автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование компьютеризированных взаимосвязанных электроприводов непрерывных сортовых прокатных станов

На правах рукописи

Сушников Антон Александрович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПЬЮТЕРИЗИРОВАННЫХ ВЗАИМОСВЯЗАННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ НЕПРЕРЫВНЫХ СОРТОВЫХ ПРОКАТНЫХ СТАНОВ

Специальность 05.09.03 -Электротехнические системы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2005

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина).

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Новиков В.А.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ковчин С.А кандидат технических наук, доцент Емельянов А.П.

Ведущая организация - ОАО «Колпинский НИ и ПКИ метмаш»

Защита состоится << / » 2005 г. в часов на заседании

диссертационного совета Д 212.238.05 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке университета. Автореферат разослан _2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы В последние годы развитие непрерывных сортовых прокатных станов (НСПС) значительно опережает развитие других типов станов горячей прокатки. Это вызвано высокой степенью их эксплуатации и стремлением к полной автоматизации основных технологических операций.

Сортамент выпускаемой продукции на НСПС диктуется потребностями мирового рынка сортового проката и включает в себя широкий спектр фасонных профилей и катанки. Конкурентоспособность продукции, выпускаемой на НСПС, зависит от ее качества, производительности стана и энергозатрат. Данные обстоятельства привели к появлению более жестких требований к системам управления режимами работы электроприводов прокатных клетей и необходимости комплексного изучения, анализа и совершенствования существующих способов управления технологическими переменными процесса прокатки.

На большинстве отечественных НСПС системы автоматического регулирования натяжения (САРН) полосы в межклетевом промежутке выполнены по принципу косвенной оценки величины натяжения по изменяющимся энергосиловым параметрам привода предыдущей клети. САРН включают в себя контур регулирования натяжения, который, корректируя скорость последующей клети, поддерживает натяжение в заданном диапазоне. Данный принцип управления при прокатке на высоких скоростях не позволяет исключить наличия в переходных режимах продольных динамических ударов в металле, которые могут привести к вытяжке полосы или ее разрыву в том случае, если натяжение превысит допустимое значение. Это обстоятельство ограничивает сферу применения данных систем и требует их совершенствования

Появление современных компьютеризированных систем управления, обладающих более высоким качеством управления, нежели аналоговые, совместно с высокоточными импульсными датчиками, дало возможность приблизить режим прокатки к режиму свободной прокатки и сделать его более устойчивым. Режим свободной прокатки способствует лучшему заполнения калибров и исключению продольных динамических ударов на участке металлической полосы, который находится между соседними клетями. В связи с этим, актуальной задачей является изучение возможности прокатки без петлеобразования тонких сортовых профилей в чистовых группах клетей непрерывных станов.

В настоящее время перед разработчиками систем управления режимами прокатки на НСПС также остро стоит вопрос минимизации удельных энергозатрат с целью снижения себестоимости готового сортового проката. Это и многое другое говорит о необходимости дальнейшего исследования и совершенствования систем управления режимами работы электроприводов прокатных клетей НСПС.

Цели и задачи исследований. Целью диссертационной работы является исследование и совершенствование систем управления режимами работы электроприводов прокатных клетей НСПС, что позволит повысить качество выпускаемой продукции и снизить энергозатраты.

Достижение поставленной цели требует решения следующих основных задач:

1. Анализ существующих систем управления режимами работы электроприводов прокатных клетей с целью выявления недостатков и выработки предложений по их совершенствованию.

2. Разработка математических моделей взаимосвязанных электроприводов НСПС, позволяющих с высокой точностью имитировать поведение системы управления по ходу технологического процесса.

3. Проведение экспериментальных исследований действующей системы управления с целью оценки динамических характеристик механических элементов главных приводов прокатных клетей НСПС.

4. Разработка принципов построения систем управления режимами работы электроприводов прокатных клетей, обеспечивающих повышение производительности стана, улучшение показателей качества готового сортового проката и снижение энергопотребления.

5. Проведение компьютерных исследований разработанных систем управления с целью оценки их функционирования в реальных условиях прокатки на НСПС.

Методы исследования. Теоретические исследования проводились с использованием аппарата передаточных функций, методов преобразования структурных схем и структурного моделирования, методов компьютерного моделирования. Экспериментальные исследования проводились на действующем мелкосортно-проволочном стане 250 путем непосредственного осцилло-графирования технологических параметров работы системы управления главными электроприводами и последующей обработки результатов.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Математические модели процесса прокатки в черновых и чистовых группах клетей НСПС, представляющие собой совокупность подмоделей отдельных клетей и участков полос металла в межклетевых промежутках.

2. Инструментальные средства в среде Ма11аЬ6.0/81ти1тк, предназначенные для решения задач исследования и оптимизации систем управления взаимосвязанными электроприводами с учетом технологических особенностей непрерывной прокатки.

3. Алгоритмы автоматического регулирования натяжения полосы в межклетевом промежутке с автоматической оптимизацией соотношения скоростей смежных клетей и параметров регуляторов натяжения, снижающие величину продольных динамических усилий, возникающих в металле в переходных режимах.

4. Способ настройки скоростного режима прокатки, обеспечивающий, в условиях конвекционного остывания заготовки по мере прохождения по линии прокатки, минимальный расход удельной электроэнергии на обжатие металла в прокатных валках группы клетей.

Научная новизна представляемой диссертационной работы заключается в следующем:

1. Математические модели процесса непрерывной сортовой прокатки имеют переменную структуру в соответствии с меняющимися параметрами процесса прокатки, характеризующими взаимодействие прокатного оборудования в конкретные промежутки времени технологического процесса, и включают оценку критериев качества функционирования системы управления.

2. Разработанные инструментальные средства комплексных исследований систем управления процессом непрерывной прокатки осуществляют вычисление функционалов качества, по которым ведется оптимизация технологического процесса, в условиях последовательного прохождения заготовки через группу клетей и включают управляющие подмодели, с помощью которых на основании оценочных показателей движения заготовки по линии прокатки производятся структурные переключения. Средства исследований дают возможность имитировать изменения технологических параметров по ходу процесса прокатки.

3. Автоматическая оптимизация процесса прокатки с натяжением предусматривает оценку рассогласования соотношения скоростей смежных клетей, на основании которой производится коррекция скоростного режима прокатки, а также осуществляет минимизацию среднеквадратичной ошибки по натяжению путем подстройки параметров регуляторов натяжения.

4. Разработанный способ настройки скоростного режима прокатки минимизирует расход электроэнергии за счет коррекции сигнала задания, поступающего на входы систем управления скоростью клетей прокатного стана. Выбор оптимальной скорости осуществляется системой автоматической оптимизации, выполняющей функции оценки удельных затрат электроэнергии на обжатие металла, выработки оценки функционала качества и, в соответствии с градиентом функции удельного расхода электроэнергии от скорости прокатки, выработки управляющего воздействия для реализации режима оптимизации.

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

1. Созданы предпосылки для промышленного внедрения на мелкосортно-проволочном стане 250 САРН, обеспечивающей точное управление межклетевыми натяжениями в черновой и промежуточной группах клетей, максимальное приближение к режиму свободной прокатки и снижение удельного расхода электроэнергии.

2. Даны конкретные рекомендации по технической реализации предложенных систем на базе внедряемых на стане 250 промышленных контроллеров фирмы «Siemens».

Основные результаты диссертационной работы переданы инженерно-техническому персоналу службы автоматизации прокатного производства ОАО «Ижсталь» в виде «Проекта модернизации системы управления приводами стана 250 с переходом на микропроцессорную технику», что подтверждается соответствующими актами.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинаре «Школа рбмена опытом: Системы управления в черной металлургии, передовой опыт; инструментарий - анализ предложений мировых лидеров; оптимизация энергоснабжения на предприятиях металлургической промышленности» (Санкт-Петербург, декабрь 2002 г.); Межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «XXXII Неделя науки СПбГПУ» (Санкт-Петербург, ноябрь 2003 г.); Научной конференции «Энергоресурсосбережение на предприятиях металлургической и горной промышленности (новые решения)» (Санкт-Петербург, январь 2004 г.); Научных конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (Санкт-Петербург, 2002,2003,2004 г.); IV Международной конференции по автоматизированному электроприводу «Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития» (Магнитогорск, сентябрь 2004 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, из них - 7 статей, тезисы к 5-ти докладам на международных и российских научно-технических конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 71 наименования, и двух приложений. Работа изложена на 150 страницах основного текста, содержит 59 рисунков, 11 таблиц и приложение объемом 6 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрено состояние проблемы, обоснована ее актуальность, сформулированы цель и основные задачи работы.

В первой главе дана краткая характеристика современных НСПС, представлены их основные производственные и технологические параметры и выделены тенденции развития сортопрокатного производства. Основное внимание уделено задачам управления и оптимизации технологического процесса прокатки и алгоритмам их решения.

Дана характеристика существующих систем управления режимами работы электроприводов прокатных клетей. В настоящее время при прокатке с натяжением широкое распространение получили системы управления, работа ко-

1Гп 1 КП 1 1Га 1

—- торых основана на оценке изменения энергосиловых параметров прокатки в процессе последовательного захвата проката клетями. Система автоматического регулирования натяжения полосы (рис. 1) с высокой точностью оценивает натяжение полосы в межклетевых промежутках, так как учитывает изменения сопротивления деформации металла, которые связаны с

Рис.1

нестабильностью температурного режима прокатки, изменчивостью физико-механических свойств и другими технологическими факторами.

Реализация вычислительного алгоритма данного способа управления межклетевыми удельными натяжениями Ст/ осуществляется при непрерывном измерении моментов приводов и усилий прокатки

где Мпр( - текущее значение момента прокатки I клети, М

Рпрг фиксированные значения момента и усилия прокатки до захвата металла последующей клетью, /?,-, - катающие радиусы валкбВ^Ьети, Q¡ - сечение проката в I межклетевом промежутке.

Оценка электроэнергии на обжатие металла в валках прокатной клети предусматривает выделение составляющей момента прокатки из полного момента

двигателя и осуществляется согласно выражению

I

право-

применение автоматической системы регулирования петли (прогиба) (рис.2) в межклетевых промежутках чистовых групп клетей НСПС осуществляется с целью исключения силового воздействия клетей через прокатываемую полосу. Канал регулирования длины петли (прогиба) раската включает в себя датчик петли (прогиба) ДП, измерительный преобразователь длины петли (прогиба) ПП и регулятор петли (прогиба) РП.

Аппаратная и программная реализация такого рода систем управления, предусматривает наличие технологических модулей ТМ по числу межклетевых промежутков, на которых реализованы измерители и регуляторы технологических параметров (натяжение, величина петли или прогиба), и технологического контроллера КТ, осуществляющего управление скоростным режимом прокатки. Функции управления выполнены в виде стандартных пакетов программ предустановленных на модулях памяти. Управление поведением полосы в межклетевом промежутке осуществляется корректирующим воздействием на систему регулирования скорости прокатного двигателя последующей клети.

Рис. 2

Вторая глава посвящена разработке математических моделей систем управления компьютеризированными электроприводами прокатных клетей непрерывного стана с учетом их взаимосвязи через металлопрокат.

Математические модели представляют собой совокупность подмоделей отдельных клетей и участков полос металла в межклетевых промежутках. При этом по мере прохождения проката по линии стана происходит изменение их структур (рис. 3), учитывающих взаимосвязи прокатного оборудования (клетей стана, прокатных валков отдельных клетей) в конкретные промежутки времени. Структурные схемы математических моделей процесса прокатки с натяжением и петлей в трех клетях прокатного стана представлены соответственно на рис. 4 и 5.

Поведение металла на участке растяжения длиной Ц2 соответствующей длине межклетевого проме-

Рис.З

жутка, описывается системой уравнений:

При прокатке со свободной петлей (петля образуется на поверхности гладкого петлевого стола) или прогибом поведение полосы в межклетевом промежутке описывается уравнением:

А/. = —-1 ' 60 *

. 'рН 'р/ •

А.

(2)

Режим прокатки со свободной петлей является неустойчивым, вследствие наличия сил трения полосы о поверхность петлевого стола на участке между двумя клетями чистовой группы. Системы управления режимом прокатки с петлей, использующие петлеобразователи, лишены этого недостатка. Наиболее прогрессивными являются петлеобразователи не создающие силовой петли, а отклоняющие полосу от оси прокатки посредствам гибочного ролика. В этом случае математическое описание поведения полосы в межклетевом промежутке остается неизменным.

В основе для построения математической модели очага деформации металла лежат уравнения механики деформируемой сплошной среды. В соответствии с методикой, предложенной А. И. Целиковым, давление металла на гладкие валки будет определяться зависимостью:

Прокатка сортовых профилей ведется в калибрах, имеющих различную форму в зависимости от входных и выходных размеров заготовки, что требует пересчета давления металла на валки в соответствии с методикой, предложенной А. П. Чекмаревым:

(4)

Величина момента прокатки, необходимого для вращения обоих валков, определяется выражением: Мпр = 2-у-1д-Р

С целью оценки функционирования систем управления в переходных режимах и создания возможностей моделирования оптимизационных процессов математические модели вычисляют интегральную квадратичную оценку (ИКО) динамической составляющей удельного натяжения е(

£=Д0/0+аЛ+а2/2, (5)

где о, - весовые коэффициенты; /„ = ]е2(г)Л, /, = /2 = Л^е^уЛ2)2^,

и производят оценку удельных энергозатрат в соответствии с функционалом:

Й2 = |#пр(',<т,5,у,и)<й/ ¡т( ¡)А, (6)

где #пр — мощность, затрачиваемая на деформацию металла в валках группы прокатных клетей; - векторные величины, характеризующие свойства

обрабатываемого вещества, качество используемого инструмента и параметры технологической среды; - текущее значение массы одной заготовки.

Третья глава посвящена анализу средств имитационного моделирования систем управления взаимосвязанными электроприводами, разработке компьютерных моделей как инструмента для решения задач исследования и оптимизации, учитывающих структурные изменения взаимосвязей отдельных клетей, и

исследованиям функционирования систем управления технологическим процессом прокатки. В качестве среды моделирования принят пакет MATLAB.

Решение задач автоматической оптимизации достигнуто введением подмоделей, осуществляющих вычисления функционалов (5) и (6), по которым ведется оптимизация скоростного режима прокатки с выбором уставок задания скоростей по всем клетям. Расчет положения заготовки в конкретные моменты времени (выбор структуры модели) осуществляется на основании данных о геометрических размерах исходной заготовки и скоростей вращения валков.

Путем изменения уставки задания по скорости, натяжению или петле; имитацией изменения температуры или толщины металла по длине заготовки можно провести моделирование функционирования системы управления в переходных режимах. Кроме того, меняющаяся структура компьютерных моделей, имитирующая прохождение заготовки по линии прокатки, позволяет оценить работу системы управления в режиме захвата металла валками клетей. Этот режим является наиболее неблагоприятным и, в случае несоответствия параметров, характеризующих поведение заготовки в межклетевом промежутке, допустимым значениям, может привести к снижению качества выпускаемой продукции или возникновению аварийных ситуаций.

Реакции систем управления при прокатке с натяжением и петлей на управляющее (скачкообразное изменение задания по скорости) и возмущающее (захват металла валками последующей клети) воздействия характеризуется кривыми, представленными на рис. 6.

1,5 1 1.5 ] 1.5 4 4.5 '.<

Рис.6

Исследования работы действующих систем управления межклетевыми натяжениями на различных скоростях, определяющих производительность про-

катного стана, показали, что увеличение скорости прокатки сопровождается ростом величины динамического удара, вызванного входом металла в последующую клеть, на 16,5% и повышением интенсивности помех, влияющих на качество работы системы управления взаимосвязанными электроприводами прокатных клетей.

Таким образом, сфера применения САРН полосы, осуществляющих косвенную оценку величины натяжения и осуществляющих управление натяжением путем выработки корректирующего сигнала на вход системы управления скоростью последующей клети, ограничивается непрерывными прокатными станами, скорость прокатки в черновой и промежуточной группах клетей которых не превышает 10м/с. Прокатка с большей производительностью требует усовершенствования данных систем с целью снижения продольных усилий в переходныхрежимах.

В четвертой главе рассмотрены вопросы автоматической оптимизации режимов работы электроприводов НСПС. Эффективным решением задачи минимизации удельных натяжений в переходных режимах является введение системы автоматической оптимизации технологических параметров, определяющих динамику работы системы регулирования межклетевых натяжений. К таким параметрам относятся коэффициенты соотношения скоростей смежных клетей и параметры регуляторов натяжения.

Решение задач точной оценки рассогласования соотношения скоростей на холостом ходу и дополнительного корректирования соотношения скоростей после прохода каждой предыдущей заготовки может быть достигнуто введением в систему функциональных блоков БУСС (рис. 1). Каждый из этих блоков производит оценку изменения величины корректирующего сигнала М„ на выходе регулятора натяжения на интервале времени, в течение которого система регулирования работает в установившемся режиме. На основании этой оценки, характеризующей степень рассогласования соотношения скоростей смежных клетей, производится самонастройка скоростного режима.

Данный способ оптимизации соотношения скоростей осуществляет минимальное число итерационных шагов. Как показали исследования система самонастраивается по первым 1т2 заготовкам. Однако высокая интенсивность помех, вызванных разнотолщинностью прокатываемых заготовок, нестабильностью температурных характеристик металла, эксцентриситетом валков и т.д., вносит существенную ошибку в работу измерителя натяжения, что, в конечном итоге, влияет на адекватность оценки рассогласования соотношения скоростей смежных клетей.

В этих условиях целесообразно использовать алгоритм автоматической оптимизации соотношения скоростей, который производит оценку рассогласования на основании динамического броска величины натяжения в момент захвата заготовки. В качестве функционала качества, также как при оптимизации параметров регуляторов, принимается ИКО динамической составляющей удельного натяжения на интервале времени, который соответствует длительности переходного процесса (5).

Предложенный способ автоматической оптимизации имеет более низкую погрешность, по сравнению с ранее рассмотренным, так как влияние зашумленности технологических параметров в динамических режимах значительно ниже чем в статических. Однако оптимизация прямым методом наискорейшего спуска по ИКО требует большего количества шагов.

Реализация разработанных алгоритмов автоматической оптимизации в условиях высокой зашумленности возмущающими воздействиями ряда технологических параметров позволяет говорить о допустимости использования систем автоматического управления с периодически подключаемыми контурами регулирования межклетевых натяжений. На рис. 7 представлены кривые, характеризующие работу систем управления межклетевыми натяжениями в условиях реальных возмущающих воздействий при замкнутом (рис. 7, а) и разомкнутом (рис. 7, 6) контурах регулирования натяжений.

а, Н/мм2 а, Н/мм2

1 234567 Г, с 1234567 Г, с

а б

Рис.7

Замкнутый контур регулирования в условиях косвенной оценки величины натяжения в межклетевом промежутке, отрабатывая возмущающие воздействия, вносит в систему управления ошибку, что приводит к возникновению нежелательных продольных усилий в полосе между соседними клетями 0,8 Н/мм2) и, в конечном итоге, влияет на качество готового проката. В системах управления межклетевыми натяжениями с разомкнутым контуром регулирования подстройка скоростного режима выработкой корректирующего сигнала регулятором натяжения не осуществляется, а величина натяжения полностью определяется рассогласованием соотношения скоростей смежных клетей. В этом случае влияние возмущающих воздействий незначительно (о = ± 0,02 Н/мм2). Первоначальный скачок натяжения объясняется падением скорости последующей клети при входе металла, т. е. является следствием реакции привода на приложенную нагрузку.

Кроме этого исследования разработанных алгоритмов управления показали возможность прокатки тонких сортовых профилей без петлеобразования в режиме близком к режиму свободной прокатки. Использование современных комплектных электроприводов, обладающих широкой полосой пропускания управляющих воздействий, и высокоточных оптоэлектронных датчиков скоро-

сти (энкодеров) в совокупности с реализацией системы автоматической подстройки соотношения скоростей смежных клетей позволяет исключить возникновение динамических усилий, амплитудные значения которых могли бы превысить допустимые пределы (адо„ = ±15 Н/мм2 ).

Исследования, проведенные на компьютерных моделях процесса прокатки, показали унимодальный характер зависимости удельного расхода электроэнергии от скорости прокатки, причем изменение температуры проката или смена сортамента приводят к смещению точки минимума (рис. 8). Чем ниже скорость прокатки, тем меньше затраты электроэнергии на обжатие металла в валках, однако при этом увеличивается продолжительность нахождения металла в валках каждой из клетей и время работы на холостом ходу клетей, не-задействованных в деформации металла. Повышается также интенсивность охлаждения прокатываемой заготовки из-за более длительного ее взаимодействия с окружающей средой и наблюдается перерасход электроэнергии на деформацию охлажденного проката. На высоких скоростях наблюдается обратный эффект.

Выбор оптимального скоростного режима, с точки зрения минимума расхода электроэнергии (рис. 9), достигается оценкой энергозатрат группы клетей на холостом ходу, оценкой удельного расхода электроэнергии по группам клетей на обжатие металла и в соответствии с разработанным алгоритмом опта-

мизации выходом на оптимальную скорость прокатки, при которой удельный

"Температура металла 1150 °С •Температура металла 1130 °С ■Температура металла 1110 °С

Рис.8

Рис.9

расход электроэнергии будет минимальным. Алгоритм оптимизации реализует градиентный метод наискорейшего спуска с переменным шагом, функционалом качества принята оценка (6).

Пятая глава посвящена анализу и исследованиям системы управления взаимосвязанными электроприводами мелкосортно-проволочного стана 250 ОАО «Ижсталь», а также выработке рекомендаций по ее совершенствованию с использованием результатов диссертационной работы.

Разнообразие режимов работы основного оборудования непрерывного мелкосортно-проволочного прокатного стана 250 ОАО «Ижсталь»: прокатка с натяжением (черновая и промежуточная группа клетей), с петлей (чистовая и

проволочная группа) и прогибом (три последних межклетевых промежутка чистовой группы), - обусловлено широкой номенклатурой выпускаемой про-, дукции. В этих условиях система автоматического управления процессом непрерывной прокатки включает в себя большое количество подсистем, управляющих отдельными участками прокатного стана, и координирует их работу согласно программе прокатки.

Анализ и исследования системы управления главными электроприводами выявили ряд недостатков, причиной которых являются физический и моральный износ основного оборудования, низкие требования к качеству выпускаемой продукции, низкая оперативность управления технологическим процессом. В настоящее время созданы предпосылки для увеличения скорости прокатки на стане и снижения себестоимости продукции за счет использования новых научно-технических решений и современных аппаратно-программных средств автоматизации. Достижение поставленных задач также предусматривает совершенствование алгоритмов управления процессом прокатки.

На основании проделанной работы было принято решение о построении АСУ ТП прокатного стана 250 как распределенной системы управления, структурная схема которой представлена на рис. 10.

На схеме введены следующие обозначения: ВК1 ...ВК7 - датчики температуры (пирометры); ВК1...ВЯ25 - датчики скорости; ВР1...ВР13 - датчики усилия прокатки; ВЬ1...ВЬ7 - датчики петли; ВН1...ВНЗ - датчики прогиба; ЕТ1...ЕТЗ - станции удаленного ввода/вывода; РЬС1 -технологический кон-

троллер; ОР1...ОРЗ - посты оператора; PC1, PC2 - промышленные компьютеры; SCD1, SCD2 - станции оператора.

Модернизация системы управления главными электроприводами прокатных клетей предусматривает замену существующих комплектных тиристор-ных электроприводов на современные привода постоянного тока SIMOREG DC MASTER. При этом силовая коммутационная аппаратура сохраняется.

Алгоритмы автоматической оптимизации, разработанные в диссертационной работе, программно реализованы с помощью конструкций языков высокого уровня, которые относятся к инструментальным средствам для проектирования, дополняющих стандартное программное обеспечение технологического контроллера.

Основныерезультаты диссертационнойработы

1. Сформулированы требования к системам управления главными электроприводами прокатных клетей, на основании которых обобщены принципы построения данных систем и выявлены тенденции их развития. К последним следует отнести: комплексную автоматизацию технологического процесса прокатки с использованием современной компьютерной техники, снижение динамических нагрузок в металле и приближение режима прокатки к режиму свободной прокатки, снижение энергозатрат на обжатие заготовки и т.д.

2. Разработаны математические и компьютерные модели процесса прокатки на НСПС, наиболее точно учитывающие особенности режимов работы взаимосвязанных электроприводов прокатных клетей.

3. В результате экспериментальных исследований, выполненных на мелко-сортно-проволочном стане 250 ОАО «Ижсталь», и по результатам математического моделирования установлены основные недостатки действующих систем управления главными электроприводами прокатных клетей. Выделены следующие недостатки: низкая точность управления скоростным режимом прокатки; значительные броски величины натяжения полосы в межклетевом промежутке при входе металла в последующую клеть; наличие необоснованных динамических усилий в металле, вызванных работой САРН полосы в условиях действия помех, и т.д.

4. Предложены алгоритмы настройки коэффициентов соотношения скоростей смежных клетей и оптимизации параметров регуляторов натяжения. Оптимальность данных настроек имеет первостепенное значение и определяет устойчивость режима прокатки с натяжением в переходных режимах. Общеизвестна прямая зависимость между коэффициентом соотношения скоростей и изменением величины момента привода предыдущей клети в результате входа металла в последующую. Помимо этого оценка рассогласования соотношения скоростей может производиться по величине корректирующего сигнала на выходе регулятора натяжения в установившемся режиме прокатки или по величине ИКО динамической составляющей удельного натяжения при входе металла в последующую клеть.

5. Разработан способ настройки скоростного режима прокатки, обеспечивающий выбор оптимальной скорости прокатки с точки зрения минимума рас-

хода электроэнергии. Настройка производится по первым заготовкам с помощью программы автоматической оптимизации, которая реализуется в технологическом контроллере. Эта программа на основании оценки энергетического баланса осуществляет оптимизацию управляющего воздействия, поступающего на входы локальных систем регулирования скоростью клетей, с целью минимизации удельного расхода электроэнергии. Данное программно-техническое решение в совокупности с решением задачи снижения динамических усилий прокатки позволит, как показали компьютерные исследования, сократить расход электроэнергии на обжатие заготовки в черновой и промежуточной группах клетей на

6. Дано обоснование возможности прокатки тонких сортовых профилей в чистовых группах клетей без образования петли в режиме близком к режиму свободной прокатки. Это стало возможным благодаря развитию компьютерной техники, применяемой в современных автоматизированных системах управления технологическими процессами, и реализации разработанных алгоритмов настройки скоростного режима прокатки.

7. Даны рекомендации по использованию результатов исследований при модернизации систем управления мелкосортно-проволочным станом 250 ОАО «Ижсталь», основными из которых являются: внедрение предложенных систем управления межклетевыми натяжениями с использованием автоматической оптимизации коэффициентов соотношения скоростей и параметров регуляторов натяжения; включение в работу контуров регулирования натяжения только в режиме настройки прокатного стана; осуществление настройки энергосберегающего скоростного режима работы стана по разработанному алгоритму; техническая реализация систем управления на базе современной компьютерной техники.

Публикации по теме диссертации.

1. Белов, М.П. Компьютерные методы обработки алгоритмов управления машинами и комплексами металлургического производства / М.П.Белов, ВАНовиков, САГорелов, ААСушников // Школа обмена опытом: Системы управления в черной металлургии, передовой опыт; инструментарий - анализ предложений мировых лидеров; оптимизация энергоснабжения на предприятиях металлургической промышленности: тез. докл. семинара, г. Санкт-Петербург, 16-20 декаб. 2002. С. 17- 18.

2. Белов, М.П. Актуальные задачи модернизации автоматизированных электроприводов технологических комплексов / М.П.Белов, В.А.Новиков, А.А.Сушников // Изв. СПбГЭТУ "ЛЭТИ". Сер. "Электротехника" / Санкт-Петербург, гос. электротехн. ун-т. - СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2002. -Вып1.-С. 8-14.

3. Сушников, А.А. Определение модели электромеханических систем непрерывных сортовых прокатных станов с учетом энергосбережения / ААСушников, М.П.Белов // Изв. СПбГЭТУ "ЛЭТИ". Сер. "Электротехника" / Санкт-Петербург, гос. электротехн. ун-т. - СПб. : Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2ООЗ.-Вып.1.-С.23-28.

4. Автоматизированный электропривод - современная основа автоматизации технологических процессов / М.П.Белов, В.А.Новиков, Л.Н.Рассудов, ААСушников // Электротехника. - 2003. - № 5. - С. 12 - 16.

5. Сушников, А.А. Автоматическая оптимизация межклетевых натяжений непрерывных сортовых прокатных станов / ААСушников, М.П.Белов // XXXII Неделя науки СПбГПУ: тез. докл. Межвуз. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов, г. Санкт-Петербург, 24-29 нояб. 2003 г. - СПб. : Изд-во СПбГПУ, 2004. - Ч. V. - С. 145 -146.

6. Сушников, А.А. Тенденции развития автоматизированных электроприводов и систем автоматизации непрерывных сортовых прокатных станов / А.А.Сушников; Санкт-Петербург, гос. электротехн. ун-т. - СПб., 2004. - 15 с. - Деп. в ВИНИТИ. 13.02.04, № 252-В2004.

7. Сушников, А.А. Анализ систем управления межклетевыми натяжениями в непрерывных сортовых прокатных станах / ААСушников ; Санкт-Петербург, гос. электротехн. ун-т. - СПб., 2004. - 14 с. - Деп. в ВИНИТИ. 13.02.04, №253-В2004.

8. Сушников, А.А. Анализ и исследование систем управления главными электроприводами непрерывных сортовых прокатных станов при отсутствии их взаимосвязей через металлопрокат / А.А.Сушников // Электротехнические системы и комплексы: межвуз. сб. науч. тр. / под ред. С.ИЛукьянова, Д.В.Швидченко. - Магнитогорск: МГТУ, 2004. - Вып.9. - С. 85 - 91.

9. Новиков, В.А. Автоматическая оптимизация режимов работы электроприводов / В.АНовиков, ААСушников // Изв. СПбГЭТУ "ЛЭТИ". Сер. "Электротехни-ка" / Санкт-Петербург, гос. электротехн. ун-т. - СПб. : Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2004. - Вып.1. - С. 3 -12.

10.Bespalov, A.V. Parametrical optimization of the rolling mill control system (Параметрическая оптимизация системы управления непрерывным прокатным станом) / A.V.Bespalov, VAUmnov, AASushnikov // Preprint 10th International Student Olimpiad on Automatic Control (BOAC'2004), Saint-Peterburg, Russia, May 26-28,2004. - SPb.: SPbSUITMO, 2004. - P. 109 -112.

11. Белов, М.П. Энергосберегающие режимы управления электроприводами непрерывных прокатных станов / М.П.Белов, В.АНовиков, ААСушников // Энергоресурсосбережение на предприятиях металлургической и горной промышленности (новые решения): тез. докл. науч. конф., г. Санкт-Петербург, 14-16 янв. 2004. С. 24-25.

12. Белов, М.П. Оптимизация режимов управления электроприводами непрерывных прокатных станов по критериям энергосбережения / М.П.Белов, ВАНовиков, ААСушников. Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития : Тр. IV Междунар. конф. по автоматиз. электроприводу, г. Магнитогорск, 14-17 сент. 2004 г. - Магнитогорск, 2004. - Ч. П. - С. 238 - 240.

Подписано в печать 22.04.05. Формат 60*84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 31.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства СПбГЭТУ "ЛЭТИ"

Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

ош - OF. M

* »* "«l ' Ш*;

19 МАЯ2005 • 13

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. АНАЛИЗ КОМПЬЮТЕРИЗИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ НЕПРЕРЫВНЫХ СОРТОВЫХ ПРОКАТНЫХ СТАНОВ. ЗАДАЧИ УПРАВЛЕНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ.

1.1. Характеристика непрерывных сортовых прокатных станов.

1.2. Состояние и тенденции развития систем автоматизации непрерывных сортовых прокатных станов.

1.3. Особенности построения систем автоматического управления межклетевыми натяжениями непрерывных сортовых прокатных станах.

1.3.1. Задачи управления при прокатке с натяжением.

1.3.2. Анализ методов косвенного измерения межклетевых натяжений.

1.3.3. Анализ вариантов систем управления межклетевыми натяжениями.

1.4. Анализ систем управления главными электроприводами клетей при отсутствии их взаимосвязей через металлопрокат.

1.5. Задачи автоматической оптимизации в непрерывных сортовых прокатных станах.

1.6. Аппаратная и программная реализация систем автоматического управления главными электроприводами непрерывных сортовых прокатных станов.

1.6.1. Средства управления комплексом непрерывной прокатки.

1.6.2. Техническая реализация систем управления межклетевыми натяжениями непрерывных прокатных станов.

1.6.3. Техническая реализация систем управления петлей (прогибом) в непрерывных сортовых прокатных станах.

1.7. Выводы.

Глава 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ ПРОКАТНЫХ КЛЕТЕЙ НЕПРЕРЫВНЫХ СОРТОВЫХ СТАНОВ.

2.1. Математическое описание процесса прокатки с учетом взаимосвязей клетей через металлопрокат.

2.1.1. Математическое описание очага деформации металла.

2.1.2. Математическое описание состояния металлической полосы в межклетевом промежутке.

2.2. Математическое описание процесса прокатки с петлеобразованием.

2.3. Упругие деформации в механической части главных приводов непрерывных сортовых прокатных станов и ограничения в быстродействии систем управления.

2.4. Моделирование систем управления процессом прокатки непрерывных сортовых прокатных станов.

2.4.1. Моделирование систем управления процессом прокатки с натяжением.

2.4.2. Моделирование систем управления петлеобразованием в чистовых группах клетей.

2.5. Выводы.

Глава 3. РАЗРАБОТКА КОМПЬЮТЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ И ИССЛЕДОВАНИЕ

РАБОТЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ПРОКАТКИ.

3.1. Анализ средств компьютерного моделирования систем управления взаимосвязанными электроприводами непрерывных сортовых прокатных станов.

3.2. Разработка компьютерных моделей, учитывающих структурные изменения взаимосвязей отдельных клетей.

3.2.1. Компьютерная модель процесса прокатки с натяжением.

3.2.2. Компьютерная модель процесса прокатки с петлерегулированием в чистовых группах клетей.

3.4. Исследования работы систем управления технологическим процессом прокатки.

3.4.1. Исследования работы системы управления в переходных режимах.

3.4.2. Исследования взаимосвязей клетей в режиме прокатки.

3.5. Выводы.

Глава 4. РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ

РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ НЕПРЕРЫВНЫХ СОРТОВЫХ ПРОКАТНЫХ СТАНОВ.

4.1. Анализ методов автоматической оптимизации технологических параметров процесса прокатки.

4.2. Автоматическая оптимизация систем управления межклетевыми натяжениями.

4.2.1. Оптимизация соотношения скоростей смежных клетей с целью снижения продольных динамических нагрузок в полосе.

4.2.2. Автоматическая оптимизация параметров регулятора натяжения.

4.3. Оценка возможности прокатки без образования петли тонких сортовых профилей.

4.4. Автоматическая оптимизация скоростного режима прокатки с учетом энергосбережения.

4.4.1. Структура и принцип работы системы автоматической оптимизации скоростного режима прокатки.

4.4.2. Техническая и алгоритмическая реализация системы автоматической оптимизации скоростного режима прокатки.

4.5. Выводы.

Глава 5. АНАЛИЗ И МОДЕРНИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ НЕПРЕРЫВНОГО МЕЖОСОРТНО-ПРОВОЛОЧНОГО СТАНА 250 ОАО "ИЖСТАЛЬ".

5.1. Характеристика технологического оборудования прокатного стана.

5.2. Анализ автоматизированной системы управления технологическим процессом прокатки на стане 250.

5.2.1. Система автоматического управления комплексом черновой и промежуточной групп клетей.

5.2.2. Система автоматического управления комплексом чистовой и проволочной групп клетей.

5.3. Модернизация системы управления взаимосвязанными электроприводами мелкосортно-проволочного прокатного стана 250 с использованием научных результатов диссертационной работы.

5.3.1. Разработка автоматической системы управления технологическим процессом прокатки.

5.3.2. Замена аналоговых комплектных электроприводов прокатных клетей на цифровые.

5.3.3. Программная реализация алгоритмов управления и автоматической оптимизации.

5.4. Выводы.

Атуальность проблемы. Сортамент выпускаемой продукции на непрерывных сортовых прокатных станах диктуется потребностями мирового рынка сортового проката и включает в себя широкий спектр фасонных профилей и катанки [1]. Конкурентоспособность продукции, выпускаемой на непрерывных прокатных станах, зависит от ее качества, производительности стана и энергозатрат. Данные обстоятельства привели к появлению более жестких требований к системам управления режимами работы электроприводов прокатных клетей и необходимости комплексного изучения, анализа и совершенствования существующих способов управления технологическими переменными процесса прокатки.

На большинстве отечественных непрерывных сортовых прокатных станах системы автоматического регулирования натяжения полосы в межклетевом промежутке выполнены по принципу косвенной оценки величины натяжения по изменяющимся энергосиловым параметрам привода предыдущей клети. Данные системы включают в себя контур регулирования натяжения, который, корректируя скорость последующей клети, поддерживает натяжение в заданном диапазоне. Данный принцип управления при высоких скоростях прокатжи не позволяет исключить наличия в переходных режимах продольных динамических ударов в металле, которые могут привести к вытяжке полосы или ее разрыву в том случае, если натяжение превысит допустимое значение. Это обстоятельство ограничивает сферу применения данных систем и требует их совершенствования.

Появление современных компьютеризированных систем управления, обладающих более высоким качеством управления, нежели аналоговые, совместно с высокоточными импульсными датчиками, дало возможность приблизить режим прокатки к режиму свободной прокатки и сделать его более устойчивым. Режим свободной прокатки способствует лучшему заполнения калибров и исключению продольных динамических ударов на участке металлической полосы, который находится между соседними клетями. В связи с этим, актуальной задачей является изучение возможности прокатки без петлеобразования тонких сортовых профилей в чистовых группах клетей непрерывных станов.

В настоящее время перед разработчиками систем управления режимами прокатки на непрерывных сортовых прокатных станах также остро стоит вопрос минимизации удельных энергозатрат с целью снижения себестоимости готового сортового проката. Это и многое другое говорит о необходимости дальнейшего исследования и совершенствования систем управления режимами работы электроприводов прокатных клетей непрерывных сортовых прокатных станов.

Представленная работа проводилась в рамках хоздоговорной НИР РАПС-43 "Разработка проекта модернизации системы управления приводами стана 250 с переходом на микропроцессорную технику", выполненной диссертантом на ОАО "Ижсталь", а также в рамках грантов МО РФ ГРПА/РАПС-26 "Исследование и разработка алгоритмов управления компьютеризированными электроприводами прокатных клетей непрерывных сортовых станов" и ГТАТ/РАПС-25 "Разработка методов синтеза и принципов построения энергосберегающих электромеханических комплексов управления".

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является исследование и совершенствование систем управления режимами работы электроприводов прокатных клетей непрерывных сортовых станов, что позволит снизить энергозатраты, повысить качество выпускаемой продукции и производительность комплекса прокатки.

Достижение поставленной цели требует решения следующих основных задач:

1. Анализ существующих систем управления режимами работы электроприводов прокатных клетей с целью выявления недостатков и выработки предложений по их совершенствованию.

2. Разработка математических и компьютерных моделей взаимосвязанных электроприводов непрерывных сортовых прокатных станов, позволяющих с высокой точностью имитировать поведение системы управления в различных режимах прокатки.

3. Проведение экспериментальных исследований действующей системы управления с целью оценки динамических характеристик механических элементов главных приводов прокатных клетей непрерывных сортовых прокатных станов.

4. Разработка принципов построения систем управления режимами работы электроприводов прокатных клетей, обеспечивающих повышение производительности стана, улучшение показателей качества готового сортового проката и снижение энергопотребления.

5. Проведение компьютерных исследований разработанных систем управления с целью оценки их функционирования в реальных условиях прокатки на непрерывных сортовых прокатных станах.

На защиту выносятся следующие научные результаты

1. Математические модели процесса прокатки в черновых и чистовых группах клетей непрерывных сортовых прокатных станов, представляющие собой совокупность подмоделей отдельных клетей и участков полос металла в межклетевых промежутках.

2. Инструментальные средства в среде Matlab/Simulink, предназначенные для решения задач исследования и оптимизации систем управления взаимосвязанными электроприводами с учетом технологических особенностей непрерывной прокатки.

3. Алгоритмы автоматического регулирования натяжения полосы в межклетевом промежутке с автоматической оптимизацией соотношения скоростей смежных клетей и параметров регуляторов натяжения, снижающие величину продольных динамических усилий, возникающих в металле в переходных режимах.

4. Способ настройки скоростного режима прокатки, обеспечивающий минимальный расход электроэнергии на обжатие металла в прокатных валках группы клетей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Математические модели процесса непрерывной сортовой прокатки с целью повышения их точности и достоверности учитывают упругие связи между отдельными элементами электромеханической системы и имеют переменную структуру в соответствии с меняющимися параметрами процесса прокатки, характеризующими взаимодействие прокатного оборудования в конкретные промежутки времени технологического процесса.

2. Разработанные инструментальные средства комплексных исследований систем управления процессом непрерывной прокатки осуществляют вычисление функционалов качества, по которым ведется оптимизация технологического процесса, в условиях последовательного прохождения заготовки через группу клетей и включают управляющие подмодели, с помощью которых на основании оценочных показателей движения заготовки по линии прокатки производятся структурные переключения. Средства исследований дают возможность имитировать изменения параметров по ходу процесса прокатки.

3. Автоматическая оптимизация процесса прокатки с натяжением предусматривает оценку рассогласования соотношения скоростей смежных клетей, на основании которой производится коррекция скоростного режима прокатки, а также осуществляет минимизацию среднеквадратичной ошибки по натяжению путем подстройки параметров регуляторов натяжения.

4. Разработанный способ настройки скоростного режима прокатки минимизирует расход электроэнергии за счет коррекции сигнала задания, поступающего на входы систем управления скоростью клетей прокатного стана. Выбор оптимальной скорости осуществляется системой автоматической оптимизации, выполняющей функции оценки затрат электроэнергии на обжатие металла, выработки оценки функционала качества, выработки управляющего воздействия для реализации режима оптимизации.

Содержание работы раскрывается в пяти главах.

В первой главе диссертации дана краткая характеристика современных непрерывных сортовых прокатных станов, представлены их основные производственные и технологические параметры и выделены тенденции развития сортопрокатного производства. Основное внимание уделено задачам управления и оптимизации технологического процесса прокатки и алгоритмам их решения.

Дана развернутая характеристика существующих систем управления режимами работы электроприводов прокатных клетей. Изучены вопросы технической реализации данных систем на базе технологических модулей контроллеров привода и технологических контроллеров.

Вторая глава диссертации посвящена изучению теоретических аспектов процесса непрерывной прокатки и разработке математических моделей, адекватным реальным условиям технологического процесса. Дано математическое описание, которое учитывает особенности процесса непрерывной сортовой прокатки и содержит описание упругих деформаций элементов электромеханической системы прокатных клетей.

Математические модели систем управления включают в себя модели отдельных прокатных клетей и участков полос, находящихся между смежными клетями, и учитывают изменения взаимосвязей технологического оборудования.

В третьей главе представлен анализ и выделены достоинства и недостатки компьютерных средств моделирования сложных технологических процессов. Сделан выбор в пользу наиболее приемлемого с точки зрения функциональных возможностей и удобства моделирования. Предложено дополнительное использование специализированных программных средств, расширяющих возможности моделирования.

На основании математического описания разработаны компьютерные модели, как инструмент для исследований, процессов прокатки с натяжением и петлей и изучены методы синтеза сложных взаимосвязанных систем. Проведены компьютерные исследования работы системы управления в переходных режимах при имитации управляющих и возмущающих воздействий на систему и исследования взаимосвязей прокатных клетей в режиме прокатки. Результаты представлены в виде кривых.

Четвертая глава посвящена вопросам организации систем автоматической оптимизации, разработке алгоритмов управления и технической реализации разработанных систем на базе современной компьютерной техники.

Рассмотрены принципы построения систем автоматического регулирования натяжением полосы, осуществляющих оптимизацию технологических параметров и обеспечивающих минимальные продольные динамические усилия на участке металлической полосы, находящимся между смежными клетями. Доказана возможность прокатки с натяжением тонких сортовых профилей в чистовых группах клетей при условии использования современных технических средств алгоритмов управления, а также обоснована целесообразность работы системы с периодически замкнутыми контурами регулирования натяжения.

Разработан способ настройки скоростного режима прокатки, обеспечивающий минимизацию удельного расхода электроэнергии на прокатку заготовки в группе клетей.

В пятой главе дана характеристика непрерывного мелкосортно-проволочного стана 250. Проведен анализ и исследования существующей системы управления, по итогам которых выделено ряд существенных недостатков, влияющих на надежность системы и качество готового сортового проката.

В заключение главы даны технические и программные рекомендации по совершенствованию существующей системы управления с использованием теоретических и практических результатов диссертационной работы.

В приложении представлен расчет частот упругих колебаний элементов электромеханической системы прокатных клетей черновой и промежуточной групп стана 250, приведены результаты компьютерных исследований скоростных режимов прокатки для различных температурных параметров металла.

5.4. Выводы

1. Раскрыты особенности технологического процесса прокатки на мелко-сортно-проволочном стане 250 ОАО "Ижсталь" и даны технические характеристики прокатного оборудования. Прокатка на стане ведется в одну нитку, в черновой и промежуточной группах клетей - с незначительным натяжением (подпором), в чистовой и проволочной группах - с петлей (в трех последних межклетевых промежутках чистовой группы - с прогибом).

2. Проведен анализ существующей системы управления и выявлены ее недостатки, наиболее существенными из которых являются: низкая точность настройки скоростного режима прокатки и отсутствие системы автоматической подстройки соотношения скоростей смежных клетей после прохода первых заготовок; низкое качество системы автоматического регулирования натяжения полосы, непозволяющее поддерживать величину межклетевого натяжения в допустимых пределах; наличие необоснованных динамических усилий, вызванных работой системы автоматического регулирования натяжения в условиях действия помех.

3. Основными мерами, улучшающими качество функционирования системы управления, являются: внедрение систем управления межклетевыми натяжениями с использованием автоматической оптимизации коэффициентов соотношения скоростей и параметров регуляторов натяжения; периодическая работа контуров регулирования натяжения (в режиме настройки прокатного стана), что обусловлено высоким уровнем зашумленности ряда технологических параметров; осуществление настройки энергосберегающего скоростного режима работы стана по разработанному алгоритму; техническая реализация систем управления на базе современной компьютерной техники.

4. Даны рекомендации по технической и программной реализации модернизированной системы управления. Учитывая техническое состояние действующего прокатного оборудования, наиболее целесообразно провести замену аналоговых систем управления главными электроприводами на цифровые, выполненные на базе технических средств фирмы "Siemens", и построить многоуровневую систему управления технологическим процессом. В качестве локальных систем управления, предусматривая сохранение действующих двигателей постоянного тока и силовых трансформаторов, рекомендованы реверсивные комплектные электропривода SIMOREG DC MASTER. Верхний уровень реализуется на технологических контроллерах SIMATIC S7-400, программное обеспечение которых дополнено готовыми рабочими программами, реализующими типовые алгоритмы управления (управление межклетевыми натяжениями, управление скоростным режимом взаимосвязанных электроприводов).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Научная работа посвящена исследованию и совершенствованию существующих систем управления взаимосвязанными электроприводами прокатных клетей непрерывных сортовых прокатных станов. Задачи, поставленные вначале диссертационной работы, отражают основные тенденции развития систем автоматизации сортопрокатного производства. Это неоднократно отмечалось на международных, всероссийских и межвузовских конференциях, где прошла апробация научных результатов работы.

Диссертационная работа включает в себя анализ ныне действующих систем управления, на основании которого выявлены их недостатки и определены основные направления научной работы:

1. Режим прокатки с натяжением, использующийся в черновой и промежуточной группах клетей, во многом определяет качество сортового проката на выходе с линии прокатки. Это объясняется влиянием продольных нагрузок в прокатываемой полосе, возникающих в момент захвата заготовки последующей клетью, на структуру и физико-механические свойства металла. Причинами таких нагрузок, как показали исследования, отсутствие системы автоматической подстройки соотношения скоростей смежных клетей после прохода первых заготовок и не оптимальность, с точки зрения быстродействия, параметров регуляторов натяжения.

2. Экспериментальные исследования на стане 250 выявили интенсивную зашумленность технологических параметров процесса прокатки. В условиях действия помех действующая система регулирования натяжения, отрабатывая эти помехи, вносит ошибку и дестабилизирует технологический процесс. Причинами помех служат нестабильность температурных характеристик и физико-механических свойств проката, состояние поверхности и эксцентриситет валков, разнотолщинность по длине заготовки и т.д. В сложившейся ситуации целесообразно построить работу системы регулирования с периодически работающими контурами регулирования натяжения. Функции управления структурой системы возлагаются на технологический контроллер, управляющий группой клетей.

3. В настоящее время доля затрат на электроэнергию в себестоимости готовой продукции стана 250 составляет 15%. Этот процент может быть снижен за счет проведения организационно-плановых мероприятий, ставящих своей целью сокращение времени простоев прокатного стана между отдельными партиями проката, что успешно реализуется производственными службами металлургических комбинатов. Однако сокращение энергозатрат также может быть достигнуто за счет совершенствования действующей системы управления путем введения системы автоматической оптимизации скоростного режима прокатки.

4. Необходимость организации режима прокатки со свободной петлей (прогибом) в чистовой и проволочной группах клетей обусловлена малым сечением проката и его предрасположенностью к разрывам при незначительных продольных динамических усилиях. Невозможность проведения экспериментальной оценки граничных условий, при которых еще допустимо вести прокатку с натяжением, поставила задачу разработки компьютерных моделей, позволяющих определить величину межклетевых натяжений в наиболее неблагоприятных режимах работы. Как показали исследования чистовой группы клетей металлическая полоса в момент входа металла в последующую клеть испытывает продольные динамические усилия, не приводящие к ее вытяжке или разрыву (сттах = ± 10 Н/мм ). Реализация режима прокатки с натяжением в чистовой группе клетей с использованием системы стабилизации межклетевых натяжений, аналогично той которая применяется в черновой и промежуточной группах клетей, позволит приблизить режим прокатки к режиму свободной прокатки. В этом режиме наблюдается лучшее заполнение калибров и, как следствие, лучшее качество готового сортового проката.

Для решения поставленных задач и проведения исследований первостепенное значение имеет разработка математических моделей, отражающих реальные условия протекания процесса непрерывной прокатки. Разработанные модели процесса прокатки в черновых и чистовых группах клетей непрерывных сортовых прокатных станов, представляют собой совокупность подмоделей отдельных клетей и участков полос металла в межклетевых промежутках. Научная новизна заключается в том, что математические модели с целью повышения их точности и достоверности учитывают упругие связи между отдельными элементами электромеханической системы и имеют переменную структуру в соответствии с меняющимися параметрами процесса прокатки.

Компьютерное моделирование, выполненное в среде MATLAB 6.0 с использованием пакета SIMULINK, позволило провести исследования, позволяющие оценить достоверность разработанных моделей. С целью исследования функционирования разработанных алгоритмов автоматической оптимизации параметров системы регулирования натяжения и скоростного режима прокатки было использовано специализированное программное средство OptSys, которое разработано в дополнение к системе моделирования SIMULINK.

Научная работа проводилась в рамках хоздоговорной работы "Разработка проекта модернизации системы управления приводами стана 250 с переходом на микропроцессорную технику", в следствии чего при моделировании и проведении исследований использовались технологические параметры процесса непрерывной сортовой прокатки, соответствующие действующему мелкосорт-но-проволочному стану 250 ОАО "Ижсталь".

Таким образом, можно сделать следующие выводы по диссертационной работе:

1. Сформулированы требования к системам управления главными электроприводами прокатных клетей, на основании которых обобщены принципы построения данных систем и выявлены тенденции их развития. К последним следует отнести: комплексную автоматизацию технологического процесса прокатки с использованием современной компьютерной техники, снижение динамических нагрузок в металле и приближение режима прокатки к режиму свободной прокатки, снижение энергозатрат на обжатие заготовки и т.д.

2. Разработанны математические и компьютерные модели процесса прокатки на непрерывных сортовых прокатных станах, наиболее точно учитывающие особенности режимов работы взаимосвязанных электроприводов прокатных клетей.

3. В результате экспериментальных исследований, выполненых на мелко-сортно-проволочном стане 250 ОАО "Ижсталь", и по результатам математического моделирования установлены основные недостатки действующей системы управления главными электроприводами прокатных клетей. Выделим следующие недостатки: низкое качество управления скоростным режимом прокатки; отсутствие системы автоматической подстройки соотношения скоростей смежных клетей после прохода первых заготовок; наличие необоснованных динамических усилий, вызванных работой системы автоматического регулирования натяжения полосы в условиях действия помех.

4. Предложен способ и разработано устройство регулирования натяжения в межклетевом промежутке с автоматической подстройкой параметров регулятора натяжения под изменяющиеся параметры электромеханической системы прокатного стана. Параметры, выбранные в процессе наладки электрооборудования прокатного стана, ограничивают быстродействие системы, так как наладчики стремятся исключить влияние упругих колебаний электромеханической системы прокатного стана и добиться высокой устойчивости системы. Реализация системы автоматической оптимизации параметров регуляторов натяжения является альтернативой предложенных решений. Система организуется на базе аппаратных средств, реализующих верхний уровень управления (зональные программируемые контроллеры), а разработанные алгоритмы оптимизации - в виде программных блоков, созданных с помощью конструкций языков высокого уровня, входящих в состав стандартного программного обеспечения. Данная система позволяет снизить продольные динамические нагрузки, возникающие в металле в переходных режимах.

5. Предложены алгоритмы оптимизации коэффициентов соотношения скоростей смежных клетей. Оптимальность настройки соотношения скоростей имеет первостепенное значение и определяет устойчивость режима прокатки с натяжением в переходных режимах. Общеизвестна прямая зависимость между коэффициентом соотношения скоростей и изменением величины момента привода предыдущей клети в результате входа металла в последующую. Помимо этого оценка рассогласования соотношения скоростей может производиться по величине корректирующего сигнала на выходе регулятора натяжения в установившемся режиме прокатки. Данный способ оптимизации соотношения скоростей осуществляет минимальное число итерационных шагов и реализуется в контроллере привода, конфигурация которого расширяется программируемым технологическим модулем. Это соответствует принятой иерархии управления прокатным оборудованием непрерывных сортовых прокатных станов.

6. Разработан способ настройки скоростного режима прокатки, обеспечивающий выбор оптимальной скорости прокатки с точки зрения минимума расхода электроэнергии. Настройка производится по первым заготовкам с помощью программы автоматической оптимизации, которая реализуется в технологическом контроллере. Эта программа на основании оценки энергетического баланса осуществляет оптимизацию управляющего воздействия, поступающего на входы локальных систем регулирования скоростью клетей, с целью минимизации удельного расхода электроэнергии. Данное программно-техническое решение в совокупности с решением задачи снижения динамических усилий прокатки позволит, как показали компьютерные исследования, сократить расход электроэнергии на обжатие заготовки в черновой и промежуточной группах клетей на 2-ь4%.

7. Дано обоснование возможности использования систем управления межклетевыми натяжениями при прокатке тонких сортовых профилей в чистовых группах клетей. Это стало возможным благодаря развитию компьютерной техники, применяемой в современных автоматизированных системах управления технологическими процессами, и высокоточных импульсных датчиков технологических параметров.

8. Даны рекомендации по использованию результатов исследований при модернизации систем управления мелкосортно-проволочным станом 250 ОАО "Ижсталь", основными из которых являются: внедрение предложенных систем управления межклетевыми натяжениями с использованием автоматической оптимизации коэффициентов соотношения скоростей и параметров регуляторов натяжения; включение в работу контуров регулирования натяжения только в режиме настройки прокатного стана; осуществление настройки энергосберегающего скоростного режима работы стана по разработанному алгоритму; техническая реализация систем управления на базе современной компьютерной техники.

1. Сортовые профили проката : справочник / В.В.Лемпицкий и др.. - М. : Металлургия, 1981. - 622 с.

2. Трудов, А.П. Технология прокатного производства : учеб. для вузов /

3. A.П.Грудов, Л.Ф.Машкин, М.И.Ханин. М. : Арт-бизнес-центр : Металлургия, 1994.-651 с.

4. Чекмарев, А.П. Прокатка на мелкосортных станах / А.П.Чекмарев. М. : Металлургия, 1967.-363 с.

5. Прокатные станы : справочник : в 3 т. 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Металлургия, 1992.

6. Кузьменко, А.Г. Мелкосортные станы: состояние проблемы перспективы. / А.Г.Кузьменко. М.: Металлургия, 1996. - 364 с.

7. Технология прокатного производства: справочник : в 2 кн. / М.А.Беняковский и др. ; под ред. В.И.Зюзина, А.В.Третьякова. М. : Металлургия, 1991.

8. Дейнеко, А.Д. Некоторые проблемы производства высококачественного проката / А.Д.Дейнеко // Сталь. 1994. - № 9. - С. 32 - 36.

9. Красневский, С.М. Разрушение металлов при пластическом деформировании / С.М.Красневский, Е.М.Макушок, ВЛ.Щукин ; под ред. А.В.Степанен-ко. Минск : Наука и техника, 1983. - 173 с.

10. Выдрин, В.Н. Автоматизация прокатного производства : учеб. для вузов /

11. B.Н.Выдрин, А.С.Федосиенко. М.: Металлургия, 1984, - 472 с.

12. Автоматизированный электропривод современная основа автоматизации технологических процессов / М.П.Белов, В.А.Новиков, Л.Н.Рассудов, А.А.Сушников // Электротехника. - 2003. - № 5. - С. 12-16.

13. Сушников, А.А. Тенденции развития автоматизированных электроприводов и систем автоматизации непрерывных сортовых прокатных станов / А.А.Сушников ; Санкт-Петербург, гос. электротехн. ун-т. СПб., 2004. -15 с. - Деп. в ВИНИТИ. 13.02.04, № 252-В2004.

14. Никифоров, Г.Р. Энергосбережение и управление энергопотреблением в металлургическом производстве / Г.Р.Никифоров, В.К.Олейников, Б.И.Заславец. М.: Энергоатомиздат, 2003. - 480 с.

15. Бровман, М.Я. Энергосиловые параметры и усовершенствование технологии прокатки / М.Я.Бровман. М.: Металлургия, 1995. - 311 с.

16. Теория прокатки: справочник / А.И.Целиков и др. М. : Металлургия, 1982.-335 с.

17. Белов, М.П. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов / М.П.Белов, В.А.Новиков, Л.Н.Рассудов. М.: Академия, 2004. - 576 с.

18. Pat.US4520642 Japan, IPC В 21 В 37/12. Control device for continuous rolling machine / Ohba Koichi, Okamoto Ken, Ishimura Koichi, Nino Shuneu ; applicant Mitsubishi Electric Corp. US19820425792; 19820928 ; publication date 19850604.

19. Сушников, A.A. Анализ систем управления межклетевыми натяжениями в непрерывных сортовых прокатных станах / А.А.Сушников ; Санкт-Петербург. гос. электротехн. ун-т. СПб., 2004. - 14 с. - Деп. в ВИНИТИ. 13.02.04, №253-В2004.

20. Салганик, В.М. Исследование и совершенствование процесса непрерывной сортовой прокатки с натяжением / В.М.Салганик, Д.Н.Тулупов // Производство проката. 2004. - № 7. - С. 26 - 31.

21. Pat.W09727012, IPC В 21 В 37/52, В 21 В 37/16. System and method for rolling slabs / Bouchillon Milton Skott, Wohld Dietrich ; applicants Siemens AG, Bouchillon Milton Skott, Wohld Dietrich. W01997EP00098; 19970110 ; publication date 19970731.

22. Эффективность деформации сортовых профилей / С.А.Тулупов и др. М.: Металлургия, 1990. - 279 с.

23. Белов, М.П. Автоматизация технологических комплексов средствами компьютеризированных электроприводов: учеб. пособие / М.П.Белов, В.А.Новиков, Л.Н.Рассудов. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2000. - 164 с.

24. Колесников, А.А. Современные методы синтеза систем управления: учеб. пособие / А.А.Колесников, М.Ю.Медведев. Таганрог : Изд-во ТРТУ, 2003.-127 с.

25. Колесников, А.А. Синергетическая теория управления / А.А.Колесников. М.: Энергоатомиздат, 1994.-343 с.

26. Койнов, Т. Развитие и реализация метода оптимизации процесса горячей прокатки стальных полос / Т.Койнов // Производство проката. 2004. -№ 12.-С. 16-20.

27. Пат.55160 Российская Федерация, МПК7 G 05 В 13/02. Адаптивный пропорционально-интегральный регулятор для инерционных объектов / Ка-ладзе В.А., Приходай В.А., Тучинский В.Р. № 2065664/24; заявл. 04.10.74 ; опубл. 25.03.77, Бюл. № 11. - 4 с. : ил.

28. SIMATIC Components for Totally Integrated Automation : Catalog Siemens ST 70,1999.

29. Гуляев, Ю.Г. Математическое моделирование процессов обработки металлов давлением / Ю.Г.Гуляев, С.А.Чукмасов, А.В.Губинский. Киев : Наук, думка, 1986.-238 с.

30. Математическое моделирование процессов обработки металлов давлением: учеб. пособие / под ред. П.И.Полухина. М.: Металлургия, 1983. -351с.

31. Дукмасов, В.Г. Математические модели и процессы прокатки профилей высокого качества / В.Г.Дукмасов, А.В.Выдрин. Челябинск : ЮурГУ, 2002. -214 с.

32. Моделирование и развитие процессов обработки металлов давлением : межрег. сб. науч. тр. Магнитогорск : МГТУ, 2002. — 311 с.

33. Выдрин, В.Н. Расчет давления металла на валки с использованием ЭВМ : учеб. пособие / В.Н.Выдрин, Е.Н.Коршунова. Челябинск : ЧПИ, 1978.-58 с.

34. Чумаченко, Е.Н. Применение конечно-элементного анализа к процессу прокатки в калибрах / Е.Н.Чумаченко, Н.Н.Машкова, С.А.Тулупов // Вестник машиностроения. 1998. - № 3. - С. 35-43.

35. Дмитриев, А. М. Анализ решений, выполненных методом конечных элементов / А.М.Дмитриев, А.Л.Воронцов // Производство проката. 2004. -№4.-С.З- 11.

36. Теоретические основы обработки металлов давлением : в 2 т. / Б.М.Илюкович и др. ; под ред. Б.М.Илюковича. Днепропетровск : РВА "Дншро-ВАЛ", 2002.

37. Теория пластических деформаций металлов / Е.П.Унксов и др. ; под ред. Е.П.Унксова, А.Г.Овчинникова. М. : Машиностроение, 1983. - 588 с.

38. Прокатное производство : учеб. для вузов / П.И.Полухин и др. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1982. - 696 с.

39. Рокотян, С.Е. Теория прокатки и качество металла / С.Е.Рокотян. М. : Металлургия, 1981.-223 с.

40. Теория прокатки крупных слитков / А.П.Чекмарев и др. М. : Металлургия, 1968. —251 с.

41. Клименко, В.М. Кинематика и динамика процессов прокатки / В.М.Клименко, А.М.Онищенко. М.: Металлургия, 1984. - 232 с.

42. Дружинин, Н.Н. Непрерывные станы как объект автоматизации / Н.Н.Дружинин. М.: Металлургия, 1967. - 260 с.

43. Сушников, А.А. Определение модели электромеханических систем непрерывных сортовых прокатных станов с учетом энергосбережения / А.А.Сушников, М.П.Белов // Изв. СПбГЭТУ "ЛЭТИ". Сер. "Электротехника" /

44. Санкт-Петербург, гос. электротехн. ун-т. СПб. : Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2003. - Вып.1. - С. 23 -28.

45. Автоматизация непрерывных мелкосортных станов / А.В.Праздников и др. М.: Металлургия, 1975. - 215 с.

46. Динамика и прочность прокатного оборудования / Ф.А.Иванченко и др. М.: Металлургия, 1970. - 487 с.

47. Кожевников, С.Н. Динамика машин с упругими звеньями / С.Н.Кожевников. Киев. Изд-во АНУССР, 1961. - 160 с.

48. Борцов, Ю.А. Автоматизированный электропривод с упругими связями / Ю.А.Борцов, Г.Г.Соколовский. 3-е изд., перераб. и доп. - СПб. : Энерго-атомиздат, 1992. - 288 с.

49. Адамия, Р.Ш. Оптимизация динамических нагрузок прокатных станов / Р.Ш.Адамия. М.: Металлургия, 1978. - 232 с.

50. Справочник по автоматизированному электроприводу / Под ред. В.А.Елисеева, А.В.Шинянского. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 616 с.

51. Новиков, В.А. Анализ и синтез типовых взаимосвязанных электромеханических систем: учеб. пособие / В.А.Новиков. Л.: ЛЭТИ, 1983. - 80 с.

52. Ковчин, С.А. Теория электропривода: учеб. для вузов / С.А.Ковчин, Ю.А.Сабинин. СПб.: Энергоатомиздат, 1994. - 496 с.

53. Дьяконов, В. MATLAB. Анализ, идентификация и моделирование систем : спец. справ / В.Дьяконов, В.Круглов. СПб. : Питер бук, 2002. - 444 с.

54. Гультяев, А. Визуальное моделирование в среде Matlab : учеб. курс / А.Гультяев. СПб.: Питер бук, 2000. - 430 с.

55. Белов, М.П. Компьютерные методы оптимизации / М.П.Белов // Изв. СПбГЭТУ "ЛЭТИ". Сер. "Электротехника" / Санкт-Петербург, гос. электротехн. ун-т. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2004. - Вып.1. - С. 12 - 19.

56. Габасов, Р.Ф. Методы оптимизации / Р.Ф.Габасов, Ф.М.Кириллова. -Минск: Изд-во БГУ, 1981.-350 с.

57. Банди, Б. Методы оптимизации. Вводный курс / Б.Банди ; пер. с англ. О.В.Шихеевой ; под ред. В.А.Волынского. М.: Радио и связь, 1988. - 128 с.

58. Новиков, В.А. Автоматическая оптимизация режимов работы электроприводов / В.А.Новиков, А.А.Сушников // Изв. СПбГЭТУ "ЛЭТИ". Сер. "Электротехни-ка" / Санкт-Петербург, гос. электротехн. ун-т. СПб. : Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2004. - Вып.1. - С. 3 - 12.

59. Оптимизация прокатного производства / А.Н.Скороходов и др. М. : Металлургия, 1983. - 432 с.

60. Автоматизация типовых технологических процессов и установок : учеб. для вузов / А.М.Корытин и др. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 432 с.

61. Литовченко, Н.В. Калибровка профилей и прокатных валков / Н.В.Литовченко. М.: Металлургия, 1990. - 430 с.

62. Берковский, B.C. Теоретические основы и расчет калибровки валков сортовых прокатных станов : учеб. пособие / В.С.Берковский. — М. : Учеба, 2003. 103 с.

63. Оценка энергосиловых параметров прокатки и оценка резервов основного технологического оборудования проволочного стана 150 РУП "Белорусский металлургический завод" / С.М.Жучков и др. // Производство проката. 2003. - № 8. - С. 19 - 24.

64. SIMOREG DC MASTER 6RA70. Digital Chassis Converters : Catalog DA 21.1. 2001.