Совершенствование электромеханической системы регулирования натяжения полосы широкополосного стана горячей прокатки

В настоящее время к продукции широкополосных станов горячей прокатки (ШСГП) предъявляются жесткие требования, связанные с необходимостью повышения ее конкурентоспособности на мировом рынке, потребности которого в последнее десятилетие существенно изменились. По данным фирмы «Voest-Alpine Industrieanlagenbau» («VAI», Австрия), спрос на тонкую горячекатаную полосу толщиной 1,2−2,0 мм увеличится с 18% в 1995 г до 25% в 2005 г при одновременном снижении спроса на другие виды горячекатаной полосы, считающейся конечной продукцией [1]. В частности, на широкополосном стане 2500 горячей прокатки ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ОАО «ММК»), являющемся единственным в России поставщиком полосы шириной более 2 м в рулонах, в настоящее время осуществлен переход на прокатку полос толщиной 1,5−1,8 мм.

Основным критерием, определяющим конкурентоспособность продукции ШСГП, является качество, обеспечиваемое за счет минимизации разно-ширинности и разнотолщинности полосы. Этигпараметры определяются условиями прокатки в чистовой группе клетей и в первую очередь — точностью регулирования межклетевых натяжений, обеспечиваемой за счет системы автоматического регулирования натяжения и петли (САРНиП).

САРНиП большинства отечественных ШСГП (в том числе и стана 2500) выполнены по «традиционному» принципу косвенного регулирования натяжения и включают [2−4]: контур регулирования натяжения, подчиненным для которого является контур тока двигателя петледержателя, который по заданной уставке тока косвенно поддерживает натяжение на заданном уровнеконтур регулирования петли, поддерживающий угол подъема петледержателя на заданном уровне с воздействием по отклонению на контур скорости двигателя прокатной клети.

Данный принцип управления обеспечивает выполнение требований поддержания заданного натяжения в установившемся режиме прокатки, однако не обеспечивает необходимой точности регулирования натяжения в динамических режимах. Это происходит из-за невозможности непосредственного измерения, контроля и регулирования натяжения, а также из-за взаимного влияния систем регулирования натяжения и петли. Кроме того, инерционность электромеханических петледержателей стана 2500 не позволяет эффективно использовать ресурсы быстродействующей системы автоматического регулирования толщины (САРТ) чистовой группы, выполненной на базе современных гидравлических нажимных устройств фирмы Davy Mckee (Великобритания).

Вместе с тем, обеспечение регулирования натяжения с высокой точностью в динамических режимах при изменении положения петледержателя, изменениях скорости клети (последующей либо предыдущей), а также изменении положения нажимных устройств во время прокатки является основным требованием, предъявляемым к современным САРНиП [5]. В частности, на стане 2500 при прокатке тонких полос требования к отклонениям натяжения, ширины и толщины приближаются к требованиям, предъявляемым к станам холодной прокатки [1].

Эти требования предопределяют необходимость дальнейшего развития САРН. Работы по совершенствованию САРНиП ШСГП ведутся практически постоянно как отечественными, так и зарубежными фирмами. Среди основных отечественных разработчиков следует отметить ВНИИЭлектропривод [6−12], ВНИИметмаш [13−19], НИИтяжмаш Уралмашзавода и некоторые другие [20−23]. Наиболее распространена на отечественных ШСГП САРНиП, разработанная ВНИИэлектропривод, обеспечивающая косвенное регулирование натяжения на базе «астатических» петледержателей [6−12]. Ведущими зарубежными фирмами, работающими в данном направлении, являются Siemens (Германия) [24], General Electric (США) [25, 26], VAI (Австрия) [27], Ansaldo (Италия) [28] и ряд японских фирм [29 -31].

В связи с реконструкцией САРНиП стана 2500 горячей прокатки, ряд зарубежных и отечественных фирм предложили свои пути модернизации, основными из которых являются следующие:

1. Модернизация существующих аналоговых систем регулирования, при сохранении установленных двигателей и механических частей петледержате-лей. Предлагаются преобразователи с микропроцессорным управлением, использование контроллеров с модулями входов/выходов и связью с ЭВМ высшего уровня через магистрали типа РИ-ОБШиБ.

2. Полная реконструкция САРН, с заменой электромеханических петле-держателей гидравлическими, обеспечивающими высокодинамичное регулирование с высокой точностью.

Второй вариант является более предпочтительным с точки зрения повышения качества продукции. Однако его реализация потребует полной остановки стана на длительный период для реконструкции практически всей чистовой группы, что в рамках проводимой реконструкции не планируется.

Первый вариант имеет более реальную перспективу внедрения. Однако необходимо проведение теоретических и экспериментальных исследований взаимосвязанных электрои гидроприводов межклетевого промежутка чистовой группы, с цельюобоснования рациональных, путей — совершенствования существующей САРНиП и разработки быстродействующей системы, обеспечивающей повышение точности регулирования натяжения в динамических режимах.

Целью диссертационной работы является совершенствование системы автоматического регулирования натяжения и петли широкополосного стана 2500 горячей прокатки, обеспечивающее повышение точности регулирования натяжения в динамических режимах.

Достижение поставленной цели потребовало решения в диссертационной работе следующих основных задач:

1. Анализа современных САРНиП отечественных и зарубежных широкополосных станов горячей прокатки с целью обоснования путей реконструкции системы стана 2500.

2. Экспериментальных исследований действующей САРНиП стана 2500 с целью оценки показателей качества регулирования натяжения в динамических режимах. Поскольку системы управления стана 2500 не оснащены современными средствами регистрации параметров, возникла дополнительная задача разработки компьютерной системы регистрации параметров электроприводов и систем управления в реальном масштабе времени.

3. Разработки математической модели, включающей главные электроприводы клетей, электропривод петледержателя, гидравлический привод нажимных устройств с учетом их взаимосвязи через обрабатываемый металл. Проведения на модели исследований динамических режимов электроприводов при различных возмущающих воздействиях.

4. Разработки принципа и функциональной схемы быстродействующей САРНиП с прямым регулированием натяжения, обеспечивающей улучшение точности регулирования натяжения в динамических режимах. Разработки метода косвенного определения удельного натяжения по параметрам электропривода петледержателя.

5. Исследований разработанной САРНиП на математической модели, оценюг точности косвенного вычисления и регулирования, натяжения в динамических режимах.

Содержание работы изложено в пяти главах:

В первой главе рассмотрена существующая САРНиП широкополосного стана 2500 ОАО «ММК», сформулированы технологические требования к электроприводам петледержателей, дана сравнительная характеристика петле-держателей и современных САРНиП, применяемых на отечественных и зарубежных станах горячей прокатки, проанализированы способы прямого и косвенного выделения натяжения.

Во второй главе разработана математическая модель межклетевого промежутка, включающая электропривод петледержателя (в составе действующей САРНиП), главный электропривод клети, гидравлический привод нажимного устройства (в составе САРТ, реализующей принцип Симса-Головина), модель прокатываемой полосы, учитывающей взаимосвязи электроприводов в межклетевом промежутке и модель взаимосвязи нажимных устройств и главного электропривода через металл. Доказана адекватность модели исследуемому объекту.

В третьей главе рассмотрен разработанный переносной компьютерный регистратор сигналов, обоснован перечень контролируемых параметров и представлены результаты экспериментальных исследований существующей САРНиП. Выполнено математическое моделирование динамических режимов при возмущающих воздействиях со стороны клети, петледержателя и нажимных устройств. Показано, что существующая САРНиП не обеспечивает выполнение технологического требования точности регулирования натяжения в допустимых пределах ±10%.

В четвертой главе предложена функциональная схема САРНиП с контуром прямого регулирования натяжения и перекрестными обратными связями, компенсирующими взаимное влияние систем автоматического регулирования натяжения и петли. Выполнен расчет передаточных функций всех контуров системы. Предложена система косвенного выделения сигнала, пропорционального натяжению, по параметрам электропривода^ петледержателя^ Дана оценка точности определения натяжения.

В пятой главе выполнено математическое моделирование переходных процессов в предложенной САРНиП. Исследовано влияние перекрестных связей, а также момента инерции петледержателя на точность регулирования натяжения. Даны рекомендации по промышленному внедрению результатов исследований.

В заключении приводятся выводы по работе.

По содержанию диссертационной работы опубликовано одиннадцать научных трудов, полученные результаты докладывались и обсуждались на восьми научно-технических конференциях и семинарах.

ВЫВОДЫ.

1. Предложена математическая модель предлагаемой САРНиП, построенная с учетом разработанных в гл. 4 структурных схем и передаточных функций контуров регулирования положения петледержателя и натяжения, а также передаточных функций перекрестных связей. В структуру модели входят модель гидравлических нажимных устройств и модели взаимосвязи через металл приводов клети и межклетевого промежутка.

2. По результатам моделирования переходных процессов положения петледержателя и удельного натяжения в динамических режимах при возмущающих воздействиях со стороны петледержателя, клети и нажимных устройств показано, что переходные процессы удельного натяжения в предлагаемой системе имеют апериодический характер с малой постоянной времени, в то время как в существующей системе — колебательный характер.

3. Предлагаемая система обеспечивает более высокое качество регулирования, т.к. интегральный показатель ошибки регулирования в динамических режимах при изменении межвалкового зазора, положения петледержателя и скорости клети примерно в 2,5 — 8 раз ниже (в зависимости от толщины полосы), по сравнению аналогичным показателем в обычной системе.

4. Подтверждено, что введение в систему компенсирующих обратных связей обеспечивает ослабление влияния регулирования положения петледержателя на регулирование натяжения во всех режимах, в результате чего более чем на порядок снижаются максимальные динамические отклонения удельного натяжения.

5. В результате моделирования показано, что при прокатке тонких полос предлагаемая система обеспечивает выполнение требования отклонения натяжения в пределах ±10% во всех исследуемых динамических режимах.

6. Доказано, что в предлагаемой системе с перекрестными связями уменьшение момента инерции петледержателя не оказывает заметного влияния на показатели переходных процессов натяжения, т.к. электромеханическая постоянная электропривода компенсируется в контуре регулирования скорости петледержателя. Поэтому использование петледержателей с малым моментом инерции в предлагаемой системе, в отличие от существующей, не является целесообразным.

7. Даны рекомендации по использованию результатов исследований при реконструкции САРНиП стана 2500 горячей прокатки ОАО «ММК», основными из которых являются:

— замена в трех последних межклетевых промежутках существующей САРНиП на предлагаемую систему с контуром регулирования натяжения и перекрестными^ связями присохранении установленного механического и силового электрического оборудования;

— применение предложенной системы косвенного вычисления натяжения по параметрам электропривода петледержателя;

— исполнение предложенных систем на базе внедряемых промышленных контроллеров фирмы Siemens;

— проведение дальнейших исследований и разработка программного обеспечения с целью выделения сигнала, пропорционального натяжению в реальном времени.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Сформулированы требования к системам автоматического регулирования натяжения и петли современных широкополосных станов горячей прокатки, основным из которых является непрерывный контроль и регулирование натяжения в динамических режимах с погрешностью, не превышающей ±10%.

2. Сформулированы принципы построения современных САРНиП, основными из которых являются использование малоинерционных петледержателей, силоизмерительных устройств, конструктивно встроенных в петледержатель, и микропроцессорных систем управления. Показано, что применение гидравлических петледержателей на стане 2500 ОАО «ММК» в настоящее время с технической и экономической точек зрения нецелесообразно.

3. Разработана математическая модель межклетевого промежутка чистовой группы стана 2500, включающая электроприводы клетей и электромеханического петледержателя, гидравлический привод нажимных устройств, модель прокатываемой полосы, учитывающую взаимосвязи электроприводов в межклетевом промежутке, а также взаимосвязь нажимных устройств и главного электропривода.

4. Разработан и сдан в промышленную эксплуатацию переносной компьютерный регистратор, позволяющий выполнять осциллографирование в реальном времени не менее 32-х аналоговых сигналов и 16-и каналов дифференциального ввода, а также их запись, хранение и математическую обработку.

5. В результате экспериментальных исследований, выполненных на стане 2500 с помощью разработанного компьютерного регистратора сигналов, и по результатам математического моделирования динамических режимов при возмущающих воздействиях со стороны клети, петледержателя и нажимных устройств, показано, что при прокатке тонких полос существующая САРНиП не обеспечивает необходимой точности регулирования натяжения.

6. Разработана функциональная схема САРНиП с перекрестными связями, и внутренним контуром прямого регулирование натяжения. Доказано, что введение в систему компенсирующих обратных связей обеспечивает ослабление влияния контура регулирования положения петледержателя на регулирование натяжения во всех режимах, в результате чего более чем на порядок снижаются максимальные динамические отклонения удельного натяжения.

7. Предложены алгоритм и структурная схема системы косвенного определения натяжения по параметрам электропривода петледержателя, в основу которой положены уравнения баланса момента двигателя и статического и динамического моментов на ролике петледержателя. Подтверждена приемлемая точность косвенного метода вычисления натяжения (погрешность не более ±5%) и даны рекомендации по его применению в предложенной САРНиП с перекрестными связями.

8. Даны рекомендации по использованию результатов исследований при реконструкции САРНиП стана 2500, основными из которых являются внедрение в последних межклетевых промежутках системы с контуром регулирования натяжения и перекрестными связями, применение системы косвенного вычисления натяжения по параметрам электропривода петледержателя, исполнение предложенных систем на базе промышленных контроллеров. Полученные результаты являются универсальными и могут быть применены на других отечественных станах горячей прокатки.