автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Разработка моделей и алгоритмов для усовершенствования системы автоматического сопровождения сварных соединений на станах бесконечной холодной прокатки

На правах рукописи

СМЫСЛОВА АЛЕНА ЛЕОНИДОВНА

□□3448892

РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ И АЛГОРИТМОВ ДЛЯ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО СОПРОВОЖДЕНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ НА СТАНАХ БЕСКОНЕЧНОЙ ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 Я АКТ 2008

Череповец, 2008

003448892

Работа выполнена в Череповецком государственном университете

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Харахнин Константин Аркадьевич Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки и техники РФ, Гарбер Эдуард Александрович - кандидат технических наук

Царев Владимир Александрович Ведущая организация - ЗАО «Фирма «СТОИК»

Защита диссертации состоится «31» октября 2008 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.297.02 в Череповецком государственном университете.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Череповецкого государственного университета по адресу: 162600, г. Череповец Вологодской обл., пр.Луначарского, 5.

Автореферат разослан « 2в»сеИТЯЪр<$ 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета __ К.А. Харахнин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

При производстве холоднокатаного листа на станах бесконечной холодной прокатки существует ряд проблем, связанных с обработкой полосы со сварными соединениями.

Необходимым условием прокатки сварного шва является снижение рабочей скорости полосы с 25-27 м/с до скорости пропуска шва, составляющей 2,5-5 м/с на выходе стана. Раннее снижение скорости полосы ведет к потере производительности оборудования, позднее - приводит к попаданию сварного шва в первую клеть стана на недостаточно сниженной скорости, что в свою очередь является причиной обрывов полосы, простоев оборудования и порчи дорогостоящих рабочих валков.

В хвостовой части стана межрулонные сварные соединения подлежат вырезке. Подсистема слежения стана бесконечной холодной прокатки 1700 ПХЛ ЧерМК ОАО «Северсталь» обеспечивает поперечный рез полосы, с погрешностью ±2.5 м, что приводит к существенным потерям металла в обрезь.

Существующие подсистемы слежения за сварным швом, входящие в АСУ ТП стана, работают с погрешностями, возникающими по ряду причин. В головной части стана расчет координаты шва осуществляется на основе данных о текущем запасе полосы в петлевом устройстве, полученных от кодового датчика, сигнал которого пропорционален положению тележки петлевого устройства. Движение тележки петлевого устройства посредством лебедки при формировании и расходовании запаса полосы приводит со временем к вытягиванию троса, соединяющего тележку петлевого устройства и лебедку. При изменении длины троса, а также при выборе провисаний полосы после останова стана, кодовый датчик тележки формирует сигнал, не соответствующий фактическому запасу полосы в петлевом устройстве, что требует постоянной корректировки показаний датчика и ведет к погрешности при определении координаты сварного шва в головной части стана.

Слежение за сварным швом при его прохождении через рабочие клети стана осуществляется косвенным методом по аналитическим зависимостям в функции вытяжки полосы между первой и пятой клетями. Расчетный метод является источником значительной ошибки в определении координаты местоположения шва, особенно при обработке рулонов с колебаниями физико-механических свойств, разнотолщинности подката, а также в связи с различием свойств металла шва и стыкуемых полос. На точность поперечного реза

полосы также влияют инерционности летучих ножниц и подсистемы управления ими.

Таким образом, повышение точности слежения за координатой сварного шва в головной части и на выходе полосы из стана путем разработки новых алгоритмов работы подсистемы слежения и применения новых методов прямого контроля за положением шва является актуальной научной задачей.

Цель работы: повышение точности и надежности определения координаты сварных соединений на станах бесконечной холодной прокатки

В соответствии с этим в работе поставлены следующие основные задачи:

1. Разработать математическую модель процесса формирования запаса и расхода полосы в петлевом устройстве непрерывного агрегата.

2. Разработать функциональную схему устройства управления летучими ножницами с учетом их инерционности и его имитационную модель.

3. Экспериментально исследовать сигналы сварных швов, характеристики сигналов технологических параметров на пятиклетьевом стане бесконечной холодной прокатки 1700 ПХЛ ЧерМК ОАО «Северсталь».

4. Разработать подсистему слежения с повышенной точностью определения координат сварных соединений на стане бесконечной холодной прокатки.

5. Определить оптимальные скоростные режимы прокатки в функции толщины подката с целью повышения производительности.

Методы исследований.

Для решения поставленных в работе задач использованы методы теоретической механики, математического и имитационного компьютерного моделирования, аппарат математической статистики, основы теории построения алгоритмов, элементы теории управления. В процессе эксперимента использовалась программа ЛаАНАЬУгЕЯ, которая записывает все входные и управляющие сигналы прокатного стана в режиме реального времени. Исследование разработанных математических и имитационных моделей проводилось с применением пакета \latLab и среды БшиНпк.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

1. Впервые разработана и исследована математическая модель процесса расходования и формирования запаса полосы в петлевом устройстве непрерывного агрегата.

2. Разработана новая методика расчета текущего запаса полосы в петлевом устройстве непрерывного агрегата.

3. Разработаны подсистема слежения за координатами сварных соединений с повышенной точностью контроля и алгоритм ее работы.

4. Разработана имитационная модель подсистемы слежения за координатами сварных швов.

5. Впервые была аналитически получена целевая функция для определения оптимальных скоростных режимов работы стана бесконечной холодной прокатки в функции толщины подката с целью обеспечения максимальной производительности.

Практическая ценность.

Комплексное исследование параметров технологического процесса позволило повысить точность контроля, выявить резервы повышения производительности станов бесконечной холодной прокатки и разработать подсистему слежения за координатами сварных соединений.

Разработанные математические модели и алгоритмы могут быть использованы при проектировании головной части станов бесконечной холодной прокатки и других непрерывных агрегатов металлургического производства, а также в системе АСУ ТП.

Определено условие гарантированного обнаружения сигнала шва толщиномером и разработан формирователь импульсов, позволяющий выделить сигнал шва на фоне разнотолщинности полосы.

Разработано устройство управления режущим механизмом при прокатке металла со сварным швом (Патент №56245, опубл. в Б.И. №25, 2006).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на Международной конференции:

- «Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства» (г. Череповец, 2005 г.)

а также на научно-технических семинарах кафедры автоматизации и систем управления Череповецкого государственного университета.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК, 1 патент РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Содержит 174 страницы основного

текста, включая 64 страницы приложений, 69 рисунков, 8 таблиц, список литературы из 40 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цель и задачи исследования, перечислены методы исследования, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены виды сварных соединений, предложена их классификация, выявлены проблемы, возникающие при обработке металла со сварными соединениями.

Ведущими учеными, проводившими исследования в области прокатки металла со сварными соединениями являются B.JI. Мазур, Э.А. Гарбер, Ю.С. Чернобривенко, Г.Л. Химич, В.И. Мелешко, В.В. Акишин, A.B. Ноговицын, А.П. Чекмарев, А.И Добронравов.

Согласно опубликованным результатам исследований, можно выделить две группы факторов, наиболее влияющих на прокатываемость швов: к первой группе относятся геометрические и физико-механические параметры шва и стыкуемых полос, ко второй - технологические параметры прокатки.

Рассмотрены различные способы прокатки полосы со сварными соединениями, каждый из которых предусматривает обнаружение сварного соединения и слежение за его координатой при подходе к первой клети стана, в межклетевых промежутках и на выходе стана.

Изучены конструкции петлевых устройств непрерывных агрегатов и приведена их классификация, согласно которой петлевые устройства отличаются друг от друга, в основном, способом заправки полосы (горизонтальные, вертикальные и комбинированные), количеством петель для накопления полосы металла и возможным запасом полосы.

Проведен анализ систем слежения за координатой сварного шва на станах бесконечной холодной прокатки. На основании анализа рассмотренных систем слежения за координатой сварного шва на станах бесконечной прокатки сделаны следующие выводы:

1. Существующие методы определения запаса полосы в петлевом устройстве основываются на сигнале датчика положения тележки петлевого устройства, который не всегда соответствует действительному запасу полосы.

2. Определение координаты сварного шва осуществляется по сигналам датчиков контрольных отверстий. Надежность обнаружения шва такими датчиками низка вследствие тяжелых эксплуатационных условий, в которых они находятся.

3. Расчетный косвенный метод слежения за сварным швом при его движении по стану до участка вырезки не точен в связи с отличием физико-механических свойств шва и стыкуемых полос и наследственной разнотолщинности подката.

Во второй главе изложены методика и результаты экспериментального исследования работы головной части стана бесконечной холодной прокатки 1700 ПХЛ ЧерМК ОАО «Северсталь». Выявлено, что на запас полосы в петлевом устройстве влияют скорости входной и выходной приводных станций, относительная погрешность при определение запаса полосы в петлевом устройстве составляет 3.2%, точность определения запаса влияет на точность определения координат сварных соединений.

Был произведен анализ потерь производительности стана бесконечной холодной прокатки при обработке металла со сварными соединениями с использованием методики, предложенной Г.Л. Химичем, A.B. Третьяковым, Э.А. Гарбером и М.А. Макаровой для станов непрерывной холодной прокатки. Анализ показал, что точное определение координаты местоположения сварного соединения и своевременное снижение скорости прокатки является резервом повышения производительности стана холодной прокатки.

Для разработки математической модели процесса формирования и расходования запаса полосы в петлевом устройстве непрерывного агрегата были рассмотрены упрощенная схема заправки петлевого устройства (рис.1) и скоростные режимы работы головной части стана (рис.2).

В общем случае текущая длина полосы металла от стыкосварочной машины до первой клети может быть определена по выражению:

^тп ~ Lcomt + Lnem гаах - AZ, , (1)

где i - неизменяемая длина полосы головной части стана;

^const

г - максимальный размер петли при нахождении тележки

пет max 14 А

петлевого устройства слева; L И1 = Z3 + L4.

AL = 2-x- изменяемая длина петли, (2)

где х - перемещение тележки петлевого устройства (рис. 1).

Изменяемая длина петли выражается через скорость приводных станций

как:

AL = '](V2(t)-VMdt> (3)

о

где t„ - момент времени определения изменяемой длины петли.

Рис.1. Упрощенная схема заправки петлевого устройства.

1 - рулон металла, подготовленный для обработки, 2 - рулон обрабатываемого металла; 3 - стыкосварочная машина, 4 - входная приводи станция; 5, 7, 9, 10 - направляющие ролики, обеспечивающие нужную геометрию движения металла; 6 - ролик петлевого устройства, 8 - выходи приводная станция; 11 - тележка петлевого устройства; 12 - трос;13 - барабан для намотки троса; 14 - электродвигатель; Т- натяжение в ветви полос Ттр,1С - натяжение троса, К; - линейная скорость металла на входе петлевого устройства, V, - линейная скорость металла на выходе петлево устройства, ¿1 - £» - длины соответствующих участков; X— линейное перемещение ролика петлевого устройства

В тоже время изменяемая длина, в общем случае, может быть выражена через линейную скорость тележки петлевого устройства:

М = п-х = п-Ух-1, (4)

где п - число ветвей петлевого устройства; (п = 2, 4, 6...), Ух - линейная скорость перемещения тележки петлевого устройства.

Выражения, позволяющие определять запас полосы в петлевом устройстве в текущие моменты времени представлены в таблице 1.

Координата местоположения шва относительно первой клети определяется по выражению:

(5)

где ]_'шп - текущий запас полосы на момент окончания сварки, /т- момент времени определения координаты сварного шва.

С = 4», + кет ш " }(Г2(<)- К(1))'<Ь> (6)

О

¡з - время, соответствующее моменту окончания сварки шва. В установившемся режиме

5 = (7)

где г - время от момента окончания сварки до момента определения координаты шва.

Для исследования математической модели была разработана имитационная модель подсистемы слежения за координатами сварных соединений в головной части стана в среде 8шш1шк пакета МаИлЬ. Исследование модели показало, что емкость петлевого устройства может оказывать влияние на скоростные режимы прокатки. Если на момент начала сварки не будет накоплен максимальный запас длины полосы, то при определенной длительности сварки запас будет полностью израсходован, и стан будет вынужденно простаивать. Так, например, при скорости на входе стана 5 м/с длительность сварки не должна превышать 130 с при максимальном накопленном запасе полосы в петлевом устройстве 600 м.

Таким образом, разработана математическая модель процесса формирования и расходования запаса полосы в петлевом устройстве головной части стана бесконечной холодной прокатки; разработана и исследована имитационная модель подсистемы слежения за координатами сварных соединений на станах бесконечной холодной прокатки, позволяющая при различных линейных скоростях входной и выходной приводных станций определять текущий запас в петлевом устройстве, скорость тележки петлевого

устройства и координату местоположения сварного шва относительно первой клети стана в любой момент времени. Анализ потерь производительности стана бесконечной холодной прокатки при обработке полосы металла со сварными соединениями показал, что точное определение координаты сварного шва является резервом повышения производительности стана (минимум 1500 т/год).

У2, V,

Рис. 2. Скоростные режимы головной части стана при расходе и образовании запаса полосы в петлевом устройстве.

Таблица 1. Выражения для определения запаса полосы в петлевом устройстве в текущие интервалы времени

Временной интервы ДI. i Условия движения

t<Hi 0 ^la-tx ^const ^nenuu.mdx ]Tmroc = n T + Fmp

trh 1 2 L - L +L 'i)2 ti+ti const '-'петли шах ^ f 0< F, < K, 1« T>Tmpoc + Fmp

UM, V2-(t3-t2) + c2

[0< F, < F,

U-ti (u -o2

45,,6 = Lu_ls - (4 ~/s) | •j = com/ = V\ + n l 't

t6*7 3 2 W2<Vx<V2+n-Vx 1 Tmpoc>n-T + Fmp

В третьей главе с помощью программы ¡ЬаАпаНгег проведено исследование сигналов технологических параметров на выходе стана бесконечной холодной прокатки 1700 ПХЛ ЧерМК ОАО «Северсталь». Межрулонные швы подлежат вырезке на выходе стана. Существующая подсистема слежения, основанная на косвенном методе определения координат сварных соединений, позволяет осуществить поперечный рез полосы металла с абсолютной погрешностью ±2.5 м.

Осциллограммы технологических параметров, полученные в момент прохождения сварного шва через клети стана, приведены на рис. 3. Скачки толщины показывают прохождение шва через межклетевые промежутки. По осциллограммам установлено, что поперечный рез металла осуществляется в момент нахождения шва в четвертой клети стана, а не на выходе. В этот момент натяжение за пятой клетью падает до нуля. Установлено что фактический рез полосы осуществляется позже, чем подача сигнала на рез от АСУ стана. Это связано с инерционностью летучих ножниц и системы управления ими. Статистический анализ экспериментальных данных показал, что время отработки АСУТП сигнала «рез» составляет 1=0.88±0,05с, что существенно влияет на точность реза. Эксперимент выявил возможность прямого контроля за швом с помощью толщиномера, установленного за пятой клетью стана.

Разработана функциональная схема устройства управления летучими ножницами (рис.4) с повышенной точностью реза металла при прохождении шва, позволяющая учесть инерцию исполнительного механизма - летучих ножниц и инерцию подсистемы управления летучими ножницами (патент №56245). На рис.4, приняты следующие обозначения: 1- датчик шва; 2 -импульсный датчик скорости прокатки; 3 - последняя клеть стана 1700; 4 -система управления приводом летучих ножниц; 5- летучие ножницы; 6 -моталка на выходе стана; 7 - реверсивный счетчик импульсов; 8 - блок вычисления скорректированного значения длины 1скор; 9 - сварной шов.

Для того, чтобы осуществить рез как можно ближе к сварному шву, необходимо учесть инерцию летучих ножниц. Для этого в подсистеме рассчитывается скорректированное значение 1Скпр , позволяющее определить момент подачи сигнала на рез. Подсистема адаптивна к скорости движения шва.

I =1 -V -I > (8)

^с кор тех раб сит

£тех - расстояние от толщиномера до летучих ножниц (рис.4);

Ураб - скорость движения металла со швом;

1сист - время, учитывающее инерционность подсистемы управления летучими ножницами и самих летучих ножниц.

Рис. 3. Осциллограммы технологических параметров.

Импульс ре за от АСУ

Фактический рез полосы ножницами

Фактическое натяжежие за 5-й кл. от АСУ (тонн)

Рис. 4. Функциональная схема устройства управления летучими ножницами.

Статистическая обработка экспериментальных данных показала, что для обнаружения шва необходимо продифференцировать сигнал, получаемый с толщиномера, установленного за пятой клетью. Условие гарантированного обнаружения шва по сигналу с толщиномера:

dH

dt

>40, (9)

ГДе [J — ^ т< ^тек ,

Нтеь

Н - относительное отклонение толщины полосы металла на выходе пятой клети (сигнал толщиномера);

Нюа - заданная толщина металла на выходе пятой клети;

Нтек - текущая толщина полосы металла.

Для выделения сигнала сварного шва на фоне разнотолщинности полосы разработан формирователь импульсов, функциональная схема которого приведена на рис.5., приняты следующие обозначения: Фи - формирователь импульсов, Н - толщиномер на выходе стана, Диф - дифференциатор, Kl, К2 -компараторы, +Unop, -Unop - пороговые напряжения, соответствующие условию обнаружения шва, элемент & выполняет логическую функцию «И». Формирователь импульсов дифференцирует сигнал с толщиномера, и если

значение производной превышает пороговые значения +ипор и -ипор , то компараторы К1 и К2 формируют сигналы на элемент «&», на выходе которого возникает сигнал на рез полосы.

На работоспособность разработанной подсистемы оказывают влияние такие технологические параметры как скорость пропуска шва на выходе стана, технологическое расстояние от толщиномера до летучих ножниц, зашумленность сигнала толщиномера, наличие дефектов полосы, а также инерционность подсистемы управления летучими ножницами и самих летучих ножниц.

Рис. 5. Функциональная схема формирователя импульсов.

Для проверки работоспособности разработанной подсистемы с реальными технологическими параметрами разработана имитационная модель подсистемы управления летучими ножницами с повышенной точностью реза полосы металла. Структурная схема имитационной модели представлена на рис.6.

Рис. 6. Структурная схема имитационной модели подсистемы управления летучими ножницами с повышенной точностью реза.

Модель формирует сигналы, соответствующие экспериментальным данным, полученным с помощью программы ЛаАпаИгег: сигнал отклонения толщины металла на выходе пятой клети в относительных и абсолютных единицах, производную сигнала отклонения толщины металла, а так же имитирует работу устройства управления летучими ножницами и формирователя импульсов ФИ.

Модели, разработанные в данной главе диссертации позволяют исследовать работу хвостовой части стана бесконечной холодной прокатки при различных технологических параметрах и проверить работоспособность подсистемы управления летучими ножницами при различной инерционности исполнительного механизма и подсистемы управления исполнительным механизмом.

Исследование имитационной модели показало, что при инерционности подсистемы ¿сцал=0.88±0,05 с и £„„=2,7 м точный рез по шву достигается при скорости пропуска шва на выходе стана до 3 м/с; при скоростях свыше 3 м/с появляется погрешность при поперечном резе полосы и при скорости 3.6 м/с достигает 0.64 м.

В четвертой главе представлена разработанная подсистема слежения за координатами сварных соединений, функциональная схема которой показана на рис.7. Подсистема содержит в своем составе: 1 - датчик травильных швов Дф; 2 - датчик межрулонных швов Дмр; 3, 4, 5 - импульсные датчики для измерения соответственно линейных скоростей полосы V/, У2 - входной и выходной приводных станций головной части и Ураб - рабочей скорости полосы на выходе стана; 6, 7, 8 - задатчики длин соответственно: Ьтр -расстояние от датчика Дтр травильных швов до стыкосварочной машины (СМ), ¿а»»/ - неизменяемая длина полосы металла от СМ до первой клети стана, ^тттах - максимальная длина петли петлевого устройства (ПУ); 9 -формирователь импульса сигнала сварного шва; 10 - подсистема управления летучими ножницами ЛН; 11 - подсистема управления скоростью прокатки, 12 - подсистема слежения за координатами сварных швов. Подсистемы 10, 11 и 12 входят в состав общей системы управления и реализованы на базе программируемого логического контроллера.

Алгоритм работы разработанной подсистемы представлен на рис.8.

Работоспособность подсистемы слежения за координатой местоположения сварных швов была проверена методом имитационного моделирования с применением пакета БшиНпк. Исследование модели показало, что подсистема обеспечивает слежение за координатами 8 сварных швов в головной части, позволяет распознавать сварные швы и своевременно

менять режим прокатки с рабочего на режим пропуска шва, а так же в зависимости от типа шва осуществлять или нет поперечный рез полосы.

Рис. 7. Функциональная схема подсистемы слежения за координатами сварных швов.

В главе была аналитически получена целевая функция для определения оптимальных скоростных режимов работы стана бесконечной холодной прокатки в функции толщины подката, обеспечивающих максимальную производительность.

В зависимости от толщины подката расстояния между швами в рулоне имеют различные значения. Это оказывает влияние на длительности режимов работы стана на рабочей скорости и на скорости пропуска шва, что в свою очередь влияет на среднюю скорость прокатки.

Процесс прокатки характеризуется пятью скоростными режимами, представленными на рис. 9, где: 1 - рабочий режим, при котором прокатка ведется на рабочей скорости; 2 - режим снижения скорости перед входом шва в первую клеть стана; 3 - режим прокатки сварного межрулонного шва на

сниженной скорости; 4 - режим разгона до рабочей скорости; 5 - режим работы при прохождении травильного шва.

Рис.8. Алгоритм работы подсистемы слежения за координатами сварных

швов.

31:20:30 51:21:30 01:22.33 5123:30 3124:30 0::2*:ЗС 01:2*30 3127:30 3128:30

Рис. 9.Осциллограммы скоростных режимов работы стана при прохождении травильных и межрулонных шов.

На осциллограммах также показан импульс реза полосы ножницами при прохождении межрулонных швов, причем при прохождении травильных швов рез не осуществляется.

Представим изменение скорости прокатки при прохождении сварного

сварного шва

Получим выражение, позволяющее рассчитать среднюю скорость прокатки при различных технологических параметрах.

На стан бесконечной холодной прокатки поступают укрупненные рулоны, полученные путем сварки трех горячекатаных полос, т.е. каждый рулон включает в себя два травильных шва.

Длина рулона, состоящего из трех сваренных полос, до обработки в клетях стана определяется из выражения:

<10>

р-В-к

где М- масса рулона, р - плотность металла, В - ширина полосы, И - толщина полосы.

Принимая длины полос в рулоне равными, выразим длину одной полосы в рулоне до обработки:

(И)

" 3

Длина рулона после обжатия в клетях стана увеличивается и зависит от коэффициента вытяжки к:

1робр=Ьр-к. (12)

Аналогично запишем выражение для длины полосы металла в рулоне после обработки:

кобр = £п-к- (13)

Период следования швов включает в себя время работы стана на рабочей скорости Т0, время пропуска шва на пониженной скорости а также время разгона с пониженной скорости до рабочей и время торможения. Время работы стана на скорости пропуска шва:

I •к

* стана (,

1шва у '

шва

где Ьста„а - длина стана (21,5 м);

У шва ~ скорость пропуска шва. Время разгона и торможения при равных максимальных допустимых ускорениях запишем в виде:

где Урай - рабочая скорость прокатки;

а - максимальное допустимое ускорение (торможение). За время работы на пониженной скорости будет прокатана длина металла

^шва ^шва ^шва ' 0

Подставив в формулу (16) выражение (14) и выполнив преобразования получим:

^шва ~ Ьстана ' ^ '

В режиме снижения скорости и в режиме разгона будет прокатана следующая длина полосы:

л

т —Т —у .г Р"3* ИВ"!

сниж ~ разг ~ раб 1 разе ^ '

Оставшаяся длина полосы будет прокатана на рабочей скорости:

Ьрав = обр ~ Ьшва — 2 • Ьразг. (19)

Тогда время работы на рабочей скорости

г (20)

0" V

раб

Определим период следования швов:

Т = Тй+2-1разг+(ша. (21)

Обозначим 1разгМснюк+Т0=Т,

Тогда среднюю скорость прокатки можно определить из следующего выражения:

у = у + (у -У )Т° + Т> . (22)

' ср шва V раб шва) ^ у

Таким образом, целевая функция имеет вид:

V (у )= V +(у -V V

ср V раб / шва \ раб шва)

т0+тх

• тах

(23)

2 Т

Накладываемые ограничения определяются неравенствами: 2м/с < Гра6 <30м/с ; 0М2м < И < 0.006м;

\м<В<2м-, М< 30000кг;

а < 2.5м/с2.

Тогда оптимальной рабочей скоростью будет та, при которой будет достигаться максимальная средняя скорость прокатки. Наибольшее влияние на изменение средней скорости прокатки оказывает изменение толщины подката. На рис.11 представлена зависимость оптимальной скорости прокатки от толщины подката при М=30000 кг; .В=1.5м; а=0.5м/с2.

0 002 0 0025 0 003 0 0035 0 004 0 0045 0 005 0 0055 0 006 Ь, толщина

Рис. 11. Зависимость оптимальной скорости прокатки от толщины подката.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Впервые разработана математическая модель процесса формирования и расходования запаса полосы в петлевом устройстве непрерывного агрегата, позволяющая описать работу петлевых устройств различного типа.

2. Впервые разработано устройство управления летучими ножницами на выходе стана бесконечной холодной прокатки с повышенной точностью поперечного реза полосы на основе прямого контроля за местоположением сварного шва.

3. Проведенный анализ экспериментальных данных, полученных на стане бесконечной холодной прокатки 1700 ПХЛ ОАО ЧерМК «Северсталь» и их статистическая обработка позволили выявить условие гарантированного обнаружения сварного шва с помощью толщиномера, установленного на выходе стана: нижний предел производной сигнала отклонения толщины полосы металла

находится в промежутке дЯ5т„ = [-49,4±6,09]%/с. а верхний - в пределах дя^^ =[43,9±5,92]%/с- Определена инерционность подсистемы управления летучими ножницами и самих летучих ножниц: /сиш =[0.88±0.05] с.

4. Впервые разработаны и исследованы имитационные модели подсистем слежения за координатами сварных соединений в петлевом устройстве, на выходе стана, устройства управления летучими ножницами.

5. Исследование имитационной модели устройства управления летучими ножницами показало, что при инерционности устройства Iсист=0.88±0,05 с точный рез по шву достигается при скорости пропуска шва на выходе стана до 3 м/с; при скоростях выше указанной погрешность при поперечном резе полосы может достигать 0.64 м. Разработанное устройство позволяет снизить погрешность на 74 %.

6. Разработана функциональная схема подсистемы слежения за координатами сварных соединений и алгоритм ее работы. Использование в алгоритме разработанных математических выражений позволяет снизить погрешность в определении координаты сварного соединения в петлевом устройстве на 1% и повысить производительность стана за счет своевременного снижения скорости прокатки до скорости пропуска шва.

7. Впервые была аналитически получена целевая функция для определения оптимальных скоростных режимов работы стана бесконечной холодной прокатки в функции толщины подката.

8. Разработанные модели и алгоритмы могут быть использованы в АСУ ТП станов бесконечной холодной прокатки, позволят повысить производительность и снизить количество отходов металла.

Список публикаций по теме диссертации по перечню ВАК:

1. Смыслова А.Л., Харахнин К.А., Плашенков В.В. Математическое и имитационное моделирование процесса движения полосы в петлевом устройстве непрерывного агрегата // Производство проката. - 2007. - № 10, С. 38-42.

в прочих изданиях:

2. Харахнин К.А., Смыслова А.Л., Плашенков В.В. Подсистема управления станом бесконечной холодной прокатки при прохождении сварных соединений // Технология машиностроения. Машиностроение. - 2007. - № 6, С.61-64

3. Харахнин К.А., Лабазнов Д.Н., Смыслова А.Л. Повышение точности реза холоднокатаных полос в системе сопровождения сварного шва на непрерывном стане // Вестник Череповецкого государственного университета. Естественные и технические науки. - 2005. - №2. - С.99-102.

4. Смыслова А.Л., Харахнин К.А. Скоростные режимы процесса движения полосы в петлевом устройстве непрерывного агрегата // Вестник Череповецкого государственного университета. Естественные и технические науки. - 2006. - №2,- С.70-74.

5. Смыслова А.Л., Харахнин К.А., Лабазнов Д.Н. Патент на полезную модель №56245. Устройство управления режущим механизмом при прокатке металла со сварным швом. Опубл. в Б.И. №25, 10.09.2006.

6. Смыслова А.Л., Харахнин К.А.. Исследование сигналов межрулонного шва при его прохождении через пятиклетевой стан холодной прокатки // Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства: Материалы Международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию ОАО «Северсталь». - Череповец: ЧГУ, 2005. - С.150-153.

Лицензия А № 165724 от 11 апреля 2006 г.

Подписано к печати 26 09.08г Тир 100. Уел печ л 1. Формат 60х84'/|6 Зак .

ГОУ ВПО «Череповецкий государственный университет» 162600 г Череповец, пр. Луначарского, 5.

Введение.

Глава 1. Особенности обработки полосы металла со сварными соединениями на станах бесконечной холодной прокатки.

1.1. Оборудование станов бесконечной холодной прокатки.

1.1.2. Виды сварных соединений.

1.1.3. Проблемы, возникающие при прокатке сварных соединений.

1.1.4. Конструкции петлевых устройств.

1.2. Анализ систем слежения за координатой сварного шва на станах бесконечной холодной прокатки.

1.3. Постановка цели и задач исследования.

Глава 2. Аналитическое, экспериментальное исследование и моделирование подсистемы слежения за координатами сварных соединений в головной части стана бесконечной холодной прокатки.

2.1. Экспериментальное исследование работы головной части пятиклетьевого стана 1700 ПХЛ ОАО «Северсталь».

2.2. Анализ потерь производительности стана бесконечной холодной прокатки при обработке металла со сварными соединениями.

2.3. Математическое описание процесса расхода и образования запаса полосы в петлевом устройстве.

2.4. Разработка имитационной модели подсистемы слежения за координатой сварного шва в головной части стана.

2.4.1. Разработка структуры имитационной модели.

2.4.2. Имитационное моделирование процесса движения полосы в петлевом устройстве непрерывного агрегата.

Глава 3. Разработка функциональной схемы и имитационной модели устройства управления летучими ножницами и экспериментальное исследование сигналов сварных соединений на выходе пятиклетевого стана бесконечной холодной прокатки 1700 ПХЛ ЧерМК ОАО «Северсталь».

3.1. Устройство управления летучими ножницами с повышенной точностью реза.

3.2. Определение условия обнаружения шва толщиномером.

3.2.1.Определение среднестатистических значений толщины полосы металла.

3.2.2. Составление интервального статистического ряда значений времени запаздывания системы управления.

3.3. Разработка формирователя импульсов.

3.4.Моделирование в среде Simulink пакета MatLab сигнала, снимаемого толщиномером при выходе из пятой клети.

3.5.Разработка имитационной модели устройства управления летучими ножницами с повышенной точностью реза полосы в.

Глава 4. Разработка системы слежения за координатами сварных соединений и оптимизация скоростных режимов стана бесконечной холодной прокатки в функции частоты следования швов.

4.1. Разработка функциональной схемы и алгоритма работы системы слежения за координатами сварных швов на стане бесконечной холодной прокатки.

4.2. Разработка имитационной модели системы слежения за координатой сварного шва.

4.3. Имитационное моделирование процесса сопровождения сварных швов на стане бесконечной холодной прокатки.

4.3.1. Работа подсистемы слежения за параметрами нескольких швов.

4.4. Оптимизация скоростных режимов работы станов бесконечной холодной прокатки в функции частоты следования швов.

Актуальность темы

В настоящее время при производстве холоднокатаного листа на станах бесконечной холодной прокатки существует ряд проблем, связанных с обработкой полосы со сварными соединениями.

Необходимым условием прокатки сварного шва является снижение рабочей скорости полосы с 25-27 м/с до скорости пропуска шва, составляющей 2,5-5 м/с на выходе стана. Раннее снижение скорости полосы ведет к потере производительности оборудования, позднее уменьшение -приводит к попаданию сварного шва в первую клеть стана на недостаточно сниженной скорости, что в свою очередь является причиной обрывов полосы, простоев оборудования и порчи дорогостоящих рабочих валков.

В хвостовой части стана межрулонные сварные соединения подлежат вырезке. Так, например, подсистема слежения стана бесконечной холодной прокатки 1700 ПХЛ ЧерМК ОАО «Северсталь» обеспечивает поперечный рез полосы, с погрешностью ±2.5 м, что приводит к существенным потерям металла в обрезь.

Существующие подсистемы слежения работают с погрешностями, возникающими по целому ряду причин. В головной части стана расчет координаты шва осуществляется на основе данных о текущем запасе полосы в петлевом устройстве, полученных от кодового датчика, сигнал которого пропорционален положению тележки петлевого устройства.

Движение тележки петлевого устройства посредством лебедки при формировании и расходовании запаса полосы приводит со временем к вытягиванию троса, соединяющего тележку петлевого устройства и лебедку. При изменении длины троса, а также при выборе провисаний полосы после останова стана, кодовый датчик тележки формирует сигнал, не соответствующий фактическому запасу полосы в петлевом устройстве, что требует постоянной корректировки показаний датчика и ведет к погрешности при определении координаты сварного шва в головной части стана.

Слежение за сварным швом при его прохождении через рабочие клети стана осуществляется косвенным методом по аналитическим зависимостям в функции вытяжки полосы между первой и пятой клетями. Расчетный метод является источником значительной ошибки в определении координаты местоположения шва, особенно при обработке рулонов с колебаниями физико-механических свойств, разнотолщинности подката, а также в связи с различием свойств металла шва и стыкуемых полос. На точность поперечного реза полосы также влияют инерционности летучих ножниц и подсистемы управления ими.

Таким образом, повышение точности слежения за координатой сварного шва в головной части, в стане на выходе его за счет разработки новых алгоритмов работы подсистемы слежения, а таюке за счет применения новых методов прямого контроля за положением шва на выходе стана является актуальной задачей.

Работа выполнена в Череповецком государственном университете на кафедре автоматизации и систем управления.

Целью работы является повышение точности и надежности определения координаты сварных соединений на станах бесконечной холодной прокатки.

Научная новизна

1. Впервые разработана и исследована математическая модель процесса расходования и формирования запаса полосы в петлевом устройстве непрерывного агрегата.

2. Разработана новая методика расчета текущего запаса полосы в петлевом устройстве непрерывного агрегата.

3. Разработана система слежения за координатами сварных соединений с повышенной точностью контроля и алгоритм ее работы.

4. Разработана имитационная модель подсистемы слежения за координатами сварных швов.

5. Впервые была аналитически получена целевая функция для определения оптимальных скоростных режимов работы стана бесконечной холодной прокатки в функции толщины подката.

Практическая значимость

Комплексное исследование параметров технологического процесса позволило повысить точность контроля, выявить резервы повышения производительности станов бесконечной холодной прокатки и разработать подсистему слежения за координатами сварных соединений.

Разработанные математические модели и алгоритмы могут быть использованы при проектировании головной части станов бесконечной холодной прокатки и других непрерывных агрегатов металлургического производства, а также в системе АСУ ТП.

Определено условие гарантированного обнаружения сигнала шва толщиномером и разработан формирователь импульсов, позволяющий выделить сигнал шва на фоне разнотолщинности полосы.

Разработано устройство управления режущим механизмом при прокатке металла со сварным швом (Патент №56245, опубл. в Б.И. №25, 2006).

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на Международной конференции:

- «Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства» (г. Череповец, 2005 г.) а также на научно-технических семинарах кафедры автоматизации и систем управления Череповецкого государственного университета.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК, 1 патент РФ.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 40 наименований и приложений. Объем диссертации 174 страницы текста, включая 64 страниц приложений, 69 рисунков, 8 таблиц.

Заключение

1. Разработана математическая модель процесса формирования и расходования запаса полосы в петлевом устройстве головной части стана бесконечной холодной прокатки и методика определения координаты сварного шва относительно первой клети стана без использования кодового датчика тележки, сто позволяет повысить точность и надежность системы слежения.

2. Разработано устройство управления летучими ножницами на выходе стана бесконечной холодной прокатки с повышенной точностью поперечного реза полосы на основе прямого контроля за местоположением сварного шва.

3. Проведенный анализ экспериментальных данных, полученных на стане бесконечной холодной прокатки 1700 ПХЛ ОАО «ЧерМК» и их статистическая обработка позволили выявить условие гарантированного обнаружения сварного шва с помощью толщиномера, установленного на выходе стана: нижний предел производной толщины находится в промежутке д^5п„п про™ = h 49,4 ± 6,09]% / с, а верхний - в пределах AHSтахпршпв = [43,9 ± 5,92]% / с. Определена инерционность подсистемы управления летучими ножницами и самих летучих ножниц: tmcm =[0.88±0.05]с.

4. Разработаны и исследованы имитационные модели подсистем слежения за координатой сварных соединений в петлевом устройстве, на выходе стана, устройства управления летучими ножницами.

5. Исследование имитационной модели устройства управления летучими ножницами показало, что при инерционности подсистемы tcucm=0.88±0,05 с точный рез по шву достигается при скорости пропуска шва на выходе стана до 3 м/с; при скоростях выше указанной погрешность при поперечном резе полосы может достигать

0.64 м. Поскольку в настоящее время абсолютная погрешность при поперечном резе полосы составляет ±2.5 м, разработанная подсистема позволяет снизить погрешность на 74 %.

6. Разработана функциональная схема подсистемы слежения за координатами сварных соединений и алгоритм ее работы. Использование в алгоритме разработанных математических выражений позволяет снизить погрешность в определении координаты сварного соединения в петлевом устройстве на 1% и повысить производительность стана за счет своевременного снижения скорости прокатки до скорости пропуска шва.

7. Впервые была аналитически получена целевая функция для определения оптимальных скоростных режимов работы стана бесконечной холодной прокатки в функции толщины подката с целью обеспечения максимальной производительности.

8. Разработанные модели и алгоритмы могут быть использованы в АСУ ТП станов бесконечной холодной прокатки, позволят повысить производительность и снизить количество отходов металла.

1. Прокатка металла со сварными соединениями. B.J1. Мазур, В.И. Мелешко, Д.П. Галкин, А.В. Ноговицын, В.В. Акишин, А.И. Добронравов. М.: Металлургия, 1985, 112 с.

2. В.В. Акишин, А.В. Ноговицын, A.M. Сафьян, С.Г. Гобуев, П.П. Чернов. Труды 3 конгресса прокатчиков. М. 2000

3. Ю.С. Чернобривенко, А.А. Кугушин, В.В. Вишневецкий, Г.З. Ковальчук. «Производство проката» №9, 1998.

4. Чекмарев А.П., Чернобривенко Ю.С., Кулаков JI.B. и др. Непрерывная листовая и сортовая прокатка. Днепропетровск: Промшь, 1971, с 102— 107.

5. Чекмарев А.П., Чернобривенко Ю.С., Гречко В.П. и др. Изв. вузов. Черная металлургия, 1976, №12, с 60 63.

6. Рудской А.И., Лунев В.А. Теория и технология прокатного производства. СПб.: Наука, 2005. -540 с.

7. Современные машины для стыковой сварки широкой полосы сплавлением. Черные метлы, 1971, №11, с.55 — 57.

8. Кабанов Н.С., Павлютин В.А., Кашинцев В.В. — Сталь, 1969, №11, с. 1009.

9. Повышение точности листовой прокатки. Коновалов Ю.В., Галкин Д.П., Додока В.Г. и др. М.: Металлургия, 1978, 232 с.

10. Мазур В.Л., Акишин В.В., Ноговицын А.В. и др. Сталь, 1981,№1,с.51

11. Мазур В.Л., Акишин В.В., Добронравов А.И. и др. Сталь, 1978, №7, с629.

12. А.С. №667263 (СССР)/Мазур В.л., Тубольцев Л.Г., Парсенюк Е.А., Хижняк Д.Д. Опубл. в Б.И., 1979, №22.

13. Полухин В.П. Математическое моделирование и расчет на ЭВМ листовых прокатных станов. М.: Металлургия, 1972.

14. А.С. №1447437 (СССР)/В.В. Акишин, Е.А. Парсенюк, П.П. Чернов, В.Л. Мазур, и др. Опубл. в Б.И., 1988, №48

15. Г.Финштерманн, Н.Моньер, С.Наннез, Г.Прадайрол. — Сталь, 2004, №1, с.43

16. С.С. Пилипенко. — Черная металлургия. Бюллетень, НТИ, 1998, № 1 -2,с.34

17. Ф.А. Ксензук, А.Т. Байша и др. Сталь, 1972, №10, с.

18. Л.Д. Девятченко, В.Е. Злов, М.Г. Тихоновский, Л.Б Файнберг и Л.П. Судакова. Сталь, 1979, №9, с.684

19. Ю.С. Чернобривенко, А.А. Кугушин, В.В. Вишневецкий и Г.З. Ковальчук. Сталь, 1981, №11, с.57.

20. А.С.№1736652А1 (СССР)/В.Л. Гуревич, О.Н. Иванов, К.В. Белоусов. Опубл. в Б.И., 1992, №20

21. М.В. Малахов. — Усилие прокатки при бесконечной прокатке на мелкосортном стане. Производство проката. 1986.№8. С. 70.

22. А.С.№ 772632 (СССР)/В.А. Дунье, О.Н. Иванов, В.Л. Гуревич. Опубл. в Б.И., 1980, №39.

23. А.С. № 789177 (СССР)/ В.Л. Гуревич, О.Н. Иванов, В.А. Дунье. Опубл. в Б.И., 1980, №47.

24. А.С. №1122387 (СССР)/М.Л. Прудков, Л.З. Конторович, В.И. Сапалановский, М.А. Бурсук. Опубл. в Б.И., 1984, №41.

25. А.Л. Смыслова, К.А. Харахнин. Скоростные режимы процесса движения полосы в петлевом устройстве непрерывного агрегата. —Вестник Череповецкого государственного университета, 2006, №2, с 70-74.

26. Оптимальная производительность станов холодной прокатки. Г.Л. Химич, А.В. Третьяков, Э.А. Гарбер, М.А. Макарова. М: Металлургия, 1970, с. 67-82.

27. Прокатка полос на пятиклетьевом стане 1700 производства холоднокатаного листа. Технологическая инструкция ТИ105-ПХЛ-16-2003, ОАО «Северсталь», Череповец, 2003 г.

28. Simulink 4. Секреты мастерства/Дж. Б. Дэбни, Т. Л. Харман; пер. с англ. М.Л Симонова.- М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2003. 403 с.

29. Моделирование процессов и систем в MATLAB. — СПб.: Питер; Киев: Издательская группа BHV, 2005. — 512 с.

30. Харахнин К.А., Лабазнов Д.Н., Смыслова А.Л. Повышение точности реза холоднокатаных полос в системе сопровождения сварного шва на непрерывном стане//Вестник ЧТУ. 2005. №2. С.99-102.

31. Смыслова А.Л., Харахнин К. А. Исследование сигналов межрулонного шва при его прохождении через пятиклетевой стан холодной прокатки/ЛТрогрессивные процессы и оборудование металлургического производства. 2005. С. 150-153.

32. Харахнин К.А., Смыслова А.Л., Плашенков В.В. Подсистема управления станом непрерывной холодной прокатки при прохождении сварных соединений//Технология машиностроения. 2007. №6. С.61-64.

33. Смыслова А.Л., Харахнин К.А., Плашенков В.В. Математическое и имитационное моделирование процесса движения полосы в петлевом устройстве непрерывного агрегата/ЯТроизводство проката. 2007. №10. С.38-42.

34. В.П. Дьяконов, И.В. Абраменкова. MathCAD в математике, физике и в Internet. М.: «Нолидж», 1998. - 352 с.

35. Л. Шметтерер. Введение в математическую статистику. М.: 1976. — 520с.

36. В. Е. Гмурман. Теория вероятностей и математическая статистика. Учеб. пособие для втузов. Изд. 5-е, перераб. и доп. М.: «Высшая школа», 1977. -386 с.

37. Г. Корн, Т. Корн. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). Определения, теоремы, формулы. 6-е изд., стер. — СПб.: Издательство «Лань», 2003. — 832 с.

38. Технологическая инструкция ТИ 105-П.ХЛ-16-2003

39. Техническое задание 4458.45.794 ТЗ

40. Смыслова А.Л., Харахнин К.А., Лабазнов Д.Н. Патент на полезную модель №56245. Устройство управления режущим механизмом при прокатке металла со сварным швом. Опубл. в Б.И. №25, 10.09.2006.