WO2004076085A2 - Verfahren zur regelung der temperatur eines metallbandes, insbesondere in einer kühlstrecke - Google Patents

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WO2004076085A2
WO2004076085A2 PCT/EP2004/001365 EP2004001365W WO2004076085A2 WO 2004076085 A2 WO2004076085 A2 WO 2004076085A2 EP 2004001365 W EP2004001365 W EP 2004001365W WO 2004076085 A2 WO2004076085 A2 WO 2004076085A2
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cooling section
temperature
optimization problem
control
metal strip
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Johannes Reinschke
Klaus Weinzierl
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B37/00—Control devices or methods specially adapted for metal-rolling mills or the work produced thereby
    • B21B37/74—Temperature control, e.g. by cooling or heating the rolls or the product

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling or regulating the temperature of a metal strip in a plant in the steel industry, in particular in a cooling section which is arranged downstream of a rolling train for rolling metal hot strip.
  • the hot strip is subjected to temperature influences in the cooling section by means of temperature influencing devices.
  • the traces and the temperature influences are also added to the model.
  • the model determines expected actual temperatures of the recorded band points in real time and assigns them to the band points. As a result, the temperature is available as a function of the strip thickness for each strip point at all times. Furthermore, it determines control values for the temperature influencing devices on the basis of the target temperature profiles assigned to the recorded band points and the expected actual temperatures, and supplies the control values to them.
  • the temperature control is used in particular for the targeted setting of material and structural properties of the metal hot strip.
  • the temperature control is carried out in such a way that a predetermined coiling temperature profile is achieved as well as possible from the exit of the cooling section.
  • the chemical composition and parameters of the forming process such as, for example, the acceptance distribution over the frameworks of the finished scale and the temperature profile of the strip material as it passes through the system, are decisive for the material and structural properties of the metal strip.
  • the last actuators for the temperature profile of the metal strip within the system are usually located within the cooling section.
  • the phase change of the material often takes place in the cooling section.
  • the valves of the cooling section serve as actuators.
  • the mass flow i.e. especially the belt speed.
  • the object of the present invention is to improve the control or regulation of the temperature of a metal strip, in particular in a cooling section, in a plant in the steel industry in such a way that the disadvantages of known controls or regulations are largely avoided and the efficiency of the Control or regulation is increased.
  • the object is achieved by a method for controlling and / or regulating the temperature of a metal strip in a plant in the steel industry, in particular in a cooling section which is arranged downstream of a rolling train for rolling metal hot strip, a set temperature curve with an actual being being used to determine actuating signals Temperature curve is compared, and wherein taking into account secondary conditions, at least one target function for actuators of the system, in particular in the cooling section, is formed.
  • the objective function is advantageously minimized or maximized by solving an optimization problem. That becomes one
  • Control or regulation is also possible if a temperature or cooling curve is specified that cannot be exactly implemented.
  • the method determines the best possible approximation.
  • a quadratic optimization problem is advantageously solved. In this way, the time to solve the optimization problem is usually significantly reduced.
  • the actual temperature profile and / or the target temperature profile of the metal strip is advantageously determined with the aid of at least one model. This enables improved control or regulation of the temperature of the metal strip even if the actual strip temperature cannot be measured at locations relevant to the control or regulation, in particular the cooling section.
  • the actual enthalpy curve and / or the target enthalpy curve is determined.
  • the model is advantageously adapted online. In this way, for example, an existing system drift can be taken into account and realistic results, in particular for subsequent metal strips, can be determined.
  • Band points are advantageously tracked away.
  • a temperature profile for individual band points of the metal band is advantageously determined. In this way and in particular also by tracking the band points, the accuracy of the control or regulation is significantly improved.
  • the objective function is advantageously minimized or maximized by solving an optimization problem by means of pre-calculation.
  • the time required for presetting the actuators is significantly reduced in this way.
  • the actuators are preferably optimally preset with regard to a subsequent online regulation.
  • the objective function is advantageously iteratively minimized or maximized online by solving an optimization problem.
  • FIG. 2 shows the cooling section of a rolling mill and a computing device used to control it
  • FIG. 3 shows a cooling section and a cooling section control schematically assigned to it
  • FIG. 1 shows a plant for producing metal strip 6, which comprises a roughing train 2, a finishing train 3 and a cooling section 4.
  • the metal strip 6 is preferably hot rolled.
  • a reel device 5 is preferably arranged behind the cooling section 4.
  • the metal strip 6 rolled in the streets 2 and 3 and cooled in the cooling section 4 is coiled by it.
  • a band source 1 is arranged upstream of streets 2 and 3.
  • the strip source 1 is designed, for example, as an oven in which metal slabs are heated.
  • the strip source 1 can, for example, also be designed as a continuous casting installation in which metal strip 6 is produced, which is then fed to the roughing train 2.
  • the system for steel production and in particular the streets 2, 3 as well as the cooling section 4 and the at least one reel device 5 are controlled by means of a control method which is carried out by a computing device 10.
  • the computing device 10 is coupled in terms of control technology to one or more of the components 1 to 5 of the steel production system.
  • the computing device 10 is programmed with a control program designed as a computer program, on the basis of which it executes the method according to the invention for controlling or regulating the temperature of the metal strip 6.
  • the metal strip or slab 6 leaves the strip source 1 and is first rolled in the roughing mill 2 to an input thickness for the finishing section 3. Within the finishing train, the strip 6 is then 3 ⁇ by means of the roll stands rolled to its final thickness. The subsequent cooling section 4 cools the strip to a predetermined coiling temperature.
  • a suitable temperature profile for the finishing train 3 and for the cooling section 4 must be maintained.
  • a target temperature profile is preferably specified as a function of, for example, the system type, the operating mode, the respective order and the desired properties of the metal strip 6.
  • FIG. 5 shows a computing device 10 for controlling a cooling section 4.
  • the computing device 10 has a precalculation module 21 and a module 22 for preferably online calculations, in particular during the cooling process.
  • the actuators of the finishing train 4 can be initialized.
  • estimates for missing measurement values for example the input speed of the metal strip, the temperature of the metal strip at the end of the finishing train 3 and the strip thickness, are used, for example.
  • Desired material values 105 for example, serve as operator-side input values for the precalculation module 21.
  • the pre-calculation 20 within the pre-calculation module 21 runs iteratively. This means that calculations with different amounts of coolant are repeated until specified errors are minimized.
  • the precalculation 20 is therefore coupled to an online-capable cooling zone monitor 11 and an adaptation 18.
  • the calculation module 22 has a cooling section monitor 11 and a cooling section control 12, which are coupled to one another.
  • the cooling section monitor 11 and the cooling section control 12 control the actuators of the cooling section 4 and are preferably equipped with one or more models of the cooling section cke, which can be stored, for example, in a model library 19, coupled.
  • One of the models is preferably used to control the actuators.
  • the cooling section control 12 transmits control signals 101 to the cooling section 4, for example in the form of control samples for coolant valves.
  • FIG. 1 describes the operation of the cooling section monitor 11 and the cooling section control 12 in more detail.
  • the cooling section monitor 11 determines the state of the cooling section 4.
  • the input parameters for the cooling section monitor 11 are, for example, values such as the speed of the metal strip 6, strip temperatures as well as coolant temperatures and coolant pressure.
  • A is preferably in the entrance area of the cooling section 4
  • End roll temperature measuring station 8 arranged to measure the temperature of the metal strip 6.
  • the temperature at the end of the finishing train 3 or the temperature between the finishing train 3 and the cooling section 4 is measured here.
  • a final temperature measuring station 9 is preferably arranged at the end of the cooling section 4. Here, the temperature in front of the reel device 5 or at the end of the cooling section 4 is measured.
  • Input variables of the cooling section monitor 11 are the input temperatures 103 of the metal strip determined at the final rolling temperature measuring station 8, the outlet temperatures 104 of the metal strip determined at the reel temperature measuring station 9 and further strip data 102, which are preferably in the finishing train 3, e.g. on or shortly after their last rolling stand 3 '.
  • Valve positions 101 are transmitted from the cooling section control 12 to the cooling section monitor 11, which, however, as a rule are not checked for plausibility by the cooling section monitor 11. be checked.
  • the cooling section monitor 11 always determines the current state of the cooling section 4.
  • the control or regulation according to the invention is preferably carried out clockwise in control steps.
  • the cooling section control 12 determines the valve positions 101 of the valves 7 of the cooling section 4 for the next control step.
  • an optimization problem is preferably solved, which will be discussed in more detail in the further text
  • an iteration step is preferably carried out in each time cycle, at least one control signal being applied to the system based on the solution to the optimization problem associated with a current time cycle. Further updated measured values are preferably taken into account for the solution of the optimization problem for a subsequent time cycle. In this way, a closed control loop can be formed.
  • valves in the case of a large number of actuators, as is typical for the cooling section 4, not individual valves but rather groups of valves are understood as actuators when setting up the preferably quadratic optimization problem.
  • a suitable switching heuristic is used to distribute the calculated control value to the individual valves.
  • the grouping of valves into valve groups is particularly important for online, i.e. in real time, the solution to the optimization problem is particularly advantageous.
  • FIG. 6 shows a possible temperature profile T over the locations x of the cooling section 4, the cooling section 4 being limited by the start of the cooling section x A and the end of the cooling section x E.
  • FIG. 3 shows the model-predictive control of the cooling section in greater detail.
  • the cooling section control 12 preferably does not control individual valves 7a or 7b, collectively referred to as 7, but rather valve groups consisting of one or more valves 7. Accordingly, for example, the control area 14 can be divided into a number of sub-areas 14a and 14b, with a valve group preferably being assigned to each sub-area 14a and 14b.
  • Individual band points (13a, 13b) are preferably tracked away.
  • a model predictive algorithm is used to control and regulate the cooling section. Actuators for N u time steps into the future are determined as a solution to a preferably quadratic optimization problem, predictions being made with the model for N y time steps.
  • N u may be 1 or a natural number greater than 1. In the latter case, usually only the calculated actuator settings for the first time step are implemented. For the next time step we recalculate taking into account current measured values or predicted values.
  • N y must be chosen so large that the greatest available dead time is overcome.
  • the greatest dead time results from the greatest distance between a temperature measuring point and the position of the closest upstream free control valve.
  • a suitable, preferably linearized strip temperature model is used to set up the preferably quadratic optimization problem.
  • equation and inequality constraints can be easily integrated. In this way, actuator limitations and different cooling section layouts can be taken into account particularly advantageously and preferably in such a way that no excessive changes have to be made to the computing device 10 or to the pre-calculation module 21 and / or the calculation module 22.
  • a model predictive control of the cooling section can also be based on the enthalpy curve in the cooling section.
  • the enthalpy profile over the location x or over time is comparable to the temperature profile over the location (see also FIG. 6) or over time.
  • the computing device 10 it is possible for the computing device 10 to have a module for cooling section control 12, which in turn has a plurality of partial control modules 17a, 17b, which correspond to different control ranges 14a and 14b.
  • the control or regulation of the cooling section 4 according to the invention is independent of the cooling section layout and, owing to the model-predictive control, offers an optimal behavior of the control also at the positioning limits. Specifications can be weighted differently in terms of prioritization. Edge masking can be integrated into the control method according to the invention.
  • the method according to the invention can be designed in such a way that the speed of the metal strip 6 can also be controlled, which also makes it possible to use it for heavy plate mills, for example.
  • a finishing train 3 can also be regulated according to the invention.
  • actuators on a finishing train there are 3 possible intermediate actuators on a finishing train.
  • a typical number of actuators for one The cooling section is, for example, about 200 valves 7. This is a significantly higher number of actuators than for a typical finishing train 3.
  • a comprehensive control or regulation for several system parts 1 to 5 can preferably be achieved as described below, for example for a finishing train 3 and a cooling section 4.
  • the temperature model of the finishing train 3 and the temperature model of the cooling section 4 are preferably linked.
  • a preferably quadratic optimization problem with preferably linear secondary conditions is determined, with the aid of which a common control method is provided for both system parts 3 and 4.
  • the optimization of the problem thus provides the settings for the inter-stand cooling of the finishing train 3, the cooling section valves 7 of the cooling section 4 and the speed of the metal strip 6, in particular for the next control step in each case.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Control Of Metal Rolling (AREA)
  • Control Of Heat Treatment Processes (AREA)
  • Heat Treatment Of Strip Materials And Filament Materials (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung bzw. zur Regelung der Temperatur eines Metallbandes in der Kühlstrecke (4) einer Warmwalzanlage, wobei zur Ermittlung von Stellsignalen der Kühlstrecke (4) ein Soll-Temperaturverlauf mit einem Ist-Temperaturverlauf verglichen wird, wobei unter Berücksichtigung von Nebenbedingungen mindestens eine Zielfunktion für Stellglieder der Kühlstrecke (4) gebildet wird und diese Zielfunktion im Sinne einer modellprädikativen Regelung als quadratisches Optimierungsproblem gelöst wird. Dabei wird eine übergreifende Regelung für Fertigstrasse und Kühlstrecke der Warmwalzanlage vorgeschlagen.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Regelung der Temperatur eines Metallbandes, insbesondere in einer Kühlstrecke
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung bzw. zur Regelung der Temperatur eines Metallbandes in einer Anlage der Stahlindustrie, insbesondere in einer Kühlstrecke, die einer Walzstraße zum Walzen von Metall-Warmband nachgeordnet ist.
Aus der DE 199 63 186 AI ist ein Steuerverfahren für eine Kühlstrecke bekannt, der eine Fertigstraße zum Walzen von Metall-Warmband vorgeordnet ist. Bei diesem Steuerverfahren werden beim Einlaufen des Warmbandes in die Kühlstrecke Bandpunkte und deren Anfangstemperaturen erfasst und den erfass- ten Bandpunkten individuell Solltemperaturverläufe zugeordnet. Die Bandpunkte, deren Anfangstemperaturen und deren Solltemperaturverläufe werden einem Modell für die Kühlstre- cke zugeführt. Die Bandpunkte werden beim Durchlaufen der
Kühlstrecke wegverfolgt. In der Kühlstrecke wird das Warmband mittels Temperaturbeeinflussungseinrichtungen Temperaturbeeinflussungen unterworfen. Die Wegverfolgungen und die Temperaturbeeinflussungen werden ebenfalls dem Modell zugeführt. Das Modell ermittelt in Echtzeit erwartete Ist- Temperaturen der erfassten Bandpunkte und ordnet diese den Bandpunkten zu. Dadurch steht für jeden Bandpunkt zu jedem Zeitpunkt die Temperatur als Funktion über die Banddicke zur Verfügung. Ferner ermittelt es anhand der den erfassten Bandpunkten zugeordne- ten Solltemperaturverläufe und der erwarteten Ist- Temperaturen Ansteuerwerte für die Temperaturbeeinflussungseinrichtungen und führt die Ansteuerwerte diesen zu. Die Temperaturführung dient insbesondere zum gezielten Einstellen von Material- und Gefügeeigenschaften des Metall-Warmbandes. In der Regel wird dabei die Temperaturführung derart durchgeführt, dass ein vorbestimmter Haspeltemperaturverlauf vom Ausgang der Kühlstrecke möglichst gut erreicht wird. Maßgeblich für Material- und Gefügeeigenschaften des Metallbands sind neben der chemischen Zusammensetzung und Parametern des Umformprozesses, wie z.B. die Abnahmeverteilung über die Gerüste der Fertigstaffel und der zeitliche Temperaturverlauf des Bandmaterials beim Durchlauf durch die Anlage.
Die letzten Stellglieder für den Temperaturverlauf des Metallbandes innerhalb der Anlage befinden sich dabei in der Regel innerhalb der Kühlstrecke. In der Kühlstrecke vollzieht sich häufig auch die Phasenumwandlung des Materials. Als Stellglieder dienen in der Regel die Ventile der Kühlstrecke. Bei bestimmten Kühlstrecken, wie z.B. Grobblechstraßen, kann zusätzlich auch der Massenfluss, d.h. insbesondere die Band- geschwindigkeit, gestellt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Steuerung bzw. die Regelung der Temperatur eines Metallbandes, dabei insbesondere in einer Kühlstrecke, in einer Anlage der Stahlin- dustrie derart zu verbessern, dass die Nachteile bekannter Steuerungen bzw. Regelungen weitestgehend vermieden werden und die Effizienz der Steuerung bzw. Regelung erhöht wird.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung der Temperatur eines Metallbandes in einer Anlage der Stahlindustrie gelöst, insbesondere in einer Kühlstrecke, die einer Walzstraße zum Walzen von Metallwarmband nachgeordnet ist, wobei zur Ermittlung von Stellsignalen ein Soll- Temperaturverlauf mit einem Ist-Temperaturverlauf verglichen wird, und wobei unter Berücksichtigung von Nebenbedingungen mindestens eine Zielfunktion für Stellglieder der Anlage, insbesondere in der Kühlstrecke, gebildet wird.
Durch die Berücksichtigung von Nebenbedingungen, die vorzugs- weise Anlagengrenzen bzw. Stellbegrenzungen entsprechen, wird es möglich, insbesondere für verschiedene Kühlstrecken- Layouts und vor allem für den Fall eines vorgegebenen Tempe- ratur- bzw. Abkühlverlaufs, (Stell-) Vorgaben zu ermitteln, die Stellbegrenzungen in sinnvoller Weise berücksichtigen. So wird beispielsweise bei einer zweigeteilten Kühlstrecke vermieden, dass die Vorgabe einer zu hohen Temperatur zwischen beiden Teilkühlstrecken zur Folge hat, dass die Haspeltemperatur mit der verfügbaren Kühlmittelmenge der zweiten Teilkühlstrecke nicht mehr erreicht werden kann.
Mit Vorteil wird die Zielfunktion durch Lösen eines Opti ie- rungsproble s minimiert bzw. maximiert. Derart wird eine
Steuerung bzw. Regelung auch dann möglich, wenn ein Temperatur- bzw. Abkühlverlauf vorgegeben wird, der nicht exakt realisierbar ist. Das Verfahren ermittelt dann die bestmögliche Approximation.
Mit Vorteil wird ein quadratisches Optimierungsproblem gelöst. Derart wird die Zeit zum Lösen des Optimierungsproblems in der Regel deutlich verringert.
Mit Vorteil wird der Ist-Temperaturverlauf und/oder der Soll- Temperaturverlauf des Metallbandes unter Zuhilfenahme mindestens eines Modells ermittelt. Derart wird eine verbesserte Steuerung bzw. Regelung der Temperatur des Metallbandes auch dann ermöglicht, wenn die tatsächliche Bandtemperatur an für die Steuerung bzw. Regelung relevanten Orten, insbesondere der Kühlstrecke, nicht gemessen werden kann.
Alternativ oder zusätzlich wird der Ist-Enthalpieverlauf und/oder der Soll-Enthalpieverlauf ermittelt.
Mit Vorteil wird das Modell online adaptiert. Auf diese Weise kann beispielsweise eine vorhandene Anlagendrift berücksichtigt werden und es können realistische Ergebnisse, insbesondere für nachfolgende Metallbänder, ermittelt werden.
Mit Vorteil werden Bandpunkte wegverfolgt. Mit Vorteil wird ein Temperaturverlauf für einzelne Bandpunkte des Metallbands ermittelt. Derart und insbesondere auch durch die Wegverfolgung der Bandpunkte wird die Genauigkeit der Steuerung bzw. Regelung deutlich verbessert.
Mit Vorteil wird die Zielfunktion durch Lösen eines Optimierungsproblems mittels Vorausberechnung minimiert bzw. maxi- miert. Insbesondere wird auf diese Weise die zur Voreinstellung der Stellglieder benötigte Zeit deutlich reduziert. Vor- zugsweise werden derart zudem die Stellglieder optimal im Hinblick auf eine nachfolgende Online-Regelung voreingestellt.
Mit Vorteil wird die Zielfunktion vorzugsweise online durch Lösen eines Optimierungsproblems iterativ minimiert bzw. ma- ximiert .
Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 10 bis 14 angegeben.
Weitere Lösungen der erfindungsgemäßen Aufgabe sind in den Ansprüchen 15 bis 18 angegeben.
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nach- folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen. Dabei zeigen beispielhaft:
FIG 1 den prinzipiellen Aufbau eines Walzwerks,
FIG 2 die Kühlstrecke eines Walzwerks sowie eine zu deren Steuerung bzw. Regelung dienende Recheneinrichtung,
FIG 3 eine Kühlstrecke und eine ihr schematisch zugeord- nete Kühlstreckenregelung,
FIG 4 mögliche Module einer Kühlstreckenregelung, FIG 5 Vorausberechnung und eine Echtzeitregelung einer Kühlstrecke,
FIG 6 einen möglichen Temperaturverlauf eines Metallbandes in der Kühlstrecke.
Figur 1 zeigt eine Anlage zur Erzeugung von Metallband 6, die eine Vorstraße 2, eine Fertigstraße 3 und eine Kühlstrecke 4 umfasst. Das Metallband 6 wird dabei vorzugsweise warm gewalzt. Hinter der Kühlstrecke 4 ist vorzugsweise eine Haspelvorrichtung 5 angeordnet. Von ihr wird das in den Straßen 2 und 3 gewalzte und in der Kühlstrecke 4 gekühlte Metallband 6 aufgehaspelt. Den Straßen 2 bzw. 3 ist eine Bandquelle 1 vor- geordnet. Die Bandquelle 1 ist beispielsweise als Ofen ausgebildet, in dem Metallbrammen erwärmt werden. Die Bandquelle 1 kann beispielsweise auch als Stranggießanlage ausgebildet sein, in der Metallband 6 erzeugt wird, das dann der Vorstraße 2 zugeführt wird.
Die Anlage zur Stahlerzeugung und insbesondere die Straßen 2, 3 sowie die Kühlstrecke 4 und die mindestens eine Haspelvorrichtung 5 werden mittels eines Steuerverfahrens gesteuert, das von einer Recheneinrichtung 10 ausgeführt wird. Hierzu ist die Recheneinrichtung 10 mit ein oder mehreren der Komponenten 1 bis 5 der Anlage zur Stahlerzeugung steuerungstechnisch gekoppelt. Die Recheneinrichtung 10 ist mit einem als Computerprogramm ausgebildeten Steuerprogramm programmiert, aufgrund dessen sie das erfindungsgemäße Verfahren zur Steue- rung bzw. zur Regelung der Temperatur des Metallbandes 6 ausführt .
Gemäß Figur 1 verlässt das Metallband bzw. die Bramme 6 die Bandquelle 1 und wird zunächst in der Vorstraße 2 auf eine Eingangsdicke für die Fertigstrecke 3 gewalzt. Innerhalb der Fertigstraße wird das Band 6 dann mittels der Walzgerüste 3Λ auf seine Enddicke gewalzt. Die anschließende Kühlstrecke 4 kühlt das Band auf eine vorgegebene Haspeltemperatur ab.
Um gewünschte mechanische Eigenschaften des Bandes 6 zu ge- währleisten, muss ein geeigneter Temperaturverlauf für die Fertigstraße 3 und für die Kühlstrecke 4 eingehalten werden. Hierzu wird vorzugsweise ein Soll-Temperaturverlauf abhängig von beispielsweise dem Anlagentyp, dem Betriebsmodus, dem jeweiligen Auftrag und gewünschten Eigenschaften des Metallban- des 6 vorgegeben.
Figur 5 zeigt eine Recheneinrichtung 10 zur Steuerung einer Kühlstrecke 4. Dabei weist die Recheneinrichtung 10 ein Vor- ausberechnungsmodul 21 und ein Modul 22 für vorzugsweise on- line Berechnungen insbesondere während des Kühlprozesses auf.
Mit Hilfe des Vorausberechnungsmoduls 21 können die Stellglieder der Fertigstraße 4 initialisiert werden. Dazu werden beispielsweise Schätzwerte für fehlende Messwerte, beispiels- weise die Eingangsgeschwindigkeit des Metallbandes, die Temperatur des Metallbandes am Ende der Fertigstraße 3 und die Banddicke, verwendet. Als bedienerseitige Eingabewerte für das Vorausberechnungsmodul 21 dienen beispielsweise gewünschte Materialwerte 105.
Die Vorausberechnung 20 innerhalb des Vorausberechnungsmoduls 21 läuft iterativ ab. Das bedeutet, dass Berechnungen mit verschiedenen Kühlmittelmengen wiederholt werden, bis vorgegebene Fehler minimiert sind. Die Vorausberechnung 20 ist da- her mit online fähigen Kühlstreckenmonitor 11 sowie einer A- daptation 18 gekoppelt.
Das Berechnungsmodul 22 weist einen Kühlstreckenmonitor 11 und eine Kühlstreckenregelung 12 auf, die miteinander gekop- pelt sind. Der Kühlstreckenmonitor 11 und die Kühlstreckenregelung 12 steuern die Stellglieder der Kühlstrecke 4 und sind vorzugsweise mit einem oder mehreren Modellen der Kühlstre- cke, die z.B. in einer Modellbibliothek 19 abgelegt sein können, gekoppelt. Vorzugsweise wird eines der Modelle zur Steuerung der Stellglieder verwendet. Die Kühlstreckenregelung 12 gibt Stellsignale 101 an die Kühlstrecke 4 weiter, beispielsweise in Form von Stellmustern für Kühlmittelventile.
Figur 2 beschreibt die Funktionsweise des Kühlstreckenmonitors 11 und der Kühlstreckenregelung 12 genauer.
Der Kühlstreckenmonitor 11 ermittelt den Zustand der Kühlstrecke 4. Als Eingangsparameter für den Kühlstreckenmonitor 11 dienen beispielsweise Werte wie die Geschwindigkeit des Metallbandes 6, Bandtemperaturen sowie Kühlmitteltemperaturen und Kühlmitteldruck.
Weitere Eingangsgrößen sind die Einstellungen der Stellglieder, d.h. also vorzugsweise der Ventile 7.
Vorzugsweise ist im Eingangsbereich der Kühlstrecke 4 ein
Endwalztemperatur-Messplatz 8 zur Messung der Temperatur des Metallbands 6 angeordnet. Hier wird die Temperatur des am Ende der Fertigstraße 3 bzw. die Temperatur zwischen Fertigstraße 3 und Kühlstrecke 4 gemessen. Am Ende der Kühlstrecke 4 ist vorzugsweise ein Endtemperatur-Messplatz 9 angeordnet. Hier wird die Temperatur vor der Haspelvorrichtung 5 bzw. am Ende der Kühlstrecke 4 gemessen. Eingangsgrößen des Kühlstreckenmonitors 11 sind die am Endwalztemperatur-Messplatz 8 ermittelten Eingangstemperaturen 103 des Metallbandes, die am Haspeltemperatur-Messplatz 9 ermittelten Ausgangstemperaturen 104 des Metallbandes sowie weitere Banddaten 102, die vorzugsweise in der Fertigstraße 3, z.B. an oder kurz nach deren letztem Walzgeüst 3', ermittelt werden.
Von der Kühlstreckenregelung 12 werden an den Kühlstreckenmonitor 11 Ventilstellungen 101 übermittelt, die in der Regel jedoch vom Kühlstreckenmonitor 11 nicht auf Plausibilität ge- prüft werden. Der Kühlstreckenmonitor 11 ermittelt stets den gegenwärtigen Zustand der Kühlstrecke 4.
Die erfindungsgemäße Steuerung bzw. Regelung erfolgt Zeittakt weise vorzugsweise in Regelschritten. Die Kühlstreckenregelung 12 ermittelt die Ventilstellungen 101 der Ventile 7 der Kühlstrecke 4 für den jeweils nächsten Regelschritt. Dabei wird vorzugsweise ein Optimierungsproblem gelöst, auf das im weiteren Text noch näher eingegangen wird
Erfindungsgemäß wird vorzugsweise in jedem Zeittakt ein Iterationsschritt durchgeführt wird, wobei ausgehend von der einem aktuellen Zeittakt zugeordneten Lösung des Optimierungsproblems mindestens ein Stellsignal auf die Anlage aufge- schaltet wird. Vorzugsweise werden für einen nachfolgenden Zeittakt weitere aktualisierte Messwerte bei der Lösung des Optimierungsproblems berücksichtigt. Derart kann ein geschlossener Regelkreis gebildet werden.
Es ist vorteilhaft wenn bei einer hohen Anzahl von Stellgliedern, wie sie für die Kühlstrecke 4 typisch ist, bei der Aufstellung des vorzugsweise quadratischen Optimierungsproblems nicht einzelne Ventile sondern Gruppen von Ventilen als Stellglied aufgefasst werden. Die Aufteilung des berechneten Stellwerts auf die einzelnen Ventile erfolgt über eine geeignete Schaltheuristik. Das Zusammenfassen von Ventilen zu Ventilgruppen ist besonders für eine online, d.h. in Echtzeit, erfolgende Lösung des Optimierungsproblems besonders vorteilhaft.
Figur 6 zeigt einen möglichen Temperaturverlauf T über den Orten x der Kühlstrecke 4, wobei die Kühlstrecke 4 durch den Anfang der Kühlstrecke xA und das Ende der Kühlstrecke xE begrenzt ist. Ein vergleichbares Bild würde sich beim Auftragen eines Temperaturverlaufs T über die Zeit ergeben. Figur 3 stellt die modellprädiktive Regelung der Kühlstrecke näher dar. Dabei werden von der Kühlstreckenregelung 12 vorzugsweise nicht einzelne Ventile 7a bzw. 7b, zusammenfassend als 7 bezeichnet, angesteuert, sondern aus ein oder mehreren Ventilen 7 bestehende Ventilgruppen. Dabei kann dementsprechend beispielsweise der Regelbereich 14 in mehrere Teilbereiche 14a und 14b aufgeteilt werden, wobei vorzugsweise jedem Teilbereich 14a bzw. 14b eine Ventilgruppe zugeordnet ist.
Innerhalb der Grenzen des Regelbereichs 14, dessen Grenzen sich mit den Grenzen der Kühlstrecke in der Regel decken, kann hinsichtlich der Regelung zwischen einem Hauptregelbereich 15 und einem Abgleichsregelbereich 16 unterschieden werden. Vorzugsweise werden einzelne Bandpunkte (13a, 13b) wegverfolgt.
Zur Steuerung und Regelung der Kühlstrecke wird ein mo- dellprädiktiver Algorithmus eingesetzt. Dabei werden Stell- glieder für Nu Zeitschritte in die Zukunft als Lösung eines vorzugsweise quadratischen Optimierungsproblems bestimmt, wobei mit dem Modell für Ny Zeitschritte Vorhersagen getroffen werden.
Nu darf 1 oder auch eine natürliche Zahl größer 1 sein. In letzterem Fall werden in der Regel nur die berechneten Stellgliedeinstellungen für den ersten Zeitschritt implementiert. Für den nächsten Zeitschritt wir unter Berücksichtigung aktueller Messwerte bzw. Vorhersagewerte neu gerechnet.
Ny muss so groß gewählt werden, dass die größte vorliegende Totzeit überwunden wird. Die größte Totzeit ergibt sich aus dem größten Abstand einer Temperaturmessstelle und der Position des nächstliegenden vorgeschalteten freien Stellventils. Zur Aufstellung des vorzugsweise quadratischen Optimierungsproblems wird ein geeignetes vorzugsweise linearisiertes Bandtemperaturmodell verwendet. In das vorzugsweise quadrati- sehe Optimierungsproblem lassen sich leicht Gleichungs- und Ungleichungsnebenbedingungen integrieren. Derart können Stellgliedbegrenzungen und unterschiedliche Kühlstreckenlayouts besonders vorteilhaft und vorzugsweise derart berücksichtigt werden, dass an der Recheneinrichtung 10 bzw. am Vorausberechnungsmodul 21 und/oder dem Berechnungsmodul 22 keine übermäßigen Änderungen vorgenommen werden müssen.
Alternativ oder zusätzlich kann eine Modellprädiktive Regelung der Kühlstrecke auch auf dem Enthalpieverlauf in der Kühlstrecke fußen. Der Enthalpieverlauf über dem Ort x bzw. über der Zeit ist dabei vergleichbar mit dem Temperaturverlauf über dem Ort (siehe auch Figur 6) bzw. über der Zeit.
Wie Figur 4 veranschaulicht, ist es möglich, dass die Recheneinrichtung 10 ein Modul zur Kühlstreckenregelung 12 aufweist, das seinerseits mehrere Teilregelmodule 17a, 17b aufweist, die unterschiedlichen Regelbereichen 14a und 14b entsprechen.
Die erfindungsgemäße Steuerung bzw. Regelung der Kühlstrecke 4 ist unabhängig vom Kühlstreckenlayout und bietet aufgrund der modellprädiktiven Regelung ein optimales Verhalten der Steuerung auch an den Stellbegrenzungen. Vorgaben können auf flexible Weise im Sinne einer Priorisierung unterschiedlich gewichtet werden. In das erfindungsgemäße Steuerungs- bzw. Regelungsverfahren ist Edge-Masking integrierbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich derart ausgestal- ten, dass auch die Geschwindigkeit des Metallbandes 6 gesteuert werden kann, was seine Verwendung beispielsweise auch für Grobblechstraßen möglich macht.
Insbesondere lässt sich auch eine Fertigstrasse 3 erfindungs- gemäß regeln. Neben Bandgeschwindigkeit sind bei einer Fertigstrasse 3 Zwischengerüstkühlvorrichtungen weitere mögliche Stellglieder. Eine typische Zahl von Stellgliedern für eine Kühlstrecke sind beispielsweise ca. 200 Ventile 7. Dies ist eine deutlich höhere Zahl von Stellgliedern als für eine typische Fertigstrasse 3.
Eine übergreifende Steuerung bzw. Regelung für mehrere Anlagenteile 1 bis 5 kann vorzugsweise wie nachstehend beispielsweise für eine Fertigstrasse 3 und eine Kühlstrecke 4 beschrieben erzielt werden.
Zur übergreifenden Steuerung bzw. Regelung werden vorzugsweise das Temperaturmodell der Fertigstraße 3 und das Temperaturmodell der Kühlstrecke 4 verkettet. Durch Addition der Zielfunktionen für beide Anlagenteile 3 und 4 wird ein vorzugsweise quadratisches Optimierungsproblem mit vorzugsweise linearen Nebenbedingungen ermittelt, mit Hilfe dessen ein gemeinsames Steuerverfahren für beide Anlagenteile 3 und 4 bereitgestellt wird. Die Optimierung des Problems liefert so die Einstellungen für die Zwischengerüstkühlungen der Fertigstrasse 3, die Kühlstreckenventile 7 der Kühlstrecke 4 und Geschwindigkeit des Metallbandes 6, insbesondere für den jeweils nächsten Regelschritt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung der Temperatur eines Metallbandes (5) in einer Anlage der Stahlindustrie, dabei insbesondere in einer Kühlstrecke (4) , die einer Walzstraße (2,3) zum Walzen von Metall-Warmband (6) nachgeordnet ist, wobei zur Ermittlung von Stellsignalen ein Soll- Temperaturverlauf mit einem Ist-Temperaturverlauf verglichen wird, dadurch gekennzeichnet dass unter Berücksichtigung von Nebenbedingungen mindestens eine Zielfunktion für Stellglieder der Anlage, insbesondere in der Kühlstrecke (4) , gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die
Zielfunktion durch Lösen eines Optimierungsproblems minimiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die
Zielfunktion durch Lösen eines Optimierungsproblems maximiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein quadratisches Optimierungsproblem gelöst wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Ist- Temperaturverlauf und/oder der Soll-Temperaturverlauf des Metallbandes (6) unter Zuhilfenahme mindestens eines Modells ermittelt wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Ist- Enthalpieverlauf und/oder der Soll-Enthalpieverlauf unter Zuhilfenahme mindestens eines Modells ermittelt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Modell online adaptiert wird.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass Bandpunkte (13a, 13b) wegverfolgt werden.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche -; d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein Temperaturverlauf für einzelne Bandpunkte (13a, 13b) des Metallbands (6) ermittelt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Zielfunktion durch Lösen eines Optimierungsproblems mittels Vorausberechnung minimiert oder maximiert wird.
11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Zielfunktion vorzugsweise online durch Lösen eines Optimierungsproblems iterativ minimiert oder maximiert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in jedem Zeittakt ein Iterationsschritt durchgeführt wird, wobei ausgehend von der einem aktuellen Zeittakt zugeordneten Lösung des Optimierungsproblems mindestens ein Stellsignal auf die Anlage aufgeschaltet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass für einen nachfolgenden Zeittakt weitere Messwerte bei der Lösung des Optimierungsproblems berücksichtigt werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein geschlossener Regelkreis gebildet wird.
15. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Optimierungsproblems mit linearen Nebenbedingungen gelöst wird.
16. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Temperatur des Metallbandes (5) in mehreren Teilen (1 bis 5) der Anlage der Stahlindustrie, insbesondere in der Fertigstraße (3) und einer ihr nachgeordneten Kühlstrecke (4) , gesteuert und/oder geregelt wird.
17. Computerprogramm zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche.
18. Mit einem Computerprogramm nach Anspruch 17 programmierte Recheneinrichtung (10) zur Steuerung mindestens der Kühlstrecke (4) einer Anlage der Stahlindustrie, wobei die Recheneinrichtung (10) direkt und/oder indirekt die Temperatur des Metallbandes (6) beeinflusst.
19. Recheneinrichtung (10) nach Anspruch 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sie einen Kühlstreckenmonitor (11) , ein Modul zur Vorausberechnung (20), ein Modul zur Adaption (18) und ein Modul zur Kühlstreckenregelung (12) aufweist.
20. Recheneinrichtung (10) nach Anspruch 18 oder 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sie mehrere Regelmodule (17a, 17b) zur Regelung von Stellgliedern (7) und/oder von ein oder mehrere Stellglieder umfassenden Regelbereichen (14a, 14b) aufweist.
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