EP2817425B1 - Cooling control - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a method for controlling a cooling of a material with a coolant, a computer program product for carrying out such a method, a control device for controlling a cooling of a material with a coolant, and a cooling section of a rolling mill, comprising such a control device.
- DD 213 853 A1 describes a control device for controlling a water supply in a water cooling section, which is operated to cool a rolling stock.
- the object is achieved according to claim 1 by a method for controlling a cooling of a material with a coolant, wherein a supply of the coolant to the material is controlled by at least one actuator which is adjustable in two or more different positions, wherein the actuator is an actuator Characteristic map is assigned, which indicates a relationship between a coolant flow, a pressure of the coolant and a position of the actuator, wherein at least one coolant pump, which is arranged in front of the at least one actuator arranged in the flow direction of the coolant, a pump characteristic field is assigned, which a relationship between a rotational speed of the pump, a pressure difference of the coolant, which exists between a suction pressure at an input side of the pump and an output pressure at an output side of the pump, and a coolant flow, and wherein a coolant flow is adjusted by the pressure difference is determined, from the pump characteristic field to the determined pressure difference and a desired coolant flow corresponding speed is determined, the pump is set to the determined speed, the pressure of the coolant in the flow direction of the
- a computer program product for controlling the cooling of a material with a coolant, wherein a supply of the coolant to the material is controlled by at least one actuator which is adjustable in two or more different positions, wherein the actuator is an actuator characteristic field is assigned, which indicates a relationship between a coolant flow, a pressure of the coolant and a position of the actuator, wherein at least one coolant pump, which is arranged in front of the at least one actuator arranged in the flow direction of the coolant, a pump characteristic field is assigned, which has a relationship between a rotational speed of the pump, a pressure difference of the coolant, which exists between a suction pressure at an input side of the pump and an output pressure at an output side of the pump, and a coolant flow, and wherein the computer program product, if it by ei ne computing unit is carried out, performs the following method steps: determining a corresponding to a pressure difference of the coolant between the input side and the output side of the pump and a desired coolant flow
- a control device for controlling a cooling of a material with a coolant comprising at least one storage unit, which is used to store an actuator characteristic field that has a relationship between a coolant flow, a pressure of the coolant and a position at least one of the actuator of characteristics associated actuator for controlling the supply of the coolant to the material, and for storing a pump characteristic field, the relationship between a rotational speed of the pump, a pressure difference of the refrigerant, between a suction pressure at an input side of the pump and an output pressure at an output side
- the pump prevails, and indicates a coolant flow, is formed
- a processor unit which is adapted from the stored actuator characteristic field corresponding to a determined pressure value of the coolant and a desired coolant flow position of the at least one actuator and from the stored pump Characteristic field to determine the corresponding to a determined pressure difference of the coolant between the input side and the output side of the pump and a desired coolant flow corresponding speed of the pump, and a signal unit which is adapted
- a common coolant is water, especially for the cooling of a material such as metal.
- a coolant in the description of the invention, the terms “flow” and “flow” are used equivalently: they describe an amount of coolant passing per unit time through a given cross-sectional area.
- the cooling in the form of a water jet cooling often referred to as laminar cooling, take place.
- Water jet cooling is a cooling of the material with one or more jets of water.
- the intensive cooling can be considered as a special case of laminar cooling. For intensive cooling in the sense of the present description, a high water requirement at a water pressure greater than 1 bar is characteristic.
- the water requirement of the intensive cooling can not be covered from a pure water tank, so that the operation of the intensive cooling - in the case of water as a coolant - coupled with a water pump of the water industry.
- the valves of the intensive cooling are preferably continuously adjustable, ie, the amounts of water are continuously variable to allow accurate metering of the cooling capacity.
- no flow control circuits are constructed, but the actuators of a coolant run are controlled directly. Furthermore, no pressure control loop is established for the amount of coolant to be supplied to the cooling.
- the present invention is based on the finding that a high setting speed of a required coolant flow, z. B. a cooling water flow in a cooling line, can only be achieved by a controller, whereas a conventional scheme is too slow and too susceptible to failure, especially under the conditions of intensive cooling.
- a first actuator characteristic field k f (w, p) is assigned, which maps the input quantities coolant flow w and pressure p of the coolant to an actuator position k and from a desired coolant flow w a direct determination of a corresponding actuator position k allows.
- This characteristic field is either previously known or is determined at least once by "Auslitern" of the actuator.
- venting is meant an experimental determination of the flow through the actuator as a function of the position of the valve and the pressure of the coolant. To calibrate the actuator characteristic field f (w, p) flow measurements can be made.
- a process computer controls the actuators using the associated characteristic fields such that the required coolant flow flows through each actuator.
- the actual pressure p is detected, inserted into the characteristic field of each actuator, and each desired coolant flow w is mapped to a corresponding desired actuator position k.
- the target pressure is used instead of the actual pressure in the characteristic field.
- actuators designed as dampers can be moved from 0% to 100% of their opening degree in 2 s and from 20% to 80% of their opening degree in 1 s, and moreover, the pump can be stopped in less than 1 s from standstill Maximum speed can be brought.
- a rapid adjustment of the coolant flow in each coolant inlet to the material and an even faster adjustment of the coolant flow to supply the intensive cooling is possible, even if the coolant to the intensive cooling only over a long supply line, z. B. over a length in the range of 100 to 200 m, zoom must be transported.
- a cooling line of a rolling mill is required, for example, a cooling water amount of about 150 m 3 of water, sufficiently fast to accelerate, with the entry of the material to be cooled, for.
- a metal strip in the cooling line in a very short time, z. B. on a time scale of typically 1 s to build a stable flow of coolant.
- the length of insufficiently cooled material remains smaller than 10 m. For a laminar flow cooling line, this value is of the same order of magnitude.
- the at least one actuator is adjusted continuously in the determined position.
- the at least one actuator is a continuously adjustable actuator.
- a continuous adjustment or adjustability of the at least one actuator means that the at least one actuator is continuously adjusted in the determined position.
- the continuously variable actuator it may, for. B. act a valve or a control valve.
- a control method using continuously variable actuators is not significantly more expensive than the conventional equipment of cooling sections with simple switching valves.
- a high tank decouples the control of the water management from the control of the valves of the valves.
- Such a control avoids the switching jumps occurring in switching valves in temperature and is therefore particularly suitable for a model-predictive control of the temporal Abkühlverlaufs in the cooling section.
- a third pump characteristic field ⁇ p s (n, w) is assigned, which is the pressure difference .DELTA.p of the refrigerant between the suction pressure at the input side of the pump and the output pressure at the output side of the Pump prevails as a function s of the pump speed n and the coolant flow w indicates.
- the coolant pump z.
- a pump characteristic field n q (w, pp suction ) can be assigned.
- n denotes the target pump speed
- w the coolant flow to be conveyed
- p the pressure at the outlet side of the pump
- p sucks the suction pressure on the inlet side of the pump.
- w must be the sum of the coolant flows of all the actuators of the cooling, plus any further existing customers who receive coolant from the cooling pump.
- the pump is controlled by a process computer so that it runs at a speed n, which emerges at the onset of the desired coolant flow w and a target pressure increase pp suction into the pump characteristic field.
- the suction pressure is advantageously measured on the input side of the pump.
- an estimate may also be used, e.g. B. calculated from the height difference between the location of the pump and the coolant level in a coolant tank, with which the suction side of the pump is supplied.
- a desired value of another control device can be used, which supplies the coolant to the pump on the suction side.
- a control device not only the actuators, but also the pumps, for. B. for the high tank, controls because the control device, the coolant flows to be provided are already known in advance.
- This can be provided in the form of a so-called intelligent coolant management:
- controls the control device in addition to actuators, for. B. the valves of the valves, the entire water management across and "knows" all water consumers in the system, d. H. takes into account their water consumption on the basis of previously collected and / or current consumption values.
- the control device also controls the intensive cooling.
- the pump is preferably frequency-controlled with a converter.
- the characteristic field of the pump is either previously known or is determined at least once by Auslitern the pump.
- the position of the at least one actuator and the speed for operating the at least one coolant pump in one step as a common Setpoint set is determined, wherein the pressure of the coolant before the at least one actuator is identical to the output pressure at the output side of the pump.
- suction pressure of the refrigerant at the input side of the pump is determined by a measurement or an estimation.
- the actuator characteristic field is adapted by determining the pressure of the coolant, in particular measured, the position of the actuator is determined from the actuator characteristic field of the determined values, ie pressure and position, corresponding coolant flow is determined, the coolant flow determined from the actuator characteristic field is compared with a measured coolant flow and the actuator characteristic field is changed so that the coolant flow determined from the actuator characteristic field coincides with the measured coolant flow.
- the recognition functions are local, e.g., if they are B-splines that are different only in an environment around the zero evolution point, the adaptation converges very fast, because then the map is improved only in the vicinity of the current measurement and points of the map farther away from the current measurement are not changed, in particular not be degraded.
- the characteristic field stored in the first characteristic form k f (w, p) directly adapt.
- the pressure p of the coolant and the coolant flow w of the coolant are determined, in particular measured, determined from the actuator characteristic field to the determined values, ie pressure and coolant flow, corresponding position of the actuator, the determined from the actuator characteristic field position of the actuator compared with a measured position of the actuator and the actuator characteristic field changed so that the determined from the actuator characteristic field position of the actuator coincides with the measured position of the actuator.
- the pump characteristic field is adapted by determining the pressure difference and the flow of the coolant, from the pump characteristic field corresponding to the determined values pump speed is determined, the pump speed determined from the pump characteristic curve pump speed with a measured Pump speed is compared and the pump characteristic field is changed so that the determined from the pump characteristic field Pump speed coincides with the measured pump speed.
- control device comprises the at least one actuator, which is preferably designed as a valve or a control valve.
- a further preferred embodiment of the invention is a cooling section of a rolling mill, comprising an above-described Control device for controlling the cooling of a material in the cooling section.
- the cooling section comprises an intensive cooling section and / or a laminar cooling section.
- the present invention can be used both for an intensive cooling section and for a laminar cooling section.
- the invention is not limited to intensive cooling. It is also possible to control a zone of a normal laminar cooling path with it if the actuators in this zone are continuously adjustable.
- the invention can also be carried out when the variable-speed pump is supplied directly from a coolant supply network with coolant, for. B. is supplied directly from the water supply network with water ,, d. H. without a high tank arranged therebetween and acting as a buffer.
- intensive cooling With intensive cooling, a section of the cooling section with a particularly high cooling capacity, high cooling rates can be realized.
- An advantage of intensive cooling which is also known as a "power cooling" method, is that even higher and high strength steels in a wide range of thicknesses even faster, d. H. with a higher cooling rate, can be cooled. This enables the high-precision and efficient production of additional steel grades, in particular steels with higher strengths than before.
- An intensive cooling section may be particularly useful in the forward section of the cooling section to inhibit grain growth in a material material, accelerate the phase transformation of a material, and thereby increase the overall strength of the material. In certain cases, such intensive cooling but also be useful behind the roughing or be installed at other locations of the cooling section. It is also possible to arrange intensive cooling beams between stands of the finishing train.
- a strip cooling system for a hot rolling mill may include a pre-strip and a finish strip cooling, consisting of an intensive and a laminar cooling section.
- the pre-strip cooling can be installed behind a roughing stand in the area of the intermediate roller table. It provides temperature compensation over the entire length and width of the sliver before it arrives on the finishing train.
- an intensive cooling section can be arranged at the exit of the finishing train.
- a laminar cooling section can be positioned. Usually both systems are operated together.
- Another advantage of the invention is the dynamic change of large amounts of water when the belt is run in or when the belt leaves the intensive cooling again.
- a strip in the intensive cooling may require a cooling water amount in the range of 8000 m 3 / h.
- the intensive cooling can usually not be activated before the arrival of the tape in the cooling section, because with thinner tapes acting on the tape by the water forces can cause the tape to fly up.
- thicker tapes often require a warmer tape on the first tapes so that the reel can grip the tape and bend around the mandrel. This means that especially at the belt inlet and the belt outlet large amounts of water must be changed very dynamically.
- the present invention provides just this dynamic.
- the present invention makes it possible to accurately meter the large amounts of water used in intensive cooling.
- the accuracy of the amount of water applied to the intensive cooling is critical to the accuracy of the reel temperature that can be achieved. This is particularly important in order not to let the advantage of high cooling rates, the increase in strength, turn into the disadvantage of poor reproducibility of the material properties.
- deterioration of reel temperature accuracy over standard laminar cooling can be avoided by operating the intensive cooling at low cooling power to produce standard products.
- the invention also avoids a significant deterioration of the reel temperature accuracy when operating at high cooling capacities.
- the present invention provides an application of a control method of coolant actuators according to a characteristic field and preferably additionally a coolant pump according to a characteristic field on a cooling path of a metalworking line, in particular in a hot strip mill, but the invention can also be applied in particular in a heavy plate mill , in which thick sheets are produced and must be cooled.
- Fig. 1 shows a metalworking line 1, which is referred to here as a cooling line 2, also referred to as a cooling section.
- the cooling line 2 is connected downstream of a production line whose last rolling stand is indicated at 3.
- a material 4, which is designed here as a metal to be processed 4 in strip form, first passes through the production line and then the cooling section 2, whereupon it is for removal or caching until further processing on a reel 5, which is downstream of the cooling section 2 , is wound up.
- the metalworking line 1 can z. B. be arranged in a hot strip mill of a steelworks.
- the cooling section 2 comprises actuators 6, with which a defined coolant flow can be discharged onto the material 4, a coolant inlet 13, through which coolant from a coolant reservoir, for.
- a water supply network or a high tank are supplied to the actuators 6 can, and a switched into the coolant inlet 13 coolant pump 20, with which the pressure of the coolant at an output side 20a of the pump 20 against a pressure of the coolant at an input side 20e of the pump 20 can be changed.
- the actuators include 6 flaps and valves with which serving as a coolant water via cooling bars 14 on the band-shaped metal 4 can be applied, for. B. aufspritzbar, is to cool it.
- the cooling section 2 may include a large number of such actuators 6. All actuators can be supplied with coolant via the same pump. It is also possible that there are two or more pumps, each providing one or more actuators with coolant.
- the cooling section 2 further comprises a control device 7, which in Fig. 1 is indicated schematically.
- the control device 7 comprises a computing unit 8, a memory unit 12, an input device 9 for inputting data into the computing unit 8 and a display device 10 for displaying data.
- the arithmetic unit 8 controls via control lines 15, the actuators 6, z. As valves, nozzles or flaps, according to an actuator characteristic map 11w.
- the arithmetic unit 8 controls the coolant pump 20 via control lines 15 in accordance with a pump characteristic field 11n.
- the actuators 6 are individually controlled and thus the flow rates of the chilled beam 14 separately regulated.
- a high tank feeds the cooling bars 14 with coolant, in particular with water, via the coolant inlet 13.
- the pump 20 can be switched on. In this way, the cooling of the respective produced material, for. As the steel grade, adapt.
- control device 7 in a manual operating mode at least partially via the input device 9 can be changed by an operator, so that z. B. the actuators 6 can be controlled in groups or separately.
- the manual controllability does not have to be permanently provided, it is just as conceivable that it is possible to switch between an automatic operating mode and a manual operating mode.
- the arithmetic unit 8 receives further information about the state of the cooling section 2 or the metal 4.
- the metal 4 and its state when entering into describe the cooling section 2, z.
- One or more actuator characteristic fields 11w and one or more pump characteristic fields 11n are stored in the memory unit 12.
- one of the stored characteristic fields is assigned to the respective component.
- two or more actuators or pumps of the same type are assigned the same characteristic field; This achieves faster convergence in the cooling system, and cooling control can be faster.
- each actuator 6 and each pump 20 is assigned its own characteristic field 11w or 11n.
- Fig. 2 shows a diagrammatic representation of a first actuator characteristic field 11k
- the actuator characteristics map 11k may be stored in a memory unit of a controller.
- a process computer of the control device detects for each actuator, the actual pressure p i , this sets in the actuator associated with each actuator characteristic map 11k and determined based on the actuator characteristic field 11k to each desired coolant flow w i, should a corresponding desired actuator position k i of an actuator. Thereafter, the process computer controls the actuators accordingly.
- a signal unit of a control device sends a signal for setting the at least one actuator in the determined position k i to an actuating unit, which serves to adjust the actuator.
- the parameter curves w define the mutual dependence between the coolant pressure p and the position k i of an actuator for different coolant flows w.
- the second actuator characteristic field 11w is used to determine a position k i of an actuator 6, in which under a desired coolant flow p i, a desired coolant flow, the desired coolant flow w i, soll , results.
- the procedure is as follows: first, the pressure p i of the coolant, as seen in the flow direction of the coolant between the coolant pump 20 and the actuator 6, is determined. This determination can be made by a pressure measurement or an estimate. Is from the actuator 6 associated actuator characteristic field 11w then the pressure value determined to the p i and the desired coolant flow w i, soll determined corresponding position k i of the actuator. 6 Finally, the relevant actuator 6 is set in the determined position k i .
- the z. B. is determined by a flow measurement of the coolant flow, and according to the actuator characteristic field 11w expected coolant flow w i, should a difference occurs, which is above an allowable tolerance value, is preferably an adaptation of the actuator characteristic field 11w to the actual conditions carried out.
- the parameter curves n define the mutual dependence between the coolant pressure difference ⁇ p and the coolant flow w for different rotational speeds n of the coolant pump 20.
- the pump-12n characteristic field is used to determine a rotational speed n i at which a desired coolant flow under a predetermined coolant pressure difference Dp, the target coolant flow w i, is intended to result.
- the procedure is as follows: first, the suction pressure p suction of the coolant, that is, the coolant pressure at the input side 20e of the pump 20, determined, and from the target pressure difference .DELTA.p soll calculated. Subsequently, the pump speed n i is determined from the pump characteristic field 12n to the calculated desired pressure difference ⁇ p soll and to a desired coolant flow w i . Finally, the speed of the pump 20 is set to the determined value n i .
- the z. B. is determined by a flow measurement of the coolant flow, and according to the pump characteristic field 12n expected coolant flow w i, should a difference occurs, which is above an allowable tolerance value, is preferably an adaptation of the pump characteristic field 12n to the actual conditions carried out.
- the amplification factors j b j (w, pp suction) selected suitable to the respective corresponding basis functions q by the output pressure p of the refrigerant at the exit side 20a of the pump is determined, in particular measured is.
- the pressure difference ⁇ p of the coolant is determined.
- the parameter curves w define the mutual dependence between the coolant pressure difference ⁇ p and the rotational speed n for different volume flows w of the coolant.
- Fig. 6 shows a schematic representation of the control of the coolant flow to a material to be cooled 4.
- a pump 20 and subsequently a valve 6 are arranged in the flow direction of the coolant.
- the coolant In the flow direction of the coolant seen upstream of the pump 20, ie on the input side 20e of the pump 20, the coolant has a pressure which is referred to as the suction pressure p intake.
- the cooling means In the flow direction of the coolant seen by the pump 20, that is on the exit side 20a of the pump 20, the cooling means comprises a pressure simply referred to as p on which results on the generated by the pump 20 from the suction pressure change p intake.
- the operation of the pump 20, in particular its speed n, is controlled by means of the pump characteristic field 12n.
- the flow rate of the valve 6, which is located downstream of the pump 20 when viewed in the flow direction of the coolant, is controlled by means of the actuator characteristic map 11k.
- the coolant flow w i of the coolant to the material 4 can thus be precisely controlled by the pump 20 and the valve 6.
- the coolant flow w i can not be determined, in particular can be measured, an adaptation with respect to the temperature of the material to be cooled, for. B. a metal part, take place. As a result, an error of the coolant flow w i can be compensated or eliminated. If the temperature model is sufficiently known, it can be concluded that a certain coolant flow w i is cooling by a certain temperature difference.
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Kühlung eines Werkstoffs mit einem Kühlmittel, ein Computerprogrammprodukt zum Ausführen eines solchen Verfahrens, eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung einer Kühlung eines Werkstoffs mit einem Kühlmittel, und eine Kühlstrecke einer Walzanlage, umfassend eine solche Steuerungseinrichtung.The present invention relates to a method for controlling a cooling of a material with a coolant, a computer program product for carrying out such a method, a control device for controlling a cooling of a material with a coolant, and a cooling section of a rolling mill, comprising such a control device.
Zur Kühlung von Metallbändern, insbesondere von Stahlbändern, ist es bekannt, auf diese große Mengen von Wasser als Kühlmittel aufzubringen. In einer Kühlstrecke muss der Kühlmittelstrom und damit die Kühlintensität so geregelt sein, dass das gewünschte Gefüge des abzukühlenden Werkstoffs mit hoher Präzision festgelegt wird.For cooling metal strips, in particular steel strips, it is known to apply to these large amounts of water as a coolant. In a cooling section, the coolant flow and thus the cooling intensity must be regulated so that the desired structure of the material to be cooled is determined with high precision.
Solche Druckregelkreise werden durch Änderungen der Sollwassermenge an den Ventilen der Kühlstrecke ständig gestört. Für den Druckregelkreis ändert sich also ständig das Verhalten der Regelstrecke. Umgekehrt werden alle Durchflussregelkreise durch Druckschwankungen gestört. Daher sind solche Regelungen einer Kühlstrecke relativ langsam. Besonders störend tritt dieser Nachteil bei einer Intensivkühlung zutage, d. h. im Falle eines hohen Wasserbedarfs bei einem Wasserdruck größer als 1 bar. Ein solch hoher Wasserdruck kann allein mit einem Hochtank nicht bereitgestellt werden, so dass der Betrieb der Intensivkühlung und einer Wasserpumpe der Wasserwirtschaft nicht mehr entkoppelt möglich ist.Such pressure control loops are constantly disturbed by changes in the desired amount of water to the valves of the cooling section. For the pressure control loop thus constantly changes the behavior of the controlled system. Conversely, all flow control loops are disturbed by pressure fluctuations. Therefore, such regulations of a cooling line are relatively slow. Particularly disadvantageous occurs this disadvantage in an intensive cooling, that is, in the case of high water demand at a water pressure greater than 1 bar. Such a high water pressure can not be provided alone with a high tank, so that the operation of the intensive cooling and a water pump of water management is no longer possible decoupled.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Kühlung eines Werkstoffs mit einem Kühlmittel anzugeben.It is an object of the present invention to provide an improved cooling of a material with a coolant.
Die Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 gelöst durch ein Verfahren zur Steuerung einer Kühlung eines Werkstoffs mit einem Kühlmittel, wobei eine Zufuhr des Kühlmittels zu dem Werkstoff durch mindestens ein Stellglied gesteuert wird, welches in zwei oder mehr unterschiedliche Stellungen einstellbar ist, wobei dem Stellglied ein Stellglied-Kennlinienfeld zugeordnet wird, welches eine Beziehung zwischen einem Kühlmittelstrom, einem Druck des Kühlmittels und einer Stellung des Stellglieds angibt, wobei mindestens einer Kühlmittelpumpe, welche in Flussrichtung des Kühlmittels gesehen vor dem mindestens einen Stellglied angeordnet ist, ein Pumpen-Kennlinienfeld zugeordnet wird, welches eine Beziehung zwischen einer Drehzahl der Pumpe, einer Druckdifferenz des Kühlmittels, die zwischen einem Saugdruck an einer Eingangsseite der Pumpe und einem Ausgangsdruck an einer Ausgangsseite der Pumpe herrscht, und einem Kühlmittelstrom angibt, und wobei ein Kühlmittelstrom eingestellt wird, indem die Druckdifferenz ermittelt wird, aus dem Pumpen-Kennlinienfeld die zu der ermittelten Druckdifferenz und einem Soll-Kühlmittelstrom korrespondierende Drehzahl ermittelt wird, die Pumpe auf die ermittelte Drehzahl eingestellt wird, der Druck des Kühlmittels in Flussrichtung des Kühlmittels gesehen vor dem mindestens einen Stellglied ermittelt wird, aus dem Stellglied-Kennlinienfeld die zu dem ermittelten Druckwert und dem Soll-Kühlmittelstrom korrespondierende Stellung ermittelt wird, und das Stellglied in die ermittelte Stellung eingestellt wird. Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Computerprogrammprodukt zur Steuerung der Kühlung eines Werkstoffs mit einem Kühlmittel, wobei eine Zufuhr des Kühlmittels zu dem Werkstoff durch mindestens ein Stellglied gesteuert wird, welches in zwei oder mehr unterschiedliche Stellungen einstellbar ist, wobei dem Stellglied ein Stellglied-Kennlinienfeld zugeordnet ist, welches eine Beziehung zwischen einem Kühlmittelstrom, einem Druck des Kühlmittels und einer Stellung des Stellglieds angibt, wobei mindestens einer Kühlmittelpumpe, welche in Flussrichtung des Kühlmittels gesehen vor dem mindestens einen Stellglied angeordnet ist, ein Pumpen-Kennlinienfeld zugeordnet wird, welches eine Beziehung zwischen einer Drehzahl der Pumpe, einer Druckdifferenz des Kühlmittels, die zwischen einem Saugdruck an einer Eingangsseite der Pumpe und einem Ausgangsdruck an einer Ausgangsseite der Pumpe herrscht, und einem Kühlmittelstrom angibt, und wobei das Computerprogrammprodukt, wenn es durch eine Recheneinheit ausgeführt wird, folgende Verfahrensschritte durchführt: Ermitteln einer zu einer Druckdifferenz des Kühlmittels zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite der Pumpe und einem Soll-Kühlmittelstrom korrespondierenden Drehzahl der Pumpe aus dem Pumpen-Kennlinienfeld; Ermitteln einer zu einem Druckwert des Kühlmittels, der in Flussrichtung des Kühlmittels gesehen vor dem mindestens einen Stellglied ermittelt wurde, und dem Soll-Kühlmittelstrom korrespondierenden Stellung aus dem Stellglied-Kennlinienfeld; Erzeugen eines Signals, das an einer dem Stellglied zugeordneten Stelleinheit eine Einstellung des Stellglieds in die ermittelte Stellung auslöst; und Erzeugen eines Signals, das an der mindestens einen Kühlmittelpumpe eine Einstellung auf die ermittelte Drehzahl auslöst. Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung einer Kühlung eines Werkstoffs mit einem Kühlmittel, umfassend mindestens eine Speichereinheit, welche zur Speicherung eines Stellglied-Kennlinienfelds, das eine Beziehung zwischen einem Kühlmittelstrom, einem Druck des Kühlmittels und einer Stellung mindestens eines dem Stellglied-Kennlinienfeld zugeordneten Stellglieds zur Steuerung der Zufuhr des Kühlmittels zu dem Werkstoff angibt, und zur Speicherung eines Pumpen-Kennlinienfeld, das eine Beziehung zwischen einer Drehzahl der Pumpe, einer Druckdifferenz des Kühlmittels, die zwischen einem Saugdruck an einer Eingangsseite der Pumpe und einem Ausgangsdruck an einer Ausgangsseite der Pumpe herrscht, und einem Kühlmittelstrom angibt, ausgebildet ist, eine Prozessoreinheit, welche dazu ausgebildet ist, aus dem gespeicherten Stellglied-Kennlinienfeld die zu einem ermittelten Druckwert des Kühlmittels und einem Soll-Kühlmittelstrom korrespondierende Stellung des mindestens einen Stellglieds und aus dem gespeicherten Pumpen-Kennlinienfeld die zu einer ermittelten Druckdifferenz des Kühlmittels zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite der Pumpe und einem Soll-Kühlmittelstrom korrespondierende Drehzahl der Pumpe zu ermitteln, und eine Signaleinheit, welche dazu ausgebildet ist, ein Signal zur Einstellung des mindestens einen Stellglieds in die ermittelte Stellung an eine Stelleinheit zu senden und ein Signal zur Einstellung der mindestens einen Kühlmittelpumpe auf die ermittelte Drehzahl an einen Drehzahlregler zu senden.The object is achieved according to
Ein übliches Kühlmittel ist Wasser, insbesondere für die Kühlung eines Werkstoffs wie Metall. In Bezug auf ein Kühlmittel werden in der Beschreibung der Erfindung die Begriffe "Strom" und "Fluss" gleichbedeutend verwendet: sie beschreiben eine pro Zeiteinheit durch eine gegebene Querschnittsfläche hindurch tretende Menge an Kühlmittel. Dabei kann die Kühlung in Form einer Wasserstrahlkühlung, häufig auch als Laminarkühlung bezeichnet, erfolgen. Eine Wasserstrahlkühlung ist eine Kühlung des Materials mit einem oder mehreren Wasserstrahlen. Die Intensivkühlung kann als ein Spezialfall der Laminarkühlung betrachtet werden. Für eine Intensivkühlung im Sinne der vorliegenden Beschreibung ist ein hoher Wasserbedarf bei einem Wasserdruck größer als 1 bar kennzeichnend. Der Wasserbedarf der Intensivkühlung kann aus einem reinen Wasserhochtank nicht mehr gedeckt werden, so dass der Betrieb der Intensivkühlung - im Falle von Wasser als Kühlmittel - mit einer Wasserpumpe der Wasserwirtschaft gekoppelt ist. Die Ventile der Intensivkühlung sind dabei vorzugsweise kontinuierlich verstellbar, d. h. die Wassermengen sind kontinuierlich veränderbar, um eine genaue Dosierung der Kühlleistung zu ermöglichen.A common coolant is water, especially for the cooling of a material such as metal. With respect to a coolant, in the description of the invention, the terms "flow" and "flow" are used equivalently: they describe an amount of coolant passing per unit time through a given cross-sectional area. In this case, the cooling in the form of a water jet cooling, often referred to as laminar cooling, take place. Water jet cooling is a cooling of the material with one or more jets of water. The intensive cooling can be considered as a special case of laminar cooling. For intensive cooling in the sense of the present description, a high water requirement at a water pressure greater than 1 bar is characteristic. The water requirement of the intensive cooling can not be covered from a pure water tank, so that the operation of the intensive cooling - in the case of water as a coolant - coupled with a water pump of the water industry. The valves of the intensive cooling are preferably continuously adjustable, ie, the amounts of water are continuously variable to allow accurate metering of the cooling capacity.
Erfindungsgemäß werden keine Durchflussregelkreise aufgebaut, sondern die Stellglieder eines Kühlmittellaufs direkt angesteuert. Weiterhin wird auch kein Druckregelkreis für die der Kühlung zuzuführende Kühlmittelmenge aufgebaut. Die vorliegende Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass eine hohe Einstellgeschwindigkeit eines benötigten Kühlmittelstroms, z. B. eines Kühlwasserstroms in einer Kühlstraße, nur über eine Steuerung zu erreichen ist, wohingegen eine herkömmliche Regelung dafür zu langsam und zu störanfällig ist, vor allem unter den Bedingungen einer Intensivkühlung.According to the invention, no flow control circuits are constructed, but the actuators of a coolant run are controlled directly. Furthermore, no pressure control loop is established for the amount of coolant to be supplied to the cooling. The present invention is based on the finding that a high setting speed of a required coolant flow, z. B. a cooling water flow in a cooling line, can only be achieved by a controller, whereas a conventional scheme is too slow and too susceptible to failure, especially under the conditions of intensive cooling.
Vorzugsweise wird dabei wie folgt verfahren: Jedem Stellglied, z. B. in Form einer Regelklappe oder eines Ventils, wird ein erstes Stellglied-Kennlinienfeld k = f (w, p) zugeordnet, das die Eingangsgrößen Kühlmittelstrom w und Druck p des Kühlmittels auf eine Stellgliedstellung k abbildet und das aus einem Soll-Kühlmittelstrom w eine direkte Ermittlung einer korrespondierenden Stellgliedstellung k ermöglicht. Dieses Kennlinienfeld ist entweder vorbekannt oder wird zumindest einmalig durch "Auslitern" des Stellglieds ermittelt. Unter "Auslitern" wird eine experimentelle Ermittlung des Durchflusses durch das Stellglied als Funktion der Stellung des Ventils und des Drucks des Kühlmittels verstanden. Zum Kalibrieren des Stellglied-Kennlinienfeldes f(w, p) können Durchflussmessungen vorgenommen werden.Preferably, the procedure is as follows: Each actuator, z. B. in the form of a control valve or a valve, a first actuator characteristic field k = f (w, p) is assigned, which maps the input quantities coolant flow w and pressure p of the coolant to an actuator position k and from a desired coolant flow w a direct determination of a corresponding actuator position k allows. This characteristic field is either previously known or is determined at least once by "Auslitern" of the actuator. By "venting" is meant an experimental determination of the flow through the actuator as a function of the position of the valve and the pressure of the coolant. To calibrate the actuator characteristic field f (w, p) flow measurements can be made.
Alternativ kann ein zweites Stellglied-Kennlinienfeld w = g(k, p) abgelegt werden, das die Eingangsgrößen Stellgliedstellung k und Druck p des Kühlmittels auf einen Kühlmittelstrom w abbildet. Es ist auch möglich, dass alternativ ein drittes Stellglied-Kennlinienfeld p = h(k, w) abgelegt wird, das die Eingangsgrößen Stellgliedstellung k und Kühlmittelstrom w auf einen Druck p des Kühlmittels abbildet.Alternatively, a second actuator characteristic field w = g (k, p) can be stored, which maps the input variables actuator position k and pressure p of the coolant to a coolant flow w. It is also possible that alternatively a third actuator characteristic field p = h (k, w) is stored, that the input variables actuator position k and coolant flow w to a pressure p of the coolant images.
Ein Prozessrechner steuert die Stellglieder unter Verwendung der dazugehörigen Kennlinienfelder derart an, dass durch jedes Stellglied der geforderte Kühlmittelstrom fließt. Dazu wird der Istdruck p erfasst, in das Kennlinienfeld eines jeden Stellglieds eingesetzt und jeder Soll-Kühlmittelstrom w auf eine korrespondierende Soll-Stellgliedstellung k abgebildet. Alternativ wird der Solldruck anstelle des Istdrucks in das Kennlinienfeld eingesetzt.A process computer controls the actuators using the associated characteristic fields such that the required coolant flow flows through each actuator. For this purpose, the actual pressure p is detected, inserted into the characteristic field of each actuator, and each desired coolant flow w is mapped to a corresponding desired actuator position k. Alternatively, the target pressure is used instead of the actual pressure in the characteristic field.
Tests haben gezeigt, dass als Regelklappen ausgebildete Stellglieder in 2 s von 0% auf 100% ihres Öffnungsgrads und in 1 s von 20% auf 80% ihres Öffnungsgrads verfahren werden können, und darüber hinaus die Pumpe in weniger als 1 s vom Stillstand auf die Maximaldrehzahl gebracht werden kann. Dadurch ist eine schnelle Einstellung des Kühlmittelstroms in jedem Kühlmittelzulauf zum Werkstoff und eine noch schnellere Einstellung des Kühlmittelstroms zur Versorgung der Intensivkühlung möglich, auch wenn das Kühlmittel zu der Intensivkühlung erst über eine lange Zuleitung, z. B. über eine Länge im Bereich von 100 bis 200 m, heran transportiert werden muss.Tests have shown that actuators designed as dampers can be moved from 0% to 100% of their opening degree in 2 s and from 20% to 80% of their opening degree in 1 s, and moreover, the pump can be stopped in less than 1 s from standstill Maximum speed can be brought. As a result, a rapid adjustment of the coolant flow in each coolant inlet to the material and an even faster adjustment of the coolant flow to supply the intensive cooling is possible, even if the coolant to the intensive cooling only over a long supply line, z. B. over a length in the range of 100 to 200 m, zoom must be transported.
Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine große Kühlmittelmenge, wie sie z. B. in einer Intensivkühlung einer Kühlstraße einer Walzanlage benötigt wird, beispielsweise eine Kühlwassermenge von ca. 150 m3 Wasser, ausreichend schnell zu beschleunigen, um mit dem Eintritt des zu kühlenden Werkstoffs, z. B. eines Metallbands, in die Kühlstraße in einer sehr kurzen Zeit, z. B. auf einer Zeitskala von typischerweise 1 s, einen stabilen Kühlmittelstrom aufzubauen. Selbst bei dünnen Metallbändern, die mit einer Geschwindigkeit von ca. 10 m/s durch die Kühlstraße transportiert werden, bleibt also die Länge unzureichend gekühlten Materials kleiner als 10 m. Bei einer Kühlstraße mit Laminarkühlung liegt dieser Wert in derselben Größenordnung.With the present invention, it is possible to use a large amount of coolant, as z. B. in an intensive cooling a cooling line of a rolling mill is required, for example, a cooling water amount of about 150 m 3 of water, sufficiently fast to accelerate, with the entry of the material to be cooled, for. As a metal strip, in the cooling line in a very short time, z. B. on a time scale of typically 1 s to build a stable flow of coolant. Even with thin metal strips, which are transported through the cooling line at a speed of approx. 10 m / s, the length of insufficiently cooled material remains smaller than 10 m. For a laminar flow cooling line, this value is of the same order of magnitude.
Eine Kühlung mit der erfindungsgemäßen Steuerung von Stellgliedern hat somit folgende Vorteile:
- Der benötigte Kühlmittelstrom kann genau zum gewünschten Zeitpunkt, z. B. beim Eintritt eines Materialbandes in die Kühlstraße, bereitgestellt werden. Umgekehrt kann der Kühlmittelstrom entsprechend schnell genau zum gewünschten Zeitpunkt, z. B. beim Austritt eines Materialbandes aus der Kühlstraße, reduziert werden.
- Eine hohe Regeldynamik wird auch während des Bandlaufs am Anlagenlimit erreicht; damit ist auch im Falle einer Intensivkühlung eine genaue Einstellung der Haspeltemperatur möglich, analog wie bei einer Laminarkühlung. Im Falle einer Intensivkühlung verringert sich also gegenüber einer Laminarkühlung die Genauigkeit der Haspeltemperatur nicht.
- Ein dynamischer Betrieb ist sowohl unter Hochdruck als auch unter Niederdruck des Kühlmittels möglich. Wird ein großer Kühlmittelstrom benötigt, kann der Solldruck angehoben werden (= Hochdruckbetrieb). Für Anwendungen, für die lediglich ein geringerer Kühlmittelstrom benötigt wird, kann man als Solldruck den Versorgungsdruck psaug der Pumpe wählen (= Niederdruckbetrieb). Die Pumpendrehzahl kann dabei so gewählt werden, dass die Pumpe einfach nur wie eine Wasseruhr mitdreht, ohne den Versorgungsdruck der Intensivkühlung selbst zu verändern.
- Ein kontinuierlicher Wechsel zwischen einem Niederdruckbetrieb und einem Hochdruckbetrieb, auch während eines laufenden Kühlprozesses, ist möglich. Dadurch ist eine große Flexibilität in den Kühlverfahren, z. B. in der Produktion in einem Stahlwerk, gewährleistet.
- Auf eine mit hohen Kosten verbundene dynamische Durchflussmessung mithilfe einer Messeinrichtung vor jedem Stellglied, z. B. jedem Ventil, der Intensivkühlung kann verzichtet werden. Damit kann außerdem auf eine ausreichend lang ausgelegte, geradlinige Beruhigungsstrecke verzichtet werden, die im Falle einer Durchflussmessung zusätzlich zu einer Messeinrichtung erforderlich ist und die Kühlanlage zusätzlich verteuert.
- Die Erfindung erlaubt eine Kühlung mit einem hohen Wirkungsgrad. Das gesamte Kühlmittel, das transportiert, insbesondere gepumpt wird, wird zur Kühlung, insbesondere zur Intensivkühlung, verwendet. Dabei kann der Energieverbrauch der Pumpe noch weiter dadurch reduziert werden, dass ein höherer Druck des Kühlmittels nur dann erzeugt wird, wenn dieser tatsächlich benötigt wird. Der Bedarf für einen Hochdruckbetrieb kann z. B. dadurch festgestellt werden, dass man Stellungen von Stellgliedern, z. B. Klappenstellungen von Ventilen, ermittelt und den Solldruck für die Pumpe erst dann anhebt, wenn die Stellung wenigstens eines Stellglieds eine bestimmte, als Grenzwert vorgegebene Öffnungsstellung überschreiten würde.
- Die Erfindung ist ein wesentlicher Baustein einer Anlage, die einen kombinierten, flexiblen Kühlbetrieb erlaubt, durch den die normale Produktion, z. B. in einem Stahlwerk, nicht gestört oder beeinträchtigt wird.
- The required coolant flow can be exactly at the desired time, for. B. upon entry of a strip of material in the cooling line, are provided. Conversely, the coolant flow can be correspondingly fast exactly at the desired time, for. B. at the exit of a strip of material from the cooling line can be reduced.
- High control dynamics are also achieved during the tape run at the system limit; Thus, even in the case of intensive cooling accurate adjustment of the reel temperature is possible, similar to a laminar cooling. In the case of intensive cooling, the accuracy of the reel temperature is therefore not reduced in comparison with laminar cooling.
- Dynamic operation is possible both under high pressure and under low pressure of the coolant. If a large coolant flow is required, the setpoint pressure can be raised (= high pressure operation). For applications for which only a lower coolant flow is required, you can suck the supply pressure p as the set pressure of the pump select (= low-pressure operation). The pump speed can be chosen so that the pump simply rotates just like a water meter, without changing the supply pressure of the intensive cooling itself.
- A continuous change between a low-pressure operation and a high-pressure operation, even during a running cooling process, is possible. As a result, a great deal of flexibility in the cooling process, for. B. in the production in a steel mill, guaranteed.
- High-cost dynamic flow measurement using a measuring device in front of each actuator, eg B. each valve, the intensive cooling can be omitted. This can also be dispensed with a sufficiently long, straight calming section, which is required in the case of flow measurement in addition to a measuring device and the cooling system more expensive.
- The invention allows cooling with a high efficiency. The entire coolant that is transported, in particular pumped, is used for cooling, in particular for intensive cooling. In this case, the energy consumption of the pump can be further reduced by the fact that a higher pressure of the coolant is only generated when it is actually needed. The need for a high-pressure operation can z. B. be found that one positions of actuators, z. B. flap positions of valves, determined and the target pressure for the pump only raises when the position of at least one actuator would exceed a certain, predetermined limit value opening position.
- The invention is an essential component of a system that allows a combined, flexible cooling operation, through the normal production, for. B. in a steel mill, is not disturbed or impaired.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Dabei kann das erfindungsgemäße Verfahren auch entsprechend den abhängigen Vorrichtungsansprüchen weitergebildet sein, und umgekehrt.Advantageous embodiments and modifications of the invention will become apparent from the dependent claims. In this case, the inventive method can also be developed according to the dependent device claims, and vice versa.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das mindestens eine Stellglied kontinuierlich in die ermittelte Stellung eingestellt. Vorzugsweise handelt es sich bei dem mindestens einen Stellglied um ein kontinuierlich verstellbares Stellglied. Eine kontinuierliche Einstellung bzw. Verstellbarkeit des mindestens einen Stellglieds bedeutet, dass das mindestens eine Stellglied stufenlos in die ermittelte Stellung verstellt wird. Bei dem stufenlos verstellbaren Stellglied kann es sich z. B. um ein Ventil oder eine Regelklappe handeln.According to a preferred embodiment of the invention, the at least one actuator is adjusted continuously in the determined position. Preferably, the at least one actuator is a continuously adjustable actuator. A continuous adjustment or adjustability of the at least one actuator means that the at least one actuator is continuously adjusted in the determined position. In the continuously variable actuator, it may, for. B. act a valve or a control valve.
Ein Steuerungsverfahren unter Verwendung von kontinuierlich verstellbaren Stellgliedern ist nicht wesentlich teurer als die übliche Ausrüstung von Kühlstrecken mit einfachen Schaltventilen. In diesem Fall entkoppelt ein Hochtank die Steuerung der Wasserwirtschaft von der Steuerung der Klappen der Ventile. Eine solche Steuerung vermeidet die bei Schaltventilen auftretenden Schaltsprünge in der Temperatur und ist daher besonders geeignet für eine modellprädiktive Steuerung des zeitlichen Abkühlverlaufs in der Kühlstrecke.A control method using continuously variable actuators is not significantly more expensive than the conventional equipment of cooling sections with simple switching valves. In this case, a high tank decouples the control of the water management from the control of the valves of the valves. Such a control avoids the switching jumps occurring in switching valves in temperature and is therefore particularly suitable for a model-predictive control of the temporal Abkühlverlaufs in the cooling section.
Die Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der mindestens einen Kühlmittelpumpe ein Pumpen-Kennlinienfeld n = q(w, Δp) zugeordnet wird, welches eine Pumpendrehzahl n als Funktion eines Kühlmittelstroms w und einer Druckdifferenz Δp des Kühlmittels, die zwischen einem Saugdruck an einer Eingangsseite der Pumpe und einem Ausgangsdruck an einer Ausgangsseite der Pumpe herrscht, angibt, der Saugdruck des Kühlmittels ermittelt wird, und die Pumpe mit einer Drehzahl betrieben wird, die zu der Druckdifferenz und einem Soll-Kühlmittelstrom aus dem Pumpen-Kennlinienfeld ermittelt wird.The development of the invention provides that the at least one coolant pump is assigned a pump characteristic field n = q (w, Δp), which has a pump speed n as a function of a coolant flow w and a pressure difference Δp of the coolant between a suction pressure on an input side the pump and an outlet pressure at an outlet side of the pump, indicating that the suction pressure of the coolant is detected, and the pump is operated at a speed which is determined to the pressure difference and a target coolant flow from the pump characteristic field.
Es ist alternativ auch möglich, dass der mindestens einen Kühlmittelpumpe ein zweites Pumpen-Kennlinienfeld w = r(n, Δp) zugeordnet wird, welches den Kühlmittelstrom w als Funktion r der Pumpendrehzahl n und der Druckdifferenz Δp des Kühlmittels, die zwischen dem Saugdruck an der Eingangsseite der Pumpe und dem Ausgangsdruck an der Ausgangsseite der Pumpe herrscht, angibt. Es ist alternativ auch möglich, dass der mindestens einen Kühlmittelpumpe ein drittes Pumpen-Kennlinienfeld Δp = s(n, w) zugeordnet wird, welches die Druckdifferenz Δp des Kühlmittels, die zwischen dem Saugdruck an der Eingangsseite der Pumpe und dem Ausgangsdruck an der Ausgangsseite der Pumpe herrscht, als Funktion s der Pumpendrehzahl n und des Kühlmittelstroms w angibt.Alternatively, it is also possible for the at least one coolant pump to be assigned a second pump characteristic field w = r (n, Δp) which determines the coolant flow w as a function of the pump rotational speed n and the pressure difference Δp of the coolant which exists between the suction pressure at the Input side of the pump and the outlet pressure at the outlet side of the pump. Alternatively, it is also possible that the at least one coolant pump, a third pump characteristic field Δp = s (n, w) is assigned, which is the pressure difference .DELTA.p of the refrigerant between the suction pressure at the input side of the pump and the output pressure at the output side of the Pump prevails as a function s of the pump speed n and the coolant flow w indicates.
Der Kühlmittelpumpe, z. B. einer Wasserpumpe, die die Kühlvorrichtung mit Kühlmittel versorgt, kann ein Pumpenkennlinienfeld n = q(w, p-psaug) zugeordnet werden. Dabei bezeichnet n die Sollpumpendrehzahl, w den zur Kühlung zu fördernden Kühlmittelstrom, p den Druck an der Ausgangsseite der Pumpe und psaug den Saugdruck auf der Eingangsseite der Pumpe. Dabei muss w die Summe der Kühlmittelströme aller Stellglieder der Kühlung sein, zuzüglich eventuell weiterer vorhandener Abnehmer, die Kühlmittel von der Pumpe der Kühlung beziehen. Die Pumpe wird von einem Prozessrechner so angesteuert, dass sie mit einer Drehzahl n fährt, die bei Einsetzen des Soll-Kühlmittelstroms w und einer Solldruckerhöhung p-psaug in das Pumpen-Kennlinienfeld hervorgeht. Dazu wird mit Vorteil der Saugdruck auf der Eingangsseite der Pumpe gemessen. Alternativ kann auch ein Schätzwert verwendet werden, z. B. berechnet aus der Höhendifferenz zwischen dem Aufstellungsort der Pumpe und dem Kühlmittelspiegel in einem Kühlmitteltank, mit dem die Saugseite der Pumpe versorgt wird. Alternativ kann auch ein Sollwert einer anderen Regeleinrichtung verwendet werden, die der Pumpe das Kühlmittel auf der Saugseite liefert.The coolant pump, z. As a water pump that supplies the cooling device with coolant, a pump characteristic field n = q (w, pp suction ) can be assigned. In this case, n denotes the target pump speed, w is the coolant flow to be conveyed, p is the pressure at the outlet side of the pump and p sucks the suction pressure on the inlet side of the pump. In this case, w must be the sum of the coolant flows of all the actuators of the cooling, plus any further existing customers who receive coolant from the cooling pump. The pump is controlled by a process computer so that it runs at a speed n, which emerges at the onset of the desired coolant flow w and a target pressure increase pp suction into the pump characteristic field. For this purpose, the suction pressure is advantageously measured on the input side of the pump. Alternatively, an estimate may also be used, e.g. B. calculated from the height difference between the location of the pump and the coolant level in a coolant tank, with which the suction side of the pump is supplied. Alternatively, a desired value of another control device can be used, which supplies the coolant to the pump on the suction side.
Es ist von Vorteil, wenn eine Steuerungseinrichtung nicht nur die Stellglieder, sondern auch die Pumpen, z. B. für den Hochtank, steuert, weil der Steuerungseinrichtung die bereitzustellenden Kühlmittelströme bereits vorab bekannt sind. Dies kann in Form eines so genannten intelligenten Kühlmittelmanagements bereitgestellt werden: In diesem Fall steuert die Steuerungseinrichtung neben Stellgliedern, z. B. den Klappen der Ventile, die gesamte Wasserwirtschaft übergreifend an und "kennt" alle Wasserverbraucher im System, d. h. berücksichtigt deren Wasserverbrauch auf Basis bisher gesammelter und/oder aktueller Verbrauchswerte. Die Steuerungseinrichtung steuert insbesondere auch die Intensivkühlung an.It is advantageous if a control device not only the actuators, but also the pumps, for. B. for the high tank, controls because the control device, the coolant flows to be provided are already known in advance. This can be provided in the form of a so-called intelligent coolant management: In this case, controls the control device in addition to actuators, for. B. the valves of the valves, the entire water management across and "knows" all water consumers in the system, d. H. takes into account their water consumption on the basis of previously collected and / or current consumption values. In particular, the control device also controls the intensive cooling.
Die Pumpe wird vorzugsweise mit einem Umrichter frequenzgeregelt angesteuert. Das Kennlinienfeld der Pumpe ist entweder vorbekannt oder wird zumindest einmalig durch Auslitern der Pumpe ermittelt.The pump is preferably frequency-controlled with a converter. The characteristic field of the pump is either previously known or is determined at least once by Auslitern the pump.
Es ist von Vorteil, dass die Stellung des mindestens einen Stellglieds und die Drehzahl zum Betreiben der mindestens einen Kühlmittelpumpe in einem Schritt als ein gemeinsamer Sollwertsatz ermittelt wird, wobei der Druck des Kühlmittels vor dem mindestens einen Stellglied identisch zu dem Ausgangsdruck an der Ausgangsseite der Pumpe ist.It is advantageous that the position of the at least one actuator and the speed for operating the at least one coolant pump in one step as a common Setpoint set is determined, wherein the pressure of the coolant before the at least one actuator is identical to the output pressure at the output side of the pump.
Ein Prozessrechner ermittelt die Solldrehzahl der Pumpe und die Stellungen der Stellglieder, z. B. die Stellungen von Ventilen oder Klappen, vorzugsweise in einem Schritt als einen gemeinsamen Sollwertsatz (= übergreifende Steuerung). So muss nicht gewartet werden, bis der Ist-Kühlmitteldruck tatsächlich ansteht, wenn die Stellglieder betätigt werden, und umgekehrt. Weiterhin wird vermieden, dass die Pumpe durch einen Betrieb in einem unzulässigen Bereich beschädigt werden kann. Eine solche Beschädigung könnte nämlich vorkommen, wenn eine separate Pumpenregelung aufgrund einer früheren Schätzung des Kühlmittelbedarfs die Pumpe im Sinne einer Vorsteuerung hochfährt, aber der Prozessrechner die Stellglieder nicht wie erwartet öffnet, weil ein Fehler vorliegt und der Sollwertsatz für die Stellglieder dort nicht ankommt. Bei einem gemeinsamen Sollwertsatz ist dagegen Konsistenz immer sichergestellt.A process computer determines the setpoint speed of the pump and the positions of the actuators, eg. As the positions of valves or flaps, preferably in one step as a common setpoint set (= cross-control). So there is no need to wait until the actual refrigerant pressure is actually present when the actuators are actuated, and vice versa. Furthermore, it is avoided that the pump can be damaged by operation in an impermissible area. Such damage could occur if a separate pump control due to an earlier estimate of the coolant demand, the pump in the sense of feedforward starts, but the process computer does not open the actuators as expected, because there is a fault and the setpoint set for the actuators does not arrive there. With a common setpoint set, however, consistency is always ensured.
Es ist außerdem möglich, dass der Saugdruck des Kühlmittels an der Eingangsseite der Pumpe durch eine Messung oder eine Schätzung ermittelt wird.It is also possible that the suction pressure of the refrigerant at the input side of the pump is determined by a measurement or an estimation.
Gemäß einer Ausgestaltung wird das Stellglied-Kennlinienfeld adaptiert, indem der Druck des Kühlmittels ermittelt, insbesondere gemessen, wird, die Stellung des Stellglieds ermittelt wird, aus dem Stellglied-Kennlinienfeld der zu den ermittelten Werten, d. h. Druck und Stellung, korrespondierende Kühlmittelstrom ermittelt wird, der aus dem Stellglied-Kennlinienfeld ermittelte Kühlmittelstrom mit einem gemessenen Kühlmittelstrom verglichen wird und das Stellglied-Kennlinienfeld so verändert wird, dass der aus dem Stellglied-Kennlinienfeld ermittelte Kühlmittelstrom mit dem gemessenen Kühlmittelstrom übereinstimmt.According to one embodiment, the actuator characteristic field is adapted by determining the pressure of the coolant, in particular measured, the position of the actuator is determined from the actuator characteristic field of the determined values, ie pressure and position, corresponding coolant flow is determined, the coolant flow determined from the actuator characteristic field is compared with a measured coolant flow and the actuator characteristic field is changed so that the coolant flow determined from the actuator characteristic field coincides with the measured coolant flow.
Gemäß einer Ausgestaltung wird das Stellglied-Kennlinienfeld, welches in einer zweiten Form w = g(ki, p) gegeben ist, zur Adaptierung des Stellglied-Kennlinienfelds mittels Ansatzfunktionen dargestellt, in der Form g(ki, p) = Σj cj gj (ki, p), wobei die Verstärkungsfaktoren cj geeignet zu den jeweils dazugehörigen Ansatzfunktionen gj (ki, p) gewählt werden. Der übliche Nachteil einer Steuerung, dass die eingestellten Kühlmittelmengen ungenauer sind als bei einer Regelung, kann durch eine Adaption des Stellglied-Kennlinienfelds mithilfe der Faktoren cj ausgeglichen werden.According to one embodiment, the actuator characteristic field, which is given in a second form w = g (k i , p), for adapting the actuator characteristic field by means of approach functions, in the form g (k i , p) = Σ j c j g j (k i , p), wherein the gain factors c j are chosen to be appropriate for the respectively associated approach functions g j (k i , p). The usual disadvantage of a control that the set coolant amounts are more inaccurate than in a control, can be compensated by an adaptation of the actuator characteristic field using the factors c j .
Wenn die Ansatzfunktionen lokal sind, z. B. wenn sie B-Splines sind, die nur in einer Umgebung um den Entwicklungspunkt von Null verschieden sind, konvergiert die Adaption besonders schnell, weil dann das Kennlinienfeld nur in der Nähe der momentanen Messung verbessert wird und Stellen des Kennlinienfeldes, die weiter weg von der momentanen Messung sind, nicht verändert, insbesondere nicht verschlechtert werden.If the recognition functions are local, e.g. For example, if they are B-splines that are different only in an environment around the zero evolution point, the adaptation converges very fast, because then the map is improved only in the vicinity of the current measurement and points of the map farther away from the current measurement are not changed, in particular not be degraded.
Bei dieser Vorgehensweise ist es noch erforderlich, während oder nach der Adaption das Kennlinienfeld zu überprüfen, ob es noch streng monoton steigend ist. Das kann z. B. vorkommen, wenn ungenaue Messwerte erfasst werden oder das anfängliche Kennlinienfeld sehr ungenau ist und die Adaption große Korrekturen vornehmen muss. Ist das Kennlinienfeld nach Adaption nicht streng monoton steigend, ist die Anpassung des jeweiligen Faktors cj zu reduzieren oder rückgängig zu machen. Andernfalls kann der Prozessrechner aus einem gegebenen Soll-kühlmittelstrom wsoll und einem Druck p nicht mehr eindeutig durch Auflösen der Funktion wsoll = g (ki, p) nach ki eine Stellung ki des Stellgliedes ermitteln.In this procedure, it is still necessary to check during or after the adaptation, the characteristic field, whether it is still strictly monotonically increasing. This can z. For example, if inaccurate measured values are detected or the initial characteristic field is very inaccurate and the adaptation must make major corrections. If the characteristic field is not strictly monotonically increasing after adaptation, the adaptation of the respective factor c j must be reduced or reversed. Otherwise, the process computer from a given desired coolant flow w soll and a pressure p no longer uniquely determined by dissolving the function w soll = g (k i , p) after k i a position k i of the actuator.
Es ist auch möglich, in einer verbesserten Ausführung das Stellglied-Kennlinienfeld in einer ersten Kennlinien-Form k = f(w, p) abzulegen, die eine direkte Ermittlung der Stellglied-Stellung ki aus einem Soll-Kühlmittelstrom w ermöglicht. Es ist in diesem Fall nämlich möglich, das in der ersten Kennlinien-Form k = f(w, p) abgelegte Kennlinienfeld insbesondere direkt zu adaptieren. Dazu werden der Druck p des Kühlmittels und der Kühlmittelstrom w des Kühlmittels ermittelt, insbesondere gemessen, aus dem Stellglied-Kennlinienfeld die zu den ermittelten Werten, d. h. Druck und Kühlmittelstrom, korrespondierende Stellung des Stellglieds ermittelt, die aus dem Stellglied-Kennlinienfeld ermittelte Stellung des Stellglieds mit einer gemessenen Stellung des Stellglieds verglichen und das Stellglied-Kennlinienfeld so verändert, dass die aus dem Stellglied-Kennlinienfeld ermittelte Stellung des Stellglieds mit der gemessenen Stellung des Stellglieds übereinstimmt.It is also possible, in an improved embodiment, to store the actuator characteristic field in a first characteristic curve k = f (w, p), which enables a direct determination of the actuator position k i from a desired coolant flow w. Namely, it is possible in this case, in particular, the characteristic field stored in the first characteristic form k = f (w, p) directly adapt. For this purpose, the pressure p of the coolant and the coolant flow w of the coolant are determined, in particular measured, determined from the actuator characteristic field to the determined values, ie pressure and coolant flow, corresponding position of the actuator, the determined from the actuator characteristic field position of the actuator compared with a measured position of the actuator and the actuator characteristic field changed so that the determined from the actuator characteristic field position of the actuator coincides with the measured position of the actuator.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird das Stellglied-Kennlinienfeld, welches in der ersten Form k = f(w, p) gegeben ist, zur Adaptierung des Stellglied-Kennlinienfelds mittels Ansatzfunktionen dargestellt, in der Form f(w, p) = Σj aj fj (w, p), wobei die Verstärkungsfaktoren aj geeignet zu den jeweils dazugehörigen Ansatzfunktionen fj (w, p), gewählt werden. Der Prozessrechner kann in diesem Fall die erforderlichen Stellung k des Stellgliedes aus dem Druck p und der Sollwassermenge Wsoll gemäß ki = f (wsoll, p) direkt bestimmen, ohne vorher das Kennlinienfeld invertieren zu müssen. Besonders vorteilhaft ist bei dieser Vorgehensweise, dass bei der Anpassung der Koeffizienten aj durch die Adaption nicht überprüft werden muss, ob das Kennlinienfeld noch streng monoton steigend ist. Ein weiterer Vorteil dieser Vorgehensweise ist, dass der Rechenaufwand, der bei der Auflösung einer nichtlinearen Funktion nach einer Variablen entsteht, entfällt.According to a preferred embodiment, the actuator characteristic field, which is given in the first form k = f (w, p), for adapting the actuator characteristic field by means of approach functions, in the form f (w, p) = Σ j a j f j (w, p), where the gain factors a j are chosen to be appropriate for the respectively associated approach functions f j (w, p). In this case, the process computer can directly determine the required position k of the actuator from the pressure p and the desired water quantity W soll according to k i = f (w soll , p), without first having to invert the characteristic field. It is particularly advantageous in this approach that when adapting the coefficients a j by the adaptation does not need to be checked whether the characteristic field is still strictly monotonically increasing. Another advantage of this approach is that the computational effort involved in solving a nonlinear function for a variable is eliminated.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das Pumpen-Kennlinienfeld adaptiert, indem die Druckdifferenz und der Strom des Kühlmittels ermittelt werden, aus dem Pumpen-Kennlinienfeld die zu den ermittelten Werten korrespondierende Pumpendrehzahl ermittelt wird, die aus dem Pumpen-Kennlinienfeld ermittelte Pumpendrehzahl mit einer gemessenen Pumpendrehzahl verglichen wird und die Pumpen-Kennlinienfeld so verändert wird, dass die aus dem Pumpen-Kennlinienfeld ermittelte Pumpendrehzahl mit der gemessenen Pumpendrehzahl übereinstimmt.According to an advantageous embodiment of the invention, the pump characteristic field is adapted by determining the pressure difference and the flow of the coolant, from the pump characteristic field corresponding to the determined values pump speed is determined, the pump speed determined from the pump characteristic curve pump speed with a measured Pump speed is compared and the pump characteristic field is changed so that the determined from the pump characteristic field Pump speed coincides with the measured pump speed.
Es ist vorteilhaft, dass das Pumpen-Kennlinienfeld, welches in einer ersten Form n = q(w, p-psaug) gegeben ist, zur Adaptierung des Pumpen-Kennlinienfelds mittels Ansatzfunktionen dargestellt wird, in der Form q(w, p-psaug) = Σj bj qj (w, p-psaug), wobei die Verstärkungsfaktoren bj geeignet zu den jeweils dazugehörigen Ansatzfunktionen qj (w, p-psaug) gewählt werden.It is advantageous that the pump characteristic field, which is given in a first form n = q (w, pp suction ), is represented for adaptation of the pump characteristic field by means of batch functions, in the form q (w, pp suction ) = Σ j b j q j (w, pp suction), the gain factors b j suited to the particular associated approach functions q j (w, pp suction) can be selected.
Der übliche Nachteil einer Steuerung, dass die eingestellten Kühlmittelmengen ungenauer sind als bei einer Regelung, kann durch eine Adaption des Pumpen-Kennlinienfelds mithilfe der Faktoren bj ausgeglichen werden.The usual disadvantage of a control that the set coolant amounts are more inaccurate than in a control, can be compensated by an adaptation of the pump characteristic field using the factors b j .
Es ist auch möglich, das Pumpen-Kennlinienfeld in einer zweiten Form w = r(n, p-psaug) abzulegen. Dann aber muss das Pumpen-Kennlinienfeld nach n aufgelöst werden, wenn die Solldrehzahl der Pumpe ermittelt werden soll. Das ist insbesondere dann unvorteilhaft, wenn das Pumpen-Kennlinienfeld adaptiert werden soll: Will man das Pumpen-Kennlinienfeld in der Form w = r(n, p-psaug) adaptieren, ist nicht sichergestellt, dass man eindeutig nach der Pumpendrehzahl auflösen kann. Daher kann in diesem Fall eine Fehlsteuerung nicht ausgeschlossen werden. Entsprechendes gilt, wenn man das Pumpen-Kennlinienfeld in einer dritten Form Δp = p-psaug = s (n, w) darstellt. Auch dann muss das Pumpen-Kennlinienfeld nach n aufgelöst werden, wenn die Solldrehzahl der Pumpe ermittelt werden soll.It is also possible to store the pump characteristic field in a second form w = r (n, pp suction ). But then the pump characteristic field must be resolved to n, if the nominal speed of the pump is to be determined. This is particularly disadvantageous when the pump characteristic field will be adapted: If one wishes to pump characteristic field in the form w = r adapt (n, pp suction) is not ensured that can be uniquely solved for the pump speed. Therefore, a malfunction can not be excluded in this case. The same applies if one represents the pump characteristic field in a third form Δp = pp suction = s (n, w). Even then, the pump characteristic field must be resolved to n if the desired speed of the pump is to be determined.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Steuerungseinrichtung das mindestens eine Stellglied, welches vorzugsweise als ein Ventil oder eine Regelklappe ausgebildet ist.According to a preferred embodiment, the control device comprises the at least one actuator, which is preferably designed as a valve or a control valve.
Eine weitere bevorzugte Weiterbildung der Erfindung ist eine Kühlstrecke einer Walzanlage, umfassend eine oben beschriebene Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Kühlung eines Werkstoffs in der Kühlstrecke.A further preferred embodiment of the invention is a cooling section of a rolling mill, comprising an above-described Control device for controlling the cooling of a material in the cooling section.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Kühlstrecke eine Intensivkühlstrecke und/oder eine Laminarkühlstrecke. Die vorliegende Erfindung kann also sowohl für eine Intensivkühlstrecke als auch für eine Laminarkühlstrecke eingesetzt werden. Die Erfindung ist nicht auf eine Intensivkühlung beschränkt. Man kann auch eine Zone einer normalen Laminarkühlstrecke damit steuern, wenn die Stellglieder in dieser Zone kontinuierlich verstellbar sind. Insbesondere kann die Erfindung auch ausgeführt werden, wenn die drehzahlveränderliche Pumpe direkt aus einem Kühlmittelversorgungsnetz mit Kühlmittel versorgt wird, z. B. direkt aus dem Wasserversorgungsnetz mit Wasser versorgt wird,, d. h. ohne einen dazwischen angeordneten und als Puffer fungierenden Hochtank.According to a preferred embodiment, the cooling section comprises an intensive cooling section and / or a laminar cooling section. Thus, the present invention can be used both for an intensive cooling section and for a laminar cooling section. The invention is not limited to intensive cooling. It is also possible to control a zone of a normal laminar cooling path with it if the actuators in this zone are continuously adjustable. In particular, the invention can also be carried out when the variable-speed pump is supplied directly from a coolant supply network with coolant, for. B. is supplied directly from the water supply network with water ,, d. H. without a high tank arranged therebetween and acting as a buffer.
Mit einer Intensivkühlung, einem Abschnitt der Kühlstrecke mit einer besonders hohen Kühlleistung, können hohe Kühlraten realisiert werden. Ein Vorteil der Intensivkühlung, die auch als "Power Cooling"-Verfahren bekannt ist, besteht darin, dass damit höher- und hochfeste Stähle in einem weiten Dickenspektrum noch schneller, d. h. mit einer höheren Abkühlrate, gekühlt werden können. Dies ermöglicht die hochgenaue und effiziente Produktion von zusätzlichen Stahlsorten, insbesondere von Stahlsorten mit höheren Festigkeiten als bisher.With intensive cooling, a section of the cooling section with a particularly high cooling capacity, high cooling rates can be realized. An advantage of intensive cooling, which is also known as a "power cooling" method, is that even higher and high strength steels in a wide range of thicknesses even faster, d. H. with a higher cooling rate, can be cooled. This enables the high-precision and efficient production of additional steel grades, in particular steels with higher strengths than before.
Ein Intensivkühlungsabschnitt kann im vorderen Bereich der Kühlstrecke besonders sinnvoll sein, um das Kornwachstum bei einem Werkstoff-Material zu hemmen, die Phasenumwandlung eines Werkstoffs zu beschleunigen, und dadurch insgesamt die Festigkeit des Werkstoffs zu steigern. In bestimmten Fällen kann eine solche Intensivkühlung aber auch hinter der Vorstraße sinnvoll sein oder an anderen Stellen der Kühlstrecke eingebaut sein. Es können auch Intensivkühlbalken zwischen Gerüsten der Fertigstraße angeordnet sein.An intensive cooling section may be particularly useful in the forward section of the cooling section to inhibit grain growth in a material material, accelerate the phase transformation of a material, and thereby increase the overall strength of the material. In certain cases, such intensive cooling but also be useful behind the roughing or be installed at other locations of the cooling section. It is also possible to arrange intensive cooling beams between stands of the finishing train.
Beispielsweise kann ein Bandkühlsystem für ein Warmwalzwerk eine Vorband- sowie eine Fertigbandkühlung umfassen, bestehend aus einer Intensiv- und einer Laminarkühlstrecke. Die Vorbandkühlung kann dabei hinter einem Vorgerüst im Bereich des Zwischenrollgangs installiert sein. Sie sorgt für einen Temperaturausgleich über die gesamte Länge und Breite des Vorbands, bevor dieses in der Fertigstraße eintrifft. Am Ausgang der Fertigstraße kann eine Intensivkühlstrecke angeordnet sein. Unmittelbar hinter der Intensivkühlung kann eine Laminarkühlstrecke positioniert sein. Üblicherweise werden beide Anlagen gemeinsam betrieben.For example, a strip cooling system for a hot rolling mill may include a pre-strip and a finish strip cooling, consisting of an intensive and a laminar cooling section. The pre-strip cooling can be installed behind a roughing stand in the area of the intermediate roller table. It provides temperature compensation over the entire length and width of the sliver before it arrives on the finishing train. At the exit of the finishing train an intensive cooling section can be arranged. Immediately behind the intensive cooling, a laminar cooling section can be positioned. Usually both systems are operated together.
Von besonderer Bedeutung für die Anwendung in der Kühlstrecke ist dabei ein ausreichend großer Einstellbereich der Kühlvorrichtung hin zu niedrigen Wassermengen, um die Intensivkühlung wie eine normale Laminarkühlung verwenden zu können, wenn Materialien produziert werden, bei denen nur geringe Kühlraten angewendet werden dürfen. Da in der Produktion Materialien mit hoher Kühlleistung gemischt mit Standardprodukten produziert werden, die niedrigere Kühlleistungen erfordern, ist der durch die Erfindung mögliche schnelle Wechsel der Kühlleistung sehr vorteilhaft. Die Erfindung umgeht damit die sehr unvorteilhafte Lösung, die bei jedem Wechsel der Kühlwassermenge ein Abschieben großer Rohrleitungen erfordert, wie etwa ein Wechsel von einem Hochdruckbetrieb zu einem Niederdruckbetrieb durch Abschalten von Druckverstärkerpumpen und Aktivieren einer Versorgung aus einem Wassertank für den Niederdruckbetrieb. Solche Lösungen können nur z. B. während eines Walzenwechsels oder einem anderen längeren Stillstand umgeschaltet werden, nicht aber während der laufenden Produktion.Of particular importance for the application in the cooling section is a sufficiently large adjustment range of the cooling device towards low water volumes in order to use the intensive cooling as a normal laminar cooling can, when materials are produced, in which only low cooling rates may be applied. Since materials with high cooling performance are produced in the production mixed with standard products that require lower cooling capacities, the rapid change of the cooling capacity that is possible with the invention is very advantageous. The invention thus obviates the very unfavorable solution which requires pushing large pipes with each change in the amount of cooling water, such as a change from a high pressure operation to a low pressure operation by switching off booster pumps and activating a supply from a water tank for the low pressure operation. Such solutions can only z. B. during a roll change or another longer downtime, but not during production.
Ein anderer Vorteil der Erfindung ist der dynamische Wechsel großer Wassermengen beim Einlaufen des Bandes oder wenn das Band die Intensivkühlung wieder verlässt. Ein Band in der Intensivkühlung kann eine Kühlwassermenge im Bereich von 8000 m3/h benötigen. Die Intensivkühlung kann in der Regel nicht bereits vor dem Eintreffen des Bandes in die Kühlstrecke aktiviert werden, weil bei dünneren Bändern die vom Wasser auf das Band wirkende Kräfte zu einem Hochfliegen des Bandes führen können. Bei dickeren Bändern ist andererseits oft ein auf den ersten Bandmetern wärmeres Band erforderlich, damit der Haspel das Band greifen und um den Dorn biegen kann. Das bedeutet, dass insbesondere beim Bandeinlauf und beim Bandauslauf große Wassermengen sehr dynamisch verändert werden müssen. Die vorliegende Erfindung leistet eben diese Dynamik.Another advantage of the invention is the dynamic change of large amounts of water when the belt is run in or when the belt leaves the intensive cooling again. A strip in the intensive cooling may require a cooling water amount in the range of 8000 m 3 / h. The intensive cooling can usually not be activated before the arrival of the tape in the cooling section, because with thinner tapes acting on the tape by the water forces can cause the tape to fly up. On the other hand, thicker tapes often require a warmer tape on the first tapes so that the reel can grip the tape and bend around the mandrel. This means that especially at the belt inlet and the belt outlet large amounts of water must be changed very dynamically. The present invention provides just this dynamic.
Weiterhin ermöglicht es die vorliegende Erfindung, die bei der Intensivkühlung verwendeten großen Wassermengen genau zu dosieren. Die Genauigkeit der Wassermenge, mit der die Intensivkühlung beaufschlagt wird, ist entscheidend für die Genauigkeit der Haspeltemperatur, die erzielt werden kann. Dies ist insbesondere wichtig, um den Vorteil hoher Kühlraten, die Steigerung der Festigkeit, nicht in den Nachteil einer schlechten Reproduzierbarkeit der Materialeigenschaften umschlagen zu lassen. Durch die mit der Erfindung erzielbare Genauigkeit des Kühlmittelstroms kann eine Verschlechterung der Haspeltemperaturgenauigkeit gegenüber einer Standard-Laminarkühlung vermieden werden, wenn die Intensivkühlung bei niedriger Kühlleistung betrieben wird, um Standardprodukte zu erzeugen. Die Erfindung vermeidet aber auch eine signifikante Verschlechterung der Haspeltemperaturgenauigkeit bei Betrieb mit hohen Kühlleistungen.Furthermore, the present invention makes it possible to accurately meter the large amounts of water used in intensive cooling. The accuracy of the amount of water applied to the intensive cooling is critical to the accuracy of the reel temperature that can be achieved. This is particularly important in order not to let the advantage of high cooling rates, the increase in strength, turn into the disadvantage of poor reproducibility of the material properties. By achieving the accuracy of the coolant flow achievable with the invention, deterioration of reel temperature accuracy over standard laminar cooling can be avoided by operating the intensive cooling at low cooling power to produce standard products. However, the invention also avoids a significant deterioration of the reel temperature accuracy when operating at high cooling capacities.
Vorzugsweise stellt die vorliegende Erfindung eine Anwendung eines Steuerungsverfahrens von Kühlmittel-Stellgliedern gemäß einem Kennlinienfeld und vorzugsweise zusätzlich einer Kühlmittel-Pumpe gemäß einem Kennlinienfeld auf eine Kühlstrecke einer Metallbearbeitungsstraße, insbesondere in einem Warmbandwerk, dar. Die Erfindung kann aber insbesondere auch in einer Grobblechstraße angewendet werden, in der dicke Bleche produziert werden und gekühlt werden müssen.Preferably, the present invention provides an application of a control method of coolant actuators according to a characteristic field and preferably additionally a coolant pump according to a characteristic field on a cooling path of a metalworking line, in particular in a hot strip mill, but the invention can also be applied in particular in a heavy plate mill , in which thick sheets are produced and must be cooled.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt
- Fig. 1
- eine Metallverarbeitungsstraße;
- Fig. 2
- ein erstes Stellglied-Kennlinienfeld;
- Fig. 3
- ein zweites Stellglied-Kennlinienfeld;
- Fig. 4
- ein erstes Pumpen-Kennlinienfeld;
- Fig. 5
- ein zweites Pumpen-Kennlinienfeld; und
- Fig. 6
- ein Schema einer Steuerung eines Kühlmittelstroms.
- Fig. 1
- a metal processing line;
- Fig. 2
- a first actuator characteristic field;
- Fig. 3
- a second actuator characteristic field;
- Fig. 4
- a first pump characteristic field;
- Fig. 5
- a second pump characteristic field; and
- Fig. 6
- a scheme of control of a coolant flow.
Die Metallbearbeitungsstraße 1 kann z. B. in einem Warmbandwerk eines Stahlwerks angeordnet sein.The
Die Kühlstrecke 2 umfasst Stellglieder 6, mit denen ein definierter Kühlmittelstrom auf den Werkstoff 4 abgegeben werden kann, einen Kühlmittelzulauf 13, durch welchen Kühlmittel von einem Kühlmittelreservoir, z. B. einem Wasserversorgungsnetz oder einem Hochtank, zu den Stellgliedern 6 zugeführt werden kann, und eine in den Kühlmittelzulauf 13 geschaltete Kühlmittelpumpe 20, mit welcher der Druck des Kühlmittels an einer Ausgangsseite 20a der Pumpe 20 gegenüber einem Druck des Kühlmittels an einer Eingangsseite 20e der Pumpe 20 verändert werden kann. In diesem Fall umfassen die Stellglieder 6 Klappen und Ventile, mit denen als Kühlmittel dienendes Wasser über Kühlbalken 14 auf das bandförmige Metall 4 aufbringbar, z. B. aufspritzbar, ist, um es abzukühlen.The
Obwohl in
Die Kühlstrecke 2 umfasst ferner eine Steuerungseinrichtung 7, die in
Um die Temperatur des Werkstoffs 4 gezielt senken zu können, werden die Stellglieder 6 einzeln angesteuert und somit die Durchflüsse der Kühlbalken 14 separat geregelt. Ein Hochtank speist über den Kühlmittelzulauf 13 die Kühlbalken 14 mit Kühlmittel, insbesondere mit Wasser. Bei besonders hohen Kühlraten kann die Pumpe 20 zugeschaltet werden. Auf diese Weise lässt sich die Kühlung an die jeweilig produzierten Werkstoff, z. B. die Stahlsorte, anpassen.In order to reduce the temperature of the
Es ist möglich, dass die Steuerungseinrichtung 7 in einem manuellen Betriebsmodus zumindest teilweise über die Eingabevorrichtung 9 von einem Bediener verändert werden kann, so dass z. B. die Stellglieder 6 in Gruppen oder separat angesteuert werden können. Die manuelle Ansteuerbarkeit muss nicht permanent vorgesehen sein, es ist genauso gut denkbar, dass zwischen einem automatischen Betriebsmodus und einem manuellen Betriebsmodus umgeschaltet werden kann.It is possible that the
Weiterhin erhält die Recheneinheit 8 weitere Informationen über den Zustand der Kühlstrecke 2 beziehungsweise des Metalls 4. Neben Messwerten über den Druck des Kühlmittels an unterschiedlichen Stellen des Kühlmittelzulauf 13 werden der Recheneinheit 8 Primärdaten des Metalls 4, die das Metall 4 beziehungsweise dessen Zustand beim Einlaufen in die Kühlstrecke 2 beschreiben, z. B. die chemische Zusammensetzung des Metalls, die Geschwindigkeit v und die Temperatur T des Metalls, zugeführt.In addition, the
In der Speichereinheit 12 sind ein oder mehrere Stellglied-Kennlinienfelder 11w und ein oder mehrere Pumpen-Kennlinienfelder 11n gespeichert. Je nach Typ des Stellglieds oder der Pumpe wird eines der gespeicherten Kennlinienfelder dem jeweiligen Bauteil zugeordnet. Vorzugsweise wird zwei oder mehr Stellgliedern bzw. Pumpen gleichen Typs dasselbe Kennlinienfeld zugeordnet; dadurch wird eine schnellere Konvergenz im Kühlsystem erreicht und die Steuerung der Kühlung kann schneller erfolgen. Es ist aber auch möglich, dass jedem Stellglied 6 und jeder Pumpe 20 ein eigenes Kennlinienfeld 11w bzw. 11n zugeordnet ist.One or more actuator
Das Stellglied-Kennlinienfeld 11k in der ersten Kennlinien-Form k = f(w, p) hat den Vorteil, dass eine direkte Ermittlung der Stellglied-Stellung ki aus einem Soll-Kühlmittelstrom wi, soll möglich ist: Ein Prozessrechner der Steuerungseinrichtung erfasst zu jedem Stellglied den Istdruck pi, setzt diesen in das dem jeweiligen Stellglied zugeordnete Stellglied-Kennlinienfeld 11k ein und ermittelt auf Basis des Stellglied-Kennlinienfelds 11k zu jedem Soll-Kühlmittelstrom wi, soll eine korrespondierende Soll-Stellgliedstellung ki eines Stellglieds. Danach steuert der Prozessrechner die Stellglieder entsprechend an. Dazu sendet eine Signaleinheit einer Steuerungseinrichtung ein Signal zur Einstellung des mindestens einen Stellglieds in die ermittelte Stellung ki an eine Stelleinheit, die zur Einstellung des Stellglieds dient.The actuator
Das zweite Stellglied-Kennlinienfeld 11w dient zur Ermittlung einer Stellung ki eines Stellglieds 6, bei welcher sich unter einem vorgegebenen Kühlmitteldruck pi ein gewünschter Kühlmittelfluss, der Soll-Kühlmittelstrom wi, soll, ergibt. Bezogen auf die in
Falls zwischen dem tatsächlichen Kühlmittelstrom, der z. B. durch eine Durchfluss-Messung des Kühlmittelstroms ermittelt wird, und dem gemäß dem Stellglied-Kennlinienfeld 11w erwarteten Kühlmittelstrom wi,soll eine Differenz auftritt, die über einem zulässigen Toleranzwert liegt, wird vorzugsweise eine Adaption des Stellglied-Kennlinienfelds 11w an die tatsächlichen Verhältnisse durchgeführt. Dazu wird das Stellglied-Kennlinienfeld 11w, welches in der Form w = g(k, p) gegeben ist, wobei w den Kühlmittelstrom, p den Druck des Kühlmittels und k die Stellung des Stellglieds bezeichnet, mittels Ansatzfunktionen gj (k, p) dargestellt, in der Form g(k, p) = Σj cj fj (k, p) . Die Verstärkungsfaktoren cj werden geeignet zu den jeweils dazugehörigen Ansatzfunktionen gj (k, p) gewählt, indem der Druck p des Kühlmittels ermittelt, insbesondere gemessen, wird, die Stellung k des Stellglieds 6 ermittelt wird, daraus mithilfe der Ansatzfunktionen Zahlenwerte (= Volumenströme) dj = gj (k, p) ermittelt werden, und unter Verwendung der Zahlenwerte dj Änderungen Δcj der Verstärkungsfaktoren cj so gewählt werden, dass der ermittelte Kühlmittelstrom w an den Soll-Kühlmittelstrom wsoll angenähert wird und die Änderungen Δcj der Verstärkungsfaktoren cj minimiert werden.If between the actual coolant flow, the z. B. is determined by a flow measurement of the coolant flow, and according to the actuator
Das Pumpen-Kennlinienfeld 12n dient zur Ermittlung einer Drehzahl ni, bei welcher sich unter einer vorgegebenen Kühlmittel-Druckdifferenz Δp ein gewünschter Kühlmittelfluss, der Soll-Kühlmittelstrom wi, soll, ergibt. Bezogen auf die in
Falls zwischen dem tatsächlichen Kühlmittelstrom, der z. B. durch eine Durchfluss-Messung des Kühlmittelstroms ermittelt wird, und dem gemäß dem Pumpen-Kennlinienfeld 12n erwarteten Kühlmittelstrom wi, soll eine Differenz auftritt, die über einem zulässigen Toleranzwert liegt, wird vorzugsweise eine Adaption des Pumpen-Kennlinienfelds 12n an die tatsächlichen Verhältnisse durchgeführt.If between the actual coolant flow, the z. B. is determined by a flow measurement of the coolant flow, and according to the pump
Dazu wird das Pumpen-Kennlinienfeld 12n, welches in der Form n = q (w, p-psaug) gegeben ist, wobei n die Pumpendrehzahl, p den Ausgangsdruck an der Ausgangsseite 20a der Pumpe 20, psaug den Saugdruck an der Eingangsseite 20e der Pumpe 20, und w den Kühlmittelstrom bezeichnet, mittels Ansatzfunktionen dargestellt, in der Form q (w, p-psaug) = Σj bj qj (w, p-psaug). Die Verstärkungsfaktoren bj werden geeignet zu den jeweils dazugehörigen Ansatzfunktionen qj (w, p-psaug) gewählt, indem der Ausgangsdruck p des Kühlmittels an der Ausgangsseite 20a der Pumpe ermittelt, insbesondere gemessen, wird. Daraus wird mit dem bereits bekannten Saugdruck psaug des Kühlmittels, d. h. dem Kühlmitteldruck an der Eingangsseite 20e der Pumpe 20, die Druckdifferenz Δp des Kühlmittels ermittelt. Außerdem wird der Kühlmittelstrom wi ermittelt, vorzugsweise gemessen. Daraus werden mithilfe der Ansatzfunktionen Zahlenwerte (= Drehzahlen) ej = qj (w, p-psaug) ermittelt und unter Verwendung der Zahlenwerte ej Änderungen Δbj der Verstärkungsfaktoren bj so gewählt, dass die gemäß dem Pumpen-Kennlinienfeld 12n erwartete Pumpendrehzahl an die tatsächliche Pumpendrehzahl angenähert wird und die Änderungen Δbj der Verstärkungsfaktoren bj minimiert werden.For this purpose, the pump
Falls zwischen der Pumpe 20 und dem Ventil 6 weder Quellen noch Senken für das Kühlmittel existieren, so wie in
Außerdem kann, vorzugsweise falls der Kühlmittelstrom wi nicht ermittelt, insbesondere gemessen, werden kann, eine Adaption bezüglich der Temperatur des abzukühlenden Werkstoffs, z. B. eines Metallteils, erfolgen. Dadurch kann ein Fehler des Kühlmittelstroms wi kompensiert bzw. eliminiert werden. Wenn das Temperaturmodell hinreichend bekannt ist, kann von einem bestimmten Kühlmittelstrom wi auf eine Abkühlung um eine bestimmte Temperaturdifferenz geschlossen werden.In addition, preferably, if the coolant flow w i can not be determined, in particular can be measured, an adaptation with respect to the temperature of the material to be cooled, for. B. a metal part, take place. As a result, an error of the coolant flow w i can be compensated or eliminated. If the temperature model is sufficiently known, it can be concluded that a certain coolant flow w i is cooling by a certain temperature difference.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.While the invention has been further illustrated and described in detail by the preferred embodiments, the invention is not limited by the disclosed examples, and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.
Claims (14)
- Method for controlling a cooling process for a material (4) by means of a coolant,
wherein a supply (13) of the coolant to the material (4) is controlled by means of at least one actuator (6) which can be set to two or more different positions (k), wherein the actuator (6) is assigned an actuator characteristic curve set (11k, 11w) which specifies a relationship between a coolant flow (w), a pressure (p) of the coolant, and a position (k) of the actuator (6),
wherein at least one coolant pump (20) which is arranged upstream of the at least one actuator (6), viewed in the flow direction of the coolant, is assigned a pump characteristic curve set (12n, 12w) which specifies a relationship between a rotational speed (n) of the pump (20), a pressure difference (Δp) of the coolant obtaining between a suction pressure (psuction) at an inlet side (20e) of the pump (20) and an outlet pressure (p) at an outlet side (20a) of the pump (20), and a coolant flow (w), and
wherein a coolant flow (wi) is set in that the pressure difference (Δp) is ascertained, the rotational speed (ni) corresponding to the ascertained pressure difference (Δp) and a target coolant flow (wi, target) is ascertained from the pump characteristic curve set (11n), the pump (20) is set to the ascertained rotational speed (ni), the pressure (pi) of the coolant upstream of the at least one actuator (6), viewed in the flow direction of the coolant, is ascertained, the position (ki) corresponding to the ascertained pressure value (pi) and the target coolant flow (wi, target) is ascertained from the actuator characteristic curve set (11w), and the actuator (6) is set to the ascertained position (ki). - Method according to claim 1, wherein the at least one actuator (6), which can be set to the two or more different positions (k) in a stepless manner, is continuously adjusted to the ascertained position (ki).
- Method according to one of the preceding claims, wherein the position (ki) of the at least one actuator (6) and the rotational speed (ni) for operating the at least one coolant pump (20) is ascertained in one step as a common target value set, wherein the pressure (pi) of the coolant upstream of the at least one actuator (6) is identical to the outlet pressure (p) at the outlet side (20a) of the pump (20).
- Method according to one of the preceding claims, wherein the suction pressure (psuction) at the inlet side (20e) of the pump (20) is measured or estimated.
- Method according to one of the preceding claims, wherein the actuator characteristic curve set (11k) is adapted in that the pressure (pi) of the coolant is ascertained, in particular measured, the coolant flow (wi) of the coolant is ascertained, in particular measured, the position of the actuator (6) corresponding to the ascertained values (wi, pi) is ascertained from the actuator characteristic curve set (11k), the position of the actuator (6) ascertained from the actuator characteristic curve set (11k) is compared with a measured position of the actuator (6), and the actuator characteristic curve set (11k) is modified such that the position of the actuator (6) ascertained from the actuator characteristic curve set (11k) corresponds to the measured position of the actuator (6).
- Method according to claim 5,
wherein the actuator characteristic curve set (11k), which is given in the form k = f(w, p), wherein w denotes the coolant flow, p the pressure of the coolant, and k the position of the actuator, is represented, for the purpose of adapting the actuator characteristic curve set (11k), by means of basis functions fj (w, p), in the form f(w, p) = Σj aj fj (w, p), where the amplification factors aj are suitably chosen in relation to the respective associated basis functions fj (w, p). - Method according to one of the preceding claims, wherein the pump characteristic curve set (12n) is adapted in that the pressure difference (Δp) and the flow (wi) of the coolant are ascertained, the pump speed (n) corresponding to the ascertained values (Δp, wi) is ascertained from the pump characteristic curve set (12n), the pump speed ascertained from the pump characteristic curve set (12n) is compared with a measured pump speed, and the pump characteristic curve set (12n) is modified such that the pump speed ascertained from the pump characteristic curve set (12n) corresponds to the measured pump speed.
- Method according to claim 7,
wherein the pump characteristic curve set (12n), which is given in the form n = q(w, p-psuction), wherein n denotes the pump speed, p the outlet pressure at the outlet side (20a) of the pump (20), psuction the suction pressure at the inlet side (20e) of the pump (20), and w the coolant flow, is represented, for the purpose of adapting the pump characteristic curve set (12n), by means of basis functions, in the form q(p-psuction, w) = Σj bj qj (w, p-psuction), wherein the amplification factors bj are suitably chosen in relation to the respective associated basis functions q(w, p-psuction). - Computer program product for controlling the cooling process for a material (4) by means of a coolant,
wherein a supply of the coolant to the material (4) is controlled by means of at least one actuator (6) which can be set to two or more different positions (k), wherein the actuator (6) is assigned an actuator characteristic curve set (11k, 11w) which specifies a relationship between a coolant flow (w), a pressure (p) of the coolant and a position (k) of the actuator (6),
wherein at least one coolant pump (20) which is arranged upstream of the at least one actuator (6), viewed in the flow direction of the coolant, is assigned a pump characteristic curve set (12n, 12w) which specifies a relationship between a rotational speed (n) of the pump (20), a pressure difference (Δp) of the coolant obtaining between a suction pressure (psuction) at an inlet side (20e) of the pump (20) and an outlet pressure (p) at an outlet side (20a) of the pump (20), and a coolant flow (w), and
wherein the computer program product, when executed by means of a computing unit (8), performs the following method steps:- ascertaining a rotational speed (ni) of the pump (20) corresponding to a pressure difference (Δp) of the coolant between the inlet side (20e) and the outlet side (20a) of the pump (20) and a target coolant flow (wi, target) from the pump characteristic curve set (12n, 12w);- ascertaining a position (ki) corresponding to a pressure value (pi) of the coolant which was ascertained upstream of the at least one actuator (6), viewed in the flow direction of the coolant, and the target coolant flow (wi) from the actuator characteristic curve set (11k, 11w);- generating a signal which triggers a setting of the actuator (6) to the ascertained position (ki) at an actuating unit assigned to the actuator (6); and- generating a signal which triggers a setting to the ascertained rotational speed (ni) at the at least one coolant pump (20). - Control device (7) for controlling a cooling process for a material (4) by means of a coolant, comprising- at least one memory unit (12) which is embodied for storing an actuator characteristic curve set (11k, 11w) which specifies a relationship between a coolant flow (wi), a pressure (p) of the coolant and a position (ki) of at least one actuator (6) assigned to the actuator characteristic curve set (w) for the purpose of controlling the supply of the coolant to the material (4), and for storing a pump characteristic curve set (12n, 12w) which specifies a relationship between a rotational speed (n) of the pump (20), a pressure difference (Δp) of the coolant obtaining between a suction pressure (psuction) at an inlet side (20e) of the pump (20) and an outlet pressure (p) at an outlet side (20a) of the pump (20) and a coolant flow (w),- a processor unit (8) which is embodied to ascertain the position (ki) of the at least one actuator (6) corresponding to an ascertained pressure value (pi) of the coolant and a target coolant flow (wi) from the stored actuator characteristic curve set (11k, 11w) and to ascertain the rotational speed (ni) of the pump (20) corresponding to an ascertained pressure difference (Δp) of the coolant between the inlet side (20e) and the outlet side (20a) of the pump (20) and a target coolant flow (wi, target) from the stored pump characteristic curve set (12n, 12w), and- a signal unit (22) which is embodied for sending a signal for setting the at least one actuator (6) to the ascertained position (ki) to an actuating unit and for sending a signal for setting the at least one coolant pump (20) to the ascertained rotational speed (ni) to a rotational speed governor.
- Control device (7) according to claim 10,
wherein the control device (7) comprises the at least one actuator (6), which is preferably embodied as a valve or a butterfly valve. - Control device (7) according to claim 11,
wherein the at least one actuator (6) is continuously adjustable. - Cooling bed (2) of a metal processing train (1), in particular a rolling mill, comprising a control device (7) according to one of claims 10 to 12 for controlling the cooling process for a material (4) in the cooling bed (2).
- Cooling bed (2) according to claim 13,
wherein the cooling bed (2) comprises an intensive cooling line and/or a laminar cooling line.
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