Исследование и оптимизация электромеханических систем управления комплексом резки листового проката

Актуальность проблемы. Ужесточение требований, предъявляемых к качеству толстолистового проката, обуславливает необходимость совершенствования прокатного оборудования, в частности ножниц поперечной резки (НПР). При этом остро стоят задачи минимизации энергопотребления. В настоящее время для резки листового проката (толщиной от 7 до 50 мм и шириной до 5 м) в линиях отделки устанавливаются однои двухкривошипные ножницы с катящимся резом (НКР). В этих ножницах верхний нож дугообразной формы и большого радиуса режущей кромки обкатывается по прямому нижнему ножу, при этом за счёт меньшего смещения ножа относительно проката в местах их контакта обеспечивается более высокое качество резки, чем у ножниц других конструкций.

Большое значение для качества резки листового проката имеет траектория движения ножа. Её отклонение от траектории идеального обкатывания вызывает увеличение искривления отрезаемой кромки проката (которое не должно превышать 1,5 мм) и рост энергозатрат. Малые углы реза при врезании ножа в лист ведут к появлению пиков в усилии резки, следствием чего являются увеличение массогабаритных показателей ножниц и рост энергозатрат. В НИР, проводимых во ВНИИМЕТМАШ, НЬСМЗ, «Schloemann Siemag», «Moeller&Neumann» и др. отечественных и зарубежных фирмах, основное внимание уделялось совершенствованию отдельных конструктивных элементов и узлов, выбору конструктивных параметров ножниц, обеспечивающих оптимальную траекторию движения ножа. Тем не менее, из-за несовершенства кинематики ни одна конструкция ножниц не позволяет получить в зоне реза требуемую траекторию. Дальнейшее повышение точности реализации оптимальной траектории возможно только путём совершенствования электромеханической системы (ЭМС) ножниц, а именно заменой механической синхронизации вращения кривошипов на электрическую синхронизацию и обеспечением средствами системы управления (СУ) электроприводом изменяющегося по заданному закону угла рассогласования между кривошипами. В настоящее время на толстолистовых станах внедряются однокривошипные ножницы конструкции КО ВНИИМЕТМАШ, имеющие меньшие массогабаритные показатели, чем двухкривошипные ножницы традиционной конструкции.

На металлургических предприятиях проводились исследования оптимальных режимов резки (температуры, бокового зазора между ножами и т. д.) листового проката. Большой вклад в изучение влияния режимов резки на качество кромок и усилие резки внесли Crasemann H.I., Sperling Н., Keller F., Крылов Н. И., Пальмин А. Д. и др. В зависимости от параметров проката между ножами устанавливается боковой (горизонтальный) зазор определённой величины. Отклонение величины зазора от оптимальной приводит к некачественному резу и увеличению усилия резки. В настоящее время установка зазора производится по таблицам, составленным на основе эмпирических данных. При этом не учитываются температура проката и связанные с ней отклонения механических характеристик, а также ряд параметров ножниц (затупление ножей, деформации в станине ножниц во время реза, постепенный износ механизма резания), в связи с чем, величина реального зазора, как правило, отличается от оптимальной. Поэтому, актуальна задача разработки принципов построения СУ, обеспечивающих автоматическую подстройку зазора под конкретные условия резки.

Существенный вклад в совершенствование систем управления электроприводами прокатного производства, и в частности комплексов резки внесли Дружинин Н. Н., Полухин П. И., Выдрин В. Н., Зементов О. И., Слежановский О. В., Скороходов А. Н. и др. Все приводы комплекса резки работают в повторно-кратковременном режиме, в связи с чем актуальна задача оптимизации режимов их работы и в особенности работы двигателей механизма резания (их суммарная мощность в ряде случаев превышает 1,5 МВт). Комплекс резки из-за необходимости остановки проката перед резом сдерживает производительность прокатного стана, и поэтому необходима минимизация цикла резки, которую можно осуществить за счёт совмещения работы различных механизмов. Это и многое другое говорит о необходимости дальнейшего исследования и совершенствования электромеханических систем управления комплексами резки листового проката.

Представленная работа проводилась в рамках хоздоговорной НИР РАПС-46 «Исследование электромеханических систем ножниц с катящимся резом и выдача рекомендаций для проектирования», выполненной по заданию ОАО КО ВНИИМЕТМАШ, а также в рамках гранта ГТАТ/РАПС-25 «Разработка методов синтеза и принципов построения энергосберегающих электромеханических комплексов управления».

Цели и задачи исследований. Целью диссертационной работы является исследование и оптимизация электромеханических систем управления комплексами резки листового проката, повышающие качество обрезанной кромки листов, увеличивающие производительность и снижающие энергозатраты.

Достижение поставленной цели требует решения следующих основных задач:

1. Анализ существующих ЭМС управления комплексами резки листового проката с целью выявления недостатков и выработки предложений по их совершенствованию.

2. Разработка математических моделей электроприводов ножниц, позволяющих с высокой точностью имитировать поведение СУ за цикл резки.

3. Разработка принципов построения ЭМС управления комплексами резки, обеспечивающих повышение производительности комплекса резки, улучшение показателей качества готовых листов и снижение энергопотребления.

4. Проведение компьютерных исследований разработанных систем управления с целью оценки их функционирования в реальных условиях резки на НКР.

5. Проведение экспериментальных исследований действующей системы управления с целью оценки динамических характеристик элементов главных приводов НПР, а также влияния типа проката на работу системы управления.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Математические модели ЭМС ножниц (однои двухкривошипных), учитывающие кинематику, динамику движения, энергетические оценки механизмов резания, и инструментальные средства в среде Matlab5.2/Simulink, предназначенные для решения задач исследования и оптимизации систем управления НПР с учётом процесса резки.

2. Методика формирования траектории движения ножа средствами ЭМС управления двухкривошипными ножницами с электрической синхронизацией, обеспечивающая регулирование перекрытия ножей при резке листа.

3. Методика оптимизации электроприводов однои двухкривошипных ножниц по критериям энергосбережения и производительности.

4. Алгоритм управления электроприводом устройства регулировки бокового зазора с автоматической минимизацией энергозатрат на цикл резки листа, обеспечивающий повышение качества обрезанной кромки.

5. Методика расчёта режимов работы электроприводов механизмов комплекса резки листового проката по условию минимизации энергозатрат.

Научная новизна положений работы заключается в следующем:

1. Математические модели однои двухкривошипных ножниц учитывают процессы взаимодействия ножа с разрезаемым прокатом, механические свойства разрезаемого металла, переменность усилия реза в зависимости от положения ножа и включают оценку энергозатрат за цикл резки. Модели ориентированы на решение задачи автоматической оптимизации электромеханических систем ножниц в процессе резания проката. В отличие от существующих методик кинематического расчёта в разработанной модели двухкривошипных ножниц углы поворота кривошипов рассматриваются не связанными жёстко друг с другом. Кроме того, для определения координат механизма резания вместо решений систем уравнений с несколькими переменными, предлагаемых другими авторами, используется решение нелинейного уравнения с одной обобщённой переменной.

2. Предлагается использовать электрическую синхронизацию движения кривошипов двухкривошипных ножниц взамен применяемой на сегодняшний день механической. Это, при управлении углом рассогласования по разработанной методике, позволит повысить качество резки (устранить «стрелу прогиба») за счёт более точной реализации катящегося движения ножа и регулировки перекрытия между ножами в процессе резки в зависимости от толщины и марки стали проката.

3. Методика оптимизации электроприводов ножниц, учитывающая кинематические и динамические параметры механизма резания, а также энергосиловые данные процесса реза, позволяет выполнить расчёт режима управления главным приводом ножниц, обеспечивающего минимальное энергопотребление и осуществление реза за заданный промежуток времени. Достижение этих целей осуществляется за счёт выделения в траектории движения ножа двух зон, одна из которых определяет производительность комплекса (задача на поиск экстремума функционала с неподвижными границами), а вторая в рассматриваемых пределах варьирования её длительности на производительность не влияет (задача с подвижными границами). Разработанный для этой цели алгоритм поиска минимума функционала основан на конечно-разностном методе Эйлера, учитывает ограничения, налагаемые на значения искомой экстремали (закона управления) и её производной, осуществляет поиск экстремали с переменным числом шагов.

4. Алгоритм управления боковым зазором предусматривает измерение усилия реза месдозами и автоматическую подстройку зазора с учётом толщины и температуры проката, его механических свойств, а также износа ножей ножниц и возможного увеличения зазора вследствие деформации станины ножниц, с целью получения минимального усилия резания. Алгоритм осуществляет накопление статистических данных об оптимальных зазорах для резки проката в различных режимах и минимизирует усреднённую величину приведённого усилия резки. Приведение усилия резки осуществляется по предложенной формуле, разработанной на основе анализа влияния факторов, задающих режимы резки. Для ускорения адаптации к изменению параметров ножниц производится ранжирование данных о приведённом значении усилия реза.

5. Разработанная методика расчёта режимов работы электроприводов механизмов комплексов резки основана на формализованном подходе к синтезу алгоритма управления временными параметрами работы отдельных механизмов комплекса резки и позволяет повысить производительность комплекса резки и минимизировать потребление электроэнергии при заданной производительности.

Содержание работы раскрывается в пяти главах.

В первой главе диссертаций приведены состав и характеристика комплексов резки толстолистового проката. Рассмотрены варианты реализации главного привода ножниц поперечной резки. Особое внимание уделяется вопросам технологии резки с позиций управления и оптимизации качества и энергозатрат процесса резки.

Выявляются основные параметры, задающие режим резки. Выполняется математическое описание процессов резки проката. Ставятся задачи оптимизации процессов резки и связанные с ними задачи исследования и автоматической оптимизации ЭМС управления комплексом резки.

Во второй главе диссертационной работы разрабатываются математические модели ЭМС управления ножницами различных кинематических исполнений, исследуются варианты реализации оптимальных траекторий средствами однодвигательных и двухдвигательных электроприводов.

Осуществляется компьютерная реализация математических моделей, необходимая для проведения исследований существующих и вновь разрабатываемых алгоритмов управления главными электроприводами ножниц поперечной резки с целью оценки их работы в условиях, максимально приближенных к реальным, а также для синтеза систем управления. Проводится исследование динамики ЭМС управления. Разрабатываются алгоритм расчёта режима управления углом рассогласования между кривошипами двухкривошипных ножниц и структура СУ, позволяющие реализовать оптимальную траекторию движения ножа.

В третьей главе проводится исследование зависимости энергозатрат от режима резки, свойств листового проката, состояния режущей части ножниц, бокового зазора ножей. Рассматриваются способы оценки энергозатрат за цикл резки и критерии оптимизации. Проводится разработка алгоритмов автоматической оптимизации по критериям минимизации энергозатрат ножниц. Осуществляется синтез системы автоматической оптимизации энергозатрат ножниц. Рассматриваются аппаратные и программные средства системы оптимизации.

Разрабатывается алгоритм автоматической подстройки бокового зазора между ножами по усилию резки, а также алгоритм оптимизации задания положения кривошипа ножниц по критерию энергосбережения.

В четвёртой главе осуществляется анализ временных взаимодействий механизмов подачи, прижима и ножниц на интервале цикла реза. Выполняется минимизация энергозатрат комплекса резки при заданной длительности цикла порезки раската.

Рассматриваются варианты оптимизации совместной работы механизма резания ножниц и механизма качания рольганга качающегося.

Пятая глава посвящена анализу и исследованиям системы управления электроприводами комплекса поперечной резки толстолистового проката стана 2800 ОАО «Уральская сталь», а также выработке рекомендаций по её совершенствованию с использованием результатов диссертационной работы.

Определяются возможности для повышения производительности комплекса резки. Проводятся сопоставления результатов моделирования с экспериментальными исследованиями.

В приложении 1 приведены исходные тексты программ на языке скриптов MATLAB 5.2, разработанные для моделирования и оптимизации режимов работы электромеханических систем (ЭМС) комплекса поперечной резки.

В приложении 2 приведён кинематический расчёт механизма резания двух-кривошипных ножниц с электрической синхронизацией.

В приложении 3 приведены акты о внедрении результатов диссертационной работы.

5.5. Выводы по главе.

1. Раскрыты особенности технологического процесса резки проката на комплексе резки резки стана 2800 ООО «Уральская сталь» и даны технологические характеристики установленного оборудования. Электропривод всех механизмов комплекса резки осуществляется от асинхронных двигателей, питаемых преобразователями частоты SIMOVERT MASTER DRIVES фирмы Siemens. Управление преобразователями производится по сети PROFIBUS DP контроллером SIMATIC S7−400.

2. Проведён анализ существующих систем управления однокривошипными ножницами комплекса резки стана 2800 (ООО «Уральская сталь») и двухкриво-шипными ножницами стана 5000 (цех ЛПЦ-3 ООО «Северсталь») и выявлены основные их недостатки. Наиболее существенными из них являются: высокий уровень помех и электрического и механического характера в каналах обратных связей систем управлениязавышены уставки тока намагничивания в преобразователях частоты.

3. Произведено сравнение экспериментальных данных, полученных на станах 2800 и 5000 с результатами моделирования однои двухкривошипных ножниц, проведённых по предложенным методикам и разработанным компьютерным моделям, которое показывает, что математические модели адекватно описывают процессы, происходящие в реальных ЭМС управления.

4. На основе предложенных методик и разработанных математических моделей выработаны рекомендации по совершенствованию систем управления комплексом резки стана 2800, позволяющие снизить энергозатраты и повысить производительность, без снижения качества готовых листов. Рассчитан режим управления главным приводом ножниц, позволяющий получить экономию электроэнергии до 9% за цикл резки. Выполнен расчёт режима согласованного управления работой привода ножниц и механизма качания рольганга, позволяющий сократить время цикла на 0,85 с.

— 211 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Научная работа посвящена исследованию и совершенствованию существующих систем управления комплексами поперечной резки толстолистового проката. Задачи, поставленные вначале диссертационной работы, отражают основные тенденции развития систем автоматизации прокатного производства. Это неоднократно отмечалось на международных, всероссийских и межвузовских конференциях, где прошла апробация научных результатов работы.

Диссертационная работа включает в себя анализ процессов и применяющихся на сегодняшний день систем управления комплексами резки толстолистового листового проката прокатных станов, на основании чего, выявлены основные недостатки применяющихся систем управления и основные направления научной работы:

1. Траектории движения ножей во многом определяют качество готовых листов на выходе участка резки прокатных станов. Это объясняется влиянием напряжений и деформаций, возникающих в процессе резки на геометрические параметры мерного листового проката. Причиной подобных деформаций является несоответствие действительной траектории движения ножа оптимальной траектории в каждый момент времени процесса резки. Повышение качества резки возможно путём применения электрической синхронизации кривошипов взамен механической и формирования траектории движения ножа средствами систем управления электропривода.

2. Применяющийся на сегодняшний день способ установки бокового зазора между ножами оператором на основании табличных данных не обеспечивает качественного реза проката, поскольку не учитывает затупления ножей, деформации в станине ножниц в процессе реза, температуры разрезаемого проката, постепенного износа механизма резания ножниц, что приводит к дополнительным затратам на обработку кромок листа. Применение автоматизированной системы управления боковым зазором позволит учесть все эти факторы и оперативно подстраивать его с учётом всех изменяющихся факторов.

3. В настоящее время управление механизмом резания осуществляется по трапецеидальному графику задания скорости, что в ряде случаев не является оптимальным с точки зрения энергопотребления. Поскольку суммарная мощность главного привода ножниц составляет 800— 1600 кВт, то проблема оптимизации системы управления с целью снижения энергозатрат является на сегодняшний день актуальной.

4. Применяемые в настоящее время системы управления комплексами резки листового проката не обеспечивают минимальных удельных энергозатрат при заданной производительности комплекса, добиться которых можно путём совмещения операций во времени, сокращения промежутков времени между отдельными операциями и достижения оптимальных с точки зрения энергозатрат режимов выполнения каждой операции на участке резки в целом.

Для решения поставленных задач и проведения исследований важнейшее значение имеет построение математических моделей процесса резки и систем электропривода механизмов комплекса резки прокатных станов, учитывающих реальное взаимодействие отдельных элементов и механизмов, а также процессы, протекающие в подсистемах ПЧ-АД. Разработанные математические модели ножниц поперечной резки различного кинематического исполнения представляют собой совокупности подмоделей отдельных элементов электромеханической системы управления ножницами.

Научная новизна работы заключается в том, что повышение точности обкатывания и поддержание заданного перекрытия между ножами обеспечивается средствами электропривода за счёт электрической синхронизации кривошипов и переменного угла рассогласования в зоне реза. Разработанные математические модели учитывают взаимодействие ножа с прокатом, переменность усилия резки по длине реза механические свойства разрезаемого проката, допускают в расчёте задавать произвольную форму режущей кромки ножа и учитывают динамические свойства механизмов резания и систем ПЧ-АД.

Компьютерное моделирование, выполненное в среде пакета MATLAB 5.2/ SIMULINK, позволило оценить достоверность разработанных моделей. При исследовании функционирования разработанных алгоритмов автоматической оптимизации бокового зазора, оптимизации режима управления электроприводами, расчёта режима управления углом рассогласования между кривошипами использовались программы, написанные на языке скриптов MATLAB.

Научная работа проводилась в рамках хоздоговорной НИР «Исследование электромеханических систем ножниц с катящимся резом и выдача рекомендаций для проектирования», вследствие чего при моделировании и проведении исследований использовались технические и технологические параметры оборудования участка резки 2800 ОАО «Уральская Сталь».

Таким образом можно сделать следующие выводы по диссертационной работе:

1. Сформулированы требования к системам управления электроприводами комплексов резки листового проката, на основании которых обобщены принципы построения данных систем и выявлены тенденции их развития. К последним следует отнести: комплексную автоматизацию технологического процесса резки листового проката на базе современной компьютерной техники, снижение динамических нагрузок в приводах комплекса резки за счёт использования соответствующих алгоритмов управления, приближение траектории движения ножа в процессе реза к качению без проскальзывания, внедрение частотно-регулируемого асинхронного привода и энергосберегающих алгоритмов управления, увеличение производительности комплекса за счёт совмещения отдельных операций и т. д.

2. Разработаны математические и компьютерные модели ЭМС ножниц поперечной резки, наиболее полно учитывающие взаимодействие ножниц с разрезаемым прокатом, а также скрипты для пакета MATLAB, осуществляющие визуализацию механизма резания.

Математические модели ножниц включают в себя описание кинематики и динамики механизма резания, и учитывают переменность момента инерции, а также моментов от неуравновешенных масс. Кроме того, в них входит математическое описание системы ПЧ-АД. Модели учитывают взаимодействие ножа с прокатом, переменность усилия резки по длине реза и механические свойства разрезаемого проката, допускают в расчёте задавать произвольную форму режущей кромки ножа.

Модели использовались для проведения исследований существующих и вновь разрабатываемых алгоритмов управления главными электроприводами ножниц с целью оценки их работы в условиях, максимально приближенных к реальным, а также для синтеза систем управления.

3. Предложено использование в двухкривошипных ножницах, электрической синхронизации вращения кривошипов вместо применяемой в настоящее время механической. Разработан и реализован на языке скриптов MATLAB алгоритм расчёта закона управления углом рассогласования между кривошипами, обеспечивающий заданное перекрытие между ножами практически по всей длине реза. При этом, предусматривается регулирование перекрытие между ножами в зависимости от толщины разрезаемого проката.

На сегодняшний день синхронизация вращения кривошипов осуществляется механически с помощью синхронизирующих и паразитных шестерней. Кривошипы жёстко связаны, и их мгновенные скорости вращения по модулю равны. Траектория движения ножа формируется подбором конструктивных параметров механизма резания. Однако, из-за несовершенства кинематики таким образом не удаётся обеспечить движение ножа ножниц полностью совпадающим с обкатыванием. Известно, что при резке толстых листов, использование отрицательного перекрытия благоприятно отражается на качестве резки. Новизна состоит в том, что повышение точности обкатывания и поддержание заданного перекрытия обеспечивается средствами электропривода.

Исследования показали, что обеспечить постоянное перекрытие можно только при реверсивном вращении кривошипов. Угол реза во время внедрения ножа в лист при использовании электрической синхронизации больше, чем при использовании механической, что обеспечит снижение пика усилия резки в момент врезания. После врезания ножа в лист и вплоть до окончания реза нож двигается с постоянным перекрытием, что не обеспечивается при фиксированном угле рассогласования, получаемом при механических способах синхронизации движения кривошипов.

4. Предложены и реализованы на языке скриптов MATLAB алгоритмы оптимизации установки бокового зазора. Боковой зазор между ножами имеет большое значение для чистоты поверхности реза. Известно, что при оптимальной величине зазора усилие реза минимально, а при отклонении от неё, оно возрастает на 10. 15%, при этом износ ножей происходит быстрее. На сегодняшний день, зазор устанавливается оператором по таблицам, составленным на основе опытных данных. При этом реальная величина выставленного зазора может несколько отличаться от оптимального значения, из-за деформации в станине ножниц, постепенного износа механизма резания и др. Для повышения качества резки разработан алгоритм автоматической подстройки зазора.

Он осуществляет минимизацию относительной величины бокового зазора, посредством минимизации усреднённого значения приведённого усилия. Используются измерения силы реза, полученные при резке листов длиной не менее 20 толщин листа во время установившегося процесса резания. Непосредственное измерение усилия реза осуществляется с помощью месдоз. С течением времени оптимальное значение выставляемого зазора может изменяться. Для ускорения адаптации ограничивается число учитываемых значений, а при выявлении тенденции изменения среднего усилия в одном направлении увеличивается удельный вес последних измерений. Алгоритм оптимизации бокового зазора предусматривает накопление статистики об оптимальных зазорах для резки проката в различных режимах.

5. Предложены и реализованы на языке скриптов MATLAB алгоритмы оптимизации режима управления приводами кривошипов, обеспечивающие снижение энергозатрат на цикл порезки проката.

Суммарная мощность двигателей главного привода ножниц составляет 8 001 600 кВт, поэтому актуальна задача оптимизации режима их работы по энергопотреблению. Методика оптимизации заключается в следующем. На основе математической модели строится функционал, выражающий зависимость энергозатрат за цикл резки от режима управления электроприводом ножниц, а также определяются граничные условия, исходя из требований технологии. Затем, оптимизируется задание положения кривошипа. Алгоритм, разработанный для этой цели учитывает ограничения, налагаемые на значения функции, а также на её производную по времени.

В настоящее время управление механизмом резания осуществляется по трапецеидальному графику задания скорости. Новизна научного положения состоит в том, что для управления механизмом резания используется задание более сложного вида. Задание положения кривошипа разбито на две зоны (зону разгона и резки листа и зону торможения). Установлено, что длительность первой зоны влияет на производительность комплекса резки, в то время, как длительность второй зоны можно произвольно изменять в больших пределах без снижения производительности. За счёт оптимизации режима управления было получено снижение энергозатрат за цикл резки на 9%.

6. Предложена методика расчёта режимов работы электроприводов механизмов комплекса резки листового проката по условию минимизации энергозатрат.

Порезка проката включает в себя ряд операций, выполняемых механизмами комплекса резки. Очерёдность их следования, возможность совмещения и, как следствие, алгоритма управления комплексом определяются технологическим процессом и возможностями ЭМС. Предлагаемая методика направлена на расчёт интервалов времени в соответствии с графиками перемещения и оптимизацию режимов работы механизмов комплекса.

Новизна методики заключается в формализованном подходе к синтезу алгоритма управления временными параметрами работы отдельных механизмов комплекса резки на основании циклограмм и уравнений динамики, а также в оптимизации режимов работы отдельных механизмов по критерию энергосбережения. Применение данного подхода позволило выявить ряд возможностей повышения производительности за счёт ускорения и совмещения ряда операций.

В результате анализа были установлены следующие возможности для повышения производительности комплекса резки: так как угол наклона плоскости рольганга качающегося невелик, и рез заканчивается несколько раньше, чем нож выходит из контакта с разрезаемым прокатом, то подавать команду на отвод отрезанного листа можно сразу после окончания реза. Если механизм выравнивания листа допускает выравнивание движущегося проката, возможно минимизировать цикл за счёт меньшего снижения скорости подачи проката (когда в ножницы задаётся более широкий или длинный раскат), за счёт чего он будет быстрее проходить расстояние до линии реза.

Выполнена оптимизация взаимного перемещения механизма резания ножниц и рольганга качающегося. Расчёты и моделирование показывают, что оптимальным является вариант с реверсивным вращением эксцентрика механизма качания. Достаточно точную отработку положения обеспечивает трёхконтурная система подчинённого регулирования с параллельной коррекцией по заданию скорости.