеспечивают коэффициент регулирования по предмету регулирования максимально 1:15, при этом 1 означает минимальное, а 15 максимальное значение настраиваемого регулируемого параметра. С учетом все более широкого спектра показателей качества стали, которую разливают на установках непрерывной разливки, требуются коэффициенты регулирования, значительно превышающие 1:15, так как необходим все больший диапазон регулируемого расхода воды для струйного охлаждения.

Согласно уровню техники используемые, например, в установках непрерывной разливки средства регулирования воздействуют на регулируемый параметр по следующему принципу. Система регулирования получает задающую величину для регулируемого параметра и вычисляет на основе величины обратной связи так называемое регулируемое отклонение. В соответствии с регулируемым отклонением задается величина управляющего воздействия для контура регулирования. Контур регулирования (клапаны и подобное) должен преобразовать это значение для данного вида снабжения (масло для гидросистем, электрическое напряжение, вода, воздух и подобное) и ввести его в дальнейший процесс, при этом контур регулирования, по причине существующего уровня техники, часто бывает не в состоянии регулировать регулируемый параметр из данного расхода подаваемого энергоносителя с соответствующей точностью, которая выходила бы за рамки, ограниченные коэффициентом регулирования.

Так, в публикации DE 2344438 описан способ регулирования охлаждения выходящей из проходного кристаллизатора непрерывно-литой заготовки, который позволяет охлаждать материал заготовки в отдельных зонах точно по периметру, как это соответствует изменению сопротивления теплообмену при возрастающем затвердевании. Для каждой зоны в начале процесса литья устанавливают задающую величину расхода грунтовой воды, которая основана на оптимальном расходе воды. Во время литья путем интегрирования скорости отдельных отрезанных заготовок по рабочему времени и одновременного фиксирования времени нахождения отрезанной заготовки в зоне охлаждения вычислительное средство определяет фактический расход охладителя на отдельную отрезанную заготовку, сравнивает с соответствующими задающими величинами расхода и определяет остаточные объемы расхода охладителя, которые еще должны быть использованы на эти отрезанные заготовки. Затем осуществляют регулирование посредством регулируемого шибера или, как вариант, за счет соответствующей оснастки форсунок, при этом расход охладителя всех распылительных установок регулируется, например, совместно посредством одного клапана.

Далее из публикации DE 10321791 А1 известен способ регулирования температуры металлической полосы в чистовой линии клетей горячей прокатки, при этом путем сравнения заданного температурного режима с фактическим температурным режимом формулируется целевая функция для исполнительных элементов, при помощи измерительной техники регистрируются отклонения установленных произвольно в чистовой линии клетей от заданных параметров и регулируются или управляются массовый поток (скорость движения полосы) и поток охладителя, с одной стороны, путем предварительного исчисления и, с другой стороны, on-line за счет решения квадратичной проблемы оптимизации с линейными дополнительными условиями.

Исходя из представленного здесь уровня техники, задача изобретения состоит в том, чтобы усовершенствовать существующее регулирование самых различных регулируемых параметров в металлургических производствах, так что даже на основе имеющихся на рынке исполнительных элементов с небольшим диапазоном регулирования система регулирования всегда надежно и с возможностью воспроизведения устанавливает также больший задаваемый регулируемый параметр при оптимальном и улучшенном качестве процесса регулирования.

Поставленная задача решается в соответствии с заявленным способом за счет отличительных признаков пункта 1 и в соответствии с заявленным устройством за счет отличительных признаков пункта 6 формулы изобретения, так что для реализации максимально большого диапазона регулирования для поставляемого общего расхода энергоносителя применяют контур регулирования, в котором при регулировании в сторону повышения к имеющемуся исполнительному элементу с переменным регулируемым параметром при исходной величине управляющего воздействия = х подключают параллельно по меньшей мере еще один исполнительный элемент со свободно устанавливаемым постоянным регулируемым параметром и на основе этой величины управляющего воздействия = х, исходя из полученных таким образом частичных расходов поставляемого энергоносителя, путем комбинации устанавливают общий расход поставляемого энергоносителя.

Для этого в контуре регулирования по меньшей мере один исполнительный элемент с переменно настраиваемым, регулируемым параметром, например регулировочный клапан, параллельно соединен по меньшей мере с одним исполнительным элементом с настраиваемым регулируемым параметром, например клапаном переключения.

Этот последний исполнительный элемент (равно как и все остальные) представляют собой, например, простой двухпозиционный исполнительный элемент (элемент включения/выключения), и они подают регулируемый параметр с неизменным значением расхода энергоносителей. Неизменное значение может быть отрегулировано, и оно составляет часть значения расхода. Для установки неизменного регулируемого параметра могут быть изменены параметры пропускания исполнительного элемента, как, например, сопротивление, положение дросселя, диаметр трубопровода и/или параллельно подсоединены другие исполнительные элементы.

Таким образом, задаваемый регулируемый параметр должен быть установлен теперь не только посредством исполнительного элемента с ограниченным коэффициентом регулирования, а его устанавливают на основе свободно выбираемой величины управляющего воздействия х в комбинации с неизменным значением. Таким образом, создается заметно расширенный диапазон регулирования и возможность более точной настройки (или улучшенного качества процесса регулирования) для задачи регулирования в целом. При этом предпосылкой является то, что неизменные исполнительные элементы обладают практически постоянным и воспроизводимым свойством в выдаче величины управляющего воздействия.

При величине управляющего воздействия = х во время регулирования в сторону повышения подсоединяют не только один исполнительный элемент с постоянным регулируемым параметром, но одновременно исполнительный элемент с переменным регулируемым параметром регулируют в сторону понижения, так что с вновь установленным переменным регулируемым параметром плюс постоянным регулируемым параметром процесс регулирования продолжается также выше величины управляемого воздействия = х, и обеспечивается общий расход поставляемого энергоносителя. В связи с наличием инерции в процессе переключения (гистерезис), при регулировании в сторону понижения необходимо учитывать присутствие собственного определенного гистерезиса h. Это происходит таким образом, что при величине управляющего воздействия = х-h происходит выключение «постоянного» исполнительного элемента и, начиная с этого значения, регулирование общего расхода поставляемого энергоносителя в диапазоне от 0 до х-h вновь осуществляет «переменный» исполнительный элемент. Следовательно, за счет гистерезиса h при регулировании в сторону понижения для исполнительного элемента с переменным регулируемым параметром имеет место меньший требуемый диапазон регулирования S, который определяют следующим образом:

для х-h 50%	справедливо	S = x и
для х-h > 50%	справедливо	S=x-h.

Перекрытие величины управляющего воздействия «переменного» исполнительного элемента и всех параллельных исполнительных элементов определяют расчетом параллельных ветвей и «переменного» исполнительного элемента, так что система регулирования всегда надежно и с возможностью воспроизведения устанавливает задаваемый регулируемый параметр при оптимальном и улучшенном качестве процесса регулирования.

Для достижения требуемых диапазонов регулирования с надежной точностью в металлургических производствах, таких как, например, сталеплавильные цеха, установки непрерывной разливки, прокатные цеха, например, для настройки гидравлических, электрических, а также пневматических устройств (воздух, вода, масло как гидравлическая среда, например HFC Ultra safe, Quintolubric или минеральное масло для гидросистем, масло как смазочный материал и подобного) могут быть осуществлены, согласно изобретению, в рамках контура регулирования следующие комбинации:

- параллельное подсоединение регулирующих и переключающих устройств,

- параллельное подсоединение нескольких регулирующих устройств,

- параллельное подсоединение нескольких переключающих устройств (каскадная схема),

причем эти средства регулирования используются преимущественным образом для

- регулирования воздуха, воды, масла как гидравлической среды, например HFC Ultra safe, Quintolubric или минерального масла для гидросистем, масла как смазочного материала или других подобных рабочих сред в сталеплавильном цеху для производства и дальнейшей обработки жидкой стали, а также жидких цветных металлов,

- регулирования воздуха, воды, масла как гидравлической среды, например HFC Ultra safe, Quintolubric или минерального масла для гидросистем, масла как смазочного материала или других подобных рабочих сред в установке непрерывной разливки для дальнейшей обработки жидкой стали, а также жидких цветных металлов для заготовок, таких как слябов, тонких слябов, прямоугольных заготовок, блюмов и подобного,

- регулирования воздуха, воды, масла как гидравлической среды, например HFC Ultra safe, Quintolubric или минерального масла для гидросистем, масла как смазочного материала или других подобных рабочих сред в прокатном цеху для дальнейшей обработки слябов, тонких слябов, прямоугольных заготовок, блюмов и подобного,

- регулирования воздуха, воды, масла как гидравлической среды, например HFC Ultra safe, Quintolubric или минерального масла для гидросистем, масла как смазочного материала или других подобных рабочих сред для дополнительных устройств прокатного цеха, как, например, моталки, участок ламинарного охлаждения и подобное,

- регулирования воздуха, воды, масла как гидравлической среды, например HFC Ultra safe, Quintolubric или минерального масла для гидросистем, масла как смазочного материала или других подобных рабочих сред для установки обработки полос.

Другие преимущества и особенности изобретения пояснены ниже на схематично представленных на чертеже примерах осуществления, при этом показано:

Фиг.1 - схема регулирования согласно уровню техники,

Фиг.2 - контур регулирования с тремя параллельно подключенными исполнительными элементами,

Фиг.3 - диаграмма регулирования для регулирования в сторону повышения,

Фиг.4 - диаграмма регулирования для регулирования в сторону понижения,

Фиг.5 - диаграмма регулирования для регулирования в сторону повышения и понижения постоянного исполнительного элемента.

На Фиг.1 изображена обычная схема регулирования согласно уровню техники в форме блок-схемы. Исходной точкой здесь является система регулирования 3, в которую введены заданный задающий параметр 1 и текущий параметр обратной связи 2 для расчета величины управляющего воздействия 4. Величина управляющего воздействия 4 устанавливает затем в исполнительном элементе 5 с определенным коэффициентом регулирования регулируемый параметр 7, посредством которого затем из системы энергоснабжения 6 выдается необходимый в процессе общий расход поставляемого энергоносителя.

Чтобы повысить требуемые для регулирования общего расхода поставок энергоносителей коэффициенты регулирования, согласно изобретению вычисленные системой регулирования 3 величины управляющих воздействий 4 вводят в представленный на Фиг.2 контур регулирования (схему исполнительного элемента) 8. В рамках этого контура регулирования 8 в предложенном примере осуществления параллельно между собой соединены три исполнительных элемента. Каждый из этих исполнительных элементов 5_1,2,n соединен с энергоснабжением 6 и забирает у него в соответствии со своим регулируемым параметром 7 _1,2,n большой объем поставляемого энергоносителя 6 _1,2,n, который при суммировании, в соответствии с регулируемым параметром 7, дает поставляемый в процесс 10 общий расход энергоносителя. Выполненный на основе установленного коэффициента регулирования исполнительный элемент 5₁ дополняет при этом общий регулируемый параметр 7 переменным регулируемым параметром 7 ₁, а параллельно подключенные исполнительные элементы 5 ₂ и 5_n соответственно постоянно установленным регулируемым параметром 7₂ и регулируемым параметром 7_n.

На Фиг.3-5 представлен принцип реализации заявленного способа в форме схемы регулирования с диапазоном величины управляющего воздействия до 100%. На Фиг.3 показано регулирование в сторону повышения регулируемого параметра 7 с двумя параллельно подсоединенными управляющими элементами 5₁ и 5₂. Здесь задается желательный регулируемый параметр 7 в %, который должен быть введен в процесс в зависимости от величины управляющего воздействия 4 в %. В начале процесса регулирования за это значение отвечает лишь исполнительный элемент 5₁, так что обозначенные штриховой линией значения регулируемого параметра 7₁ проходят параллельно регулируемому параметру 7. Начиная от величины управляющего воздействия 4 = х (составляет примерно 65%), параллельно подключенный исполнительный элемент 5₂ берет на себя постоянный регулируемый параметр 7₂, так что исполнительный элемент 5₁ должен регулировать с возможностью воспроизведения лишь диапазон от 0 до указанного значения х. Для задаваемых значений выше х исполнительный элемент 5₁ должен регулировать с возможностью воспроизведения также лишь значения от х минус неизменный регулируемый параметр 7₂ до 100% минус постоянный регулируемый параметр 7₂, то есть, несмотря на небольшой коэффициент регулирования, он может надежно реализовать большой участок всего диапазона регулирования. Осуществляемое при значении х регулирование в сторону понижения исполнительного элемента 5₁ на более низкое значение, чтобы затем постоянным регулируемым параметром 7₂, начиная со значения х, дополнить задаваемый регулируемый параметр 7, обозначено штриховой линией.

Чтобы избежать постоянного включения/отключения в точке переключения со значением х, все параллельно соединенные исполнительные элементы работают со своим собственным определенным гистерезисом h. Поэтому отключение происходит при значении х-h. Следовательно, исполнительный элемент 5₁ должен отвечать здесь лишь за небольшой диапазон регулирования. На Фиг.4 показаны вытекающие из этого отношения регулирования, равно как и на Фиг.3. Точка отключения х-h для исполнительного элемента 5₂ находится теперь ниже значения гистерезиса h относительно точки подключения х на Фиг.3 и составляет здесь примерно 54%, вследствие чего исполнительный элемент 5₁ должен также соответственно позже регулироваться вновь в этой точке отключения.

На Фиг.5 изображено лишь подключение 11 и отключение 12 исполнительного элемента 5₂ в соответствии с обозначенными стрелками направления. Это графическое изображение призвано дополнительно прояснить вызванные гистерезисом h различные включения и выключения на Фиг.3 и 4, а также положение точек переключения х и х-h.

Перечень позиций на чертеже

1 - Задающая величина

2 - Величина обратной связи

3 - Система регулирования

4 - Величина управляющего воздействия

5_1,2,n - Исполнительный элемент

6 - Энергоснабжение

6 _1,2,n - Частичный расход носителя для энергоснабжения

7 - Регулируемый параметр

7_1,2,n - Регулируемый параметр (частичный регулируемый параметр)

8 - Контур регулирования (схема исполнительного элемента)

9 - Гистерезис

10 - Процесс

11 - Подключение

12 - Отключение

h - Гистерезис

S - Диапазон регулирования