Введение к работе
Актуальность работы. Одним из основных факторов, способствующих повышению эффективности функционирования агрегатов непрерывного литья заготовок, является обеспечение оптимальности технологических режимов работы оборудования с использованием автоматизированных систем управления (АСУ). Совершенствование средств компьютеризации в системе автоматизированного управления металлургическими производствами обусловливает повышенные требования к математическому, информационному и программному обеспечению АСУ технологическими процессами (ТП).
Машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), с точки зрения управления, являются сложными объектами, для которых разрабатывается несколько уровней системы автоматизации. При синтезе управления сложными объектами неизбежно использование формальных и неформальных методов сбора информации. Качество собранной информации и последующая интеграция позволяют эффективно воздействовать на объект управления и достигать поставленной цели. Одним из результатов эффективного управления ТП считают повышение качества и объемов выпуска готовой продукции.
В области теории и практики АСУ металлургических производств накоплен значительный положительный опыт. Вопросы повышения эффективности управления МНЗЛ отражены в трудах зарубежных и российских исследователей. Труды Бутковского А. Г., Растригина Л. А., Сиразетдино-ва Т. К., Лионса Ш. Л., Ногина В. Д., Девятова Д. X. и других определили развитие теории управления и методов оптимизации. В области обработки и анализа изображений можно отметить труды Горелика А. Л., Рудакова П. И., Павлидиса Т., Прэтта У., Hall С. F., Hall Е. L. и др. В области практической разработки, внедрения и эксплуатации МНЛЗ, АСУ ТП следует выделить труды Евтеева Д. П., Борисова В. Т., Журавлева В. і Л., Самойлови-ча Ю. А. и др.
Однако, несмотря на проведенные исследования и значительное число публикаций в области АСУ непрерывной разливкой стали, остаются актуальными следующие проблемы:
снижение влияния человеческого фактора на достоверность экспертных оценок качества непрерывно-литой заготовки, прлучаемых при обработке изображения её серного отпечатка поперечного сечения с низкой контрастностью;
формализованное описание производственных многостадийных процессов с учетом их декомпозиции на этапы, выявление и классификация возможных целей управления, расширение области применения методов оптимизации для ТП;
- разработка пакетов прикладных программ для интеллектуальной поддержки управления непрерывной разливки стали, выбора новых технологий и конструкций машин непрерывного литья заготовок.
Цель и задачи работы. Целью работы является повышение эффективности управления непрерывной разливкой стали путем теоретического обоснования и исследования оптимальных режимов охлаждения, взаимосвязей между тепловыми полями и дефектами заготовки, создания и внедрения программных модулей математического моделирования, оптимизации теплового состояния заготовки, человеко-машинной подсистемы оценки и прогнозирования качества продукции.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: -теоретико-информационный анализ машин непрерывного литья заготовок и технологического процесса непрерывной разливки стали для определения источников, способов получения и методов обработки информации в АСУ ТП;
-математический анализ изображений серных отпечатков с низкой контрастностью и объектами нерегулярной формы, включающий получение изображения в электронной форме, удаление шумов, сегментацию изображения и классификацию объектов, разработку эргатической подсистемы управления качеством непрерывно-литой заготовки по серному отпечатку темплета;
классификация требований к производству непрерывно-литой заготовки, получение информации о тепловом состоянии заготовки на основе математического моделирования и построение расширенного списка прямых и косвенных критериев для управления ТП;
модификация и исследование эффективности применения неградиентного метода случайного поиска с операторами адаптации для поиска оптимальных режимов вторичного охлаждения при зональной конструкции машин непрерывного литья заготовок и динамическом изменении скоростных показателей в АСУ непрерывной разливки стали;
разработка алгоритмов и программного обеспечения для идентификации параметров вторичного охлаждения и интеллектуальной поддержки принятия решений в системе управления непрерывной разливки стали, получаемой в условиях электросталеплавильного и кислородно-конверторного цехов Магнитогорского металлургического комбината;
совершенствование программы управления вторичным охлаждением непрерывно-литой заготовки на машинах непрерывного литья заготовок криволинейного типа, действующих в условиях кислородно-конверторного цеха Магнитогорского металлургического комбината.
Научная новизна. В диссертации сформулирована и решена проблема совершенствования АСУ ТП непрерывной разливки стали.
1. Выполнен системный анализ сложности и структурированности процесса непрерывной разливки стали. Результаты анализа включают построение онтологической структуры и функциональных моделей технологического процесса для решения задач оптимизации.
Предложены математическая модель низкоконтрастного изображения для получения экспертной информации о качестве стальной непрерыв-нолитой заготовки с применением эргатической системы и формализация задачи многокритериальной оптимизации режимов вторичного охлаждения, отличающиеся заданием бинарного отношения на множестве критериев с учетом предпочтения лица, принимающего решения.
Решена задача оптимизации с использованием модифицированного неградиентного метода случайного поиска с операторами адаптации. Отличие модифицированного метода состоит в декомпозиции процесса поиска с учётом зональной конструкции МНЛЗ и обеспечении возврата к любой стадии процесса.
Разработаны алгоритмы для идентификации параметров оптимальных режимов охлаждения заготовки в процессе непрерывного литья, которые обеспечивают принятие решений на основе математического моделирования и обработки экспериментальных данных.
На основе анализа экспертной информации показано, что распределение дефектов по сечению заготовки носит вероятностный характер. Предложена процедура автоматизированной оценки качественной взаимосвязи между тепловыми полями и дефектами, которая в отличие от известных учитывает вероятностный характер распределения дефектов по сечению заготовки.
Предложены обобщающие зависимости для управления технологическими режимами вторичного охлаждения при получении непрерывно-литых заготовок повышенного качества, отличающиеся от ранее известных выбором факторов на основе анализа причинно-следственных диаграмм.
Практическая значимость работы. Практическая ценность работы заключается в разработке новых технологических режимов вторичного охлаждения, обеспечивающих условия эффективной эксплуатации действующих МНЛЗ, в разработке системы объективной оценки качества непрерыв-нолитых заготовок прямоугольного и квадратного сечения, разработке программного обеспечения для АСУ ТП. Предложенные алгоритмы оценки качества непрерывно-литой заготовки прямоугольного и квадратного сечения опробованы в лаборатории физико-механических и металлографических испытаний толстолистового и сортового проката.
Новизна и значимость технических решений подтверждены патентами РФ, свидетельствами об отраслевой разработке и публикациями в научных изданиях. Представленные в диссертации методы, способы и программные средства опробованы при разработке технологической инструкции по непрерывной разливке стали в кислородно-конверторном цехе Магнитогорского металлургического комбината. Научные аспекты исследований нашли отражение в учебно-методическом материале и используются в учебном процессе Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова». В 2006 г. научный проект «Программное обеспечение проектирования технологии обработки непрерывно-литой заготовки на машинах непрерывного литья заготовок и оценки их качества» занял второе место в номинации «Информационные технологии и электроника» второго областного салона инноваций и инвестиций (г. Челябинск). В 2008 г. научная разработка «Технология автоматизированной оценки качества непрерывно-литой заготовки прямоугольного и квадратного сечения» награждена бронзовой медалью VIII Московского международного салона инноваций и инвестиций.
На защиту выносятся:
концептуальные функциональные модели для проведения теоретико-информационного анализа, отображающие структуру и параметры управления, позволяющие выполнить математическое моделирование и оптимизацию разливки стали;
метод получения экспертной информации о качестве непрерывно-литой заготовки на основе автоматизированной обработки низкоконтрастного изображения серного отпечатка поперечного сечения, позволяющий снизить влияние человеческого фактора в системе управления;
модифицированный метод оптимизации теплового состояния заготовки в металлургическом производстве, позволяющий осуществить идентификацию параметров оптимального охлаждения с учетом списка целевых функций и предпочтений лица, принимающего решения;
эргатическая подсистема для автоматизированной оценки качества непрерывно-литой заготовки на основе электронного изображения серного отпечатка заготовки, позволяющая повысить достоверность экспертной информации в системе управления непрерывной разливки стали;
прикладные программные продукты модулей АСУ непрерывной разливки стали для исследования технологического процесса, визуализации тепловых полей непрерывно-литой заготовки и конструкций машин непрерывного литья заготовок, позволяющие снизить экономические затраты на проведение натурных экспериментов;
6) обобщенные зависимости для программы управления вторичным охлаждением, позволяющие получить непрерывно-литые заготовки повышенного качества без снижения объемов производства.
Апробация работы. Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях и семинарах, из которых 14 с международным участием. По итогам научно-исследовательских работ представлено 29 докладов.
Публикации. Результаты работы представлены в 43 публикациях, в числе которых одна монография, три патента Российской Федерации и два свидетельства о регистрации программного обеспечения и алгоритмов в Отраслевом фонде алгоритмов и программ Российской Федерации, 20 работ опубликовано в журналах, рекомендованных ВАК. Технология литья заготовок, разработанная на основе изобретения, отмечена золотой медалью IV Московского международного салона инноваций и инвестиций.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 381 странице, в том числе: основной текст на 357 страницах, 38 таблиц, 170 рисунков, библиографический список из 204 наименований на 20 страницах, приложение на 24 страницах.
