Введение к работе
Актуальность темы. Совершенствование автоматизированных электроприводов и систем автоматического регулирования технологических параметров непрерывных широкополосных станов горячей прокатки (ШСГП) является важнейшим направлением развития прокатного производства. К отдельным системам ШСГП, в частности, к системам автоматического регулирования толщины полосы (САРТ) в настоящее время предъявляются наиболее высокие требования. Это связано с тем, что до 25% тонкой горячекатаной полосы не подлежит дальнейшей обработке в холодном состоянии, т.е. является конечной рыночной продукцией. Расширение сортамента за счет прокатки полос толщиной 0,8-1,5 мм является общепризнанной мировой тенденцией.
Полосы, прокатанные в чистовой группе клетей непрерывного ШСГП, имеют неодинаковую толщину по длине. Основной причиной продольной раз- нотолщинности являются упругие деформации отдельных элементов клетей, приводящие при прокатке к изменениям зазоров между валками вследствие изменений давлений металла на валки. Задача минимизации отклонений толщины по длине возложена на САРТ, которые строятся на основе сочетания косвенного регулирования с вычислением толщины по давлению и зазору валков и прямого регулирования по сигналу от выходного толщиномера.
На действующих отечественных и зарубежных станах в настоящее время наиболее распространена САРТ фирмы Davy McKee (Великобритания). Автоматическое регулирование толщины в системе осуществляется в функции зазора валков и усилия прокатки по принципу Gaugemeter (Гейджметр) - абсолютно жесткая клеть. Такая система установлена на стане 2000 ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ОАО «ММК»).
Недопустимая разнотолщинность по длине, наиболее явно проявившаяся при прокатке тонких полос, предопределила необходимость совершенствования САРТ стана 2000. Техническая возможность модернизации системы была обеспечена в связи с реконструкцией АСУ ТП чистовой группы, которая выполнена в 2008-2010 гг. при непосредственном участии автора. Возникла необходимость проведения исследований и разработок, направленных на совершенствование существующей САРТ Davy McKee, которые легли в основу представленной диссертации.
Целью диссертационной работы является повышение точности регулирования толщины полос, прокатываемых в непрерывной группе широкополосного стана горячей прокатки, обеспечиваемое за счет совершенствования системы автоматического регулирования толщины.
Для достижения цели поставлены следующие задачи:
1. Исследование причин возникновения продольной разнотолщинности полос, прокатываемых на широкополосных станах горячей прокатки. Анализ принципов регулирования толщины в известных САРТ.
-
Разработка усовершенствованных алгоритмов и способов автоматического регулирования толщины, обеспечивающих снижение продольной разно- толщинности при расширении сортамента за счет производства тонких полос.
-
Разработка способа и системы управления прокаткой, обеспечивающих снижение разнотолщинности головного участка полосы за счет автоматической коррекции межвалкового зазора.
-
Разработка динамической математической модели электропривода клети и гидравлического привода нажимного устройства, взаимосвязанных через металл. Исследование разнотолщинности полосы при прокатке с коррекцией межвалкового зазора.
-
Промышленное внедрение разработанных алгоритмов в программном обеспечении промышленных контроллеров АСУ ТП чистовой группы стана 2000. Проведение экспериментальных исследований. Оценка технико- экономической эффективности внедрения результатов диссертационной работы.
В диссертации не исследуются вопросы компенсации эксцентриситета, биения валков, всплытия опорных валков, компенсации толщины масляной пленки и др., которые по трудоемкости и уровню сложности могут составить предмет самостоятельной работы.
Методика проведения исследований. В работе использованы базовые положения теории электропривода и теории автоматического управления. Теоретические исследования проводились с использованием аппарата передаточных функций, методов преобразования структурных схем и структурного моделирования. Решение отдельных задач получено путем математического моделирования в среде Matlab приложения Simulink. Экспериментальные исследования проводились на действующем прокатном стане путем прямого ос- циллографирования координат с последующей обработкой результатов.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
-
-
Функциональные схемы и алгоритмы замкнутых систем автоматического регулирования, реализующих разработанный способ регулирования толщины полосы, основанный на сочетании косвенного регулирования с усреднением показаний датчиков за заданный промежуток времени, прямого регулирования по сигналу от выходного толщиномера, коррекции по сигналу от регулятора положения следующей по ходу прокатки клети и внешней коррекции, обеспечивающей компенсацию возмущающих воздействий.
-
Усовершенствованная САРТ, обеспечивающая перераспределение обжатий по клетям чистовой группы, с целью исключения размыкания контура регулирования толщины, вследствие насыщения регулятора положения нажимных устройств последней клети при больших корректирующих сигналах, поступающих от выходного толщиномера.
-
Способ и система автоматической коррекции толщины головного участка путем разведения валков перед входом полосы в клеть с последующим их возвращением в заданную позицию для прокатки основного участка полосы. Обоснованные параметры коррекции межвалкового зазора, при которых обеспечивается наименьшее отклонение толщины, составляющее менее 1%.
-
Математическая модель системы "электропривод клети - гидравлический привод нажимных устройств", наиболее полно, по сравнению с известными моделями, учитывающая их взаимосвязь через прокатываемый металл, построенная с учетом разработанных технических решений.
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований, подтвердившие, что при внедрении алгоритмов усовершенствованной CAPT раз- нотолщинность находится в пределах допусков ±0,025 мм на 90-98% длины полосы.
Обоснованность и достоверность научных положений подтверждаются правомерностью принятых исходных положений и предпосылок, корректным применением методов теории электропривода, теории автоматического управления и методов математического моделирования, использованием реальных характеристик действующего оборудования, адекватностью расчетных и экспериментальных данных, результатами экспериментальных исследований и длительной эксплуатации внедренных систем и алгоритмов на стане 2000 горячей прокатки.
Научная новизна.
В работе получены следующие новые научные результаты:
-
-
-
Уточнены технологические требования к САРТ ШСГП при расширении сортамента полос, согласно которым при прокатке полос толщиной 0,8-1,5 мм они должны обеспечивать отклонения толщины в пределах допуска ±0,025 мм на 90-98% длины полосы.
-
Разработан способ регулирования толщины полосы, согласно которому в течение заданного времени производится усреднение показаний датчиков положения и усилия прокатки, рассчитывается толщина на выходе из клети и запоминается в качестве задания. Затем к заданию прибавляются сигналы:
тонкой коррекции от выходного толщиномера, представляющий собой интегрированную величину отклонения толщины от заданной на выходе из чистовой группы;
от регулятора положения следующей клети, обеспечивающий перераспределение сигнала коррекции на предыдущие клети;
внешней коррекции, обеспечивающей компенсацию возмущающих воздействий.
Впервые обоснован и технически реализован способ прокатки полосы в чистовой группе ШСГП с регулированием толщины головного участка за счет автоматического изменения межвалкового зазора в функции длины полосы. Обоснованы параметры коррекции зазора по клетям в зависимости от толщины полосы и скорости прокатки.
Разработанная адекватная математическая модель электропривода клети (в системе двухзонного регулирования скорости) и гидравлического привода нажимного устройства (в структуре САРТ), взаимосвязанных через металл, отличается учетом разработанных блоков и обратных связей, реализующих предложенный способ регулирования толщины головного участка в функции длины полосы.
5. По результатам моделирования и экспериментальных исследований доказано, что разработанные способы и алгоритмы автоматического регулирования толщины обеспечивают снижение разнотолщинности по длине полосы в 1,8 раза и отклонения толщины головного участка в пределах 1% при допуске
±3,5%.
Практическая ценность и реализация работы.
Разработанные способы автоматического регулирования толщины реализованы в виде цифровых алгоритмов в контроллерах АСУ ТП чистовой группы стана 2000 ОАО «ММК». Доказано, что их внедрение обеспечивает снижение разнотолщинности по длине полосы.
Разработанная динамическая математическая модель может быть использована для анализа динамических режимов и настройки автоматизированных электроприводов клетей и гидравлических приводов нажимных устройств, что имеет практическое значение для повышения качества продукции широкополосных станов.
Результатами внедрения разработанных алгоритмов САРТ являются снижение разнотолщинности по длине полосы, снижение расходного коэффициента за счет повышения точности регулирования толщины на концах рулона, снижение внеплановых простоев за счет улучшения условий захвата полосы. Экономический эффект за счет снижения расходного коэффициента составляет 4,3 млн. руб./год.
Разработанные системы и алгоритмы регулирования толщины рекомендуются для внедрения на других ШСГП независимо от рода тока и типа электропривода. Их преимуществом является высокая эффективность при относительной простоте реализации. Рекомендуется использование результатов исследований в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Электроэнергетика и электротехника».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на VI и VII Международных (XVII, XVIII Всероссийских) конференциях по автоматизированному электроприводу АЭП-2010 (Тула, 2010 г.), АЭП-2012 (Иваново, 2012 г.); III международном промышленном форуме «Реконструкция промышленных предприятий - прорывные технологии в металлургии и машиностроении» (Челябинск, 2010 г.); V международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2010 г.); III Всероссийской научно-технической конференции (с международным участием) «Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий» (Уфа, 2011 г.); международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии (XVI Бенардосовские чтения)» (Иваново, 2011 г.); на ежегодных научно- технических конференциях по итогам научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО «МГТУ» (Магнитогорск, 2008-2012 гг.).
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 17 печатных трудах, в том числе 5 публикаций в рецензируемых изданиях и 3 патента РФ на полезные модели.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 130 наименований. Работа изложена на 181 странице основного текста, содержит 57 рисунков, 17 таблиц и приложение объемом 20 страниц.
Похожие диссертации на Электротехническая система автоматического регулирования толщины полосы широкополосного стана горячей прокатки
-
-
-
