автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Энергосберегающие технологии нагрева металла с использованием самонастраивающейся системы управления

рт Ь V»

Гооударотвениый комитет Российской Федерации по высшему осЗразовашю

Магнитогорская государственная горно-металлургическая академия им.Г.И.Носова

уж 621.785:621.311.017(043.3)

На правах рукописи

парсушшн борис школашч э1шрг0 сберегащ1е теяшош1 нагрева металла

с исеодъзошй-ш самонастраивашисм шст£ш упрашешш

05.16.02 - Металлургия черных металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Магнитогорск 19У5

Работа выполнена в Магнитогорской государственной горио-метавдургячеакои аладеыии т.).Г.П.Носова

Официальные оппоненты:

засду&ешшП деятель науки а техники Р.»., действительный член А.И.К.Р.&., доктор технических наук, профессор

Дионенко Идадимир Георгиевич; заслуженный деятель науки и техники Р.^., доктор технических наук, профессор

Кривацдин Владимир Алексе ашч; доктор технических наук, профессор

Зеньковский Андрей Георгиевич.

Ведущее предприятие - А.О. " Мечед " г. Челябинск ( Челябинский металлургический комбинат )

О °°

Защита ооотоигся " 19Уо г. в ' ' часов

на заседании диссертационного совета Д 063.04.01 Магнитогорской государственной горио-аеталлургичеокой академии им.Г.И.Нооова С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИША.

Отзывы о работе в двух экземплярах, заверенные печатыо, просим направлять по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, д. 38, .Совет МША. Автореферат разослан

» /7 " ^1995 года

Учешгё секретарь диссертационного совета /т)

¿.Н.Селиванов

0Б1ДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОБЛЕМЫ

Актуальность проблемы. Управление нагревом металла перед обработкой его на прокатных станах всегда представляло я будет представлять сложную научно-техническую проблему.

Использование энергосберегающей технологии включает две проблемы: использование остаточного тепла, содержащегося в металле от предыдущего передела, и оптимизацию управления процессом нагрева металла. Организационные условия и несогласованность текущих проиэ-водительностей двух смежных технологических переделов являются главными причинами появления смеяанного посада металла в нагревательные печи, когда в печах одновременно нагреваются 15 55 холодных и 80^-85 % горячих заготовок.

Оптимизация управления процессом нагрева включает в себя решение задач: распределение тепловых нагрузок во времени и по длине рабочего пространства и организацию оптимального управления процессом сжигания топлива в рабочем пространстве печи.

Таким образом, возникает перспективная проблема экономичного управления нагревом металла в нагревательных печах, работающих в условиях, характеризующихся непрерывным действием интенсивных технологических и организационных возмущений и практически отсутствием стационарных режимов работы, для которых выполнены большинство известных разработок по управлению нагревом металла. Поэтому необходимы разработка более совершенных способов получения оперативной достоверной информации о текущем состоянии технологического процесса нагрева и создание новых эффективных методов оптимизации управления технологическими параметрами.

Цель работы. Изучение теплотехнических особенностей работы тгревятельних печей в условиях энергосберегающей технологии с <елью выбора и разработки новых объективных способов контроля параметров .процесса нагрева металла.

Разработка теоретических основ эффективных помехозащиценшх методов оптимизации теплотехнических параметров и теоретическое обоснование экономичного управления нагревом.

Реализация предложенных методов I! оптимального по экономичности управления для конкретных технологических процессов нагрева с использованием самонастраивающейся цифровой системы управления тепловым релпагом печей.

' Научная новизна .Теоретически обоснованы и практически реализованы с учетом ограничений по температуре' греющей среды и по температуре поверхности металла траектории изменения расхода топлива при оптимальном по экономичности (минимальном по расходу топлива) режиме управления нагревом металла горячего посада.

Проведено исследование оптимального (минимального по расходу топлива) процесса сжигания топлива и обоснована необходимость двухконтурной -схема управления этим сложным энергоемким процессом. Разработаны теоретические основы и доказана практическая работоспособность метода оперативного определения текучего теплового состояния (перепада температур по сечению) нагреваемого металла в любом месте по длине нагревательной печи (особенно на выходе).

Предложен метод оценки текущего теплового состояния каждой подаваемой на нагрев заготовки при сметанном посаде за время, движения толкателя.

Теоретически обоснована и практа :ески доказана работоспособность эффективного метода оптимизации процесса сжигания топлива по скорости изменения температуры контролируемого параметра в рабочем пространстве печи,совмещающего рабочее и поисковое воздействие и исключающего «периодические изменения расхода воздуха в зону нагрева. - .

Теоретически обоснована и практически доказана работоспособ-. ность помехозащищенного градиентного метода оптимизации процесса

сжигания топлива в рабочем пространстве по интегральной оценке контролируемого температурного параметра теплового процесса с раздельными поисковым и работам изменениями расхода'воздуха (окислителя) .

Предложен универсальный метод компенсации (подавления) влияния теоретически любого внешнего случайного процесса на интегральную оценку контролируемого параметра технологического процесса или интегральную оценку результата любого производственного процесса. Достоверность, универсальность р эффективность предложенного метопа теоретически и практически доказана для трех конкретных случаев его применения.

Представленные теорэтические разработки, особенно методы оптимизации процесса сжигания топлива и метод устранения влияния :лучайного процесса (помехи) на величину интегральной сценки контролируемого теплотехнического процесса могут быть использованы при 'правлении тепловым режимом в любом промышленном производстве, юпользующем топливо как источник тепловой энергии.

Практическая ценность. На основании результатов проведенных кспериментальных исследований и теоретических разработок оптималь-ых энергосберегающих режимов' управления теплотехническими пара-етрами при нагреве металла получены результаты, имеющие прикладов значение:.

- показано, что}при одновременном нагреве заготовок с различим тепловым состоянием или в условиях неравномерной производи-ельности прокатного стана;температура рабочего пространства печи зоднозначно характеризует текущее тепловое состояние нагреваемого зталла, поэтому целесообразно управление тепловым режимом осуще-гвлять по температуре поверхности нагреваемого металла, измеряе-)й пирометрами спектрального отношения;

- определено, что минимизирующие расход топлива оптимальные жимы нагрева горячих заготовок предусматривав г пода-

чу максимального расхода топлива, т.е. интенсивный нагрев, на конечном интервале времени, т.е. на конечном участке длины печи;_

- разработаны минимизирующие расход топлива метода оптимального управления процессом сжигания топлива, включающие стабилизирующий контур (до 90 % управляющего воздействия), учитывающий рабочую статическую характеристику используемого топлив©сжигающего устройства и оптимизирующий контур (10{-15 % управляющего воздействия), реализующий поиск оптимального значения расхода воздуха;

- разработан помехоустойчивый градиентный метод оптимизации процесса сжигания топлива, обеспечивающий минимизацию расхода топлива при условии стабилизации температуры поверхности металла или температуры рабочего пространства печи и поддерживающий максимально возможную скорость нагрева металла при работе печи на предельном по производительности режиме, когда устанавливается постоянный максимально возможный расход топлива в зонах нагрева;

- разработан метод оперативного определения перепада температур между поверхностью и центром нагреваемой заготовки, обеспечивающий решение задачи стабилизации температуры раската и предотвращение выдачи на стан непрогрегых заготовок;

- разработана и внедрена цифровая система информационного сопровождения движения заготовок на участке нагревательных печей толкательного типа прокатных цехов от посада до окалиноломателя прокатного стана;

- разработаны алгоритмы функционирования самонастраивающейся системы цифрового управления нагревом металла, способной в диалоговом режиме адаптироваться к информационной и управляющей структуре нагревательной печи, реализующей энергосберегающее оптимальное управление тепловым режимом;

- разработаны методы синтеза переключающей функции, обеспечивающей компенсацию влияния внешних случайных возмущающих воздействий (помех) на величину интегральной (обобщающей) оценки любого

контролируемого параметра любого технологического или производственного процесса.

Результаты работы могут быть использованы при проектировании экономичных методов управления технологическими процессами металлургического производства научно-исследовательскими и проектными организациями: СТАЛЬПРОЕКТ (г. Москва), ГПКИ "Проектавтоматика", ЦШПШ (г. Москва), ШО ША (г. Киев), технологически.«!, теплотехническими лабораториями, лабораториями автоматизации технологических процессов металлургических и машиностроительных заводов.

Технические решения, алгоритмы и программы по расчету оптимального управления процессами металлургического производства используются в курсовом и дипломном проектировании.

Реализация и внедрение работа в промышленности

Оптимальные методы управления, реализующие энергосберегающие технологии нагрева металла и рекомендуемые в данной работе, нашли практическое применение на нагревательных печах нескольких крупных прокатных станов.

Повышение оперативности и эффективности управления тепловым режимом нагревательных печей среднелистового стана 2350 ММК при переходе с управления по температуре печи на управление по температуре поверхности нагреваемого металла обеспечило снижение удельного расхода условного топлива на 5 кг/т, повышение температуры раската на 8*10 °С, снижение удельного расхода электроэнергии на 2 кВт/т, что дало в денежном выражении экономию НО тыс. рублей в год. Предложенное техническое решение заложено в проект Ш> ЦПКБ № 33268. '

Внедрение.оптимальных по быстродействии режимов управления нагревом металла в нагревательных колодцах 03Цт2 ММК за счет своевременного уменьшения расхода коксового газа по изменению температуры поверхности нагреваемого металла в переходный период от нагрева к томлению позволило облегчить труд нагревальщиков, снизить оп-

лавление слитков и уменьшить удельный расход топлива. Общий эконо-- мический аффект составил 650 тыс. рублей d год.

За счет повышения оперативности управления при переходе на управление по температуре поверхности металла и включения в работу контура регулирования соотношения газ-воздух на методических печах стана 2500 ММК получено снижение удельного расхода условного топлива на 4 кг/т. При стоимости 1000 м3 природного rasa 16 руб экономический э^ект по стану составил 194.56тыс. рублей в год. Технические решения заложены в проект Ш ЦПКБ 33447.

Оперативное изменение и перераспределение по зонам расхода топлива при переходе на управление" по температуре поверхности нагреваемого металла на методических печах ЛИЦ OXJviK, имеющих рациональное распределение расходов по зонам, позволило снизить удельный расход условного топлива на 6 кг/т. При стоимости I т условного топлива 10.95руб. экономический эффект по стану составил 92.11 тыс. рублей в год.

Оперативное управление расходом топлива в сварочных зонах по средневзвешенной температуре поверхности металла и управление расходом воздуха с учетом реальных статических характеристик горелок позволили на печах стана 2500 ШК в условиях смешанного посада получить снижение удельного расхода условного топлива на 5,2 кг/т. При стоимости I т условного, топлива 14,203 руб. экономический эффект по стану составил 306,628 тыс. рублей в год.

Переход на управление давлением ъ рабочем пространстве печи путем регулирования положения нулевой линии давления печи относительно уровня расположения нагреваемого металла и выбор места отбора управляющего импульса давления в печи по предлагаемой в работе методике в условиях нагревательных печей стана 2500 МЫН дает снижение удельного расхода дополнительно на 1,7 кг/т, что составляет 100.531 тыс. руб. в. год по стану.

Использование минимизирующих расход топлива оптимальных

режимов нагрзва позволило за счет оперативного изменения расхода топлива в первые сварочные зоны печей в зависимости от теплового состояния металла на входе печи получить на печах стана 2500 за счет снижения удельного расхода топлива экономически» эффект 62,152 тыс. руб. в год при цене I т условного топлива 14.203 руб.

Ввод в эксплуатацию опытного варианта системы прямого цифрового управления на методической печи № I стана 2500 ШС позволил получить за счет эЭД^ктивности цифрового управления снижение удельного расхода природного газа на 1.624 м3/т по сравнению с ранее используемой на этоЯ же печи аналоговой системой управления. При увеличении температуры раската на 5 °С в- ономически.Ч эффект от снижения расхода топлива на печь составил 35,926 тыс. руб. в год при цене 1000 м3 газа 26.28 руб.

Ввод в эксплуатацию микропроцессорной самонастраивающейся системы на базе НТС ЛИУС-2 (МИКРОДАТ) на методической печи № б стана 2500 ШК, где управление сжиганием топлива осуществлялось нагревальщиком вручную (дистанционно), получен экономический эффект 117.313 тыс. руб. в год при цене 1000 м3 природного газа 26.28 руб. Это, явилось дополнительным доказательством высокой эффективности предложенного градиентного помехозащиценного метода оптимизации процесса сжигания топлива.

На участке нагревательных печей стана 2500 ММК внедрена система информационного сопровождения слябов, позволившая существенно упростить управление процессом движения документов и улучшить информационное обеспечение технологического процесса нагрева и прокатки заготовок.

Таким образом, диссертационная работа представляет теоретичес-сое обоснование методов и практическое подтверждение теоретических юложений и выводов по реализации энергосберегающей технологии нагрева металла в условиях действия интенсивных внешних возмущающих

тахнологическпх и организационных воздействий (помех.).

Апробация работы. Работа выполнена на кафедрах '^Теплотехники и металлургических печей", "Промышленной кибернетики и систем управления' Магнитогорской государственной горно-металлургической академии и кафедре"Вычислительной техники и систем управления металлургическим производством" МЗ Центрального института повышения квалификации МЧМ СССР.

Основные результаты диссертации доложены и обсуждены на Всесоюзных и республиканских конференциях и семинарах: "Опыт автоматизации нагревательных печей",Свердловск, '1969 г.; "Теория и практика-планирования экспериментов",г. Челябинск, 1979 г.; "Совершенствование теплотехники металлургических процессов и агрегатов", г. Свердловск, 1963 г.; "Проблемы разработки и внедрения АСУ в прокатном производстве", г. Киев, 1983 г.; "Автоматизация и механизация технологических процессов в черной металлургии", г. Караганда, 1984 г.; "Оптимизация динамических систем", г. Минск, 1980 г.; "Свободно, программируемые устройства", г. Челябинск, 1985 г.; "Энергосберегающая технология прокатного производства", г. Донецк, 1988 г.; "Разработка и внедрение АСУ ТП в прокатном производстве", г. Москва, 1987 г.; "Опыт создания специального программного обеспечения АСУТП, г. Черновцы, 1988 г., "Применение микропроцессорной техники для управления металлургическими печами", г. Кривой Рог, 1968 г.; "Применение микропроцессорной техники з черной металлургии", г. Донецк, 198Э г.

Межгосударственная научно-техническая конференция "Состояние и перспективы развития научно-технического потенциала Вкно-Уралъ-ского региона", г. Магнитогорск, 1994 г.; Участие в конкурсе работ ВУЗов на ВДНХ "Адаптивный управляющий микропроцессорный комплекс". Награда - серебряная медаль ( постановление от 4.11.88 г. №. 837-Н, г. Москва). На ежегодных научно-технических конференциях МГМА с Д 19о5 г. по 1994 г., на технических советах ШК и ОХМК и техничес-

.ких советах центральных лабораторий, теплотехнических и автоматизации !Ш и ОХШС.

Теоретические положения предлагаемых методов, алгоритш управления и описание технической структуры самонастраиваются с не темы цифрового энергосберегающего управления нагревом металла подробно изложены в отчетах по научно-исследовательским работам, выполненным при участии и научном руководстве автора (номера государственной регистрации, 71039874 , 75035961, 780I5I43, 79024721, 60031670, 81036355 , 01.83.0021028,-01.81.00I5I83, 01.85.0030712 , 01.83.0035370, 01.87.0016875 и др.).

Консультации и помощь автору в работе оказали доктора технических наук, профессора Казакевич Б.В., Рябков В.М. и особенно Иванов H.H., кандидаты технических наук Панферов D.H., Леднов Л.И., инженеры Обухов Г.Ф., Дегтярев В.В., Усков П.Л.

Автор защищает в свое/i работе:

-энергосберегающий тепловой режим i-агрева металла, оптимальный по минимуму затрат топлива на нагрев, обеспеченный реко-ыендаемым распределением топлива во времени (по длине печи) и оптимизацией управления процессом сжигания топлива в рабочем пространстве печи;

- метод оптимизации процесса сжигания топлива по скорости изменения температуры контролируемого параметра рабочего пространства, совмещающий поисковое и рабочее движения и исключающий периодические изменения расхода воздуха;

- помехозащищенный градиентный метод оптимизации процесса сжигания топлива в рабочем пространстве металлургических печей по интегральной оценке контролируемого температурного параметра с раз-цельными поисковым и работам изменениями расхода.воздуха (окислителя);

- метод синтеза переключающей функции, обеспечивающий практически полную компенсацию влияния внешних случайных возмущающих

воздейотвии на величину интегральной оценки технологического параметра любого производственного процесса;

- метод оперативного определения перепада температур ыевд поверхностью и центром нагреваемой заготовки;

- метод оценки текущего теплового состояния кавдой подаваемой заготовки при смешанном посаде за время движения толкателя;

- алгоритмы функционирования -самонастраивающейся системы цифрового управления нагревом металла, способной в диалоговой режиме адаптироваться к информационной технической структуре и динамическим свойствам нагревательной печах, реализующей энергосберегающий оптимальный -тепловой режим с использованием информации о температуре поверхности нагреваемых заготовок в зоне выдераки и средневзвешенной температуре поверхности в зонах интенсивного нагрева (сварочных);

- способ стабилизации давления в рабочем пространстве печи путем поддержания положения нулевой линии давления печи на уровне расположения нагреваемого металла и выбор места отбора управляющего импульса давления в печи по предлагаемому а работе методу.

Публикация материалов. Содержание диссертации опубликовано в 77 научных работах, в той числе.68 статьях и тезисах докладов.

Объем работы, диссертационная работа состоит из основного текста и 14 приложений о экспериментальными результатами исследований, излоаеыа на 392 страницах машинописного текста, иллюстрирована 92 рисунками, сдержит 6 таблиц. Состоит из введения, пяти глав, выводов по главам и заключения по работе в целом. Список используемой литературы вклвчает в себя 141 наименование.

-13-

СОДЕШКИЕ РАБОТЫ

Введение.В введении показана ' актуальность проблемы энергосберегающей технологии нагрева. Поставлены задачи и обоснована цель работы по теоретическому определению и практической реализации оптимальных по минимуму затрат топлива на нагрев рек им о в управления в условиях интенсивного действ:« внешних возмущающих воздей-. ствий.

Глава I. Теплотехнические исследования методических печей.

I. Цель и задачи исследования. Удельные затраты,тепловой энергии на листопрокатных станах Японии и 5РГ почти'в два раза меньше, чем на отечественных.

Существенное снижение затрат тепловой энергии в зарубежных странах обеспечивается использованием мероприятий:

- нагрев на остывших ог предыдущего передела горячих и теплых заготовок;

- снижение требуемых температур нагрева;

- обязательное применение микропроцессорных систем управления тепловым режимом печей и технологическим процессом прокатки.

В литературе практически отсутствует информация об особенностях работы и управления тепловым режимом печей в условиях одновременного нагрева заготовок холодного (15 %) и горячего посада (80*85 %).

Исследование работы методических печей в условиях смешанного посада с целью изучения условий теплообмена в рабочем пространстве, определения теплотехнических параметров, объективно характеризующих тепловое состояние нагреваемого металла, выбор места установки

I /

датчиков для измерения этих параметров является целью первого раздела работы.

2. Исследование изменения температуры греющей среды з рабочем

■ -14-

г:ространстве методических печей

Объективная информация о пространственном распределении температуры греющей среды, полученная с помощью отсасывавши: термопар для двух типов 4-х зонных методических печей практически равной производительности, позволила правильно выбрать места установки датчиков температуры рабочего пространства и температуры поверхности нагреваемого металла.

Печи ЛИЦ ОХЫК отапливаются смесью природного газа и доменного, оснащены инфекционными горелками, формирующими несветящийся факел, потребляют в томильной зон- до 40-:-45 % от общего расхода топлива на печь.

Печи стана 2500 ¡¿'Ж отапливаются холодным природным газом и оборудованы комбинированными горелка.«!, формирующими светящийся кел, и потребляют во второй верхней сварочной зоне до 45 % от общего расхода топлива на печь.

С точки зрения реализации энергосберегающей технологии нагрева печи ШЦ ОХМК имеют преимущество за счет более равномерного распределения температуры и более низкой (на 200 °С) температуры продуктов сгорания на выходе печи по сравнению с печами стана 2500, . характеризующимися крайне неравномерным распределением температуры греющей среды, особенно в районе пережима между второй сварочной и томильной зонами.

Для управления тепловым режимом целесообразно установить по длине печи 6-7 датчиков температуры поверхности нагреваемых заготовок и 2-3 датчика температуры рабочего пространства печи для защиты кладки в зонах высоких температур. Конкретные места расположения датчиков приведены в работе для обеих печей.

Важным параметром,характеризующим интенсивность нагрева, является тепловой поток, усвоенный металлом. С использованием 4 тепломеров конструкции ВКШМТ, вводимых одновременно во все отапливаемые зоны печи стана 2500 ЮЖ, было получено пространственное распре-

реление величины теплового потока,усвоенного металлом по длине и ширине рабочего пространства при нагреве металла горячего посада. Полученные результаты позволили уточнить места установки датчиков температурных параметров.

3. Выбор технологических параметров для контроля и управления нагревом металла в методических печах при смешанном посаде металла

В работе Бкслериментально показано, что температура рабочего пространства, являющаяся по многочисленным публикациям основным источником информации для управления тепловым режимом нагревательных печей в стационарных условиях,в динамическом режиме работы печей в условиях смешанного посада и неравномерной производительности стана неоднозначно (чем меньше температура металла, тем выше температура печи) характеризует состояние нагреваемого металла.

Для повышения оперативности, облегчения условий труда нагре-залыциков и обеспечения плавного безударного изменения теплового режима зон нагрева при поступлении в зоны ! ~;талла с резко различим тепловым состоянием управление подачей топлива целесообразно >существлять по средневзвешенной температуре-поверхности металла, ¡змеряемоЯ двумя оптически!.',и пирометрами.

Рекомендации по выбору места расположения датчиков и методика пределения весовых коэффициентов при формировании средневзвешенной емпературы приведелы в работе.

В работе даны рекомендации и показано их выполнение для словий печей полосопрокаткого стана ОХМК по измерению температуры оверхности металла в современных печах с шагающими балками в слу-ае дискретного расположения заготовок для исключения попадания полны в зону визирования пирометра.

Перевод управления тепловым режимом печи по температуре поверх-

зсти металла во всех случаях сопровождается значительным (5*6 кг зл.т./г) снижением удельного расхода условного топлива, повышением стабилизацией температуры раската. '

-164. Выбор технологических параметров для управления сжиганием

топлива в рабочем пространстве нагревательных печей

На большинстве нагревательных печей управление сжиганием топлива осуществляется за счет стабилизации коэффициента расхода воздуха по методу объемного пропорционирования расходов газа и воздуха. В условиях смеланного посада этот метод оказался малоэффективным.

Для оценки качества сжигания топлива экспериментально были получены пространственные распределения концентраций СО, С0£, в продуктах сгорания на уровне нагреваемого металла при нагреве холодных и горячих заготовок в печах стана 2500.

Концентрации компонентов распределяются в рабочем пространстве крайне неравномерно, что затрудняет выбор представительной точки отбора пробы для управления сжиганием топлива в зонах. Исследована возможность применения твердоэлектролитных датчиков содержания в продуктах сгорания. Эти датчики могут быть использованы в схеме управления давлением при контроле нулевой линии, т.к. четко фиксируют подсосы и выбивания, но мало надежны при температуре больше 1050 °С. Объективную и достоверную информацию об эффективности управления процессом сжигания в пределах рабочего пространства дают статические характеристики процесса горения в координатах - X -расход воздуха, У - температура продуктов сгорания при постоянном расходе топлива. Эти характеристики имеют экстремальный характер, т.е. для каждого расхода газа максимальная температура в печи достигается при определенном - оптимальном расходе воздуха. Отыскание и поддержание этого оптимального значения расхода воздуха есть главная задача при управлении процессом сжигания топлива. '

В работе обобщен многолетний опыт по определению представительного теплотехнического параметра и выбора способа формирования.экстремальной статической характеристики процесса сжигания топлива в зонах нагрева печи. . , л\- -

Для условий стана 25С0 МКК "управление горением топлива целесо-

образно осуществлять по температуре факела, измеряемой пирометром полного излучения, свизированным по оси факела через запальное отверстие горелки. Это позволяет постоянно удерживать в. зоне визирования пирометра смещение зош максимальных температур (ядра фа кала) при изменении тепловой нагрузки.

5. Определение места и способа отбора импульса для управления давлением в рабочем пространстве методических печей

В работе предлагается приблизить точку отбора импульса давления к уровни нагреваемого металла, т.е. перейти к управлению положением нулевой линии печи относительно расположения нагреваемых заготовок. Для обоснования выбора представительной точки отбора по . длине печи на печи ШД ОХШ был реализован дублированный полный факторный эксперимент первого порядка с двухуровневым варьированием факторов (Ш>Э 2 ). Б результате были получены статистические урЕ.вне-ния зависимости величины давления от расходов газа и угла поворота ■ дымового клапана в каждой фиксированной точке по длине рабочей-пространства.

В качестве критерия выбора, представительного места отбора импульса давления была выбрана максимальная чувствительность отбора на изменение положения дымового клепана с учетом количеств«» продуктов сгорания, проходящего через.данное сечение рабочего пространства печи, и изменения расходов топлива по зонам.

Отбор импульса давления для управления' давлением в печи целесообразно осуществлять в зоне, куда подается максимальное количество топлива.

После переноса импульса давления со свода томильной зоны во всех методических печах стана 2S00 ШК на уровень (точнее на 100» 150 мм ниже) металла во вторуп сварочну» зону (40+45 тепловой нагрузки печи) на расстоянии I,5i2 и от пережима томильной зоны удельный расход условного топлива снизился на 1.7 кг/т.

Глава Z, Эпергооберегакщиа нагрев металла в .условиях смешанного досада

1. Исследование решения задача энергосберегающего нагрева металла.

Теоретические и практические проблемы оптимальных до экономичности тепловых режимов нагревательных печей разработаны йутков-с1сш А.Г., Малым С.А., Андреевым U.A., Рябковым U.U., Климоввдшм Ы.Д., Приданным Л.Л., Лисленко В.Г. и др.

Наряду с редшаш максимального быстродействия, используемыми при нагреве металла холодного посада, становится актуальной задача реализации экономичных режимов нагрева металла горячего посада.

ПроЛвеиы экономичного нагрова металла в методических печах, оообенно в облаоти практической реализации, еще далеки от своего окончательного решения.

Подученные результаты до сих пор мало учитываются в практической и проектной деятельности и методические зоны печей превращаются в подогревательные.

Разработка и практическая реализация оптимальных режимов на- . грева, минимизирующих расход топлива, является актуальной и способствует реализации энергосберегающей технологии нагрева,

2. Исследование общей закономерности .решения задачи оптимального по экономичности нагрева металла в методических печах.,

Нагрев массивных слябовых заготовок в методических печах можно предотааить как нагрев бесконечной пластины и описать одномерным уравнением теплопроводности

дт .-, д Ч (ъх) - т: о< ос^й .

¿Гг~а эх3- ' ,а -

о начальным условием t (0,ОС)= t (ОС) (2)

где "¿г (7, X) seaneparypHoe поле, "Г- текущее время Harpe^d,ЗС-пространственная координата, ,5-половина сечения заготовки, {Х-коэффа-¡иент температуропроводности, 7"*- фиксированная продолжительность

нагрева; с заданная функция начального распределения температуры по сечению заготовки.

Граничные условия задаются в виде дГСт.О) _ „ . „ ЗГ^г. сс) _ Г л I 7

дх, ' л — «-Ргс-гСъЩ* (3)

где Д - коэффициент теплопроводности; Ы - приведенный коэффициент теплопередачи; ¿гс- температура грещей среды.

Расчетная схема принята с учетом использования микропроцессорного комплекса КТС Л11УС-2, имеющего ограниченный объем памяти, и предусматривает разбиение.половши сечения заготовки на три слоя. Пространственная дискретизация уравнений (I) (3) приводит к следующей системе обыкновенных дифференциальных уравнений:

дТ ~ (Г* г ' 4

с(Т сГ* 1 г (Г* 2 ¿-г <-3 >

с/Г3 _ & <* + +А.Е-. ± \-AjL-f •

Ыт 3 (Гг 3 с?1- г сГг '

С начальными и граничными условиями

г/о) ¿(1,2,3); Я = -

где ¿1 ¿"¿^-температуры соответственно в центре первого, второго и третьего слоя в начальный момент времени; Сс •»'Со^> С/ ~ соответственно температуры греющей среды, поверхности и центра слябоисй заготовки (пластины); ¿Г- толщина слоев, на которое условно разбита половина толщины заготовки; Ц(г)4С\1С<$-управление, ]/&)-•расход топлива;^- коэффициент передачи по каналу: расход топлива - температура грегадей среды; Тс- постоянная времени этого канала.

Управляющее воздействие ¿¿(г) стеснено ограничением

где "/т,//,' £<тахг минимально и максимально возможные значения управления (теплспроиэводительной способности).

Задачей управления нагревом является обеспечение своевременной выдачи на стан нагретых до заданного по сечению температурного состояния заготовок при минимальных затратах топлива на нагрев. Зг:с"

(5)

условне можно представить в виде критерия

С/ - | (т)-г'.] ^/и '¿Г-» т£„, (7)

где (¿-.1,2,3) заданные температуры в конце нагрева; ^-постоянный коэффициент.

Получено аналитическое решение поставленной задачи с использованием принципа максимума Понтрягина Л.С.

Кроме ограничения на 1£{Z) (6), наиболее существешшм является ограничение на температуру поверхности металла

^се (Т> * С1Т> ■ (8)

где £по£ - максимально допустимое значение температур; поверхности (1320г1340 °С - температура начала плавления окалины).

Анализ полученных в работе расчетных траекторий изменения С/ (т) и (т) для конкретных случаев нагрева'заготовок показывает, что с учетом ограничений (б), (8) число возможных участков оптимального режима - будет равно шести: первый ¿¿- ¿/т1п; второй И = Ц(т) по расчетной траектории; ^третий ¿/ = движение по

границе; четвертый Г^ (V = I пятый 1/- I/(г) по расчет-

ной траектории; шестой ¿1 - движение по границе.

На большинстве отечественных станов заключительным этапом нагрева является период выдеркки при постоянной температуре печи и реже поверхности нагреваемого металла, т.е. два последних участка траектории отсутствуют.

Для высокопроизводительных станов, когда лимитирующим звеном в технологической линии являются нагревательные печи, оптимальный режим .целесообразно заменить на.близкий к оптимальному (квазиоптимальный), состоящий из трех участков. В этих Условиях режим на втором участке следует определить как приближенный квазиоптималь--ный, определяемый из решения задачи с фиксированным правым концом траектории и критерием

>У -/ —гттгп. (9)

Результат расчета траектории квазиоптимального режима - и изменения (т) при нагреве массивного тела с параметрами

-21- .

а -0,02 м'/ч; Л = г Г. 9 вг/мг°с ; аС=4£5',2. 6т/м °с ; То =0,0 г 94-; 3=0,42"; Г. (0) = 600°е(1 = /. 2. 3); I (О) = 700°С; 1г3- {200 'С; £ = ¿220'С; = *250 °С;

О *С « ¿/тох < /4 О О "С ; ¿„а/т) <- / ¿О О "С; Т ~ 2, ¿"V. представлен на рис I.

•Я •

Рпо. I. Траектории изменения управляющего воздействия (У(X) и соответствующих квазиоптямальноед управлению ' изменений ¿паЁ и (при учете ограничений)

Площадь, ограниченная траекторией С/ От),, определяет общее ко-ичество топлива на нагрев. Площади, ограниченные траекториями.¿/^ яя различных значений Т и одинаковым температурным состоянием на «оде, должны быть достаточно близкими по величине. Это условие на-5олее легко выполнимо в том случае, когда основной нагрев осущест-шется на конечном участке назначенного времени нагрева.

Изменение энергетического состояния нагреваемого металла скла-

дывается из энергии запасаемой (поглощаемой) и энергии поддержания температурного состояния на более высоком энергетическом уровне. Поэтому если основной нагрев металла осуществляется на заключительном отрезке заданного интервала времени нагрева, то поддерживать металл на новом более высоком энергетическом уровне приходится'минимальное время. Полученные выводы определяют общую закономерность оптимальных по минимуму затрат топлива режимов управления нагревом.

Предлагаемый экономичный режим нагрева • обеспечивает снижение потерь металла с окислением, поскольку металл находиться минимальное время при высокой температуре поверхности.

Представленные в работе результаты экспериментальных исследо-'. ваний и предварительные расчеты показывают, что наличие слоя окалины приводит к увеличению длительности нагрева на бт10 % по сравнению с нагревом без учета слоя окалины.

Реальные режимы нагрева металла горячего посада на печах стана 2500 ЫМК принципиально отличаются от оптимальных по экономичности.

В работе приведено описание аналогового варианта реализации экономичного управления тепловым режимом за счет снижения тепловых нагрузок в первую сварочную зону и повышения во второй на всех печах стана.

Зависимость удельного расхода топлива от производительности при существующем режиме управления определяется уравнением

V = 6, 336 V 7/Р , а при экономичном управлении V == 02 6 /4, 3/р,

где V- удельный расход условного топлива, кг/т; Р — суточное производство стана - т (9, О -г- ¿4, & • ¿О Зт ).

. Как и следует ожидать, эффективноеть работы экономичного режима увеличивается с уменьшением производительности стана.

Глана 3. Оптимизация процесса сжигания топлива

з рабочем пространстве методических псу&й в .условиях смененного нагрева металла . I. Исследование оптимизации процесса сжигания топлива

Многообразие технологических процессов (ТЛ), использующих процесс сжигания топлива в качестве вспомогательного,можно разделить на два класса. В первом случае целью управления является сам расход топлива [/. Ос) , т.е. реализуется процесс.

VT(r> fl „ л ■ М)

где !/. - заданное значение расхода топлива; , \f - пределы варьирования V (f) .

Здесь результат основного ТП-VJ (т) в явном виде в процессе не

используется и для достижения Vj (т) необходим человек-оператор, осу-

з?

цествляющий установку У . Во втором, более распространенном в металлургии случае, целью реализации является результат основного технологического процесса

W(f] — W33 лри // (<г) а (V*, V*) , . (ii)

где W - заданное значение YJfr) или цель управления. Результат основного ТЛ зависит не только от V (т) , но и от расхода воздуха V f?) , определяемого из услозия

14 (г) - VJ* при veCr):ecv;, О; вэ „ (12)

1/й - Lfrvrk-), uít)] .

И

'де V э- заданное значение величины расхода воздуха; \Ja -пределы ¡арьирования V. к) ¿//^-управляющее воздействие, уточняющее и кор-

^ 11 *?»У А

актирующее значение Уп , варьируемое в пределах и t LI .

Если реализация основного ТЛ производится в соответствии с (II), о весь комплекс задач по оптимизации процесса сжигания топлива мож-о представить п вице последовательности действий £ Mir)- F[VT(r\ Vir), S(r\ -2-/—1/ ; V/rjcfy, Vr);

'/r¿im],v/r), к/л-

f(r) — /77 in l/Cr) e (U aj>

e ' ' " ~ ° g ' B ' ° (13)

гдс внешние технологические возмущения; Т- текущее время. При использовании режима в соответствии с (10) нулшо для оптимизации процесса сжигания формировать дополнительный выходной па-

ч

раметр (например температура факела) - ¿(т) , достижение экстремума которого соответствует минимальны},! затратам топлива, т.е.

г (т) =Е£ </т (Г), I/ (т) т]. (14)

Комплекс задач по реализации оптимального процесса сжигания топлива можно в этом случае представить следующей последовательностью действий: ,а и а

(15)

1(т) к)1 У/г), ¿7и6)е.Си"и у.

Го ^

..Задачи (10), (12) решаются с использованием стабилизирующих систем, реализующих типовые законы регулирования. Задачи V (т) —*тг'п и

¿¿т) = £[^т(т)1 у/г), $(*), Лг/"«7тт; (и* Ц*

в (13), (15) можно решить только с помощью оптимизирующих алгоритмов управления (ОАУ). Опыт промышленной эксплуатации ОАУ убедительно свидетельствует о том, что шибки функционирования ОАУ следует учитывать.

Поэтому решение задачи V

тхп при реализации нагрева металла возможно при использовании двухконтурной системы управле-. ния процессом сжигания топлива. -

В стабилизирующем контуре с помощью типовых законов точно и оперативно реализуется зависимость

Во втором оптимизирующем контуре реализуются ОАУ, обеспечивающие решение задач V (т)-~гт'л л/>г! ¿/ Сг) <=.(ЦН} и ) или

гН ¡/еН £(?)т]ехГтет , ¿Г &)&/[/", ¿/*).

2. Технологические особенности й опыт производственной оптимизации процесса сжигания топлива'в . условиях смешанного; нагрева ме-.'.

талла в методических печах

С ростом цен на топливо актуальной становится проблема минимизации затрат топлива на нагрев. Показано что типовое управление сжиганием топлива по принципу объемного пропорционирозания расходов топлива (стабилизирующих ) в условиях резкого изменения расходов топлива при смешанном нагреве металла малоэффективно.

При V (т)<500м/ц -требуемое значенкесССт] существенно уве* О

личивается и нагревальщики просто физически не могли эффективно управлять сжиганием топлива, если - 3200 м3/ч.

Предложено процесс ' сжигания топлива осуществлять в соответствии с условием

Уек)-У>р/т(т)]±и(?)> иГ*)*(и", и }, (16)

где допустимый диапазон корректирующего воздействия оптимизирующего контура системы . К (г) е (и, ¿г ).

При и(т)-0 в процессе участвует только стабилизирующий контур.

Сжигание топлива в соответствии с рабочей характеристикой* горелки УвМ-У[Ут(г)] дает значительный экономический эффект.

Производственный опыт показывает, что зона корректирующего воздействия Ц(т) не должна превышать. 104-15 % от И .

3. Оптимизирующий алгоритм процесса сжигания топлива по температурным параметрам процесса нагрева

Периодический характер изменения расхода воздуха при работе ОЛУ

»

по запоминанию максимума производной температурного параметра ЕМ, совмещающего поисковое и рабочее движения, снижает надежность рабо-• ты используемых технических средств..-

Если обозначить х{т) ~ Уе (т)^ тогда изменение расхода воздуха

будет

хГт) =Хо -¿Гит, (1?)

где Хв~ начальное значение расхода воздуха; Т~ текущее время, ти -продолжительность поискового изменения расхода воздуха со скоростью ; & — ± { -.- знаковая функция, определяющая направление измене-

Н1'я расхода воздуха.

Доказано в работе, что для инерционного теплотехнического объекта существует определенное значение скорости Xи , при котором максимальное значение ¿Г{г) = ¿^д. соответствует максимуму статической характеристики процесса горения, т.е. оптимальному значению расхода воздуха. Здесь скорость изменения температуры.

Поисковое изменение расхода воздуха при функционировании

предложенного ОЛУ осуществляется в соответствии с условием' С? г / при ¿(г) - ¿^ +

при г (г) -.¿^ +АВЯ £о. (18)

Направление двхженкя изменения расхода воздуха определяется условием

& = й- при + Д О }

где зона нечувствительности 0/3' по параметру КМ. .

4. Исследование режимов работы ОДУ сжиганием топлива с остановкой ИМ при достижении ¿Г ^ в условиях действия технологических возмущений, приводящих к дрейфу статической характеристики процесса горения

В реальных условиях при смешанном посаде металла статическая характеристика процесса горения под. действием технологических возмущений непрерывно смещается (дрейфует).

Смещение статической характеристики процесса горения происходит по сложной траектории, имеющей горизонтальную и вертикальную составляющие. Аппроксимированная параболой б окрестности экстремума статическая характеристика в условиях сложного дрейфа определяется выражением г

у^Гх^е-*,,*-*«*) (ао)

где у = £ (т) при Т-+ установившееся значение контролируемого температурного параметра процесса; К - коэффициент параболы; _/»-скорость вертикального дрейфа ("-¡"нагрев-движение вверх, охлаждение„-11 -птгкение вниз);с£- скорость горизонтального дрейфа ("+" движение влево - уменьшение расхода газа, "-" движение вправо - увеличение

расхода газа).

Изменение контролируемого температурного параметра инерционного объекта с постоянной времени Т0 при условии применения сглаживающего фильтра с постоянной времени Т^ и использования реального дифференцирующего звена с постоянной времени ТД определяется уравнением

(21)

0 ^т2 " ат "г с/г *

Расчетная траектория переходного процесса изменения температуры факела в системе оптимизации процесса сжигания топлива при наличии сложного дрейфа статической характеристики и соблюдения условий функционирования предложенного ОЛУ представлена на рис. 2.

Установлено, что предлагаемый метод оптимизации процесса сжигания топлива в рабочем пространстве печи исключает периодический режим изменения расхода воздуха, и скорость вертикального дрейфа не оказывает на работу ОЛУ никакого влияния. При ОЛУ обес-

печивает устойчивый поиск оптимального значения расхода воздуха, а при поиск практически прекращается и работоспособность

обеспечивается только стабилизирующим контуром системы. Эффективность предложенного метода доказана в производственных условиях.

5. Оптимизирующий .метод • управления сжиганием топлива по интегральной оценке отклика объекта на пробное поисковое воздействие

Разработан псмехозащищенный градиентный метод поиска оптимального расхода воздуха с раздельными поисковым и рабочим изменениями расхода воздуха, когда направление рабочего движения формируется по результату интегральной оценки отклика объекта на пробное поисковое входное воздействие.

Сущность разработанного метода организации поиска оптимального значения расхода воздуха показана на рис. 3.

На вход технологического объекта, обладающего унимодальной статической характеристикой , подается поисковый сигнал (трапецеидальной форш). ; .-:"'"•'

V» -А2Н->2Л)1 +22.к

траектория у ре /!Ф<г 'ЪтатичесеоТ? характеристики Лри <*.0,1;£г£'С

, Расхс>э Х'10

У=Ч2Х2

Ряс. 2. Траектория переходного процесса в ОАУ при наличии сложного драйфа статической характеристик процесса горашя м соблюдений принятых условий поиска экстремума, при К(|= 2-Ю3 М3/с; Т0 = 20 с; Т, = 10 с;

Графическое изображение принципа формирования поискового сигналя

при Ta*OiSr<f<.Ts^T. ^

Через интервал времени Т^ (время запаздывания объекта) производится вычисление интегральной оценки выходного температурного, параметра '

J=J3J (22)

fi - коэффициент пропорциональности; Т - продолжительность периода поискового воздействия; S - функция переключения знака интегрирования. г, Г Г

* / "PV < tu тз ч- О, à / , -i

Если У>0, то' з?- < хэ -, Если J<0 , т0 , где ¿г., sf9 те-

кущее и оптимальное значения расхода воздуха. Учитывая (17) направление рабочего движения, & определяется по условию при J > О ; g? = -/ 77f>u J<0.

Теоретически доказано, что для исключения влияния технологических внешних возмущающих воздействий на величину интегральной оценки переключающая функция должна быть сформирована в виде

й+1 л* /7

Sfch ¥„(т). Л JiçnSin—-, Тё(0, т); п =о its, ... Л, (25)

J Л K'f " /

где л - степень полинома, которым может быть аппроксимирована траектория возмущающего воздействия на интервале Т е (О, Т).

Вычисляема^ интегральная оценка в виде

R(T) - -ф- 'S_У(тг) (г) с/т (25)

тропорциональна градиенту статической характеристики. Реально в оптимизирующем контуре определяются два градиента: (2 - по расходу топлива при tnog sa$ » 470 встречается при нагреве металла ^го-зячего посада, и ^ - по температуре поверхности при V 6") = И = "onst » что встречается при нагреве металла холодного посада, йн-'егральная оценка поискового воздействия по расходу топлива£n(Vr)

лределяется в соответствии с условием

ZjVj -^S'^Vh) VJt(27) де T3t - время задержки интегрирования; Тп - время поискового оздействия.

Интегральная оценка по температуре (?пое) вычисляется в со-тветствии с условием <г} +т

Zjtnoe)^^ (28)

пе Tjz — время задержки интегрирования.

Полученные интегральные оценки при параболическом виде характеристи-. ни пропорциональны градиентам С?, и ^ , но противоположны по действию в (16). Расчет корректирующего рабочего движения проводится в соответствии с выражением

/¿/ГЪ^Аи * Л,Г(Тог)ЛЦ ' (29)

где ¿/. - значение

иМ в предыдущем цикле поиска; К| - коэффицин ент передачи статической характеристики " У(и) на границе I/ , I! ; К^ - коэффициент передачи статической характеристики

иа границе и , и \ $ *{7с/) ~ величина ослабления интегральной оценки инерционного объекта.

Включение оптимизирующего контура дает снижение расхода газа на зону в пределах 100*150 м3/ч.

Глада 4. Самонастраивающаяся система прямого цифрового управления тепловым режимом нагревательных печей

Разработана и внедрена универсальная самонастраивающаяся система управления тепловым режимом нагревательных печей, реализующая рациональный ^ режим нагрева заготовок, существенно различающихся по начальному тепловому состоянию.

Основные функции системы заключаются в выполнении следующих операций:

- оценка начального теплового состояния подаваемых на нагрев заготовок:

«

- определение текущего положения каждой заготовки по длине рабочего пространства;

- управление тепловым режимом в отапливаемых зонах с учетом , энергосберегающей технологии нагрева;

- определение текущего теплового состояния каждой нагреваемой заготовки в зоне интенсивного нагрева и на выходе печи;

- расчет корректирующих поправок заданных значений температуры поверхности в томильной зоне с целью стабилизации температуры раскати;

-31- оптимизация управления процессом сжигания топлива в зонах нагрева.

Реализованная система работает в режимах: "Конфигурация системы", "Гравировка", "Настройка", "Задание".

Выбор нужного режима и операций осуществляется из предлагаемого меню, все выбранные ранее операции фиксируются. . Основная программа-диспетчер в режиме разделения времени управляет работой подпрограмм:

- опрос датчиков аналоговых и дискротшх сигналов;

- индикация на экране дисплея усредненных за 5 с значений технологических параметров;

- расчет сигналов рассогласования и выдача на исполнительные механизмы управляющих команд;

- формирование цифровых аналогов ■ ПИ или ПВД законов регулирования;

- определение динамических параметров объекта и расчет оптимальных параметров настройки контуров стабилизации параметров. Включение программ и режимов происходит'по сигналам прерываний от таймера и дисплея.

2. Формирование плана идентифицирующих входных воздействий при адаптации цифровой системы к технологическому объекту

Адаптация реальной системы к информационной структуре на печи происходит при выполнении режима "Градуировка".

Второй главной задачей адаптации управляющей системы к объекту твляется программная идентификация динамических свойств печи . с 1елыо определения динамических параметров: Кс! - коэффициента пере-ючи; Т3 - времени запаздывания; Т0 - постоянной времени. 1рименительно к нагревательным печам эта проблема сводится к после-ювательному решению задач:

- формирование и реализация такого плана входных тестирующих оздействий, при котором влияние случайных технологических возмуще-

ний на определяемые величины ^ было минимальным;

- формирование результирующей переходной характеристики (кривой разгона);

- опред&тение динамических параметров объекта по результирующей переходной характеристике.

8 работе доказано, что использование разработанной методики • формирования переключений направления тестирующих воздействий в соответствии с ортогональной функцией Уолша (25) позволяет решить указанную проблему.

Формирование результирующей переходной характеристики предусматривает двойное усреднение считываемых данных.

Вначале при определении т переходных характеристик согласно V^fo) (25) производится усреднение в соответствии с условием

У; I -K/rl-t/JO) % fr) VJt)]-, (30)

i- £0, i,2,3,

где у. -среднее значение параметра при считывании г*-го значения; м-At/йт^ - число дискретных значений параметра (1.1 120*140); Ar ~ общее время поискового воздействия (3*4 TQ); Ато - период опроса датчиков (0,2*2 с); (о) _ начальное значение параметра в момент переключения fa) ; У^, (¿) - значение параметра в момент считывания г-го значения.

На втором эуапе усреднение производится в соответствии с условием

^-"/Д ^ ^/у -- ^ -• • , (3D

где S - число отрезкавна интервале Ат=47^ );

£ ~ ЛГ/S -Ars /Л-г - число значений У. в интервале А •

Значение &(/) присваивается середине интервала Aff , По результирующей переходной характернотдае программно определяются динамиче-, ские параметры объекта

_ .(22) где Aj - амплитуда поисковых воздействий; {/($)та- значение контролируемого параметра в момент времени

Т ~ У (SJ • А г /л у где А lJmnx- максимальное приращение QQ) за время й ■

■тз " Углах » . (34)

Tm<rjt' значение -г в момент достижения А У : U(t) - значение

-33-

У(/) в момент времени Гт(7г •

Погрешность определения динамических параметров 1,5 % по сравнению с ручным графически! способом.

Синтез и реализация цифрового аналога 1ЩЦ закона регулирования осуществляется следующим образом. Формирование управляющего воздействия при ПШ законе имеет вид . ,

где ¿(т)- сигнал рассогласования; ОСр(т) - расчетное положение выходного вала исполнительного механизма (ИМ); Кр,Тп,Тп - параметры настройки контура управления, коэффициент передачи, время предварения, время интегрирована; Хо, ¿о - соответственно х(т\ <?(т) -приТ- О.

Пои использовании ИМ постоянной скорости угол поворота вала равен , = (3б)

где &(1г)е -1) - функция направления движения ИМ; Ки - реальная скорость Ж; хСс) - реальное положение вала ИМ.

. Величина фикции ошибки &реализации ПВД закона будет

^ о " 'и

где У(г)1 - реальные первая и вторая производные £(т) ; Сс( = = ¿( /к - скорость связи контура управления.

Для точной реализации ЩЦ закона необходимо иметь , для этого

необходимо потребовать выполнение условия

б (г) = -(36)

Этот принцип положен в основу реализации ПОД закона в соответствии

с условием , . .*

при <?М > ¿Л ;

О пРи/м/4/(Г-£*)-<?■;/; (39)

- ¿ -/ Г7/Ш <?-(г) <- * >

где д - заданная зона нечувствительности; о^ - заданная зона гистерезиса.

Достоинством данного метода является отсутствие цифроимпульсного преобразователя для управления ИМ постоянной скорости и возможность вычисления хода ИМ в каждом такте.

Расчет оптимальных значения параметров Кр, Тн, Тп по известным , Т3 ,• Т производится программно в соответствии с рекомендациями метода "оптимума по модулю передаточной функции" с йспользовани-

ем простых выражений.

Глава 5. Информационное обеспечение энергосберегающего теплового режима методической печи при смешанном посаде

1. Оценка начального теплового состояния заготовок на входе нагревательной печи

Для условий смешанного, посада предложен метод оценки начального теплового состояния заготовки в момент ее загрузки в печь. Б основу метода положено решение одномерного уравнения теплопроводности с граничными условиями первого рода при ?П)/; ~ УМ •

Траектории изменения во времени температуры остываю-

щих заготовок, представленные в виде полиномов второй степени, были получены экспериментально для всего диапазона типоразмеров заготовок по толщине (П0г250 мм).

Затем были определены зависимости перепада температур между поверхностью и центром от температуры поверхности для каждого типоразмера , Где Ate=(tлc¿~ ¿ч)-Так, для толщины заготовки 160 мм эта зависимость имеет вид

Л ^о = **л * Л2/-/0 ?Се • (41)

Для измерения на входе каждой печи устанавливается по одному

оптическому пирометру. В момент движения толкателя ЭВМ поста "Нагре'в" измеряет, усредняет и запоминает значение ¿пое . Затем после посада всей партии в печь с использованием информации посадочного документа о толщине в памяти отыскивается нужная фу акция Л te и про-

изводится расчет /М для каждой заготовки. „

2. Система информационного сопровождения заготовок в отделении нагревательных печей

Разработана и эксплуатируется в отделении нагревательных печей стана 2500 ММК система информационного сопровождения заготовок, технически реализованная на базе КТО ЛИУС-2 (ШКРОДАТ) и ПЭВМ 0ЦУ£ТТ1-М216. Система включает три информационных комплекса "ПО-

САД", "УЧЕТ", "111ГРЕВ", объединенных в единую информационную сеть.

Оператор-технолог поста "ЛОСЛД" вводит с дисплейного пульта всю информацию о размерах и реквизитах подаваемой на нагрев партии заготовок. Посад каждой заготовки в печь фиксируется автоматически и отражается на экране дисплея и ВКУ посадчика. После посада последней заготовки партии и проверки правильности информации она передается на пост "УЧЕТ". Комплекс "УЧЕТ" контролирует по логической комбинации дискретных сигналов выдачу из г.счей каждой заготовки, осуществляет слежение за положением каждой выданной из печи заготовки (до б шт. одновременно) на рольганге, ведет документирование процесса прокатки и выдаст в телевизионный видеоканал (1ВК) промышленного телевидения по всем постам стана полную информацию о выдаваемой п прокат партии заготовок. С дисплейного пульта поста "УЧЕТ"' вводится информация о параметрах и реквизитах рулонов для каждой посаженной в печи партии заготовок.

Инфюрмация-с поста "УЧЕТ" передается з 6 комплексов "НАГРЕВ" для реализации энергосберегающей технологии нагрева металла с учетом начального теплового состояния.

Источниками дискретных сигналов, формирующих логическое управление, являются: 24 фотореле, 6 путевых выключателей толкателя," 12 контактов в цепи управления толкателями, I кнопка конца посада партии заготовок., Б печах толкательного типа при известных количестве заготовок и ширине каждой заготовки определение границ партий и положения каждой заготовки не является проблемой.

В работе рассмотрено решение задачи определения заданного теп-тового состояния металла на выходе из печи с целью обеспечения задан-юй температуры раската.

За основу взят способ, предложенный Денисовым П.И и др. для ус-ювий стана 2500 ММК.

- Определение действительного теплового состояния нагреваемых ¡аготовок на выходе из печи.

■ -36-

Качество нагрева металла в производственных условиях определяется по температуре раската, когда ошибки нагрева устранить невозможно. В работе предложен метод оценки текущего теплового состояния перед выдачей металла из печи.

Если заключительным периодом нагрева является выдержка металла при постоянной температуре поверхности, то зто означает равенство тепловых потоков от греющей- среды на поверхность и от поверхности к центру заготовки.

Теоретически доказано, что в этом случае между разностью температур рабочего пространства t и температурой поверхности металла tngÉ и разностью.температур между поверхностью металла ¿пое и температурой центра заготовки t^ существует детерминированная связь.

В первом приближении,пригодном для реализации на аналоговых средствах, эта связь имеет вид

' И2>

где c¿n - приведенный коэффициент теплопередачи по закону. Ньютона;

Л - коэффициент теплопроводности; S - половина толщины заготов- , ки. Значение cL п находится по методу Н.О.Тайца.

Зависимость (42) согласуется с физическими положениями и позволяет определить текущее тепловое состояние заготовки-независимо от предыстории нагрева, пользуясь лкпь измерением доступных для инструментального контроля параметров trc('r) и • Др51 стабилизации температуры раската для реализации корректирующего воздействия важное значение имеет прогнозирование резерва времени до выдачи заготовки. С целью повышения точности прогноза времени нагрева заготовок в зо-■нах печи предложен метод коррекции средней величины по текущему распределению относительных отклонений интервалов выдачи последних заготовок. Эффективность метода объясняется использованием локального распределения'относительных интервалов выдачи и поэтому более точных для данного текущего периода печи, особенно в условиях смешанного посада.

-374. Методика оперативного определения эффективности реализации энергосберегающих режимов технологических й тепловых процессов в металлургическом производстве

В работе разработан метод решения актуальной задачи оперативного и достоверного определения сравнительной эффективности двух противопоставленных мероприятий, технологических процессов, алгоритмов, режимов, способов и т.д.

Результативность метола показана на примере определения эффективности работы печи (количество затраченного топлива, удельный расход топлива и т.д.) при управлении терловым режимом с использованием микропроцессорной предлагаемой системы.

Контролируемое текущее значение показателя эффективности работы печи можно представить в виде

+ Ус(*\ о<т<тг (43)

где Т -текущее время; Т - интервал времени определения эффективности; У - значение выбранного показателя при существующем способе управления; Л Уд - искомая величина эффективности противопоставляемого способа; (т) - случайная составляющая У {г),, влияние которой необходимо устранить; -ЗСт) - функция переключения способа управления е (о, /)) .

Для решения задачи определяем интегральную оценку в виде

Я (т)^ /уГт) {т) Ыт, т е Со, Т), (44)

где 'Р (т) - переключающая функция (25), причем при

" а при %Гг) = - /$Гг}= О. с "

При реализации плана (-г) для п=Л , т.е..2 = 32 дня на печи № 2

стана 2500 ММК получены результаты:

Параметр Существ, упр. Управ. ЭВМ Разница

Нагрето металла 34307 т 34292 т 15 т

Горячего посада 28387 т 28429 т 42 т

Затрачено топлива 2010640 мэ 1953680 м3 56960 мэ

Удельный расход топл. 58.60 мэ/т 56.98 м3/т 1.62 м3/т

Включение ЭВМ позволяет уменьшить затраты топлива на нагрев и повысить температуру раската на 5 °С. Приведенные результаты отража-

ют эффективность предложенного метода, т.к. он позволяет обеспечить практически равные условия для противопоставленных способов, что гарантирует получение достоверных данных за более короткий срок.

общие вшода

1. Практическая реализация ¡энергосберегающей технологии производства горячекатаного листа обусловливает объективную неизбежность смешанного посада металла в нагревательные печи.

2. Существенная неравномерность распределения температуры греющей среды и тепяоусвоения делает практически невозможной точную реализацию оптимальных режимов для каждой из 3-5 одновременно на- . греваемых партий заготовок, существенно отличающихся начальны:.! тепловым состоянием.

3. Предложен и доведен до практического использования на трех станах способ управления тепловым режимом печей по средневзвешенной температуре поверхности заготовок по длине зоны. Метод позволяет существенно уменьшить удельный расход топлива при одновременном повышении температуры раската.

4. Стабилизацию давления в рабочем пространстве печи целесообразно осуществлять по контролю положения нулевой линии печи относительно нагреваемого металла. За счет повшения эффективности и оперативности. можно получить значительный о$$ект, если отбор импульса осуществлять в зоне с максимальной тепловой нагрузкой.

. 5. В условиях работы печей на смешанном посаде,наряду с режимами максимального быстродействия нагрева, используемыми при нагреве 'метапла холодного посада, становится актуальной задача реализации экономичного.по расходу топлива оптимального - режима нагрева при нагреве горячего металла. Этот режим предусматривает интенсификацию нагрева на заключительном интервале времени (в томильной зоне), т.е. перед выдачей заготовок на стан.

о. Дифференцированный нагрев металла вызывает значительные ко-

лебания тепловых нагрузок в зонах нагрева. Типовая система объемного 'пропорционирования расходов газа и воздуха в этих условиях мало эффективна. Процесс сжигания топлива в этом случае целесообразно осуществлять с использованием двухконтурной системы оптимального управления,.'

7. Разработан и реализован метод оптимизации реального процесса сжигания топлива, обеспечивающий максимально возможную скорость роста температуры (например поверхности металла) выбранного параметра, совмещающий рабочее и поисковое изменения расхода воздуха и исключающий периодический режим работы.

8. Разработан и реализован помехозащиценный градиентный-метод оптимизации процесса • сжигания топлива в рабочем пространстве печи, позволяющий.в зависимости от конкретной производственной ситуации решать одну.из двух задач:

1) поддержание заданной средневзвешенной температуры поверхности "заготовок в зоне печи при минимально-возможном расходе топлива;

2) обеспечение максимально-возможной температуры поверхности металла при постоянном максимальном расходе топлива.

9. Предложен универсальный метод компенсации влияния низкочастотных случайных технологических возмущений на обобщенную (интегральную) оценку контролируемого параметра за счет формирования переключающей функции, вид которой определяется порядком полинома, которым можно аппроксимировать траекторию изменения во времени технологического возмущения на фиксированном интервале времени.

10. Универсальность предложенного метода доказана иллюстрацией его применения для устранения действия технологических возмущений в зледующих случаях:

- при расчете градиентов в оптимизирующем алгоритме реализующем 1роцесс сжигания топлива;

; - при определении динамических параметров нагревательной печи в саждом контуре;'стабилизации технологически* к теплотехнических пара-

метров;■

- при определении экономической эффективности работы самонастраивающейся микропроцессорной системы управления тепловым режимом печи по сравнении с существующей системой.'

II'. Разработана и апробирована в реальных производственных условиях программная реализация самонастраивающейся системы управления тепловым режимом, способная в диалоговом режиме адаптироваться к реальному технологическому процессу.

12. Разработана и внедрена микропроцессорная система информационного сопровождения движения каждой заготовки в отделении нагревательных печей толкательного типа.

13. Предложен оперативный метод определения начального теплового состояния металла на входе печи, работающей в условиях смешанного посада.

14. Разработан и апробирован «производственных условиях способ объективного и оперативного контроля действительного температурного состояния (перепада температур по сечению) нагреваемых заготовок на выходе печи. Метод обеспечивает предотвращение выдачи на стан непрогретых заготовок и позволяет стабилизировать температуру раската.

15. В результате внедрения всех предложенных методов энергосберегающего нагрев металла, минимизирующих расход топлива, получен значительный годовой экономический эффект.

Основное содержание диссертации изложено в публикациях:

1. Автоматизация'теплового режима регенеративных нагревательных колодцев / O.A.Баранов, Б.И.Иванов, В.Ы.Рябков, Б.Н.Парсункнн // Сталь. 1967. №3.

У

2. Кулаков A.M., Парсункин Б.Н. Регулирование давления в регенеративных нагревательных колодцах // Сталь. 1967. № 9.

-413. Оптимальное управление нагревом массивных тел при отданной температуре поверхности / В.М.Рябков, Н.И.Иванов, Б.Н.Парсунгаш, Д.Х.Девлтов // Изв.вузов. Черная металлургия. 1968. № 12. С. 169175.

4. Система автоматического контроля и регулирования на методических печах / Г.Л.Ковалев, Б.Н.Парсункин, П.)!.Плотников и др.// Металлург. I960. № 6. С. 47-48.

5. Автоматическое регулирование работы регенеративных нагревательных колодцев, с помощью устройства для расчета коэффициента расхода воздуха / Н.И.Иванов, С.СДусид, Б.Н.Парсункин, А.В.Сле-сарев // Сталь. 1969. № 5.

6. Иванов Н.И., Парсункин Б.Н. Исследование периодических режимов релейных систем управления тепловым режимом с управлявшим воздействием, включающим производную регулируемой величины // Сб. науч.тр. Вып. 76. Магнитогорск: ЫГМИ, 1970. С. 84-87.

7. Самонастраивающаяся система для управления тепловым режимом методических печей / С.Е.Хусид, Г.Л.Ковалев, Б.Н.Парсункин, В.М.Рябков и др. // Бюл. ЦНИИЧМ. М., 1970. №4. С. 5-6.

8. Иванов Н.И., Парсункин Б.Н., Обрезков.В.А. Автоматическое управление тепловьм режимом методических печей при изменяющейся производительности стана // Сталь. 1970. № 7.

9. Парсункин Б.Н., Слесарей Л.В. Исследование на ЛВМ системы автоматической оптимизации,процесса горения топлива в нагревательных печах // Изв.вузов. Черная металлургия. 1974. № 8.

10. Парсункин Б.Н., Белан А.Ф., Оснач Г.В. Исследование самонастраивающейся системы управления горением топлива // Сб.науч. тр. Вып. 9. Магнитогорск: МГМИ, 1974. С. 49-51.'

11. Изучение четырехзонной методической печи как объекта автоматического управления / Н.И.Иванов, Б.Н.Парсункин, А.Ф.Белан

и др. // Сталь. 1975, »II.

-4212. Исследование динамик» экстремальной системы управления горением топлива при использовании быстродействующего оптимизатора / Б.Н.Парсункин, В.П.Кравченко, Г.Ф.Обухов и др. // Автоматизация н алгоритмизация сталеплавильных процессов: Сб.науч.тр. Свердловск: УПИ, 1970. С. 64-71.

13. Использование СЭР с переменной скоростью ИМ для управления горением топлива / Б.Н.Парсункин, В.П.Кравченко, Л.Ф.Волан и др. // Теплотехника процессов выплавки стали и сплавов: Сб.науч. тр. Свердловск: УГМ, 1976. С. 144.

14. Парсункин В.Н., Кравченко В.П. О задаче оценки степени прогрева массивных заготовок // Изв.вузов. Черная металлургия. 1977. F> 6. С. 141-145.

15. Парсункин В.Н., Обухов Г.Ф., Дегтярев В.В. Исследование интегральной самонастраивающейся системы управления горением топлива // Теплотехника процессов выплавки стали и сплавов: Сб.науч. тр. Сверяловск: Ш, 1977. С. I05-III.

. 16. Парсункин Б.Н., Панферов В.И. Об одной задаче оптимального нагрева слитков и заготовок // Теплотехника процессов выплавки стали и сплавов: Сб.науч.тр. Свердловск: УПИ, 1980. С. I37-I4I.

17. Парсункин В.Н., Обрезков В.А., Зелинский Е.И. Двухкон-турная система автоматического управления горением // Теплотехника процессов выплавки стали и сплавов: Сб.науч.тр. Свердловск: УГМ, 1900. С. 100-105.

18. Управление горением топлива в методических печах, отапливаемых природным газом / Б.Н.Парсункин, В.А.Обрезков, В.В.Казакевич и др. // Сталь. 1980. № 2. С. 156-157.

19. Рябков В.М., Парсункин Б.Н., Панферов В.И. Об одной задаче оптимального управления // Изв.вузов. Черная металлургия.

- -1981. № 6.

-4320. Парсункин Б.Н., Панферов В.II. Контроль прогрева металла // Изв.вузов. Черная металлургия. 1981. № 10.

21. Автоматическое управление тепловым режимом методических печей / В.Н.Парсункип, В.N5.Рябков, А.О.Белан и др. // Сталь. 1981. № 6. С. 87-89.

22. Исследование устойчивости интегральной системы автоматической оптимизации горения топлива в условиях действия технологических возмущений / Б.Н.Парсункин, Г.Ф.Обухов, В.М.Панферов,

B.В.Дегтярев // Совершенствование технологии и автоматизации сталеплавильных процессов: Сб.науч.тр. Свердловск: УПИ, 1982. С. 117124.

23. Автоматизированное управление тепловой нагрузкой методических нагревательных печей / Б.Н.Парсункин, В.И.Панферов, А.И.Леонтьев и др. // Сталь. 1982. » 7. С. 88-89.

•24. Парсункин Б.Н., Панферов В.И. Моделирование нагрева окисляющих массивных тел методом сеток с "подвижными узлами" // Изв. вузов. Черная металлургия. 1982. № 4. С. 105-109.

25. Парсункин Б.Н., Панферов В.И., Тузов В.К. Об управляемости процесса нагрева металла в нагревательных печах // Изв.вузов. Черная металлургия. 1983. № 5.

26. К вопросу формирования импульса для системы автоматического регулирования теплового режима методических печей / Б.Н.Парсункин, В.И.Панферов, Г.Ф.Обухов и др. // Теплотехника процессов выплавки стали и сплавов: Сб.науч.тр. Свердловск: УПИ, 1984.

C. 119-124.

27. Автоматическая система прямого цифрового управления нагревом металла / Б.Н.Парсункин, А.Г.Шестеркин, Г.Ф.Обухов и др. // Сталь. 1985. № 3. С. 88-91.

28. Парсункин Б.Н. и др. Применение систем оптимального управ-

ления горением топлива на нагревательных печах // Автоматизация на службе качества, экономии материальных, трудовых и энергетических ресурсов: Сб.науч.тр. М.: Мэталлургия, 1985. С. 25-28.

29. Парсункин Б.Н., Обухов Г.'Ф., Дегтярев В.В. Исследование процесса сжигания топлива как объекта управления // Теплотехника процессов выплавки стали и сплавов: Сб.науч.тр. Свердловск: УПИ, 1986. С. 100-105.

30. Применение миниЗВМ для прямого цифрового регулирования технологическими параметрами / Б.Н.Парсункин, Л.Г.Шестеркин,

Г.Ф.Обухов к др. // Автоматизация технологических процессов и управления производством в черной металлургии: Сб.науч.тр. МЧМ СССР. М.: Металлургия, 1987. С. 85-89.

31. Парсункин В.Н. О планировании сигнальных воздействий при идентификации объектов управления // Изв.вузов. Черная металлургия. 1988. № 4. С. 97-101. '

32. Парсункин Б.Н. Определение параметров идентификации объектов металлургического производства // Изв,вузов. Черная металлур-' гия. 1988. » 6. С. 121-125.

33. Формирование тестирующих сигналов для идентификации теплоэнергетических объектов / Б.Н.Парсункин, Г.Ф.Обухов, В.В.Дегтярев и др. // Изв.вузов. Теплоэнергетика. 1988. № б.

34. Система автоматической оптимизации процесса горения топлива в рабочем пространстве нагревательных печей / Б.Н.Парсункин, Г.Ф.Обухов, В.К.Тузов и др. // Вычислительная техника в АСУП, АСУТП и контроле качества в черной металлургии: Сб.науч.тр. МЧМ СССР. М.: Металлургия, 1989. С. 67-71.

35. Самонастраивающаяся микропроцессорная система управления тепловым режимом методических печей / Б.Н.Парсункин, А.В.Леднов, Г.Ф.Шнайдер и др. // Вычислительная техника в АСУП, АСУТП и контроле качества в черной металлургии: Сб.науч.тр. МЧМ СССР. М.: Металлургия, 1989. С. 72-74.

-4536. Определение качества нагрева металла в нагревательны?: печах / Б.Н.Парсункин, Г.Ф.Обухов, Г.Ф.Шнайдер и др. // Сталь. 1989. № И. С. 104-106.

37. Контроль положения нагреваемых заготовок в методических тгревательных печах / Б.Н.Парсункин, Г.Ф.Обухов, Л.В.Леднов к др// Аптоматическое управление металлургическими процессами: Межвуз.

сб. Магнитогорск: МГМИ, 1990. С. 60-бВ.

38. Парсункин Б.Н., Дегтярев В.В. Определение места отбора импульса для управления'давлением в рабочем пространстве методических печей // Изв.вузов. Черная металллургия. 1992. № II. С. 6365.

39. Парсункин Б.Н. Определение начального теплового состояния заготовок, нагреваемых в методических печах // Изв.вузов. Черная металлургия. 1987. № II. С. 129-133.

40. Оперативное определение эф|ективности работы микропроцессорных систем управления технологическими процессами / Б.Н.Парсункин, В.М.Рябков, Г.Ф.Обухов и др. // Сталь. 1987. № 9. С. 101-104.

к}¿у

С^С^С—