Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Проблемы управления температурно-скоростным режимом на современных широкополосных станах горячей прокатки 14
1.1. Технологические особенности управления температурно-скоростным режимом горячей прокатки полос 14
1.2. Методы снижения издержек производства горячекатаной полосы 24
1.3. Критерии и модели оптимального управления при нагреве и прокатке металла 33
1.4. Системы оптимизации температурно-скоростного режима горячей прокатки полос 46
1.5. Выводы по главе 1, постановка задачи исследования 66
ГЛАВА 2. Математическое моделирование процесса изменения температуры металла в линии ШПСГП 69
2.1. .Математическая модель и алгоритмы расчета температурного режима прокатки в чистовой группе стана 69
2.2. Методика и алгоритм расчета температуры полосы при ее охлаждении водой 78
2.3. Экспериментальное исследование принудительного межклетевого охлаждения в чистовой группе ШПСГП S6
2.4. Исследование изменения температуры металла в чистовой группе ШПСГП в условиях принудительного межклетевого охлаждения 96
2.5. Выводы по главе 2 103
ГЛАВА 3. Разработка моделей и методов управления принудительным межклетевым охлаждением в чистовой группе клетей 105
3.1. Оптимизация температурно-скоростного режима прокатки с принудительным межклетевым охлаждением 105
3.2. Основные принципы исходной настройки устройств пршгудителыюго межклетевого охлаждения 111
3.3. Особенности коррекции исходной настройки устройств принудительного межклетевого охлаждения 121
3.4. Выводы по главе 3 129
ГЛАВА 4. Разработка моделей и методов энергосберегающего управления горячей прокаткой полос 131
4.1. Формализованная постановка задачи энергосберегающего управления 131
4.2. Разработка и исследование энергосберегающих режимов исходной настройки листопрокатного
комплекса «печи - стан» 142
4.3. Коррекция исходной настройки листопрокатного комплекса «печи - стан» в реальном масштабе времени 147
4.4. Выводы по главе 4 149
ГЛАВА 5. Ажоритмизация и эффективность оп гимального управления температурі ю-скоростным режимом горячей прокатки полос 151
5.1. Алгоритмы и структура системы управления установками принудительного межклетевого охлаждения 151
5.2. .Алгоритмы и структура АСУ с использованием энергосберегающей технологии 166
5.3. Эффективность оптимизации темпєратурно-с корсетного режима горячей прокатки полос 171
5.3.1. Эффективность управления принудительным межклетевым охлаждением в чистовой группе клетей Л 71
5.3.2. Эффективность энергосберегающего управления горячей прокаткой полос 175
5.4. Вывода по главе 5 187
ГЛАВА 6. Инновационное проектирование асутп горячей прока тки полос 189
6.1. Система управления принудительным межклетевым охлаждением в чистовой группе клетей 189
6.2. Система оптимального управления листопрокатным комплексом «печи - стан» 191
6.3. Математическое обеспечение АСУТП для чистовой группы клетей 195
6.4. Алгоритмическое и программное обеспечение системы
управления энергосберегающей технологией для листопрокатного комплекса «печи — стан» 207
6.5. Выводы по главе 6 212
Заключение и основные выводы по работе 214
Список литературы 219
Приложение 243
- Критерии и модели оптимального управления при нагреве и прокатке металла
- Экспериментальное исследование принудительного межклетевого охлаждения в чистовой группе ШПСГП
- Основные принципы исходной настройки устройств пршгудителыюго межклетевого охлаждения
- Коррекция исходной настройки листопрокатного комплекса «печи - стан» в реальном масштабе времени
Введение к работе
Актуальность проблемы. В условиях резкого и зачастую непредсказуемого изменения цен на металл и энергоресурсы использование инновационных технологий в черной металлургии позволяет существенно повысить эффективность производства и, соответственно, конкурентоспособность выпускаемой металлопродукции.
Предметом исследования в настоящей работе является класс объектов, общим для которых является наличие агрегата для нагрева металла и клетей для прокатки нагретого металла. При производстве горячекатаного листа (основного вида продукции металлургического завода) такой объект называется листопрокатным комплексом (ЛПК) и включает печи для нагрева металла, черновую и чистовую группы клетей для прокатки листа.
Температурно-скоростной режим прокатки является одним из основных факторов, определяющих производительность ЛПК и качество горячекатаной продукции. Регулирование температуры металла в ключевых точках технологической линии «нагрев слябов - горячая прокатка полос» позволяет повысить скорость прокатки и сократить ресурсо- и энергозатраты, что, в свою очередь, приводит к сокращению издержек производства. В условиях реального функционирования такого сложного технологического объекта, как современный ЛПК, математическое моделирование является эффективным методом определения характеристик объекта и его элементов, состояния и взаимосвязи между ними. Одновременная разработка модели нового технологического процесса и системы управления им позволяет выявить дополнительные нюансы объекта и тем самым повысить качество управления.
Применительно к листопрокатному комплексу имеют место две проблемы дальнейшего повышения эффективности производства:
недостаточное использование скоростных возможностей стана при обеспечении высокого качества проката;
высокая энергоемкость листопрокатного комплекса «печи - стан», отсутствие теоретического обоснования принципов энергосбережения, а также автоматизированных систем, позволяющих реализовать энергосберегающие принципы и наукоемкие технологии.
Использование известных математических моделей не позволяет осуществить дальнейшее совершенствование управления температурно-скоростным режимом прокатки. Также известные системы управления не обеспечивают возможность повышения эффективности производства и повышения качество горячекатаной продукции.
Диссертация посвящена решению указанных выше проблем автоматизации ЛПК «печи - стан» путем разработки новых моделей, методов и систем оптимального управления температурно-скоростным режимом прокатки полос. Недостаточная изученность этих проблем и высокая эффективность разрабатываемых методов совершенствования управления температурно-скоростным
режимом прокатки определяют актуальность настоящей диссертационной работы, ориентированной на решение важной народнохозяйственной проблемы - автоматизации листопрокатного комплекса в соответствии с критериями повышения эффективности производства и улучшения качества продукции.
Цель и основные задачи исследования. Целью настоящей диссертационной работы является разработка и внедрение новых моделей, методов и систем оптимального управления температурно-скоростным режимом прокатки, обеспечивающих повышение эффективности производства и улучшение качества горячекатаных полос. В соответствии с поставленной целью в диссертации решаются следующие задачи:
разработка моделей и методов управления принудительным межклетевым охлаждением полосы в чистовой группе клетей;
теоретическое и экспериментальное исследование основных закономерностей формирования температурных условий прокатки при управлении принудительным межклетевым охлаждением в чистовой группе клетей;
разработка алгоритмов и системы управления процессом прокатки с принудительным межклетевым охлаждением;
разработка моделей и методов энергосберегающего управления горячей прокаткой полос;
разработка АСУ ЛПК «печи - стан».
Методы исследования. При выполнении исследований использованы методы теории автоматического управления, оптимизации, системного анализа, исследования операций, математического моделирования сложных систем, нелинейного программирования, теории прокатки. Экспериментальные исследования на широкополосном стане горячей прокатки (ШПСГП) проведены с использованием методов пассивного и активного эксперимента.
Научная новизна. С единых позиций одновременной разработки нового технологического процесса и принципов управления им разработаны методы синтеза систем оптимального управления температурно-скоростным режимом горячей прокатки полос. Предложенный подход позволил разработать новые методы, модели и методики автоматизации технологического процесса прокатки полос. Научную новизну работы составляют разработанные:
методика расчета изменения температуры полосы при ее охлаждении водой;
модель и методы оптимального управления принудительным межклетевым охлаждением тонких и толстых полос в ШПСГП;
методика определения возможности изменения температуры полосы в чистовой группе клетей при изменении параметров прокатки;
методика синтеза структуры системы управления установками принудительного межклетевого охлаждения в чистовой группе клетей;
методика расчета оптимальных управляющих воздействий при энергосберегающем управлении ЛПК «печи - стан», определение границ возможных
управлений ЛПК;
методы исходной настройки ЛПК «печи - стан» и ее коррекции в реальном масштабе времени, основанные на косвенном измерении параметров прокатки;
принципы построения энергосберегающих систем управления ЛПК «печи - стан»;
методика определения эффективности энергосберегающего управления с точки зрения сокращения энергоресурсов и суммарных удельных затрат на нагрев и прокатку металла, а также возможности стабилизации температуры подката;
методика и результаты экспериментального исследования принудительного межклетевого охлаждения на промышленном объекте.
Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов. Обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов, изложенных в работе, определяется корректным использованием современных математических методов, согласованным сравнительным анализом аналитических и экспериментальных зависимостей. Достоверность положений и выводов диссертации подтверждена положительными результатами внедрения разработанных моделей, методов и программного обеспечения в ряде крупных организаций. Достоверность новизны технического решения подтверждается авторскими свидетельствами СССР на изобретения, полученными с участием автора.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Научные результаты, полученные в диссертации, использованы в проектно-технической документации при разработке систем управления на различных металлургических комбинатах:
в ОПКБ НПО «Черметавтоматика» (Караганда, Казахстан) для внедрения в автоматизированной системе управления температурно-скоростным режимом прокатки в чистовой группе клетей стана горячей прокатки 1700 Карагандинского металлургического комбината (АО «Миттал Стил Темиртау»),
в НПО «Черметавтоматика» (ОАО «Черметавтоматика», Москва) для внедрения в системах дистанционной перестройки черновых клетей и оптимизации режимов прокатки на листовых станах горячей прокатки 2800/1700 Череповецкого металлургического комбината (ОАО «Северсталь) и 1700 Мариупольского металлургического комбината им. Ильича,
в ЗАО НПЦ «ВНИПИ САУ-40» (Москва) в математическом обеспечении рабочего проекта «АСУТП стана 1700 горячей прокатки стальных полос ОАО «Северсталь»,
что подтверждено соответствующими актами.
Основные результаты работы, направленные на совершенствование технологического процесса на современных ШПСГП, использованы Укр-гипромезом (Днепропетровск, Украина) при разработке технического задания на вновь проектируемый ШПСГП 1700.
В соответствии с контрактом № 557-0229531/89-0010-41, осуществ-
ленным в рамках Комплексной Программы научно-технического прогресса стран-членов СЭВ и СФРЮ 2.2.1. «Автоматизация проектирования» между Институтом проблем управления (Москва, СССР) и ПВТ «Элек-тронум» (Бухарест, Румыния), разработан и передан ПВТ «Электронум» комплект алгоритмов и программ «Прогнозирование температуры, толщины и энергосиловых параметров при горячей прокатке полос».
В 2001 г. комплекс разработок новых компьютерных и информационных технологий и средств их реализации в металлургическом производстве, выполненный автором с коллективом, был удостоен золотой медали на Первом международном салоне инноваций и инвестиций (Москва).
Результаты исследования автора используются в учебном процессе на кафедре «Металлургия и обработка металлов давлением» Московского государственного открытого университета при проведении занятий по дисциплинам «Технология прокатки, прессования и волочения металлов», «Основы автоматизации процессов ОМД» и «Основы автоматизации и АСУТП в металлургии».
Апробация работы. Основные положения, представленные в диссертации, регулярно докладывались и обсуждались на:
9-ти всесоюзных и республиканских научных конференциях и совещаниях (1973-2007 гг.);
14-ти международных конференциях и симпозиумах, проводимых в России (1973-2009 гг.);
7-ми международных мероприятиях, проводимых за рубежом или при поддержке IF АС в 1974-2009 гг., в том числе:
IFAC-IFORS Symposium "Optimization methods (applied control)". Varna, Bulgaria, 1974;
8th FAC-IFORS Symposium on identification and system parameter estimation. Beijing, China, 1988;
7th IF AC Symposium on Automation in Mining, Mineral and Metal Processing. Beijing, China, 1992;
10 IF AC Symposium on Information Control Problems in Manufacturing (TNCOM'2001). Vienna, Austria, 2001;
8th IF AC Conference on Social Stability "The Challenge of Technology Development" (SWIIS'01). Vienna, Austria, 2001;
International Conference "Automatics and Informatics'08". Sofia, Bulgaria, 2008;
13* IF AC Symposium on Information Control Problems in Manufacturing (TNCOM'2009). Moscow, Russia, 2009.
В диссертационной работе изложены научно обоснованные технические, и технологические решения в области автоматизации ШПСГП, создания математического и программного обеспечения при разработке АСУТП для листопрокатных комплексов, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики страны.
Связь исследований с научными программами. Исследования в данном
направлении вьшолнялись в Учреждении Российской академии наук Институт проблем управления в период 1971-2009 гг. в соответствии с тематикой ИЛУ (в настоящее время - направление «Имитационное моделирование для проектирования и управления сложными автоматизированными технологическими комплексами»), в том числе в 1975-1976 гг. в рамках работы Международного института прикладного системного анализа (Австрия), в 1986-1993 гг. - в рамках совместной работы с ОАО «Черметавтоматика», в 1989-1990 гг. - в соответствии с контрактом № 557-0229531/89-0010-41 между ИЛУ и ПВТ «Электронум» (Румыния), в 2008-2009 гг. - в рамках гранта РФФИ «Распределенная информационно-алгоритмическая среда для автоматизации имитационных исследований» (проект 08-07-00205-а).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 59 печатных работ, в том числе 21 статья в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК, 1 монография, 2 авторских свидетельства СССР на изобретения.
Личный вклад соискателя. Все выносимые на защиту научные положения разработаны соискателем лично. В основных научных работах по теме диссертации, опубликованных в соавторстве, лично соискателем разработаны: в [1, 2, 4, 5, 8, 25] - методика расчета и анализ результатов теоретического и экспериментального исследования условий прокатки с принудительным межклетевым охлаждением; в [3, 27] - модели для расчета энергосиловых параметров прокатки; в [6, 7, 16, 22, 26, 28, 29, 41, 42, 49-51, 58] - методы и алгоритмы управления принудительным межклетевым охлаждением в чистовой группе клетей; в [16, 22, 23, 29, 52] - методика синтеза структуры системы управления установками принудительного межклетевого охлаждения; в [9, 13, 18, 34, 35, 39, 45, 54] - подходы к энергосбережению в ЛПК «печи - стан»; в [11-14, 22, 24, 38, 46-48, 53, 55-57, 59] - методы моделирования энергосберегающих режимов исходной настройки ЛПК «печи - стан» и ее коррекции в реальном масштабе времени; в [9, 10, 14, 15, 18, 22, 24, 37, 40, 43-45, 52] - структура АСУ ЛПК «печи - стан» и методика определения ее эффективности.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, содержащего общие выводы по работе, списка литературы из 215 наименований и приложения, изложенных на 242 страницах (без приложений), содержит 50 рисунков и 16 таблиц.
Критерии и модели оптимального управления при нагреве и прокатке металла
Процесс управления технологической линией «нагрев слябов — горячая прокатка полос» может быть разделен на две стадии: исходную настройку J111K «печи — стаи» и се коррекцию.
Исходная настройка должна обеспечить некоторый оптимальным в определенном смысле режим прокатки, а се параметры определяются заранее. Коррекция исходной настройки, осуществляемая на основе получаемой в процессе прокатки информации, должна обеспечить поддержание оптимального режима прокатки при отклонении параметров процесса от расчетных значений.
Одним из основных принципов создания АСУ технологическими процессами является повышение экономических показателей производства. Как было отмечено в разделе 1.1, по функциональному признаку технологическая линия «нагрев слябов — горячая прокатка полос» может быть разделена на отдельные участки обработки металла, а система управления ЛПК «печи — стан» — на отдельные подсистемы управления ими. Для согласованного функционирования отдельных подсистем обычно используют методологию системного анализа, в соответствии с которой устанавливаются возможные варианты реализации управления этими подсистемами, связь между ними и выбирается структура системы управления, отвечающая требованиям максимальной эффективности [42, 85, 86].
Выбор оптимального решения и оценка эффективности исходной настройки системы управления обеспечиваются с помощью теории исследования операций [871- Для выбора оптимального решения в процессе исследования операций необходимо определить: цель, которая должна быть достигнута; ограничения, которые должны быть удовлетворены; параметры, управляя которыми, можно достичь цель.
Целевую направленность операции отражает показатель эффективности, причем глобальный критерий оптимальности отражает эффективность функционирования всей системы в целом, а локальные критерии оптимальности — эффективность отдельных элементов системы (подсистем). Управление и соответствии с локальными критериями оптимальности обеспечивает предельно допустимую эффективность только конкретной (локальной) подсистемы, при этом эффективность функционирования всей системы может ухудшиться. Математической формой критерия оптимальности является целевая функция, экстремальное значение которой характеризует предельно достижимую эффективность моделируемого объекта.
На практике эффективность сколько-нибудь сложного объекта описывается с помощью нескольких критериев оптимальности, характеризующих различные стороны его функционирования, причем одни показатели эффективности необходимо обратить в максимум, а другие - в минимум. Для решения таких задач обычно используют два основных метода [87, 88]:
1. Метод уступок — нахождение компромисса, определяющего «плату» за потерю показателей по каким-либо критериям за счет выигрыша по другим критериям.
2. Метод согласования решения по главному критерию — обращение в экстремум одного основного показателя и наложение некоторых ограничений на остальные показатели.
Ограничения, имеющие место при управлении технологической линией «нагрев слябов - горячая прокатка полос», можно разделить на две группы [85]:
1) конструктивные, определяемые конструкцией оборудования ЛПК и его энергосиловыми ресурсами;
2) технологические, налагаемые требованиями технологии. Управляющие воздействия в рассматриваемой технологической линии: изменение температуры, толщины и скорости передвижения металла, расход энергоносителя на отдельных участках обработки металла.
Ниже проанализирован выбор локальных критериев оптимальности для исходной настройки отдельных подсистем АСУ ЛПК «печи - стан»: нагрева 35 тельных печей, черновой группы клетей, промежуточного рольганга, чистовой группы клетей.
Критерии оптимального нагрева металла
Цель управления нагревом металла - получить на выходе из печи металл заданной температуры за фиксированное время нагрева, соблюдая все конструктивные и технологические ограничения и обеспечивая требуемое качество нагрева при минимальных затратах топлива и потерь металла от окисления.
Ограничения, которые должны быть удовлетворены при управлении нагревом металла: конструктивные - предельно возможный расход газа. нижнее и верхнее ограничения производительности печи; технологические — допустимая температура металла, допустимый перепад температуры по сечению сляба.
Управляющие воздействия: расход топлива (газа) по зонам печи, скорость перемещения металла в печи.
При такой постановке задачи основные критерии оптимальности при управлении нагревом металла [80, $5, 89]:
1) минимальное время нагрева металла (наискорейший нагрев);
2) минимальное отклонение температуры сляба от заданного значения на выходе из печи за фиксированное время нагрева (наиточнейший нагрев);
3) минимальные потери металла на окалину при его окислении;
4) минимальный расход топлива на нагрев металла (топливосберс-гающий режим).
Следует отметить, что если до конца 1980-х годов в отечественной металлургической практике во главу угла ставилось обеспечение максимально возможной производительности агрегата, то с 1990-х годов начинает превалировать фактор экономичности передела. С учетом изложенного, в настоящее время основным локальным критерием при оптимальном управлении пагревом металла следует считать минимум расхода топлива на нагрев металла. Остальные критерии можно учесть при формировании системы ограничений [68,80,85,90].
Экспериментальное исследование принудительного межклетевого охлаждения в чистовой группе ШПСГП
Фс йсягяай трудность тгрй ржтгетъ телотгергаура ШНЕф тгрежаткй тюлис& ъ условиях принудительного межклетевого охлаждения водой заключается в определении коэффициента теплоотдачи от полосы к воде а, являющегося основным теплотехническим параметром указанного процесса. Вода на полосу может подаваться под высоким (струйное охлаждение) или низким (ламинарное охлаждение) давлением. Интенсивность теплообмена неодинакова в зоне охлаждения: в районе непосредственного контакта струй воды с поверхностью полосы величина коэффициента теплоотдачи может достигнуть 3000-20000 —-—- существенно уменьшаясь по мере удаления от точки удара струи о поверхность [144-146]. Следовательно, при охлаждении полосы значительным числом струй воды следует говорить о среднем в зоне охлаждения значении коэффициента теплоотдачи.
В связи с этим при охлаждении металла водой, в частности, на отводящем рольганге и в межклетевых промежутках, наибольшее распространение получил метод экспериментального определения величины а 15 реальных условиях ведения процесса [140, 141, 143, 147]. Результаты исследований охлаждения полосы на отводящем рольганге [140, 142, 144, 148] показывают, что при охлаждении полосы водой в реальных условиях ведения процесса величина а в значительной степени зависит лишь от удельного (на единицу охлаждаемой поверхности) расхода воды Суд. Графики зависимости
a = y(G1) при охлаждении полосы на отводящем рольганге, полученные различными авторами, представлены нарис. 2.5.
Можно видеть (рис. 2.5), что эффективность использования воды, once ределяемая отношением — [141], непостоянна во всем диапазоне измене ішя Gv . Практика показала, что при небольших значениях удельного расхода воды (до 30-40 ——) зависимость а = /(Суя) является практически линей м
ной, а при дальнейшем увеличении ?уд изменяется по параболическому закону или линейно, но с меньшей интенсивностью. Снижение эффективности теплосьема с повышением О может быть объяснено тем, что при повышен 88 ных значениях Gya на полосе образуется значительный водяной слой, препятствующий контакту падающих струй воды с поверхностью полосы. Становится очевидным, что для определения реальных значений а в условиях принудительного межклетевого охлаждения необходимо проведение специальных экспериментальных исследований.
С целью выявления основных технологических закономерностей процесса и определения реальных знамений коэффициентов теплоотдачи от полосы к воде при принудительном межклечевом охлаждении на стане 1700 КарМК! автором совместно с сотрудниками НПО «Черметавтоматика» и работниками КарМК были проведены экспериментальные исследования в обычных эксплуатационных условиях работы стана [5І]. Для обеспечения различных расходов воды в эксперименте были использованы установки струйного и ламинарного охлаждения. Установки струйного охлаждения бы 89 ли размещены в трех межклетевых промежутках семиклетевой чистовой
группы: первом, втором и пятом. Ламинарная установка была расположена в третьем межклетевом промежутке. Вода в охлаждающие установки поступала от цеховой сети под давлением 0,3-0,4 М1"Та В процессе исследования измеряли температуру полос на входе и выходе из чистовой группы клетей, скорость прокатки по клетям и расход воды в установках принудительного охлаждения. При прокатке серии полос вода из установок принудительного охлаждения подавалась на полосу в течение определенного промежутка времени в процессе прокатки одной полосы (рис. 2.6). Это позволило наблюдать локальные участки охлаждения и определить величину снижения температуры на этих участках. Всего было прокатано около 400 полос толщиной 1,5-10 мм из малоуглеродистых марок стали при различных скоростных режимах.
В соответствии с методом активного эксперимента в качестве управляемой переменной (фактора) принят измеряемый в процессе исследования удельный расход поды, значения которого распределены по нормальному закону. Остальные параметры приняты статистически незначимыми.
Результаты обработки экспериментальных данных о температуре полосы на выходе из стана приведены в табл. 2.3 и 2.4. В табл. 2.5 приведены результаты обработки данных по экспериментальному определению расхода воды.
Основные принципы исходной настройки устройств пршгудителыюго межклетевого охлаждения
Исходная настройка устройств принудительного охлаждения включает в себя два последовательных этапа. Задачей первого этапа является определение значений коэффициента теплоотдачи и соответствующих им расходов воды в межклетевых промежутках, позволяющих достичь требуемого уровня температуры конца прокатки и ее распределения по длине прокатываемой полосы при прокатке с интенсивным ускорением. Первый этап исходной настройки может быть выполнен с помощью прогнозирующей математической модели, построенной на основе обработки данных, полученных в результате эксперимента, с помощью математической модели процесса или их комбинацией.
При построении прогнозирующей математической модели в качестве исходных данных принимают имеющие место на практике значения параметров прокатки (температура и толщина подката, режим обжатий в клетях чистовой группы). В связи с этим задачей второго этапа настройки является предварительное (до начала работы устройств принудительного охлаждения) уточнение прогнозирующей модели на основе информации об отклонениях указанных параметров прокатки от их базового значения. Второй этап настройки может быть выполнен с помощью передаточных коэффициентов, характеризующих изменение температуры конца прокатки при изменении параметров процесса.
С точки зрения управления температурой металла путем его принудительного охлаждения параметры, характеризующие температурный режим прокатки в чистовой группе стана, можно разделить натри основные группы:
1) входные нерегулируемые параметры - температура подката на входе в чистовую группу (!Г.,) заправочная скорость (Fj), ускорение (а\ толщина полосы (И);
2) входной регулируемый параметр — коэффициент теплоотдачи от полосы к воде при принудительном ее охлаждении (а);
3) выходной показатель - температура конца прокатки (ї кп).
Для определения закономерностей изменения входного регулируемого параметра а, требуемого для стабилизации выходного показателя Ткп на заданном уровне по длине полосы, от входных нерегулируемых параметров Тн, F3, a, h использованы численные методы расчета с помощью математической модели процесса (2.28), решая тем самым обратную задачу математического моделирования. Расчеты проведены для условий прокатки на стане 1700 КарМК топких полос (h 1,5-5,0 мм) при изменении скорости прокатки от 6,0-11,0 м/с до 16,0 м/с, ускорений — от 0 до 0,5 м/с", а также толстых полос (h = 6,0-12,0 мм) при скоростях 4,0-8.0 м/с. Температура подката варьировалась в пределах 1000-1100С.
Анализ полученных закономерностей позволил сформулировать следующие основные принципы исходной настройки устройств принудительного межклетевого охлаждения в условиях прокатки в чистовой группе на повышенной скорости [110] по схеме, представленной на рис 3.3:
1. Исходная настройка устройств принудительного охлаждения осуществляется с помощью прогнозирующей математической модели, обеспечивающей получение значений коэффициента теплоотдачи и расходов воды, позволяющих достичь требуемого уровня Ткп и необходимого закона ее распределения по длине прокатываемой полосы.
2. При прокатке с повышенными ускорениями (рис. 3.3а) кривая изменения коэффициента теплоотдачи, требуемого для стабилизации Ткп по длине полосы, качественно должна повторять ход кривой изменения Tvn по длине полосы (рис. 3.36, в).
3. Вода должна подаваться на полосу в межклетсвых промежутках с момента достижения температз ры конца прокатки полосы в процессе ускорения заданной величины Тяа.
4. Интенсивность нарастания требуемого коэффициента теплоотдачи по длине полосы при ускорении стана % = tgtp (рис. З.Зв) должна быть пропорциональной величине ускорения и практически неизменной по длине полосы.
5. По окончании ускорения и прокатке па максимальной скорости значения требуемого коэффициента теплоотдачи должны несколько снижаться по длине полосы, что соответствует уменьшению TKil при прокатке на постоянной скорости.
Первый принцип соответствует управлению температурным режимом прокатки в чистовой группе тонких полос с интенсивным ускорением и толстых полос на постоянной скорости. Остальные принципы управления относятся к прокатке тонких полос.
Коррекция исходной настройки листопрокатного комплекса «печи - стан» в реальном масштабе времени
Реализация энергосберегающего режима исходной настройки обеспечивает оптимальный режим обжатий в прокатных клетях в соответствии с выбранным критерием оптимальности при условии нагрева слябов в печах до рекомендуемой температуры нагрева Гсл. Если же реальная температуры нагрева сляба по тем или иным причинам отклоняется от уставки ГС!1, температура раската в клетях не будет соответствовать рассчитанным значениям, что может привести к отклонению температуры подката на выходе группы клетей и даже к перегрузке клетей.
Коррекция исходной настройки в реальном масштабе времени может быть осуществлена путем перераспределения обжатий в отдельных клетях на основе косвенного определения температуры металла по измеренным энергосиловым параметрам прокатки.
Реализацию косвенного определения температуры металла предложено осуществлять при измерении усилий прокатки на основе зависимости (3.29) [166]:
При измерении каких-либо других энергосиловых параметров прокатки, например, мощности прокатки, косвенное измерение температуры металла может быть осуществлено путем совместного решения уравнений (3.29), (4.7) и (4.9).
Для коррекции исходной настройки, в соответствии с принципами, изложенными в [196], черновая группа условно разбивается на ряд областей управления, в каждую из которых входят три клети: / — измерительная, (/-1-1) - регулирующая, (i+2) — контролирующая. Для первой области /-ая клеть — это печь, для последней области (/+2)-ая клеть — последняя клеть черновой группы. Так, например, для пятиклетевой черновой группы можно выделить
4 области управления:
1) выход печи (/) - 1-ая клеть (/+1) - выход 2-ой клети (/+2);
2) выход 1-ой клети (/) - 2-ая клеть (/+1) - выход 3-ей клети (/+2);
3) выход 2-ой клети (/) - 3-тья клеть (/+1) - выход 4-ой клети (/+2);
4) выход 3-ей клети (/) — 4-ая клеть (/+1) - выход 5-ой клети (/+2).
Температура металла в клети определяется косвенным образом на основе измеренного значения мощности (либо усилия) прокатки. Регулирование осуществляется при отклонении измеренной косвенным образом температуры в /-ой клети от расчетного значения, определенного при исходной настройке. Расчет корректирующего воздействия для нажимного устройства (гН)-ой клети с целью изменения толщины раската на ее выходе осуществляется таким образом, чтобы на выходе (/+2)-ой клети получить минимально возможное отклонение температуры металла от расчетного значения при неизменной (в пределах допуска) толщине раската на выходе этой клети. Регулирование осуществляется с учетом приведенных выше ограничений, используемых при исходной настройке, а также дополнительных ограничений на величину и скорость перемещения нажимных винтов.
Следует отметить, что точность косвенного метода определения температуры металла зависит от точности температурных моделей и полного учета всех возмущающих факторов, влияющих на температуру металла в процессе прокатки. Указанные факторы трудно учесть с помощью коэффициентов температурных моделей, что, безусловно, сказывается на точности регулирования. С учетом изложенного, предусматривается коррекция расчетных значений параметров прокатки по измеренной температуре подката с использованием датчика температуры (пирометра), установленного на выходе черновой группы клетей 149 Если имеет место отклонение измеренной температуры подката на выходе из черновой группы от ее заданного значения, формируется сигнал коррекции, изменяющий расчетные значения температуры металла на выходе из печи и в каждой /-ой клети черновой группы.
1. Сформулированы теоретические основы энергосберегающего управления ЛПК «печи — стан», в соответствии с которыми критерий оптимальности представлен в виде суммарных удельных (на единицу массы металла) затрат на нагрев и прокатку металла. Разработана методика расчета оптимальных управляющих воздействий.
2. Выявлена закономерность изменения энергетических расходов в зависимости от соотношения цен на электроэнергию и топливо, определены границы возможных управлений ЛПК.
3. Рассмотрены различные варианты энергосберегающих режимов исходной настройки клетей, которые классифицированы по цели управления как топливосберегающий и элсктросберегающий, а также режимы полной загрузки равномерной загрузки и режим контролируемой прокатки. Сформулированы соответствующие целевые функции и дополнительные условия.
4. Графическая интерпретация различных режимов исходной настройки клетей представлена в виде многоіранника, одна из граней которого соответствуют топливосберегающему режиму, а другая - электросберегающему режиму. Третья грань характеризует ограничение температуры нагрева металла в печи. Одно из ребер отображает резким полной загрузки всех клетей черновой группы. Для каждой точки множества (В, 2\h 2тел), заключенного в многограннике, может быть рассчитана исходная настройка режима обжатий, обеспечивающая выбранные координаты параметров прокатки.
5. Предложен метод коррекции исходной настройки ЛПК «печи - стан» в реальном масштабе времени, основанный на разбиении линии прокатки на ряд областей управления и косвенном определении температуры металла по измеренным энергосиловым параметрам прокатки. Коррекция осуществляется с учетом ограничений. используемых при исходной настройке, а также дополнительных ограничений на величину и Скорость перемещения нажимных винтов.
