Разработка и исследование компьютеризированных взаимосвязанных электроприводов непрерывных сортовых прокатных станов

Атуальность проблемы. Сортамент выпускаемой продукции на непрерывных сортовых прокатных станах диктуется потребностями мирового рынка сортового проката и включает в себя широкий спектр фасонных профилей и катанки [1]. Конкурентоспособность продукции, выпускаемой на непрерывных прокатных станах, зависит от ее качества, производительности стана и энергозатрат. Данные обстоятельства привели к появлению более жестких требований к системам управления режимами работы электроприводов прокатных клетей и необходимости комплексного изучения, анализа и совершенствования существующих способов управления технологическими переменными процесса прокатки.

На большинстве отечественных непрерывных сортовых прокатных станах системы автоматического регулирования натяжения полосы в межклетевом промежутке выполнены по принципу косвенной оценки величины натяжения по изменяющимся энергосиловым параметрам привода предыдущей клети. Данные системы включают в себя контур регулирования натяжения, который, корректируя скорость последующей клети, поддерживает натяжение в заданном диапазоне. Данный принцип управления при высоких скоростях прокатжи не позволяет исключить наличия в переходных режимах продольных динамических ударов в металле, которые могут привести к вытяжке полосы или ее разрыву в том случае, если натяжение превысит допустимое значение. Это обстоятельство ограничивает сферу применения данных систем и требует их совершенствования.

Появление современных компьютеризированных систем управления, обладающих более высоким качеством управления, нежели аналоговые, совместно с высокоточными импульсными датчиками, дало возможность приблизить режим прокатки к режиму свободной прокатки и сделать его более устойчивым. Режим свободной прокатки способствует лучшему заполнения калибров и исключению продольных динамических ударов на участке металлической полосы, который находится между соседними клетями. В связи с этим, актуальной задачей является изучение возможности прокатки без петлеобразования тонких сортовых профилей в чистовых группах клетей непрерывных станов.

В настоящее время перед разработчиками систем управления режимами прокатки на непрерывных сортовых прокатных станах также остро стоит вопрос минимизации удельных энергозатрат с целью снижения себестоимости готового сортового проката. Это и многое другое говорит о необходимости дальнейшего исследования и совершенствования систем управления режимами работы электроприводов прокатных клетей непрерывных сортовых прокатных станов.

Представленная работа проводилась в рамках хоздоговорной НИР РАПС-43 «Разработка проекта модернизации системы управления приводами стана 250 с переходом на микропроцессорную технику», выполненной диссертантом на ОАО «Ижсталь», а также в рамках грантов МО РФ ГРПА/РАПС-26 «Исследование и разработка алгоритмов управления компьютеризированными электроприводами прокатных клетей непрерывных сортовых станов» и ГТАТ/РАПС-25 «Разработка методов синтеза и принципов построения энергосберегающих электромеханических комплексов управления» .

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является исследование и совершенствование систем управления режимами работы электроприводов прокатных клетей непрерывных сортовых станов, что позволит снизить энергозатраты, повысить качество выпускаемой продукции и производительность комплекса прокатки.

Достижение поставленной цели требует решения следующих основных задач:

1. Анализ существующих систем управления режимами работы электроприводов прокатных клетей с целью выявления недостатков и выработки предложений по их совершенствованию.

2. Разработка математических и компьютерных моделей взаимосвязанных электроприводов непрерывных сортовых прокатных станов, позволяющих с высокой точностью имитировать поведение системы управления в различных режимах прокатки.

3. Проведение экспериментальных исследований действующей системы управления с целью оценки динамических характеристик механических элементов главных приводов прокатных клетей непрерывных сортовых прокатных станов.

4. Разработка принципов построения систем управления режимами работы электроприводов прокатных клетей, обеспечивающих повышение производительности стана, улучшение показателей качества готового сортового проката и снижение энергопотребления.

5. Проведение компьютерных исследований разработанных систем управления с целью оценки их функционирования в реальных условиях прокатки на непрерывных сортовых прокатных станах.

На защиту выносятся следующие научные результаты.

1. Математические модели процесса прокатки в черновых и чистовых группах клетей непрерывных сортовых прокатных станов, представляющие собой совокупность подмоделей отдельных клетей и участков полос металла в межклетевых промежутках.

2. Инструментальные средства в среде Matlab/Simulink, предназначенные для решения задач исследования и оптимизации систем управления взаимосвязанными электроприводами с учетом технологических особенностей непрерывной прокатки.

3. Алгоритмы автоматического регулирования натяжения полосы в межклетевом промежутке с автоматической оптимизацией соотношения скоростей смежных клетей и параметров регуляторов натяжения, снижающие величину продольных динамических усилий, возникающих в металле в переходных режимах.

4. Способ настройки скоростного режима прокатки, обеспечивающий минимальный расход электроэнергии на обжатие металла в прокатных валках группы клетей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Математические модели процесса непрерывной сортовой прокатки с целью повышения их точности и достоверности учитывают упругие связи между отдельными элементами электромеханической системы и имеют переменную структуру в соответствии с меняющимися параметрами процесса прокатки, характеризующими взаимодействие прокатного оборудования в конкретные промежутки времени технологического процесса.

2. Разработанные инструментальные средства комплексных исследований систем управления процессом непрерывной прокатки осуществляют вычисление функционалов качества, по которым ведется оптимизация технологического процесса, в условиях последовательного прохождения заготовки через группу клетей и включают управляющие подмодели, с помощью которых на основании оценочных показателей движения заготовки по линии прокатки производятся структурные переключения. Средства исследований дают возможность имитировать изменения параметров по ходу процесса прокатки.

3. Автоматическая оптимизация процесса прокатки с натяжением предусматривает оценку рассогласования соотношения скоростей смежных клетей, на основании которой производится коррекция скоростного режима прокатки, а также осуществляет минимизацию среднеквадратичной ошибки по натяжению путем подстройки параметров регуляторов натяжения.

4. Разработанный способ настройки скоростного режима прокатки минимизирует расход электроэнергии за счет коррекции сигнала задания, поступающего на входы систем управления скоростью клетей прокатного стана. Выбор оптимальной скорости осуществляется системой автоматической оптимизации, выполняющей функции оценки затрат электроэнергии на обжатие металла, выработки оценки функционала качества, выработки управляющего воздействия для реализации режима оптимизации.

Содержание работы раскрывается в пяти главах.

В первой главе диссертации дана краткая характеристика современных непрерывных сортовых прокатных станов, представлены их основные производственные и технологические параметры и выделены тенденции развития сортопрокатного производства. Основное внимание уделено задачам управления и оптимизации технологического процесса прокатки и алгоритмам их решения.

Дана развернутая характеристика существующих систем управления режимами работы электроприводов прокатных клетей. Изучены вопросы технической реализации данных систем на базе технологических модулей контроллеров привода и технологических контроллеров.

Вторая глава диссертации посвящена изучению теоретических аспектов процесса непрерывной прокатки и разработке математических моделей, адекватным реальным условиям технологического процесса. Дано математическое описание, которое учитывает особенности процесса непрерывной сортовой прокатки и содержит описание упругих деформаций элементов электромеханической системы прокатных клетей.

Математические модели систем управления включают в себя модели отдельных прокатных клетей и участков полос, находящихся между смежными клетями, и учитывают изменения взаимосвязей технологического оборудования.

В третьей главе представлен анализ и выделены достоинства и недостатки компьютерных средств моделирования сложных технологических процессов. Сделан выбор в пользу наиболее приемлемого с точки зрения функциональных возможностей и удобства моделирования. Предложено дополнительное использование специализированных программных средств, расширяющих возможности моделирования.

На основании математического описания разработаны компьютерные модели, как инструмент для исследований, процессов прокатки с натяжением и петлей и изучены методы синтеза сложных взаимосвязанных систем. Проведены компьютерные исследования работы системы управления в переходных режимах при имитации управляющих и возмущающих воздействий на систему и исследования взаимосвязей прокатных клетей в режиме прокатки. Результаты представлены в виде кривых.

Четвертая глава посвящена вопросам организации систем автоматической оптимизации, разработке алгоритмов управления и технической реализации разработанных систем на базе современной компьютерной техники.

Рассмотрены принципы построения систем автоматического регулирования натяжением полосы, осуществляющих оптимизацию технологических параметров и обеспечивающих минимальные продольные динамические усилия на участке металлической полосы, находящимся между смежными клетями. Доказана возможность прокатки с натяжением тонких сортовых профилей в чистовых группах клетей при условии использования современных технических средств алгоритмов управления, а также обоснована целесообразность работы системы с периодически замкнутыми контурами регулирования натяжения.

Разработан способ настройки скоростного режима прокатки, обеспечивающий минимизацию удельного расхода электроэнергии на прокатку заготовки в группе клетей.

В пятой главе дана характеристика непрерывного мелкосортно-проволочного стана 250. Проведен анализ и исследования существующей системы управления, по итогам которых выделено ряд существенных недостатков, влияющих на надежность системы и качество готового сортового проката.

В заключение главы даны технические и программные рекомендации по совершенствованию существующей системы управления с использованием теоретических и практических результатов диссертационной работы.

В приложении представлен расчет частот упругих колебаний элементов электромеханической системы прокатных клетей черновой и промежуточной групп стана 250, приведены результаты компьютерных исследований скоростных режимов прокатки для различных температурных параметров металла.

5.4. Выводы.

1. Раскрыты особенности технологического процесса прокатки на мелко-сортно-проволочном стане 250 ОАО «Ижсталь» и даны технические характеристики прокатного оборудования. Прокатка на стане ведется в одну нитку, в черновой и промежуточной группах клетей — с незначительным натяжением (подпором), в чистовой и проволочной группах — с петлей (в трех последних межклетевых промежутках чистовой группы — с прогибом).

2. Проведен анализ существующей системы управления и выявлены ее недостатки, наиболее существенными из которых являются: низкая точность настройки скоростного режима прокатки и отсутствие системы автоматической подстройки соотношения скоростей смежных клетей после прохода первых заготовокнизкое качество системы автоматического регулирования натяжения полосы, непозволяющее поддерживать величину межклетевого натяжения в допустимых пределахналичие необоснованных динамических усилий, вызванных работой системы автоматического регулирования натяжения в условиях действия помех.

3. Основными мерами, улучшающими качество функционирования системы управления, являются: внедрение систем управления межклетевыми натяжениями с использованием автоматической оптимизации коэффициентов соотношения скоростей и параметров регуляторов натяженияпериодическая работа контуров регулирования натяжения (в режиме настройки прокатного стана), что обусловлено высоким уровнем зашумленности ряда технологических параметровосуществление настройки энергосберегающего скоростного режима работы стана по разработанному алгоритмутехническая реализация систем управления на базе современной компьютерной техники.

4. Даны рекомендации по технической и программной реализации модернизированной системы управления. Учитывая техническое состояние действующего прокатного оборудования, наиболее целесообразно провести замену аналоговых систем управления главными электроприводами на цифровые, выполненные на базе технических средств фирмы «Siemens», и построить многоуровневую систему управления технологическим процессом. В качестве локальных систем управления, предусматривая сохранение действующих двигателей постоянного тока и силовых трансформаторов, рекомендованы реверсивные комплектные электропривода SIMOREG DC MASTER. Верхний уровень реализуется на технологических контроллерах SIMATIC S7−400, программное обеспечение которых дополнено готовыми рабочими программами, реализующими типовые алгоритмы управления (управление межклетевыми натяжениями, управление скоростным режимом взаимосвязанных электроприводов).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Научная работа посвящена исследованию и совершенствованию существующих систем управления взаимосвязанными электроприводами прокатных клетей непрерывных сортовых прокатных станов. Задачи, поставленные вначале диссертационной работы, отражают основные тенденции развития систем автоматизации сортопрокатного производства. Это неоднократно отмечалось на международных, всероссийских и межвузовских конференциях, где прошла апробация научных результатов работы.

Диссертационная работа включает в себя анализ ныне действующих систем управления, на основании которого выявлены их недостатки и определены основные направления научной работы:

1. Режим прокатки с натяжением, использующийся в черновой и промежуточной группах клетей, во многом определяет качество сортового проката на выходе с линии прокатки. Это объясняется влиянием продольных нагрузок в прокатываемой полосе, возникающих в момент захвата заготовки последующей клетью, на структуру и физико-механические свойства металла. Причинами таких нагрузок, как показали исследования, отсутствие системы автоматической подстройки соотношения скоростей смежных клетей после прохода первых заготовок и не оптимальность, с точки зрения быстродействия, параметров регуляторов натяжения.

2. Экспериментальные исследования на стане 250 выявили интенсивную зашумленность технологических параметров процесса прокатки. В условиях действия помех действующая система регулирования натяжения, отрабатывая эти помехи, вносит ошибку и дестабилизирует технологический процесс. Причинами помех служат нестабильность температурных характеристик и физико-механических свойств проката, состояние поверхности и эксцентриситет валков, разнотолщинность по длине заготовки и т. д. В сложившейся ситуации целесообразно построить работу системы регулирования с периодически работающими контурами регулирования натяжения. Функции управления структурой системы возлагаются на технологический контроллер, управляющий группой клетей.

3. В настоящее время доля затрат на электроэнергию в себестоимости готовой продукции стана 250 составляет 15%. Этот процент может быть снижен за счет проведения организационно-плановых мероприятий, ставящих своей целью сокращение времени простоев прокатного стана между отдельными партиями проката, что успешно реализуется производственными службами металлургических комбинатов. Однако сокращение энергозатрат также может быть достигнуто за счет совершенствования действующей системы управления путем введения системы автоматической оптимизации скоростного режима прокатки.

4. Необходимость организации режима прокатки со свободной петлей (прогибом) в чистовой и проволочной группах клетей обусловлена малым сечением проката и его предрасположенностью к разрывам при незначительных продольных динамических усилиях. Невозможность проведения экспериментальной оценки граничных условий, при которых еще допустимо вести прокатку с натяжением, поставила задачу разработки компьютерных моделей, позволяющих определить величину межклетевых натяжений в наиболее неблагоприятных режимах работы. Как показали исследования чистовой группы клетей металлическая полоса в момент входа металла в последующую клеть испытывает продольные динамические усилия, не приводящие к ее вытяжке или разрыву (сттах = ± 10 Н/мм). Реализация режима прокатки с натяжением в чистовой группе клетей с использованием системы стабилизации межклетевых натяжений, аналогично той которая применяется в черновой и промежуточной группах клетей, позволит приблизить режим прокатки к режиму свободной прокатки. В этом режиме наблюдается лучшее заполнение калибров и, как следствие, лучшее качество готового сортового проката.

Для решения поставленных задач и проведения исследований первостепенное значение имеет разработка математических моделей, отражающих реальные условия протекания процесса непрерывной прокатки. Разработанные модели процесса прокатки в черновых и чистовых группах клетей непрерывных сортовых прокатных станов, представляют собой совокупность подмоделей отдельных клетей и участков полос металла в межклетевых промежутках. Научная новизна заключается в том, что математические модели с целью повышения их точности и достоверности учитывают упругие связи между отдельными элементами электромеханической системы и имеют переменную структуру в соответствии с меняющимися параметрами процесса прокатки.

Компьютерное моделирование, выполненное в среде MATLAB 6.0 с использованием пакета SIMULINK, позволило провести исследования, позволяющие оценить достоверность разработанных моделей. С целью исследования функционирования разработанных алгоритмов автоматической оптимизации параметров системы регулирования натяжения и скоростного режима прокатки было использовано специализированное программное средство OptSys, которое разработано в дополнение к системе моделирования SIMULINK.

Научная работа проводилась в рамках хоздоговорной работы «Разработка проекта модернизации системы управления приводами стана 250 с переходом на микропроцессорную технику», в следствии чего при моделировании и проведении исследований использовались технологические параметры процесса непрерывной сортовой прокатки, соответствующие действующему мелкосорт-но-проволочному стану 250 ОАО «Ижсталь» .

Таким образом, можно сделать следующие выводы по диссертационной работе:

1. Сформулированы требования к системам управления главными электроприводами прокатных клетей, на основании которых обобщены принципы построения данных систем и выявлены тенденции их развития. К последним следует отнести: комплексную автоматизацию технологического процесса прокатки с использованием современной компьютерной техники, снижение динамических нагрузок в металле и приближение режима прокатки к режиму свободной прокатки, снижение энергозатрат на обжатие заготовки и т. д.

2. Разработанны математические и компьютерные модели процесса прокатки на непрерывных сортовых прокатных станах, наиболее точно учитывающие особенности режимов работы взаимосвязанных электроприводов прокатных клетей.

3. В результате экспериментальных исследований, выполненых на мелко-сортно-проволочном стане 250 ОАО «Ижсталь», и по результатам математического моделирования установлены основные недостатки действующей системы управления главными электроприводами прокатных клетей. Выделим следующие недостатки: низкое качество управления скоростным режимом прокаткиотсутствие системы автоматической подстройки соотношения скоростей смежных клетей после прохода первых заготовокналичие необоснованных динамических усилий, вызванных работой системы автоматического регулирования натяжения полосы в условиях действия помех.

4. Предложен способ и разработано устройство регулирования натяжения в межклетевом промежутке с автоматической подстройкой параметров регулятора натяжения под изменяющиеся параметры электромеханической системы прокатного стана. Параметры, выбранные в процессе наладки электрооборудования прокатного стана, ограничивают быстродействие системы, так как наладчики стремятся исключить влияние упругих колебаний электромеханической системы прокатного стана и добиться высокой устойчивости системы. Реализация системы автоматической оптимизации параметров регуляторов натяжения является альтернативой предложенных решений. Система организуется на базе аппаратных средств, реализующих верхний уровень управления (зональные программируемые контроллеры), а разработанные алгоритмы оптимизации — в виде программных блоков, созданных с помощью конструкций языков высокого уровня, входящих в состав стандартного программного обеспечения. Данная система позволяет снизить продольные динамические нагрузки, возникающие в металле в переходных режимах.

5. Предложены алгоритмы оптимизации коэффициентов соотношения скоростей смежных клетей. Оптимальность настройки соотношения скоростей имеет первостепенное значение и определяет устойчивость режима прокатки с натяжением в переходных режимах. Общеизвестна прямая зависимость между коэффициентом соотношения скоростей и изменением величины момента привода предыдущей клети в результате входа металла в последующую. Помимо этого оценка рассогласования соотношения скоростей может производиться по величине корректирующего сигнала на выходе регулятора натяжения в установившемся режиме прокатки. Данный способ оптимизации соотношения скоростей осуществляет минимальное число итерационных шагов и реализуется в контроллере привода, конфигурация которого расширяется программируемым технологическим модулем. Это соответствует принятой иерархии управления прокатным оборудованием непрерывных сортовых прокатных станов.

6. Разработан способ настройки скоростного режима прокатки, обеспечивающий выбор оптимальной скорости прокатки с точки зрения минимума расхода электроэнергии. Настройка производится по первым заготовкам с помощью программы автоматической оптимизации, которая реализуется в технологическом контроллере. Эта программа на основании оценки энергетического баланса осуществляет оптимизацию управляющего воздействия, поступающего на входы локальных систем регулирования скоростью клетей, с целью минимизации удельного расхода электроэнергии. Данное программно-техническое решение в совокупности с решением задачи снижения динамических усилий прокатки позволит, как показали компьютерные исследования, сократить расход электроэнергии на обжатие заготовки в черновой и промежуточной группах клетей на 2-ь4%.

7. Дано обоснование возможности использования систем управления межклетевыми натяжениями при прокатке тонких сортовых профилей в чистовых группах клетей. Это стало возможным благодаря развитию компьютерной техники, применяемой в современных автоматизированных системах управления технологическими процессами, и высокоточных импульсных датчиков технологических параметров.

8. Даны рекомендации по использованию результатов исследований при модернизации систем управления мелкосортно-проволочным станом 250 ОАО «Ижсталь», основными из которых являются: внедрение предложенных систем управления межклетевыми натяжениями с использованием автоматической оптимизации коэффициентов соотношения скоростей и параметров регуляторов натяжениявключение в работу контуров регулирования натяжения только в режиме настройки прокатного станаосуществление настройки энергосберегающего скоростного режима работы стана по разработанному алгоритмутехническая реализация систем управления на базе современной компьютерной техники.