Введение к работе
Актуальность темы. Рациональное использование металла и экономия ресурсов - важнейшие народнохозяйственные задачи. Их необходимо решать на всех этапах металлургического производства путем достоверного и оперативного контроля за ходом технологического процесса.
В Украине на 21 металлургическом предприятии функционирует более 20 прокатных станов, работа которых все еще связана со значительными материальными потерями. Расчеты показали, что потери металла при резке проката составляют 4...5% от общего количества прокатанного металла, что обусловлено инерционностью фотоэлектрических измерительных каналов обнаружения, быстродействие которых составляет 0.01...0.05 с. Это позволяет производить резку с точностью ±10 мм только при скорости до 2 м/с. В соответствии с современными требованиями к информационному обеспечению систем контроля технологических параметров прокатных станов, обусловленных значительным увеличением скоростей прокатки (более 20 м/с) и реза (более 2.8 м/с), быстродействие средств первичного контроля должно быть увеличено до 0.001 с (более чем в 10 раз). При этом точность реза увеличится до ±5 мм, что даст экономию 25...40 тыс. тонн металла в год на каждом стане. Более того, существующие фотоэлектрические измерительные преобразователи аналогового и импульсного типа при работе в условиях интенсивных оптических и электромагнитных помех, обеспечивая вероятность появления ошибки контроля на уровне 10"3, не отвечают в полной мере требованиям высокой помехозащищенности и достоверности формируемой информации. Это зачастую приводит к аварийным ситуациям в работе прокатного стана (забуривание, заклинивание слябов в исполнительных устройствах, поломка оборудования) и, как следствие, к значительным материальным потерям. В настоящее время, повышение достоверности контроля осуществляется путем повышения мощности сигнала или увеличением длины импульсной последовательности, что увеличивает энергозатраты и снижает быстродействие.
Эти обстоятельства предопределили первоочередное решение задач повышения достоверности измерительной информации и быстродействия информационно-измерительных систем (ИИС) контроля технологических параметров прокатных станов за счет применения системного подхода, включающего разработку методологических, структурно-алгоритмических и аппаратных средств повышения достоверности и быстродействия их измерительных каналов с целью повышения эффективности систем контроля и производительности прокатных станов.
Связь работы с научными программами, планами, темами. Диссертация выполнена согласно тематики научно-исследовательской работы, которая проводилась на кафедре «Автоматизация производственных процессов» ДГМА - «Исследование и разработка средств технической диагностики производственных процессов» (отчет о НИР/ДГМА; № ГР 0196U024080), в которой автор принимал участие в разработке средств технической диагностики измерительных преобразователей.
Целью работы является повышение достоверности контроля технологических параметров путем кодирования и быстродействия ИИС за счет минимизации длины кода для повышения производительности прокатных станов.
Идея работы заключается в привлечении цифровых метод»в обработки оптических информационных сигналов для повышения достоверности контроля технологических параметров прокатки и увеличения быстродействия фотоэлектрических измерительных преобразователей, что повысит эффективность информационных систем, даст экономию ресурсов и материальных средств, например, за счет уменьшения отходов металла при резке проката.
Объектом исследования является ИИС стана горячей прокатки для организации технологической и транспортной автоматизации.
Для реализации идеи и достижения цели были поставлены и решены следующие оаіо^ньїезадачи.
-
Исследовать существующие и разработать новые методы повышения достоверности измерительной информации с применением кодирования и цифровой фильтрации оптического сигнала.
-
Разработать оптимальную структуру кодовой последовательности сигналов в фотоэлектрическом измерительном преобразователе, обладающую высоким быстродействием и помехоустойчивостью.
-
Разработать оптимальную структуру фотоэлектрического измерительного преобразователя для обнаружения объекта любого теплового состояния в экстремальных условиях прокатного производства с высокой достоверностью и быстродействием.
-
Разработать модуль средств получения первичной информации для информационно-измерительной системы прокатного стана, повышающий быстродействие системы и достоверность контроля.
Методология и методы исследования. Достоверность и эффективность разработок на всех стадиях работы оценивалась на основе теоретических и экспериментальных исследований с использованием теории измерений и теории ошибок, статистических методов исследования процессов, теории информации и кодирования (в частности обнаружения сигналов), теории передачи и обработки цифровой информации и методов математического моделирования.
Научная новизна полученных результатов-.
-
Быстродействие преобразователя увеличивается более чем в 10 раз и соотношение сигнал-помеха в 1.5-2.3 раза по отношению к аналоговым и импульсным сигналам за счет применения цифровых методов обработки сигналов в фотоэлектрических измерительных преобразователях.
-
Разработана оптимальная структура цифровой кодоимпульсной последовательности сигналов, обладающая высокой реальной помехоустойчивостью и быстродействием при минимальной длине кода.
-
Разработана методика оценки достоверности приема оптических кодированных сигналов в фотоэлектрических измерительных преобразователях, что дает возможность оценить действие случайных оптических и электромагнитных помех на измерительные каналы ИИС.
-
Предложена оптимальная структура цифрового фотоэлектрического измерительного преобразователя с кодоимпульсной модуляцией оптического сигнала для автоматического получения измерительной информации для ИИС.
-
Разработана измерительная часть ИИС контроля технологических параметров прокатных станов на базе фотоэлектрического измерительного преобразователя
с цифровой фильтрацией кодоимпульсного оптического сигнала для обнаружения объектов любого теплового состояния.
Таким образом, научное значение заключается в разработке методов и алгоритмов повышения достоверности контроля технологических параметров и быстродействия измерительного преобразователя; структур универсальных дискретных фотоэлектрических преобразователей с возможностью исправления ошибок при приеме информации; в привлечении специальных критериев оценки достоверности получаемой первичной информации по величине энергетического отношения сигнал-помеха; в разработке оптимальной структуры дискретного сигнала, что в совокупности содействует дальнейшему развитию и росту эффективности ИИС контроля технологических параметров прокатных станов.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: конкретным использованием математического аппарата, адекватностью разработанных моделей реальным процессам, что подтверждается достаточно хорошей сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований (в пределах 11%).
Практическое' значение полученных результатов состоит в разработке методики расчета оптимальной структуры кодового сигнала, удовлетворяющего заданным требованиям помехозащищенности и быстродействия, методики расчета фотоэлектрического измерительного преобразователя с цифровой фильтрацией оптического кодоимпульсного сигнала, что в совокупности позволило повысить качественные показатели и реальную помехоустойчивость преобразователя при работе в экстремальных условиях прокатных цехов, макета цифрового фотоэлектрического преобразователя как первичного элемента ИИС.
Личный вклад. Автором лично разработаны модель и алгоритм функционирования дискретного фотоэлектрического преобразователя, методика определения оптимального веса и структуры кодового информационного сигнала для получения максимальной помехоустойчивости и быстродействия, методика оценки достоверности контроля применительно к цифровым сигналам, быстродействующий модуль средств получения первичной информации для ИИС контроля технологических параметров прокатного стана, спроектирован и исследован макет фотоэлектрического измерительного преобразователя с цифровой фильтрацией кодоимпульсного оптического сигнала.
Реализация работы. Основное содержание диссертационной работы составляют результаты исследований, которые проводились на кафедре «Автоматизация производственных процессов» Донбасской Государственной Машиностроительной Академии за период с 1995 по 2000 год. В работе также использованы результаты исследований, полученные на этой кафедре ранее.
Основные научные положения, методика и рекомендации по выбору оптимальных параметров и характеристик цифровых измерительных преобразователей с целью повышения достоверности и быстродействия контроля используются в ОАО НИИПТмаш (г. Краматорск) и внедрены на харьковском АО «АВТРАМАТ».
Методика построения и исследования моделей систем контроля на ЭВМ применяется на практических занятиях, при дипломном и курсовом проектировании. Основные научные положения, методы и алгоритмы построения фотоэлектронных устройств используются в соответствующих курсах лекций (электроника и микро-
схемотехника, конструирование и монтаж систем управления, технология измерений и приборы).
Апробация. Основные разделы диссертационной работы прошли апробацию на 5-ти научно-технических конференциях:
на межвузовской научно-технической конференции «Новые экономические отношения и кадровое обеспечение производства» (г. Краматорск, 1996 г.);
на межвузовской республиканской научно-технической конференции «Кадровое обеспечение производства в условиях рынка (проблемы организации и содержания подготовки специалистов)» (г. Краматорск, 1997 г.);
на всеукраинской научно-технической конференции «Перспективные технологии и оборудование обработки давлением в металлургии и машиностроении» (г. Краматорск, 1998 г.);
на первой международной конференции «Наука і освіта "98» (Днепропетровск-Одесса-Харьков-Запорожье, 1998 г.);
на международной научно-технической конференции «Проблемы и практика управления в экономических системах» (г. Краматорск,1998 г.);
Публикации. Основные положения и результаты исследований изложены в 11 печатных работах, в том числе 6 статей в фаховых изданиях Украины. Получен один патент на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и приложений. Работа содержит 166 страниц основного текста, в том числе 5 таблиц, 41 рисунок, список использованых источников из 116 наименований, а также 6 приложений на 50 страницах.