автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация процесса разделения горячих стальных заготовок в металлургических агрегатах с роторными пилами

005011048

Комиссарчук Сергей Юрьевич

Автоматизация процесса разделения горячих стальных заготовок в металлургических агрегатах с роторными пилами.

Специальность

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 1 ИДР 2С72

Москва-2011

005011048

Работа выполнена в ЗАО «ИНКОММЕТ», г. Москва, Россия.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Синицкий Владимир Михайлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Гаврюшин Сергей Сергеевич

кандидат технических наук Кареев Сергей Михайлович

Ведущая организация:

Московский государственный индустриальный университет (ФГБОУ ВПО «МГИУ»)

Защита диссертации состоится "¿У" 2012 г. в /У мин, на заседании диссертационного совета Д 212.141.06 в Московском государственном техническом университете им. Н.Э.Баумана по адресу: 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5.

Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, просим направить по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э.Баумана. Телефон для справок: (499) 267-09-63

Автореферат разослан "ЗУ' 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, доцент

Михайлов В.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Начиная с конца прошлого столетия, в металлургии для резки горячих стальных заготовок крупного сечения получили распространение роторные пилы. Разработана серия пил двух типов РР и РЗ с диаметрами пильных дисков 1200 - 3200 мм. Обладая уникальными техническими характеристиками (время реза - доли секунды), они получили признание в России и за рубежом. Работы по созданию оборудования агрегатов резки до 1995 года проводились во ВНИИМЕТМАШ, позднее в ЗАО «ИНКОММЕТ», выделившееся в 1994 году из состава ВНИИМЕТМАШ в самостоятельную организацию, где при непосредственном участии автора выполнен ряд работ по совершенствованию агрегатов резки заготовок с роторными пилами.

Агрегаты резки с роторными пилами (более 30) успешно эксплуатируются на заводах РФ - ВТЗ (г. Волжский), «Мотовилихинские заводы» (г. Пермь), ВМЗ «Красный Октябрь» (г. Волгоград) и др., и за рубежом в Японии - Sumitomo (г. Wakayama), США - Nord Star (г. Youngstown, Ohio) и др. Разработано и освоено на отечественном предприятии - ЗАО «J1A3TEX» (г. Волжский) производство пильных дисков диаметром до 3200 мм повышенной стойкости на основе лазерных технологий. Актуальность работ по автоматизации технологического процесса резки заготовок, снижения эксплуатационных затрат, повышения качества реза, надежности и безопасности эксплуатации подтверждается имеющимися в ИНКОММЕТ запросами и хоздоговорами.

В предыдущих работах расчет кинематических параметров роторной пилы выполнялся с использованием дифференциальных уравнений движения, решение которых затруднительно в АСУТП при малых тактах управления. Актуальным является упрощение расчетов и разработка метода компьютерного анализа кинематических и энергосиловых связей системы «заготовка -инструмент - машина» для решения задач автоматизации.

Контроль состояния инструмента осуществляется оператором. Актуальным является автоматизация контроля непосредственно при резе.

Качество инструмента, его стойкость, оказывают решающее влияние на технологический процесс разделения заготовок. Ранее пильные диски большого диаметра изготавливались методом механообработки, с использованием профильных фрез. После внедрения лазерных технологий в технологический процесс изготовления дисков большого диаметра не был исследован эффект поверхностного упрочнения кромок зубьев и впадин, являющийся следствием лазерной резки.

Существующие методы статической балансировки дисков большого диаметра связаны с операциями перевалки дисков из горизонтальной в вертикальную плоскость и наличием человеческого фактора в оценке степени сбалансированности. Целесообразным является автоматизация операций балансировки для повышения ее эффективности и минимизации эксплуатационных затрат технологического лазерного комплекса.

Цель работы

Повышение уровня автоматизации процесса разделения горячих стальных заготовок крупного сечения, включая контроль и управление технологическими режимами резания и изготовления режущего инструмента, обеспечивающих повышение технологических характеристик и экономическую эффективность агрегатов резки и взаимосвязь с АСУ верхнего уровня.

Методы исследований и достоверность результатов

Методологической основой работы является системный подход и компьютерный анализ связей «заготовка - инструмент - машина» технологического процесса разделения заготовок на мерные длины как основа построения АСУТП агрегатов резки и взаимодействия с АСУП.

Методологической основой эффективной организации и ведения специализированного информационного и программного обеспечения АСУТП является системно-ориентированное программирование как средство решения задач реального времени, организации баз данных, обеспечения достоверности, защиты и резервирования.

Достоверность результатов исследований подтверждается их успешным внедрением в промышленности.

Автор защищает:

1. Обоснование состава программных и технических средств, схемные решения построения АСУТП разделения заготовок роторными пилами, включая структурирование функций микропроцессорных контроллеров (МК) и программного обеспечения (ПО) для решения задач жесткого реального времени, обеспечивающих высокую надежность и требуемое быстродействие, а также взаимодействие с АСУ верхнего уровня.

2. Способ компьютерного анализа кинематических и энергосиловых связей в системе «пила - режущий диск - заготовка - вспомогательное оборудование» и специальное ПО, как средство повышения эффективности разработки и модернизации АСУ, обеспечивающее выбор рациональных энергосиловых параметров и моментов подачи команд САУ исполнительными механизмами агрегата, а также контроль степени износа пильного диска и качество реза.

3. Новую структуру АСУ роторной пилы с рациональным распределением маховых масс в аккумуляторном приводе режущего диска во взаимосвязи с АСУТП агрегата резки, позволяющую снизить энергоемкость процесса резания, сократить время цикла, а также формировать управляющие воздействия на приводы и контролировать состояние режущего инструмента по показаниям управляющих устройств АСУТП с тактом от 0,001 с.

4. Технологические режимы и АСУТП обработки пильных дисков большого диаметра, включая обработку режущего профиля и автоматическую балансировку дисков в едином технологическом лазерном комплексе.

Научная новизна

1. Разработан компьютерный метод анализа кинематических и энергосиловых параметров системы «заготовка - инструмент - машина» в

агрегатах резки заготовок с роторными пилами по фазам исполнения процесса разделения заготовок, учитывающий взаимодействие элементов системы.

2. Разработаны принципы построения систем управления приводами АСУ роторной пилы с новой рациональной схемой и тактом управления от 0,001 с, структура и программные средства управляющих МК.

3. Впервые в составе АСУ роторной пилы разработана подсистема определения состояния режущих свойств дисков и качества реза с тактом от 0,001 с непосредственно во время реза продолжительностью до 0,5 с.

4. Для агрегатов резки заготовок определены и обоснованы состав программных и технических средств, методы построения АСУТП, взаимодействия с АСУ верхнего уровня и построения распространенных систем, настройки и обслуживания МК без остановки АСУТП, организации человеко - машинного интерфейса, интегрирования в SCADA и другие системы.

5. Установлены параметры поверхностного упрочнения при лазерной резке дисков диаметром 2500 мм толщиной 12 мм из сталей 51CrV4 и 75Х с уточнением толщин послойной твердости от -70 до -25 HRC и ее зависимости для режущей кромки зуба от направления обхода вырезаемого контура. Отмечено, что при обходе вершины зуба лазерным лучом по кругу вершины зуба происходит двойной высокотемпературный нагрев и образуется местная зона разупрочнения: при движении вдоль направления резания - на задней режущей грани, в противоположном направлении - на передней.

6. Разработаны и обоснованы новый способ и АСУТП балансировки пильных дисков большого диаметра, использующий для определения дисбаланса весовые датчики, при горизонтальном расположении диска и возможностью его вращения со скоростью -1 Гц на отдельной позиции технологического лазерного комплекса. Для определения дисбаланса предложен метод решения физических уравнений в момент равновесия показаний противостоящих датчиков.

Практическая ценность и реализация результатов работы

В работе предложены новые научно-технические решения построения АСУТП агрегатов резки, обеспечивающие энергосбережение и существенное снижение эксплуатационных расходов, высокую надежность и быстродействие систем автоматики с МК и ПО отечественной разработки, не требующих специального лицензирования и позволяющих производить операции настройки без остановки технологического процесса.

Основные принципы построения АСУТП агрегатов резки с роторными пилами были использованы и реализованы на разных этапах проектирования, наладки и сопровождения эксплуатации следующих объектов: агрегаты резки РЗ-2500 ВТЗ, РР-2500 ВМЗ «Красный Октябрь», P3-3200 «Мотовилихинские заводы», РЗ-2500 Sumitomo, РЗ-2500 Nord Star, техпредложения на поставку РЗ-2800 КПЦ ВМЗ (г. Выкса), РЗ-2500 СПЦ МЗ им. Серова (г. Серов), РЗ-1200 «КазФерроСталь» (Казахстан, г. Алма-Ата).

Технологический лазерный комплекс с автоматической балансировкой дисков диаметром до 3200 мм внедрен в эксплуатацию в 2009 году на

предприятии ЗАО «ЛАЗТЕХ», где в промышленных масштабах производятся пильные диски. Пильные диски диаметром 2500 мм, изготовленные на этом комплексе с использованием результатов настоящей работы, успешно эксплуатируются на ВМЗ «Красный Октябрь» и ВТЗ. Стойкость дисков повысилась в 2-3 раза и достигает 4000-4500 резов на заготовке диаметром 410 мм вместо ранее нормируемых 700-1000 резов на круге диаметром 320 мм.

Апробация работы

1. Участие в 5 международных выставках "Передовые технологии автоматизации" и "Автоматизация ПТА-2005, ПТА-2006, ПТА-2007, ПТА-2008, г.Москва; ПТА-Северо-Запад 2005, г.Санкт-Петербург.

2. Международные семинары-презентации и выставки №№ 30, 31 и 32 "Автоматизация. Программно-технические средства. Системы. Применения" ИПУ РАН, г. Москва, 2006,2007 и 2008 г.

3. Участие в 16 научных сессиях и конференциях «Научная сессия МИФИ» и "Телекоммуникации и новые информационные технологии в системе лицей -ВУЗ".

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 10 статьях, опубликованных в российских научных журналах, рекомендованных ВАК.

Свидетельства РОСПАТЕНТА. По теме диссертации получены 12 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ, 2 патента на полезную модель, 1 патент на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы. Работа выполнена на 139 страницах машинописного текста, содержит 62 рисунка и 4 таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность работы, ее цель, научная новизна, определены задачи, методы и объекты исследований.

В первой главе проведен анализ схемных решений АСУТП разделения горячих стальных заготовок крупного сечения на мерные длины. Определены состав оборудования и последовательность технологических операций на примере действующих и вновь проектируемых. Проанализированы механические способы разделения горячих стальных заготовок — ножницами и пилами. Преимущество отдано роторным пилам, разработанным в России и отличающихся компактностью, высокой производительностью (время реза заготовки диаметром 500 мм - доли секунды) и минимальным искажением профиля разрезаемых заготовок. Обладая уникальными техническими характеристиками, они получили признание в России и за рубежом.

Исследования в области технологий, оборудования и АСУТП разделения горячих стальных заготовок крупного сечения базируются на трудах А.И.Целикова, Н.И.Крылова, Н.Н.Дружинина, Н.Н.Зорева, Т.Н.Лоладзе, Ю.С.Комиссарчука, Ю.Е.Кима, Н.М.Баранова и др.

Работы по совершенствованию агрегатов резки с роторными пилами велись во ВНИИМЕТМАШ, а затем в ЗАО «ИНКОММЕТ», где при

непосредственном участии автора выполнен ряд работ по совершенствованию агрегатов резки заготовок роторными пилами и обработки пильных дисков.

На примерах разных предприятий показана идентичность технических решений, применяемых в агрегатах резки для цехов различных типов. Отмечено, что в большинстве известных агрегатов система автоматики построена на релейно-контакторной схеме, не обеспечивающей достаточного быстродействия и гибкости настроек параметров. Установлено, что при времени реза, составляющем доли секунды, важными факторами для оценки эффективности процесса являются кинематические и энергосиловые параметры взаимосвязи системы «заготовка - инструмент - машина». Определено, что качество и стойкость режущего инструмента являются главным фактором для оценки эффективности использования пил. Обоснована необходимость применения современных технологических лазерных комплексов для изготовления дисков, а также необходимость автоматизации операций их балансировки. Рассмотрены конструктивные схемы рабочего механизма пилы РЗ, взаимодействия диска пилы и заготовки во время процесса резания, действия усилий на зуб пилы при резе. Установлено, что распределение маховых масс важно для построения АСУТП и решения задач снижения энергоемкости процесса.

Во второй главе рассмотрены методы построения АСУТП агрегатов резки заготовок и основные решения по его реализации.

Определены и обоснованы программные и технические средств АСУ роторной пилы с новой рациональной схемой приводов и управляющими МК, определяющими конкретные значения кинематических и энергосиловых параметров по фазам реза с тактом от 0,001 с и временем реза до 0,5 с для передачи в АСУТП агрегата резки и обеспечивающие снижение энергоемкости процесса и сокращение времени технологического цикла. Снижение момента инерции вращения водила за счет использования новой схемы рабочего пилы позволяет снизить установленную мощность приводов и разработать рациональную структуру АСУ. На новую роторную пилу (рис. 1) получен патент на изобретение РФ (№ 2429951 с приоритетом от 01.04.2010).

1 - водило;

2 - режущий диск;

3 - периферийный вал;

4 - планшайбы;

5 - солнечный вал; 6,7,8,9,11,12 - зубчатые передачи; 10,14 - двигатели приводов водила и диска; 13 - маховик;

15 - корпус;

16 - заготовка. Рис. 1. Кинематическая схема новой роторной пилы

6 3 4 11 2 5 1 6 17 7

15

г И II* II ^ I ;|| !ТП 1Н'"Т4| Н»'|П т

Ш ;ЩШ ] 111П„: -МНИ I 1Л ШН! яти

10

Разработан компьютерный метод анализа кинематических и энергосиловых параметров системы «заготовка - инструмент - машина» в агрегатах резки заготовок с учетом взаимодействия элементов системы по фазам исполнения процесса разделения заготовок, а также ПО расчета параметров роторной пилы для передачи в АСУТП данных по рациональному выбору команд исполнения заданного цикла (см. рис. 2).

Отмечено, что взаимное расположение оборудования агрегата определяют эффективность процесса и качество резания.

Г

У

ІІ 1

Фазы реза-

. :ь

Геометричесже и кинематические параметры

Диаметр диска, 01, мм 2496.0

Диаметр водила, 02, мм 960.0 ;

Диаметр планшайбы. 03, ни 1300.0

Диаметр заготовки 04, мм 410.0

Расстояние, ХсЗЬ, мм 1280.0

Расстояние, 'ітіЬ, мм -190.0

Шаг зубьев диска, мм 80.0

\ .

Фаза 1 2 3

Скорость вращения диска, N5,06/0 12.75 12.19 10,94

Окружная скорость диска, м/с 100.00 95.60 85.60

Оюрость Вращения ВОДИЛ», Н(1. ОбЛ 0.41 0.30 0.17

Окружная скорость водила, Уа, м/с 1.23 0.90 0,50

Вращение водила ¡по часовой £] Расчет ! Подставить расчетные данные

Яз

Результаты

Фаза 12 3 4

УГОЛ у, ° 102.58 129.63 160.42 256.26

Угол резания Ь, ° 198.19 196.75 188.04 0.0

Скорость подачи, м/с 1.2 0.8 0.2 -1.2

Толщина стружки, мм 1.0 0.7 0.2 0.0

Время, мс 0 217 753 2574

Про/ват, л, мм 37,9

Максимальная длина дуги резания, а, мм 411.9

Площадь стружки, *-в.м 0.13

=)неогосилоєьіе параметры

Температура заготовки,°С 1000.0 Фаска износа, мм 5.0

Толщина диска, мм 12.0 Крутящий момент двигателя,кг.см 415.0

Маховсй момент, кг.кв.см ■ 11787.0

Максимальное усилие на зуб, Т, гт .2231.3

Маргинальное усилие на зуб Я, кг 1836.2 Работа реза, кг.м ;212022.0

Старость є фазе 2, м/с 95.6

Скорость в фазе 3, м/с 86.0

Время восстановления, с 11.6

Рис. 2. Пример расчета параметров роторной пилы

ПО позволяет, задавая параметры роторной пилы: диаметры водила, диска и заготовки, относительные координаты центра вращения водила и центра заготовки, получить углы поворота водила, соответствующие: началу реза, максимальной дуге контакта диска с заготовкой, окончанию реза, выходу диска из контакта с заготовкой, и соответствующие значения энергосиловых параметров. ПО выполнено в автономном варианте (включающем средства визуализации технологического цикла реза) для ПЭВМ и в варианте для управляющего МК АСУТП. Это позволило выбрать рациональные параметры системы под конкретные задачи агрегата резки, определить в АСУТП моменты подачи управляющих воздействий на приводы, реализовать контроль усилий резания и нагрузок на проводы в технологическом цикле реза.

При расчете параметров сначала выполняется кинематический расчет без учета просадки скорости вращения диска, по нему проводится расчет энергосиловых параметров, которые дают расчетную просадку скорости вращения диска для повторного кинематического расчета.

Алгоритм работы АСУ роторной пилы определяется обобщенной циклограммой реза, приведенной на рис. 3.

Водило, графики момента М и скорости вращения двигателя п

Систематизированы схемы компоновок оборудования и требований к АСУТП резки заготовок разного назначения. Определена структура сети МК АСУТП с распределением их функций. Задача раскроя заготовки решена при помощи предварительного взвешивания (рис. 4).

Энкодер

Знкодер

ЭД

ЭД

Тормоз

ZSZ

Шкаф N2

Привод диска

Привод водила

Шкаф N3

Прижим

Управляемый упор

Огневая зачисти

Шкаф N1

Механизм отбора проб Ч

взвешивающее устройство

У

Операторский пульт

Локальный операторский пулы

АСУТП цех а

Рис. 4. Структура сети МК АСУТП резки колесных заготовок Сформулированы общие требования к построению АСУТП с разделением на аппаратное и программное обеспечение, включая организацию человеко-машинного интерфейса и систему автоматики. Определены состав оборудования основных и вспомогательных систем, наполнение шкафов САУ, решения по компоновке локальных и центрального пульта управления.

В третьей главе разработаны и обоснованы методы построения и состав программных и технических средств АСУТП агрегатов резки заготовок, а также взаимодействия с АСУП и интеграции АСУТП в АСУП. Поскольку быстротекущие технологические процессы резания на роторных пилах характеризуются временами такта управления и измерений от 0,001 с и реза до 0,5 с, важными факторами при построении АСУТП является быстродействие и надежность МК и сетей МК.

В качестве базового для построения АСУ предложен программно-технический комплекс ПТК УМИКОН, созданный в ИНКОММЕТ при непосредственном участии автора, имеющий сертификат средств измерений RU.C.34.010.A № 10254 и разрешение Ростехнадзора № РРС 00-042703 для применения на опасных производствах. Программная и аппаратная части ПТК хорошо зарекомендовали себя в промышленности и могут использоваться в

АСУТП как совместно, так и независимо с оборудованием и БСАОА сторонних производителей.

Наиболее известные внедрения АСУТП, включающих МК и ПО из состава ПТК УМИКОН, разработанного ИНКОММЕТ при непосредственном участии автора: в металлургии - Михайловский ГОК (г. Железногорск Курской обл.), НЛМК (г. Липецк), ММК (г. Магнитогорск); в атомной промышленности - СХК (г. Северск Томской обл.), ГКХ (г. Железногорск Красноярского края); в химической промышленности - ОАО «Каустик» (г. Волгоград); в городском хозяйстве Москвы - ОАО «Мосводоканал», Спорткомплекс «Олимпийский».

При решении задач автоматизации с помощью микропроцессорной техники решающую роль играют требования, классифицированные, как представлено в таблице 1.

Таблица 1.

Классификация требований к МК в составе АСУТП_

Аппаратное обеспечение: Системное ПО: Функциональное ПО:

Сигналы. Ядро РВ. Технологическое программирование.

Ядро. Обработка сигналов. Качество сигналов.

Каналы связи. Протоколы связи.

Бесперебойное функционирование.

Настройка, перепрограммирование.

Разработаны методы повышения быстродействия каналов связи процессоров с периферийным оборудованием и эффективности ПО МК в АСУТП, в том числе путем резервирования оборудования и сигналов за счет специальных устройств управления. Рассмотрены варианты резервирования МК, сигналов и каналов связи, в том числе с управлением арбитром и для случаев использования интерфейса Е&ег№1.

Для агрегатов резки высокая скорость измерений и защита от помех являются актуальными. При соответствующем аппаратном обеспечении рекомендовано использовать неэлектрические средства измерений, например, оптические датчики угловых перемещений. Рассмотрены аспекты использования последовательных интерфейсов для построения быстродействующих каналов связи в условиях помех, а также каналов связи для подключения к МК инструментальных ЭВМ при выполнении операций настройки без остановки АСУТП. Для эффективного оперирования задачами АСУТП предложены способы табличного представлений простейших описаний преобразований, выполняемых как на уровне МК, так и БСАЭА. Отмечено, что эффективность встроенных алгоритмов фильтрации в АЦП, выполненных в виде отдельных интегральных микросхем, порой сводится к получению среднеарифметического за определенное время. Достаточный объем данных для фильтрации может быть получен методом конвейерной обработки, а результаты помещаются в структурированную базу данных.

В качестве ядра МК используются однокристальные микропроцессоры, например, ARM7. Наличие каналов прямого доступа к памяти в архитектуре ARM позволяет строить конвейерную обработку данных и напрямую влияет на эффективность ПО МК и соблюдение режимов жесткого реального времени (ЖРВ) с высокой точностью поддержания такта системы.

Системное ПО МК в составе АСТУП применяется комплексно с аппаратным обеспечением. В базе данных МК, общей для всех модулей ПО, структуры, относящиеся к отдельным входным или выходным сигналам, не являются тэгами, а представляют собой векторы, размер которых определяется количеством сигналов данного типа. При этом ПО выполняет обработку векторов простейших данных, а не векторов структур. Принцип векторной обработки конкурирует с принципами объектно-ориентированного программирования, функционирующего на мощных процессорах. Разработано ПО ведения базы данных, содержащей входные - выходные сигналы, расчетные, настроечные, справочные и иные переменные, используемые в режиме доступа к общей памяти, результатом является заголовочный файл, используемый на этапе компиляции и сборки.

Принцип векторного построения базы данных с разделением по типам распространен на сетевое взаимодействие. При этом, например, узел сети Ethernet, обладающий определенным набором входных данных, может передавать их в сеть в широковещательном режиме с упаковкой в пакеты данных одинакового типа, и не требует установления сеанса связи. Аналогично могут передаваться управляющие данные от SCADA к узлам сети и построены конвейеры. Определены методы реализация ведение архивов средствами МК, локальный либо удаленный доступ к файлам архивов, а также роль ПО ядра реального времени (РВ) для обеспечения функционирования задач ПО МК в режимах РВ или ЖРВ.

Сформулирован принцип постоянной максимальной рабочей нагрузки на алгоритмы обработки сигналов и каналы связи (в противовес событийной обработке), используемый при построении ядра РВ. При разработке ПО использован метод планирования эксперимента с учетом не моделируемых факторов. Разработаны ПО оценки производительности и метод присоединения качества к данным АСУТП при их обработке или хранении и пересылке по каналам связи. Для повышения эффективности сетевого обмена в АСУТП выполнено расширение протокола MODBUS RTU

Рассмотрены технологии сетевого взаимодействия. Детерминированная во времени дисциплина обслуживания при сетевом взаимодействии по каналам связи, основанная на технологии "мастер-слейв", упрощает определение состояния отказа целевого узла, поскольку в этом случае используется подсчет тайм-аута ответа как одно из свойств очереди запросов к узлу.

Разработаны алгоритмы синхронизации МК средствами групповых и широковещательных запросов, например, измерений, выполняемых разными МК в единой сети, и алгоритмы маршрутизации пакетов данных протокола MODBUS коммуникационными МК, при которой номер целевого узла заменяется при пересылке пакета через шлюз и восстанавливается в ответном

пакете перед передачей узлу, издавшему запрос, что позволяет упростить построение АСУТП с несколькими одинаковыми агрегатами.

Рассмотрены вопросы обеспечения бесперебойного функционирования ПО МК и реализации необходимых средств контроля, определены статистические параметры для контроля на этапе разработки ПО, разработана методика построения ПО МК с модульной перестраиваемой архитектурой ПО и использованием единого заголовочного файла на уровне компиляции и сборки ПО, что эффективно при настройке и наладке МК и АСУТП.

Разработано инструментальное ПО, позволяющее реализовать режим осциллограммы в оперативной памяти МК, средства вычисления быстрого преобразования Фурье и такие программные средства на ПЭВМ, как имитаторы самописцев и построители гистограмм. В агрегатах резки в виде осциллограмм могут быть получены, например, скорость подачи и вращения, позволяющие провести анализ эффективности работы роторной пилы на ходу.

Отмечено, что интегрированные значения величин суммарной просадки скорости вращения диски и загрузки привода вращения водила не отражают фактические максимальные значения за период времени реза и потому не дают возможности определить состояние диска и правильность режима работы роторной пилы. Задачу решают МК по мгновенному значению просадки скорости в момент прохождении дуги контакта диска с заготовкой.

Рассмотрены реализованные в составе ПТК УМИКОН средства инструментального сопровождения МК в АСУТП, включающиеся либо в состав SCADA, либо автономные. Разработано свободное (Open Source) ПО, распространяемое по лицензии GPL v.3, программы Mkstudio, Mkquery, Mkserver, Mksync, ftp и др. зарегистрированы в РОСПАТЕНТе.

Реализации в АСУТП человеко-машинного интерфейса решается МК, выполняющим простейшие функции SCADA, используя стандартный браузер на ПЭВМ для построения мнемосхем и диаграмм. МК при этом играет роль микро-сервера HTTP. Для построения интерфейса оператора АСУТП применен известный метод подстановки при создании html-страниц при помощи ПО сервера. Для управления данными с html-страниц используется javascript с применением встраиваемых фреймов. При реализации человеко-машинного интерфейса могут быть применены средства Google Chart, Google Visualization API либо иные. Предложенный метод может построения АСУТП используется для интегрирования с АСУП.

Рассмотрены варианты реализаций системы технологического программирования с точки зрения применимости для достижения максимального быстродействия и надежности МК.

В четвертой главе разработаны технологические режимы и средства АСУТП для обработки пильных дисков диаметром до 3200 мм, реализованные в J1A3TEX на технологическом комплексе с 2D машиной лазерной резки Messer Griesheim Ortosec 3000 и лазером Rofin WR Triagon 3000 мощностью 3,2 кВт, защищенного патентом РФ № 72434 с приоритетом от 24.01.2008.

Для отработки режимов резания и анализа эффекта упрочнения поверхности режущего профиля при лазерной обработке проведены

металлографические исследования с участием ктн А.И.Плохих (МГТУ им. Баумана) на пильных дисках диаметром 2500 мм толщиной 12 мм для роторных пил горячей резки. В результате исследований фрагментов режущего профиля зубьев определены конкретные значения поверхностного упрочнения при лазерной резке сталей 51Сг\Ч, 75Х. Установлено, что структура поверхности состоит из трех слоев, первый, толщиной до 0,015 мм имеет микроструктуру быстро затвердевшего металла, второй, толщиной до 0,5 мм -структуру мартенсита с твердостью ~50 НЯС, третий - исходную перлитную структурой твердостью -25 НЯС (рис. 5).

70 60 50

.а §

I 30

о m t-

20 10 о

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 Расстояние до режущей кромки зуба, мм

Рис. 5. Зависимость твердости от расстояния до режущей кромки зуба Также установлено, что на поверхностную закалку оказывает влияние направление обхода вырезаемого контура. При обходе вершины зуба лазерным лучом по кругу со стороны передней грани зуба происходит двойной высокотемпературный нагрев, мартенсит, образовавшийся при первом нагреве, перекристаллизуется, образуя местную зона разупрочнения. При обратном обходе контура происходит разупрочнение задней грани зуба. Отмечено, что направление траектории обработки профиля следует учитывать при изготовлении дисков разного назначения.

Листовые заготовки для дисков имеют разнотолщинность и неплоскостность, наследованные после прокатки и не имеющие системного характера. При использующейся на пилах повсеместно статической балансировке диск на валу с подшипниковыми опорами устанавливается вертикально. Вращая вручную диск и навешивая грузы, добиваются остановки диска в произвольном положении. По весу грузов определяют величину технологических отверстий, высверливаемых для устранения дисбаланса. Операции балансировки связаны с перевалкой диска из горизонтальной в вертикальную плоскость, а результат зависит от квалификации оператора.

* ■ і í

і

і

* і,

В работе предложен и обоснован новый способ балансировки пильных дисков большого диаметра, использующий для автоматического определения дисбаланса весовые датчики при малой (до I Гц) скорости вращения диска в горизонтальной плоскости. Операции балансировки производятся автоматически и полностью исключают применение ручного труда и влияние человеческого фактора на точность балансировки. Диск с позиции резки перемещается на позицию балансировки и в горизонтальном положении устанавливается на планшайбу, вращающуюся в подшипниковых опорах со встроенными весовыми датчиками. Автоматизированная система фиксирует фактический дисбаланс и рассчитывает диаметр и количество и местоположение отверстий, необходимых для устранения дисбаланса в соответствии с заданными допусками. Портал лазера перемещается к указанной системой точке и вырезает требуемое отверстие. В соответствии с технологическими требованиями к роторным пилам и ГОСТ ИСО 1940-1-2007 класс точности балансировки должен быть не ниже 4.

Расчетная схема балансировочного стенда представлена на рис. 6 и 7. Предложен метод решения физических уравнений в момент равновесия показаний противостоящих датчиков.

МК в составе комплекса обеспечивают синхронный запуск измерений по сигналу от центрального МК, выполнение измерений с заданной скоростью, усреднение и фильтрация данных за заданный период для подавление помех от частоты питающей сети, преобразование полученных электрических величин в физические (вес в кГ), передачу данных центральному МК. АСУТП балансировки выполняет калибровку системы без диска, статическую балансировку диска и в режиме вращения с заданным набором скоростей, расчет дисбаланса, формирование данных для ЧПУ лазерного комплекса.

V =

пт(2ПП)2Я

т2-д =: т4-д =

(тй/4)9

Диск массой тй

без учёта дисбаланса т, вращение со скоростью п об/с

т,д = (тй/4)д +

тд +

т(2пп)2^

Рис. 6. Расчетная схема балансировочного стенда: физические уравнения

т3д = (тй/4) д -т-д -

т(2пп)2-Я

Расчет массы удаляемого металла на радиусе Р?ь: при т2 = т4

_ Ядфтугпз! Шь 2-йь (д+(2 п п)2 Я) или

при т, = т3

_ Р?д|т2-т4| ть"2-ЯЬ'(д+(2пп)2^)

т, - масса по показаниям весовых датчиков (4 штуки) как функция угла поворота а

Условие симметрии: т, = т3

или т2 = т4

Рис. 7. Расчетная схема балансировочного стенда: условие симметрии Диски, изготовленные по указанной технологии, прошли промышленные испытания на ВМЗ "Красный Октябрь" и ВТЗ. Стойкость диска до заточки увеличилась в 2-3 раза, а рабочий ресурс с учетом заточек и переточек на меньший диаметр вырос в 5-6 раз.

Форма, параметры и режущий профиль режущих дисков для роторных пил защищены патентом РФ (№ 105604 с приоритетом от 24.03.2011).

Масса дисбаланса,

поворота а:

т2 = (т, - т3)2 + (т2 - т4)2

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. В работе предложены новые научно-технические решения построения АСУТП агрегатов резки, обеспечивающие энергосбережение и существенное снижение эксплуатационных расходов, взаимодействие и интеграцию в АСУ верхнего уровня, высокую надежность и быстродействие систем автоматики с МК и ПО отечественной разработки, не требующих специального лицензирования и позволяющих производить операции настройки без остановки технологического процесса.

2. Разработаны и обоснованы состав программных и технических средств АСУТП на основе структурирования функций МК и ПО для решения задач жесткого реального времени и методы совершенствования оборудования и локальной автоматики, позволяющие снизить энергоемкость процесса резания, сократить время технологического цикла и контролировать состояние режущего инструмента по показаниям управляющих устройств АСУТП. Разработанные для этой цели программные средства защищены 12 свидетельствами о регистрации программ для ЭВМ в Роспатенте.

3. Предложен компьютерный метод анализа кинематических и энергосиловых параметров системы «заготовка - инструмент - машина» в

агрегатах резки заготовок с учетом взаимодействия элементов системы по фазам исполнения процесса разделения заготовок. Отмечено, что взаимное расположение оборудования агрегата определяют эффективность процесса и качество резания. Разработано ПО для передачи в АСУТП расчетных данных по рациональному выбору команд исполнения заданного цикла.

4. Определены и обоснованы программные и технические средств АСУ роторной пилы с новой рациональной схемой приводов и управляющими МК, определяющими конкретные значения кинематических и энергосиловых параметров по фазам реза с тактом от 0,001 с и временем реза до 0,5 с для передачи в АСУТП агрегата резки и обеспечивающие снижение энергоемкости процесса и сокращение времени технологического цикла.

5. Впервые в агрегатах резки заготовок роторными пилами предложено средствами АСУТП производить контроль состояния режущего диска и оценку качества реза по данным датчиков АСУ приводами пилы, получаемых непосредственно во время реза, с тактом измерений от 0,001 с и временем реза до 0,5 с.

6. Основные принципы построения АСУТП агрегатов резки с роторными пилами были использованы и реализованы на разных этапах проектирования, наладки и сопровождения эксплуатации следующих объектов: агрегаты резки РЗ-2500 ВТЗ, РР-2500 ВМЗ «Красный Октябрь», P3-3200 «Мотовилихинские заводы», РЗ-2500 Sumitomo, РЗ-2500 Nord Star, техпредложения на поставку РЗ-2800 КПЦ ВМЗ (г. Выкса), РЗ-2500 СПЦ МЗ им. Серова (г. Серов), РЗ-1200 «КазФерроСталь» (Казахстан, г. Алма-Ата).

7. Впервые разработан и реализован АСУТП обработки пильных дисков диаметром до 3200 мм, включающий лазерную резку контуров и автоматическую балансировку дисков в едином технологическом лазерном комплексе. Технологические режимы лазерной резки, исполняемые ЧПУ лазерного комплекса, определены по результатам металлографических исследований, позволивших оценить поверхностное упрочнение и влияние направления траектории движения лазерного луча при обработке режущего профиля. Автоматическая балансировка производится по показаниям весовых датчиков при малой (~1 Гц) скорости вращения диска в горизонтальной плоскости и исключает влияние человеческого фактора.

8. Технологический лазерный комплекс с автоматической балансировкой дисков диаметром (патент РФ № 72434 с приоритетом от 24.01.2008) внедрен в эксплуатацию в 2009 году на предприятии ЗАО «J1A3TEX» (г. Волжский), где в промышленных масштабах производятся пильные диски. Пильные диски диаметром 2500 мм, изготовленные на этом комплексе с использованием результатов настоящей работы, успешно эксплуатируются на роторных пилах РР-2500 ВМЗ «Красный Октябрь» (г. Волгоград) и РЗ-2500 ВТЗ (г. Волжский). Стойкость дисков повысилась более, чем в 2-3 раза, и общий ресурс - на порядок. Форма, параметры и режущий профиль дисков для роторных пил защищены патентом РФ (№ 105604 с приоритетом от 24.03.2011).

9. Предложенные в работе новые научно-технические решения обеспечивают энергосбережение путем снижения капитальных и

эксплуатационных затратах за счет использования современных средств автоматизации, увеличения стойкости инструмента при использовании лазерной резки для формирования режущего профиля и автоматической балансировки. Суммарная годовая экономия только на примере одного агрегата резки КПЦ ВМЗ (г. Выкса) составляет более 80 млн. руб.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Пила для резки проката: пат. 2429951 РФ / С.Ю. Комиссарчук [и др.]; заявл. 01.04.2010; опубл. 27.09.2011. Бюл. № 27.

2. Универсальный технологический комплекс производства режущих дисков большого диаметра с лазерной резкой и балансировкой: пат. на полезную модель 72434 РФ / С. Ю. Комиссарчук [и др.]; заявл. 24.01.2008; опубл. 20.04.2008. Бюлл. №11.

3. Диск роторной пилы: пат. на полезную модель 105604 РФ /С.Ю. Комиссарчук [и др.]; заявл. 25.03.2011; опубл. 20.06.2011. Бюл. № 17.

4. Системно-ориентированное программирование как средство решения задач реального времени /В.А. Власов [и др.] //Промышленные АСУ и контроллеры. 1999. № 1. С. 17-21.

5. Программные средства построения АСУТП MIKSSys / В.А.Власов [и др.] // Приборы и системы управления. 1998. № 9. С. 32-37.

6. Обеспечение надежности АСУТП с использованием комплекса программных средств MIKSSys / В.А.Власов [и др.] // Промышленные АСУ и контроллеры. 1999. № 12. С. 27-29.

7. Основные концепции построения АСУТП на базе ПО MIKSSys / В.А.Власов [и др.] // Приборы и системы управления. 1999. № 8. С. 9-10.

8. Особенности организации сетевого обмена в АСУТП реального времени /В.А.Власов [и др.] //Промышленные АСУ и контроллеры. 1999. № 5. С. 3839.

9. Построение надежных и производительных многоплатформенных АСУТП на базе комплекса ПО МикСис / В.А.Власов [и др.] // Промышленные АСУ и контроллеры. 2003. № 2. С. 29-32.

10. От комплекса МикСИС к ПТК УМИКОН. Особенности, внедрение, развитие / М.А. Коваленко [и др.] // Промышленные АСУ и контроллеры. 2004. № 5. С. 23-29.

11. Комиссарчук С.Ю., Лебедев В.О., Обносов A.B. Структура и основные особенности программного комплекса создания систем управления "МикСИС" ПТК "УМИКОН" // Промышленные АСУ и контроллеры. 2004. № 1. С. 35-41.

12. Универсальный электропривод / С.А. Байдали [и др.] // Черные металлы. 2008. № 11. С. 15-18.

13. Подсистема раннего обнаружения и устранения чрезвычайных ситуаций в реальном времени для АСУ экологически опасными технологическими процессами / В.А.Власов [и др.] // Приборы и системы управления. 1997. № 8. С. 28-29.

Подписано в печать: 25.01.12 Объем: 1,5 усл.п.л. Тираж 100 экз. Заказ Лз 292 Отпечатано в типографии «Реглет» 105005, г. Москва, ул. Бауманская д.ЗЗ (495) 979-96-99; WAVvv.reglet.ru

61 12-5/1750

Закрытое акционерное общество «ИНКОММЕТ»

На правах рукописи

Комиссарчук Сергей Юрьевич

Автоматизация процесса разделения горячих стальных заготовок в металлургических агрегатах

с роторными пилами.

Специальность

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и

производствами (машиностроение)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Синицкий В.М.

Москва-20 И

Оглавление

Стр.

Список условных сокращений..........................................................................4

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

Глава 1. Анализ существующих компоновок оборудования и автоматизации агрегатов резки заготовок.....................................................12

1.1. Агрегаты резки заготовок........................................................................12

1.2. Роторные пилы..........................................................................................21

1.3. Автоматизация роторных пил..................................................................33

1.4. Режущие диски роторных пил.................................................................37

1.5. Постановка задач исследований..............................................................42

Глава 2. Разработка рациональных схемных решений АСУТП агрегатов резки заготовок с роторными пилами..........................................44

2.1. АСУ приводами роторной пилы..............................................................44

2.1.1. Рациональная схема приводов роторной пилы РЗ.............................44

2.1.2. Анализ кинематических и энергосиловых параметров процесса резания на роторных пилах, передаваемых МК в составе

АСУТП..............................................................................................................47

2.1.3. Автоматизация усовершенствованной роторной пилы.....................56

2.2. Схемы построения АСУТП агрегатов резки..........................................61

2.2.1. Пример КПЦВМЗ..................................................................................61

2.2.2. Пример ОКЗ МЗ им. Серова................................................................-62

2.2.3. Пример завода КазФерроСталь (Казахстан).......................................67

Глава 3. Разработка и обоснование аппаратного и программного обеспечения микропроцессорных АСУТП агрегатов резки .......................69

3.1. ПТК УМИКОН..........................................................................................69

3.2. Методы эффективной организации и ведения специализированного информационного и программного обеспечения МК в АСУТП.............................................................................72

Стр.

3.2.1. Методы построения АСУТП на базе МК............................................72

3.2.2. Аппаратное обеспечение МК................................................................73

3.2.3. Системное ПО МК.................................................................................79

3.2.4. Функциональное ПО МК......................................................................93

3.3. Контроль состояния инструмента в АСУТП агрегатов резки..............96

3.4. Средства инструментального сопровождения МК................................97

3.5. Реализация человеко-машинного интерфейса.......................................98

Глава 4. Создание специализированного технологического лазерного комплекса для формирования режущего профиля и автоматической балансировки пильных дисков большого диаметра (до 3200 мм)...................................................................................ЮЗ

4.1. Технологический лазерный комплекс..................................................ЮЗ

4.2. Исследование эффекта упрочнения поверхности режущего профиля при лазерной обработке.................................................................Ю6

4.3. АСУТП балансировки пильных дисков...............................................113

Выводы.............................................................................................................

Список литературы........................................................................................129

Приложение 1.................................................................................................137

Список условных сокращений

ТС технические средства

ПО программное обеспечение

АСУТП автоматизированные системы управления

технологическими процессами

МК микропроцессорные контроллеры

ЭВМ электронновычислительные машины

ПЭВМ персональные ЭВМ

ПЭВМ инструментальные ЭВМ

ОП операторские пульты

ЛОП локальные ОП

м метр

мм миллиметр

м/с метр в секунду

мм/с миллиметр в секунду

м/мин метр в минуту

об/мин обороты в минуту

мкм микрон

Гц герц

кВт киловатт

г грамм кГ килограмм

Введение

В металлургическом производстве технологический процесс протекает в следующей последовательности: разливка жидкого металла в слитки на машинах непрерывного литья (МНЛЗ) или в изложницы, разделение слитка на мерные длины, прокатка или прессование. Резка слитка или заготовок в случаях, когда требуется сохранить геометрию разрезаемого сечения, производится пилами горячей резки. Пилы встраиваются в поточную линию металлургических агрегатов и фактически определяют их производительность и качество последующего передела.

Исследования в области технологий, оборудования и АСУТП в составе агрегатов для разделения горячих стальных заготовок крупного сечения металлургических производств базируются на трудах А.И.Целикова, Н.И.Крылова, Н.Н.Дружинина, Н.Н.Зорева, Т.Н.Лоладзе, Ю.С.Комиссарчука,

Ю.Е.Кима, Н.М.Баранова и др.

Начиная с конца прошлого столетия, в металлургии для резки заготовок крупного сечения получили распространение роторные пилы, разработанные в России. Обладая уникальными техническими характеристиками (время реза заготовки диаметром 500 мм - менее секунды при производительности до 200 и более резов/час), они получили признание в России и за рубежом. По производительности роторным пилам нет альтернативы при резке заготовок крупного сечения. Были разработаны серии пил двух типов - с ременным приводом диска (РР) и, более поздняя модель, с зубчатым приводом диска (РЗ) с диаметрами режущих дисков от 1200 до 3200 мм. Наиболее

перспективной оказалась модель РЗ-2500. [20]

Работы по совершенствованию технологии и оборудования агрегатов резки на базе роторных пил до 1995 года велись в НПО ВНИИМЕТМАШ (ныне ОАО «АХК ВНИИМЕТМАШ имени академика А.И.Целикова») [52]. После этого периода основные разработки этой тематики велись в ЗАО «ИНКОММЕТ», выделившееся в 1994 году из состава ВНИИМЕТМАШ в

самостоятельную организацию. В последние годы ИНКОММЕТ при непосредственном участии автора выполнил ряд работ по совершенствованию технологии и оборудования агрегатов резки заготовок на базе роторных пил, а также для производства пильных дисков. Решались задачи создания агрегатов резки, включающих механизмы транспортировки и позиционирования заготовки с заданной точности, поддержание заготовки для восприятия усилий резания, выдачу отрезанной части, удаление отходов и стружки, охлаждение диска, защита от случайных выбросов стружки и пр. Были разработаны разные схемы компоновок таких агрегатов для прокатных и заготовочных цехов. Агрегаты резки на базе роторных пил успешно эксплуатируются на заводах РФ - ВТЗ (г. Волжский), «Мотовилихинские заводы» (г. Пермь), ВМЗ «Красный Октябрь» (г. Волгоград) и др., и за рубежом в Японии -Sumitomo (г. Wakayama), США - Nord Star (г. Youngstown, Ohio) и др., в общей сложности около 30 агрегатов.

Наряду с конструкцией пил решалась проблема технологии и освоения производства режущих дисков. Разработано и освоено на отечественном предприятии - ЗАО «JIA3TEX» (г. Волжский Волгоградской обл.) современное производство пильных дисков диаметром до 3200 мм на основе лазерных технологий. Уникальный технологический лазерный комплекс позволяет производить обработку режущих дисков диаметром до 3200 мм. По стойкости режущие диски нового качества превосходят лучшие зарубежные образцы.

В соответствии с этим в ЗАО «ИНКОММЕТ» при непосредственном участии автора выполнены и ведутся НИОКР в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы». Среди таких работ отметим:

- Разработка программного обеспечения и комплекса технических средств многоплатформенного распределенного ПТК УМИКОН для

построения АСУТП с повышенными требованиями к надежности и экологической безопасности (ГК № 4741р/4377 от 15.01.2007).

- Разработка конструкторских и технологических решений агрегатов резки заготовок крупного сечения на базе усовершенствованных роторных пил и систем локальной автоматики для высокопроизводительных металлургических агрегатов (ГК № 8369р/13303 от 14.09.2010).

- Разработка технологии формирования нанокристаллической структуры рабочей поверхности режущего инструмента путем комбинированной лазерной и ультразвуковой обработки (ГК № 2008-03-1.3-25-16-014).

Совершенствование агрегатов резки заготовок ставит задачи снижения эксплуатационных затрат, повышения качества реза, надежности и безопасности при полной автоматизации производства, что подтверждается имеющимися в ИНКОММЕТ запросами и хоздоговорами на разработку новых и совершенствование действующих агрегатов резки. К этим разработкам проявили заинтересованность ВТЗ (г. Волжский), ВМЗ «Красный Октябрь» (г. Волгоград), МЗ им. Серова (г. Серов), ВМЗ (г. Выкса), НТМК (г. Нижний Тагил), ДМЗ (Украина, г. Донецк), НКМЗ (Украина, г. Краматорск), «КазФерроСталь» (Казахстан, г. Алма-Ата) и др.

В предыдущих работах [17; 46; 57] расчет кинематических параметров роторной пилы выполнялся с использованием дифференциальных уравнений движения, решение которых затруднительно в АСУТП при малых тактах управления. Актуальным является упрощение расчетов и разработка метода компьютерного анализа кинематических и энергосиловых связей системы «заготовка - инструмент - машина» для решения задач автоматизации.

Контроль состояния инструмента осуществляется оператором. Актуальным является автоматизация контроля непосредственно при резе.

Качество инструмента, его стойкость, оказывают решающее влияние на технологический процесс разделения заготовок. Ранее пильные диски большого диаметра изготавливались методом механообработки, с

использованием профильных фрез. После внедрения лазерных технологий в технологический процесс изготовления дисков большого диаметра был исследован эффект поверхностного упрочнения кромок зубьев и впадин, являющийся следствием лазерной резки.

Существующие методы статической балансировки дисков большого диаметра связаны с операциями перевалки дисков из горизонтальной в вертикальную плоскость и наличием человеческого фактора в оценке степени сбалансированности. Целесообразным является автоматизация операций балансировки для повышения ее эффективности и минимизации затрат на изготовление дисков.

Цель работы

Повышение уровня автоматизации процесса разделения горячих стальных заготовок крупного сечения, включая контроль и управление технологическими режимами резания и изготовления режущего инструмента, обеспечивающих повышение технологических характеристик и экономическую эффективность агрегатов резки и взаимосвязь с АСУ верхнего уровня.

Методы исследований и достоверность результатов

Методологической основой работы является системный подход и компьютерный анализ связей «заготовка - инструмент - машина» технологического процесса разделения заготовок на мерные длины как основа построения АСУТП агрегатов резки и взаимодействия с АСУП.

Методологической основой эффективной организации и ведения специализированного информационного и программного обеспечения АСУТП является системно-ориентированное программирование как средство решения задач реального времени, организации баз данных, обеспечения достоверности, защиты и резервирования.

Достоверность результатов исследований подтверждается их успешным внедрением в промышленности.

Автор защищает;

1. Обоснование состава программных и технических средств, схемные решения построения АСУТП разделения заготовок роторными пилами, включая структурирование функций микропроцессорных контроллеров (МК) и программного обеспечения (ПО) для решения задач жесткого реального времени, обеспечивающих высокую надежность и требуемое быстродействие, а также взаимодействие с АСУ верхнего уровня.

2. Способ компьютерного анализа кинематических и энергосиловых связей в системе «пила - режущий диск - заготовка - вспомогательное оборудование» и специальное ПО, как средство повышения эффективности разработки и модернизации АСУ, обеспечивающее выбор рациональных энергосиловых параметров и моментов подачи команд САУ исполнительными механизмами агрегата, а также контроль степени износа

пильного диска и качество реза.

3. Новую структуру АСУ роторной пилы с рациональным распределением маховых масс в аккумуляторном приводе режущего диска во взаимосвязи с АСУТП агрегата резки, позволяющую снизить энергоемкость процесса резания, сократить время цикла, а также формировать управляющие воздействия на приводы и контролировать состояние режущего инструмента по показаниям управляющих устройств АСУТП с тактом от 0,001 с.

4. Технологические режимы и АСУТП обработки пильных дисков большого диаметра, включая обработку режущего профиля и автоматическую балансировку дисков в едином технологическом лазерном комплексе.

Научная новизна

1. Разработан компьютерный метод анализа кинематических и энергосиловых параметров системы «заготовка - инструмент - машина» в агрегатах резки заготовок с роторными пилами по фазам исполнения процесса разделения заготовок, учитывающий взаимодействие элементов системы.

2. Разработаны принципы построения систем управления приводами АСУ роторной пилы с новой рациональной схемой и тактом управления от 0,001 с, структура и программные средства управляющих МК.

3. Впервые в составе АСУ роторной пилы разработана подсистема определения состояния режущих свойств дисков и качества реза с тактом от 0,001 с непосредственно во время реза продолжительностью до 0,5 с.

4. Для агрегатов резки заготовок определены и обоснованы состав программных и технических средств, методы построения АСУТП, взаимодействия с АСУ верхнего уровня и построения распространенных систем, настройки и обслуживания МК без остановки АСУТП, организации человеко - машинного интерфейса, интегрирования в ЭСАБА и другие системы.

5. Установлены параметры поверхностного упрочнения при лазерной резке дисков диаметром 2500 мм толщиной 12 мм из сталей 51СгУ4 и 75Х с уточнением толщин послойной твердости от -70 до -25 Ш-С и ее зависимости для режущей кромки зуба от направления обхода вырезаемого контура. Отмечено, что при обходе вершины зуба лазерным лучом по кругу вершины зуба происходит двойной высокотемпературный нагрев и образуется местная зона разупрочнения: при движении вдоль направления резания - на задней режущей грани, в противоположном направлении - на передней.

6. Разработаны и обоснованы новый способ и АСУТП балансировки пильных дисков большого диаметра, использующий для определения дисбаланса весовые датчики, при горизонтальном расположении диска и возможностью его вращения со скоростью -1 Гц на отдельной позиции технологического лазерного комплекса. Для определения дисбаланса предложен метод решения физических уравнений в момент равновесия показаний противостоящих датчиков.

Практическая ценность и реализация результатов работы

В работе предложены новые научно-технические решения построения АСУТП агрегатов резки, обеспечивающие энергосбережение и существенное снижение эксплуатационных расходов, высокую надежность и быстродействие систем автоматики с МК и ПО отечественной разработки, не требующих специального лицензирования и позволяющих производить операции настройки без остановки технологического процесса.

Основные принципы построения АСУТП агрегатов резки с роторными пилами были использованы и реализованы на разных этапах проектирования, наладки и сопровождения эксплуатации следующих объектов: агрегаты резки РЗ-2500 ВТЗ, РР-2500 ВМЗ «Красный Октябрь», P3-3200 «Мотовилихинские заводы», РЗ-2500 Sumitomo, РЗ-2500 Nord Star, техпредложения на поставку РЗ-2800 КПЦ ВМЗ (г. Выкса), РЗ-2500 СПЦ МЗ им. Серова (г. Серов), РЗ-1200 «КазФерроСталь» (Казахстан, г. Алма-Ата).

Технологический лазерный комплекс с автоматической балансировкой дисков диаметром до 3200 мм внедрен в эксплуатацию в 2009 году на предприятии ЗАО «JIA3TEX», где в промышленных масштабах производятся пильные диски. Пильные диски диаметром 2500 мм, изготовленные на этом комплексе с использованием результатов настоящей работы, успешно эксплуатируются на ВМЗ «Красный Октябрь» и ВТЗ. Стойкость дисков повысилась в 2-3 раза и достигает 4000-4500 резов на заготовке диаметром 410 мм вместо ранее нормируемых 700-1000 резов на круге диаметром 320 мм.

Глава 1. Анализ существующих компоновок оборудования и автоматизации агрегатов резки заготовок

1.1. Агрегаты резки заготовок

Технологические комплексы металлургических производств, предназначенные для резки горячих стальных заготовок крупного сечения, включают в себя [61; 45]:

- транспортные механизмы для подачи заготовок в зону разделения на мерные длины,

- систему автоматизированного раскроя заготовок на мерные длины с высокой точностью н