автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Повышение эффективности технологического процесса обработки цветных металлов давлением в условиях перехода к тонколистовому прокату

На правах рукописи

БУГАЕВ ДМИТРИЙ ПАВЛОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ В УСЛОВИЯХ ПЕРЕХОДА К ТОНКОЛИСТОВОМУ ПРОКАТУ

05.13.06 — Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 НОЯ 2013

005539303

Оренбург 2013

005539303

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования (ФГБОУ ВПО) «Оренбургский государственный университет».

Научный руководитель Соловьев Николай Алексеевич,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Лысов Владимир Ефимович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет», профессор кафедры электропривода и промышленной автоматики;

Сергеев Александр Иванович,

кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет», доцент кафедры систем автоматизации производства

Ведущая организация — ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный

технический университет им. Г.И. Носова»

Защита диссертации состоится 13 декабря в 9:00 на заседании диссертационного совета Д 212.181.02, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет», по адресу: 460018, г. Оренбург, пр. Победы, 13, ауд. 6205.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет».

Автореферат разослан 12 ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В.И. Рассоха

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Продукция прокатного производства цветного металла широко используется на предприятиях авиационной, автомобильной и пищевой промышленности, при этом повышенный интерес вызывает тонколистовой прокат. Задача обеспечения требуемой эффективности обработки цветных металлов давлением при переходе к тонколистовому прокату становится одной из центральных в связи с ростом дефектов готовой продукции.

Обеспечение качества технологического процесса холодного проката рассматривались в работах известных российских ученых Полухина П.И., Выдрина В.Н., Кузнецова Л.А., Мазура В Л., Белосевича В.К. и зарубежных исследователей Робертса В., Брайанта Г., Гарбера Э. и других. Обобщая результаты исследований, можно сделать вывод, что в настоящее время сложилась система методов, моделей и средств выявления дефектов производства листового проката, разработаны методологические принципы их использования, позволяющие решать широкий спектр задач. В связи с ростом потребности выпуска тонколистового проката возникает необходимость разработки принципиально иных подходов к идентификации дефектов листа металла в процессе прокатки. Это определяет актуальность проведения исследований в области автоматизации идентификации поверхностных дефектов тонколистового проката с оперативной коррекцией параметров контура управления прокатного стана.

Объект исследования — теоретические основы и прикладные методы повышения эффективности АСУТП холодной обработки цветного металла давлением; предмет — методы и средства моделирования технологических процессов производства тонколистового проката.

Цель исследования - повышение производительности и качества холодной обработки цветных металлов давлением при переходе к производству тонколистовой продукции на основе коррекции контура управления толщиной проката и внедрения средств идентификации поверхностных дефектов.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

- провести системный анализ технологических процессов холодной обработки цветных металлов давлением в условиях перехода к тонколистовому прокату;

- разработать модель для оценки динамических свойств системы управления технологическим процессом листового проката цветных металлов;

- разработать метод, модель и средства идентификации поверхностных дефектов тонколистового проката цветных металлов в реальном масштабе времени;

- предложить технические решения для повышения эффективности холодной обработки цветных металлов давлением при производстве тонколистового проката.

Теоретической основой решения поставленных задач являются: теория системного анализа и исследования операций; теория автоматического управления; теория принятия решений; методы цифровой обработки сигналов.

Научную новизну составляют:

- динамическая модель системы управления толщиной листового проката, обеспечивающая параметрический синтез цепи частичной компенсации ди-

намической ошибки в контуре управления гидронажимного устройства для повышения скорости прохождения стыков полос;

- модель изображения листового проката, позволяющая идентифицировать поверхностные дефекты листа в реальном масштабе времени на основе векторно-матричных вейвлет-преобразований.

Практическая значимость полученных результатов заключается в развитии специального программного обеспечения АСУ 111 холодной обработки цветных металлов давлением для обеспечения требуемое качества готовой продукции, что подтверждается актом внедрения ОАО «ГЗОЦМ "СПЛАВ"» (г. Гай Оренбургской области), государственной регистрацией программы на ЭВМ («Defectoscope_wavelets», свидетельство № 2009610915) и использованием в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет».

Основные положения, выносимые на защиту:

1) динамическая модель контура управления толщиной проката, позволяющая установить зависимость амплитуды выбросов толщины листа от скорости прокатки для параметрического синтеза корректирующей цепи гидронажимного устройства и увеличить скорость проката сварных стыков полос за счет изменения силы обжатия на основе частичной компенсации динамической ошибки;

2) модель изображения поверхности листового проката, позволяющая разделить описание текстуры и дефектов на основе векторно-матричного представления вейвлет-преобразований изображения на разных уровнях детализации;

3) методика и алгоритмы идентификации поверхностных дефектов листового проката, обеспечивающие параллельную обработку матриц вейвлет-коэффициентов в реальном масштабе времени;

4) автоматизированная система управления технологическими процессами холодного тонколистового проката с частичной компенсацией динамической ошибки в контуре управления толщиной проката и идентификацией поверхностных дефектов в процессе производства.

Апробация. Основные положения и результаты диссертации обсуждались и получили одобрение на международных научных конференциях «Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах» (Нижний Новгород, 2005, 2007); «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике» (Оренбург, 2008, 2010); всероссийских научно-практических конференциях «Компьютерная интеграция производства и ИПИ-технологии» (Оренбург, 2007, 2009).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 2 статьи в изданиях из Перечня ВАК, 9 статей в сборниках научных трудов и материалах международных и региональной научных конференций, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и шести приложений. Основная часть работы изложена на 150 страницах, содержит 64 рисунка и 13 таблиц. Список использованных источников содержит 147 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводятся сведения об актуальности, научной новизне и практической значимости диссертации, определены объект и предмет исследования, сформулированы цели, задачи и положения, выносимые на защиту, излагается информация о публикациях, апробации и внедрении результатов исследований.

В первом разделе проведен системный анализ технологического процесса холодной обработки цветных металлов давлением при обеспечении новых требований по толщине листового проката.

На рис. 1 представлены результаты анализа эксплуатации стана холодного проката цветного металла «КВАРТО 400 SKODA» на предприятии ОАО «ГЗОЦМ "СПЛАВ"» (г. Гай Оренбургской обл.).

Рис. 1 — Результаты исследования эксплуатационных характеристик стана

Результаты анализа свидетельствуют, что при переходе к тонколистовому прокату существенно возрастает возврат готовой продукции на стадию плавки, преобладание в браке поверхностных дефектов (в том числе устранимых), на возникновение которых определяющее влияние оказывает контур управления по скорости. Для обеспечения качества тонколистового проката приходится уменьшать среднюю скорость прокатки до 6-7 м/с., что приводит к снижению производительности стана.

Анализ существующих методов и средств контроля продукции, применяемых на предприятиях цветной металлургии, показал перспективность обнаружения дефектов в процессе производства по изображению поверхности проката.

Таким образом, одним из главных противоречий между требованиями практики и состоянием теории обеспечения качества обработки цветных металлов давлением при переходе к тонколистовому прокату становится противоречие между

существенно возросшим числом поверхностных дефектов готовой продукции и несовершенством методов их идентификации в процессе производства.

Для выявления причин возникновения поверхностных дефектов проведен анализ технологических процессов, определяющих производительность стана холодного проката цветных металлов.

Установлено, что средняя скорость проката зависит от скорости прохождения сварных соединений (интервал т4-т6на рис. 2а) и колебаний усилий Р (положение точки а на рис. 26), возникающих в результате неполного динамического согласования жесткости клети (1 на рис. 26) с жесткостью полосы проката (2 на рис. 26), зависящей от физико-механических свойств металла <ут и толщины заготовки Иц .

Рис. 2 — Профиль скорости проката полосы (а), характеристики упругой линии клети 1 и кривой пластической деформации полосы проката 2 (6): Бо - начальный зазор между валками, 3 = И, - з0 - упругая характеристика клети

Скорости прокатки в клетях жестко связаны условием постоянства секундных объемов по клетям о0Ь0Ьп=и^\=иф2И2. Отсюда, увеличение производительности стана возможно за счет повышения скорости проката на интервалах сварных соединений т4-Хб.

Для компенсации нелинейных изменений толщины заготовки особенно в зоне стыков полос, требуется увеличение усилия проката Р7, что вызывает изменения ширины полосы Ь, коэффициента трения }~у, радиуса валков начального зазора между валками натяжения полосы по клетям (). Тогда выходная толщина полосы проката А, определяется зависимостью вида:

Л 1 ,,, , дР ,. дР ,, дР ,„ дР , дР дР дР „ м~1

(Иг =- МЛ.+-<Иг. +—с1Ь+-¿й +-с1ат+ — ¿Г +-(Ю„ +-аШ'

^ М.-дР/д^ ' 0 д\ ° дЬ дЯ, ' дат т д/у дО„ и

Аналитическое исследование динамики изменений толщины полосы проката которая оказывает определяющее влияние на возникновение поверхностных дефектов проката, по модели (1) затруднено. Искомую зависимость можно исследовать на основе моделирования системы авторегулирования толщины (САРТ) прокатного стана.

Таким образом, системный анализ технологического процесса холодной обработки цветных металлов давлением выявил, что переход к производству тонколистового проката вызывает скачкообразный рост числа поверхностных

дефектов, устранение которых осуществляется за счет уменьшения средней скорости проката, снижающей производительность прокатного стана.

Второй раздел посвящен разработке имитационной модели САРТ стана холодного проката для исследования влияния скорости прокатки сварных соединений полос на возникновение поверхностных дефектов и обоснования технических решений по их устранению в процессе производства.

Имитационная модель САРТ, изображенная на рис. 3, представляет собой структуру из моделей САРТ-1 (первая клеть) и САРТ-2 (вторая клеть), моделей подката и приводов валков клетей. Входное воздействие /)„, имитируется моделью подката в виде суммы постоянной составляющей й„, которая меняется по случайному закону от полосы к полосе (имитация сваренных стыков полос) и гармоническими составляющими А/г,,.

Рис. 3 — Имитационная модель САРТ прокатного стана

Толщина полосы на выходе первой клети представляется суммой постоянной И1с и переменной ДА, составляющих, а аналитическая связь конечной толщины полосы И1 первой клети с исходными Ии, Иц„ V« и параметрами жесткости клети Мк , полосы М„ с учетом динамики приводов валков и нажимных устройств описывается следующим рядом соотношений:

А,Л=А,С+ А/г,; й,с = + Р/Мк; АН, = Д5 + ДЯШ,;

= \К,-к0М,1М„-, = Д5 = 5,,-£„<■; (2)

Р = (А, -(р); АР = (ДА, - (р); АЛ, = /г, - Ак]р;

где — коэффициент передачи клети; (р)(Шт,2(р)) — передаточные функции привода валков первой (второй) клети; №ЭНу(р)(УУгну(р)) - передаточные функции электронажимного (гидронажимного) устройства; АБ — приращение начального зазора между валками.

Имитационная модель САРТ-1 изображена на рис. 4. Модель второй клети с помощью аналогичных соотношений (2) связывает конечную толщину полосы второй клети с выходными характеристиками проката первой клети, па-

раметрами второй клети и полосы.

МОДЕЛЬ САРТ ПЕРВОЙ КЛЕТИ

Рис. 4 - Модель САРТ-1 первой клети прокатного стана

На рис. 5а представлены результаты моделирования, показывающие, что наличие стыков полос вызывает затухающие колебания усилий прижатия валков, которые приводят к скачкам толщины полосы на выходе клети с амплитудой, соизмеримой с толщиной проката.

Рис. 5 - Результаты моделирования при у2=9 м/с, Ь2=0,4 мм, Ьоз=4-6 мм существующего контура управления ГНУ (а) и контура управления ГНУ с частичной компенсацией динамической ошибки (б)

Колебание 11вЬ1бр полосы при толщине готовой продукции 0,4 мм достигает 0,12 мм, причем колебания увеличиваются пропорционально увеличению скорости проката (см. рис. 6а). Отсюда, прокат стыков тонких полос на скоростях 9-12 м/с, соответствующих потенциальной производительности стана, приводит к росту числа дефектов поверхности готовой продукции.

Предложено с целью уменьшения колебаний толщины /7/ осуществить частичную компенсацию динамической ошибки гидромеханического нажимного уст-

ройства (ГНУ) включением цепи компенсации (рис. 66), которая вводит в сигнал управления составляющую, пропорциональную производной А/. Компенсация динамической ошибки ГНУ, как показывают результаты моделирования, представленные на рис. 56, позволяет уменьшить колебания толщины полосы при прохождении стыков в 1,5-1,8 раза.

мм_

0/1Н

цив

0,04 0,02

к —--

| 0.02Я-1

0.15+1 | 1

7(1

с ЦКО

0 5 10 —без ЦКО

Рис. 6 — Зависимость скачков толщины полосы от скорости проката (а) и модель ГНУ с компенсатором динамической ошибки (б)

Прокат стыков полос становится возможным на скоростях 9-12 м/с, что обеспечивает повышение производительности прокатного стана.

Результаты имитационного моделирования позволили обосновать структуру АСУТП холодного проката, отличающуюся наличием цепи компенсации динамической ошибки (ЦКО) устройства управления (УУ) ГНУ САРТ и включением программно-аппаратной системы (ПАС) обработки изображений поверхности проката в цепь обратной связи контура управления скоростью проката (рис. 7) для идентификации поверхностных дефектов.

| УУ оператора]

Рис. 7 - Схема АСУТП стана холодного проката

Кроме того, на основе имитационного эксперимента выполнен параметрический синтез ЦКО УУ ГНУ, обеспечивающий сохранение запаса устойчивости САРТ по фазе в допустимых пределах (30°- 45°).

Таким образом, предложенная структура АСУТП стана холодного проката с компенсацией динамической ошибки контура управления гидронажиным устрой-

ством и программно-аппаратной системой идентификации поверхностных дефектов позволяет увеличить среднюю скорость проката и обеспечить требуемое качество тонколистового проката в процессе производства.

В третьем разделе получил развитие математический аппарат кратно-масштабного анализа (КМА) для описания модели изображений листового проката с поверхностными дефектами и разработана методика идентификации поверхностных дефектов в реальном масштабе времени.

Исследования показали, что для идентификации поверхностных дефектов изображения могут быть описаны моделью случайного двумерного поля в виде суммы двух компонент

/(*,>•) =/Ах,у) +/Ах,у), (3)

где/(х,у) — поле яркости; л:,у — координаты изображения; /с(х, у) — яркость стационарного поля (текстурная компонента); /¡¡(х, _у) - яркость меняющегося поля дефектов.

Автором выдвинута и доказана гипотеза о возможности адекватного описания составляющих модели (3) на основе КМА, предполагающего представление изображений в различных масштабах. В основе одномерного КМА используются иерархические свойства масштабирующих скейлинг-функций <рт,к(х'■) и детализирующих вейвлет-функций 1//„а(х), позволяющие представить любую функциюДх) в виде ее последовательных вейвлет-преобразований (ВП).

Изображение, как двумерный массив /(х,у) е Ь2(К2), аппроксимируется последовательностью, которая позволяет преобразовать модель (3) к виду:

/(*>у) = ££С,*<Р<Р(Х'У)+1Ё £(<><<*.*)+<><;(*,>-)+<><](*,/)),

где </хр(х,у) = <р(х)1р(у),<рч/(х,у) = <р(х)ц'(у),у/(р(х,у) = у/(.хЖу), Ч'Ч'(х,у) = ч/(х)ч/(у) -расширение ВП с одномерного случая на двумерный Ь2(Я2) комбинацией тензорных произведений базисных функций; — вейвлет-коэффициенты (ВК) текстурной компоненты; а^,,- детализирующие ВК (высокочастотные — ВКвч) случайного поля с нормальным распределением и нулевым средним.

В качестве кусочно-постоянной компоненты (текстуры) используется случайное поле с заданными свойствами, а модель полутоновых изображений дефектов/и(х,у) со сходными статистическими характеристиками представляется в виде:

/Ах,У) = Х£ + (5)

¡=0 |=-сок=-30

ВК на любом уровне разрешения т определяются рекурсивными зависимостями Си+1.4 = Х- ^тСт.2к+т , ^т+\,к = ^ 8тСт.2к+т , МаТрИЧИО-ВеКТОрнаЯ форма

т т

которых примет вид ст_ 1 = Нпст, с/т_, = (7тст , где Н, С — матрицы, состоящие из компонентов фильтров И и g.

Если масштабирующие функции ортогональны между собой, ортогональны вейвлетам, и вейвлеты ортогональны между собой, то детализирующие коэффи-

циенты можно рассчитать рекурсивно по зависимости вида:

О, н„

-т-1

С„

Для реализации (6) в работе обосновано использование системы Хаара, обладающей ортогональностью и симметричностью. Коэффициенты фильтров в системе Хаара фиксированы и кратны 1/л/2 : /;« = Т1/2, //] = 2'1/2, ..., g|| = -2'1/2,

_ т-1/2 gl = ?

Предлагается в качестве модели (4) использовать двумерное матрично-векторное представление модели изображения листа металла вида:

Г/Л

л1 с,

л2

А(Н'С1С'201)

\

А

(7)

где операторы Н, в,, состоят из двух блоков по координатам х и у,

т.е. Н = //, Ну, С/ = Нх (иу, С2 = Ну• ; = (,, С}у.

Модель изображения (7) позволяет распараллелить алгоритм расчета детализирующих ВК по блокам матриц с использованием многоядерной вычислительной среды, тем самым решить задачу идентификации дефектов в реальном масштабе времени. Кроме того, матрицы Н и (7 образуются последовательным сдвигом первой строки из коэффициентов фильтров к т g в силу инвариантности базисных функций относительно сдвига, что позволяет хранить не всю матрицу в явном виде и сократить время выполнения умножения вектора на матрицу.

Предложен алгоритм подавления шумов от технологической смазки путем пересчета исходных («зашумленных») детализирующих ВКвч ¿4ыпо зависимости:

1 + А?

(8)

где £/„,,„. - ВКвч шумовой составляющей от технологической смазки; р - функция шума (гаусиан); - вероятность того, что ВКвч соответствует дефекту.

Экспериментально установлено, что ВКвч на первом уровне ВП в основном определяют шумы за счет технологической смазки и могут быть подавлены без последующего пересчета при идентификации дефектов.

Таким образом, предложена методика шумоподавления в процессе обработки изображений путем уменьшения ВК первого уровня детализации на величину, зависящую от уровня шума за счет технологической смазки.

Для идентификации дефектов при сравнении (1-1) и / кадров видеоизображений предложена проверка группы гипотез:

Но. /(х,у) = г/(х,у) - пропадание сигнала (ц(х,у) гауссов шум);

Н]\ /О,у) = /¡(х,у)+т](х,у),/,(х,у) = /"~1'(х,у) —нет изменений (текстура);

Н2. Ах,у) = /](х,у) + ф,у),/1(х,у) = /('\х,у) - есть дефект.

Алгоритм обнаружения изменений изображения из-за смены сюжета (по-

явление дефекта) может быть записан в виде:

Д2 ! ЕС'й-О1. (9)

\ тк

Предложена метрика для идентификации дефектов монохромного изображения листа металла вида:

Л-/-1Л/-1

(Ю)

к=0 д|=0

где М - число мод, которые необходимо учитывать при вычислении метрики (Ю).

Экспериментально установлено пороговое значение = 12. Отсюда, результаты расчета ВК по метрике (10) можно проквантовать так, что значение «0» (белый цвет) присваивается, если И < 12, а значение «1», если > 12 (черный цвет). Использование метрики (10) позволило идентифицировать любой поверхностный дефект по ВК до третьего уровня ВП (см. рис. 8).

Рис. 8 - Результаты идентификации дефекта «отверстие» по изображению листа на 3-ем уровне детализации

Таким образом, предложена методика и разработан алгоритм обнаружение изменений в динамических видеоизображениях, позволяющий обеспечить идентификацию поверхностных дефектов листового проката в реальном масштабе времени.

В четвертом разделе разработана ПАС идентификации поверхностных дефектов и проведена оценка эффективности внедрения предложенных технических решений.

На рис. 9 представлены результаты реализации программного проекта Defectoscope wavelets: модель структуры данных и иерархия модулей программной системы идентификации поверхностных дефектов.

Экранная форма панели управления пульта оператора прокатного стана с элементами идентификации дефектов показана на рис. 10.

С целью оценки эффективности предложенных технических решений проведен натурный эксперимент (на рис. 11) на базе стана холодного проката цветных металлов «КВАРТО 400 SKODA».

ЭТАЛОН ДЕФЕКТ

название

коэффициенты

изображение

Рис. 9 - Структура данных и иерархия модулей ПАС

ГГ -Г

> v §3

Рис. 10 — Экранная форма панели управления пульта оператора

Рис. 11 — Схема экспериментальной установки

Эксперимент проведен с использованием средств идентификации дефектов (СИД): разработанной ПАС Defectoscope wavelets со скоростной видеокамерой Sony HDR-UX5 и ультразвукового устройства дефектоскопии УД2В-П46, результаты которого отражены в таблице. В качестве показателей эффективности приняты математическое ожидание числа обнаруженных дефектов ц и дис-

Персия а2 на рулон при 10 реверсивных прогонах полосы проката.

Таблица — Результаты эксперимента

\Тип де-\фскта СИД Царапина Отверстия Волна Навар Мятость Окалина Плена

И а2 И а2 11 а2 И а2 И а2 И а2 Ц а2

УД2В-П46 20,1 49,2 3,2 4,2 50 203 3.8 3,73 24.8 111 - - - -

ОеГескксоре 6,9 22,9 3.4 4,93 10,8 35,9 6.5 3,61 5.5 26,3 0.3 0,45 0.3 0,9

Разработанная ПАС идентификации дефектов позволяет за счет изменения скорости при реверсе проката «закатать» устранимые дефекты: 65% царапин, 78% дефектов «волна» и «мятость» в процессе производства, а также идентифицировать дефекты «окалина» и «плена».

Внедрение предложенной АСУТП за счет увеличения средней скорости проката с 6-7 м/с до 9-12 м/с обеспечивает повышение производительности прокатного стана на 18-20% при уменьшении числа дефектов тонколистового проката.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Системный анализ технологического процесса холодной обработки цветных металлов давлением выявил, что переход к производству тонколистового проката вызывает скачкообразный рост числа поверхностных дефектов, устранение которых осуществляется за счет уменьшения средней скорости проката, снижающей производительность прокатного стана. Основной причиной возникновения поверхностных дефектов является скоростной режим прохождения сварных швов. Анализ известных методов и средств контроля качества продукции прокатного производства показал возможность идентификации поверхностных дефектов на основе цифровой обработки видеоизображений проката.

2. Разработана имитационная модели системы авторегулирования толщины полосы стана холодного проката для исследования влияния скорости прокатки сварных соединений полос на возникновение поверхностных дефектов и обоснования технических решений по их устранению в процессе производства. Установлено, что наличие стыков полос вызывает затухающие колебания усилий прижатия валков, которые при скоростях прокатки более 6-7 м/с приводят к скачкам толщины полосы на выходе клети с амплитудой, соизмеримой с толщиной проката, что и становится причиной образования поверхностных дефектов готовой продукции.

3. Предложен метод кратномасштабного анализа для задачи идентификации поверхностных дефектов тонколистового проката на основе модели изображения поверхности листа с раздельным описанием текстуры и дефектов на основе векторно-матричного представления вейвлет-преобразований изображения на разных уровнях детализации. Предложенная модель изображения позволяет распараллелить алгоритм расчета вейвлет-коэффициентов по блокам детализации, тем

самым решить задачу идентификации дефектов в реальном масштабе времени. Предложена методика шумоподавления на основе уменьшения детализирующих вейвлет-коэффициентов первого уровня разложения на величину, зависящую от уровня шума за счет технологической смазки. Обоснована метрика для идентификации дефектов монохромного изображения и экспериментально установлено её пороговое значение. Доказано, что идентификация дефектов осуществляется до 3-его уровня детализации изображения поверхности проката.

4. Обоснованы технические решения для повышения эффективности холодной обработки цветных металлов давлением при производстве тонколистового проката, включающие цепь компенсации динамической ошибки системы управления гидронажимным устройством, позволяющая уменьшить колебания толщины полосы проката при прохождении стыков в 1,5 -1,6 раза, и программно-аппаратную систему обработки изображений поверхности проката в цепи обратной связи контура управления скоростью прокатки для идентификации поверхностных дефектов, которая позволяет за счет изменения скорости при реверсе проката «закатать» устранимые дефекты: 65% царапин, 78% дефектов «волна» и «мятость» в процессе производства, а также идентифицировать дефекты «окалина» и «плена». Внедрение предложенных технических решений за счет увеличения средней скорости проката обеспечивает повышение производительности стана на 18-20% при уменьшении числа дефектов тонколистового проката.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

- в рецензируемых научных журналах из Перечня ВАК:

1. Бугаев, Д.П. Развитие АСУТП прокатного стана на основе выявления поверхностных дефектов металла методом вейвлет-преобразований видеоизображений / Д.П. Бугаев, H.A. Соловьев // Известия Самарского научного центра РАН. — 2009. — Специальный выпуск «Актуальные проблемы машиностроения». — С. 180184.

2. Бугаев, Д.П. Идентификация дефектов листового проката на основе вейв-летной кросскорреляции изображений / Д.П. Бугаев, H.A. Соловьев // Естественные и технические науки. — 2013. -№3. — С. 230-233.

- в сборниках научных трудов и материалах конференций:

3. Бугаев, Д.П. Принципы построения систем оперативной аналитической обработки данных на гетерогенных кластерах / Д.П. Бугаев // Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах: сборник материалов V международной конференции-семинара. - Нижний Новгород: НГТУ, 2005. — С. 37-41.

4. Бугаев, Д.П. Распараллеливание алгоритма вейвлет-преобразования при выявлении поверхностных дефектов листового металла при обработке на прокатном стане / Д.П. Бугаев // Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах: сборник материалов VII международной конференции-семинара. — Нижний Новгород: НГТУ, 2007. — С. 50-54.

5. Бугаев, Д.П. Выявление дефектов поверхности металла с помощью вейвлет-преобразования / Д. П. Бугаев, Н. А. Соловьев // Компьютерная интеграция производства и ИПИ-технологии: сборник материалов III всероссийской научно-

/ ?

практической конференции. - Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2007. - С. 115-118.

6. Бугаев, Д.П. Совершенствование технологического процесса стана холодного проката на основе вейвлет-анализа поверхностных дефектов листового металла / Д.П. Бугаев // Актуальные проблемы информационных технологий теории управления: сборник трудов научного семинара. - Оренбург: Тип. ОВЗРУ, 2008. - С. 35-40.

7. Бугаев, Д.П. Развитие АСУТП прокатного стана на основе выявления поверхностных дефектов металла методом вейвлет-преобразований / Д.П. Бугаев // Современные информационные технологии в науке, образовании и практике: сборник материалов VII всероссийской научно-практической конференции с международным участием. - Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2008. - С. 24-27.

8. Бугаев, Д.П. Совершенствование АСУТП прокатного стана на основе видеодефектоскопии поверхностных дефектов металла / Д.П. Бугаев, H.A. Соловьев / Компьютерная интеграция производства и ИПИ-технологии: сборник материалов IV всероссийской научно-практической конференции. - Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2009.-С. 460-466.

9. Бугаев, Д.П. Модель учета физико-механических свойств металла в технологии холодного проката / Д.П. Бугаев, В.В. Паничев // Современные информационные технологии в науке, образовании и практике: сборник материалов IX всероссийской научно-практической конференции (с международным участием). — Оренбург: ООО «Комус», 2010. - С. 39-41.

10. Бугаев, Д.П. Шумоподавление при распознавании поверхностных дефектов в технологии холодного листового проката / Д.П. Бугаев, H.A. Соловьев Современные информационные технологии в науке, образовании и практике: сборник материалов IX всероссийской научно-практической конференции (с международным участием). — Оренбург: ООО «Комус», 2010. — С. 12-18.

11. Бугаев, Д.П. Оценка эффективности внедрения адаптивной АСУТП стана холодного проката / Д.П. Бугаев, В.В. Паничев // Теоретические вопросы разработки, внедрения и эксплуатации программных средств: сборник материалов II всероссийской научно-практической конференции. -Орск: Изд-во ОГТИ, 2012-С. 19-21.

- зарегистрированные программные средства:

12. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Defectoscope_wavelets / Д.П. Бугаев, H.A. Соловьев. - №2009610915, дата поступления 3 февраля 2009 г., зарегистрирована в реестре программ для ЭВМ 10 февраля 2009 г.

Подп. в печать 12.11.13 Формат 60x84 '/16.

Бум. офсетная. Гарнитура «Times». Печать цифровая.

Объем 0,73 уч.-изд. л. Тираж 110 экз. Заказ № 952.

Отпечатано в типографии ФГБОУ ВПО «ОГИМ» 460038, г. Оренбург, ул. Волгоградская, д. 16 Тел./факс: (3532) 30-50-60, доб. 127.

ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет»

На правах рукописи 04201450676

БУГАЕВ ДМИТРИИ ПАВЛОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ В УСЛОВИЯХ ПЕРЕХОДА К ТОНКОЛИСТОВОМУ ПРОКАТУ

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и

производствами (промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Соловьев Николай Алексеевич

Оренбург 2013

Содержание

Введение................................................................................................................5

1 Системный анализ технологического процесса холодного проката цветных металлов.........................................................................................................8

1.1 Исследование проблем обработки металла давлением..............................8

1.1.1 Описание объекта исследования................................................................9

1.1.2 Анализ проблем эксплуатации стана SKODA КВАРТО 400................ 11

1.2 Особенности технологии тонколистового проката цветного металла ... 14

1.2.1 Обзор физико-механических процессов возникновения дефектов листового проката...............................................................................................14

1.2.2 Анализ технологических процессов тонколистового проката.............17

1.2.2.1 Анализ упругой деформации клети......................................................20

1.2.2.2 Анализ продольной разнотолщинности полос....................................22

1.3 Анализ существующих методов и средств бесконтактного контроля продукции.................................................................................................................................29

2 Исследование динамики влияния скорости прокатки сварных швов на продольную толщину полосы...........................................................................38

2.1 Анализ структуры системы авторегулирования толщиной.....................38

2.2 Модель системы авторегулирования толщины полосы...........................42

2.3 Технология применения имитационной модели системы авторегулирования толщиной..................................................................................................48

2.3.1 Назначение и условия применения модели............................................48

2.3.2 Характеристики программы.....................................................................49

2.3.3 Выполнение программы...........................................................................52

2.4 Коррекция динамических свойств САРТ...................................................55

2.4.1 Анализ динамических свойств гидромеханического нажимного устройства.................................................................................................................55

2.4.2 Расчет динамической ошибки прокатки.................................................60

2.4.3 Компенсация динамической ошибки......................................................61

2.4.4 Экспериментальная оценка влияния компенсатора на производительность прокатного стана...............................................................................63

3 Развитие математического аппарата КМА для обнаружения поверхностных дефектов по видеоизображению листового проката в процессе производства......................................................................................................................72

3.1 Формализация описания изображений листового проката с поверхностными дефектами..............................................................................................72

3.2 Распараллеливание алгоритма расчета ВК матричной модели на основе высокопроизводительных систем.................................................................................83

3.3 Шумоподавление при идентификации поверхностных дефектов в технологии холодного листового проката.............................................................88

3.4 Идентификация поверхностных дефектов путем обнаружение изменений в динамических видеоизображениях дефектов листового проката.......95

4 Разработка программно-аппаратного комплекса идентификации поверхностных дефектов и оценка его эффективности...........................................100

4.1 Разработка архитектуры ПС и выбор инструментальных средств программирования..................................................................................................100

4.2 Разработка структуры данных................................................................... 104

4.3 Разработка интерфейса программно-аппаратной системы....................105

4.4 Оценка эффективности модернизированной системы АСУТП стана и программно-аппаратной системы идентификации поверхностных дефектов.......................................................................................................................109

4.4.1 Планирование эксперимента..................................................................109

4.4.2 Подготовка и проведение эксперимента...............................................114

4.4.3 Оценка результатов эксперимента.........................................................118

4.5 Оценки внедрения результатов исследований на производстве...........122

4.6 Направления дальнейших исследований.................................................125

Заключение........................................................................................................128

Список использованных источников..............................................................130

Приложение А Статистика брака продукции................................................144

Приложение Б Статистика обнаружения дефектов ультразвуковым дефектоскопом............................................................................................................146

Приложение В Акт внедрения результатов диссертационной работы на

ОАО ГЗОЦМ «СПЛАВ»..................................................................................147

Приложение Г Акт внедрения результатов диссертационной работы в

учебный процесс..............................................................................................148

Приложение Д Диплом лауреата областной выставки научно-технического

творчества молодежи «НТТМ 2008»..............................................................149

Приложение Е Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Defectoscope_wavelets»..................................................................150

Введение

Продукция прокатного производства цветного металла широко используется на предприятиях авиационной, автомобильной и пищевой промышленности, при этом повышенный интерес вызывает тонколистовой прокат. Задача обеспечения требуемой эффективности обработки цветных металлов давлением при переходе к тонколистовому прокату становится одной из центральных в связи с ростом числа дефектов готовой продукции.

Обеспечение качества технологического процесса холодного проката рассматривались в работах известных российских ученых: Полухина П.И., Выдрина В.Н., Кузнецова Л.А., Мазура В.Л. Белосевича В.К. и зарубежных исследователей В. Робертса, Г. Брайанта, Э. Гарбера и других. Обобщая результаты исследований, можно сделать вывод, что в настоящее время сложилась система методов, моделей и средств выявления дефектов производства листового проката, разработаны методологические принципы их использования, позволяющие решать широкий спектр задач. В связи с ростом потребности выпуска тонколистового проката возникает необходимость разработки принципиально иных подходов к идентификации дефектов листа металла в процессе прокатки. Это определяет актуальность проведения исследований в области автоматизации идентификации поверхностных дефектов тонколистового проката с оперативной коррекцией параметров контура управления прокатного стана.

Объект исследований - теоретические основы и прикладные методы повышения эффективности АСУТП холодной обработки цветного металла давлением; предмет - методы и средства моделирования технологических процессов производства тонколистового проката.

Цель исследований — повышение производительности и качества холодной обработки цветных металлов давлением при переходе к производству тонколистовой продукции на основе коррекции контура управления толщиной проката и внедрения средств идентификации поверхностных дефектов.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

- провести системный анализ технологических процессов холодной обработки цветных металлов давлением в условиях перехода к тонколистовому прокату;

- разработать модель для оценки динамических свойств системы управления технологическим процессом листового проката цветных металлов;

- разработать метод, модель и средства идентификации поверхностных дефектов тонколистового проката цветных металлов в реальном масштабе времени;

- предложить технические решения для повышения эффективности холодной обработки цветных металлов давлением при производстве тонколистового проката.

Теоретической основой решения поставленных задач являются: теория системного анализа и исследования операций; теория автоматического управления, теория принятия решений, методы цифровой обработки сигналов.

Научную новизну составляют:

- динамическая модель системы управления толщиной листового проката, обеспечивающая параметрический синтез цепи частичной компенсации динамической ошибки в контуре управления гидронажимного устройства для повышения скорости прохождения стыков полос;

- модель изображения листового проката, позволяющая идентифицировать поверхностные дефекты листа в реальном масштабе времени на основе векторно-матричных вейвлет-преобразований.

Практическая значимость полученных результатов заключается в развитии специального программного обеспечения АСУТП холодной обработки цветных металлов давлением для обеспечения требуемое качества готовой продукции, что подтверждается актом внедрения ОАО «ГЗОЦМ «СПЛАВ»» (г. Гай, Оренбургской области), государственной регистрацией программы на ЭВМ («Бе£ес1:о8соре_\уауе1е18», свидетельство № 2009610915) и использованием в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет».

Основные положения, выносимые на защиту:

1) динамическая модель контура управления толщиной проката, позволяющая установить зависимость амплитуды выбросов толщины листа от скорости прокатки для параметрического синтеза корректирующей цепи гидронажимного устройства и увеличить скорость проката сварных стыков полос за счет изменения силы обжатия на основе частичной компенсации динамической ошибки;

2) модель изображения поверхности листового проката, позволяющая разделить описание текстуры и дефектов на основе векторно-матричного представления вейвлет-преобразований изображения на разных уровнях детализации;

3) методика и алгоритмы идентификации поверхностных дефектов листового проката, обеспечивающие параллельную обработку матриц вейвлет-коэффициентов в реальном масштабе времени;

4) автоматизированная система управления технологическими процессами холодного тонколистового проката с частичной компенсацией динамической ошибки в контуре управления толщиной проката и идентификацией поверхностных дефектов в процессе производства.

Апробация: Основные положения и результаты диссертации обсуждались на международных научных конференциях «Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах» (Нижний Новгород, 2005, 2007); «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике» (Оренбург, 2008, 2010); всероссийских научно-практических конференциях «Компьютерная интеграция производства и ИПИ-технологии» (Оренбург, 2007, 2009).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 2 статьи в изданиях из Перечня ВАК, 9 статей в сборниках научных трудов и материалах международных и региональной научных конференций, 1 свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ.

1 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ХОЛОДНОГО ПРОКАТА ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

Системный анализ технологических процессов холодного проката цветных металлов проводился на базе ОАО «Гайский завод по обработке цветных металлов (ГЗОЦМ) «СПЛАВ»», созданного в составе Орского завода по обработке цветных металлов как Цех радиаторной ленты (Гайская промплощадка). Основное назначение - обеспечение радиаторной лентой Волжского автомобильного завода, г. Тольятти [15,25].

С 1986 года ГЗОЦМ стал самостоятельным предприятием, а с 1992 года реорганизован в ООО «ГЗОЦМ «Сплав»». В настоящее время завод специализируется на выпуске медного, латунного, медно-никелевого и никелевого проката, литейных латуней, бронз и алюминия.

1.1 Исследование проблем обработки металла давлением

В цехе радиаторной ленты ООО «ГЗОЦМ «Сплав»» установлены три стана холодной прокатки фирмы "Фрелинг" (ФРГ), в том числе уникальный пятиклетьевой стан «Тандем Кварто-115x400» для прокатки лент на толщину до 0,05 мм и станы холодной прокатки «КВАРТО-220», «КВАРТО 400 SKODA» и ДУО-ЗЮ. Резка лент осуществляется на двух линиях продольной резки фирмы "Комек" (Франция) и трех линиях "Шкода" (ЧССР). Две линии непрерывного отжига и травления "Эртей" (Франция) позволяют производить одновременный отжиг, травление, промывку и сушку лент, кроме того, имеются пять садочных термических печей СГЗ 10/56 и шесть садочных печей ЦЭП-290, позволяющих производить отжиг лент в защитной атмосфере. Оборудование позволяет производить ленты толщиной от 0,4 до 1,0 мм мягкого, полутвердого, особотвердого и пружинногвердого состояния [15,25].

Для анализа проблем эксплуатации стана холодного цветного проката необходимо описать объект исследования, в качестве которого выбран стан «КВАРТО 400 SKODA».

1.1.1 Описание объекта исследования

Исходным материалом для холодной прокатки служат горячекатаные листы и полосы толщиной 3...6 мм. Для увеличения массы рулонов несколько полос сваривают встык. Относительное обжатие за пропуск обычно находится в пределах 10...45%. На непрерывных и реверсивных станах с моталками прокатка ведется с натяжением. В качестве технологической смазки применяют эмульсии концентрацией 1..5% или маловязкие минеральные масла [2,114,117]. Скорость прокатки на непрерывных станах зависит от толщины заготовок и числа клетей, и может составлять от одного метра в секунду в станах с одной клетью до нескольких десятков в станах с несколькими клетями. На рисунке 1.1 изображена кинематическая схема двухклетевого реверсивного прокатного стана типа КВАРТО

• Месс дозы | Мессдозы '

Рисунок 1.1 - Кинематическая схема двухклетевого реверсивного прокатного стана типа КВАРТО

Производительность станов холодной прокатки зависит от сортамента прокатываемых полос, скорости прокатки, массы рулонов и количества свар-

ных швов в них, длительности простоев станов и других факторов. Производительность станов определяется автоматизированной системой управления технологическим процессом (АСУ ТП). На рисунке 1.2 показана функцио-

______v

нальная схема АСУ ТП реверсивного стана «КВАРТО 400 SKODA» [45,53,123].

Рисунок 1.2 - Функциональная схема АСУ ТП реверсивного стана

«КВАРТО 400 SKODA»

Система автоматического регулирования толщины полосы (САРТ), решает задачу обеспечения требуемой толщины прокатываемой полосы по длине с исключением значительных колебаний по толщине. Эта задача решается с помощью автоматического воздействия на нажимные устройства, а также путем изменения межклетевых натяжений полосы и скорости вращения валков [45,53,123].

Система автоматического регулирования натяжения (САРН), взаимосвязанная с САРТ, поддерживает величины натяжений полосы в процессе прокатки на заданном, оптимальном уровне, что особенно важно в переход-

10

ных режимах, например, при переходе с заправочной скорости на рабочую, а также при изменениях скорости прокатки сварочных швов полос.

Система автоматического регулирования профиля и формы полосы (САРПФ) воздействует на профиль зазора между валками с помощью устройств противоизгиба (или принудительного изгиба) валков.

Система автоматической подачи смазочно-охлаждающей жидкости (САПОЖ) обеспечивает подачу жидкости на валки и полосу в необходимом регулируемом количестве раздельно по зонам, выделенным по длине бочки валков, с целью стабилизации теплового состояния валков в процессе прокатки [45,53,123].

Таким образом, АСУТП двухклетевого реверсивного прокатного стана

V

«КВАРТО 400 SKODA» является сложной системой, повышение требований к качеству готовой продукции которой приводят к проблемам эксплуатации исследуемого объекта.

1.1.2 Анализ проблем эксплуатации стана «КВАРТО 400 SKODA»

Практика эксплуатации стана холодного проката «КВАРТО 400

V

SKODA», применяемого для производства радиаторной ленты на предприятии ОАО «ГЗОЦМ «СПЛАВ»» (г. Гай, Оренбургская область), в течение 2005 - 2008 годов сопровождалась ростом брака готовой продукции (см. Приложение А).

Основные виды брака показаны на рисунке 1.3

Рисунок 1.3 - Дефекты поверхности металлопродукции: а) плены; б) пузыри на поверхности; в) трещины при наклепе; г) трещина от шлифовального прижога; забоины; е) закалочные трещины; ж) шлифовочные трещины

Распределение дефектов по видам показано на рисунке 1.4.

Серповидностъ Немерностъ

Мятостъ Накол Навар Царапины

Отверстия

Мелкая волна

О 20 40 60 80 100 120 140

Количество дефектов

т 2005 ■ 2006 □ 2007 □ 2008

Рисунок 1.4- Распределение дефектов по видам

Динамика распределение дефектов по типам происхождения представлена на рисунке 1.5., среди которых преобладают устранимые поверхностные дефекты.

о -I-,-,-,-

2005 2006 2007 2008

Тип дефектов —«—Неустранимые —■— Устранимые

Рисунок 1.5 — Динамика распределение дефектов по типа

Исследования показали, что основное влияние на появление поверхностных дефектов оказывает скорость проката. Влияние систем а