Міністерство промислової політики України

Науково-виробнича корпорація

“Київський інститут автоматики”

ШЕВЧЕНКО Тарас Григорович

УДК (658.012.011.56:681.3):621.771.23-413

СИСТЕМИ КЕРУВАННЯ ПРОКАТНИМ УСТАТКУВАННЯМ З

ВИКОРИСТАННЯМ ЕНЕРГЗБЕРІГАЮЧИХ ТЕХНОЛОГІЙ

Спеціальність 05.13.07 – автоматизація технологічних процесів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ-2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в НВП “Київський інститут автоматики Міністерства промислової політики України

Науковий керівник – доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Грабовський Георгій Геннадійович,

директор НВП “Київський інститут автоматики” НВК КІА

Офіційні опоненти - доктор технічних наук, професор

Шумилов Кирило Андрійович,

головний науковий співробітник НВК КІА

-

Батюк Сергій Георгійович,

доцент кафедри автомати теплоенергетичних процесів

Національного технічного університету України “КПІ”

Провідна установа - Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки

України, кафедра автоматизації і комп’ютерних систем

Захист відбудеться 28 квітня 2004 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.818.01 Науково-виробничої корпорації “Київський інститут автоматики” за адресою: 04107, Київ-107, вул. Нагірна, 22, корпус 1, к. 219.

Відгуки на автореферат у двох примірниках, засвідчені печаткою установи просимо надсилати за адресою: 04107, Київ-107, вул. Нагірна, 22, НВК КІА, ученому секретарю.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці НВК “Київський інститут автоматики”.

Автореферат розісланий 7 березня 2004 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук Л.П.Тронько

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Зміст наукових досліджень, яким присвячена дисертаційна робота, пов'язаний з прагненням підвищити ефективність роботи прокатного виробництва за рахунок поліпшення якості продукції, економії матеріальних і енергетичних ресурсів. Ці задачі мають важливе народногосподарське значення для України, оскільки основна складова експорту і валютних надходжень зв'язана з продажем металопродукції. Українська металопродукція, що поставляється на експорт, в даний час випробовує жорстку конкуренцію з боку російських, китайських, японських і інших виробників і не завжди виграє в цій конкуренції. Зберегти конкурентоспроможність вітчизняного прокату можна тільки зниженням його собівартості і підвищенням якості. Автоматизація керування існуючими і новими енергозберігаючими технологічними процесами є одним з ефективних шляхів вирішення такої задачі.

Сучасне машинобудування, автомобілебудування, суднобудування, електротехнічна і атомна енергетика, а також виробництво трубопроводів і місткостей високого тиску пред'являють все більш високі вимоги до споживних характеристик листової сталі і особливо до якості поверхні. Використання при цьому сталі з підвищеним вмістом легуючих елементів приводить до нових проблем, зв'язаних з видаленням окалини і забезпеченням високої якості поверхні листів.

Для сучасного виробництва прокату характерно ускладнення технологічних процесів, підвищення вимог до точності відтворення їх параметрів. Існуючі системи автоматизації в прокатному виробництві вирішують, як правило, окремі задачі керування роздільними об'єктами технологічної лінії, хоча якість прокату і техніко-економічні показники виробництва формуються на технологічній лінії в цілому. Ця обставина неминуче вимагає адекватного ускладнення автоматизованих систем керування. Саме тому дослідження і розробку нових взаємозв'язаних за керуванням задач в системах автоматизації прокатного виробництва, орієнтованих на використовування нового устаткування і забезпечуючих підвищення якості прокату та зниження енергетичних витрат, слід вважати своєчасними і актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота пов'язана з програмами науково-дослідних і дослідно-конструкторських робіт Міністерства промислової політики України, Міністерства освіти і науки України (державна науково-технічна програма 06.02 “Нові технологічні способи підтримки і ухвалення рішень. Інструментально-технологічні програмні комплекси”), з тематичними планами Науково-виробничої корпорації “Київський інститут автоматики”, госпдоговірними роботами в НВП “КІА”, НВП “Індустріальні комп'ютерні системи”, НВП “Ресурсоенергозберігаючі комп'ютерні технології”, планами науково-дослідних робіт ВАТ “Алчевський металургійний комбінат”, а також з затвердженим Кабінетом Міністрів інноваційним проектом технологічного парку (свідоцтво про реєстрацію №74, серія ІНВ-1) по темі “Дослідження, розробка і впровадження сучасних автоматизованих систем керування і технологій гідроочистки поверхонь металу”.

Мета і задачі наукових досліджень. Метою роботи є теоретичне обгрунтування, розробка і експериментальна перевірка нових структур і алгоритмів взаємозв'язаного автоматизованого керування технологічними процесами нагріву і гідроочистки слябів, що забезпечують підвищення якості готової продукції, впровадження нової технології гідроочистки металу, а також скорочення енергетичних витрат у виробництві прокату. Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі вирішені наступні задачі:

-проведений аналіз витрачання матеріальних і енергетичних ресурсів в процесах нагріву і гідроочистки металу на станах гарячої прокатки;

- виконана ідентифікація установки гідроочистки металу перед прокаткою як об'єкта керування і розроблені технічні вимоги до устаткування ділянок стана, які забезпечують отримання високоякісного листового прокату і мінімізацію втрат металу;

-синтезована імітаційна модель системи керування нагрівальною піччю, яка включає оцінку температурних градієнтів в місцях контакту слябів з глісажними трубами, що дозволила детально вивчити процес керування нагрівом металу і запропонувати нові алгоритми зв'язаного керування з технологічним процесом гідродинамічної очистки;

-на основі аналізу і синтезу відомих математичних моделей основних технологічних параметрів нагріву і гідродинамічної очистки металу розроблені математичні моделі технологічних процесів, що відповідають вимогам АСК ТП, і адаптивні алгоритми керування устаткуванням прокатного стана.

Об'єктом дослідження в роботі є технологічні процеси нагріву і гідроочистки металу і автоматизовані системи керування відповідним устаткуванням.

Предметом дослідження є принципи побудови АСК, математичні моделі і алгоритми керування, а також режими взаємозв'язаної роботи комплексу тепловикористовуючого і гідромеханічного устаткування.

Методи дослідження: метод імітаційного моделювання складних систем, методи чисельного рішення диференціальних рівнянь в частинних похідних, метод сіток і скінченних різниць, балансові методи аналізу теплових об'єктів, методи статистичної обробки експериментальних даних, методи параметричної адаптації математичних моделей.

Основні наукові положення і їх новизна:

1. Новий рівень якості очистки гарячого металу і економія енергоресурсів можуть бути досягнені при використовуванні автоматизованого керування установкою гідроочистки за рахунок оперативної зміни тиску води в гідросистемі, швидкості переміщення сляба в камері гідроочистки і відстані від сопел до поверхні металу залежно від хімічного складу сталі, товщини окалини на поверхні сляба і величини температурного градієнта на глісажних “мітках”.

2. Істотна економія енергоресурсів може бути досягнена за рахунок оптимізації керування процесом нагріву слябів. При цьому можуть бути скорочені температурні градієнти вздовж сляба, залежні від нерівномірного нагріву в місцях контакту з водоохолоджуваними глісажними опорними трубами. Адаптація математичних моделей в АСК ТП може виконуватися автоматично за результатами вимірювань з більш високою точністю температури поверхні металу ефективно очищеної установкою гідроочистки окалини.

3. На основі аналізу динаміки зміни середньомасової температури заготовок при виникненні непередбачених зупинок стана вдосконалена стратегія формування базових енергозберігаючих траєкторій нагріву в умовах неритмічної роботи прокатного устаткування. Розроблена замкнена модель керованого процесу нагріву металу в багатозонних прохідних нагрівальних печах, яка дозволяє розраховувати динамічні режими роботи печей із слябами, що рухаються, при реальному спектрі збурень по продуктивності стана, різним характеристикам заготовок і з урахуванням утворення температурних градієнтів.

Обгрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій. Наукові положення, рекомендації і висновки дисертації обгрунтовані сучасними методами досліджень агрегатів технологічної лінії прокатного стана як об'єктів автоматизації, збіжністю теоретичних розрахунків з результатами імітаційного моделювання режимів керування методичними печами, а також з результатами промислових досліджень, впровадженням систем керування на промислових об'єктах, досвідом використання результатів роботи при розробці технічних проектів на створення АСК ТП.

Практичне значення отриманих результатів. Наукові положення і результати досліджень послужили основою для розробки технічного проекту і реалізації АСК ТП ділянки нагрівальних печей та автоматизованої системи керування гідроочисткою окалини на товстолистовому стані 2800 ВАТ “Алчевський металургійний комбінат”, що дозволило підвищити якість металопрокату і отримати економію енергоресурсів. Ці результати також були включені до складу техніко-комерційних пропозицій для ряду прокатних станів на металургійних заводах “Азовсталь”, “Красный Октябрь”(Росія), “Запоріжсталь”.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи повністю викладені у 10 статтях, 2 авторських свідоцтвах, 3 опублікованих виступах на науково-технічних конференціях.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати досліджень і науково-теоретичних розробок, приведені в дисертаційній роботі, отримані особисто здобувачем. В практичних дослідженнях і впровадженні розробок автор приймав безпосередню участь як виконавець або керівник робіт. За його безпосередньої участі розроблені і впроваджені у виробництво на ВАТ “Алчевський металургійний комбінат” автоматизовані системи керування нагрівальними печами, лініями прокатки і обробки гарячекатаної продукції.

В друкарських роботах, опублікованих в співавторстві, здобувачеві зокрема належать: [1,3,4] - вдосконалена стратегія формування базових енергозберігаючих траєкторій нагріву з урахуванням неритмічності роботи прокатного стана; [2] - аналіз доцільності використання устаткування високого тиску для гідродинамічної очистки пічної окалини; [5,6,14] - ідея інтеграції керування режимом нагріву металу в методичних печах на основі адаптації моделі нагріву, отриманої після обробки сляба в автоматизованій системі гідроочистки; [7] - теоретичне дослідження процесу видалення окалини; [8] - модель температурних градієнтів по довжині сляба, пов'язаних з наявністю водоохолоджуваних пічних опорних систем; [10] - аналіз результатів впровадження; [11] - ідея зниження металомісткості готового прокату; [12] - розрахунки необхідної енергії і частоти ударів для руйнування поверхневих шарів сплаву.

Апробація роботи. Наукові та практичні результати роботи доповідались на міжнародній науково-практичній конференції “Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии” (м. Москва, Росія, 2000р.); на міжнародній науково-технічній конференції “Современные сложные системы управления” (м. Липецьк, Росія, 2002р.); науково-практичній конференції “Автоматизація виробничих процесів” (м. Хмельницький, 2002 р.).

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, загальний об'єм роботи складає 215 сторінок, з них 183 -основного тексту, 7 сторінок – список публікацій, що містить 102 найменування, 25 сторінок додатків. В дисертації 52 малюнка і 10 таблиць.

У вступі обгрунтована актуальність дисертаційної роботи, пов'язаної з необхідністю суттєвого скорочення енергетичних витрат в прокатному виробництві України і істотного покращення якості прокатної продукції з метою підвищення її конкурентоспроможності на світових ринках. Накопичений досвід свідчить про те, що розвиток і вдосконалення автоматизованих систем керування технологічними процесами в лініях прокатного виробництва в сучасних умовах є ефективним напрямом вирішення таких задач.

В першому розділі проведений аналіз особливостей технологічних процесів нагріву і гідравлічної очистки слябів перед прокаткою. Показано, що нагрівальні печі прокатного виробництва є найбільшими споживачами палива, в них окислюється значна кількість металу. При ручному керуванні параметрами теплового режиму оператор не в змозі постійно відстежувати ситуацію на технологічній лінії і не може підтримувати ці параметри на оптимальному рівні. На вітчизняних станах гарячої прокатки витрачається надмірна кількість енергетичних ресурсів. Тому розробка і використання досконалих систем автоматизованого керування є реальним шляхом істотного скорочення енергоспоживання в прокатному виробництві.

Проаналізовані дані, які характеризують процес окислення поверхні металу при його нагріві в атмосфері спалювання газоподібного палива, склад окалини, що утворюється, міцність її зчеплення з поверхнею. Розглянуті різні способи очищення поверхні нагрітого металу від первинної окалини, показана перспективність використовування нових процесів гідроочистки з застосуванням води високого тиску.

Параметри технологічного процесу гідроочистки металу (тиск води, що подається, відстань сопел до поверхні і швидкість переміщення сляба) істотно залежать від характеристик окалини, які, у свою чергу, визначаються маркою металу, тривалістю його перебування в робочому просторі. В зв'язку з цим розробка систем автоматизації агрегатів прокатного стана повинна здійснюватися в комплексі з розвинутим інформаційним обміном між системами і керуванням, що забезпечує оптимізацію критеріїв технологічного процесу в цілому.

В другому розділі розглянуті автоматизовані енергоресурсо-зберігаючі системи гідроочистки окалини для гарячої прокатки листів.

Різке підвищення якості очищення поверхні слябів з сучасних марок сталі в порівнянні з існуючим рівнем за умови зниження енерговитрат може бути забезпечено істотною зміною технології видалення окалини, а саме - значним підвищенням робочого тиску в гідравлічній системі ( до 60 МПа) при відповідному зменшенні об'ємної витрати води.

Нова технологія може призвести до бажаного ефекту тільки шляхом організації сучасних систем керування гідравлічним устаткуванням, новими засобами подачі води на поверхню сляба – роторними головками з регульованою висотою розташування сопел над поверхнею металу, а також з регульованою швидкістю руху заготовок в зоні гідроочистки.

Математична постановка задачі зводиться до визначення параметрів настройки автоматизованої системи керування пристроєм гідравлічного видалення окалини - Q, P, h, vсл, забезпечуючих мінімум цільової функції

min при дотриманні обмежень:

Q <=Qдоп, Р<=Pдоп, h>=hmin, vсл >= vсл.min, Дtпов<=Дtпов.доп ,

де Fц - цільова функція процесу керування, яка визначає ступінь очищення поверхні сляба від окалини; - площі поверхні сляба – повна і очищена від окалини; P,Pдоп- тиск води в системі гідроочистки і його максимально допустиме значення; Q,Qдоп – повна витрата рідини в системі і її максимально допустиме значення; vсл, vсл.min - швидкість руху сляба в камері гідроочистки і її мінімально допустиме значення; h,hmin – відстань від сопла до поверхні сляба в камері гідроочистки і її мінімально допустиме значення; Дtпов ,Дtпов.доп – фактичне і допустиме зниження температури поверхні металу в камері гідроочистки; i – номер сляба.

Цільова функція Fц є вектором

Fц = f(Pпит,Qпит,wок,),

компоненти якого є технологічними параметрами системи і фізичними властивостями окалини: Рпит – питомий тиск удару струменя гідроочистки на одиницю площі поверхні сляба; Qпит–питома витрата рідини на одиницю площі поверхні сляба; wок - кількість окалини на поверхні сляба; - міцність зчеплення окалини з поверхнею сляба.

У свою чергу питомий тиск удару струменя гідроочистки

,

де Fпит – сила удару струменя на поверхні сляба в зоні сліду сопла; S –площа сліду сопла; ; v – швидкість струменя; с - густина води; Qсп –витрата рідини через сопло: Qсп=мsспv , де м - коефіцієнт витрати сопла; sсп – перетин вихідного отвору сопла;

питома витрата рідини на одиницю площі поверхні сляба

Qпит = ,

де n – кількість сопел гідроочистки; Всл – ширина сляба;

кількість окалини на поверхні сляба

wок = К0

де К0 – коефіцієнт; ф – час перебування сляба в печі; Qе – енергія активації; R – газова постійна; Т– температура нагріву сляба;

міцність зчеплення окалини з поверхнею сляба

уок =уок(C, Si, Ni, Tсл),

де C, Si, Ni – процентний вміст в сталі вуглецю, кремнію, нікелю і т.д.; Tсл - температура поверхні сляба в зоні гідроочистки.

Запропонована методика розрахунку технологічних параметрів гідроочистки з роторними головками на основі регресійного полінома

,

де qо, qi, qij, qii - коефіцієнти регресії; xi, x j , (i,j=1...k) – аргументи полінома; x= (ф, O2, T,C, Si,Cr).

Значення питомого удару і повного тиску в колекторі високого тиску визначається згідно з співвідношенням

.

Швидкість руху сляба при роботі гідроочистки на роторних головках змінюється від сляба до сляба і визначається згідно з виразом

, (*)

де bсп - ширина сліду струменя сопла, що обертається, на поверхні сляба; щг - кутова швидкість обертання головки.

Кутова швидкість визначається з рівняння моментів для каналу з рідиною, що обертається під дією реактивного струменя

де Р – тиск рідини на виході з сопла; Rг - середній радіус сліду струменя при обертанні головки; ш– кут між векторами окружної і кутової швидкостей головки; Сх - коефіцієнт лобового опору, в нашому випадку

Сх =0.8 ч 1; сп - густина повітря; dmp - діаметр трубки; Fв - вертикальна складова реакції в підшипниках; dn.cep - середній діаметр підшипника.

Рішення цього рівняння дає значення кутової швидкості обертання роторної головки щг і згідно з формулою (*) визначається швидкість сляба. Крім того, використовуючи співвідношення трикутників швидкостей системи, що обертається, обчислюються абсолютна швидкість струменя головки і значення питомого удару струменя на поверхні сляба.

В третьому розділі дисертаційної роботи проведені дослідження процесів керування нагрівом слябів в печі і розробці алгоритмів керування з урахуванням вимог суміжних процесів технологічної лінії прокатного стана. Приведені дані, які характеризують вимоги до точності нагріву слябів з боку процесів гідроочистки окалини і прокатки. Показано, що при зменшенні дисперсії середньомасової температури слябів на видачі із печі за рахунок застосування досконаліших систем керування тепловим режимом зменшується задане значення цієї температури без ризику поломки прокатного устаткування. Ця обставина приводить до істотного скорочення питомої витрати палива на нагрів і зменшення шару окалини на слябах.

Зі зменшенням середньомасової температури слябів при видачі на прокатку виникає необхідність жорсткого контролю величини поточних температурних градієнтів в слябі з тим, щоб виключити появу надто великих перепадів і збільшення ризику поломки устаткування. Тому особливу увагу в роботі надано аналізу температурних градієнтів, що утворюються за рахунок контакту сляба з глісажними трубами. Закономірності утворення і зміни цих градієнтів мало вивчені, але вони значно впливають на процес прокатки слябів, є причиною різнотовщинності по довжині готових листів і обумовлюють місцеві збільшення зусиль деформації металу.

З метою аналізу температурних полів в процесі нагріву слябів, синтезу і оцінки різних алгоритмів керування тепловим режимом печей розроблена замкнена по керуванню імітаційна математична модель, що дозволяє в прискореному масштабі часу одержувати дані про головні параметри процесу нагріву при різних алгоритмах керування і збурюючих діяннях. Модель нагріву слябів розроблена на основі періодичного рішення системи різницевих рівнянь, що апроксимують в просторі двох вимірювань диференціальне рівняння теплопровідності із змінними коефіцієнта-

ми:

де cm(t), сm(t), лm(t) - відповідно теплоємність, питома вага і теплопровідність металу; t - температура металу; s - координата по товщині сляба; z - координата по довжині сляба; ф - координата за часом.

У якості граничних умов використовуються рівняння, що відображають теплообмін між піччю і двома основними поверхнями сляба:

для верхніх зварювальних зон

і нижніх зон ,

а для томильної зони теплообмін знизу

де -результуючі теплові потоки відповідно через верхню і нижню поверхні сляба; - приведений коефіцієнт зовнішнього теплообміну; - функції, що визначають інтерпретацію показань зональних термопар на координату обчислюваного сляба; Тhm,Tlm - абсолютні темпера-тури верхньої і нижньої поверхонь сляба; Тht,Tlt - абсолютні температури над і під слябом ; ц(z) - коефіцієнт екранування випромінювання низу печі на нижню поверхню сляба.

Розрахункова схема теплообміну в районі між глісажними трубами приведена на рис. 1. На ньому показані також результати моделювання температурного стана сляба завтовшки 250 мм у момент переходу його на монолітний під томильної зони. На поперечному перетині сляба приведені ізотерми з дискретою в 50°С. Як видно, температура сляба в місцях контакту з рейтерами глісажних труб нижче за температуру в центрі сляба на 400 °С , а перепад температур між поверхнею сляба і його центром в перетині між трубами складає тільки 100 °С .

Кутовий коефіцієнт екранування випромінювання низу печі на нижню поверхню сляба можна обчислити з рівняння

при (р/2) = z = (B-р/2), а для (р/2)> z > (B -р/2) =0.

В рівняннях R – радіус ізольованих глісажних труб, м (позначення див. на рис.1); n – частина рейтера, яка виступає над ізоляцією глісажної труби, м; B – відстань між глісажними трубами, м; P – ширина верхньої поверхні рейтера. Для методичної печі стана 2800 АМК розраховану нами залежність кутового коефіцієнта від відстані до глісажної труби апроксимовано поліноміальною залежністю. Новим в такій моделі є те, що за рахунок використовування методу скінченних різниць забезпечується безперервний розрахунок температурного поля в слябі в місцях його контакту з глісажними трубами, що дозволяє враховувати вплив процесу керування на такий температурний градієнт і синтезувати відповідні алгоритми. Модель дозволяє розраховувати питому витрату палива шляхом зведення теплового і матеріального балансів печі.

Рис.1. Схема розрахунку нагріву слябів, розташованих на глісажних трубах

Товщина шару окалини на слябі в процесі нагріву розраховується на основі різницевого рівняння:

де a0,a1,a2,a3 – коефіцієнти, які визначаються маркою металу; б, б0 – коефіцієнт витрати повітря в зоні і його значення, при якому окислення зупиняється; t(j), Дф – температура поверхні сляба і інтервал розрахунків.

Алгоритм керування синтезується відносно температури гріючого середовища в місцях установки термопар в зонах , що повністю відповідає алгоритмам, які реалізовані в реальних діючих АСК ТП на методичних печах.

Для настройки математичної моделі процесу і вибору алгоритмів її параметричної адаптації на методичній печі №3 стана 2800 АМК проведений експериментальний нагрів сляба із закарбованими термопарами, що дозволило зіставити реальний і розрахунковий розподіли температур в слябі протягом всього нагріву. Для настроєної моделі максимальна різниця цих температур не перевищує 24°C.

Ускладнення моделі нагріву слябів задачею оцінки і прогнозування нерівномірності нагріву в районі контакту з глісажними трубами привело до надмірного завантаження процесора ЕОМ. Тому для АСК ТП, працюючих в реальному масштабі часу, ця задача перероблена шляхом використання аналітичного методу замість чисельного методу сіток, а залежність кутового коефіцієнта випромінювання від відстані до глісажної труби була апроксимована лінійно-кусочною характеристикою, оскільки геометрія розташування труб незмінна. Ефективним для параметричного підстроювання всієї моделі нагріву є вимірювання розподілу температури поверхонь сляба безпосередньо після видалення окалини.

Імітаційна модель використана для дослідження впливу різних збурюючих діянь і вивчення закономірностей утворення температурних градієнтів в слябі. Показано, що різниця температур між перетинами сляба над глісажною трубою і між трубами безперервно зростає по мірі нагріву і досягає максимальних значень в 1-й зварювальній зоні, а потім після структурних перетворень в металі зменшується до 80 – 100 °C. Після витримки на монолітному поду ця різниця зменшується до 30 - 45 °C залежно від часу перебування сляба в томильній зоні. Температурний перепад тим більший, чим тонший сляб, що зв'язано з тим, що чим масивніший сляб, тим більшу кількість тепла він акумулює і тим більшою мірою компенсується відтік тепла в глісажну трубу.

На рис.2 наведений приклад моделювання процесу керування тепловим режимом печі в період зупинки технологічної лінії на 1 год. (зупинка почалася на 21 хв.). Як видно, система керування знижувала температуру в зварювальній зоні з 1355 °C до 1310 °C . Середньомасова температура сляба на виході із зони росла за рахунок теплової інерції зони, а після відновлення роботи печі на вихід зони поступали більш холодні сляби, температура яких була відновлена до 121-й хв.

Рис. 2. Зміна температури в зварювальній зоні (1) і середньомасової температури слябів (2) при автоматичному керуванні тепловим режимом в період зупинки технологічної лінії

Дослідження різних режимів нагріву дозволили сформувати допуски на зміну товщини послідовно завантажуваних в піч слябів, підкреслити важливість завчасного введення в систему даних про передбачувані зупинки технологічної лінії, оцінити відомі алгоритми керування і виробити рекомендації по синтезу комбінованих режимів керування, коли залежно від режиму переміщення садки використовуються різні стратегії керування, які також залежать від поточного теплового стану слябів і температурних градієнтів в них.

На основі проведених досліджень розроблена структура системи керування нагрівом слябів, пов'язана з системою автоматизації установки гідроочистки окалини. Запропоновані нові алгоритми коректування заданого значення середньомасової температури сляба в процесі нагріву і керування інтервалом часу між видачами слябів, які забезпечують скорочення палива на нагрів. В їх основі - проведення аналізу процесу нагріву і визначення моментів часу, коли характеристики шару окалини вже відомі, а, отже, відомі і втрати тепла при гідроочистці, але є можливість ефективно впливати на температуру сляба і градієнти температури в ньому.

Практичне опробування розроблених алгоритмів у складі діючої системи автоматизації методичної печі №1 товстолистового стана 2800 підтвердили ефективність і доцільність подальшого використовування імітаційної моделі для аналізу і синтезу пропозицій по вдосконаленню діючих і розробці нових АСК ТП нагріву металу на прокатних станах.

В четвертому розділі наведені основні технічні і алгоритмічні розробки, що забезпечили промислове випробування результатів проведених досліджень, а також аналіз зафіксованих змін техніко-економічних показників виробництва.

Розроблені математичні моделі і алгоритми керування реалізовані у складі системи керування комплексом „ділянка нагрівальних печей - нова установка гідравлічної очистки слябів” в технологічній лінії товстолистового стана 2800 ВАТ “Алчевський металургійний комбінат” (рис.3). Структура технічних засобів комплексу дворівнева. На нижньому рівні використовуються програмовані контролери, а на верхньому – виконаний на промислових ПЕОМ “інтелектуальний рівень”, який забезпечує розвинутий інформаційний обмін між підсистемами, комфортну візуалізацію даних систем і можливість архівації будь-якої інформації про реалізацію технологічних процесів.

Вперше проведено випробовування розробленого алгоритму координації у реальному часі роботи АСК ТП печей і АСК гідрозбиву окалини (АСК ГЗО), який забезпечує корегування параметрів нагріву сляба

з урахуванням особливостей видалення з його поверхні окалини, що утворилася в процесі нагріву.

Приведено опис алгоритму основної частини АСК ГЗО і її інформаційного обміну, що забезпечує своєчасне отримання даних про фактичні характеристики окалини і відповідну корекцію параметрів процесу гідроочистки.

В період освоєння нових систем автоматизації виконана перевірка розроблених моделей і алгоритмів методами автоматизованого експерименту, коли необхідна інформація про реакцію збурень збиралася і оброблялася на базі обчислювальних ресурсів систем. Таким же шляхом була зібрана і оброблена інформація про зміну техніко-економічних показників виробництва в результаті заміни ручного керування параметрами технологічних процесів автоматизованим.

За наслідками промислової експлуатації систем була допрацьована гідравлічна система, де для усунення високочастотних пульсацій тиску встановлені додаткові насоси і додаткові гасителі на магістралі високого тиску, а на магістралі низького тиску - гідроакумулятори. За рахунок використання мажоритарної логіки обробки сигналів і розробки системи діагностики забезпечена цілодобова безаварійна робота АСК ГЗО.

Аналіз розрахунків отриманої економічної ефективності, які приведені в додатку до дисертації, підтверджує, що використання нових систем автоматизації є економічно і технічно ефективним заходом.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі здійснено рішення важливої народногосподарської задачі – підвищення ефективності роботи агрегатів технологічної лінії прокатного виробництва на основі нової автоматизованої енергоресурсозберігаючої системи зв'язаного керування технологічними процесами нагріву слябів і гідроочистки окалини.

В роботі на основі системного підходу розроблені математичні моделі, стратегії керування, проведено імітаційне моделювання процесів керування, виконана статистична обробка результатів промислових досліджень і математичне програмування деяких задач реального часу. В результаті отримані наступні основні теоретичні і практичні висновки:

1. На підставі аналізу виробничо-технічних даних встановлено, що вітчизняне прокатне виробництво має значні резерви по підвищенню ефективності і, перш за все, за енергозбереженням на ділянках нагрівальних печей і за якістю поверхні прокату, оскільки існуючі системи очистки поверхні металу після нагріву не відповідають сучасним вимогам. Одним із шляхів використання цих резервів при невисоких капіталовкладеннях є застосування досконалих автоматизованих систем керування цими технологічними процесами.

2. Проаналізовані основні чинники, що визначають склад окалини, ступінь її зчеплення з поверхнею металу, можливість отримання інформації про її фактичні параметри на виході з нагрівальних печей і умови ефективного видалення, а також сформульовані основні вимоги до автоматизованої системи гідровидалення, на підставі яких розроблені математичні моделі і алгоритми керування.

3. Розроблена замкнена по керуванню імітаційна модель процесу нагріву слябів, з використанням якої вперше проведений аналіз процесу утворення температурних градієнтів в місцях контакту металу з водоохолоджуваними глісажними трубами, і розроблені алгоритми керування інтервалами між видачами заготовок на прокатку, які забезпечують мінімізацію цих градієнтів. Імітаційна модель рекомендується для використання при розробці нових систем автоматизації, аналізу і синтезу алгоритмів керування нагрівом металу в прохідних печах.

4. Аналіз і моделювання відомих алгоритмів керування температурним режимом нагріву в умовах виникнення непередбачених зупинок технологічної лінії стана дозволили розробити нову стратегію комбінованого формування заданих енергозберігаючих розподілів середньомасової температури металу вздовж робочого простору печі. При нормальній роботі стана цей оптимальний розподіл розраховується для кожного сляба як функція його параметрів і прогнозованого часу нагріву, а при виникненні непередбачених зупинок розподіл формується залежно від фактичної температури слябів з урахуванням гарантованого нагріву. При цьому компенсуються погрішності прогнозування часу нагріву і враховується та обставина, що після зупинки прокатний стан працює, як правило, з максимальною продуктивністю.

5. Промислові випробування запропонованих математичних моделей і алгоритмів керування у складі автоматизованих систем керування гідравлічним видаленням окалини підтвердили значне поліпшення якості очистки металу від окалини. Це дозволило практично повністю відмовитися від ручної зачистки металу на останньому етапі обробки, що, у свою чергу, забезпечило підвищення продуктивності цеху на 23%, оскільки очистка металу була вузьким місцем в технологічній лінії прокатного стана. Така система впроваджена у виробництво вперше в Україні і на станах СНД.

6. Розроблені математичні моделі, стратегії і алгоритми керування використані в АСК ТП ділянки нагрівальних печей стана 2800. За рахунок більш точного, гарантованого нагріву слябів в період промислової експлуатації системи зафіксовано зменшення дисперсії середньомасової температури на виході з печей, що дозволило знизити задані значення цього параметра і відповідно скоротити питому витрату палива і зменшити втрати металу в окалину.

7. Інформаційний обмін між системами керування нагрівом і гідроочисткою дозволив реалізувати задачу автоматичного підстроювання моделей оцінки теплового стану металу в процесі нагріву і задачу автоматичної настройки установки гідроочистки за даними характеристик окалини на слябі, що поступає. Взаємодія систем забезпечила також керування інтервалами між видачами металу на прокатку і відповідне зменшення температурних градієнтів вздовж сляба, що сприяло зменшенню різнотовщинності листів.

8. В результаті аналізу виробничих даних встановлено, що річний економічний ефект, отриманий за рахунок підвищення продуктивності технологічної лінії при впровадженні АСК ГЗО, склав 2994017 грн. за рік, а розрахунковий ефект при обліку інших складових, пов'язаних в основному з енергозбереженням, складе 3570263 грн. Річний економічний ефект, отриманий за рахунок економії палива при впровадженні АСК ТП ділянки нагрівальних печей, склав 1374604 грн. Терміни окупності витрат на реалізацію систем автоматизації не перевищують 0,9 року.

9. Розроблені з урахуванням результатів даної роботи системи автоматизації нагрівальних печей і установок гідравлічної очистки металу можуть бути рекомендовані для використання на товстолистових, широкосмугових і сортових станах гарячої прокатки, а також для установок безперервної розливки сталі.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Грабовский Г. Г., Шевченко Т. Г., Бойчук Б. И. Базовая система управления нагревательными печами на толстолистовом стане//Металл и литье Украины. – 2001. – №1,2. – С. 40-42.

2. Байкалов В. А., Грабовский Г. Г., Шевченко Т. Г. Повышение эффективности и экономичности системы гидросбива окалины на основе очистки печной окалины водоструйной установкой давлением до 700 бар // Металл и литье Украины. – 2001. – №10-11. – С. 47-49.

3. Грабовский Г. Г., Бойчук Б. И., Шевченко Т. Г. Усовершенствование управления тепловой работой нагревательных печей при помощи комплекса имитационного моделирования //Автоматизація виробничих процесів. – 2001. – №2(13). – С. 153-158.

4. Бойчук Б. И., Шевченко Т. Г. Энергосберегающая система управления оборудованием прокатных цехов // Автоматизація виробничих процесів. – 2002. – №1(14). – С. 125-135.

5. Бойчук Б. И., Шевченко Т. Г. Интеграция на линии прокатки / Бюллетень агентства “Информбанкстандарт”// Металл Украины. – 2002. – №4(58). – С. 51-53.

6. Грабовский Г. Г., Шевченко Т. Г. Анализ и синтез интегрированных АСУ толстолистовых прокатных станов // Вісник Технологічного університету Поділля. – 2002. – Т.2. – С. 269-271.

7. Беляев Ю.Б., Грабовский Г. Г., Шевченко Т. Г. Автоматизация гидравлического удаления окалины при прокатке горячего металла // Автоматизація виробничих процесів. – 2002. – №2(15). – С. 74-83.

8. Грабовський Г. Г., Бойчук М. В., Бойчук Б. І., Шевченко Т. Г. Оперативна оцінка нерівномірності нагрівання заготовок по їх довжині // Автоматизація виробничих процесів. – 2003. – №1(16). – С. 8-14.

9. Шевченко Т. Г. Технологические особенности и эффективность автоматизации прокатного оборудования стана 2800 Алчевского меткомбината // Автоматизація виробничих процесів. – 2003. – №1(16). – С. 61-64.

10. Грабовский Г. Г., Евдоксин А. В., Иевлев Н. Г., Корбут В. Б., Шевченко Т. Г. Основные принципы построения автоматизированной системы гидросбива окалины для стана горячей прокатки // Автоматизація виробничих процесів. – 2002. – №2(16). – С. 92-101.

11. А. с. 1731304 СССР. Горячекатаный фланцевый профиль/ Т. Г. Шевченко, Ю. С. Кострица, В. И. Деревянко, В. С. Махнин, С. В. Антонюк, Л. И. Привен, А. Н. Белик, В. Ф. Коваленко // Бюллетень изобретений. – 1992. – №17.

12. Патент на винахід №97010363. Спосіб руйнування вогнетривких та шлакових масивів/ Т. Г. Шевченко, Б. Ц. Соколовський, М. Д. Скакун. - Зареєстровано 29.01.1997.

13. Грабовский Г. Г., Шевченко Т. Г., Бойчук Б. И. Управление нагревом металла в проходных печах с помощью средств вычислительной техники // Материалы 2-й международной научно-практической конференции “Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии”.- М.: МИСиС, 2000. –С. 479-480.

14. Грабовський Г. Г., Шевченко Т. Г. Аналіз і синтез інтегрованих АСК товстолистових прокатних станів // Науково-практична конференція “Автоматизація виробничих процесів”// – Хмельницький: 2002. – С. 269-271.

15. Шевченко Т. Г. Энергосберегающее и автоматизированное управление толстолистовым прокатным станом // Международная научно-техническая конференция „ Современные сложные системы управления// – Липецк: 2002.

АНОТАЦІЇ

Шевченко Т.Г. Системи керування прокатним устаткуванням з використанням енергоресурсозберігаючих технологій. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 – автоматизація технологічних процесів. – Науково-виробнича корпорація “Київський інститут автоматики”, Київ, 2004.

Дисертація присвячена дослідженням, розробці і апробації математичних моделей і алгоритмів керування технологічними процесами нагріву і гідравлічної очистки поверхні слябів перед прокаткою на товстолистових станах з метою підвищення ефективності роботи прокатних станів за рахунок використання удосконалених систем автоматизованого керування технологічними процесами.

Вивчення процесів утворення окалини на поверхні слябів різних марок сталі дозволили сформувати стратегію керування новими установками гідроочистки металу, покритого окалиною, оцінка параметрів якої виконується в реальному масштабі часу нагріву в робочому просторі печі.

На основі імітаційного моделювання з використанням нової математичної моделі замкненої системи керування процесом нагріву сформовані енергозберігаючі траєкторії оптимальної зміни температури слябів в процесі нагріву з урахуванням виникнення непередбачених зупинок технологічної лінії. Особливу увагу надано вивченню процесу утворення місцевого охолоджування сляба при переміщенні по глісажних трубах.

Для реалізації розроблених стратегій і алгоритмів керування запропоновані структури автоматизованих систем керування комплексом “ділянка нагрівальних печей – установка гідроочистки”, які містять два інтелектуальних рівні: програмно-логічне ситуаційне керування механізмами і оптимальне керування параметрами теплового режиму. Для підтвердження адекватності результатів наукових досліджень і ефективності розроблених моделей і алгоритмів керування проведено їх промислове випробування у складі автоматизованих систем. Аналіз даних про зміну основних технічних і економічних показників виробництва підтвердили достовірність результатів роботи і доцільність їх подальшого використання. Встановлено також, що за рахунок зниження енергетичних витрат і підвищення продуктивності технологічної лінії отриманий сумарний річний економічний ефект в розмірі близько 4 млн. грн.

Ключові слова: математична модель, імітаційне моделювання, алгоритм керування, нагрів металу, гідроочистка окалини, енергозбереження, оптимізація.

Шевченко Т. Г. Системы управления прокатным оборудованием с использованием энергоресурсосберегающих технологий. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 – автоматизация технологических процессов.- Научно-производственная корпорация “Киевский институт автоматики”, Киев, 2004.

Содержание научной задачи, которой посвящена диссертационная работа, состоит в необ-ходимости повышения эффективности работы прокатных станов за счет использования совершенных систем автоматизированного управления технологическими процессами. Современные потребители металлопродукции предъявляют все более высокие требования к физико-механическим характеристикам и качеству поверхности готового проката. Это обстоятельство обуславливает появление новых марок сталей с повышенным содержанием легирующих элементов, что в свою очередь требует разработки новых режимов нагрева металла и очистки его поверхности от труднодеформируемой окалины.

Диссертация посвящена исследованиям, разработке и апробации математических моделей и алгоритмов управления технологическими процессами нагрева и гидравлической очистки поверхности слябов перед прокаткой на толстолистовых станах.

Изучение процессов образования окалины на поверхности слябов различных марок стали позволили сформировать стратегию управления новыми установками гидроочистки металла, покрытого окалиной, оценка параметров которой выполняется в реальном масштабе времени нагрева в рабочем пространстве печи.

На основе проведенных исследований и имитационного моделирования с использованием новой математической модели замкнутой системы управления процессом нагрева сформированы энергосберегающие траектории оптимального изменения температуры слябов в процессе нагрева с учетом возникновения непредвиденных остановов технологической линии. Особое внимание уделено изучению процесса образования местного охлаждения сляба при перемещении по глиссажным трубам и разработке алгоритма по возможному уменьшению такого перепада температуры и его негативного влияния на геометрические размеры листа.

Для реализации разработанных стратегий и алгоритмов управления предложены структуры автоматизированных систем управления комплексом “участок нагревательных печей – установка гидроочистки”, содержащие два интеллектуальных уровня: программно-логическое ситуационное управление механизмами и оптимальное управление параметрами теплового режима.

Информационная взаимосвязь систем комплекса включает слежение за металлом и обмен технологическими параметрами, что обеспечивает процесс выработки оптимальных энергосберегающих управлений, а также выдачу оперативной обработанной информации обслуживающему персоналу.

Для подтверждения адекватности теоретических результатов научных исследований,