Содержание к диссертации
Введение
Анализ современного состояния автоматизации технологического процесса непрерывной прокатки 10
1.1. Анализ существующих измерительных систем 10
1.2. Анализ существующих методов автоматизированного расчета режимов прокатки 21
1.3. Анализ методов и систем оперативного управления прокаткой 36
Анализ принципов управления технологическим процессом прокатки медных полос 53
2.1. Анализ принципов формирования портфеля заказов 54
2.2. Анализ структуры технологического процесса 57
2.3. Анализ принципов оценивания процесса деформации 64
2.4. Рассмотрение методики оценивания формы прокатанных полос 70
2.5. Цель и постановка задачи управления технологическим процессом прокатки 80
Разработка системы оперативного контроля характеристик деформации полосы 90
3.1. Разработка структуры измерительного комплекса 93
3.2. Анализ метрологических аспектов проводимых измерений 104
3.3. Формирование схемы фиксации координат полосы 110
3.4. Определение принципов локализации искажений 118
3.5. Формирование правил расчета и обобщения оценок деформации 126
Разработка структуры и алгоритмов асутп прокатки 134
4.1. Определение структуры и функциональных особенностей системы управления прокатным станом 135
4.2. Определение принципов управления процессом прокатки 143
4.3. Разработка алгоритмов управления прокаткой 150
4.4. Разработка специального программного обеспечения и численный анализ работы системы 166
Заключение 174
Список использованных источников 176
Акт опытно-промышленных испытаний 191
Акт внедрения 192
Приложение А 193
Приложение Б 197
- Анализ существующих измерительных систем
- Анализ структуры технологического процесса
- Разработка структуры измерительного комплекса
- Определение структуры и функциональных особенностей системы управления прокатным станом
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в России и за рубежом наблюдается бурное развитие рынка электроэнергии: осуществляется масштабная реконструкция энергосистем, вводятся в эксплуатацию новые мощности. В связи с этим, за последние пять лет, резко возросла цена на медьсодержащие электротехнические элементы, в частности, на плоский медный прокат. По состоянию на апрель 2007 г. рыночная стоимость медной полосы составляет 250 000 - 300 000 руб./т.
Существенной составляющей себестоимости медного проката (порядка 45-55 %) являются затраты на производство. Поэтому снижение производственных затрат за счет автоматизации и оптимизации управления технологическими процессами производства медной полосы требует новых исследований и технических решений.
При анализе состояния автоматизации производства медной полосы выявлены недостатки действующих систем автоматического управления или АСУТП прокатки. Использование известных систем автоматизированного управления процессом прокатки не позволяет оперативно (в ритме с процессом прокатки) учитывать характеристики локальных деформаций полосы. Также в большинстве современных АСУТП не проводится комплексные оценивание и учет нестационарности характеристик прокатки от цикла к циклу. Все это в совокупности приводит к понижению качества готовой продукции и появлению обрези до 15-20 % от ее общей массы.
Увеличение массы обрези приводит к снижению производительности за счет возрастания рециркулирующих потоков (с соответствующими энергозатратами). В свою очередь изделия, не удовлетворяющие требуемым нормативам качества, реализуются заказчику по меньшей цене. Данные явления негативно отражаются на прибыли предприятия.
Исходя из вышеизложенного, в диссертации решается актуальная задача улучшения качественных показателей работы прокатных станов за счет усовершенствования автоматизированной системы управления процессом прокатки медных полос.
Цель исследования. Целью настоящей диссертационной работы является снижение массы обрези при обеспечении заданных показателей качества производимой рулонной медной полосы за счет создания адаптивной автоматизированной системы управления технологическим процессом прокатки.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие научно-технические вопросы:
? изучение закономерностей влияния нестационарности характеристик прокатного оборудования на качественные показатели прокатываемой полосы (локальные искажения, объем обрези);
? разработка методов и алгоритмов оперативного оценивания локальных искажений полосы в ритме с процессом прокатки;
1 формирование функциональных схем, составляющих адаптивную АСУТП прокатки, и разработка алгоритмов функционирования ее элементов;
? разработка алгоритмов коррекции (улучшения) технологических режимов прокатки полосы от цикла к циклу на основании полученных оценок качества готовой полосы;
? разработка программного комплекса, реализующего полученные алгоритмы функционирования АСУТП прокатки и оценка эффективности его работы.
Методы исследования: теория множеств при формализации характеристик процесса прокатки; численные методы при выявлении закономерностей влияния параметров прокатного стана на формирование качественных показателей готовой полосы; математическая статистика при разработке методов контроля локальных искажений полосы; методы идентификации систем, функциональный анализ и методы искусственного интеллекта при разработке алгоритмов оперативного оценивания состояния прокатываемой полосы и выбора соответствующих режимов прокатки. Автор выносит на защиту:
формализацию закономерностей влияния нестационарности характеристик прокатного оборудования на качественные показатели прокатанной полосы;
метод оценивания пространственного состояния координат полосы при оперативном контроле ее локальных искажений; функциональная схема адаптации работы прокатного стана (через коррекцию технологических режимов) на основании оценок состояния прокатанных полос;
алгоритмы и программы рационального выбора технологических режимов прокатки при управлении работой стана от цикла к циклу.
Научная новизна полученных результатов:
получили дальнейшее развитие методы математического описания (в пространственных и режимных координатах) изменения формы и геометрических размеров рулонной медной полосы в процессе прокатки, с использованием которых изучены закономерности влияния нестационарности характеристик работы стана при многоклетевой прокатке на качественные показатели прокатываемой полосы, что позволило получить систему связей между состояниями полосы и соответствующими им режимами прокатки;
впервые разработаны модели оперативного оценивания локальных искажений полосы в процессе ее деформации, и формирования на их основе корректирующих воздействий на пространственные координаты состояния полосы;
впервые с применением прогрессивных информационных технологий (правила ассоциативного связывания и принцип динамического стереотипа) разработана методика рационального выбора технологических режимов прокатки при управлении работой стана от цикла к циклу; усовершенствована функциональная схема АСУТП прокатки путем включения в контур управления следящего идентификатора с элементами интеллектуализации (системы ассоциативной памяти), что позволило обеспечить минимизацию массы обрези за счет последовательной адаптации режимов прокатки к изменяющимся характеристикам клетей и стана.
Практическая значимость полученных результатов:
предложенный в работе метод оперативного оценивания локальных искажений полосы при ее деформации, реализованный в виде алгоритма, позволяет сократить объем данных, хранимых в базе данных для описания технологического процесса, а также классифицировать в БД состояния прокатанной полосы по типам искажений для улучшения качества управляющих решений, принимаемых оператором; созданная схема идентификации системы управления прокаткой по состоянию полосы, позволяет осуществлять каскадный (от клети к клети) выбор режимов прокатки, что дает возможность своевременно улучшить качество прокатываемой полосы; т.е. уменьшить число возникающих локальных искажений и снизить возможный объем обрези; разработанный ассоциативный алгоритм интеллектуализированной идентификации, в ходе технологического процесса (от цикла к циклу) позволяет накапливать и структурировать информацию о реализованных режимах прокатки, их эффективности, полученных оценках искажений полосы и объема обрези. Системы ассоциативных связей (в банках данных) могут быть использованы для других станов и сортаментов (с предварительно внесенными поправками); разработанные процедуры накопления и структурирования информации, позволяют хранить ее в базе данных в явном виде, что дает возможность оператору корректировать условия работы системы в ритме с технологическим процессом.
Анализ существующих измерительных систем
Все результаты диссертации получены автором самостоятельно и заключаются в следующем: в [20] предложен принцип хранения изображений прокатываемой полосы (в пространственных координатах) в базах данных; [50] посвящена разработке методов контурного анализа, используемых при фиксации координат полосы; в [38,45] разработаны методы измерения и анализа локальных искажений полосы; [46,51,56] посвящены разработке принципов ассоциативного управления технологическим процессом прокатки; аналитические модели прогноза кредитных показателей, в [21] представлен метод оперативной адаптации работы прокатного оборудования, в [57] рассмотрены принципы реализации систем ассоциативных связей в виде реляционных баз данных. В совместных работах диссертанту принадлежат: в [38],[45] - метод пространственной декомпозиции полосы и структура измерительных комплексов, в [56] - принципы формирования пространства состояний объекта. В работах [20],[21],[46],[50],[51],[57] соавторов нет.
Соответствие содержания диссертации паспорту специальности. Работа соответствует положениям паспорта ВАК по специальности 05.13.06 - "Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в металлургии)". Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 9 печатных работах. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, выводов, списка использованных литературных источников из 156 наименований на 15 страницах и приложений на 10 страницах. Общий объем работы - 202 страницы. Работа содержит 47 рисунков (из них 41 вынесены на 38 отдельных листов) и 12 таблиц (из них 3 вынесены на 2 отдельных листа). Задача автоматизации технологических процессов непрерывной прокатки была поставлена в конце 50-х годов, с установкой в СССР первых непрерывных станов [17]. Под автоматизацией тогда подразумевался контроль основных характеристик функционирования прокатного оборудования с применением измерительных датчиков и автоматических регуляторов. С развитием вычислительной техники понятие автоматизации технологических процессов существенно расширилось. В настоящее время АСУТП прокатки включает в себя элементы низовой автоматики, системы поддержки принятия решений оператора, системы автоматизированного проектирования процессов прокатки и пр. Данные системы в совокупности, под управлением операторов прокатного стана, обеспечивают решение задачи производства качественного проката. Эффективность принимаемых решений зависит от трех факторов: точность и полнота информации о состоянии прокатываемой полосы, соответствие используемого режима прокатки текущему состоянию полосы и точность управления на основании используемого режима. Эти показатели зависят от используемых на производстве измерительных систем, систем расчета режимов прокатки и систем оперативного управления прокаткой. Рассмотрим каждый из этих вопросов. Основным требованием при выборе измерительных систем на современных прокатных станах является возможность их перманентной модернизации [151]. Поэтому при их разработке большинство производителей использует принцип модульности технологического оборудования. Данный подход определяет структуру измерительных систем, принципы функционирования ее элементов. Базовым для разработки модульных систем является условие автономности отдельного измерительного агрегата. То есть в систему управления подаются обобщенные данные о состоянии полосы, что значительно уменьшает объем вычислений, производимых самой системой, и упрощает ее архитектуру. Данный подход применяется большинством европейских и североамериканских компаний-поставщиков, предлагающих комплексы несвязанных специализированных систем: измерения ширины (WG) и толщины (TG), фиксации продольного и поперечного профиля (SPMS), температурного профиля (ТР), скорости движения-длины (VLG), натяжения (TnG), инспекции поверхности (SIS) полосы. Обобщая последний опыт модернизации прокатных станов компаниями IMS [117], Thyssen Krupp Stahl AG [71], Siemens AG [120], LAP [112] и VAI [151] на рис. l.l.a определены предпочтительные позиции для установки систем измерения геометрических характеристик полосы. Как видно из схемы, системы измерения геометрических характеристик полосы адаптированы для решения специфических задач на строго определенных участках стана.
Преимуществом принципа модульности является отсутствие проблемы совместимости, дающее возможность применять узкоспециализированные системы от различных фирм, с наилучшим соотношением цена-качество. Однако высокая стоимость, и зачастую громоздкость, таких систем не позволяет устанавливать их в межклетевых промежутках черновой и чистовой групп.
Анализ структуры технологического процесса
Второй блок - база данных для измерений (БД/ИК) - состоит из электронного хранилища данных и компьютерной системы управления данными. С использованием БД/ИК осуществляется пространственное закрепление измерений (полученных от ИК) и их хранение в виде координатных множеств. Третий блок - блок численного анализа формы полосы (БАФ) - это компьютерная вычислительная система, предназначенная для определения фактических размеров и формы полосы на основании множества ее координат. Четвертый блок - блок расчета оценок деформации (БРОД) - реализован аналогично. С помощью компьютерной вычислительной системы фактические размеры полосы сопоставляются с нормативными; в результате формируются косвенные оценки деформации полосы в отдельной клети.
Сформированные наборы оценок деформации от всех клетей передаются в блок обобщения характеристик деформации (БОХД). В этом блоке, с помощью компьютерной вычислительной системы, определяется характер процесса прокатки в виде набора состояний полосы, изменяющихся от клети к клети. Сформированный набор состояний передается в систему управления, где, согласно п. 2.5, с его использованием формируются управляющие воздействия для клетей и стана в целом.
Таким образом, при разработке системы измерений характеристик деформации необходимо последовательно определить принципы работы каждого ее блока (см. рис. 3.1): на основании анализа характера измеряемых деформаций разработать структуру измерительного комплекса (блок 1); рассмотреть метрологические аспекты его работы; сформировать схему фиксации пространственных координат полосы (блок 2); определить принципы локализации искажений полосы и расчета их величины (блок 3); сформулировать правила расчета (блок 4) и обобщения (блок 5) оценок деформации.
Согласно приведенной на рис. 3.1 схеме системы измерений, на выходе из каждой клети (в позициях z\..zr) установлено г идентичных приборных рамок: ПРі ..ПРГ. Для их комплектации в п. 1.1 были выбраны типы датчиков, используемые для установки в межклетевых промежутках. Принципы компоновки выбранных датчиков в измерительный комплекс существенно зависят от характера измеряемых деформаций. Поэтому задача разработки структуры измерительного комплекса состоит в классификации видов деформаций полосы; определении принципов их фиксации выбранными измерительными устройствами.
Классификация видов деформаций полосы основана на результатах анализа процесса объемного формоизменения полосы, проведенного в п. 2.2. Так были выделены три основных типа деформации: обжатие, уширение и вытяжка. Деформации всех типов проявляются исключительно в комплексе с остальными, и связаны между собой соотношениями (2.23) - (2.25). Определение их численных показателей, исходя из (2.20), осуществляется на основании измеренных геометрических характеристик полосы в каждой ее точке. Согласно п. 2.3, геометрические характеристики рассчитываются при сопоставлении пространственных координат граней полосы. При этом грани полосы представляются в виде системы криволинейных поверхностей вида (2.41).
В соответствии с выражением (2.17) геометрические характеристики делятся на три типа: толщина h, ширина Ъ и длина /. Согласно (2.42) - (2.44), каждому типу геометрических характеристик соответствует пара граней: толщине - "плоские" грани (верхняя Ы ур) и нижняя hbk(y,z)); ширине - "боковые" (левая blk(z) и правая br z)); длине - "краевые" (передняя /д и задняя Ibk). Тогда при анализе формы плоских граней определяется характер обжатия полосы, при анализе боковых - характер ее уширения, а при анализе краевых - характер вытяжки. В случае неоднородной вытяжки координаты краевых граней дополняются сведениями о скорости движения полосы в каждой ее точке по направлению прокатки v z). Это позволяет фиксировать нелинейные искажения вытяжки, проявляющиеся за счет явлений проскальзывания полосы и колебания скоростей вращения валков.
Согласно приведенным рассуждениям, для определения принципов фиксации деформаций полосы необходимо рассмотреть механизм работы трех типов измерителей: ИП - измерители формы плоских граней, ИК - измерители формы боковых граней (далее кромки), ИС - измеритель скорости движения полосы.
Анализ механизма работы измерителей формы плоских граней (ИП) состоит в составлении схемы их размещения на приборной рамке, формировании правил тарировки измерителей, определении принципов фиксации координат плоских граней полосы: ht iy z) и hbk(y,z).
Схема размещения измерителей на приборной рамке зависит от особенностей искажений, проявляющихся при деформации. В соответствии с п. 2.2, тип и величина искажений плоских граней связаны с местом их возникновения. В современных системах управления прокаткой используется "пя-тизонная" схема фиксации искажений. Согласно этой схеме, деформация плоских граней закрепляется и оценивается в пяти поперечных зонах: левая краевая (1), левая срединная (2), центральная (3), правая срединная (4) и правая краевая (5). На рис. 3.2 приведены иллюстрации зонирования для семи наиболее распространенных типов локальных искажений (по американскому стандарту ASTM А568/ А568М [78]): краевые односторонние (а), двусторонние (б) и сплошные волны (в), продольная (г) и поперечная кривизна (д), центральный прогиб (е), а также загиб кромки (ж).
Пространственные координаты зон (у\ ..у5) определяются исходя из нормативных характеристик полосы (2.38), содержащихся в технологической карте. Согласно ГОСТ 26877-91 [12], измерение характеристик плоских граней полосы должно проводиться на расстоянии не менее чем в 10 мм от ее кромки. В соответствии с данным требованием, координаты левой (у і) и правой (ys) краевых зон определяются по правилам (3.2) и (3.3).
Разработка структуры измерительного комплекса
Спецификации датчиков определяются производителями исходя из анализа требуемой заказчиком области их применения. В современных системах управления прокаткой тонких полос используются цифровые датчики повышенного уровня точности. Точность измерений определяется исходя из номинального расстояния срабатывания SN . Для процессов холодной прокатки цветных металлов допустимое значение SN составляет 100 мм. В таблице 3.1. приведены спецификации для выбранных в п. 1.1 типов датчиков, при SN =100 мм.
Каждое измерение проводятся в заданной позиции, поэтому для расчета его полной погрешности необходимо также определить условия размещения датчиков каждого типа на приборной рамке.
Согласно схеме фиксации местоположения плоских граней (рис. 3.3), две группы датчиков, Ді.. Д5 и Д$.. Дю, установлены заданных позициях где к - номер клети, Х = {Т,В} - обозначение вертикального местоположения датчика (Т - верхний, В - нижний), j = 1,5 - поперечный номер. Для установки датчиков в заданные позиции используются сервоприводы приборной рамки и установочные винты датчиков. В этом случае погрешность измерения характеризуют два значения: Ay(h) - погрешность вызванная горизонтальным перемещением датчика, Ax{h) - погрешность вызванная вертикальным перемещением датчика. Погрешность горизонтального перемещения определяется исходя из величины минимального шага перемещения Р, который в современных сервоприводах составляет 0,1 мм. Исходя из условия измерений, погрешность А у (И) рассчитывается по правилу прямоугольного треугольника, рис 3.7:
В свою очередь погрешность вертикального перемещения датчика соответствует минимальному шагу установочного винта. На современных датчиках значение АХ(И) составляет -0,001 мм. Измерители Дц .. Д]2 перемещаются с помощью тех же сервоприводов и винтов, то предполагается что и значения вызванных перемещениями погрешностей - те же: Ax(b) = Ax(h), Ay(b) = Ay(h). В свою очередь датчик Д0 установлен по центру рамки (рис. 3.6) и не перемещается сервоприводами. Поэтому рассматриваемые геометрические погрешности не относятся к измерению скорости.
Помимо характеристик устройств перемещения, на точность установки датчиков влияет перекос рамки. Согласно правилам монтажа измерительного оборудования, допустимый вертикальный перекос рамки составляет 2,5 мм на 1 м поперечной длины. Исходя из условий измерений, вертикальная составляющая перекоса компенсируется за счет изменения расстояния срабатывания «SV. Горизонтальную составляющую перекоса невозможно скомпенсировать, поэтому она вносит погрешность А е, максимальное значение которой равно:
Так как отклонения по ширине фиксируются (датчиками Дц .. Д12) в горизонтальной плоскости, то погрешность Ае соответствует погрешности А е (Ь). То есть А е (Ь) - 0,003 мм. В то же время отклонения по толщине фиксируются (датчиками Ді .. Дю) в вертикальной плоскости, поэтому для расчета вносимой погрешности необходимо использовать правило прямоугольного треугольника: Согласно п. 3.1, для определения установочных координат датчиков, перед прокаткой каждой партии полос (при перевалке на клетях), осуществляется тарировка датчиков Ді.. Д12. То есть погрешность измерений определяется с учетом погрешности тарировки.
Погрешности тарировки датчиков Ді.. Дю, согласно (3.10) и (3.11), зависят от размерности значений координат осей верхнего х\ и нижнего х 2 рабочих валков, рис. 3.4. Погрешность тарировки датчиков равна величине разрешающей способности в системе позиционирования гидроприводов валков. В современных гидроприводах тонкой настройки цена деления шкалы позиционирования Ag валков составляет 0,005 мм. Аналогично определяется погрешность тарировки датчиков Дц .. Д . Согласно (3.18) и (3.19), значения координат зависят от измеренной величины поперечного смещения валков ду. То есть погрешность равна шагу поперечного горизонтального перемещения валков А, = 0,005 мм.
Определение структуры и функциональных особенностей системы управления прокатным станом
Структура системы управления прокатным станом определяется на основании принципа работы конкретной модели стана. В настоящей работе рассматривается непрерывный многоклетьевой стан "кварто". Принцип работы таких станов состоит в последовательной деформации полосы в каждой клети. Клеть оказывает на полосу воздействия, величина и характер которых определяются исходя из постоянных характеристик клети SR (см. п. 2.5,(2.101)) и корректирующих воздействий RRk(q) для текущего технологического цикла q (см. п. 2.5,(2.104)). В рамках отдельного технологического цикла, корректирующие воздействия RRk{q) рассматриваются как управление режимом работы клети. Последовательность режимов работы всех клетей определяет общий режим работы стана RR(q) , для каждого технологического цикла. В п. 2.5 предложены общие принципы управления режимом прокатки, тогда как особенности управления RR(q) зависит от структуры стана и функциональных особенностей его работы.
Общая структурная схема системы управления непрерывным чистовым станом "кварто" приведена на рис. 4.1. На схеме выделено 2 уровня управления станом: нижний (управление клетями) и верхний (управление прокаткой). Нижний уровень содержит г (по количеству клетей) систем управления работой клетей СУРК, и обслуживающие их системы измерения характеристик работы клети СИ. Аналогично верхний уровень содержит систему управления прокаткой СУП, состоящей из системы выбора режимов СВР и обслуживающей ее системы измерения характеристик прокатки СИХП.
Управляющие и измерительные системы нижнего уровня установлены на стане и сопряжены с его исполнительной частью. Исполнительная часть стана "кварто" состоит из г рабочих четырехвалковых клетей (на практике количество клетей может варьироваться от 4-х до 12-и) и комплекса приводов.
В сопряжении с исполнительной частью стана, схема АСУТП прокатки имеет вид: рис. 4.2. Согласно данной схеме, исполнительная часть содержит три типа приводов: "основной гидропривод" - для установки раствора клетей - состоящий из гидродвигателя (ГД ) и гидравлического нажимного устройства (ГНУ ); "электропривод главной линии" - для вращения рабочих валков -состоящий из электродвигателя () и устройств сопряжения; "гидропривод смещения" - для смещения рабочих валков - состоящий из гидродвигателя (ГД ), верхнего ГСУ и нижнего ГСУи гидравлических устройств смещения валков, где к - \,г - номер клети.
Принципы управления приводами определяются исходя из особенностей технологического процесса. Согласно п. 2.2, особенности процесса прокатки проявляются через возмущения в работе клетей. В п. 1.3 рассмотрены их основные причины (износ валков, их деформация под нагрузкой и термическая деформация, устойчивость смещенных валков, их эксцентриситет и вибрации), а также системы и методы их контроля при управлении работой клети. По результатам анализа представленных методов, в п. 1.3 была определена структура системы измерения характеристик работы клети СИ. Как показано на рис. 4.2, система измерений состоит двух групп датчиков: измерительный комплекс ИХ для характеристик работы клети (установленный непосредственно на станине); датчики измерения натяжения полосы ИН, установленные по направлению прокатки за и перед клетью.
Комплекс ИХ включает в себя десять датчиков, описание которых приведено в таблице 4.1. Для обработки данных, поступающих от датчиков Д)..Дю в систему управления работой клетью интегрированы следующие подсистемы: моделирования износа рабочих валков, моделирования деформации под нагрузкой и термической деформации рабочих валков; анализа вибраций и эксцентриситета раб. валков; анализа устойчивости смещенных валков.
Похожие диссертации на Разработка адаптивной автоматизированной системы управления процессом прокатки рулонной медной полосы
