Введение к работе
Актуальность темы. Автоматизация технологических процессов является решающим фактором в повышении производительности труда и улучшении качества выпускаемой продукции. За последнее десятилетие мировой объём разливаемой стали на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) превысил 60 %. В связи с ростом спроса на стальные изделия российских предприятий промышленного и гражданского строительства, а также потребности в товарной сортовой заготовке за рубежом, в России также существенно возросло количество стали, разливаемой на МНЛЗ. Одновременно с увеличением потребностей в объёмах производства растут требования к качеству непрерывно-литых заготовок. Поэтому задачи повышения эффективности разливки стали за счёт снижения количества дефектов в заготовках, рационального использования сырья и увеличения межремонтного периода работы технологического оборудования являются весьма актуальными.
Отечественный и мировой опыт эксплуатации МНЛЗ показывает, что повышение точности стабилизации уровня металла в кристаллизаторах приводит к существенному снижению числа дефектов в заготовках и, в конечном итоге, к росту объёмов производства и уменьшению себестоимости продукции. Решение этой проблемы может быть достигнуто за счёт совершенствования систем автоматизации контроля и управления процесса разливки металла на основе достижений современной теории управления.
В диссертации на основе наблюдателя состояния разрабатываются методы и алгоритмы управления и контроля, позволяющие повысить точность стабилизации уровня металла в кристаллизаторах, своевременно распознавать появления шлака в расплаве, а также повысить ресурс шиберных затворов, что обеспечивает повышение эффективности и безопасности производства.
Работа выполнена в рамках НИР: СТИ НИТУ МИСиС по договору с ОАО «ОЭМК» № 1257/08 от 04.05.2008 "Разработка интеллектуальной системы ситуационного управления производственным процессом ЭСПЦ ОАО «ОЭМК»", а также в рамках госбюджетной НИР № 01201053113 "Разработка теоретических основ энергоресурсосбережения и экологической безопасности металлургических процессов".
Целью исследования является разработка системы управления выпуском металла на МНЛЗ с использование нелинейного наблюдателя состояния для ведения процесса разливки в наиболее эффективном
режиме. Система должна обеспечивать высокую точность стабилизации уровня металла при минимальных воздействиях на исполнительные механизмы, а также осуществлять раннее распознавание шлака.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе определены следующие задачи исследования:
анализ проблем управления процессом разливки стали на МНЛЗ;
построение адекватной математической модели, учитывающей действие не измеряемых возмущающих воздействий, на основе анализа гидравлического режима разливки стали на МНЛЗ;
разработка нелинейного наблюдателя координат состояния для оценки уровней металла, проверка устойчивости процесса наблюдения и выбор коэффициентов матрицы коррекции. Оценка износа сталераз-ливочного стакана шиберных затворов в условиях непрерывной разливки стали на МНЛЗ;
разработка системы раннего распознавания шлака в стальковше и промковше на основе оценок уровней металла наблюдателем координат состояния;
- разработка и исследование дискретной системы управления
уровнями металла на основе наблюдателя координат состояния в усло
виях действия не измеряемых возмущающих воздействий в виде явле
ний «залипання» и «размывания» шиберных затворов;
сравнительный анализ работы регулятора на основе наблюдателя состояния с типовыми промышленными регуляторами;
интеграция разработанной системы управления выпуском металла в существующую АСУТП МНЛЗ ОАО ОЭМК.
Методы исследования. В работе использованы методы математического моделирования гидродинамических процессов; методы современной теории систем автоматического управления; методы статистического анализа; теории автоматизированного управления; методы дифференциальных исчислений; методы имитационного моделирования.
Методологическую и теоретическую основу диссертационной работы составили научные труды отечественных и зарубежных ученых в области теории разливки стали, теории автоматического управления, моделирования динамических процессов.
Научная новизна:
- разработан нелинейный наблюдатель координат состояния, по
зволяющий получить более точные значения уровней металла в про
цессе разливки, отличающийся от классического варианта возможно
стью оценки не только координат состояния объекта, но и не измеряе
мого возмущающего воздействия;
построена система раннего распознавания шлака, позволяющая снизить количество годного металла, остающегося в ковшах по окончании разливки и не допустить попадания шлака из кристаллизатора в непрерывно-литую заготовку;
предложена процедура выбора коэффициентов матрицы коррекции, гарантирующая устойчивость процесса наблюдения;
разработана дискретная система управления процессом стабилизации уровней металла на основе наблюдателя координат состояния. Произведена настройка параметров регулятора с учётом выбранных критериев качества управления, позволяющая повысить ресурс шиберного затвора. Проведен сравнительный анализ систем стабилизации уровня металла с использованием типовых промышленных регуляторов и регулятора на основе наблюдателя.
Достоверность научных результатов. Достоверность результатов диссертационного исследования подтверждается корректным использованием современных методов математического моделирования гидродинамических процессов и статистического анализа, сравнением результатов полученных при помощи методов имитационного моделирования с практическими данными; проведенными исследованиями возможности и эффективности использования полученных результатов.
Практическая значимость работы. Предложенные в работе модели, методы оценок, управления реализованы в составе специального программного обеспечения, ориентированы на практическое использование в рамках действующей автоматизированной системы управления разливкой стали на МНЛЗ.
Использование результатов работы для решения задач управления процессом разливки стали позволяет:
повысить эффективность разливки металла за счёт повышения качества стабилизации уровней и раннего распознавания шлака.
оценивать эффекты «размывания» и «залипання», тем самым контролировать состояние выпускного отверстия и прогнозировать время замены сталеразливочного стакана.
В связи с положительными отзывами на разработанные в диссертации предложения по модернизации системы управления выпуском металла на МНЛЗ с использованием нелинейного наблюдателя состояния для ведения процесса разливки в наиболее эффективном режиме, положения работы приняты для внедрения ОАО «ОЭМК».
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе СТИ НИТУ МИСиС при обучении студентов по дисциплинам: «Автоматизация технологических процессов и производств»,
«Моделирование систем». Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных конференциях:
Международная научно - практическая конференция преподавателей, сотрудников и аспирантов «Образование, наука, производство и управление» (г. Старый Оскол, 2009г.); III научно - техническая конференция ОАО «ОЭМК» (г. Старый Оскол, 2010г.); Международная научная заочная конференция «АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ СОВРЕМЕННОЙ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ» (г. Липецк, 2010г.); Седьмая международная научно-техническая конференция «СОВРЕМЕННАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ НАЧАЛА НОВОГО ТЫСЯЧЕЛЕТИЯ» (г. Липецк, 2010г.); П-я Международная научная заочная конференция «АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ СОВРЕМЕННОЙ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ» (г. Липецк, 2010г.); Международная научно - техническая конференция «АПИР-15», «АВТОМАТИЗАЦИЯ: ПРОБЛЕМЫ, ИДЕИ, РЕШЕНИЯ» (г. Тула, 2010г.)
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 9 научных работах, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ: в периодическом издании «Вестник Воронежского государственного технического университета» (г. Воронеж, 2010 г., Т.6. №4.); в периодическом издании «Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика» (г. Москва, 2010 г., №10.) и монография Митин А., Криво носов В., Автоматизация процесса разливки стали на МНЛЗ. Повышение эффективности контроля и управления, LAP LAMBERT Academic Publishing, 2012г., 155c.
Автору принадлежит: постановка задач теоретических и экспериментальных исследований; разработка нелинейного наблюдателя координат состояния; разработка системы раннего распознавания шлака и системы оценки эффектов «залипання» и «размывания» шиберных затворов; анализ работы дискретной системы управления уровнями металла на основе наблюдателя; обработка полученных результатов, анализ, научное обоснование и формулировка выводов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 105 наименований и 3 приложений. Основная часть работы изложена на 112 страницах машинописного текста, содержит 79 рисунков и 9 таблиц, всего 167 страниц.
