автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Электротехническая система автоматического регулирования толщины полосы широкополосного стана горячей прокатки

005051295

ПЕТРЯКОВ СЕРГЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

" ' . На правах рукописи

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТОЛЩИНЫ ПОЛОСЫ ШИРОКОПОЛОСНОГО СТАНА ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

4 АПР 2013

Магнитогорск - 2013

005051295

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент ХРАМШИН Вадим Рифхатович

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

МЕЩЕРЯКОВ Виктор Николаевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «ЛГТУ», г. Липецк, зав. кафедрой «Электропривода»

КУЗЬМИН Иван Константинович, кандидат технических наук, ООО «Электротехническая промышленная компания», г. Москва, зам. начальника отделения электропривода горных машин и комплексов

ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет), г. Челябинск

Защита состоится 05 апреля 2013 г. в 13 и часов на заседании диссертационного совета Д 212.111.04 при ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, Челябинская обл., г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, ауд. 227.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Автореферат разослан 01 марта 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук, доцент

Г"

) К.Э. Одинцов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Совершенствование автоматизированных электроприводов и систем автоматического регулирования технологических параметров непрерывных широкополосных станов горячей прокатки (ШСГП) является важнейшим направлением развития прокатного производства. К отдельным системам ШСГП, в частности, к системам автоматического регулирования толщины полосы (САРТ) в настоящее время предъявляются наиболее высокие требования. Это связано с тем, что до 25% тонкой горячекатаной полосы не подлежит дальнейшей обработке в холодном состоянии, т.е. является конечной рыночной продукцией. Расширение сортамента за счет прокатки полос толщиной 0,8-1,5 мм является общепризнанной мировой тенденцией.

Полосы, прокатанные в чистовой группе клетей непрерывного ШСГП, имеют неодинаковую толщину по длине. Основной причиной продольной раз-нотолщинности являются упругие деформации отдельных элементов клетей, приводящие при прокатке к изменениям зазоров между валками вследствие изменений давлений металла на валки. Задача минимизации отклонений толщины по длине возложена на САРТ, которые строятся на основе сочетания косвенного регулирования с вычислением толщины по давлению и зазору валков и прямого регулирования по сигналу от выходного толщиномера.

На действующих отечественных и зарубежных станах в настоящее время наиболее распространена САРТ фирмы Davy МсКее (Великобритания). Автоматическое регулирование толщины в системе осуществляется в функции зазора валков и усилия прокатки по принципу Gaugemeter (Гейджметр) - абсолютно жесткая клеть. Такая система установлена на стане 2000 ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ОАО «ММК»),

Недопустимая разнотолщинность по длине, наиболее явно проявившаяся при прокатке тонких полос, предопределила необходимость совершенствования САРТ стана 2000. Техническая возможность модернизации системы была обеспечена в связи с реконструкцией АСУ ТП чистовой группы, которая выполнена в 2008-2010 гг. при непосредственном участии автора. Возникла необходимость проведения исследований и разработок, направленных на совершенствование существующей САРТ Davy МсКее, которые легли в основу представленной диссертации.

Целью диссертационной работы является повышение точности регулирования толщины полос, прокатываемых в непрерывной группе широкополосного стана горячей прокатки, обеспечиваемое за счет совершенствования системы автоматического регулирования толщины.

Для достижения цели поставлены следующие задачи: 1. Исследование причин возникновения продольной разнотолщинности полос, прокатываемых на широкополосных станах горячей прокатки. Анализ принципов регулирования толщины в известных САРТ.

2. Разработка усовершенствованных алгоритмов и способов автоматического регулирования толщины, обеспечивающих снижение продольной разно-толщинности при расширении сортамента за счет производства тонких полос.

3. Разработка способа и системы управления прокаткой, обеспечивающих снижение разнотолщинности головного участка полосы за счет автоматической коррекции межвалкового зазора.

4. Разработка динамической математической модели электропривода клети и гидравлического привода нажимного устройства, взаимосвязанных через металл. Исследование разнотолщинности полосы при прокатке с коррекцией межвалкового зазора.

5. Промышленное внедрение разработанных алгоритмов в программном обеспечении промышленных контроллеров АСУ ТП чистовой группы стана 2000. Проведение экспериментальных исследований. Оценка технико-экономической эффективности внедрения результатов диссертационной работы.

В диссертации не исследуются вопросы компенсации эксцентриситета, биения валков, всплытия опорных валков, компенсации толщины масляной пленки и др., которые по трудоемкости и уровню сложности могут составить предмет самостоятельной работы.

Методика проведения исследований. В работе использованы базовые положения теории электропривода и теории автоматического управления. Теоретические исследования проводились с использованием аппарата передаточных функций, методов преобразования структурных схем и структурного моделирования. Решение отдельных задач получено путем математического моделирования в среде МаИаЬ приложения БтиНпк. Экспериментальные исследования проводились на действующем прокатном стане путем прямого ос-циллографирования координат с последующей обработкой результатов.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Функциональные схемы и алгоритмы замкнутых систем автоматического регулирования, реализующих разработанный способ регулирования толщины полосы, основанный на сочетании косвенного регулирования с усреднением показаний датчиков за заданный промежуток времени, прямого регулирования по сигналу от выходного толщиномера, коррекции по сигналу от регулятора положения следующей по ходу прокатки клети и внешней коррекции, обеспечивающей компенсацию возмущающих воздействий.

2. Усовершенствованная САРТ, обеспечивающая перераспределение обжатий по клетям чистовой группы, с целью исключения размыкания контура регулирования толщины, вследствие насыщения регулятора положения нажимных устройств последней клети при больших корректирующих сигналах, поступающих от выходного толщиномера.

3. Способ и система автоматической коррекции толщины головного участка путем разведения валков перед входом полосы в клеть с последующим их возвращением в заданную позицию для прокатки основного участка поло-

сы. Обоснованные параметры коррекции межвалкового зазора, при которых обеспечивается наименьшее отклонение толщины, составляющее менее 1 %.

4. Математическая модель системы "электропривод клети - гидравлический привод нажимных устройств", наиболее полно, по сравнению с известными моделями, учитывающая их взаимосвязь через прокатываемый металл, построенная с учетом разработанных технических решений.

5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, подтвердившие, что при внедрении алгоритмов усовершенствованной САРТ раз-нотолщинность находится в пределах допусков ±0,025 мм на 90-98% длины полосы.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждаются правомерностью принятых исходных положений и предпосылок, корректным применением методов теории электропривода, теории автоматического управления и методов математического моделирования, использованием реальных характеристик действующего оборудования, адекватностью расчетных и экспериментальных данных, результатами экспериментальных исследований и длительной эксплуатации внедренных систем и алгоритмов на стане 2000 горячей прокатки.

Научная новизна.

В работе получены следующие новые научные результаты:

1. Уточнены технологические требования к САРТ ШСГП при расширении сортамента полос, согласно которым при прокатке полос толщиной 0,8-1,5 мм они должны обеспечивать отклонения толщины в пределах допуска ±0,025 мм на 90-98% длины полосы.

2. Разработан способ регулирования толщины полосы, согласно которому в течение заданного времени производится усреднение показаний датчиков положения и усилия прокатки, рассчитывается толщина на выходе из клети и запоминается в качестве задания. Затем к заданию прибавляются сигналы:

- тонкой коррекции от выходного толщиномера, представляющий собой интегрированную величину отклонения толщины от заданной на выходе из чистовой группы;

- от регулятора положения следующей клети, обеспечивающий перераспределение сигнала коррекции на предыдущие клети;

- внешней коррекции, обеспечивающей компенсацию возмущающих воздействий.

3. Впервые обоснован и технически реализован способ прокатки полосы в чистовой группе ШСГП с регулированием толщины головного участка за счет автоматического изменения межвалкового зазора в функции длины полосы. Обоснованы параметры коррекции зазора по клетям в зависимости от толщины полосы и скорости прокатки.

4. Разработанная адекватная математическая модель электропривода клети (в системе двухзонного регулирования скорости) и гидравлического привода нажимного устройства (в структуре САРТ), взаимосвязанных через металл,

отличается учетом разработанных блоков и обратных связей, реализующих предложенный способ регулирования толщины головного участка в функции длины полосы.

5. По результатам моделирования и экспериментальных исследований доказано, что разработанные способы и алгоритмы автоматического регулирования толщины обеспечивают снижение разнотолщинности по длине полосы в 1,8 раза и отклонения толщины головного участка в пределах 1% при допуске ±3,5%.

Практическая ценность и реализация работы.

1. Разработанные способы автоматического регулирования толщины реализованы в виде цифровых алгоритмов в контроллерах АСУ ТП чистовой группы стана 2000 ОАО «ММК». Доказано, что их внедрение обеспечивает снижение разнотолщинности по длине полосы.

2. Разработанная динамическая математическая модель может быть использована для анализа динамических режимов и настройки автоматизированных электроприводов клетей и гидравлических приводов нажимных устройств, что имеет практическое значение для повышения качества продукции широкополосных станов.

3. Результатами внедрения разработанных алгоритмов САРТ являются снижение разнотолщинности по длине полосы, снижение расходного коэффициента за счет повышения точности регулирования толщины на концах рулона, снижение внеплановых простоев за счет улучшения условий захвата полосы. Экономический эффект за счет снижения расходного коэффициента составляет 4,3 млн. руб./год.

4. Разработанные системы и алгоритмы регулирования толщины рекомендуются для внедрения на других ШСГП независимо от рода тока и типа электропривода. Их преимуществом является высокая эффективность при относительной простоте реализации. Рекомендуется использование результатов исследований в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Электроэнергетика и электротехника».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на VI и VII Международных (XVII, XVIII Всероссийских) конференциях по автоматизированному электроприводу АЭП-2010 (Тула, 2010 г.), АЭП-2012 (Иваново, 2012 г.); III международном промышленном форуме «Реконструкция промышленных предприятий - прорывные технологии в металлургии и машиностроении» (Челябинск, 2010 г.); V международной молодежной научной конференции «Тинчуринск'ие чтения» (Казань, 2010 г.); III Всероссийской научно-технической конференции (с международным участием) «Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий» (Уфа, 2011г.); международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии (XVI Бенардосовские чтения)» (Иваново, 2011г.); на ежегодных научно-

технических конференциях по итогам научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО «МГТУ» (Магнитогорск, 2008-2012 гг.).

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 17 печатных трудах, в том числе 5 публикаций в рецензируемых изданиях и 3 патента РФ на полезные модели.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 130 наименований. Работа изложена на 181 странице основного текста, содержит 57 рисунков, 17 таблиц и приложение объемом 20 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрено состояние проблемы, обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные задачи исследования, кратко изложено содержание диссертационной работы.

Первая глава посвящена анализу причин возникновения разнотолщин-ности полосы при прокатке в чистовой группе клетей широкополосного стана горячей прокатки, анализу принципов регулирования толщины и функциональных схем известных отечественных и зарубежных САРТ, обоснованию необходимости совершенствования САРТ стана 2000 ОАО «ММК».

Показано, что основной причиной возникновения продольной разнотол-щинности полос на ШСГП являются упругие деформации элементов чистовых клетей, приводящие к изменениям межвалковых зазоров вследствие изменений давления металла на валки. Результирующая разнотолщинность горячекатаной полосы в первом приближении может быть представлена суммой отклонений толщины, обусловленных «температурным клином», глиссажными метками и колебаниями межклетевых натяжений (рис. 1).

12:48:20

Рис. 1. Характерные отклонения толщины при прокатке полосы на стане 2000

Выполнена классификация факторов, влияющих на продольную разнотолщинность, согласно которой факторы первой группы вызывают медленное, нарастающее отклонение толщины полосы при заданной калибровке. Их влияние проявляется по истечении ряда циклов прокатки как результат накопления малых отклонении на каждой последующей полосе. Ко второй группе факто-

ров относятся изменения температуры и химического состава металла, влияние которых на отклонения толщины проявляется косвенно через изменения давления металла на валки и связанные с этим изменения упругой деформации отдельных элементов клети.

В результате литературного обзора показано, что в известных САРТ применяется два основных принципа регулирования: косвенное по зависимости Головина-Симса и прямое регулирование по отклонению толщины полосы на выходе стана. Косвенное регулирование осуществляется по сигналам от датчиков зазора и давления металла на валки, прямое - по сигналу от выходного толщиномера. При этом точность регулирования толщины зависит от характера распределения управляющих сигналов по клетям чистовой группы.

Рассмотрены известные САРТ разработки ВНИИметмаш и Киевского института автоматики, реализующие указанные принципы регулирования. Выполнен анализ структуры и функций системы автоматического регулирования толщины фирмы Davy МсКее, установленной более чем на трехстах прокатных станах, в том числе на станах 2000 и 2500 ОАО «ММК». Рассмотрен режим управления Гейджметр, обеспечивающий повышения жесткости клети выше ее собственного значения. В данном режиме прогнозируемая нагрузка корректируется согласно характеристике упругого растяжения клети, которая рассчитывается косвенно по измеренным значениям давления. При этом любые отклонения от прогнозируемого растяжения клети вводятся в качестве динамической компенсации во внутренние контуры управления положением гидравлического НУ.

Показано, что известные САРТ обеспечивают прокатку полос с допусками: ±0,025 мм на 65-70% длины полосы, ±0,05 мм на 95-96% длины полосы и ±0,075 мм на 99,7% длины полосы, что не соответствует современным требованиям. При прокатке полос толщиной 0,8-1,5 мм допустимыми являются отклонения толщины ±0,025 мм на 90-98% длины полосы.

В результате экспериментальных исследований сделан вывод, что САРТ Davy МсКее, установленная на стане 2000 до реконструкции, обеспечивала разнотолщинность полосы по длине вследствие температурного клина на уровне ±150 мкм (±0,15 мм), уровень глиссажных меток составлял ±50 мкм (±0,05 мм), что значительно превышает допуски. Недопустимая разнотолщинность по длине, наиболее явно проявившаяся при прокатке тонких полос, предопределила необходимость модернизации существующей САРТ стана 2000.

Дополнительным фактором, определившим необходимость совершенствования САРТ стана 2000, являются недопустимые отклонения толщины на головном участке полосы, составляющие 5+10% в сторону уменьшения, при допуске ±3,5%. В результате длительных экспериментальных исследований показано, что данный вид разнотолщинности является характерным для всего сортамента стана 2000. Выяснено, что основной причиной его возникновения является повышенная температура "головы" по сравнению с температурой основного участка полосы. Причиной увеличения температуры является ускорение при входе полосы в чистовой окалиноломатель.

Вторая глава посвящена разработке усовершенствованных алгоритмов регулирования толщины и компенсации возмущающих воздействий с распределением корректирующих сигналов по НУ клетей чистовой группы, разработке способа и системы управления, обеспечивающих автоматическую коррекцию толщины головного участка полосы.

Обоснованы требования к аппаратному составу и функциям САРТ. Показано, что совместное применение алгоритмов косвенного регулирования по отклонению толщины полосы от заданной, тонкой коррекции от выходного толщиномера, коррекции от регулятора положения следующей клети и внешней коррекции позволяют добиться повышения точности регулирования толщины.

Схема расположения нажимных устройств чистовой группы клетей стана 2000 приведена на рис. 2. Комплекс включает в себя: гидронажимные устройства, непосредственно САРТ, систему изгиба рабочих валков клетей №10-13.

| САРТ [~|гнук | САРТ |-|гНУ|п

САРТ|~|ГНу}п |САРТ

НГНУЬ [сАРтТ-|ГНУк |САРТ[—[ГНУ к ¡САРТ^НУ^"

Х-КАГ

Рис. 2. Функциональная схема усовершенствованной САРТ стана 2000

Для получения проката с минимальной продольной разнотолщинностью осуществляется режим регулирования толщины полосы на выходе каждой клети с косвенным измерением по формуле Симса-Головина. При этом запоминается выходная толщина на момент включения САРТ и далее она поддерживается до конца партии либо до ручного вмешательства оператора, когда происходит запоминание нового значения. Для получения заданной продольной разнотолщинности на полосе осуществляется коррекция от выходного толщиномера. Данная коррекция является относительно "медленной" в силу транспортного запаздывания.

Согласно рассмотренным принципам регулирования задание на положение НУ можно условно разделить на сигналы статической коррекции, отвечающей за получение проката требуемой толщины, и динамической коррекции, отвечающей за стабилизацию толщины на полосе. Сигналы статической коррекции остаются неизменными на всей партии металла, сигналы динамической коррекции рассчитываются на каждой полосе отдельно и сбрасываются при выходе полосы из клети.

Функциональная схема системы динамической коррекции представлена на рис. 3. Входной сигнал Д/г регулятора положения формируется как сумма:

ЛИ = к

1зад + Клщ +/г

'след^^внеш ^тек

Рис. 3. Сигналы и структура системы динамической коррекции толщины

Расчет заданной толщины Азад осуществляется при включении режима стабилизации толщины, при условии, что металл заправлен в следующую клеть, т.е. имеет место установившийся режим прокатки.

Согласно разработанному алгоритму в течение заданного времени (=400 мс) производится усреднение показаний датчиков положения и усилия прокатки, рассчитывается толщина на выходе из клети и запоминается в качестве задания. Затем к заданию прибавляются сигналы коррекции:

-^тлщ- тонкая коррекция от выходного толщиномера, она представляет собой интегрированную величину отклонения толщины от заданной на выходе из чистовой группы;

- йслед - коррекция от следующей клети. Назначение: перераспределение регулирования на предыдущие клети при приближении динамической коррекции НУ данной клети к ограничению.

- Лвнеш - внешняя коррекция. Могут быть введены: компенсация толщины масляной пленки в подшипниках валков, компенсация теплового расширения валков, компенсация износа валков, упреждающая коррекция, и др.

Из полученной суммы вычитается сигнал обратной связи Атек (текущая толщина на выходе из данной клети), и полученное отклонение ДА заводится в пропорционально-интегральный регулятор положения с ограничением интегральной части.

Рассчитанный выходной сигнал динамической коррекции ХСМ1 добавляется к статическому заданию положения НУ:

ХСАРТ = КрЛИ + К, ¡(АЫ) .рм. +1

где Кр, ЛГ, - коэффициенты пропорциональной и интегральной частей регулятора;

Км, К3 - коэффициенты жесткости металла и клети, соответственно. Таким образом, задание на положение гидравлического НУ определяется суммой задания статического рабочего (среднего) положения, динамической коррекции САРТ и грубой коррекции от выходного толщиномера Хоспт-Хг

1 ГНУ - ^раб + ХСАРТ + X,

ОСПТ '

Перераспределение обжатий по клетям чистовой группы позволяет исключить насыщение регулятора положения НУ последней клети при больших корректирующих сигналах, поступающих от выходного толщиномера В свою очередь это позволяет ограничить интегральную коррекцию на последних клетях и тем самым не допустить размыкания контура регулирования толщины

ских промежутков краевых задач с фиксированными точками. В краевых условиях (7) фиксирована первая слева точка Г = 0. Кроме этого, введя обозначение £ = ¿Н, 0 < 5 < 1, мы фактически фиксируем и промежуточную точку £ Важность оценок вида (8) на наш взгляд заключается в том, что, придавая 8 из промежутка (0, д) различные значения (при этом промежуточная точка £ перемещается в промежутке (О, й)), мы можем получить оценки промежутков однозначной разрешимости краевых задач при любом фиксированном значении ¿¡е (О, К).Сказанное иллюстрируем, рассматривая конкретные трехточечные краевые задачи с фиксированными точками.

Предварительно рассмотрим некоторые свойства функций и

Р2(<5>. Из формул (9) находим

1ип уг,(*) = 0, Шп уг{8) = 25р^(.р2 + ръУ1+р>\ <У-»0+ <У—»1—

Шп Уг(8) = 2:(р1 + Р2)р'*рг РзР' > Ни» = О

г-н- ,

и,значит, Цт = ,1т = ■ 5153

¿40* 14 ' ¿-1- Р1РЧР2 + Рз)"*" Шп р2(3) =-5111-, Шп ^=

(Р1 + Рг)р Рз

Если функция /¡(г) имеет в некоторой точке г = го конечный предел (односторонний предел), то будем считать, что эта функция в точке ¡а определена и непрерывна. Поэтому можем себе позволить записывать

ЛСО-_^-. гя(0)в-- (11)

Пусть ¿ь такое значение

¿е [0;11,та^(«5ь)= М т.е.

0<£<1

, 5!5 5!5

(12)

,р/1(Р2 + Рз)Рг + Р5'(Р1 + Р2)"1 + Р1РзРз При р\=2,рг = 2,рз=1, т.е. для «(2,2,1)-задачи» из равенства (12) получим

Р(<5о) = 1Шп|^^, -р^| = тш{3472; 1465}=1465, (13) 11

На разработанные технические решения получены три патента РФ на полезные модели (в соавторстве). Подана заявка на получение патента на изобретение.

Третья глава посвящена разработке математической модели электропривода прокатной клети и гидравлического привода нажимных устройств в составе САРТ. Выполнены исследования влияния параметров коррекции межвалкового зазора на отклонения толщины головного участка полосы.

При линейном изменении зазора в разработанной системе управления прокаткой необходим обоснованный выбор параметров коррекции (рис. 4): уровня первоначального разведения валков времени А/! удержания постоянного значения коррекции, необходимого для захвата полосы валками следующей клети, и времени А12 уменьшения сигнала коррекции до нуля, определяющего скорость сведения валков на полосе.

Для подтверждения данного вывода проведены эксперименты, в ходе которых исследовалась прокатка полос с различными параметрами коррекции, предварительно заданными в программу контроллера АСУ ТП чистовой группы стана 2000. Характерные осциллограммы представлены на рис. 6. Прокатка первой полосы (рис. 6, а) осуществлялась без дополнительной коррекции толщины головного участка. Отклонение толщины от заданного значения составляет 2,9% в сторону уменьшения, общая разнотолщинность - 5,6%. При прокатке следующих полос (рис. 6, б-д) осуществлен способ с автоматической коррекцией толщины (параметры коррекции указаны на рисунках).

Выполненные исследования показали, что неверный подбор параметров коррекции на головном участке может привести к отклонениям толщины, сопоставимым с отклонениями при отсутствии указанной коррекции. В результате наложения на линейный корректирующий сигнал сигналов от регулятора толщины и сигнала от конечного толщиномера параметры разнотолщинности головного участка ухудшаются. Это предопределило задачу проведения исследований прокатки при различных параметрах коррекции головного участка. В связи с этим возникла задача разработки математической модели электропривода клети и гидравлического привода НУ, наиболее полно, по сравнению с известными моделями, учитывающей их взаимосвязь через прокатываемый металл.

Схема разработанной динамической модели представлена на рис. 7. Она включает:

- математическую модель главного электропривода прокатной клети в системе двухзонного регулирования скорости;

- математическую модель гидравлического нажимного устройства в составе замкнутой системы косвенного регулирования толщины полосы;

- математическую модель полосы в очаге деформации.

При разработке модели использованы данные оборудования клетей и НУ стана 2000 ОАО «ММК».

Л.■ ; 1. Ч ¡мп}

' Задание ПСЛ0ЖеНИЯ1леВ«О ГНУ, КГ.ВТЬ б (ГПГ:1) 10ОДМЯ|ЯйВ1НЭ ГНУ. «¡(Ъ 7 (ПГС) ■ КНОПКА ВЮ1ЮЧЕ>*ИЯ САРТ

Разйыив*:»« н*■

г) ! 6)

Рис. 6. Изменение параметров коррекции толщины головного участка при

отключенной САРТ

При разработке модели использованы зависимости:

Н,

у _ 2гпд1' пд 1

■а, £/я2Д.

а также выражения для расчета опережения и давления металла на валки:

1

01+1 -

Н,

Р, =

4

вх.н,

*—1

\н1+1

1-1 | В(а1+1-а,)

А V 2Р1+1М

2М,

г у \ч>> л1-1

V X, у

е ' -

1-1

V

■7

Ч>1

- формула Дрездена; зависимости А.И. Целикова.

Система регулирования положения ГНУ

\ Лим,

РЭ,

Деухзонная САР скорости клети РТВ, ТВ,

НИР

лэ,

исфI

РС,

Кфі «-1

игм-

и..

1+Т„р

КіП+ґг.і+ТєОр]

І.і

Дтв,

РТ,

ТП,

дк,

Т,„р+/

яц,

►ф-

У/Д,,

Т„р+1

кф, І,і

дт,

и, Й—

Прокатываемая полоса в очаге деформации

ККф

1+Т„р

Мс,

в.,

Рис. 7. Структурная схема математической модели «электропривод клети -гидравлический привод нажимного устройства»

В результате сравнения переходных процессов основных координат электропривода в режиме сведения валков на полосе, полученных путем моделирования и осциллографирования на стане, подтверждена адекватность разра-

ботанной математической модели исследуемому объекту. Относительная погрешность сравниваемых показателей в характерных точках не превышает 7%, что допустимо при моделировании сложных систем.

С помощью математической модели исследованы динамические режимы электромеханических систем семи прокатных клетей чистовой группы стана 2000 при изменениях следующих параметров:

- величины дополнительной коррекции на головном участке полосы;

- времени удержания постоянного значения коррекции;

- времени уменьшения коррекции до нуля.

В качестве исходных данных принимались реальные параметры полос различного сортамента.

В качестве примера на рис. 8 представлены расчетные кривые изменения толщины АН, при варьировании темпа изменения зазора (времени Л/2). По результатам исследований определены параметры коррекции межвалкового зазора, при которых обеспечивается наименьшее отклонение толщины. Для 710-й клетей они представлены в таблице. Минимальные отклонения толщины составляют менее 1% (при допуске ±3,5%).

Четвертая глава посвящена промышленному внедрению и экспериментальным исследованиям разработанных способов регулирования толщины и усовершенствованных алгоритмов САРТ, внедренных в АСУ ТП чистовой группы стана 2000 ОАО «ММК».

Таблица

Рекомендуемые параметры настройки системы коррекции толщины _головного участка полосы__

Клеть Параметр коррекции > 2 мм 2-4 мм 4 - 8 мм 8-12 мм > 12 мм

№7 5„ мм 0,6 0,5 0,9 0,75 0,4

Л//, с 4 5 4 9 7

2, с 6 3 5 8 8

№8 мм 0,4 0,4 0,7 0,5 0,3

Л1,. с 3 4 3 9 7

Л/2. С 6 5 5 8 8

№9 мм ч 0,2 0,4 0,5 0,3 0,3

ЛГ/, С 2 4 2,5 9 7

С 6 5 5 8 8

№10 мм 0,15 0,2 0,3 0.2 0.3

А1,, с 1 3 4 9 6

Л(2. с 6 5 5 8 8

В ходе реконструкции САРТ внедрены все разработанные алгоритмы. В работе представлена функциональная схема АСУ ТП чистовой группы стана 2000 после реконструкции. Дан краткий анализ режимов внедренной САРТ. Представлены структурные схемы замкнутых систем регулирования положения поршня гидравлического НУ и косвенного регулирования толщины. Приведены экспериментально полученные характеристики коэффициента сервок-лапана и упругих свойств клетей, использованные при настройке контуров системы. Дано описание, приведены функциональная и структурная схемы внедренной системы коррекции толщины по сигналу от выходного толщиномера.

Выполнены экспериментальные исследования системы косвенного регулирования толщины по принципу Головина-Симса и системы регулирования от выходного толщиномера. Доказано, что предложенные технические решения позволяют полностью ликвидировать температурный клин, в 1,8 раза уменьшить амплитуду глиссажных меток, сократить протяженность разно-толщинных участков полосы.

Выполнен сравнительный анализ результатов осциллографирования отклонений толщины полосы для следующих случаев прокатки:

— при отключенной САРТ;

— при отключенной САРТ, но с коррекцией толщины головного участка;

— при полностью введенной в работу усовершенствованной САРТ.

Осциллограммы для последнего случая представлены на рис. 9. Они подтверждают преимущества внедренной системы. Разнотолщинность по всей длине полосы находится в допустимых пределах. Отклонения толщины головного участка полностью скомпенсированы. Полученные результаты подтверждают техническую эффективность внедрения САРТ, использующей разработанные принципы регулирования толщины.

Рис. 9. Осциллограммы, характеризующие работу внедренной САРТ

Основные технические эффекты от внедрения выполненных разработок на стане 2000 ОАО «ММК»:

• снижение расходного коэффициента за счет повышения точности регулирования толщины на концах рулона;

• улучшение условий захвата полосы за счет реализации алгоритма разведения валков перед захватом;

• снижение разнотолщинности по длине полосы за счет реализации усовершенствованных алгоритмов регулирования толщины.

Экономический эффект за счет снижения расходного коэффициента составляет 4,3 млн. руб./год.

Разработанные системы и алгоритмы автоматического регулирования толщины рекомендуются для внедрения на других широкополосных станах горячей прокатки независимо от рода тока и типа электропривода. Их преимуществом является высокая эффективность при относительной простоте реализации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. В результате литературного обзора определены допустимые пределы отклонения толщины: ±0,025 мм на 65-70% длины, ±0,05 мм на 95-96% длины и ±0,075 мм на 99,7% дайны полосы, что не отвечает современным требованиям. При прокатке полос толщиной 0,8-1,5 мм допустимыми являются отклонения ±0,025 мм на 90-98% длины полосы.

2. В результате экспериментальных исследований показано, что САРТ Davy МсКее, установленная на стане 2000 ОАО «ММК» до реконструкции, обеспечивала разнотолщинность полосы по длине в пределах ±0,1 мм и уровень глиссажных меток ±0,05 мм, что значительно превышает допуски.

3. Особенностью прокатки полос на стане 2000 являются отклонения толщины на головном участке, составляющие 5-=-10% в сторону уменьшения, при допуске ±3,5%. Причиной возникновения разнотолщинности является повышенная температура головного участка, вызванная ускорением полосы перед входом в чистовую группу.

4. Разработаны структурные схемы замкнутых систем статической и динамической коррекции разнотолщинности полосы, реализованные в виде алгоритмов в контроллерах АСУ ТП. Предложены усовершенствованные алгоритмы компенсации возмущающих воздействий, возникающих при прокатке в чистовой группе.

5. Разработана усовершенствованная САРТ, обеспечивающая перераспределение обжатий по клетям чистовой группы, исключающая размыкание контура регулирования толщины вследствие насыщения регулятора положения НУ последней клети при больших корректирующих сигналах, поступающих от выходного толщиномера.

7. Для устранения разнотолщинности головного участка разработаны способ и системы автоматической коррекции толщины за счет разведения валков перед входом полосы в клеть с последующим их возвращением в заданную позицию для прокатки основной длины полосы.

8. Разработана динамическая математическая модель системы «электропривод клети — гидравлический привод НУ», наиболее полно, по сравнению с известными моделями, учитывающая взаимосвязь приводов через прокатываемый металл. Доказана адекватность модели исследуемому объекту.

9. Обоснованы рациональные параметры коррекции межвалкового зазора при прокатке головного участка полосы, при которых обеспечивается отклонение толщины, не превышающее 1% установившегося значения.

10. Разработанные усовершенствованные алгоритмы и система коррекции межвалкового зазора внедрены в промышленную эксплуатацию в ходе реконструкции АСУ ТП чистовой группы стана 2000 ОАО «ММК».

11. В результате экспериментальных исследований доказано, что при работе усовершенствованной САРТ разнотолщинность по всей длине полосы находится в пределах допуска ±0,025 мм. В результате длительной эксплуатации подтверждена работоспособность внедренной САРТ.

12. Разработанные системы и алгоритмы регулирования толщины рекомендуются для внедрения на других широкополосных станах горячей прокатки независимо от рода тока и типа электропривода. Их преимуществом является высокая эффективность при относительной простоте реализации.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Петряков, С.А. Совершенствование автоматизированных электроприводов и диагностика силового электрооборудования / И.А. Селиванов, A.C. Карандаев, С.А. Евдокимов, В.Р. Храмшин, С.А. Петряков и др. // Изв. вузов. Электромеханика. - 2009. - № 1. - С. 5-11.

2. Петряков, С.А. Новые технические решения в электроприводах и системах регулирования технологических параметров станов горячей прокатки / A.C. Карандаев, В.Р. Храмшин, С.А. Петряков и др. // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3: в 5 ч. - Тула: ТулГУ, 2010. - Ч. 2. - С. 34-40.

3. Петряков, С.А. Технические решения в системе автоматического регулирования толщины стана 2000 горячей прокатки / В.Р. Храмшин, И.Ю. Ан-дрюшин, П.В. Шиляев, С.А. Петряков, А.Н. Гостев // Изв. вузов. Электромеханика.-2011,- №4. -С. 41-45.

4. Петряков, С.А. Автоматическая коррекция толщины головного участка полосы в гидравлической системе автоматического регулирования толщины широкополосного стана горячей прокатки / В.В. Галкин, С.А. Петряков, A.C. Карандаев, В.Р. Храмшин // Изв. вузов. Электромеханика. - 2011 -№ 4.-С. 46-50.

5. Петряков, С.А. Следящая система автоматического регулирования толщины полосы стана горячей прокатки / A.C. Карандаев, В.Р. Храмшин, С.А. Петряков // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова, 2011. - № 3. - С. 25-29.

Патенты РФ

6. Патент РФ на полезную модель 117329, МПК7 В 21 В 37/16. Устройство для коррекции толщины головного участка полосы в чистовой клети широкополосного стана горячей прокатки / Храмшин В.Р., Карандаев A.C., Петряков С.А. и др. //БИМП - 2012. - №18. - С. 38

7. Патент РФ на полезную модель 117839, МПК7 В 21 В 37/00. Устройство автоматического регулирования толщины полосы непрерывного широкополосного стана горячей прокатки / Храмшин В.Р., Петряков С.А., Карандаев A.C., Храмшин P.P. //БИМП - 2012. - №19. - С. 36.

8. Патент РФ на полезную модель 121179, МПК7 В 21 В 37/24. Устройство автоматической коррекции толщины головного участка полосы широкополосного стана горячей прокатки, имеющего семь клетей чистовой группы / Галкин В.В., Карандаев A.C., Храмшин В.Р., Храмшин P.P., Петряков С.А., Гостев А.Н. //БИМП - 2012. - №29. - С. 30.

Публикации в других изданиях:

9. Петряков, С.А. Измерение толщины в САРТ широкополосного стана горячей прокатки /С.А. Петряков //Энергетики и металлурги настоящему будущему России: Матер. 9-й Всерос. науч.-практ. конф. студ., асп и спец -Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. - С. 63- 65.

10. Петряков, С.А. Основные принципы построения САРТ непрерывного стана горячей прокатки / С.А. Петряков, A.C. Карандаев, В.Р. Храмшин //

Электротехнические системы и комплексы: Межвуз. сб. науч. трудов. -Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008.-Вып. 15.-С. 142-149.

11. Петряков, С.А. Коррекция задания на толщину "головы" полосы для САРТ стана 2000 горячей прокатки ОАО «ММК» / С.А. Петряков, А.С. Карандаев //Материалы 67-ой науч.-техн. конф.: Сб. докл. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. - Т.2. - С. 60-63.

12. Петряков, С.А. Technical solutions in automatic adjusting thickness system reconstruction of wide strip not rolling mill/ A.S. Karandaev, V.R. Khramshin, S.A. Petryakov //III междунар. пром. Форум-выставка «Реконструкция промышленных предприятий - прорывные технологии в металлургии и машиностроении»: Сб. тез. докл. междунар. союз «Металлургмаш» - Челябинск, 2010. - С. 111-112.

13. Петряков, С.А. Автоматическая коррекция толщины полосы при прокатке на широкополосном прокатном стане / С.А. Петряков //Матер, докл. V Междунар. мол. науч. конф. «Тинчуринские чтения». В 4 т.; Т. 3. - Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2010. - С. 65-66.

14. Петряков, С.А. Система автоматического регулирования толщины широкополосного стана горячей прокатки / С.А. Петряков, В.Р. Храмшин // Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий: Сб. науч. тр. III Всерос. науч.-техн. конф. (с междунар. уч.). - Уфа: ИД «Чурагул», 2011. - С. 264-268.

15. Петряков, С.А. Система автоматической коррекции толщины полосы широкополосного стана горячей прокатки / А.С. Карандаев, В.Р. Храмшин, С.А. Петряков //Состояние и перспективы развития электротехнологии (XVI Бенардосовские чтения): Сб. науч. тр. междунар. науч.-техн. конф. Т. 2. - Иваново: ГОУ ВПО «ИГЭУ», 2011. - С. 297-299.

16. Петряков, С.А. Устранение разнотолщинности головного участка полосы на стане горячей прокатки / В.Р. Храмшин, А.С. Карандаев, С.А. Петряков // Электротехнические системы и комплексы: Межвуз. сб. науч. трудов. Вып. 19. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2011. - С. 159-162.

17. Петряков, С.А. Совершенствование системы автоматического регулирования толщины широкополосного стана горячей прокатки / В.Р. Храмшин, А.С. Карандаев, Р.Р. Храмшин, И.Ю. Андрюшин, С.А. Петряков // Тр. VII Междунар. (XVIII Всерос.) науч.-техн. конф. по автоматизированному электроприводу (АЭП-2012) - Иваново: ФГБОУ ВПО «ИГЭУ» 2012 - С 556-560.

Подписано в печать 28.02.2013 Формат 60x84/16. Бумага тип. № 1.

Плоская печать. Усл.печ.л. 1,00. Тираж 100 экз. Заказ 121

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок ФГБОУ ВПО «МГТУ»

ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

На правах рукописи 04201355686

ПЕТРЯКОВ СЕРГЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТОЛЩИНЫ ПОЛОСЫ ШИРОКОПОЛОСНОГО

СТАНА ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Храмшин В.Р.

Магнитогорск 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 6 Глава 1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТОЛЩИНЫ ПОЛОСЫ НА ШИРОКОПОЛОСНЫХ СТАНАХ ГОРЯЧЕЙ

ПРОКАТКИ 13

1.1. Основные причины возникновения продольной разнотолщинности прокатанных полос 13

1.2. Факторы, влияющие на разнотолщинность полосы 16

1.3. Принципы построения систем автоматического регулирования толщины полосы широкополосных станов горячей прокатки 19

1.4. Косвенное регулировании толщины полосы по принципу Головина-Симса 21

1.5. Примеры построения известных С APT 26

1.5.1. С APT Киевского института автоматики 26

1.5.2. САРТ разработки ВНИИметмаш 29

1.5.3. Режим коррекции по отклонению толщины полосы на выходе

стана 31

1.6. Структура САРТ фирмы Davy МсКее (на примере САРТ стана

2500 ОАО «ММК») 33

1.7. Режимы регулирования толщины в САРТ Davy МсКее 36

1.7.1. Режим позиционирования 3 6

1.7.2. Система Гейджметр 3 7

1.8. Характеристика САРТ стана 2000 горячей прокатки ОАО «ММК» 41

1.8.1. Характеристика нажимных устройств чистовых клетей стана 43

1.8.2. Технические характеристики САРТ 44

1.8.3. Оценка отклонений толщины полосы 45

1.9. Анализ причин возникновения разнотолщинности на головном участке полосы 47

1.10. Выводы и постановка задачи исследований 49

Глава 2. РАЗРАБОТКА НОВЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ В СИСТЕМЕ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

ТОЛЩИНЫ ПОЛОСЫ СТАНА 2000 53

2.1. Требования к аппаратному составу и функциям С APT 54

2.2. Функциональная схема САРТ стана 2000 после модернизации 56

2.3. Режимы работы САРТ 5 6

2.4. Новые технические решения в САРТ стана 2000 60

2.4.1. Структура замкнутой системы регулирования толщины 60

2.4.2. Динамическая коррекция толщины полосы 61

2.4.3. Измерение толщины полосы 64

2.4.4. Компенсация возмущающих воздействий 65

2.5. Результаты анализа точности регулирования геометрических размеров и устойчивости полосы при прокатке 66

2.6. САРТ с перераспределением обжатий по клетям чистовой группы 68

2.7. Способ прокатки с автоматическим изменением межвалкового

зазора 71

2.7.1. Коррекции задания на толщину при прокатке "головы" полосы 71

2.7.2. Функциональные схемы разработанных систем 72

2.7.3. Система управления прокаткой в функции длины полосы 75 ВЫВОДЫ 79

Глава 3. ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ "ЭЛЕКТРОПРИВОД КЛЕТИ - ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРИВОД НАЖИМНОГО

УСТРОЙСТВА" 81

3.1. Экспериментальные исследования. Постановка задачи 81

3.2. Математическая модель главного электропривода прокатной

клети 86

3.3. Математическая модель гидравлического нажимного устройства 88

3.4. Моделирование замкнутой системы косвенного регулирования толщины полосы 92

3.5. Математическая модель полосы в очаге деформации 96

3.6. Оценка адекватности математической модели 100

3.7. Математическое моделирование электромеханической системы "электропривод клети - гидравлический привод нажимных устройств"

при регулируемом изменении межвалкового зазора 104

ВЫВОДЫ 113

Глава 4. ВНЕДРЕНИЕ НОВЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

ПРИ РЕКОНСТРУКЦИИ САРТ СТАНА 2000 115

4.1. Характеристика внедренных систем 116

4.2. Характеристика АСУТП чистовой группы стана 2000 после реконструкции 117

4.3. Режимы работы внедренной САРТ 119

4.4. Система регулирования межвалкового зазора 122

4.5. Экспериментальная характеристика прокатной клети как упругого звена 125

4.6. Структура контура косвенного регулирования толщины полосы 126

4.7. Коррекция по выходному толщиномеру 129

4.8. Экспериментальные исследования усовершенствованной САРТ на стане 2000 ОАО «ММК» 132

4.8.1. Исследование системы косвенного регулирования толщины

полосы по принципу Головина-Симса 132

4.8.2. Исследование регулирования от выходного толщиномера 134

4.8.3. Прокатка с коррекцией толщины головного участка полосы 135

4.9. Результаты осциллографирования режимов работы САРТ 138

4.10. Расчет экономического эффекта от внедрения результатов исследований на стане 2000 ОАО «ММК» 141 ВЫВОДЫ 143

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 146

ЛИТЕРАТУРА 148 ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Патенты РФ на полезные модели полученные

автором 162

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Параметры математической модели объекта

управления 171

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Акты внедрения и опытно-промышленных

испытаний НИР по теме диссертации 174

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Расчет экономической эффективности НИР по

теме диссертации 178

ВВЕДЕНИЕ

Автоматизация технологического процесса непрерывных широкополосных станов горячей прокатки (ШСГП) является важнейшим направлением развития прокатного производства. Это объясняется главным образом необходимостью получения высококачественного листа [1]. Тонколистовой стан горячей прокатки является одним из сложнейших объектов регулирования с переменными параметрами. Эти параметры изменяются как при переходе от прокатки одного сортамента к другому, так и в пределах прокатки одного сортамента, одной полосы [2].

Решающую роль в развитии ШСГП наряду с новым технологическим оборудованием играют автоматизированные электроприводы, системы автоматического управления различных уровней от локальных до автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУТП). Локальные системы автоматического регулирования технологических параметров (толщины, натяжения, профиля полосы и др.) в настоящее время выполняются в структуре АСУТП чистовой группы стана как согласованные друг с другом комплексы технического и программного обеспечения [3].

К отдельным системам ШСГП, в частности, к системам автоматического регулирования толщины (САРТ) полосы в настоящее время предъявляются наиболее высокие требования. Это связано, в первую очередь, с тем, что достаточно большой процент тонкой горячекатаной полосы не подлежит дальнейшей обработке в холодном состоянии, т.е. является конечной рыночной продукцией [4]. Расширение сортамента за счет прокатки полос толщиной 0,8-1,5 мм является признанной общемировой тенденцией развития прокатного производства [5-8].

Полосы, прокатанные в чистовой группе клетей непрерывного ШСГП, имеют неодинаковую толщину по длине. Основной причиной продольной разнотолщинности являются упругие деформации отдельных элементов клети, приводящие при прокатке к изменениям зазоров между валками вследствие изменений давлений металла на валки. При прокатке тонких полос в чис-

товых клетях, где сечения относительно невелики, под давлением металла на валки возникают такие величины упругих деформаций элементов клети, которые создают изменения предварительно установленного зазора между валками, соизмеримые не только с допусками, но и с конечной толщиной металла. Для удовлетворения современных требований к точности прокатки листа на широкополосных станах необходимо обеспечить прокатку полос с отклонениями толщины от заданной не более ±(0,025-0,05) мм на 90-98% длины полос [2].

Современные системы регулирования толщины выполняются на основе гидравлических нажимных устройств (НУ), электромеханические устройства используются для вспомогательных операций, главным образом для разведения валков при их замене (перевалке). При использовании гидравлических НУ может быть реализована практически любая скорость перемещения валков. Время регулирования при малых перемещениях составляет около 35 мс [9]. Такие системы позволяют эффективно компенсировать любые изменения толщины, в том числе, за счет снижения температуры концов полосы. Это подтверждается экспериментальными данными о продольном профиле, информация о которых приводится в тексте диссертации, а также в [10-13].

Системы автоматического регулирования толщины полосы ШСГП, в том числе в САРТ станов 2000 и 2500 ОАО Магнитогорский металлургический комбинат (ОАО «ММК»), строятся на основе сочетания косвенного и прямого регулирования. Косвенный метод измерения, известный как метод Головина-Симса получил широкое распространение в силу ряда достоинств, главным из которых является отсутствие транспортного запаздывания [1, 1419].

Недостатком систем регулирования с косвенным измерением толщины является статическая ошибка, обусловленная несоответствием расчетной и фактической жесткостей прокатной клети. Последняя зависит от условий прокатки и в промышленных условиях обычно не может быть оценена с погрешностью менее 5-10 % [20]. Неточность получения строго заданной тол-

щины обуславливается тем, что применяемые способы измерения толщины полосы в клети практически во всех случаях не позволяют правильно измерить возмущения, влияющие на качество готовой продукции. В настоящее время практически не существует датчиков для непосредственного измерения толщины полосы в клети.

К тому же способ Головина-Симса не учитывает всех возмущений, поступающих со стороны клети (нагрев и износ валков, всплытие опорных валков при переменной скорости прокатки, изменение параметров клети, неточность установки валков оператором при настройке чистовой группы на прокатку заданной толщины и т.д.). Поэтому САР косвенного регулирования дополняются системой компенсации разнотолщинности полосы по сигналу от выходного толщиномера, расположенного на выходе чистовой группы стана [10, 15, 19-22].

Разработка и совершенствование САРТ начались практически одновременно с появлением прокатных станов. В течение истекших трех десятилетий такие исследования проводятся наиболее интенсивно в связи с внедрением промышленных контроллеров и современных средств автоматизации. Задача в этой области на данный момент состоит в том, чтобы на основе детального исследования стана как объекта автоматического управления, а также исследования существующего оборудования и применяемых структур автоматизации разработать наиболее эффективные алгоритмы автоматического регулирования толщины полосы [2].

Среди основных отечественных разработчиков САРТ станов горячей и холодной прокатки следует отметить ВНИИметмаш [10, 18, 21-29], НИИ-тяжмаш ПО «Уралмаш» [12, 13, 30-35], Киевский институт автоматики [3653] и некоторые другие. Ведущими зарубежными фирмами, работающими в данном направлении, являются Davy МсКее (Великобритания, США) [54, 55], SMS-Demag (Германия) [56-60], General Electric (США) [61-63], VAI (Австрия) [64], Danieli (Италия) [65] и ряд японских фирм [66-68]. Широко известны научные труды авторов Дружинина H.H. [14, 18, 23], Филатова A.C.

[10, 21, 24-26], Леонидова-Каневского Е.В. [36-39, 43, 69], Тимофеева Б.Б. [70-72], Лысенкова Н.Г. [2, 36-38, 73], ДралюкаБ.Н. [12, 13, 31-34], Коновалова Ю.В. [20, 74-76] и других ученых. Среди разработок последних лет следует отметить труды сотрудников Магнитогорского государственного технического университета совместно со специалистами ОАО «ММК» [77-82].

На действующих отечественных и зарубежных станах в настоящее время наиболее распространена САРТ фирмы Davy МсКее [54], работающая более чем на трехстах прокатных станах. Автоматическое регулирование толщины в системе осуществляется в функции раствора валков и усилия прокатки по принципу Gaugemeter (Гейджметр, абсолютно жесткая клеть).

Комплекс САРТ чистовой группы клетей стана 2000 ОАО «ММК» включает в себя: гидронажимные устройства, непосредственно систему автоматического регулирования толщины полосы фирмы Davy, систему изгиба рабочих валков клетей №10-13. Гидравлические НУ являются основным исполнительным звеном при регулировании выходной толщины. Электромеханические нажимные винты применяются только для изменения межвалкового зазора при перестройке стана. Основной регулятор САРТ выполнен по принципу косвенного измерения толщины полосы непосредственно в прокатываемой клети. В качестве основной коррекции применяется коррекция по выходному толщиномеру.

Недопустимая разнотолщинность по длине, наиболее явно проявившаяся при прокатке тонких полос предопределила необходимость модернизации САРТ стана 2000. Техническая возможность для совершенствования системы была обеспечена в связи с реконструкцией АСУТП стана, которая выполнена в 2008-2010 гг. при непосредственном участии автора. Расширение возможностей микроконтроллеров предопределило техническую возможность совершенствования алгоритмов регулирования толщины, которые реализуются на современном цифровом уровне. В связи со сложившейся ситуацией возникла необходимость проведения исследований и разработок, направленных на совершенствование существующей САРТ Davy МсКее, кото-

рые легли в основу представленной диссертации.

Целью диссертационной работы является повышение точности регулирования толщины полосы в непрерывной группе широкополосного стана горячей прокатки при расширении сортамента прокатываемых полос, обеспечиваемое за счет совершенствования алгоритмов системы автоматического регулирования толщины косвенного типа.

Для достижения цели поставлены следующие основные задачи:

1. Исследование причин возникновения продольной разнотолщинности полос, прокатываемых на широкополосных станах горячей прокатки. Анализ принципов регулирования толщины, реализованных в известных С APT. Анализ структуры и режимов регулирования толщины в САРТ Davy МсКее, реализованной на станах 2000 и 2500 ОАО «ММК».

2. Разработка усовершенствованных алгоритмов и способов автоматического регулирования толщины, обеспечивающих снижение разнотолщинности по длине полосы при расширении сортамента за счет перехода на производство тонких полос.

3. Разработка способа и системы управления прокаткой, обеспечивающих снижение разнотолщинности головного участка полосы за счет автоматической коррекции межвалкового зазора.

4. Разработка динамической математической модели электромеханической системы "электропривод клети - гидравлический привод нажимного устройства", наиболее точно учитывающей взаимосвязь названных приводов через обрабатываемый металл. Исследование разнотолщинности полосы при прокатке с автоматическим изменением межвалкового зазора.

5. Промышленное внедрение разработанных алгоритмов и систем, проведение экспериментальных исследований, оценка технико-экономической эффективности.

В диссертации отдельно не исследуются вопросы компенсации эксцентриситета, биения валков, всплытия опорных валков, компенсации толщины масляной пленки и др., которые по трудоемкости и уровню сложности могут

составить предмет самостоятельной работы.

В соответствии с поставленными задачами содержание диссертации изложено в следующей последовательности:

В первой главе выполнен анализ причин возникновения продольной разнотолщинности полос на широкополосных станах горячей прокатки, рассмотрены внешние и внутренние факторы, влияющие на точность регулирования толщины полосы. Дан анализ известных принципов косвенного регулирования толщины и функциональных схем известных отечественных и зарубежных С APT. Представлено описание С APT фирмы Davy МсКее. Приведены характеристика гидравлических НУ, дан краткий анализ АСУТП и САРТ стана 2000 ОАО «ММК».

Вторая глава посвящена разработке усовершенствованных алгоритмов систем динамической коррекции толщины и компенсации возмущающих воздействий по сигналу от выходного толщиномера с распределением корректирующих воздействий по клетям чистовой группы. Представлено описание способа и системы, обеспечивающих автоматическую коррекцию толщины головного участка полосы. Разработана функциональная схема системы управления, обеспечивающей техническую реализацию способа прокатки с автоматическим изменением межвалкового зазора в функции длины полосы.

Третья глава посвящена разработке математической модели электропривода прокатной клети и гидравлического привода нажимных устройств (в составе САРТ), более точно учитывающей их взаимосвязь через обрабатываемый металл. Дана оценка адекватности переходных процессов, полученных на математической модели, реальным процессам в названной взаимосвязанной системе. Выполнено исследование влияния параметров коррекции межвалкового зазора на отклонения толщины полосы. Обоснованы параметры коррекции толщины при прокатке головного участка.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований разработанных алгоритмов САРТ, внедренной в структуре АСУТП

стана 2000. Приведено описание АСУТП чистовой группы после реконструкции, дан анализ режимов усовершенствованной САРТ. Выполнен сравнительный анализ результатов осциллографирования, позволивший оценить влияние каждого из разработанных технических решений на точность регулирования толщины прокатываемой полосы. Дана краткая оценка технико-экономической эффективности в