автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка автоматизированного электропривода линии охлаждения мелкосортного стана

КОНТРОЛЬНЫЙ ЭКЗЕМПЛЯР

На правах рукописи

САРАПУЛОВ ОЛЕГ АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ЛИНИИ ОХЛАЖДЕНИЯ МЕЛКОСОРТНОГО СТАНА

Специальность 05.09.03. - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ - 1 ОКТ 2009

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск, 2009

003478765

Работа выполнена в ГОУ ВПО "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова"

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

РАДИОНОВ Андрей Александрович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

САРВАРОВ Анвар Сабулханович

кандидат технических наук, доцент БАСКОВ Сергей Николаевич

Ведущая организация - ОАО "Магнитогорский металлургический

комбинат", г. Магнитогорск

Защита состоится "23" октября 2009 г. в 15 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.111.04 при ГОУ ВПО "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова" по адресу: 455000, Челябинская обл., г. Магнитогорск, пр. Ленина, д.38, ауд. 227.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова".

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим направлять по адресу: 455000, Челябинская обл., г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, Диссертационный советД 212.111.04.

Автореферат разослан "22" сентября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

К.Э. Одинцов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Обостренная конкурентная борьба на международном рынке производителей мелкосортного проката в настоящее время обусловлена, в первую очередь, вводом новых мощностей. Так только в России и Китае за последние 8 лет было запущено в эксплуатацию более десятка мелкосортных станов. На новых станах существенно (до 120 м/с) возросли скорости прокатки. Однако выравнивающим фактором в конкурентной борьбе между уже существующими станами и вновь построенными остается качество проката. Решающее значение при формировании свойств проката имеет процесс последеформационного охлаждения, который определяется множеством технологических параметров, оперативность управления которыми зависит от систем автоматизации.

Проведенный обзор известных систем автоматического управления процессом охлаждения мелкосортного проката выявил ряд существенных недостатков. Во-первых, существующие концепции управления не позволяют добиваться, при прочих равных условиях, равномерного охлаждения проката по всей его длине. Во-вторых, в них не учитываются изменения в процессе прокатки технологических параметров и теплофизических свойств металла, существенно влияющих на его охлаждение. В-третьих, действующие системы автоматического регулирования температуры мелкосортного проката не осуществляют контроль за струкгурообразованием, что, естественно, не способствует повышению качества продукции.

Поэтому актуальной остается задача создания системы автоматического регулирования процессом охлаждения посредством управления скоростью электроприводов нагнетателей участка охлаждения мелкосортного стана.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка автоматизированного электропривода нагнетателей участка последеформационного охлаждения мелкосортного стана горячей прокатки.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих основных задач:

- исследование технологических особенностей, существующих способов и систем автоматического регулирования процессом охлаждения катанки на мелкосортных станах;

- разработка математической модели процесса охлаждения как объекта управления, комплексной математической модели гидро-, аэроэлектромеха-нотемпературной системы участка охлаждения мелкосортного стана;

- определение критериев оптимального управления электроприводами нагнетателей для поддержания заданной температуры проката в контрольных точках;

- разработка системы управления процессом охлаждения катанки и синтез регуляторов температур;

- проведение теоретических и экспериментальных исследований разработанных автоматизированных электроприводов с системами автоматического регулирования процессом охлаждения катанки.

Методы исследования. Теоретические исследования проводились с использованием аналитических и численных методов решения алгебраических уравнений и систем дифференциального и интегрального исчисления,

методов структурного моделирования. Разработанные алгоритмы реализованы в виде программных модулей для пакета визуального программирования SIMULINK математического пакета MATLAB. Экспериментальные исследования проводились в промышленных условиях на действующем мелкосортном стане "150" ОАО "Белорецкий металлургический комбинат", путем измерения основных параметров с последующей их обработкой.

Научная новизна разработок заключается в создании автоматизированного электропривода нагнетателей участка охлаждения мелкосортного стана, реализующего новую концепцию управления процессом охлаждения.

Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены сформулированные технологические требования к электроприводам нагнетателей и системе автоматического регулирования процессом охлаздения.

Предложено математическое описание, разработаны программные продукты для моделирования процесса охлаждения совместно с работой электроприводов нагнетателей.

Выдвинута новая концепция регулирования процессом охлаждения на мелкосортном стане горячей прокатки. Разработана самообучающаяся система автоматического регулирования процессом охлаждения, самостоятельно обеспечивающая настройку на оптимальные параметры процесса охлаждения с применением адаптированной математической модели.

Теоретически и экспериментально доказано, что предложенная система автоматического регулирования процессом охлаждения обеспечивает выполнение технологических требований во всех режимах с заданной точностью.

Практическая ценность и реализация работы состоит в том, что в результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований:

- разработаны автоматизированный электропривод и система автоматического регулирования процессом охлаждения, обеспечивающие оптимальное охлаждение проката по всей длине с заданными показателями точности;

- результаты диссертационной работы переданы в ОАО "Магнитогорский ГИ-ПРОМЕЗ", где приняты к использованию при проектировании оборудования участков охлаждения;

. - разработанные регуляторы температур и система автоматического регулирования процессом охлаждения внедрены на действующем мелкосортном стане "150" ОАО "Белорецкий металлургический комбинат", в результате чего количество бракованной продукции снизилось на 2,3 %.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается правомерностью принятых исходных положений и предпосылок, корректным применением методов математического моделирования, применением классических методов теории электропривода, теории автоматического управления и теории теплофизики, практической реализацией и экспериментальными исследованиями разработанной системы электропривода в промышленных условиях.

К защите представляются следующие основные положения: 1. Новые технологические требования к системам автоматического регулирования процессом охлаждения катанки и управления электроприводами нагне-

тателей участка последеформационного охлаждения мелкосортного стана.

2. Комплексная математическая модель, включающая в себя процессы охлаждения, формирования давлений (подачи) нагнетателей и электропривода нагнетателей.

3. Принципы построения, алгоритмы управления регуляторов температур и самообучающейся системы автоматического регулирования процессом охлаждения.

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований статических и динамических свойств разработанной системы электроприводов нагнетателей участка охлаждения мелкосортного стана.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: IV международной (XV Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу "Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития" (г. Магнитогорск, 2004 г.); на международной научно-технической конференции "Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства" (г. Череповец, 2006 г.); на научно-технических семинарах кафедры электропривода и автоматизации промышленных установок (2003-2008 г.г.) и объединенном научном семинаре энергетического факультета и факультета автоматики и вычислительной техники ГОУ ВПО "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова" (июнь 2006 г.).

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 9 печатных трудах, в т.ч. одна статья в ведущем рецензируемом научном журнале, рекомендованном Высшей аттестационной комиссией Минобразования России, 1 патент и 1 свидетельство о регистрации программы.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 61 наименования и 2 приложений. Работа изложена на 208 страницах машинописного текста, в том числе 64 рисунка и 7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и основные задачи исследований.

В первой главе на основе патентно-литературных исследований дан анализ влияния процесса последеформационного охлаждения на свойства проката, определены его закономерности. Приведено описание оборудования участка охлаждения мелкосортного стана горячей прокати и рассмотрены условия его работы.

Технологическая схема участка охлаждения мелкосортного стана приведена на рис. 1. Охлаждение осуществляется как водой, так и воздухом. На первой стадии охлаждение водой производится в две ступени с выравниванием температуры по сечению на сухом участке между ними. Каждая ступень состоит из трех секций водяного охлаждения (СВО), в состав которых входят: водяная прямоточная форсунка; турбулентная трубка; водяная отсекающая противоточная форсунка; воздушная отсекающая форсунка. Вторая стадия охлаждения - воздушная. В ней охлаждение происходит в камерах струйного

охлаждения (КСО) на участке транспортировки витков от виткообразователя до шахты виткосборника по восьми секциям рольгангов и одному сетчатому транспортеру.

Воздействие на процесс охлаждения катанки возможно как со стороны электроприводов насосов участка водяного охлаждения, так и со стороны электроприводов вентиляторов участка воздушного охлаждения.

Представленный обзор известных принципов построения систем управления процессом охлаждения и изучение опыта их эксплуатации показало низкое качество управления процессом охлаждения и несоответствие современным требованиям по точности поддержания температуры по длине проката.

Направление

Рис.1. Упрощенная схема линии охлаждения мелкосортного стана: 1 - участок водяного охлаждения; 2 - участок интенсивного охлаждения; 3 - участок умеренного охлаждения или конвективный термостат; 4 - участок ускоренного охлаждения; 5 - прокатный блок чистовых клетей; 6 - трайбапларат; 7 - витко-укладчик; 8 - приемный стол; 9 - камера струйного охлаждения (КСО); 10 - крышки блоков КСО; 11 - вентиляторы интенсивного дутья; 12 - вентиляторы комбинированного дутья; 13 - вентиляторы ускоренного охлаждения; 14 - передающая секция рольгангов.

Предложена новая концепция управления процессом охлаждения, устраняющая недостатки указанных систем управления, принцип которой заключается в поддержании температуры проката в контрольных точках на участке охлаждения и компенсации возможных ошибок регулирования по температуре в последующих по ходу проката охладительных устройствах. Для реализации новой концепции регулирования обоснован состав оборудования участка водяного охлаждения и разработана новая схема подачи охлаждающей воды. Сформулированы следующие требования к автоматизированным электроприводам нагнетателей:

- поддержание заданной температуры проката с ошибкой, не превышающей ±10...15'С;

- автоматизированные электроприводы насосов и вентиляторов для создания компенсирующего воздействия по охлаждению проката должны обеспечить быстродействие при регулировании скорости соответственно на уровне не ниже 300 мс и 4 с;

- электроприводы насосов должны обеспечить диапазон регулирования дав-

ления (напора) 1:8 и регулирования расхода воды (подачи) 1:5.

Вторая глава диссертационной работы посвящена разработке математического описания процесса охлаждения мелкосортного проката в секции водяного охлаждения и камере струйного воздушного охлаждения как объекта управления, комплексной математической модели системы процесса охлаждения - нагнетатель - электропривод нагнетателей, разработке программного продукта для автоматизированного анализа динамических свойств гидро-, аэроэлектромеханотемпературной системы.

При разработке математических моделей были сделаны следующие основные допущения:

-.при описании процесса охлаждения - физические свойства материала катанки однородны, катанка имеет неизменные площадь и форму сечения (поперечное сечение катанки представляет собой идеальный круг), разница температур поверхности проката до и после блока чистовых клетей не превышает 10 'С, температура по сечению проката после блока чистовых клетей одинакова;

- при описании нагнетателей, магистралей и секций охлаждения - геометрические размеры подводящей и отводящей камер не изменяются, охлаждающая вода является несжимаемой жидкостью, при прохождении через нагнетатель температура охладителя не изменяется.

На рис. 2 представлена укрупненная структурная схема комплексной математической модели процесса охлаждения как объекта управления. В основу построения математической модели процесса охлаждения в секциях охлаждения, на участках выравнивания температур и камерах струйного охлаждения заложен закон сохранения энергии, записываемый в общем случае как

где (Ш, - количество теплоты, введенное в элементарный объем путем теплопроводности за время ей; сШг - количество теплоты, оставшееся по истечении времени ей в элементарном объеме; с/1// - изменение внутренней энергии (энтальпии) вещества, содержащегося в элементарном объеме.

После рассмотрения каждой составляющей выражения (1) с применением метода конечных разностей были получены следующие уравнения теплового баланса для поверхности, внутренних узлов и центра

т1 ФМ2 _

ей + ей ~ ей '

(1)

тп,к+1 = (1 ~~ 2 ' ап,к )' тп,к +<Гп,к ' (тп-1,к ~ --Яп,к )

лп,к

т!,к ~ т1+1,к

(2)

{я,--*;

го,к+1 = 4 • °0,к ■ т1,к + С ~ 4-аок)- т0к

где п - число расчетных точек по сечению катанки; к - массив координат по

времени; с,ь р,-,*, Л,,* - коэффициент теплоемкости, плотность и коэффициент теплопроводности для /-го сечения проката; сг„Л ап к - коэффициенты теплоизлучения и температуропроводности катанки; тп к, тпМ1 - температура поверхности в предыдущий и последующий момент времени.

• • • • • • • •

Рис. 2. Укрупненная структурная схема комплексной математической модели процесса охлаждения как объекта управления

Система уравнений (2) является основой при расчете всех приведенных в комплексной модели процессов охлаждения, отличающихся друг от друга лишь видом и давлением охладителя, скоростью перемещения проката и начальными условиями.

Для описания процесса теплообмена между катанкой и окружающей средой применен закон Ньютона-Рихмана, согласно которому количество теплоты, отдаваемое единицей поверхности тела в единицу времени, пропорционально разности температур поверхности тела t„ и окружающей среды tcp (tn>

tap)

q = a-(tn~tcp). (3)

где а-коэффициент теплоотдачи, который предложено определять опытным путем по следующей формуле Дт-d-C-p

<4)

где Дт- падение температуры металла за время t, d- диаметр катанки; С, р -удельная теплоемкость и плотность стали; г, - начальная температура металла; т0 - температура охладителя.

В основу математического описания работы нагнетателей положены известные экспериментальные характеристики, причем пересчет напорной характеристики при изменении скорости вращения колеса (лопастей) выполнялся по формулам: - для вентиляторов Qi а>1

02 Н,

со 2

(5)

- для насосов, с учетом противодавления

\2

н = н

ф

Q = QH ■

\пном

Бф-О'

S4b = ТГг—НФ =Н1 +s4>'

Q| -Q,2

г \ п 2 / \ Нет

у пном { НФ )

1-

Hr

H,

ф

L(6)

где Нф - фиктивный напор при нулевой подаче; Эф - гидравлическое фиктивное сопротивление насоса; С?н - номинальная подача насоса; Нст - гидростатическая составляющая напорной характеристики; ш1, ш2 - скорости вращения колеса нагнетателя; - подача нагнетателя; Н1, Н2 - напор нагнетателя.

Определение текущих значений напора и подачи нагнетателя в модели

осуществляется по напорной характеристике насоса, а для участка воздушного охлаждения - опытным путем. В соответствии с полученными текущими значениями напора, подачи и к.п.д. определяется статический момент на валу двигателя нагнетателя

мст=(7)

Г] СО

где / -плотность охладителя; и> - скорость нагнетателя;

Математическое описание системы ПЧ-АД в реализованной модели подобно известным.

Выполнены теоретические и экспериментальные исследования процесса охлаждения катанки в условиях стана 150 ОАО "Белорецкий металлургический комбинат". Исследования подтвердили как адекватность разработанного математического описания реальному технологическому объекту (ошибка в расчетах не превысила 5%), так и наличие принципиальной возможности построения системы автоматизированного электропривода, обеспечивающей управление процессом охлаздения катанки с прокатного нагрева.

В третьей главе на основе анализа влияния давления и температуры охладителя, а также скорости прокатки на процесс охлаждения доказано, что:

- в качестве регулирующего температуру воздействия наиболее эффективным является давление охладителя, при этом необходимо контролировать также и расход охлаждающей воды с целью исключения снижения его ниже порогового значения, при котором возможно нарушения процесса полноценного турбулентного охлаждения;

- температура охладителя в пределах сезонных норм в процессе охлаждения практически не влияет на температуру проката, значения отклонения температуры проката при изменениях температуры охлаждающих воды и воздуха не превышают максимально допустимых значений;

- отклонение скорости прокатки до 3 м/с, имеющее место при работе петлере-гулятора перед чистовым блоком клетей стана, не приводит к существенным изменениям температуры проката, изменение же скорости на 5...10 м/с приводит к изменению температуры проката на 10...25 "С;

- на участке водяного охлаждения происходит процесс возрастания температурной разницы между поверхностью и центром проката, величина которой увеличивается при повышении давления воды и числа СО, на участке воздушного охлаждения происходит интенсивный процесс выравнивания температур между центром и поверхностью проката.

С учетом новой концепции управления и сформулированных требований разработана трехуровневая самообучающаяся система управления процессом охлаждения. В состав низшего уровня вошли электроприводы нагнетателей, реализованные по системе ПЧ-АД, современные быстродействующие пирометры (время отклика не более 500 мкс, точность 0,1 %), регуляторы температур, датчики давления охладителей (цифровые датчики пьезорез-стивного принципа QBE9000: быстродействие <1 мс, точность 0,3 %), расхода воды, скорости перемещения, наличия проката, температуры охладителя. Первый уровень содержит промышленный контроллер, станцию для управ-

ления и визуализации процесса охлаждения и промышленный компьютер с необходимым программным пакетом для исследования процесса охлаждения и математической моделью процесса охлаждения. Второй уровень представлен существующей системой контроля и управления производством. Для нее разработаны алгоритмы трех режимов работы: самообучения, автоматического и ручного.

Режим самообучения имеет две стадии. На первой стадии для исследуемого сортамента осуществляется автоматическая настройка системы на оптимальный процесс охлаждения. Настройка выполняется посредством электроприводов нагнетателей, которые поддерживают минимальную разницу между заданной и фактической температурами проката в контрольных точках. При этом в память процессорных модулей регуляторов температур записываются диагностические массивы (зависимости коэффициентов теплоотдачи от давления охладителя а = f(p), скорости электроприводов нагнетателей от давления охладителей p=f(U3c), температуры проката до и после СВО или КСО, дискрета скорости электропривода нагнетателя, при которой происходит минимальное изменение температуры проката ÄT„,in=f(AU3c)). По окончании процесса охлаждения диагностический массив с процессорных модулей регуляторов температур передается в промышленный компьютер, где начинается вторая стадия самообучения. На второй стадии процесс обработки полученного массива начинается после получения в диагностический массив оценки качества по пятибалльной системе из лаборатории по качеству. Затем происходит обработка данного массива по выявлению наиболее оптимальной программы охлаждения, настройки регуляторов температур и математической модели процесса охлаждения.

Автоматический режим системы обеспечивает поддержание заданной температуры проката в контрольных точках за счет создания регуляторами температур дополнительных заданий на скорость электроприводов нагнетателей при изменении условий охлаждения. В основе строения регулятора температуры заложено понятие коэффициента теплоотдачи. Именно этот коэффициент служит связующим звеном между температурой проката и давлением охладителя. Применение формул для расчета коэффициента теплоотдачи, используя только теоретические данные, неэффективно. Связано это с тем, что в каждом конкретном случае коэффициент теплоотдачи определяется как строением секции или камеры охлаждения, формирующим турбулентный, конвективный, ламинарный либо другой характер процесса охлаждения, так и температурой окружающей среды, геометрическими размерами проката и его свойствами.

Разработан алгоритм и предложен программный регулятор температуры, осуществляющий последовательную компенсацию возможной температурной ошибки в каждой секции охлаждения. В состав регулятора (рис. 3) вошли следующие блоки: блоки вычисления заданного БВ1 и фактического БВ2 значений коэффициентов теплоотдачи сг, функциональные блоки ФП1 и ФП2 для преобразования коэффициента теплоотдачи в соответствующее давление охладителя и давления охладителя в соответствующее напряжение задания на скорость.

At-то-

Ьг c,p-

At-

Т1Ф-

Т2Ф-c,p-

БВ1 «„а

. Aa

БВ2

-a,

ФП1

а/

Pión —►

ФП2

Р/ /и..

U.

з с.Ооп.

факт

Рис. 3. Структура регулятора температур

Для каждой контрольной точки (после всех секций водяного охлаждения СО и камер струйного охлаждения КСО) в блоках БВ1 и БВ2 вычисляются заданный а3 и фактический сГф коэффициенты теплоотдачи. Причем диаметр, средние значения теплофизических параметров в диапазоне температур являются заданными для данного сортамента проката. Далее определяется разность между заданными и фактическими значениями коэффициента теплоотдачи и с учетом знака и величины разности Ла происходит преобразование в блоке ФП1 в соответствующую величину дополнительного давления рохладителя, необходимого для компенсации температурной ошибки в последующем устройстве охлаждения (СО или КСО). В блоке ФП2 дополнительное давление преобразуется в соответствующее напряжение задания на скорость U3Cdon , которое подается САРС электропривода нагнетателя, питающего последующее по ходу проката охлаждающее устройство.

В функциональные преобразователи заложены экспериментальные характеристики, полученные в режиме самообучения. Качественный вид характеристик представлен на рис. 4. В характеристике р = f(a) в блоке ФП1 заложена зона нечувствительности (начальный участок пунктирной линией). Эта зона определяется минимально возможным значением давления охладителя

i ^Р.МПа

Р А шах

/

Р • Ш1П J а Вт/

^min ^гаах -Р • 1 min

У Р

1 шах

Аизс,в

U,

и.

"max -Pmin

Р,МП!

Р • Р

1 min 1 max

l Jmín

V

-и,

Рис.4. Характеристики функциональных преобразователей

при минимальном скачке сигнала задания на скорость, изменяющим температуру проката больше заданной температурной точности. Наклон характеристики р = f(a) определяется режимами охлаждения, физическими свойствами проката и временем охлаждения. Отличительная особенность регулятора температур на участке водяного охлаждения от регулятора на участке воздушного охлаждения заключается в моделировании температуры проката после каждой секции водяного охлаждения на основании фактических значений скорости прокатки, давлений охладителя.

В главе также предложен алгоритм диагностирования состояния датчиков и исполнительных механизмов, в том числе электроприводов нагнетателей, исключающий пуск стана в работу при неготовности участка охлаждения к работе.

Четвертая глава посвящена комплексному аналитическому и экспериментальному исследованию разработанных автоматизированных электроприводов и системы автоматизации участка охлаждения. Исследования проводились в три этапа. На первом этапе в разработанную математическую модель были введены параметры стана "150° ОАО "Белорецкий металлургический комбинат". Выполнены исследования работы разработанных регуляторов температуры. На втором этапе, проведены экспериментальные исследования отклонения температуры проката, как при работе существующей системы, так и при работе рекомендуемой системы управления процессом охлаждения. На третьем этапе проведены расчеты, даны рекомендации по оптимизации программ охлаждения проката на стане "150" ОАО "Белорецкий металлургический комбинат".

На рис. 5 в качестве примера приведен экспериментальный график фактической температуры поверхности проката, при работе эксплуатируемой до реконструкции и предложенной систем управления. Как следует из рис. 5, при

г, °С 920

860

800

Заданное значение Предложенная система Эксплуатируемая система

±15 "С

Т "

_м

1750 3500 5250 *

Рис. 5. Результаты экспериментальных исследований работы систем автоматического регулирования температуры проката

работе старой системы наблюдаемые отклонения температуры превышали максимально допустимый уровень. В новой же системе недопустимых отклонений нет.

В целом анализ результатов исследований электроприводов участка охлаждения на математической модели подтвердил, что принятые принципы управления, а также предложенные программные регуляторы температуры обеспечивают регулирование температуры проката с максимальной ошибкой в любой точке участка охлаждения не превышающей 15 °С.

Экспериментальные исследования, проведенные в условиях стана "150° ОАО "Белорецкий металлургический комбинат^ подтвердили достоверность основных теоретических выводов.

В результате внедрения разработанного автоматизированного электропривода с системой автоматического регулирования процессом охлаждения на мелкосортном стане "150" ОАО "Белорецкий металлургический комбинат" количество бракованной продукции снизилось на 2,3 %.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. В результате анализа технологического процесса и оборудования участков охлаждения мелкосортных станов показано, что применяемые способы, устройства и системы автоматизации не позволяют использовать в полной мере возможности охлаждения катанки с прокатного нагрева для расширения сортамента, сокращения расходов и повышения качества продукции, а также ограничивают возможность повышения скорости прокатки.

2. Разработаны требования к автоматизированным электроприводам нагнетателей и системам управления температурой проката линии охлаждения мелкосортного стана. Предложен новый способ управления процессом охлаждения, заключающийся в поддержании температуры проката в контрольных точках на участке охлаждения компенсацией ошибки регулирования температуры в последующих по ходу проката охладительных устройствах.

3. Предложено математическое описание, разработан алгоритм и создана программа для ПЭВМ, реализующая математическую модель участка охлаждения мелкосортного стана как гидро-, аэроэлектромеханотемпературной системы, учитывающая особенности теплообмена между поверхностью проката и охлаждающей средой, особенности теплообмена внутри самого проката и влияние системы автоматизированного электропривода на процесс его охлаждения.

4. Разработана трехуровневая самообучающаяся система управления процессом охлаждения. В режиме самообучения осуществляется экспериментальное снятие всех необходимых зависимостей при охлаждении исследуемого сортамента проката, реализуется их обработка. В результате осуществляется настройка математической модели процесса охлаждения на исследуемый сортамент, а также формируются оптимальные программы охлаждения, реализуемые в дальнейшем в автоматическом режиме работы. Разработан алгоритм и предложен программный регулятор температуры осуществляющий последовательную компенсацию возможной температурной ошибки в каждом охлаждающем устройстве. Отличительной особенностью

регулятора температуры электроприводов участка водяного охлаждения является наличие в нем модели расчета температуры проката на основе фактических технологических параметров.

5. Предложен алгоритм диагностирования состояния датчиков и исполнительных механизмов, в том числе электроприводов нагнетателей, исключающий пуск стана при неготовности участка охлаждения к работе.

6. Проведены теоретические и экспериментальные исследования процесса охлаждения катанки в условиях стана "150" ОАО "Белорецкий металлургический комбинат", подтвердившие как адекватность разработанного математического описания реальному технологическому объекту (ошибка в расчетах не превышает 5 %), так и правомерность предложенных принципов управления и достоверность основных теоретических выводов.

7. Разработанный автоматизированный электропривод внедрен в эксплуатацию в условиях стана "150" ОАО "Белорецкий металлургический комбинат". Промышленная эксплуатация показала, что предложенная система управления процессом охлаждения катанки с прокатного нагрева удовлетворяет технологическим требованиям для широкого сортамента прокатываемого металла.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Сарапулов O.A. Система автоматического управления процессом охлаждения на сортовом стане горячей прокатки [Текст] / O.A. Сарапулов, Л.В. Радионова // Изв. вузов. Электромеханика. № 1, 2009. С. 94-98.

2. Сарапулов O.A. Пути совершенствования системы автоматизации технологического процесса и технической диагностики стана 150 ОАО "БМК" [Текст] / А.А Радионов, O.A. Сарапулов II Молодежь. Наука. Будущее: Сб. науч. тр. Студентов / МГТУ. - Магнитогорск, 2003. С. 126-129.

3. Сарапулов O.A. Аппаратное обеспечение системы автоматизации стана "150" ОАО "БМК" [Текст] / O.A. Сарапулов II Электротехнические системы и комплексы: Межвуз. сб. науч. тр. / МГТУ. - Магнитогорск, 2004. Вып. 8. - С. 132-137

4. Сарапулов O.A. Математическое моделирование температурного режима катанки на участке охлаждения прокатных проволочных станов [Текст] I O.A. Сарапулов, A.A. Радионов, Л.В. Радионова // Электротехнические системы и комплексы: Межвуз. сб. науч. тр. / МГТУ. - Магнитогорск, 2005. Вып11. - С. 181-187.

5. Сарапулов O.A. Математическое моделирование температурного поля катанки на линии ускоренного охлаждения прокатного стана [Текст] / O.A. Сарапулов, B.AV Дубровский, Б.А. Никифоров, Л.В. Радионова II Материалы ме-ждунар. науч'-техн. конф. "Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства" / ГОУ ВПО ЧГУ. - Череповец, 2006. 4.1. С.122-125.

6. Сарапулов O.A. Разработка системы автоматического управления температурными режимами в процессе охлаждения проката на сортовом стане горячей прокатки [Текст] / O.A. Сарапулов // Оптимизация режимов работы

электротехнических систем: Межвуз. сб. науч. тр./ ИПЦ КГТУ. - Красноярск, 2006. - С. 254-259.

7. Сарапулов O.A. Система управления участком охлаждения сортового стана горячей прокатки [Текст] / O.A. Сарапулов // Электротехнические системы и комплексы: Межвуз. сб. науч. тр. / МГТУ. - Магнитогорск, 2006. Вып 12. - С. 165-171.

8. Пат. № 63721 Российская Федерация, МПК7 В 21 В37/00. Система автоматического управления охлаждением проката на сортовом стане горячей прокатки / О.С. Сарапулов, A.A. Радионов, Л.В. Радионова; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова" №2006146423/22, заявл. 25.12.06; опубл. 10.06.07, Бюл. № 16.

9. Св-во об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005611899 Автоматизированный расчет температурного поля катанки на участке охлаждения мелкосортного стана / Б.А, Никифоров, Б.А. Дубровский, Л.В. Радионова, A.A. Радионов, О,А. Сарапулов; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова" №2005611233, заявл. 31.05.05; зарегистр. 29.07.05.

Подписано в печать 21.09.2009. Формат 60x84 1/16. Бумага тип.№ 1. Плоская печать. Усл.печ.л. 1,00. Тираж 100 экз. Заказ 648.

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

Введение.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ ОХЛАЖДЕНИЕМ КАТАНКИ.

1.1. Процесс охлаждения катанки и его закономерности.

1.1.1. Описание строения и работы участка двухстадийно-го охлаждения современного сортового стана горячей прокатки.

1.1.2. Влияние работы электромеханической системы на процесс охлаждения катанки.

1.1.3. Недостатки существующих способов охлаждения.

1.1.4. Новый способ управления процессом охлаждения.

1.2. Разработка требований к автоматизированным электроприводам нагнетателей и системам управления температурой проката.

1.3. Выводы и постановка задачи исследований.

ГЛАВА 2.РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ УЧАСТКА ОХЛАЖДЕНИЯ КАК ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ.

2.1. Математическое описание процесса охлаждения катанки.

2.1.1. Математическое описание теплообмена по сечению проката.

2.1.2. Математическое описание теплообмена между поверхностью проката и охлаждающей средой.

2.2. Реализация модели средствами математического пакета МаЙаЬ.

2.3. Математическое описание нагнетателей.

2.4. Комплексная математическая модель гидро- аэроэлектро-механотемпературной системы участка охлаждения сортопрокатного стана.

2.5. Проверка адекватности разработанного математического описания.

2.6. Выводы.

ГЛАВА 3.РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ УЧАСТКА ОХЛАЖДЕНИЯ МЕЛКОСОРТНОГО СТАНА.

3.1. Определение требуемого быстродействия системы автоматизированных электроприводов нагнетателей.

3.2. Анализ влияния основных технологических параметров на процесс охлаждения проката.

3.3. Синтез регуляторов температуры.

3.3.1. Синтез регулятора температуры для участка водяного охлаждения.

3.3.2. Синтез регулятора температуры для участка воздушного охлаждения.

3.4. Разработка системы управления процессом охлаждения катанки.

3.4.1. Режим самообучения.

3.4.2. Автоматический и ручной режимы работы.

3.5. Выводы.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗРАБОТАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА.

4.1. Исследование работы регуляторов температуры.

4.2. Анализ отклонения температуры проката при работе существующей системы управления процессом охлаждения.

4.3. Анализ эффективности работы предложенной системы управления процессом охлаждения.

4.3.1. Исследование процесса компенсации отклонения температуры проката на участке водяного охлаждения.

4.3.2. Исследование процесса компенсации отклонения температуры проката на участке воздушного охлаждения.

4.4. Оптимизация программ охлаждения проката на стане

150" ОАО "Белорецкий металлургический комбинат".

4.5. Выводы.

В рыночных условиях повышение энергоэффективности процесса производства является важнейшей экономической и научно-технической задачей. Современные мелкосортные станы позволяют осуществлять не только формоизменение металла, но и термомеханическую и термическую обработку в процессе прокатки и охлаждения. При производстве катанки на таких станах используется ускоренное охлаждение с прокатного нагрева, целью которого является получение сорбитной структуры и как следствие снижение энергозатрат на ее дальнейшую переработку.

Процесс охлаждения проката является сложным физическим явлением, осуществление эффективного воздействия на который невозможно без применения автоматизированного электропривода и специализированных систем управления.

Вопросу создания систем автоматического управления процессом охлаждения посвящены работы многих авторов [1-7]. Основной недостаток известных систем автоматического управления процессом охлаждения заключается в том, что регулирование температуры проката происходит с большим запозданием, так как основано на измерении температуры проката уже прошедшего участок охлаждения. Исследования авторов [8-10] и экспериментальные температурные кривые, полученные автором настоящей диссертационной работы в условиях стана "150" ОАО "Белорецкий металлургический комбинат" указывают на флуктуа-ционный характер изменения температуры по длине проката. Это приводит к отклонению качества проката по всей его длине и при последующей обработке, например, на волочильных станах приводит к снижению качества и к нестабильности технологического процесса - повышенной обрывности обрабатываемой проволоки.

Кроме того, на участках водяного охлаждения многих мелкосортных станов система магистралей, подающих охлаждающую воду, отличается повышенными гидравлическими ударами, что приводит к резкому износу и выходу из строя клапанного оборудования и, как следствие, к нарушению процесса охлаждения. Причиной этому является избыточное давление, создаваемое мощным нососом одновременно для всех секций водяного охлаждения.

Бурное развитие устройств электроники и преобразовательной техники создает предпосылки для создания систем управления процессом охлаждения нового поколения, работающих в реальном масштабе времени, с минимальными транспортными запаздываниями и опирающихся на реальные показания температур проката при создании компенсирующих воздействий по охлаждению.

Целью настоящей работы является разработка автоматизированного электропривода нагнетателей участка последеформационного охлаждения мелкосортного стана горячей прокатки.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

- исследование особенностей процесса охлаждения катанки, существующих способов охлаждения и систем автоматического регулирования процессом охлаждения;

- разработка математической модели процесса охлаждения как объекта управления, комплексной математической модели гидро- аэроэлектро-механотемпературной системы участка охлаждения сортопрокатного стана;

- определение критериев оптимального управления электроприводами нагнетателей для поддержания заданной температуры проката в контрольных точках;

- разработка системы управления процессом охлаждения катанки и синтез регуляторов температуры;

- проведение теоретических и экспериментальных исследований разработанных автоматизированных электроприводов с системами автоматического регулирования процессом охлаждения катанки.

Результаты решения поставленных задач отражены в четырех главах диссертации.

В первой главе на основе патентно-литературных исследований дан анализ процесса охлаждения, определены его закономерности. Представлен обзор известных принципов построения систем управления процессом охлаждения. Изучение опыта эксплуатации этих систем показало низкое качество управления процессом охлаждения и не соответствие современным требованиям по точности поддержания температуры по всей длине проката.

Для устранения недостатков указанных систем управления была выдвинута новая концепция управления процессом охлаждения, по которой процесс поддержания заданной температуры проката в контрольных точках состоит из двух этапов. На первом этапе осуществляется измерение температуры исследуемого участка проката и при температурном отклонении вычисляется корректирующее воздействие по охлаждению. На втором этапе при подходе исследуемого участка проката к ближайшему охлаждающему устройству создается дополнительное регулирующее воздействие по охлаждению за счет изменения скорости автоматизированных электроприводов нагнетателей. Для реализации данной концепции был предложен новый состав оборудования для участка водяного охлаждения и разработана новая схема подачи охлаждающей воды. На основании предложенной концепции управления процессом охлаждения и измененного состава оборудования были выдвинуты новые требования к автоматизированным электроприводам нагнетателей.

Во второй главе представлено математическое описание гидро- аэроэлектромеханотемпературной системы участка последеф-формационного охлаждения с учетом теплофизических и геометрических характеристик проката. Разработана комплексная математическая модель исследуемого объекта. Проведена проверка адекватности разработанной математической модели процесса охлаждения.

В третьей главе посредством исследований на комплексной математической модели определено требуемое быстродействие системы автоматизированных электроприводов нагнетателей. Разработана самообучающаяся система управления процессом охлаждения катанки, синтезированы регуляторы температуры для участков водяного и воздушного охлаждений.

Четвертая глава посвящена комплексному исследованию разработанных автоматизированных электроприводов нагнетателей на математической модели и в промышленных условиях на мелкосортном стане "150" ОАО "Белорецкий металлургический комбинат". Для исследования в промышленных условиях предложена методика эксперимента, которая позволила определить динамические свойства разработанных электроприводов нагнетателей в процессе компенсации температурной ошибки в контрольных точках. Результаты моделирования и экспериментальных исследований подтвердили работоспособность предложенных систем управления, достоверность основных теоретических выводов.

В заключении приведены основные результаты проведенных исследований. В приложении представлены текст программы математической модели и акты внедрения результатов научно-исследовательской работы.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Новые технологические требования к системам автоматического регулирования процессом охлаждения катанки и управления электроприводами нагнетателей участка последеформационного охлаждения мелкосортного стана;

2. Комплексная математическая модель, включающая в себя процессы охлаждения, формирования давления (подачи) нагнетателем и электропривода нагнетателей;

3. Принципы построения, алгоритмы управления регуляторов температур и самообучающейся системы автоматического регулирования процессом охлаждения;

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований статических и динамических свойств разработанной системы электроприводов нагнетателей участка ускоренного охлаждения мелкосортного стана.

По содержанию диссертационной работы опубликовано 9 научных трудов, полученные результаты докладывались и обсуждались на четырех научно-технических конференциях и семинарах.

4.5. Выводы

1. Анализ исследований работы электроприводов участка охлаждения на математической модели подтвердил, что принятые принципы управления, а также предложенные программные регуляторы температуры обеспечивают регулирование температуры проката с максимальной ошибкой в любой точке участка охлаждения не превышающей 15 °С.

2. Экспериментальные исследования, проведенные в условиях стана "150" ОАО "Белорецкий металлургический комбинат" подтвердили достоверность основных теоретических выводов.

3. Выполнены расчеты по оптимизации программ охлаждения проката различного сортамента на стане "150" ОАО "Белорецкий металлургический комбинат". Предложенные рекомендации и системы автоматизированных электроприводов участков водяного и воздушного охлаждения внедрены в технологический процесс. :

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В результате анализа технологического процесса и оборудования участков охлаждения мелкосортных станов показано, что применяемые способы, устройства и системы автоматизации не позволяют использовать обширные возможности режимов охлаждения катанки с прокатного нагрева для расширения сортамента, сокращения расходов и увеличения качества продукции и, кроме того, ограничивают тенденцию роста скорости прокатки в сортовом производстве.

2. Разработаны требования к автоматизированным электроприводам нагнетателей и системам управления температурой проката линии охлаждения мелкосортного стана. Предложен новый способ управления процессом охлаждения, заключающийся в поддержании температуры проката в контрольных точках на участке охлаждения компенсацией ошибки регулирования температуры в последующих по ходу исследуемого проката охладительных устройствах.

3. Предложено математическое описание, разработан алгоритм и создана программа для ПЭВМ, реализующая математическую модель участка охлаждения мелкосортного стана как гидро- аэроэлектромеханотемпературной системы, учитывающая как особенности теплообмена между поверхностью проката и охлаждающей средой, особенности теплообмена внутри самого проката, так и влияние системы автоматизированного электропривода на процесс его охлаждения.

4. Разработана трехуровневая самообучающаяся система управления процессом охлаждения. В режиме самообучения осуществляется экспериментальное снятие всех необходимых зависимостей при охлаждении исследуемого сортамента проката, реализуется их обработка. В результате осуществляется настройка математической модели процесса охлаждения на исследуемый сортамент, а также формируются оптимальные программы охлаждения, реализуемые в дальнейшем в автоматическом режиме работы. Разработан алгоритм и предложен программный регулятор температуры осуществляющий последовательную компенсацию возможной температурной ошибки в каждом охлаждающем устройстве. Отличительной особенностью регулятора температуры электроприводов участка водяного охлаждения является наличие в нем модели расчета температуры проката на основе фактических технологических параметров.

5. Предложен алгоритм диагностирования состояния датчиков и исполнительных механизмов, в том числе электроприводов нагнетателей, исключающий пуск стана при неготовности участка охлаждения к работе.

6. Проведены теоретические и экспериментальные исследования процесса охлаждения катанки в условиях стана 150 ОАО "Белорецкий металлургический комбинат", подтвердившие как адекватность разработанного математического описания реальному технологическому объекту (ошибка в расчетах не превышает 5 %), так и правильность предложенных принципов управления и достоверность основных теоретических выводов.

7. Предложенные рекомендации и разработанный автоматизированный электропривод внедрен в эксплуатацию в условиях стана "150" ОАО "Белорецкий металлургический комбинат". Промышленная эксплуатация показала, что предложенная система управления процессом охлаждения катанки с прокатного нагрева удовлетворяет технологическим требованиям для широкого сортамента прокатываемого металла.