автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Совершенствование электромеханической системы косвенного регулирования натяжения полосы широкополосного стана горячей прокатки

На правах рукописи

ШИЛЯЕВ ПАВЕЛ ВЛАДИМИРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ КОСВЕННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ НАТЯЖЕНИЯ ПОЛОСЫ ШИРОКОПОЛОСНОГО СТАНА ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

004604091

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

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

УСЫНИН Юрий Семенович

Защита состоится 25 июня 2010 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 212.111.04 при ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, Челябинская обл., г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, ауд. 227.

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

Автореферат разослан 21 мая 2010 г.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

КАРАНДАЕВ Александр Сергеевич

кандидат технических наук, профессор КОСМАТОВ Валерий Иванович

Ведущее предприятие:

ООО «РУСЭЛПРОМ-Мехатроника»,

г. Москва

Ученый секретарь диссертационного совет: канд. техн. наук, доцент

К.Э. Одинцов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Доля листовой продукции, потребляемой ведущими отраслями промышленности, находится на уровне 50% от общего объема выпуска стального проката в России. В связи с ключевой ролью широкополосных станов горячей прокатки (ШСГП) все большее значение приобретают проблемы обеспечения высокого качества их продукции. Это связано в первую очередь с тем, что до 25% горячекатаной полосы толщиной до 2 мм не подлежит дальнейшей обработке в холодном состоянии, т.е. является конечной рыночной продукцией. Конкурентоспособность горячекатаной полосы зависит в первую очередь от ее разнотолщинности, которая определяется точностью регулирования толщины и межклетевых натяжений в чистовой группе, обеспечиваемой за счет систем автоматического регулирования толщины (САРТ) и систем автоматического регулирования натяжения и петли (САРНиП).

К САРНиП современных ШСГП предъявляются жесткие требования, направленные на обеспечение непрерывного контроля и поддержание точности регулирования удельного натяжения как в установившихся, так и в динамических режимах. При прокатке тонких полос в непрерывной группе стана возникает значительное взаимное влияние натяжения и толщины. Существующие САРНиП, выполненные по принципу косвенного регулирования натяжения, не обеспечивают возросших требований по разнотолщинности полосы. Упрощенные алгоритмы задания и регулирования натяжения, реализованные в аналоговых системах, приводят к появлению значительных погрешностей, которые при повышении требований к точности регулирования геометрических размеров не являются допустимыми. Это требует совершенствования алгоритмов вычисления и регулирования параметров, влияющих на натяжение, которые можно реализовать при переходе на цифровое управление в системах, выполненных на базе промышленных контроллеров.

Вместе с тем, только за счет повышения точности вычисления и регулирования технологических параметров не обеспечивается выполнение возросших требований к динамическим показателям. Возникла задача повышения быстродействия регулирования за счет максимального использования ресурса САРТ, выполненной на базе гидравлических нажимных устройств (НУ). Наиболее целесообразным является построение системы взаимосвязанного регулирования натяжения и толщины, подобно тому, как это делается на станах холодной прокатки. Однако принципиальным отличием ШСГП является наличие петледержателей (ПД) в межклетевых промежутках чистовой группы.

Цель работы. Целью диссертационной работы является совершенствование системы автоматического регулирования натяжения и петли широкополосного стана горячей прокатки, обеспечивающее повышение точности регулирования натяжения и толщины в динамических режимах.

Для достижения поставленной цели поставлены следующие основные задачи:

1. Обоснование и разработка алгоритмов вычисления составляющих момента на валу электродвигателя петледержателя, обеспечивающих повышение точности задания и регулирования натяжения в цифровой САРНиП косвенного типа.

2. Разработка математической модели вычисления натяжения по параметрам электропривода петледержателя и математической модели взаимосвязи толщины и удельного натяжения в межклетевом промежутке чистовой группы. Исследование влияния натяжения на толщину при прокатке тонкой горячекатаной полосы.

3. Разработка способа взаимосвязанного регулирования натяжения и толщины, а также САРНиП косвенного типа с дополнительным регулированием межвапкового зазора путем воздействия на гидравлические нажимные устройства в структуре гидро-САРТ.

4. Разработка математической модели межклетевого промежутка, реализующей предложенные технические решения в усовершенствованной САРНиП косвенного типа, а также реализующей разработанный способ взаимосвязанного регулирования натяжения и толщины.

5. Проведение исследований методами математического моделирования с целью сопоставления динамических характеристик усовершенствованной цифровой системы, внедренной на стане, и разработанной САРНиП с дополнительным регулирующим воздействием по каналу гидравлических нажимных устройств.

6. Проведение экспериментальных исследований разработанных систем и технических решений. Рекомендации по промышленному внедрению результатов работы.

Методика проведения исследований. В работе использованы базовые положения теории автоматического управления, автоматизированного электропривода, методы операционного исчисления. Теоретические исследования проводились с использованием аппарата передаточных функций, методов преобразования структурных схем и структурного моделирования, методов анализа с использованием логарифмических амплитудно-частотных характеристик. Решения отдельных задач получены путем математического моделирования в среде МаИаЬ-БшшНпк. Экспериментальные исследования проводились на действующем прокатном стане путем прямого осциллографирования координат с последующей обработкой результатов.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Технологические требования к системам регулирования натяжения при прокатке полос толщиной до 2 мм, направленные на обеспечение точности регулирования удельного натяжения в динамических режимах.

2. Математическая модель взаимосвязанных электромеханических систем межклетевого промежутка, отличающаяся наиболее точным учетом взаимосвязи гидравлического привода нажимных устройств, главного электропривода клети и электропривода петледержателя через обрабатываемый металл.

3. Алгоритм задания и аналитические зависимости для вычисления составляющих момента электропривода петледержателя, обеспечивающие повышение точности регулирования натяжения в непрерывной группе широкополосного стана.

4. Способ и система косвенного регулирования натяжения и толщины, осуществляющие дополнительное корректирующее воздействие на гидравлическое нажимное устройство предыдущей клети межклетевого промежутка в динамических режимах при изменении положения петледержателя.

5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, подтвердившие, что автоматическое регулирование межвалкового зазора в динамических режимах обеспечивает погрешность регулирования толщины полосы в допустимых пределах ± 5%.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждаются правомерностью принятых исходных положений и предпосылок, корректным применением методов теории электропривода, теории автоматического управления и методов математического моделирования, адекватностью расчетных и экспериментальных данных, полученных на действующем широкополосном стане горячей прокатки, использованием реальных технических характеристик оборудования.

Научная новизна.

В работе получены следующие новые научные результаты:

1. На основании теоретических и экспериментальных исследований уточнены требования к системам регулирования натяжения широкополосных станов при прокатке полос толщиной до 2 мм с позиций обеспечения заданной точности регулирования натяжения и толщины в динамических режимах.

2. Разработаны адекватные динамическая математическая модель вычисления натяжения по параметрам электропривода петледержателя и математическая модель взаимосвязи приращения толщины и удельного натяжения в межклетевом промежутке чистовой группы стана горячей прокатки.

3. Предложены аналитические зависимости для вычисления составляющих момента на валу двигателя петледержателя, а также алгоритмы вычисления отклонения длины полосы в межклетевом промежутке, реализуемые в структуре цифровой САРНиП, обеспечивающие высокую точность регулирования натяжения.

4. Разработаны способ косвенного взаимосвязанного регулирования натяжения и толщины, согласно которому осуществляется автоматическое регулирование межвалкового зазора в динамических режимах при изменениях положения петледержателя.

5. По результатам моделирования и экспериментальных исследований доказано, что предложенный способ взаимосвязанного регулирования обеспечивает требуемый диапазон отклонений удельного натяжения в динамических режимах ±10%, отклонения толщины не превышают ±5%, причем находятся преимущественно в зоне минусовых допусков.

Практическая ценность и реализация работы.

1. Разработанный алгоритм задания натяжения и предложенные аналитические зависимости для вычисления составляющих момента электропривода петледержателя реализованы в цифровой САРНиП стана 2500 ОАО «ММК». Доказано, что их внедрение обеспечивает повышение устойчивости полосы при захвате и точности регулирования натяжения в динамических режимах.

2. Разработанные алгоритм и программа, реализующие корректирующее воздействие на вход САРТ предыдущей клети, прошли опытно-промышленные испытания на стане 2500. В результате подтверждена техническая эффективность разработанного принципа взаимосвязанного регулирования натяжения и толщины.

3. Промышленное внедрение разработанной САРНиП рекомендуется в ходе реконструкции стана 2500, предусматривающей замену установленного силового электрического оборудования, а также перевод электроприводов на прямое цифровое управление. Ожидаемый экономический эффект 4,5 млн. руб./год.

4. Рекомендуется промышленное внедрение результатов работы на действующих широкополосных станах горячей прокатки, в частности, на стане 2000 ОАО «ММК», а также их использование в учебном процессе студентов специальности 140604 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на IV, V Международных (XV, XVI Всероссийских) конференциях по автоматизированному электроприводу АЭП-2004 (Магнитогорск, 2004 г.), АЭП-2007 (Санкт-Петербург, 2007 г.); Международных научно-технических конференциях «Электромеханические преобразователи энергии» (Томск, 2005, 2007 гг.); Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (Тольятти,

2007 г.); VII международном конгрессе прокатчиков (Москва 2007 г.); Международной научно-практической конференции «Интехмет-2008» (Санкт-Петербург, 2008 г.); Международной конференции «Электроэнергетика и автоматизация в металлургии и машиностроении» (Магнитогорск

2008 г.); I и II международных промышленных форумах «Реконструкция промышленных предприятий - прорывные технологии в металлургии и машиностроении» (Челябинск, 2007, 2009 гг.), на ежегодных научно-технических

конференциях по итогам научно-исследовательских работ (Магнитогорск, ГОУ ВПО «МГТУ», 2003-2009 гг.).

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 12 печатных трудах, в том числе 4 в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ по направлению «Энергетика». Подана заявка на получение патента РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 85 наименований. Работа изложена на 188 страницах основного текста, содержит 73 рисунка, 15 таблиц и приложение объемом 9 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрено состояние проблемы, обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные задачи исследования, кратко изложено содержание диссертационной работы.

Первая глава посвящена анализу систем автоматического регулирования натяжения и петли широкополосных станов горячей прокатки. Наибольшее внимание уделено анализу аналоговой и цифровой САРНиП стана 2500 ОАО «ММК», совершенствование которых является целью диссертационной работы.

Рассмотрены физические особенности прокатки с натяжением и петлеобразованием. Дан анализ факторов, приводящих к отклонению натяжения в чистовой группе и, как следствие, к появлению продольной разнотолщинно-сти полосы. Сформулированы технологические требования к САРНиП при прокатке тонких полос.

Представлена функциональная схема аналоговой САРНиП, разработанной ВНИИЭлектропривод, находившейся в эксплуатации на стане 2500 до реконструкции в 2005 году. На примере этой системы рассмотрен принцип автоматического регулирования натяжения и петли в межклетевом промежутке. Показано, что вычисление задания момента на валу двигателя ПД выполнено с рядом допущений, обусловленных применением аналоговых элементов. В частности, пренебрегается составляющими момента изгиба и момента трения полосы, принимается, что центр тяжести ПД совпадает с осью ролика и т.д. Такие упрощения приводят к погрешностям регулирования натяжения особенно в динамических режимах, что делает актуальным совершенствование алгоритмов вычисления и регулирования момента на валу двигателя ПД. Алгоритмы вычисления задания момента, предложенные и обоснованные автором, реализованные в цифровой САРНиП, выполненной на стане при непосредственном участии автора, представлены в диссертационной работе.

На рис. 1 приведена функциональная схема цифровой САРНиП, реализованной на базе многопроцессорного контроллера TCS. Она может быть

представлена в виде двух взаимосвязанных систем: регулирования натяжения и величины петли, в связи с чем функционально разделена на две части. В тиристорном преобразователе Simoreg (фирмы Siemens) реализована двух-контурная система регулирования положения петледержателя, управляющая его электроприводом. В программируемом контроллере TCS заложена программа, вычисляющая величину момента электропривода (ЭП) петледержателя, необходимого для создания заданного натяжения полосы.

В процессе прокатки петледержатель, находясь в контакте с полосой, создает в ней усилие, определяемое уровнем ограничения регулятора положения петледержателя. Этот уровень определяется заданным статическим моментом, зависящим от массы полосы, массы и угла подъема ПД, заданного удельного натяжения. Кроме того, статический момент на валу двигателя ПД зависит от момента изгиба полосы, момента трения и других составляющих. Точность регулирования натяжения определяется точностью задания момента. Поэтому сформулирована задача максимально обоснованного учета составляющих момента, определения зависимостей, обеспечивающих их вычисление с максимальной точностью с учетом кинематической схемы ПД, геометрических размеров и свойств полосы.

Дан анализ принципов построения современных САРНиП отечественных и зарубежных ШСГП. Показано, что основной тенденцией является переход на прямое регулирование натяжения с компенсацией взаимного влия-

ния систем регулирования натяжения и петли. В качестве наиболее близкого аналога принята комбинированная система прямого регулирования натяжения с перекрестной внутренней связью, разработанная специалистами МГТУ совместно с ОАО «ММК».

Однако реализация прямого регулирования натяжения на большинстве отечественных ШСГП, и в том числе стане 2500, затруднена сложностью установки силоизмерительных датчиков. Косвенное вычисление натяжения в существующих системах не обеспечивает необходимой точности и достаточной устойчивости системы в динамических режимах. Поэтому в разрабатываемой усовершенствованной САРНиП реализуется косвенный принцип регулирования натяжения, лишенный отмеченных недостатков.

Дан анализ известных косвенных методов вычисления сигнала, пропорционального натяжению по параметрам электроприводов петледержателя и клети. Обоснована необходимость разработки динамической математической модели межклетевого промежутка, учитывающей взаимосвязь электроприводов клетей, петледержателя и гидравлических НУ через металл.

Вторая глава посвящена разработке математической модели межклетевого промежутка, содержащей следующие компоненты: модель электропривода клети в системе двухзонного автоматического регулирования скорости, модель электропривода петледержателя в системе регулирования удельного натяжения, модель гидравлического привода нажимного устройства в составе САРТ. Кроме того, учитываются взаимосвязи электроприводов клетей и петледержателя, а также гидравлических НУ и главного ЭП через обрабатываемый металл. Схема модели представлена на рис. 2.

Модели электроприводов клети и ПД выполнены на основе известных систем операторных уравнений якорной цепи и цепи возбуждения ЭП постоянного тока. Исходными параметрами при моделировании полосы как объекта управления являются скорости смежных клетей, опережение и толщина, а выходным параметром - удельное натяжение в межклетевом промежутке. Разработана математическая модель САРНиП стана 2500. Синтез регуляторов произведен согласно общей теории систем подчиненного регулирования координат с последовательной коррекцией. Передаточные функции регуляторов определены таким образом, чтобы замкнутые контуры имели оптимальные передаточные функции соответствующих порядков.

Математическая модель гидравлического НУ основана на уравнении расхода жидкости, уравнении, описывающем соотношение усилий в прокатной клети, и линеаризованном уравнении сервоклапана для малых приращений координат. Не учитываются волновые процессы в трубопроводе между аккумулятором, сервоклапаном и гидроцилиндром, а также падение давления в трубопроводе и сухое трение. При разработке математической модели взаимосвязи гидравлического НУ и главного ЭП через металл учтено влияние

Рис. 2. Структурная схема динамической математической модели межклетевого промежутка

изменения переднего и заднего удельных натяжений на давление металла на валки и опережение. Также разработана модель гидро-САРТ, реализующей принцип косвенного регулирования, согласно которому взаимосвязь между толщиной металла и величиной межвалкового зазора ненагруженной клети с учетом деформации станины и валков определяется уравнением Головина-Симса. Структуры разработанных узлов и систем представлены в диссертационной работе. Адекватность модели реальному объекту (взаимосвязанным электромеханическим системам межклетевого промежутка) подтверждена путем сравнения переходных процессов электрических и технологических параметров в динамических режимах, полученных с помощью модели и экспериментальным путем на стане.

Третья глава посвящена исследованию взаимосвязи удельного натяжения и толщины полосы в динамических режимах. В связи с отсутствием в межклетевых промежутках датчиков натяжения и толщины (за исключением датчика толщины, установленного на выходе чистовой группы) исследования выполнены методом математического моделирования.

Рассмотрена модель вычисления натяжения по параметрам электропривода петледержателя, позволяющая рассчитать кривые переходных процессов натяжения по результатам осциллографирования на стане. В основу модели положены зависимости, предложенные H.H. Дружининым, построенные на уравнении баланса момента двигателя и статического и динамического моментов на валу петледержателя. Дана оценка точности косвенного определения натяжения путем сравнения кривых удельного натяжения, полученных по экспериментальным данным, с расчетными кривыми, полученными с помощью математической модели.

Разработана математическая модель и выполнено исследование взаимосвязи приращения толщины прокатываемого металла и удельного натяжения в межклетевом промежутке. Модель построена в частных производных, что позволяет выполнить линеаризацию нелинейных функциональных взаимосвязей между технологическими параметрами в рабочем диапазоне изменения исходных величин. На рис. 3. построены зависимости относительного приращения толщины от величин переднего (о;) и заднего (сг,_;) удельных натяжений. Из графиков видно, что приращение толщины практически линейно зависит как от заднего, так и от переднего удельных натяжений.

Установлено, что удельное натяжение в межклетевых промежутках чистовой группы стане 2500 изменяется в пределах 0,5...17 Н/мм2. Относительные отклонения толщины составляют 2,5...4,5% от заданного значения, что соответствует технологическим требованиям. В динамических режимах удельное натяжение может превышать установившееся значение в 1,5... 1,9 раза, что приводит к отклонению толщины на 5,5...8,7%. Согласно предъявляемым требованиям это значение не должно превышать 5 %.

О 5 10 15 20

Рис. 3. Зависимости относительного приращения толщины полосы (-4Я,) от величины переднего удельного натяжения (о;) при различных значениях заднего удельного натяжения (сг,.;): (1-0 Н/мм2; 2-4 Н/мм2\ 3-8 Н/мм2; 4-12 Н/мм2\ 5-16 Н/мм2\ 6-20 Н/мм2)

Выполнено осциллографи-рование исследуемых параметров на стане. Пример осциллограмм при прокатке переднего конца полосы представлен на рис. 4. Динамическое отклонение удельного натяжения при подъеме пет-ледержателя (рис. 4, а) превышает установившееся значение в 1,7...2,2 раза. Суммарное динамическое отклонение толщины на выходе 10-ой клети на головном участке составляет около 10% (рис. 4, б). Также установлено, что отклонение толщины конца полосы составляет 10%, что подтверждает достоверность результатов математического моделирования.

Проведены исследования удельного натяжения при захвате полосы последующей клетью в Рис. 4. Осциллограммы удельного на- различных 'межклетевых проме-тяжения (а) и выходной толщины (б) жутках в зависимости от толщи-при прокатке переднего конца полосы ны проката. Показано, что при

прокатке относительно толстых полос (4-10 мм) перерегулирование изменяется в пределах 20...40%, в то время как для тонких полос (2 мм и ниже) оно возрастает и может достигать 100%. Это подтверждает сделанный ранее вывод, что с переходом на более тонкий сортамент необходимо повышать точность регулирования натяжения в динамических режимах.

Четвертая глава посвящена разработке технических решений по совершенствованию САРНиП стана 2500.

Разработана схема блока задания момента электропривода петледержа-теля на базе контроллера TSC, учитывающая следующие его составляющие:

- момент для компенсации веса неуравновешенных элементов конструкции ПД;

- момент для компенсации веса полосы;

- момент для компенсации момента инерции ПД;

- момент для компенсации составляющей от натяжения полосы, действующей на петледержатель.

Предложены аналитические зависимости для вычисления перечисленных составляющих момента, исходя из кинематической схемы ПД и свойств полосы, обеспечивающие наиболее точное вычисление задания по сравнению с известными аналогичными системами. Реализация этих зависимостей рассмотрена ниже в гл. 5 в структуре предложенной схемы узла задания тока двигателя петледержателя.

Далее в главе представлены разработанная схема формирования задания на угол подъема петледержателя и схема регулирования размера петли, а также алгоритмы вычисления длины полосы и ее отклонения от заданного значения, программно реализованные в контроллере TCS. За счет их реализации осуществляется косвенное вычисление и регулирование непосредственно длины полосы в межклетевом промежутке, что позволяет повысить точность регулирования натяжения.

Реализация рассмотренных технических решений на стане 2500 обеспечивает повышение точности регулирования натяжения преимущественно в установившемся режиме прокатки. Для обеспечения заданной точности регулирования в динамических режимах при захвате, выпуске полосы и коррекции технологических параметров (положения ПД, задания натяжения и др.) разработан способ взаимосвязанного регулирования натяжения и толщины. Отличительным признаком является дополнительное корректирующее воздействие на гидравлическое нажимное устройство предыдущей клети межклетевого промежутка, подаваемое одновременно с воздействием на скорость двигателя этой клети при изменениях положения ПД. Функциональная схема системы косвенного регулирования натяжения и петли, реализующей предложенный способ, представлена на рис. 5.

Рис. 5. Функциональная схема разработанной САРНиП: 777, ТПК, РТ, РТК, ДТ, ДТК, ДС, ДСК, РСП, РСК тиристорные преобразователи, регуляторы тока, датчики тока, датчики скорости, регуляторы скорости петледержателя и прокатной клети; ДП - датчик положения петледержателя; БВМ -блок вычисления момента; РПК, РПН - регуляторы петли с воздействием на клеть и с воздействием на ГНУ, соответственно; ЗСС-задатчик сигналов системы; РГ1Г, ДПГ-регулятор и датчик положения ГНУ; ИН - индикатор наличия металла в валках; М, МК- двигатели петледержателя и прокатной клети; РК- редуктор прокатной клети.

В отличие от действующей, разработанная САРНиП содержит быстродействующий контур регулирования величины петли с воздействием на положение гидронажимного устройства /-й клети, а также систему регулирования петли с воздействием на скорость ;'-й клети и "традиционную" систему косвенного регулирования натяжения полосы в /-м промежутке на базе электромеханического петледержателя. Это позволяет повысить точность регулирования натяжения за счет коррекции зазора валков при изменениях положения петледержателя. В результате обеспечивается снижение разнотолщинно-сти полосы по длине с вытекающими положительными последствиями (повышение качества, снижение расходного коэффициента, связанного с уменьшением головной и хвостовой обрези).

Выполнен расчет контура регулирования положения петледержателя с воздействием на положение гидронажимного устройства. Предложены структура и передаточная функция регулятора положения НУ.

В пятой главе выполнено исследование усовершенствованной системы автоматического регулирования натяжения. Даны рекомендации по внедрению результатов работы.

На рис. 6 представлена функциональная схема узла задания тока двигателя петледержателя, формирующего более точные алгоритмы вычисления задания момента в зависимости от угла подъема. Эти алгоритмы реализованы в программном обеспечении контроллера ТСБ в структуре цифровой САРНиП, внедренной на стане. Экспериментально доказано, что внедрение предложенных алгоритмов обеспечивает повышение точности регулирования и динамической устойчивости системы.

Предложена математическая модель разработанной системы взаимосвязанного регулирования толщины и натяжения с дополнительным воздействием по каналу гидравлических НУ, построенная с учетом функциональной схемы (рис. 5). Представлены результаты моделирования основных динамических режимов за цикл прокатки. Дано сравнение динамических показателей электромеханических систем в усовершенствованной и действующей САРНиП для последнего межклетевого промежутка.

Рис. 6.

В качестве примера на рис. 7 представлены кривые переходных процессов натяжения и толщины при захвате полосы последующей клетью. Показано, что применение быстродействующего контура с воздействием на гидронажимное устройство позволило уменьшить время подъема петледержателя с 0,53 с до 0,26 с. Заданное натяжение полосы входит в требуемую 10%-ю зону за время 0,13 с, для сравнения, в действующей системе - за 0,57 с. Помимо этого снижается величина перерегулирования натяжения с 37,5 % до 22 % и толщины полосы - с 4,2% до 3%. Аналогичные результаты получены при моделировании следующих режимов:

- прокатка глиссажных меток;

- изменение задания положения петледержателя;

- изменение задания натяжения полосы при прокатке;

- прокатка заднего конца полосы.

В результате доказана эффективность предложенного способа регулирования.

Представлены результаты экспериментальных исследований, подтвердившие достоверность выводов, сделанных по результатам математического моделирования. Пример характерных осциллограмм за цикл прокатки приведен на рис. 8.

При дополнительном воздействии по каналу САРТ (рис. 8, б) отклонения толщины минимальны и составляют 4,5%. Значительно снижены отклонения, вызванные "глиссаж-ными метками", отсутствует "температурный клин". Среднее значение толщины полосы максимально приближено к заданному. В целом доказано, что включение дополнительного быстродействующего контура регулирования обеспечивает отклонения толщины полосы в пределах допустимых ± 5%.

Г. кИ_Натяжение панки е последнем межклетееом промежутке

224 / ' Действующая система • 1 ! ""V / р*уяиров<Ятя

±10%: 37,594-

Система

! регулирования

1 с 0,0 с \ :

• г » 1 1 . , 1. с

О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.1 О.б 0.7 0.1 0.9 1.0 АН, К Отклонение толщины прокатываемой полосы

\ 0.21 с :

3% 2,5% : ;

взаимосвязанного / регулирования

4.2^': .'.!/!""! ].....

... \л?е .:.......:......

\

1 1 1 ..... ДеЯсмвую/цая сириема......;......... у' регулирования \ \ \ \ , \

' 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0,7 0.1 0,9 1,0

Рис. 7.

X Истинная толщина с г толщ-ра (мм) ¿ ;ЕСС/ОАУУ) авдаин и вых. 1шщииа.м1

4,5%

Рис. 8. Осциллограммы за цикл прокатки: а - в существующей, б - в усовершенствованной САРНиП

Основными результатами исследований, рекомендуемыми к использованию, являются:

- промышленное внедрение на стане 2500 разработанной системы автоматического регулирования удельного натяжения и петли с воздействием как на скорость валков, так и на положение гидравлического НУ предыдущей клети;

- настройка регуляторов удельного натяжения по каналу гидравлических НУ в соответствии с рассчитанными передаточными функциями.

Полноценное промышленное внедрение разработанной усовершенствованной САРНиП ориентировано на проводимую на стане 2500 реконструкцию, предусматривающую замену установленного механического и силового электрического оборудования клетей и петледержателей, а также перевод электроприводов на цифровое управление.

Основные технические эффекты, обеспечиваемые при внедрении системы:

- снижение расходного коэффициента за счет повышения точности регулирования толщины на концах рулона;

- улучшение условий захвата полосы валками за счет реализации алгоритмов управления, обеспечивающих взаимное согласование работы САР-НиП и гидро-САРТ в динамических режимах;

- повышение размерной точности полосы при прокатке глиссажных меток за счет быстродействующего взаимосвязанного регулирования натяжения и толщины.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов составляет 4,5 млн. руб./год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Сформулированы требования к системам регулирования натяжения широкополосных станов горячей прокатки при прокатке полос толщиной до 2 мм. Отличительным требованием является обеспечение удельных натяжений в диапазоне 0,5...17 Н/мм2, допустимые отклонения натяжения ±10%, толщины ±5 %. Повышенные требования к САРНиП направлены на обеспечение точности регулирования удельного натяжения как в установившихся, так и в динамических режимах.

2. Разработана математическая модель взаимосвязанных электромеханических систем межклетевого промежутка стана горячей прокатки, отличающаяся наиболее точным учетом взаимосвязи гидравлического привода нажимных устройств и главного электропривода клети, а также взаимосвязи электроприводов клети и петледержателя через обрабатываемый металл.

3. Предложены динамическая математическая модель вычисления натяжения по параметрам электропривода петледержателя и математическая модель взаимосвязи приращения толщины и удельного натяжения. В результате моделирования и экспериментальных исследований доказано, что удельное натяжение в динамических режимах превышает установившееся значение в 1,5... 1,9 раза, что приводит к отклонениям толщины полосы на 5,5... 8,7%.

4. Предложены алгоритм вычисления задания момента электропривода петледержателя и аналитические зависимости для вычисления составляющих момента, обеспечивающие наиболее высокую точность задания и регулирования натяжения, по сравнению с известными аналогичными системами.

5. Разработаны способ и система косвенного взаимосвязанного регулирования натяжения и толщины, отличительным признаком которых является автоматическое регулирование межвалкового зазора предыдущей клети межклетевого промежутка в динамических режимах при изменениях положения петледержателя.

6. В результате теоретических и экспериментальных исследований показано, что применение быстродействующего контура с воздействием на гидравлическое НУ позволяет увеличить быстродействие САРНиП во всех динамических режимах, что обеспечивает отклонения толщины полосы в пределах допустимых ± 5%.

7. Рекомендуется промышленное внедрение разработанной усовершенствованной САРНиП в ходе проводимой на стане 2500 реконструкции, предусматривающей замену установленного механического и силового электрического оборудования, а также перевод электроприводов на прямое цифровое управление.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов составляет 4,5 млн. руб./год за счет повышения точности регулирования толщины на концах рулона и повышения размерной точности полосы при прокатке.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

Научные статьи, опубликованные в изданиях по списку ВАК:

1. Шиляев П.В., Тройнов C.B., Иванов В.А. Управление скоростными режимами в АСУ ТП стана 2500 горячей прокатки ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» // Изв. вузов. Электромеханика. 2006. № 4. - С. 28-34.

2. Совершенствование автоматизированных электроприводов и диагностика силового электрооборудования / И.А. Селиванов, A.C. Карандаев, С.А. Евдокимов, П.В. Шиляев и др. // Изв. вузов. Электромеханика. 2009. № 1. -С. 5-11.

3. Математическое моделирование взаимосвязанных электромеханических систем межклетевого промежутка широкополосного стана горячей прокатки / A.C. Карандаев, В.Р. Храмшин, И.Ю. Андрюшин, В.В. Головин, П.В. Шиляев // Изв. вузов. Электромеханика. 2009. № 1. - С. 12-20.

4. Андрюшин И.Ю., Шиляев П.В., Головин В.В. Экспериментальные исследования системы автоматической коррекции натяжения в межклетевом промежутке широкополосного стана горячей прокатки // Вестник ЮжноУральского государственного университета. Сер. «Энергетика». Вып. П.Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2009. № 15. - С. 51-59.

Публикации в других изданиях:

5. Шиляев П.В. Модернизация электроприводов чистовой группы стана «2500» горячей прокатки // Труды IV Международной (XV Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития» (АЭП-2004). Ч. 2. - Магнитогорск, 2004.-С. 23-27.

6. Совершенствование системы автоматического регулирования натяжения полосы непрерывного широкополосного стана горячей прокатки / A.C. Карандаев, В.Р. Храмшин, A.A. Чертоусов, В.В. Головин, П.В. Шиляев // Электромеханические преобразователи энергии: Материалы международной науч.-техн. конф. - Томск: ТПУ, 2005. - С. 293-296.

7. Опыт модернизации тиристорных электроприводов широкополосного стана горячей прокатки /П.В. Шиляев, В.В. Головин, A.C. Карандаев и др. //

Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии: Труды II Всероссийской науч.-техн. конф. с междунар. участием. Ч. 2. - Тольятти: ТГУ, 2007.-С. 353-356.

8. Система взаимосвязанного регулирования натяжения и толщины широкополосного стана горячей прокатки / A.C. Карандаев, В.Р. Храмшин П.В. Шиляев и др.// Труды V Международной (XVI Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу (АЭП-2007) - Санкт-Петербург, 2007.-С. 410-413.

9. Технологические схемы управления электроприводами чистовой группы широкополосного стана горячей прокатки /A.C. Карандаев, В.Р. Храмшин, И.Ю. Андрюшин, В.В. Головин, П.В. Шиляев //Труды VII конгресса прокатчиков. Т.1. -М., 2007. - С. 71-75.

10. Формирование алгоритмов управления режимами электроприводов в АСУ ТП широкополосного стана горячей прокатки /П.В. Шиляев, И.Ю. Андрюшин, В.В. Головин и др. //Электромеханические преобразователи энергии: Материалы междунар. науч.-техн. конф. -Томск: ТПУ, 2007. - С.313-318.

11. Система косвенного регулирования натяжения в чистовой группе широкополосного стана горячей прокатки /A.C. Карандаев, В.Р. Храмшин, П.В. Шиляев и др. // Сборник докладов I Международной научно-практической конференции «ИНТЕХМЕТ-2008». - Санкт-Петербург, 2008. -С. 122-125.

12. Модернизация тиристорных преобразователей и АСУ ТП широкополосного стана 2500 ОАО «ММК» / П.В. Шиляев, И.Ю. Андрюшин, В.В. Головин и др. //Тр. междунар. конф. «Электроэнергетика и автоматизация в металлургии и машиностроении». - Магнитогорск, 2008. - С. 93 - 99.

Подписано в печать 20.05.2010. Формат 60x84 1/16.

Плоская печать. Усл.печ.л. 1,0. Тираж 100 экз.

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

Бумага тип.№ 1. Заказ 386

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. АНАЛИЗ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАТЯЖЕНИЯ И

ПЕТЛИ ШИРОКОПОЛОСНОГО СТАНА ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ

1.1. Физические основы прокатки с натяжением

1.1.1. Факторы, влияющие на разнотолщинность полосы

1.1.2. Особенности прокатки с натяжением

1.2. Характеристика петледержателей стана

1.3. Аналоговая система автоматического регулирования удельного натяжения и величины петли

1.3.1. Функциональная схема системы

1.3.2. Принцип регулирования натяжения при прокатке с петлеобразованием

1.3.3. Структурная схема САР межклетевого натяжения

1.4. Технологические требования к САРНиП стана 2500 при прокатке тонких полос

1.5. Функциональная схема САРНиП стана после реконструкции

1.6. Принципы построения современных САРНиП

1.6.1. Системы с обратной связью по натяжению

1.6.2. САРНиП с перекрестными связями

1.7. Комбинированная система прямого регулирования натяжения и петли

1.8. Способы выделения сигнала, пропорционального натяжению

1.8.1. Вычисление натяжения по параметрам электропривода петледержателя

1.8.2. Косвенное определение натяжения по параметрам электроприводов клетей

1.10. Выводы и постановка задачи исследований

Глава 2. РАЗРАБОТКА ДИНАМИЧЕСКИХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

МЕЖКЛЕТЕВОГО ПРОМЕЖУТКА

2.1. Математическая модель силовой части электроприводов межклетевого промежутка

2.1.1. Принятые допущения

2.1.2. Математическая модель силовой цепи электропривода петледержателя

2.1.3. Математическая модель силовой части электропривода прокатной клети

2.1.4. Математическая модель полосы в межклетевом промежутке

2.1.5. Математическая модель силовой части привода гидравлического нажимного устройства

2.2. Синтез контуров регулирования

2.2.1. Синтез контура регулирования удельного натяжения

2.2.2. Синтез контура регулирования величины петли

2.2.3. Синтез контура регулирования положения гидронажимного устройства

2.2.4. Моделирование взаимосвязи нажимных устройств и главного электропривода через прокатываемый металл

2.3. Оценка адекватности разработанной модели исследуемому объекту

ВЫВОДЫ

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ НАТЯЖЕНИЯ И ТОЛЩИНЫ В ЧИСТОВОЙ ГРУППЕ

3.1. Результаты экспериментальных исследований точности регулирования геометрических размеров

3.2. Вычисление сигнала, пропорционального натяжению, по параметрам электропривода петледержателя

3.2.1. Динамическая математическая модель натяжения

3.2.2. Оценка точности косвенного определения натяжения

3.3. Математическая модель взаимосвязи удельного натяжения и приращения толщины

3.4. Исследования на математической модели взаимосвязи удельного натяжения и приращения толщины полосы

3.5. Экспериментальные исследования взаимосвязи удельного натяжения и приращения толщины прокатываемой полосы

3.6. Исследование изменения удельного натяжения и приращения толщины проката в динамических режимах 113 ВЫВОДЫ

Глава 4. РАЗРАБОТКА НОВЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПРИ РЕКОНСТРУКЦИИ САРНиП СТАНА

4.1. Вычисление задания момента петледержателя

4.2. Формирование сигнала задания на угол подъема петледержателя

4.3. Способ взаимосвязанного регулирования натяжения и толщины

4.4. Система взаимосвязанного регулирования натяжения и толщины

4.5. Расчет контуров регулирования 144 ВЫВОДЫ

Глава 5. ИССЛЕДОВАНИЕ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ

СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТОЛЩИНЫ И НАТЯЖЕНИЯ.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОМЫШЛЕННОМУ ВНЕДРЕНИЮ

5.1. Математическая модель усовершенствованной САРНиП

5.2. Результаты исследования динамических режимов за цикл прокатки

5.2.1. Прокатка переднего конца полосы

5.2.2. Прокатка глиссажных меток

5.2.3. Изменение положения петледержателя

5.2.4. Изменение натяжения полосы

5.2.5. Прокатка заднего конца полосы

5.3. Результаты экспериментальных исследований внедренной

САРНиП стана

5.3.1. Обоснование выбора контролируемых параметров

5.3.2. Результаты осциллографирования режимов работы

САРНиП

5.3.3. Результаты экспериментальной оценки точности регулирования геометрических размеров

5.4. Рекомендации по внедрению результатов исследований

ВЫВОДЫ

Доля листовой продукции, потребляемой ведущими отраслями промышленности, находится на уровне 50% от общего объема выпуска стального проката в России. Вся листовая сталь в процессе производства проходит стадию горячей прокатки на технологических линиях с широкополосными станами горячей прокатки (ШСГП). Эти станы по производительности, мате-риало- и энергоемкости относятся к одним из крупнейших объектов современной техники. В связи с их ключевой ролью в получении листового проката с заданными свойствами все большее значение приобретают проблемы обеспечения высокого качества продукции и, в конечном счете, ее конкурентоспособности [1].

Значительно усилилось внимание к повышению точности размеров и плоскостности полос в сочетании с расширением марочного и размерного сортамента. К системам автоматического управления современных листопрокатных станов, в частности, к системам регулирования натяжения и толщины предъявляются высокие требования по поддержанию заданных технологических параметров как в установившихся, так и в динамических режимах. Это связано в первую очередь с тем, что большой процент горячекатаной полосы (толщиной 0,8-2 мм) не подлежит дальнейшей обработке в холодном состоянии, т.е. является конечной рыночной продукцией. На сегодняшний день этот сектор занимает до 25% рынка и покрывается за счет увеличивающейся доли тонких горячекатаных полос, не уступающих по качеству холоднокатаным [1,2].

Конкурентоспособность продукции ШСГП зависит в первую очередь от разнотолщинности полосы, которая определяется точностью регулирования межклетевых натяжений в чистовой группе, обеспечиваемой за счет системы автоматического регулирования натяжения и петли (САРНиП). Существующие системы регулирования геометрических размеров, рассчитанные на прокатку более толстых полос (от 2 мм до 10 мм), не обеспечивают технологических требований из-за влияния на толщину проката удельного натяжения особенно в последних межклетевых промежутках чистовой группы [3-5].

На большинстве отечественных ШСГП (в том числе на стане 2500 ОАО «ММК») САРНиП выполнены по принципу косвенного регулирования натяжения и включают контур регулирования натяжения, который по заданной уставке тока косвенно поддерживает натяжение на заданном уровне, и контур регулирования петли, поддерживающий угол подъема петледержате-ля с воздействием по отклонению на контур скорости главного электропривода прокатной клети [5—7]. Указанный принцип регулирования не гарантирует требуемой точности регулирования натяжения тонкой полосы в динамических режимах. Влияние на качество регулирования натяжения в динамических режимах оказывают значительные инерционности электромеханического петледержателя и прокатной клети, что не позволяет эффективно использовать ресурсы, быстродействующей системы автоматического регулирования толщины (САРТ), выполненной- на базе современных гидравлических нажимных устройств (НУ).

В результате расширения сортамента прокатываемых полос диапазон регулирования натяжения существенно изменился и находится в пределах 0,5. 17 Н/мм2. Соответственно изменились и допустимые отклонения удельного натяжения, не более ±0,05 Н/мм". Разнотолщинность полосы после установки гидравлических НУ на 10 и 11 клетях и включения в работу новой системы регулирования толщины на их основе не должна превышать 0,075.0,09 мм (до реконструкции разнотолщинность составляла 0,1.0,14 мм), что составляет (при прокатке полосы 1,5.2 мм) 3,7.5%. Кроме того, переход на тонкий сортамент связан с увеличением скоростей прокатки. Если при прокатке полосы толщиной 2 мм скорость на выходе чистовой группы составляет 13 м/с, то для полос толщиной 1,5. 1,8 мм она достигает 20 м/с [8-9, 35, 52]. Такие жесткие требования направлены на обеспечение непрерывного контроля и поддержание точности регулирования удельного натяжения как в установившихся, так и в динамических режимах при прокатке тонких полос в требуемых допусках. Эти условия требуют постоянного совершенствования систем автоматического регулирования натяжения и петли полосы.

Работы по совершенствованию САРНиП ШСГП ведутся как отечественными, так и зарубежными фирмами. Среди основных отечественных разработчиков следует отметить ВНИИЭлектропривод [10-16], ВНИИметмаш [17-23], НИИтяжмаш и некоторые другие [24-27]. Наиболее распространена на отечественных ШСГП САРНиП, разработанная ВНИИЭлектропривод, обеспечивающая косвенное регулирование натяжения на базе астатических петледержателей [10-16]. Ведущими зарубежными фирмами, работающими в данном направлении, являются Siemens (Германия) [23], General Electric (США) [24, 25], VAI (Австрия) [26], Ansaldo (Италия) [27] и ряд японских фирм [28 -30].

В 2005 г на стане 2500 в ходе реконструкции АСУТП выполнена модернизация САРНиП, разработки ВНИИЭлектропривод. Данная система была выполнена на базе блоков УБСР, введена в эксплуатацию в 1980 году и к моменту реконструкции морально и физически устарела. Алгоритмы работы этой системы соответствовали аппаратной базе и концепции построения систем локальной автоматики тех лет. На базе блоков УБСР, где математические действия выполняются с помощью аналоговых блоков умножения и деления, выполнение сложных расчётов затруднительно. Поэтому в старой системе был реализован упрощенный алгоритм управления натяжением. В частности, при вычислении момента на валу петледержателя не учитывались, либо вычислялись весьма приближенно следующие его составляющие [31-32]: момент для компенсации веса неуравновешенных элементов конструкции петледержателя; момент для компенсации веса полосы; момент для компенсации момента инерции петледержателя; момент для компенсации составляющей от натяжения полосы, действующей на петледержатель.

При переходе на прокатку тонкой полосы данные упрощения приводят к появлению значительных погрешностей, которые при повышении требований к точности регулирования геометрических размеров не являются допустимыми.

Реконструированная система управления натяжением выполнена на базе многопроцессорного цифрового контроллера ТС8. Обоснование структуры САРНиГТ, ее разработка и техническое исполнение, разработка технического задания на программное обеспечение выполнялись при непосредственном участии автора, в связи с чем некоторые из вопросов вопросы получили отражение в настоящей работе. Отдельные технические решения, обладающие, по мнению автора, научной новизной, выносятся на защиту.

Вместе с тем, совершенствование САРНиП стана 2500 только за счет повышения точности вычисления и регулирования технологических параметров не обеспечивает выполнения повышенных требований в динамических режимах. Возникла задача поиска путей повышения быстродействия САРНиП уже после реконструкции, что позволило бы максимально использовать ресурс быстродействующей гидро-САРТ. Особенностью прокатки тонкой полосы в непрерывной группе клетей является значительное влияние натяжения на толщину полосы [33-34]. В связи с этим целесообразно построение системы взаимосвязанного регулирования натяжения и толщины, подобно тому, как это осуществляется на непрерывных станах холодной прокатки. Принципиальным отличием ШСГП является наличие в каждом межклетевом промежутке петле держателя, что определяет принципиальное отличие взаимосвязей электроприводов станов горячей и холодной прокатки.

Достаточно простым, но эффективным решением, направленным на устранение указанного недостатка, является построение комбинированной САРНиП с дополнительным воздействием по каналу гидравлических НУ последующей клети чистовой группы. Данный принцип был предложен и обоснован в [37] для системы прямого регулирования натяжения. Но реализация САРНиП прямого действия на стане 2500, как и на большинстве отечественных станов горячей прокатки, затруднительна, т.к. требует установки в каждом межклетевом промежутке датчика натяжения, что в условиях горячей прокатки сопряжено с определенными трудностями. Известные способы косвенного вычисления натяжения по параметрам двигателя петледержателя [38, 39] либо по параметрам двигателя клети [40, 41] не обеспечивают требуемой точности.

Целью диссертационной работы является совершенствование системы автоматического регулирования натяжения и петли широкополосного стана горячей прокатки, обеспечивающее повышение точности регулирования натяжения в динамических режимах.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих основных задач:

1. Обоснования и разработки алгоритмов вычисления составляющих момента на валу электродвигателя петледержателя, обеспечивающих повышение точности задания и регулирования натяжения в САРНиП косвенного типа.

2. Разработки схемы формирования сигнала задания на угол подъема петледержателя и схемы регулирования размера петли в усовершенствованной САРиП, выполненной на базе контроллера TSC.

3. Разработки способа взаимосвязанного регулирования натяжения и толщины, а также САРНиП косвенного типа с дополнительным быстродействующим каналом воздействия на гидравлические нажимные устройства в структуре гидро-САРТ.

4. Разработки математической модели межклетевого промежутка, реализующей предложенные технические решения в усовершенствованной САРНиП косвенного типа, а также предложенный принцип взаимосвязанного регулирования натяжения и толщины.

5. Проведения исследований методами математического моделирования с целью сопоставления динамических характеристик следующих систем:

САРНиП до и после внедрения технических решений по повышению точности вычисления и регулирования натяжения и высоты петли (т.е. в существовавшей до реконструкции и в усовершенствованной цифровой системах);

- усовершенствованной цифровой системы и разработанной САРНиП с дополнительным регулирующим воздействием по каналу гидравлических нажимных устройств.

6. Проведения экспериментальных исследований реализованных технических решений. Рекомендации по промышленному внедрению результатов работы.

В соответствии с поставленными задачами содержание работы изложено следующим образом:

В первой главе рассмотрена аналоговая САРНиП широкополосного стана 2500 ОАО «ММК» до реконструкции, рассмотрены физические основы регулирования натяжения, петлерегулирования и соответственно работы САРНиП косвенного типа. Сформулированы технологические требования к САРН при прокатке тонких полос, рассмотрена функциональная схема усовершенствованной цифровой САРНиП, выполненной на стане. Проведен анализ известных систем с косвенным регулированием натяжения, рассмотрена комбинированная система прямого регулирования натяжения и петли с дополнительным воздействием по каналу гидро-САРТ.

Во второй главе рассмотрена математическая модель межклетевого промежутка чистовой группы стана 2500, содержащая модель электропривода петледержателя, модель главного электропривода прокатной клети (в системе двухзонного регулирования), а так же модель гидронажимного устройства в составе системы автоматического регулирования толщины полосы и модели взаимосвязи указанных приводов через прокатываемый металл. Приведены результаты оценки адекватности полученной математической модели реальным процессам межклетевого промежутка.

В третьей главе разработана математическая модель взаимосвязи удельного натяжения и толщины прокатываемого металла. Выполнены теоретические и экспериментальные исследования указанной взаимосвязи, дан анализ переходных процессов удельного натяжения и приращений толщины прокатываемого металла в динамических режимах.

В четвертой главе дано обоснование и предложены алгоритмы вычисления составляющих момента на валу электродвигателя петледержателя, а также разработанных схем формирования задания на угол подъема петледержателя и регулирования размера петли в межклетевом промежутке. Предложен способ взаимосвязанного регулирования натяжения и толщины, рассмотрена разработанная система косвенного типа, реализующая данный способ. Выполнен синтез регулятора контура регулирования удельного натяжения с воздействием на положение гидронажимного устройства.

В пятой главе предложена математическая модель разработанной САР-НиП, реализующей принцип взаимосвязанного регулирования натяжения и толщины. Выполнено математическое моделирование переходных процессов. Приведены показатели регулирования системы в сравнении с действующей системой стана 2500. Даны рекомендации по промышленному внедрению результатов исследований.

В заключении приводятся выводы по работе.

По содержанию диссертационной работы опубликовано 12 основных научных трудов, в том числе 4 в изданиях, входящих в перечень, рекомендованный ВАК РФ по направлению «Энергетика». Полученные результаты докладывались и обсуждались на 7-и международных научно-технических конференциях и конгрессах.

ВЫВОДЫ

1. Представлена функциональная схема узла задания тока двигателя петледержателя, формирующего более точные алгоритмы вычисления задания момента двигателя в зависимости от угла подъема, реализованные в виде программного обеспечения контроллеров ТСБ в структуре цифровой САР-НиП, внедренной на стане.

2. Представлена математическая модель разработанной системы взаимосвязанного регулирования толщины и натяжения с дополнительным воздействием по каналу гидравлических нажимных устройств, построенная с учетом функциональной и структурной схем, полученных в предыдущей главе.

3. Представлены результаты моделирования основных динамических режимов за цикл прокатки полосы. Дано сравнение динамических показателей электромеханических систем межклетевого промежутка в усовершенствованной и действующей САРНиП для последнего межклетевого промежутка.

4. Показано что применение быстродействующего контура с воздействием на гидронажимное устройство позволило уменьшить время подъема петледержателя с 0,53 с до 0,26 с. Заданное натяжение полосы входит в требуемую 10%-ю зону за время 0,13 с, для сравнения, в действующей системе -за 0,57 с. Помимо этого снижается величина перерегулирования натяжения с 37,5 % до 22 % и толщины полосы - с 4,2%) до 3%>.

5. Аналогичные результаты получены при моделировании следующих режимов: прокатка глиссажных меток; изменение задания положения петледержателя в процессе прокатки; изменение задания натяжения полосы при прокатке; прокатка заднего конца полосы.

В результате доказано, что использование контура регулирования с воздействием на положение гидронажимного устройства позволяет увеличить быстродействие системы по сравнению с действующей системой стана 2500 во всех динамических режимах.

6. Представлены результаты экспериментальных исследований, подтвердившие достоверность выводов, сделанных по результатам математического моделирования. Доказано, что включение дополнительного быстродействующего канала регулирования за счет перемещения гидравлических нажимных устройств обеспечивает отклонения толщины полосы в пределах допустимых ±5%.

7. Основными результатами исследований, рекомендуемыми к использованию, являются: промышленное внедрение на стане 2500 разработанной системы автоматического регулирования удельного натяжения и петли с воздействием как на скорость валков, так и на положение гидравлического нажимного устройства предыдущей клети; настройка регуляторов удельного натяжения по каналу гидравлических НУ в соответствии с рассчитанными передаточными функциями.

8. Полноценное промышленное внедрение разработанной усовершенствованной САРНиП ориентировано на проводимую на стане 2500 реконструкцию, предусматривающую замену установленного механического и силового электрического оборудования клетей и петледержателей, а также перевод электроприводов на цифровое управление.

9. Основные технические эффекты, обеспечиваемые при внедрении системы: снижение расходного коэффициента за счет повышения точности регулирования толщины на концах рулона; улучшение условий захвата полосы валками за счет реализации алгоритмов управления, обеспечивающих взаимное согласование работы САРНиП и гидро-САРТ в динамических режимах; повышение размерной точности полосы при прокатке глиссажных меток за счет быстродействующего взаимосвязанного регулирования натяжения и толщины.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов составляет не менее 4,5 млн. руб./год.

177

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Сформулированы требования к системам регулирования натяжения широкополосных станов горячей прокатки при прокатке полос толщиной до 2 мм. Отличительным требованием является обеспечение удельных натяжений в диапазоне 0,5.17 Н/мм2, допустимые отклонения натяжения ±10%, толщины ±5 %. Повышенные требования к САРНиП направлены на обеспечение точности регулирования удельного натяжения как в установившихся, так и в динамических режимах.

2. Разработана математическая модель взаимосвязанных электромеханических систем межклетевого промежутка стана горячей прокатки, отличающаяся наиболее точным учетом взаимосвязи гидравлического привода нажимных устройств и главного электропривода клети, а также взаимосвязи электроприводов клети и петледержателя через обрабатываемый металл.

3. Предложены динамическая математическая модель вычисления натяжения по параметрам электропривода петледержателя и математическая модель взаимосвязи приращения толщины и удельного натяжения. В результате моделирования и экспериментальных исследований доказано, что удельное натяжение в динамических режимах превышает установившееся значение в 1,5. 1,9 раза, что приводит к отклонениям толщины полосы на 5,5.8,7%.

4. Предложены алгоритм вычисления задания момента электропривода петледержателя и аналитические зависимости для вычисления составляющих момента, обеспечивающие наиболее высокую точность задания и регулирования натяжения, по сравнению с известными аналогичными системами.

5. Представлены схема задания на угол подъема петледержателя и схема регулирования размера петли, а также алгоритмы вычисления отклонения длины от заданного значения, обеспечивающие регулирование длины полосы в межклетевом промежутке, что позволяет повысить точность регулирования натяжения в структуре цифровой САРНиП.

6. Разработаны способ и система косвенного взаимосвязанного регулирования натяжения и толщины, отличительным признаком которых является дополнительное корректирующее воздействие на гидравлическое нажимное устройство предыдущей клети межклетевого промежутка, подаваемое одновременно с корректирующим воздействием на скорость двигателя этой клети.

7. В результате теоретических и экспериментальных исследований показано, что применение быстродействующего контура с воздействием на гидравлическое НУ позволяет увеличить быстродействие САРНиП стана 2500 во всех динамических режимах, что обеспечивает отклонения толщины полосы в пределах допустимых ± 5%.

8. Основными результатами диссертационной работы, рекомендуемыми к использованию, являются: промышленное внедрение на стане 2500 разработанной системы автоматического регулирования удельного натяжения и петли с воздействием как на скорость валков, так и на положение гидравлического нажимного устройства предыдущей клети; настройка регуляторов удельного натяжения по каналу гидравлических НУ в соответствии с рассчитанными передаточными функциями.

9. Полномасштабное промышленное внедрение разработанной усовершенствованной САРНиП рекомендуется в ходе проводимой на стане 2500 реконструкцию, предусматривающей замену установленного механического и силового электрического оборудования, а также перевод электроприводов на прямое цифровое управление.

10. Основные технические эффекты, обеспечиваемые при внедрении системы: снижение расходного коэффициента за счет повышения точности регулирования толщины на концах рулона; улучшение условий захвата полосы валками за счет реализации алгоритмов управления, обеспечивающих взаимное согласование работы САРНиП и гидро-САРТ в динамических режимах;

- повышение размерной точности полосы при прокатке глиссажных меток за счет быстродействующего взаимосвязанного регулирования натяжения и толщины.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов составляет не менее 4,5 млн. руб./год.

180

1. Тонкослябовые литейно-прокатные агрегаты для производства стальных полос: Учебное пособие / В.М. Салганик, И.Г. Гун, A.C. Карандаев и др. — М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. - 506 с.

2. Отвечают ли обычные широкополосные станы современным запросам // Новости черной металлургии за рубежом. 1997, №3. - С. 79-82.

3. Дружинин H.H. Непрерывные станы как объект автоматизации. М.: Металлургия, 1967. - 336 с.

4. Пистрак М.Я., Каретников В.Ф. Система автоматического регулирования натяжения полосы непрерывного листового стана с электромеханическими петледержателями // Электричество. — 1976, №2. С. 79-82.

5. Eckelsbach К., Rosenthal D. Новые концепции фирмы "Schloemann-Siemag" для экономичного и гибкого производства высококачественной горячекатаной полосы // Новости черной металлургии России и зарубежных стран. 1998, №1.-С. 56-59.

6. Лапидус М.И., Пистрак М.Я. Системы автоматического регулирования натяжения на широкополосных станах горячей прокатки с электромеханическими петледержателями // Электротехн. пром-сть. Сер. 08. Электропривод. Обзор, информ. 1988. - Вып. 22. - С. 1-80.

7. Лапидус М.И., Пистрак М.Я., Наумов В.А. Исследования процесса компенсации динамических отклонений натяжения полосы на стане горячей прокатки // Электротехника. 1983, №5. - С. 49-52.

8. Пистрак М.Я., Лапидус М.И. Улучшение экономических показателей широкополосных станов горячей прокатки // Электротехника. — 1984, №11.— С. 9-11.

9. Лапидус М.И., Пистрак М.Я. Электропривод петледержателей широкополосного прокатного стана // Сталь. 1991, №2. - С. 58-62.

10. Дружинин H.H., Мирер А.Г. Исследование управления непрерывными станами методом контроля межклетевых натяжений // Сталь. 1987, №3. с. 44-49.

11. Филатов A.C., Акимов В. А., Зайцев А.П. Исследования точности прокатки на стане 1450 Магнитогорского металлургического комбината // Автоматизация и электропривод метал, машин и агрегатов. Труды ВНИИ-МЕТМАШ. 1980, №59. - С. 20-31.

12. Результаты исследования адаптивных регуляторов межклетевых натяжений / В.М. Колядич, А.Г. Мирер, И.В. Залесский и др. // Автоматизация и электропривод метал, машин и агрегатов. Труды ВНИИМЕТМАШ. -1979, №58.-С. 26-29.

13. Воронцов A.A. Петледержатели для чистовых групп непрерывных полосовых станов горячей прокатки // Автоматизация и электропривод метал, машин и агрегатов. Труды ВНИИМЕТМАШ. 1980, №59. - С. 150-159.

14. Митрофанов В.З., Топаллер A.B. Вычислительное устройство для измерения удельных межклетевых натяжений на листовом стане горячей прокатки // Автоматизация и электропривод метал, машин и агрегатов. Труды

15. ВНИИМЕТМАШ. 1979, №58. - С. 102-109.

16. Исследование энергетического баланса работы петледержателей / М.А. Зайков, В.И. Погоржельский, И.А. Колесников и др. // Изв. Вузов. Черная металлургия. 1986, №9. - С. 76-81.

17. Колесников И.А. Повышение размерной точности горячекатаных листов методом оптимизации межклетевых натяжений // Прогрессивные процессы обработки металлов давлением. Краснодар, 1988. - С. 17-24.

18. А.С. 854480 СССР, МПКЗ В 21 В 37/02. Петледержатель для непрерывного стана горячей прокатки / А.Д. Белянский, Н.В. Бочаров, А.А. Воронцов и др. Заявлено 14.11.79, № 2839375/22-02.; Опубл. в Б.И. №29, 1981.

19. Bass G.V. Minimum tension control in finishing train of hot strip mills // Iron and steel Engineer. 1987, №11 - P. 48-52 (англ).

20. Kopineck H., Tappe W. New on-line measuring and testing systems for steel strip // Metallurgical plant and technology. 1990, №1. — P. 70-75 (англ).

21. System for optimizing performance of loopers on continuous hot strip mills / G.R. Gagliardi, R. Passoni, L. Zanicotti и др. // BTF special issue. - 1984. P. 71-74.

22. Clark M., Martin D. Advanced control for hot strip finishing mill // The metals journal. 1999, №7. - P. 40-44 (англ).

23. D. O'Connell, T.N. Thoria. Modernizing a hot strip finishing mill main drive control at Inland Steel // Iron and steel Engineer. 1980, №5 - P. 34-40 (англ).

24. Fukushima K. Looper optimal multivariable control for hot strip finishing mill // Trans. Iron and Steel Inst. Jap. 1988, №6. - P. 463-469.

25. Tanimoto S., Hayashi Y., Saito M. New tension measurement and control system in hot strip finishing mill // Meas. And Contr. Instrum. Iron and Steel Ind. Prod 5th Process Technical Congress, Detroit. Werrendale, Pa. — 1985. P. 147154 (англ).

26. Finishing mill tension control system in the Mizushima hot strip mill / K.

27. Hamada, S. Ueki, M. Shitomi и др. // Kawasaki steel technical report. 1985, №11.-P. 35-43 (англ).

28. Краснов B.C., Куркотов А.И., Фишкин E.E. Специальные моментные электродвигатели для привода петледержателей прокатных станов // Электротехника. 1974, №1. - С. 30-31.

29. Стефанович B.JT. Автоматизация непрерывных и полунепрерывных широкополосных станов горячей прокатки. М.: Металлургия, 1975. - 208 с.

30. Исследование системы автоматического регулирования натяжения на листовом стане горячей прокатки 2500 ММК. Отчет по научно-исследовательской работе, № гос. регистрации 78055584. Магнитогорск: МГМИ, 1979.-87 с.

31. Горячая прокатка полос на стане «2500». Технологическая инструкция ТИ-101-П-Гл. 4-71-97. Магнитогорск: ОАО «ММК», 1997. - 105 е.

32. Documents of 13th international rolling technology course / Bariloche, Argentina, 18-23rd April, 1999 // Industrial Automation Services Pty Ltd, 1999. P. 9-11. (англ).

33. Shaw D.A., Foulds J.G., Horner A.C. Custom design of hydraulic gauge control for three Canadian hot strip mills // Iron and Steel Eng. 1988, №12. - P. 21-29 (англ).

34. Экспериментальное определение натяжений на непрерывном широкополосном стане / М.А. Зайков, В .И. Погоржельский, H.A. Скороходов и др. // Известия Вузов. Черная металлургия. 1986, №5. - С. 81-86.

35. Чертоусов A.A. Совершенствование электромеханической системы регулирования натяжения полосы широкополосного стана горячей прокатки: Дис. . канд. техн. наук. Магнитогорск: МГТУ, 2004. - 198 с.

36. Выдрин В.Н., Федосиенко A.C. Автоматизация прокатного производства: Учебник для вузов. — М.: Металлургия, 1984. 472 с.

37. Система автоматического регулирования натяжения и петли с перекрестными связями для широкополосного стана горячей прокатки / A.C. Карандаев, В.Р. Храмшин, A.A. Чертоусов и др. // Электромеханика. 2004, №2. -С. 21-27.

38. Храмшин В.Р. Электромеханическая система регулирования натяжения тонкой полосы широкополосного стана горячей прокатки: Дис. . канд. техн. наук. Москва: МЭИ (ТУ), 2005. - 162 с.

39. Ткалич К.Н., Коновалов Ю.В. Точная прокатка тонких полос. — М.: Металлургия, 1972. 176 с.

40. Сафьян М.М. Прокатка широкополосной стали. М.: Металлургия, 1969. - 460 с.

41. Шрейнер Р.Т. Системы подчиненного регулирования электроприводов. Часть 1. Электроприводы постоянного тока с подчиненным регулированием координат: Учеб. пособие для вузов. Екатеринбург: Урал. гос. проф.-пед. ун-та, 1997. - 279 с.

42. Целиков А.И. Теория расчета усилий в прокатных станах. М.: Метал-лургиздат, 1962.- 494 с.

43. Целиков А.И. Основы теории прокатки. М.: Металлургия, 1965. - 247 с.

44. Кузищин В.А., Гедымин Ю.Ю. Моделирование гидравлических нажимных устройств прокатных станов // Конструирование и исследование современных прокатных станов: Сб. науч. трудов. М.: ВНИИметмаш, 1985.-С. 113-118.

45. Lederer A. State of development of plate mills // MPT. 1982, №5. - P. 36-60 (англ).

46. Браун A.E., Дралюк Б.Н., Тикоцкий А.Е. Некоторые вопросы динамики гидронажимных устройств // Электротехн. пром-сть. Сер. 08. Электропривод. Обзор, информ. 1982. - Вып. 8. - С. 13-17.

47. Управление координатами гидронажимного устройства прокатной клети / А.Е. Браун, Б.Н. Дралюк, А.Е. Тикоцкий и др. // Электропривод и автоматизация мощных машин: Сб. научн. тр. — Свердловск: НИИтяжмаш, 1988. -С. 40-51.

48. Басков С.Н. Разработка и исследование автоматизированных электроприводов черновой клети толстолистового стана в режимах регулируемого формоизменения прокатываемого металла: Дис. . канд. техн. наук. М.: МЭИ, 1999.- 162 с.

49. Басков С.Н., Карандаев А.С., Осипов О.И. Энергосиловые параметры приводов и система профилированной прокатки слябов стана 2800 // Приводная техника. 1999, № 1-2. - С. 21-24.

50. Hidraulic automatic gauge control // Davy McKee (Sheffield) Ltd. 1987. P. 9 (англ).

51. CAPT для 7-клетевого прокатного стана горячей прокатки 2500 Магнитогорского меткомбината: Руководство по эксплуатации // Davy McKee. -1993.- 19 с.

52. Ключев В.И. Теория электропривода: Учеб. для вузов. М.: Энергоатом-издат, 2001.-760 с.

53. Проектирование электроприводов. Справочник. — Свердловск: Средне-Уральское кн. Изд-во, 1980. 160 с.

54. Системы прецизионного регулирования геометрических параметров горячеполосового проката / В.И. Русаев, П.С. Гринчук, А.И. Чабанов и др. // Обзор, инф. Сер. Электропривод. М.: Ин-т. "Черметинформация", 1975, -Вып. 9.-С. 27-37.

55. Коновалов Ю.В., Остапенко А.Л., Пономарев В.И. Расчет параметров листовой прокатки: Справочник. — М.: Металлургия, 1986. 429 с.

56. Математическое моделирование взаимосвязанных электромеханических систем межклетевого промежутка широкополосного стана горячей прокатки / A.C. Карандаев, В.Р. Храмшин, И.Ю. Шиляев и др.// Изв. вузов. Электромеханика. 2009. № 1. С. 12-20.

57. Храмшин В.Р. Оценка влияния изменения натяжения прокатываемого металла на толщину полосы // Материалы 63-й научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ за 2003-2004 гг. Сб. докл. Т.2. Магнитогорск: МГТУ, 2004. - С. 121-126.

58. Ильинский Н.Ф. Элементы теории эксперимента. М.: МЭИ, 1983. - 92 с.

59. Лукьянов С.И., Панов А.Н. Обработка экспериментальных данных: Учеб. пособие. — Магнитогорск: МГМИ, 1992. 75 с.

60. Диагностика системы автоматического регулирования натяжения широкополосного стана горячей прокатки / Карандаев А. С., Евдокимов С.А., Храмшин В.Р. и др. // Вестник УГТУ-УПИ. Ч. I. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2003, № 5. - С. 432-435.

61. Карандаев A.C., Осипов О.И., Храмшин В.Р. Система автоматического регулирования натяжения и петли широкополосного стана горячей прокатки с улучшенными динамическими характеристиками // Вестн. МГТУ.- 2004, №3.-С. 76-82.

62. Чиликин М.Г., Ключев В.И., Сандлер A.C. Теория автоматизированного электропривода: Учеб. пособие для вузов. — М.: Энергия, 1979. 616 с.

63. Следящие приводы: В 3 т. 2-е изд., доп. и перераб. / Под ред. Б.К. Чемо-данова. T. I. Теория и проектирование следящих приводов / Е.С. Блейз, A.B. Зимин, Е.С. Иванов и др. М: изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999.- 904 с.

64. Шиляев П.В., Тройнов C.B., Иванов В.А. Управление скоростными режимами в АСУ ТП стана 2500 горячей прокатки ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» // Изв. вузов. Электромеханика. 2006. № 4. — С. 28-34.

65. Совершенствование автоматизированных электроприводов и диагностикасилового электрооборудования / И.А. Селиванов, A.C. Карандаев, П.В. Шиляев и др. // Изв. вузов. Электромеханика. 2009. № 1. С. 5-11.