Совершенствование процесса управления охлаждением заготовок МНЛЗ в АСУ ТП

Актуальность работы. В условиях кризиса мировой экономики необходимо поддерживать конкурентоспособность продукции и решать задачи, связанные с постоянным повышением качества отечественных металлоизделий. Такие задачи надо решать за счет создания комплексной автоматизированной системы контроля и управления технологическим процессом (АСУ ТП), которая обеспечивает необходимое качество металлопродукции на каждом этапе ее производства.

Непрерывнолитые заготовки являются основным сырьем для производства проката, и качество заготовок определяет качество готового металлоизделия. Одной из основных проблем, встречающихся при разливке металла на MHJI3 радиально-криволинейного типа, считается наличие трещин и ликвационных зон во внутренней структуре металла, а также на поверхности заготовок. Одной из причин появления дефектов в непрерывнолитых заготовках являются термические напряжения. Уменьшение термических напряжений обеспечивается при помощи повышения качества управления в АСУ ТП за счет введения рационального управления охлаждением заготовок.

Основная проблема, решаемая в данной работе — совершенствование процесса управления охлаждением заготовок для получения заданного качества и температурного состояния на выходе из MHJI3. В работе учтены результаты исследований Бутковского А. Г., Сиразетдинова Т. К., Лионса Ж. Л.,.

Черноруцкого И.Г., Панферова В. И., Девятова Д. Х., Парсункина Б. Н. в области теории управления и методов оптимизацииЕвтеева Д.П., Борисова В. Т.,.

Лисиенко В.Г., Журавлева В. А., Самойловича Ю. А., Лисина B.C. и др. в области разработки теоретических положений, практической разработки, внедрения и эксплуатации машин непрерывного литья заготовок. В АСУ ТП МНЛЗ применяется довольно большой спектр программных продуктов, предназначенных для улучшения процесса разливки. Однако, они, в основном, лишь определяют необходимые параметры разливки в стационарном режиме работы МНЛЗ. В МГТУ, где выполнялась данная работа, также занимаются проблемами рационализации 6 процесса охлаждения заготовок MHJI3. В работах Логуновой О. С., Тутаровой В. Д. рассматриваются задачи повышения качества заготовок МНЛЗ и взаимосвязь дефектов структуры с температурными полями заготовок.

Специфика задачи, рассматриваемой в настоящей работе, состоит в учете динамики процессов охлаждения заготовок в МНЛЗ. Оптимизация процесса охлаждения позволит повысить качество сортовых заготовок. Однакоэта задача в известной литературе не рассматривалась. Решение данной задачи связано с построением адаптивной системы управления, охлаждением заготовок МНЛЗ. Сказанное определяет актуальность задачи, решаемой в работе.

Цель> и задачи^ работы. Целью данной диссертационной работы, является создание адаптивной автоматизированной системы управления охлаждением сортовых заготовок для повышения их качества в рамках АСУ ТП МНЛЗ.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

— разработка динамической модели охлаждения заготовок и оперативного 1 метода расчета по ней температурногошоля’заготовок в реальном времени-,.

— разработка метода настройки динамической модели по экспериментальным данным;

— выбор метода эффективного поиска рациональных расходов" воды по секциям зоны вторичного охлаждения (ЗВО);

— разработка структуры адаптивной системы управления охлаждением заготовок на базе динамической модели процесса охлаждения;

— разработка программного обеспечения для реализации адаптивной системы управления, где рассчитываются необходимые расходы воды по секциям ЗВО с представлением температурных полей с учетом марки стали, теплоты кристаллизации, размеров жидкой, твердой и двухфазных зон в процессе* нестационарного и стационарного движения заготовок;

— проведение эксперимента на объекте управления и получение экспериментальных данных, настройка динамической модели и программного регулятора по разработанным алгоритмам;

— моделирование работы системыинтеграция системы управления в существующую АСУ ТП МНЛЗ;

— апробация работы адаптивной системы управления.

На защиту выносится:

— структура адаптивной системы управления охлаждением заготовок МНЛЗ;

— алгоритм настройки динамической модели процесса охлаждения заготовок и алгоритм настройки программного регулятора;

— программное обеспечение для реализации адаптивной системы управления охлаждения заготовок МНЛЗ.

Научная новизна. Научная новизна заключается в следующем:

— разработаны конечно-разностные уравнения для решения дифференциального уравнения теплопроводности динамической модели процесса охлаждения заготовок;

— на базе динамической модели разработана новая структура адаптивной системы управления температурным полем заготовок для получения заданного температурного поля по всей длине заготовок вдоль оси МНЛЗ в реальном масштабе времени;

— впервые предложено поддерживать среднемассовую температуру заготовок вдоль оси МНЛЗ изменяющейся по линейному закону для получения заданной температуры на выходе из МНЛЗ и минимальных значений напряжений;

— разработан новый алгоритм настройки динамической модели температурного поля заготовок и алгоритм настройкифункции регулирования температуры заготовок.

Практическое значение результатов. Практическая! ценность работы заключается в следующем:

— разработан комплекс программных средств управления, который в отличие от существующих, позволяет производить моделирование температурного поля по объему заготовок в реальном времени, регулирование расхода охладителя для получения заданного температурного поля в реальном времени, а таюке настройку модели и регулятораданный^ программный комплекс позволяет повысить качество продукции, и улучшить контроль за процессом охлаждения- - - проведено опытное промышленное исследование системы управления.

1 на МНЛЗ № 2 в ЭСПЦ ОАО «ММК», позволившее проверить алгоритм настройки модели температурного поля заготовокг.

— система управления^ использовалась для оптимизации процесса охлаждения заготовок, на МНЛЗ № 2 в ЭСПЦ ОАО «ММК» и может быть применена на аналогичных МНЛЗ, также она может применяться для исследования различных режимов разливки заготовок;

— разработанная динамическаямодель служит базой > для вновь разрабатываемой адаптивной’системы управления качеством' заготовок МНЛЗ;

— разработанная база данных для? хранения теплофизических характеристик сталей, настроечных параметров динамической' модели и настроечных параметров? регулятораможет использоваться для других систем управления качеством" заготовок МНЛЗ;

— применение разработанной адаптивной системы^ управления позволило достигнуть уменьшение количества’брака на 3%.

Апробация работы. Материалы подданной работе доложены:

— на международной научно-технической конференции молодых специалистов и инженеров ОАО «ММК» в г. Магнитогорске в 2005 году работа заняла Вместо;

— на Всероссийской научно-технической конференции «Создание и внедрение корпоративных информационных систем (КИС) на промышленных предприятиях Российской Федерации» (г. Магнитогорск, 2005 год);

— на V международном научно-практическом семинаре «Управление информационной инфраструктурой организации на основе технологии открытых систем» (МаГУ, г. Магнитогорск, 2008 год);

— на 63-ей, 64-ой, 65-ой и 66-ой научно-технических конференциях по итогам научно-исследовательских работ (г. Магнитогорск, МГТУ, 2005, 2006, 2007, 2008 года).

Получены два гранта Министерства образования РФ и Правительства Челябинской области в 2004 году и в 2005 году. Получен акт внедрения разработанной системы на производстве и акт внедрения комплекса программных средств в учебный процесс.

Публикации по теме диссертации. По материалам диссертации опубликовано 16 статей в научно-технических журналах и сборниках, две из которых опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК для публикаций основных результатов диссертационных исследований, получено свидетельство об отраслевой регистрации программ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, библиографического списка используемой литературы, включающего 71 наименование, а также 8 приложений. Диссертация изложена на 156 страницах и включает 63 рисунка, 9 таблиц.

Выводы к главе 4.

Г. Программный" комплекс является основной составляющей системы управления и< состоит из трех программных продуктов: «Разливка Управление», «Разливка Контроль» и? «Разливка. PLC». Каждый' продукт имеет отдельное функциональное назначение. Программный продукт «Разливка Управление» выполняет основные функции^ управленияи настройки. Программный продукт «Разливка Контроль» предназначен: для визуализации процесса охлаждения заготовок. Программный продукт «Разливка PLC» предназначен для сбора информации с MHJI3 в базу данных.

2. Система управления реализована на базе основных принципов построения открытых систем, которые были приведены ранее:

— мобильность системы обеспечивается за счет применения детерминированной динамической модели;

— в программном продукте «Разливка Управление» имеются блоки адаптации динамической модели" и регулятора, что обеспечивает обучаемость системы;

— выработка обоснованных решений обеспечивается в программном продукте «Разливка Управление» за счет алгоритма управления;

— также система обеспечивает технолога-разливщика данными о физических процессах в удобном для понимания виде (Программный продукт «Разливка Контроль»);

— предполагается, что система управления интегрируется в существующую систему управления и предназначена для применения в качестве оптимизирующего дополнения и расчета управляющих воздействий, а также для использования в качестве исследовательской модели.

3. Приведены результаты эксперимента на сортовой МНЛЗ № 2 ЭСПЦ ОАО «ММК» и получен акт внедрения адаптивной системы управления в технологический процесс. Система управления позволяет сократить брак на 3%. При проведении эксперимента был проверен алгоритм настройки математической модели и программного регулятора.

4. Были рассмотрены графики, полученные при моделировании процесса охлаждения, как в стационарном режиме, так и в динамическом режиме. Система управления оптимизирует температурное поле заготовки при резких скачках скорости разливки и температуры металла в промежуточном ковше.

5. Для оценки экономической эффективности внедрения данной системы на производстве, рассчитана калькуляция себестоимости, применены метод чистой текущей стоимости, метод внутренней нормы прибыли и дисконтный метод окупаемости проекта. В соответствии с этими тремя методами проект получается экономически эффективеным, срок окупаемости проекта менее 2-х лет.

Заключение

.

1. Для того чтобы улучшить качество заготовок, отливаемых на МНЛЗ, снизить трещинообразование, необходимо применять автоматизированные системы управления охлаждением заготовок, построенные по принципу адаптивных систем с динамическими моделями процессаохлаждения заготовок.

2. В работе предложена динамическая модель, описывающая* тепловое состояние заготовок, позволяющая оперативно выполнять расчеты температур заготовок по всему объему в реальном1 масштабе времени с учетом тепловыделения при фазовой и структурной трансформации, теплоотдачи вследствие водяного охлаждения, теплового1 излучения, естественной и вынужденной конвекции, контакта с роликами. Разработана методика оперативных расчетов на основе метода конечных разностей. Для описания напряженного состояния заготовок использована модель, позволяющая оперативно определять термонапряжения по длине заготовок.

3. Разработана методика настройки модели и методика настройки программного регулятора с использованием специализированных методов, сочетающих методы математического программирования с особенностями технологии обработки металла, позволяющая производить адаптацию системы управления по данным, получаемым с объекта управления в обычном режиме работы.

4. На основании требований, предъявляемых к процессу разливки, разработана методика рационализации теплового режима за счет поддержания заданного изменения среднемассовой температуры заготовок вдоль оси МНЛЗ. Данная методика позволяет получить необходимое температурное поле заготовок на выходе из МНЛЗ и наименьшее значение температурных напряжений в заготовках.

5. Предложена структура адаптивной системы управления охлаждением заготовок на базе разработанных методов i настройки, модели^ и: настройки программного регулятора^ позволяющая достигать необходимого качества заготовок за счет использования динамической модели теплового состояния заготовок и методики рационализации процесса охлаждения.

6. Разработан, комплекс программных средств (основная! составляющая адаптивной системы управления), который, состоит из трех программных продуктов: «Разливка Управление», «Разливка Контроль» и «Разливка PLC». Получено свидетельство об отраслевой регистрации- № 9271 на разработку «Комплекс средствоптимизации процесса управления охлаждением заготовок МНЛЗ 1.0». Получен, акт внедрения программного комплексав учебный процесс. Данный комплекс позволяет выполнять все действия по настройке, модели и программного регулятора, по оптимизации процесса охлаждения заготовок и по управлению процессом охлаждения заготовок. '.

7″ гИр0веден-.-эксперимент'насбртовойёЩЩЗШ"^ ЭС1Щ1(c)А0'Ч<�ММК>>, .иполучены экспериментальные данные, которые использовались: для настройки динамической модели. Выполнена настройка модели по полученным экспериментальным данным объекта, управления по разработанному алгоритму. Произведена настройка программного регуляторас помощью? настроенной динамической модели по разработанному алгоритму.-Данный эксперимент позволил проанализировать работу системы управления и добиться ее устойчивой работы.

• 8. Произведено моделирование работы существующей и разработанной системы управления на MHJI3 № 2 ЭСГ1Ц ОАО «ММК». В результате выявлены преимущества разработанной системы управления, которая, в отличие от существующей, позволяет получать необходимое качество заготовок.

9. Система управления интегрирована в существующую систему управления МНЛЗ в ЭСПЦ ОАО «ММК». Получен акт внедрения системы управления в существующую АСУ ТП МНЛЗ. Система управления предназначена для расчета управляющих воздействий и для использования в качестве исследовательской модели. Разработанную систему управления после проведения настройки модели и функции регулирования также можно использовать на других МНЛЗ. Интеграция системы управления позволяет обеспечить стабильную работу МНЛЗ за счет предупреждения аварийных ситуаций и рациональный режим охлаждения заготовок.

10. Применение разработанной системы управления позволяет достигнуть снижения количества брака заготовок на 3%.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах.

— В рекомендованных ВАК изданиях:

1. Батраева, А. Е. Динамическое управление температурным состоянием заготовок МНЛЗ / А. Е. Батраева, Б. Н. Парсункин, E.H. Ишметьев, С. М. Андреев, З. Г. Салихов, А. Ю. Светлов // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. — 2007 — 11. — С 20—25.

2. Батраева, А. Е. Самонастраивающаяся система оптимального управления температурным полем заготовок МНЛЗ / А. Е. Батраева, Б. Н. Парсункин, С. М. Андреев // Автоматизация в промышленности. — 2009. — 5. -С. 18−21.

— В других статьях:

1. Батраева, А. Е. Разработка системы оптимального охлаждения непрерывнолитой заготовки в ЗВО МНЛЗ// Сборник рефератов научно-исследовательских работ аспирантов. — Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2004. -С. 136−137.

2. Батраева, А. Е. Охлаждение тонкой заготовки в зоне вторичного охлаждения с обеспечением температуры на выходе из МНЛЗ 1050−1150°С // Молодежь. Наука. Будущее: Сб. науч. тр. студентов Вып. 3. — Магнитогорск: МГТУ. — 2004. — С. 85−88.

3. Батраева, А. Е. Система оптимального охлаждения сортовой заготовки в ЗВО МНЛЗ / Батраева! А. Е, Светлов" А: ЮУ // Автоматизация технологических и производственных процессов? в. металлургии: Межвузовскишсб: науч. тр- - Магнитогорск: МЕТУ. — 20 041- С. 151−155:

4. Батраева, А. Е. Управление вторичнымохлаждениемзаготовкина МЕШЗгВ’Составе литейно-прокатного агрегата: с~целью/обеспечения" заданнойтемпературы / Парсункин Б. Н., Андреев С. М-, А. Е. Батраева!// Математика: Приложение математики^ вэкономических: технических и педагогических исследованиях: Межвузовский сб: науч^ тр:.- Магнитогорск: МГТУ. — 20 041 с. Ю9−11Я" ¦.

5. БатраеваА.Е. Программное5 обеспечение для определения зоны перемешивания: составов Иепрерывнолитой*сталишршсмене марок / Батраева А. Е., Парсункин Б. Н, АндреевС. М (,. Светлов: А.1@:. // Новые программные средствадош предприятий": Урала: Вып. 3: Сбтр:. региональной?- -научно-техштескошконференциш.- МапштогорскгМЮЖ — 2004^ - .65−71/.

6: Батраева, А.Е. Математическое1 моделирование усадочных: напряжений в системе: стабилизации? качествазаготовокМНЛЗз / Батраева А. Е-, Парсункиш Б:№, Светлов?" А. Ю: // Электротехнические системы, и комплексы: Межвузовский сб. науч. тр: Вып. 11. — Магнитогорск: МГТУ. —.

2005.-с. 109−113.

7. БатраеваА.Е. Стабилизация качества заготовок, отливаемых на МНЛЗ / Батраева* А.Е., Парсункин Б. Н., Андреев С. М., Светлов А. Ю: // Математика. Приложение математики в экономических технических и педагогических исследованиях. Межвузовский сб. науч. тр. — Магнитогорск: МГТУ. — 2005. — С. 196−200.

8. Батраева, А. Е. Энергосбережение и повышение качествана участке МНЛЗ- — прокатный стан// Создание и внедрение корпоративных информационных систем (КИС) на промышленных предприятиях РоссийскойФедерации.Вып. 1: Сб. тр. Всероссийской науч.-техн. конф./ Под ред-, Д1Х. Девятова- — Магнитогорск: ИИЦ?0(c)®?<<�ПрофгШринт>>^ - 2005. — С. 150−153. ¦.. 'V-' ' ' ' ' V '.

9. Батраева, А. Е. Самонастраивающаяся система управления: охлаждением заготовок МНЛЗ / Батраева А. Е., Парсункин Б. Н: // Сборник рефератовшаучно-исследовательских' работ: аспирантов- - Челябинск: Изд-во ЮУрЖУ. — 2005^ - €.". Ж1−122:

10: Батраева, А: Е, Самонастраивающаяся. система динамического регулирования температурного? состояния" непрерывнолитых заготовок- // Матерйальк64-ой, научктехнг, крнф. том, 2^ — Магнитогорск: МЕТ. У: — 2006; — С. 14Г-1:44-.. :. ' ', •' ¦•-: «л.

П. Батраева-А.Е.УЦ^ш.^тческ^я оптимизация процесса охлаждения заготовок^ МЕШ31 / Андреев? С. М1Г БатраеваА.Е., — Светлов А. Ю: // Автоматизация? технологических и. производственных процессов в металлургии: Межвузовский! сб: науч-. тр:&bdquo- / под*:-ред-'. Парсункинш Б':Н!'. — Магнитогорск: гЕОУ ВШ (c)у"МЕТУ>>-.-2006? — С. В14—.

12. Батраева, А. Е. Комплекс средств оптимизации. процесса управления^ охлаждением> заготовокМНЛ3 1.0 / Батраева А. Е., Парсункин Б-11., АндреевС. М: // Компьютерные — учёбные программы, и? инновации*.

131 БатраеваЖЕл, Динамическое управление, 1 температурнымполем: заготовок для получения заданного качества на выходе из. МНЛЗ / Парсункин Б: Н., Батраева А?.Е.// Материальпбб-ейшаучнотехническотконференции: Сб: докл. — Магнитогорск: РОУ ВПО «МГТУ». — 20 081 — Т.2. С.95−97.

14. Батраева, А. Е. Комплекс программных средств для оптимизации качества заготовок МНЛЗ // Управление информационной инфраструктурой организации на основе технологии открытых систем: Сб. тр. участников международного научно-практического: семинара. — Магнитогорск: МаЕУ, 2008.-С. 34−36.

— Патентные документы. Зарегистрированные. программы:

1. Батраева, А. Е. Комплекс средств оптимизации процесса управления охлаждением заготовок МНЛЗ 1.0 / Батраева А. Е., Парсункин Б. Н., Андреев С. М. // Инновации в науке и образовании. — 2007. — 10 (33). -С.14. Свидетельство ОФАП № 9271, ВНТИЦ № 5 020 070 227.