автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Математическое и алгоритмическое обеспечение управления охлаждением полосы на отводящем рольганге широкополосного стана горячей прокатки

На правах рукописи

Цюрко Василий Иванович

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ УПРАВЛЕНИЯ ОХЛАЖДЕНИЕМ ПОЛОСЫ НА ОТВОДЯЩЕМ РОЛЬГАНГЕ ШИРОКОПОЛОСНОГО СТАНА ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ

Специальность: 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в металлургии)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Череповец - 2013

005058939

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Череповецкий государственный университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Кабаков Зотей Константинович

Официальные оппоненты: Ершов Евгений Валентинович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Череповецкий государственный университет», заведующий кафедрой математического и программного обеспечения ЭВМ

Гончарский Аркадий Александрович

кандидат технических наук, МУП «Электросеть» г. Череповец, Начальник отдела АСУ

Ведущая организация: ЗАО «НПЦ «ВНИПИ САУ-40», г. Москва

Защита диссертации состоится «15» марта 2013г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.297.02 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Череповецкий государственный университет» по адресу: 162600, Вологодская обл., г. Череповец, ул. Луначарского, д.5, ауд.208.

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

Автореферат разослан « 08 » февраля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

К.А. Харахнин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

На широкополосных станах горячей прокатки (ШСГП) конечные основные физико-механические свойства стальной полосы формируются при ее охлаждении до заданной температуры смотки на отводящем рольганге стана установкой ускоренного охлаждения. Режимы охлаждения, формирующие данную температуру, в значительной степени зависят от алгоритмического обеспечения, заложенного в систему управления установкой. В этих алгоритмах широко используется математическое описание процессов охлаждения, основанное на результатах исследований условий теплообмена полосы.

Изучению тепловых процессов при водяном охлаждении металла посвящено значительное количество теоретических и экспериментальных работ. Предложены различные методики расчета коэффициентов теплообмена. Они, как правило, относятся к конкретному оборудованию и существенно зависят от его конструктивных особенностей.

В математическом описании процесса охлаждения используются теплофизические свойства металла, приведенные в справочниках для ограниченного числа марок стали. В публикациях по данной теме отсутствует универсальная зависимость эффективной теплоемкости, которая учитывала бы все превращения в сталях с различным содержанием углерода в диапазоне температур охлаждения полос на отводящем рольганге.

Изучению вопросов, касающихся проблем управления охлаждением горячекатаного листового проката, посвящено много работ отечественных и зарубежных авторов. Большой опыт накоплен в построении систем управления охлаждающими установками. Чаще всего используют системы, построенные на принципах управления по возмущениям и обратной связи. Разработанные алгоритмы относятся к конкретным охлаждающим установкам со свойственными им конструктивными особенностями и набором входных технологических параметров, таких как скорость прокатки, допустимые ширина и толщина полосы, расход воды и др. В опубликованных результатах исследований, как правило, не приводится механизм адаптации к неконтролируемым возмущающим воздействиям: погрешностям измерения параметров полосы, засорению охлаждающих сифонов и др. В разработанных алгоритмах не учитываются следующие факты: при прохождении переднего конца полосы происходит его переохлаждение, вызванное «биением» листа о ролики отводящего рольганга, а транспортировка заднего конца полосы производится с повышенной скоростью, что приводит к недостаточному его охлаждению. В результате этого наблюдается снижение доли металла, температура смотки которого находится в требуемом диапазоне.

Таким образом, разработка метода и алгоритма управления охлаждением, обеспечивающих повышение доли металла, температура смотки которого

находится в заданном диапазоне, является актуальной научно-технической задачей.

Объект исследования: система управления охлаждением горячекатаного металла на установке ламинарного охлаждения (УЛО) ШСГП.

Предмет исследования: математические модели, методы и алгоритмы управления охлаждением горячекатаного металла на отводящем рольганге ШСГП.

Цель исследования: повышение доли металла, температура смотки которого находится в заданном диапазоне, путем разработки и внедрения алгоритма управления охлаждением полосы на отводящем рольганге ШСГП.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие основные задачи:

1. Анализ проблемы управления охлаждением полосы на отводящем рольганге широкополосного стана горячей прокатки.

2. Разработка тепловой модели процесса охлаждения стальной полосы на отводящем рольганге ШСГП, учитывающей особенности теплообмена полосы на УЛО и зависимость теплоемкости стали от температуры и содержания углерода.

3. Разработка метода управления УЛО, способного обеспечить повышение доли проката, охлажденного до требуемой температуры смотки с заданным диапазоном.

4. Разработка, экспериментальная проверка и внедрение алгоритма управления охлаждением на УЛО, обеспечивающего увеличение доли металла, температура смотки которого находится в заданном диапазоне.

Методы исследований

Работа выполнена на основе комплексных экспериментальных и теоретических исследований, математического моделирования с применением численных методов решения дифференциальных уравнений теплообмена. Для решения поставленных задач применялись аппарат математической статистики и основы теории алгоритмов. При работе использовалось следующее программное обеспечение: Microsoft Excel 2003, Mathcad 11, Borland Delphi 7.0, IbaAnalyzer (программный пакет диагностики технологических параметров процессов прокатки и охлаждения металла). Научная новизна

1. Разработана тепловая модель процесса охлаждения горячекатаного металла, в которой впервые учитываются полученные в результате исследований закономерности охлаждения полосы на УЛО и аналитическая зависимость истинной теплоемкости углеродистых сталей от температуры и концентрации углерода.

2. Разработана методика адаптации параметров тепловой модели, которая позволяет при управлении учитывать неконтролируемые возмущающие воздействия.

3. Разработан метод управления охлаждением горячекатаной полосы на отводящем рольганге ШСГП, в котором для стабилизации температурных режимов полосы при смотке учитываются особенности теплообмена полосы на УЛО.

4. Создан алгоритм управления УЛО, обеспечивающий повышение доли металла, температура смотки которого находится в заданном диапазоне. Алгоритм отличается от известных применением следующих подал горитмов:

• расчет компенсации переохлаждения переднего конца полосы;

• расчет компенсации повышения температуры заднего конца полосы;

• непрерывной адаптации параметров тепловой модели к текущим условиям охлаждения.

Практическая значимость

1. Имитационный режим работы алгоритма управления УЛО:

• применяется для первичной адаптации параметров алгоритма к текущим условиям охлаждения;

• рекомендуется использовать при обучении технологического персонала основам работы по управлению УЛО.

2. Созданное программное обеспечение управления УЛО позволяет получить на отводящем рольганге ШСГП требуемые температурные режимы охлаждения проката.

3. Результаты исследований внедрены в автоматический режим управления действующей установкой ламинарного охлаждения на отводящем рольганге стана 1700 ЛПЦ-1 Череповецкого металлургического комбината ОАО «Северсталь». При управлении охлаждением по разработанному алгоритму доля металла, температура смотки которого находится в заданном диапазоне, выросла на 7.3%.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались на конференциях: четвертой международной научно-технической конференции "Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования " (г. Вологда, 2008 г.); Межвузовской конференции молодых ученых и аспирантов (г. Череповец, 2010 г.); всероссийской научно-практической конференции «Череповецкие научные чтения» (г. Череповец, 2011 г.).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 7 статей, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах по перечню ВАК. Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка литературы из 116 наименований и приложений. Общий объем

работы - 172 страницы машинописного текста, включает в себя 67 рисунков, 19 таблиц и 5 страниц приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, перечислены методы исследования, определены научная новизна и практическая значимость результатов работы.

В первом разделе рассмотрены установки ускоренного охлаждения металла на отводящем рольганге ШСГП как объект управления; выявлены проблемы, возникающие при охлаждении горячекатаного проката; проанализированы математические модели процесса охлаждения, методы и алгоритмы управления охлаждением горячекатаной полосы, разработанные отечественными и зарубежными авторами; предоставлен обзор проектной и технологической документации по исследуемой установке охлаждения.

В результате анализа литературных данных по теме исследования установлено что:

1. Теплообменные процессы на отводящем рольганге изучались многими авторами. Определены и описаны основные закономерности. При этом при описании теплообмена между горячей полосой и водой использовались различные зависимости с применением эмпирически подобранных параметров, отображающих конструктивные особенности охлаждающего оборудования.

2. В используемых математических моделях охлаждения применяются теплофизические свойства сталей, известные для ограниченного количества марок стали, что затрудняет математическое моделирование тепловых процессов для всех сталей.

3. Известные алгоритмы управления установками принудительного охлаждения полосы построены, как правило, на основе принципов управления по возмущениям и обратной связи и включают:

а) аналитические соотношения, рассчитывающие коэффициенты теплоотдачи в зависимости от технологических параметров, и экспериментально-статистические зависимости, связывающие коэффициенты теплоотдачи и расход воды;

б) экспериментально-статистические зависимости, позволяющие рассчитать необходимый для охлаждения расход воды в соответствии с технологическими параметрами полосы;

в) таблицы расходов воды, из которых выбирается необходимый расход в зависимости от технологических параметров охлаждения.

4. В описанных в литературе алгоритмах не приводятся способ и параметры адаптации алгоритма к неконтролируемым возмущающим воздействиям.

5. Приведенные в источниках методы управления УЛО, как правило, не учитывают: а) характерные особенности прохождения по отводящему рольгангу и охлаждения переднего и заднего конца полосы; б) закономерности теплообмена полосы при взаимовлиянии включенных соседних сифонов УЛО.

На основе представленного анализа были сформулированы задачи исследования.

Во втором разделе описаны результаты разработки тепловой модели полосы и метода управления охлаждением горячекатаной полосы на отводящем рольганге ШСГП.

При создании тепловой модели приняты следующие допущения:

• охлаждение происходит в несимметричных условиях;

• скорость движения полосы - переменная;

• теплофизические свойства материала зависят от его температуры;

• известна температура окружающего воздуха и охлаждающей воды.

Процесс теплопроводности в стальной полосе описан дифференциальным

уравнением теплопереноса в неподвижной системе координат, привязанной к точке входа в УЛО (рис. 1):

V а су уі ох ^ ох ) су ^ оу ) сг V ог ) где Т = Т(!,х,у,г) - температура поверхности полосы, г - текущее время нахождения полосы на отводящем рольганге, 0 < і < -

продолжительность нахождения полосы на отводящем рольганге, 0 < .г < 5, 5 - толщина полосы, у - координата вдоль полосы, г - координата поперек полосы; с(Т) - удельная теплоемкость (далее по тексту - теплоемкость), р -плотность, л(Т) - коэффициент теплопроводности стали, V = у(0 - скорость перемещения полосы на отводящем рольганге.

Рис. 1. Схема полосы: 1-М- контрольные сечения полосы,/ - номер произвольного контрольного сечения, уі - координата сечения, /. - длина отводящего рольганга, 5 - толщина, V - скорость, В - ширина полосы

Дополнительно приняли: а) перенос тепла по толщине значительно превышает теплоперенос вдоль полосы; б) полоса охлаждается равномерно по ширине; в) процесс теплопроводности рассматривается не во всей полосе, а в А/ выбранных по се длине контрольных сечениях, тепловые процессы в которых протекают независимо.

В связи с принятыми допущениями уравнение (1) существенно упростилось. В каждом контрольном сечении процесс теплопроводности описан следующим уравнением:

Т д(,.т.дТ\ (2)

с1 ох V сх)

Начальное условие в момент времени f = 0:

Т(0,х)=Т° = со1Ш. (3)

Граничные условия па поверхности полосы:

дТ

сверху полосы при.V = 5: — Я— = а\Тп(.-Т Л , (4)

сх

снизу полосы при* = 0: Я-——ан(Т„,1 -Т ) , (5)

сх

где 7"ч, - температура окружающей среды, Г„„ - температура верхней поверхности полосы, Т,,„ - температура нижней поверхности полосы, аъ — коэффициент теплоотдачи на верхней поверхности полосы, ан - коэффициент теплоотдачи на нижней поверхности полосы. Коэффициент теплоотдачи, как сверху полосы, так и снизу, состоит из следующих составляющих:

• а = ак + а, - для участка охлаждения на воздухе,

• а= а, + ак,„) - для участка охлаждения водой,

где с/, = ак ,„ + ак кы„ - коэффициент теплоотдачи при конвективном теплообмене полосы с воздухом, ак„л - коэффициент теплоотдачи при конвективном теплообмене полосы с водой, = ст0£(Т^+Ту)(Тп+Тр) -коэффициент теплоотдачи при теплообмене излучением, ап~ постоянная

Сгефана-Больцмана, е - степень черноты стали, ~ —Тср -

коэффициент теплоотдачи при свободной конвекции, кс„ - эмпирический коэффициент влияния свободной конвекции, ак кы„ = кнш, V0'8 (у+1о)~п2 -коэффициент теплоотдачи при вынужденной конвекции, к„ын — эмпирический коэффициент влияния вынужденной конвекции, у - координата, отсчитываемая от пирометра на выходе стана вдоль полосы на рольганге, 1() — расс тояние от последней клети стана до пирометра на выходе стана.

Для решения системы уравнений (2) - (5) применили метод конечных разностей с использованием явной схемы аппроксимации. Выполнено тестирование модели и установлено минимальное количество узлов по толщине полосы, при котором погрешность решения не превышает 1%.

Для тепловой модели разработана аналитическая зависимость истинной теплоемкости углеродистых сталей от температуры и концентрации углерода в диапазоне температур преобразований стали, которая учитывает выделение тепла при превращениях: аустенит —» феррит, аустенит —» перлит и превращении феррита из немагнитного состояния в магнитное.

При выводе температурной зависимости теплоемкости стали использовали критические точки диаграммы Ре-С в диапазоне концентраций углерода 0.020.8% (табл. 1). Предварительно принято допущение о линейности кривых ОБ и СР.

Таблица 1

Точки диаграммы Ре-С

Обозначение точки Темпе ратура Концентрация углерода

Обозначение Значение, °С Обозначение Значение, %

G TG 911 cG 0

М Тм 768 - —

О То 768 Со 0.61

р тР 727 СР 0.02

S Ts 727 сэ 0.8

Q Tq 600 Cq 0.01

При снижении температуры от TGS (температура начала превращения аустенит—> ферит) до 600 °С в стали с концентрацией углерода диапазона СР< С < С0 учитывали следующие превращения:

1. Полиморфное превращение происходит при охлаждении от температуры TGS которая зависит от содержания углерода в стали. При этом происходит выделение феррита из аустенита. Доля феррита у/ определяется с использованием правила «рычага»:

= C,-(TG-T)-C°-(Ta-TP), (С,-С,).(Г0-Г)

где С0— исходная концентрация углерода в стали, Т— текущая температура (ТР <Т< TGS).

2. Магнитное превращение происходит с долей феррита, выделившегося при охлаждении до температуры Тм. Доля феррита составит:

(Т )_C,-(TG-TU)-C°-(TG-TP). (C,-CP)-(TG-TU)

3. При Т=ТР происходит распад остатков аустенита до перлита. Долю перлита можно определить по формуле:

Зависимость теплоемкости от температуры и доли углерода можно представить следующим образом:

c(T) = c,(T)- X(T)LÄ. J^ ' Ц{Т)1М +

+ --4 J +LÄ_nV„~r--e^ > , (6)

■47t -a, vtt -a2

где ¿л-ф - полный тепловой эффект превращения 100 % аустенита в феррит, Ьл.п- полный тепловой эффект превращения 100 % аустенита в перлит, LM-полный тепловой эффект магнитного превращения,

у(Т\ = i°' T>Tos'T<Tp „m = J0' Т>Тм>Т<ТР Z( ' [1, TPZTZTW ' \ 1,ТР£Т&Ти '

' с„, T>Tas

с^) = \са^-¥{Г)) + сф{Т)-у/ф(ТР), TGS <TZTP ,

[сф(Т)-у/ф{ТР) + сп<П-у/п, Т<ТР

са = 514.5+ 0.1202Г - теплоемкость аустенита, сф = 434.6 + 0.4832Г -теплоемкость феррита, с„ = 439.5 + 0.4815 Г - теплоемкость перлита.

Проведено сравнение усредненных расчетных зависимостей, полученных по формуле (6) и экспериментальных данных с(7), взятых из справочника Варгафтика Н.Б. по теплофизическим свойствам веществ. Удовлетворительное согласование расчетных и экспериментальных данных по с(7) достигнуто при величине тепловых эффектов фазовых превращений ЬА.ф = 10000 Дж/кг, Lu = 10000 Дж/кг, LA.n = 100000 Дж/кг. При сравнении среднеинтегральное отклонение составило 2.8%.

В разделе выполнено математическое описание закономерностей водяного охлаждения горячекатаной полосы на отводящем рольганге ШСГП. При определении характеристик водяного охлаждения принято предположение, что все клапана любой секции обеспечивают одинаковый расход воды и соответствующий средний коэффициент теплоотдачи при конвективном теплообмене полосы с водой на участке действия сифона (далее по тексту - коэффициент теплоотдачи сифона). В качестве исходных использовались экспериментальные данные, полученные при охлаждении полосы только одним сифоном при одном, двух или трех включенных клапанах. В результате обработки этих данных получили зависимость коэффициента теплоотдачи сифона а от количества включенных клапанов п:

а =or,V«, (7)

где а] - коэффициент теплоотдачи при одном включенном клапане. Расход воды при n = 1 равен 65 м3/час, при и = 2 - 130 м3/час, при п = 3 - 195 м3/час.

При исследованиях обнаружено, что каждый предыдущий включенный сифон ослабляет действие последующего включенного сифона, то есть при включении второго сифона после первого, коэффициент теплоотдачи второго сифона следует определять по формуле:

а2'= кося ■ а2 = 0.5аг^а21ах , (8)

где косл - коэффициент ослабления действия сифона, аи аг - значения коэффициентов теплоотдачи 1 и 2 сифона, включенных отдельно; а2' — значение коэффициента теплоотдачи 2 сифона, включенного после 1.

Формулы (7) и (8) использовали для определения коэффициента теплоотдачи на участке действия сифона при различном количестве включенных клапанов и при дополнительном включении сифонов.

Выполнена проверка адекватности тепловой модели полосы, результаты которой показали, что при воздушном охлаждении и при малом количестве включенных клапанов секций охлаждения наблюдается адекватность математического моделирования физическому процессу. При увеличении количества клапанов термодинамическая картина теплообмена существенно сложнее, и для соответствия модели объекту необходимо провести адаптацию параметров теплообмена полосы.

В основу разработанного метода управления охлаждением полосы положен известный принцип адаптивного управления с самонастройкой параметров модели объекта управления. Функциональная схема процесса управления УЛО представлена на рис. 2.

УЛО

П1

V

шсгп

П2

V

пз

V

1 2 У-1 у у+1 М-1 М

иб0б0^и6и6и6иб0биб6биб6б0би(!)0б6б0Ь

СМ

Рис. 2. Функциональная схема процесса управления УЛО: ] - номер произвольного контрольного сечения полосы, П1-ПЗ — пирометры измерения температуры полосы на выходе ШСГП, после УЛО и перед смоткой

В соответствии с представленной функциональной схемой метод управления УЛО предполагает выполнение следующих действий:

1. «Блок сбора и обработки входных данных» обеспечивает входными данными блоки: «Слежение за перемещением полосы», «Расчет температурного поля полосы» и «Адаптация».

2. При наличии полосы на отводящем рольганге в «Блоке слежения за перемещением полосы» происходит сопровождение перемещения сечений полосы по рольгангу с отводом тепла от верхней и нижней поверхностей. Данные о состоянии сечений полосы поступают в блоки: «Адаптация» и «Корректировка расхода воды»

3. При подходе отслеживаемого сечения полосы до координаты пирометра П2, в блоке № 4 производится адаптация параметров тепловой модели к текущим условиям охлаждения. При этом корректируются коэффициенты теплоотдачи клапанов УЛО для «Блока расчета температурного поля полосы».

4. В «Блоке корректировки расхода воды» на основании данных об условиях охлаждения, параметрах оборудования и полосы рассчитывается корректировка текущего расхода воды для охлаждения полосы. В соответствии с расчетом происходит переключение клапанов УЛО.

5. Если полосы нет на отводящем рольганге, то постоянно работает «Блок расчета предварительного расхода воды», и, при изменении исходных параметров полосы, производится предварительный расчет расхода воды, необходимый для охлаждения металла от температуры конца прокатки до заданной температуры перед смоткой. Рассчитанный расход поступает на клапана УЛО.

6. Блок № 6 предназначен для расчета температурного поля полосы. Расчет выполняется в соответствии с тепловой моделью, описание которой изложено выше. Результаты расчета температурного поля используются для определения предварительного расхода воды, его корректировки при прохождении полосы, слежения за перемещением полосы и адаптации.

Рассмотрим более подробно описание блоков функциональной схемы.

Блок № 1 обеспечивает получение информации от датчиков и обмен данными со смежными АСУ. Блок собирает и обрабатывает следующую информацию о полосе: скорость, толщину, химический состав, температуру конца прокатки, температуру на выходе ламинарной установки, заданную и фактическую температуры смотки. Блок также получает информацию о состоянии оборудования: скорость моталок и клетей стана, состояние клапанов УЛО, наличие металла и др.

Набор данных, который перед использованием необходимо подвергать обработке, определяется в зависимости от достоверности получаемых данных на конкретной АСУТП УЛО.

Блок № 2 «Корректировка расхода воды» при расчете необходимого для охлаждения расхода воды учитывает особенности прохождения различных участков полосы: середины, переднего и заднего конца.

При прохождении переднего конца полосы применяется разработанная методика корректировки расхода воды для устранения переохлаждения, вызванного «биением», которое прекращается после захвата полосы моталкой. При «биении» паровая пленка между полосой и слоем воды уменьшается, теплоотдача к воде увеличивается, и полоса переохлаждается. На рис. 3 приведен пример температурной кривой, фиксируемой пирометром перед смоткой при прохождении переднего конца полосы.

Рис. 3. График температуры поверхности полосы,

__фиксируемый

пирометром перед смоткой: Дг -интервал времени, на котором _ происходит «биение»

/, сек

Т,° С

600--

400

Корректировка расхода воды в для устранения переохлаждения переднего конца полосы рассчитывается по формуле:

Го,

С(т) =

о;

«V

1-

У(Г-Г*)

к

у(г-г*)

А '

тЛ.

4

УГ-1,+12 ¡¡+12 -

V

2/,+/2 V V

. 2

V

(9)

где <5! - суммарный расход воды на полосу без «биения», С2 = О] (1 - со) — то же в условиях «биения», со = к Б — доля снижения расхода воды, к — эмпирический коэффициент, т — текущее время, отсчитываемое от момента появления полосы на входе в УЛО, т*- момент включения УЛО, /1 — расстояние между пирометрами на входе и выходе УЛО, 12 — расстояние от выхода УЛО до устройства смотки полосы, V - скорость, 5 - толщина полосы.

При прохождении «середины» полосы блок № 2 (рис. 2) постоянно отслеживает соответствие расхода требованиям по получению заданной температуры смотки. Так как управлению охлаждением полосы присущи большие транспортные запаздывания между местом измерения конечной

температуры и зоной управления, то корректировка расхода производится по прогнозу температуры перед смоткой. Структурная схема управления охлаждением показана на рис. 4.

Рис. 4. Структурная схема управления расходом воды при прохождении середины полосы: ОУ — объект управления.

В «Блоке расчета температурного поля» по исходным данным полосы <7,(0={v(0, S(t), Т,:,,([)} рассчитывается температура при смотке Т^" (t) для нового сечения полосы на выходе ШСГП (Ткп -температура конца прокатки полосы). При этом по тепловой модели охлаждения моделируется

перемещение сечения полосы от пирометра П1 до пирометра ПЗ. (t)

вычитается из заданной температуры Т'^ • Полученное отклонение ДTCJJ)

поступает в «Блок управления», в котором, если ATCM(t) превышает допустимый уровень, определяется необходимое изменение коэффициентов теплоотдачи водяного охлаждения А а по формуле:

А а = dx-ATCM(t) ■S-d2■ (ATCM(t) • S)2, (10)

где di, d2 — эмпирические коэффициенты, определяемые при помощи статистической обработки данных охлаждения конкретной установки. Затем находится необходимое количество клапанов для включения или выключения с суммарной охлаждающей способностью, эквивалентной А а. Полученная в результате этой корректировки матрица включенных клапанов z,(t) поступает в объект управления со смешанным (воздушным и водяным) охлаждением, и происходит переключение клапанов секций охлаждения.

Полученная на выходе объекта управления температура после УЛО Туло(0 поступает в «Блок адаптации», в котором она сравнивается с расчетной температурой находящегося под пирометром П2 сечения с параметрами qiit). Затем рассчитывается адаптация параметров тепловой модели. При адаптации корректируются коэффициенты теплоотдачи водяного охлаждения a,(t), которые определены для каждого клапана каждой секции охлаждения.

При расчете адаптации принято допущение, что зависимость между коэффициентами теплоотдачи и температурой полосы на выходе УЛО при

малых отклонениях является линейной. Учитывая линейность зависимости Т= /(а), получена формула для вычисления коэффициента адаптации ка0:

ппфаап _гг,расч\

к = ц- 0 ул0_ УЛО (11)

од Т Р<*сч2_у расч\ ' ^

1 УЛО 1 УЛО

где Т'уло . Туло - текущие фактическая и расчетная температуры на выходе

УЛО; - температура на выходе УЛО, рассчитанная при коэффициенте

теплоотдачи водяного охлаждения УЛО а2 =(1+/?)сц, где ах - текущий средний расчетный коэффициент теплоотдачи водяного охлаждения на УЛО, р -эмпирический коэффициент.

Для адаптации необходимо умножить коэффициенты теплоотдачи для всех клапанов, включенных в момент расчета, на найденный коэффициент адаптации ка0.

Описанный процесс адаптации также содержится в блоке № 4 (рис. 2).

В блоке № 3 «Расчет предварительного расхода воды» (рис. 2) на основании данных о следующей полосе и текущих условиях охлаждения производится расчет общего расхода воды, который необходим, чтобы охладить полосу от температуры конца прокатки до заданной температуры смотки.

Предварительный расход воды, выраженный в виде количества клапанов К для включения, определяется по формуле:

К = Ь0+ ¿1-5 + Ъ?V + Ь3-ТК„ + Ь4- Т;:д, (12)

где 5 — толщина, V — скорость полосы, Ткп — ожидаемая температура конца прокатки, Т™д — заданная температура смотки; Ь0, 6Ь Ь2, Ьг, ЬА - эмпирические коэффициенты, определяемые при помощи статистической обработки данных охлаждения на конкретной охлаждающей установке.

В формуле (12) не учитывается температура окружающей среды, состояние УЛО, химический состав металла, поэтому необходимо уточнить величину К следующим образом. При помощи тепловой модели охлаждения рассчитывается температура при смотке сечения полосы с использованием предварительного расхода воды К. Если расчетное значение температуры выходит за пределы заданного диапазона, то включается или выключается один клапан. Затем снова рассчитывается температура при смотке. Процесс итерационно повторяется до тех пор, пока температура при смотке не попадет в заданный диапазон.

Для наблюдения за прохождением полосы по отводящему рольгангу предназначен блок слежения № 5 (рис. 2), который рассчитывает положение и температуру всех сечений полосы. При слежении охлаждаемая полоса разделяется на контрольные сечения, схема расположения которых представлена на рис. 1. Сечения создаются под пирометром на выходе ШСГП. Далее в соответствии со скоростью транспортировки металла они

передвигаются до пирометра перед смоткой, где и происходит их удаление. Расчет координат всех сечений в текущий момент времени п+1 производится по формуле: /^^У+уД/, где V - скорость полосы, А/ - промежуток времени между моментами времени пии+1.

В третьем разделе представлен разработанный алгоритм управления установкой ламинарного охлаждения. Алгоритм создан на основе описанного выше метода управления охлаждением полосы. Обобщенная блок-схема алгоритма показана на рис. 5.

Работа алгоритма зависит от состояния маркера «есть полоса». Если полоса уже находится на отводящем рольганге, то выполняется блок алгоритма № 4 «Слежение за полосой», который отслеживает ее продвижение по рольгангу с отводом тепла от верхней и нижней поверхностей.

В следующем блоке № 5 алгоритма производится адаптация параметров теплообмена, которая выполняется с использованием данных сечения полосы,

находящегося в координате пирометра П2. При адаптации выполняется следующая последовательность действий (рис. 6.а.):

1. Проверяется соответствие фактического и расчетного значений температуры полосы на выходе УЛО Tf"™ и TÇ'^ (предварительно рассчитан

средний коэффициент теплоотдачи водяного охлаждения УЛО «,, установлены соответствующие расходы воды):

а) если T'y™ <Ту!^\ то проводится расчет температуры на выходе УЛО

ПРИ сРсДнем коэффициенте теплоотдачи а2 = (1+Д)а|. Затем рассчитывается коэффициент адаптации по формуле (11).

б) если г;^т > ТО расчет проводится при аг = (1 -Р)-ах.

Коэффициент адаптации рассчитывается по формуле:

■Т^ . (13)

ТУ/Ю

2. Коэффициенты теплоотдачи для всех клапанов, включенных в момент расчета, умножаются на /с,„ъ если же адаптация проводится после переключения клапана какой-либо секции охлаждения, то корректируется только значение коэффициента теплоотдачи данного клапана.

Следующим блоком алгоритма (рис. 5) является корректировка текущего расхода воды для охлаждения полосы (рис. 6.6). Блок определяет необходимость и рассчитывает величину корректировки текущего расхода в зависимости от изменения коэффициентов теплоотдачи секций охлаждения (в результате адаптации) или основных технологических параметров - скорости, толщины и температуры конца прокатки полосы. При этом выполняется следующая последовательность действий:

а) рассчитывается температура при смотке для первого сечения полосы ;

б) вычисляется разница между расчетным и заданным значениями температуры при смотке: Д7'1И =

в) если АТСЛ1 > АТ'"кс (ДГ™ = 10иС), то рассчитывается увеличение расхода воды следующим образом:

• по формуле (10) вычисляется коррекция коэффициента теплоотдачи водяного охлаждения Да;

• определяется, какие нужно включить клапаны, чтобы их суммарный коэффициент теплоотдачи был максимально близким к Да;

г) если АТси < — то аналогично определяется, какие клапаны необходимо выключить, чтобы добиться заданной температуры при смотке для первого сечения полосы.

а) б) в)

Рис. 6. Основные составляющие алгоритма: а) адаптация параметров теплообмена; б) корректировка текущего расхода воды; в) предварительный расчет расхода воды

Если на отводящем рольганге полосы нет, то алгоритм работает в режиме ожидания, в котором проверяется, изменились ли исходные параметры полосы: скорость, заданные толщина, температура перед смоткой и температура конца прокатки. При изменении одного из перечисленных параметров, производится предварительный расчет расхода воды, необходимого для охлаждения металла от температуры конца прокатки до заданной температуры перед смоткой (рис. б.в).

Предварительный общий расход воды К, выраженный в виде количества клапанов для включения, определяется по формуле (12). Затем К уточняется: при помощи тепловой модели полосы рассчитывается температура смотки при коэффициентах теплоотдачи, соответствующих рассчитанному расходу воды. Если значение отклоняется от заданного более чем на ± = 5°С, то расход увеличивается или уменьшается в соответствии со знаком отклонения температуры, и снова рассчитывается температура смотки. Процесс итерационно повторяется, пока температура смотки не попадет в указанный диапазон.

В четвертом разделе описаны экспериментальная проверка, настройка и внедрение алгоритма в действующую АСУТП УЛО.

Функциональная схема системы управления, в которую внедрен разработанный алгоритм, показана на рис. 7.

Рис. 7. Функциональная схема системы управления УЛО: А" - последняя клеть ШСГП, М- моталка, 1-10 - в тексте

Все вычисления в соответствии с алгоритмом осуществляются в ПЭВМ (на рисунке цифра 9) на основе информации, поступающей от различных источников. От системы управления сматывающим устройством 5 приходит информация об угловой скорости вращения барабана моталки v,„ диаметре смотанного металла на барабане d и о наличии металла Мм, От общецехового контроллера сбора данных 8 поступает информация, полученная от измерительных устройств 2, 3 и 4 о температурах полосы на выходе из стана Ткт на выходе из УЛО Туло и перед смоткой Тсм, о фактической толщине полосы S. От системы управления ШСГП 1 приходит информация о наличии металла в клетях стана Мк и скорости последней клети vK. От контроллера управления УЛО 7 поступают данные о режиме работы Р и об неисправных клапанах Z", которые получены с пульта управления оператора 6. Из базы данных автоматизированной системы слежения за технологическим процессом цеха (АССТП) 10 поступают заданные значения толщины S""', температуры конца прокатки Т™" и смотки полосы Т™д, химический состав металла X. Рассчитанный расход воды, выраженный в матрице клапанов для включения Z, отсылается в контроллер УЛО. Данные о фактическом расходе воды G,(M3/4ac) отсылаются в АССТП.

Разработанные математическое и алгоритмическое обеспечения процесса управления УЛО реализованы в пакете программирования Borland Delphi 7.0.

Для проверки работоспособности разработанного алгоритма и отладки программного обеспечения в основную программу добавлен режим имитации, который содержит такие же модель и алгоритм управления, как и в основной программе. Входными данными имитационного режима могут быть как фактические данные о полосе, поступающие в реальном режиме времени, так и данные из системы диагностики процесса охлаждения и смотки, в которой хранится архив всех основных технологических параметров работы участка.

В имитационном режиме производится первичная адаптация параметров теплообмена к фактическим условиям охлаждения. Если при продолжительном периоде времени работы УЛО без разработанного программного обеспечения есть сомнения в неизменности условий охлаждения, необходимо, чтоб алгоритм поработал определенное время в данном режиме.

Выполнена экспериментальная настройка созданного алгоритма при его применении в промышленных условиях. Установлены значения коэффициентов в эмпирических зависимостях, использующихся в различных блоках алгоритма.

Пример управления охлаждением полосы по разработанному алгоритму приведен на рис. 8, на котором представлены графики изменения температуры сечений полосы в координатах пирометров на выходе УЛО и при смотке. Технологические параметры отображаемой полосы: 5 = 4 мм,

В = 1150 мм, v = 7 м/с, марка стали "S235JR" с содержанием углерода 0.08%, заданный диапазон температуры смотки 590-630 °С.

О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Номер сечения

Рис. 8. Графики изменения во времени температуры сечений полосы после

УЛО (1, 2, 3) и перед смоткой (4, 5, 6) при управлении охлаждением по разработанному алгоритму: 1, 4 - расчетная, 2, 5 — фактическая, 3, 6 — прогнозируемая, $ — заданный диапазон

Из рисунка видно, что прогнозирование температуры при смотке начинается на середине полосы с момента ее входа в моталку, так как до этого происходит управление расходом воды только для устранения переохлаждения полосы из-за эффекта «биения».

Также на рисунке можно видеть, что на сечении № 41 полосы прогнозируемое значение температуры при смотке превысило критическое значение: Т™* + АТ™КС = (610 + 10) °С, в связи с чем управляющая программа увеличила расход.

График изменения расхода воды, соответствующий графику изменения температуры сечений полосы (рис. 8), приведен на рис. 9. Расход воды выражен в количестве включенных клапанов секций водяного охлаждения. На рисунке показаны особенности управления расходом воды при прохождении полосы: устранение переохлаждения полосы из-за «биения» на переднем конце полосы (1), коррекция текущего расхода воды (2), устранение перегрева заднего конца полосы (3) и выключение секций охлаждения по выходу полосы из УЛО (4).

и сек

Рис. 9. График изменения расхода воды на охлаждение полосы: 1 - снижение расхода для устранения переохлаждения полосы из-за «биения», 2 —коррекция

текущего расхода воды, 3 - увеличение расхода воды по выходу заднего конца полосы из ШСГП, 4 - снижение расхода воды по выходу заднего конца

полосы из секций УЛО

Работа по исследованию процесса охлаждения, разработке и внедрению алгоритма управления УЛО была выполнена при непосредственном участии диссертанта в рамках договора между ОАО «Северсталь» и ГОУ ВПО «Череповецкий государственный университет» на НИР «Исследование, разработка и внедрение оптимальных режимов охлаждения полосы на отводящем рольганге стана 1700», номер договора № 948НП/ТД 7061 (руководитель работы — д.т.н. Кабаков З.К).

Результаты работы внедрены в действующую систему управления установкой ламинарного охлаждения на комбинированном стане 2800/1700 ЧерМК ОАО «Северсталь». Созданный алгоритм обеспечивает в отличие от управления по базовому алгоритму более стабильную температуру полосы на смотке во всех режимах прокатки. Доля металла, температура смотки которого находилась в заданном диапазоне, возросла с 89.5% при управлении по базовому алгоритму до 96.8% при управлении с использованием разработанного алгоритма.

ОСНОВНЫЕ РУЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана тепловая модель процесса охлаждения горячекатаной полосы на отводящем рольганге ШСГП, которая позволяет прогнозировать температуру смотки металла, движущегося с переменной скоростью. Разработанная модель в отличие от известных учитывает:

• закономерности теплообмена полосы при водяном охлаждении на УЛО;

• зависимость теплофизических свойств материала от температуры и концентрации углерода, диапазон которых соответствует условиям охлаждения полосы на отводящем рольганге ШСГП.

2. В результате обработки экспериментальных данных с использованием тепловой модели полосы установлены:

• зависимость коэффициента теплоотдачи водяного охлаждения в зоне действия сифона от расхода воды через сифон;

• коэффициент ослабления охлаждающего действия сифона в зависимости от коэффициента теплоотдачи предыдущего включенного сифона.

3. Предложена методика устранения переохлаждения поверхности полосы при возникновении явления «биения» на ее переднем конце, в соответствии с которой осуществляется снижение расхода воды при прохождении переохлажденного участка.

4. Предложена методика адаптации параметров теплообмена, способная учесть неконтролируемые возмущающие воздействия при управлении охлаждением полосы на УЛО.

5. Создан метод управления охлаждением горячекатаной полосы на отводящем рольганге ШСГП, который позволяет регулировать температуру металла перед смоткой инвариантно относительно неконтролируемых возмущающих воздействий и не требует информации о расходе охлаждающей полосу воды.

6. Разработан имитационный режим алгоритма управления УЛО, в котором вместо реальной УЛО используется тепловая модель полосы. Данный режим позволяет проводить:

• проверку работоспособности алгоритма и программного обеспечения;

• первичную адаптацию параметров теплообмена полосы.

7. Разработан, настроен и внедрен в действующую систему управления УЛО алгоритм управления охлаждением полосы на отводящем рольганге ШСГП, в основу которого положен принцип адаптивного управления. Алгоритм поддерживает заданную температуру смотки, как по возмущению начальных условий, так и по отклонению управляемой величины. Доля металла, температура смотки которого находилась в заданном диапазоне, возросла с 89.5% при управлении по базовому алгоритму до 96.8% при управлении по разработанному алгоритму.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Цюрко В.И. Адаптивный алгоритм управления установкой ускоренного охлаждения горячекатаной полосы [Текст] / В.И. Цюрко, З.К. Кабаков // Производство проката —2011,— №10 — С. 42-45.

2. Кабаков З.К. Корректировка расхода воды при "биении" полосы на отводящем рольганге широкополосного стана горячей прокатки [Текст] /

З.К. Кабаков, В.И. Цюрко // Вестник Череповецкого государственного университета — 2011— №2 — С.16-18.

3. Кабаков З.К. Определение температурной зависимости истинной теплоемкости углеродистых сталей с учетом фазовых превращений [Текст] / З.К. Кабаков, В.И. Цюрко // Производство проката - 2012 - №2 - с.40-44.

Публикации в других изданиях:

4. Кабаков З.К. Математическая модель охлаждения горячекатаной полосы на отводящем рольганге стана 1700 [Текст] / З.К. Кабаков, A.A. Немтинов, В.И. Цюрко // Вестник Череповецкого государственного университета - 2007 - №3.- С.140-142.

5. Кабаков З.К. Теплоотдача при охлаждении стальной полосы на установке ламинарного охлаждения широкополосного стана горячей прокатки [Текст] / З.К. Кабаков, В.И. Цюрко // Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования: Материалы четвертой междунар. научно-техн. конф. Т. 1—Вологда: ВоГТУ —2008.— С. 175-177.

6. Кабаков З.К. Прогнозирование температуры смотки полосы металла при воздушном охлаждении на отводящем рольганге широкополосного стана горячей прокатки [Текст] / З.К. Кабаков, В.И. Цюрко II Материалы XI межвузовской заочной научно-практ. конф. молодых ученых- Череповец: ГОУ ВПО ЧТУ .-2010.- С.3-6.

7. Кабаков З.К. Метод управления охлаждением полосы на отводящем рольганге широкополосного стана горячей прокатки [Текст] / З.К. Кабаков, В.И. Цюрко // Научно-технический прогресс в металлургии: Материалы всероссийской научно-практ. конф. «Череповецкие научные чтения 2011», Череповец: ГОУ ВПО ЧТУ,- 2012,- с.97-101.

Лицензия А № 165724 от 11 апреля 2006г. Подписано к печати 05.02.13 г. Тир. 100.

_Усл. печ. л.1. Формат 60x84. Зак._

ФГБОУ ВПО «Череповецкий государственный университет» 162600 г. Череповец, ул. М.Горького, 14