Введение к работе
Актуальность темы. За последние 10 лет отмечено снижение срока службы стальных изделий во всех сферах применения, обусловленное повышенной коррозионной активностью сред, в которых они эксплуатируются. Процесс горячего оцинкования приводит к расширению области применения металлических изделий в активных средах. По этой причине наблюдается увеличение спроса на оцинкованные изделия до 7 миллионов тонн в год. В условиях ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» процесс оцинкования осуществляется на агрегатах непрерывного горячего цинкования (АНГЦ).
В основе процесса горячего оцинкования лежит принцип распределенной во времени и пространстве термической обработки изделий. Качество получаемой продукции и эффективность технологических процессов определяются стабильностью поддержания таких параметров нагрева изделия, как скорость протягивания полосы и температурный режим в зонах.
Отклонение от требуемой технологией программы термообработки, субъективный характер управления и негативное влияние внешних возмущающих факторов на термические процессы оказывают воздействие на качество выпускаемой продукции. Наблюдается рост объемов некондиционной продукции, достигающий 8 - 9 % от общего объема продукции. Отклонение от температурного режима приводит к перегреву поверхности полосы, неравномерности цинкового покрытия, возникновению наплывов отслоения, шероховатости цинковых покрытий и разрушению рабочих элементов печи.
Решению вопросов рационального термохимического отжига посвящено большое количество работ Аптермана В.Н., Еринова А.Е., Иванова И.А., Лисовского СИ. В работах рассматривается математическое моделирование теплового состояния полосы при движении по технологическим зонам в процессе оцинкования. В основу этих моделей положено частное решение систем дифференциальных уравнений, описывающих процесс теплопереноса в пространстве печи. Вопросам выбора технологически рационального управления для процесса горячего оцинкования посвящены работы Тымчака В.М. и Гельмана Г.А., которые предлагали представить зоны протяжной печи в виде последовательно-параллельного соединения инерционных звеньев второго порядка.
Однако, несмотря на проведенные исследования и значительное число публикаций в области управления агрегатами горячего цинкования, остаются актуальными следующие проблемы:
отсутствие методик настройки и регулирования процесса отжига на агрегате горячего цинкования в автоматизированном режиме для полос толщиной от 6х10~4 до2,5хЮ"3м;
отсутствие программно-аппаратного комплекса для интеллектуальной поддержки принятия решений в автоматизированной системе управления для агрегата горячего цинкования, построенного на основе современной теоретической базы, позволяющей учитывать многозонную структуру технологического агрегата.
Для решения проблем в работе предложены математическое описание, методики и программная реализация, позволяющие синтезировать автоматизированный
комплекс поиска и стабилизации распределения температур по зонам участка нагрева, построенных на основе искусственных нейронных сетей.
Цель работы - уменьшение доли некондиционной продукции горячего цинкования в условиях энергосберегающего режима протекания процесса термохимического отжига при использовании автоматизированной системы управления, построенной на основе искусственных нейронных сетей и учитывающей зональную конструкцию АНГЦ.
Задачи исследования:
-
теоретико-информационный анализ технологических особенностей процесса термического отжига стальной полосы на АНГЦ;
-
проведение экспериментальных исследований в ходе функционирования агрегата горячего цинкования для выявления факторов, оказывающих существенное влияние на формирование температурных программ отжига;
-
разработка математического описания процесса термического отжига полосы, состоящего из трех взаимосвязанных подсистем имитационного моделирования процесса отжига полосы в башенной печи АНГЦ, поиска распределения температур по зонам участка нагрева протяжной печи АНГЦ, стабилизации температурных уставок по зонам участка нагрева протяжной печи АНГЦ;
-
синтез адаптивного регулятора на основе искусственных нейронных сетей, позволяющего поддерживать на заданном уровне уставки температур по зонам печи;
-
реализация программно-аппаратного комплекса для управления процессом отжига стальной полосы на АНГЦ
Объект исследования - системы поиска и стабилизации управления технологическим режимом непрерывного горячего оцинкования полосы.
Предмет исследования - информационное, математическое и программное обеспечение автоматизированного комплекса поиска и стабилизации распределения температур по зонам участка нагрева протяжной печи.
Научной новизной обладают:
-
модели для имитационного моделирования процесса отжига полосы в башенной печи агрегата непрерывного горячего цинкования, модели поиска технологически рациональных температурных уставок по зонам участка нагрева протяжной печи АНГЦ и стабилизации температурных уставок по зонам участка нагрева, отличительной особенностью которых является трансляция значений технологических параметров между подсистемами, что позволяет создать новый механизм технологически рационального управления многозонным агрегатом;
-
многослойный персептрон, охваченный обратными связями и обучаемый методом RPROP (resilient back propagation), используемый для поиска технологически рационального распределения температур по зонам участка нагрева полосы;
-
алгоритм работы универсального самонастраивающегося регулятора, способного управлять нестационарными объектами с многозонной структурой и технологическими параметрами, отличающийся от ранее известных тем, что нейронная сеть формирует управляющие воздействие, которое подается на вход исполнительного устройства.
Практическую значимость имеют:
-
разработанный комплекс поиска и стабилизации технологически рационального распределения температур по зонам печи, построенный на основе искусственных нейронных сетей и способный прогнозировать температурное состояние многозонного агрегата в реальном времени, осуществлять поиск и поддержание уставок для регуляторов зон, что позволяет обеспечить выпуск продукции требуемого качества;
-
предложенное программно-аппаратное решение задачи поиска и стабилизации распределения температур по зонам печи, позволяющее обеспечить технологически рациональный и энергосберегающий режим работы агрегата, увеличить срок службы нагревательных элементов;
-
программная и аппаратная реализация комплекса поиска и стабилизации, построенного на основе искусственных нейронных сетей и способного эффективно функционировать в условиях неполной и недостаточной информации о параметрах управляемого процесса.
Результаты исследований внедрены в промышленную эксплуатацию в виде обучающей модели для технологов цеха покрытий ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат».
Научные аспекты исследований нашли отражение в учебно-методическом материале и используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».
Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 гг. по государственному контракту 14.740.11.0498 «Разработка алгоритмов и методов создания адаптивной нейросетевой системы управления многопараметрическими технологическими агрегатами», программы содействия развитию малых форм предприятия в научно-технической сфере по государственному контракту № 7056р/9625 «Разработка и исследование энерго- и ресурсосберегающих технологий и технических решений для производства конкурентоспособного продукта» и государственному контракту № 10059р/14223 «Разработка и исследование инновационных технологий и ресурсосберегающих технических решений для различных областей промышленности».
На защиту выносятся:
-
модели функционирования системы поиска и стабилизации технологически рационального распределения температур по зонам печи, основанные на аппарате искусственных нейронных сетей;
-
модели имитационного моделирования процесса отжига полосы в башенной печи АНГЦ для прогнозирования температурного состояния агрегата, поисковой системы для определения технологически рационального распределения, адаптивного регулятора для стабилизации технологических уставок температурного режима отжига полосы на участке нагрева протяжной печи АНГЦ;
-
алгоритмы поиска и стабилизации технологически рационального распределения температур по зонам печи и их программная реализация.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации обсуждались и были одобрены на международных научных конференциях «Создание и внедрение корпоративных информационных систем (КИС) на промышленных
предприятиях Российской Федерации» (Магнитогорск, 2008); «Применение ОСРВ QNX во встраиваемых системах» (Санкт-Петербург, 2008); «Workshop on Computer Science Information Technologies» (Анталия, 2008); «Творческое наследие Б.И. Китаєва» (Екатеринбург, 2010); «Новые технологии в металлургии» (Липецк, 2011); «Математическое и программное обеспечение в промышленной и социальных сферах» (Магнитогорск, 2011); «Теория и практика тепловых процессов в металлургии» (Екатеринбург, 2012); «Проблемы информатики и моделирования» (Харьков, 2012), а также на всероссийском конкурсе инновационных проектов аспирантов и студентов «Информационно-телекоммуникационные системы» (Москва, 2008) и всероссийской зимней школе-семинаре аспирантов и молодых ученых (Уфа, 2008, 2010).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 3 статьи в изданиях из «Перечня ...» ВАК, 8 статей в материалах международных и всероссийских научных конференций, зарегистрирована в ВНТИЦ одна программа для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованных источников из 81 наименования, изложена на 149 станицах и включает 55 рисунков, 10 таблиц и 7 приложений.
