Идентификация несистемных дефектов в непрерывном технологическом процессе травления стального проката

несистемный дефект прокат Основными критериями эффективности работы непрерывного травильного агрегата (НТА) являются чистота поверхности листового проката на выходе (качество травления), скорость, удельная энергоемкость и ресурсоемкость технологического процесса (ТП). Эксплуатирующиеся на настоящий момент в Украине и России НТА имеют ряд недостатков, обусловленных слабым уровнем автоматизации и энергоемкостью ТП. Например, наличие только визуального контроля систематических и несистемных дефектов (НД), проявляющиеся в виде пятен, зон и участков окалины и вкатышей различной формы, что влечет товарные потери из-за выбраковки полосы с такими участками.

Скорость травления зависит от двух видов технологических параметров [1,2]. К первому относят характеристики стали, состав, структуру и толщину у_n окалины, нечетко зависящих от процессов предшествующих травлению. Ко второму виду параметров относят связанные нелинейными временными зависимостями концентрацию кислоты С_H2SO4 и солей железа С_Fe в растворе, температуру раствора Т_р-ра, время контакта дефекта с травильным раствором, определяющее скорость сматывания — v (t), имеющие ограничение во избежание переретрава, давление Р_t при котором раствор контактирует с дефектной поверхностью. Задача снижения энергоемкости на? 70% и стабилизации ДТ_р-ра с погрешностью (ДТ_р-ра= ±1°С) решена в прикладном контексте на металлургическом комбинате им. Ильича г. Мариуполь. Вариант решения задачи управления концентрацией травильного раствора С_H2SO4, представлен в [2]. Сложная взаимосвязь элементов НТА, переменных в функциях, описывающих поведение элементов системы, затрудняет формализацию описания ТП, и приводит к практике моделирования на базе теории нечетких систем для анализа ТП и оценивания результатов.

Целью статьи является представление формализованного описания процедуры идентификации НД на поверхности металлической полосы и логических правил управления (ЛПУ) для устранения дефектов при существующих ограничениях параметров ТП.

Технологические системы с нечеткой логикой в большинстве практических приложений функционируют по принципу модели Сугено [3]: числовые значения измерений фаззифицируются (переводятся в нечеткий формат), обрабатываются с помощью ЛПУ, формируемых для системы, дефаззифицируются и в виде физических сигналов подаются на исполнительные устройства.

В связи с невозможностью точных измерений толщины НД у_n, в [2] была предложен подход нечеткой оценки значений у_n в виде лингвистической переменной, которая задается набором из 3-х компонент:, где Id — имя признака, Х — множество допустимых значений признака, R (Y, x) — нечеткое множество, определенное на множестве Х и представляющее собой нечеткое ограничение на числовую оценку значения признака x, обусловленное лингвистической характеристикой Y.

Фаззификация дефектов, выраженных образованием оксидных областей различных цветов на рулоне металлического проката, решена путем построения нечетких LR-интервалов, вырожденных до стандартных _/-функций принадлежности с областью значения на интервале [0, 1].

На основании аналогичной зависимости в [2] была формализована задача травления систематических дефектов в виде окалины различных толщин и оттенков серого цвета по краям рулона и оксидных пленок по его центру.

НД нечетко описаны с помощью функции возможности р_n(Х_m) с областью значений на интервале [0,1], определяющей степень возможности отнесения дефекта к n-му классу по значению признака Х_m="черный" в сформированном классификаторе цветов НД. Функция р_n(Х_m) определяет степень возможности отнесения m-го дефекта к n-му классу по значению признака, характеризующего закономерности проявления значений толщины дефектов у_n, лежащей в нечетком LR-интервале у_n= [ D_n — c_n,; D_n + c_n].

Таблица 1. Значения функции возможности.

В [4] приведено, что скорость реакции (стартовая энергия активации травильного раствора E_a) прямо пропорциональна корню касательного напряжения потока травильного раствора ф_ст(Р_t), создаваемого на поверхности дефекта давлением Р_t с расстояния от сопла до поверхности l :

(1).

В отличие от [1], где накапливалась статистика НД на выборке из партии рулонов и отсутствовал выходной контроль Im^out, в [5] была предложена схема НТА с компараторной идентификацией дефектов проката, представленная на рис. 1.

Устройство содержит: 1- травильный агрегат с узлами нагрева рекуперации и регенерации травильного раствора; 2 — металлическую полосу; 3- блок для подачи травильного раствора через N сопел, расположенных по обеим сторонам плоскости движущейся металлической полосы с регулируемым Р_t; 4- оптический датчик выходного контроля качества травления металлической полосы с обеих сторон; 5- блок обработки оптической информации и управления технологическим процессом; 6- дозатор; 7- оптический датчик входной идентификации и позиционирования несистемных дефектов металлической полосы с обеих сторон; 8- ванна орошения травильного агрегата; 9- второй дозатор; 10-комплекс погружных травильных ванн (или одну травильную ванну).

Рис. 1.Схема НТА с идентификацией и позиционированием несистемных дефектов полосы проката

Получая данные от (7) контроллер (5) определяет позиционные координаты дефекта D^m в виде прямоугольника (х₁^m, y₁^m) — (х₂^m, y₂^m), и формирует сигнал на (3) для включения сопел N_j (j=i, i+1,…, k) на период времени.

Т_j = (y₂^m — y₁^m) / v (t).

Причем область орошения сопел N_j покрывает дефект D^m на участке полосы шириной [х₁^m, х₂^m]. Также контроллер (5) формирует сигнал для (9) для изменения номинала площади проходного сечения А_j сопла_, с целью достижения на выходе сопла N_j давления травильного раствора Р_t в соответствии со значением функции возможности р_n(X_m= «Цвет»). Интерпретируемое управляющее воздействие — изменение сечения сопла (давления) подачи травильного раствора Р_i в i-м сопле орошения, позиционно покрывающим область координат дефекта (с уточнением Д Р_t в процессе обучения синтезируемого нечеткого регулятора).

Можно сформировать ЛПУ селективным травлением полосы:

ЕСЛИ (Цвет= Х_m & D^m) ТО ((включить N_j сопла, j= i, i+1,…, k) &.

(изменить площади сечений А_j, j= i, i+1,…, k в соответствии р_n(Х_m)) (2).

Дефаззифицируя ЛПУ, получим:

ЕСЛИ (Х_m(t_i) & D^m (t_i)) ТО [А_j (t_i`)= А<sub>j</sub> *р (Х<sub>m</sub>(t<sub>i</sub>)) & А<sub>j</sub> (t<sub>i</sub>` + Т_j)= 0] (3).

для j=i,…, k, t_i`= t_i+L₇₋₃ / V (t) — ф_on, где L₇₋₃ = const — расстояние, преодолеваемое полосой проката от датчика входной идентификации (7) до сопел (3) (рис.1), V (t) — скорость сматывания полосы, ф_on —время задержки системы управления для изменения площади проходных сечений А_j.

Отсутствие априорной информации об НД (количестве, форме, размерах) приводит к методике применения нечеткой кластеризации входных данных Imⁱⁿ. Для минимизации ошибки неразличимости НД, находящихся в геометрической близости друг от друга при влиянии фоновых ошибок телеметрической аппаратуры, предложен метод входной сегментации НД.

Рис. 2.Входная сегментация несистемных дефектов полосы проката

По наборам позиционных координат части НД относят к разным сегментам S_i полосы проката. Ширина сегмента S_j соответствует по размеру орошаемой части полосы поверхности проката соплом А_j в момент отработки управляющего воздействия. В общем виде ЛПУ давлением Р_t для сопла А_j с учетом (2) можно представить в виде:

А_j (t_i`): Р<sub>j</sub> (t<sub>i</sub>`) (R { Х_m(t_i) | D^m (t_i) c S_j }), (4).

где Rопределяющее правило преобладающей альтернативы. Технические обусловленные ограничения на количество сопел N приводят к неоднозначностям управляющих воздействий на НД, находящихся рядом на поверхности проката и различных по значениям Х_m. Отношение R, определяющее предпочтительный алгоритм управления, задается при синтезе или обучении регулятора и устраняет нечеткость управления. Регулирование площади проходных сечений сопел выполняется контроллером. Этот же механизм позволяет по команде контроллера изменять в некоторых пределах и направление струи орошения (lрасстояние до поверхности), что существенно повышает гибкость и оперативность системы.

Выводы. Процедура идентификации несистемных дефектов в представленной концептуальной модели комбинированного травления, с селективным действием в начальные периоды и сглаживающим в конце процесса, формализована с применением элементов нечеткой логики. Исследование модели, анализ данных моделирования, и корректировка и расширение сформированного набора ЛПУ позволит синтезировать эффективный нечеткий контроллер НТА стального проката.

• 1. Wielfried Schlechter. PROCESS AND EQUIPMENT FOR A METAL STRIP PICLING. US Patent № 6,419,756 В08 В 1/02; В08 В 7/04, Jul. 4,2002, 6p.,
• 2. О. О. Илюнин. Система нечеткого управления травлением стали с компараторной идентификацией дефектов проката / О. О Илюнин, С. Г. Удовенко, А. А. Шамраев, А.И. Лазарев//Дніпропетровськ: Системні технології. Регіональний міжвузівський збірник наукових праць. — 2013. — № 3 (86), с. 151−159.
• 3. Т. Тэрано. Прикладные нечеткие системы / Т. Тэрано, К. Асаи, М. СугэноМ.: Мир, — 1993 — 368с.
• 4. Товажнянский Л. Л. К вопросу о загрязнениях поверхности теплопередачи пластинчатых теплообменников / Товажнянский Л. Л., Капустенко П.А.// Энергетика. — Минск: БПИ, Известия ВУЗов МВССО СССР. — 1984.-№ 6,с.101−102.
• 5. Арсеньєва О.П., Ілюнін О.О., Перевертайленко О. Ю., Подпружников П. М., Селяков О. М., Тімофєєв В.О. / Заявка на патент № U2012;09−428 від 2.08.2012 «Пристрій для безперервного травлення прокату листової вуглецевої сталі», — 5с.