Содержание к диссертации
Введение
1 Регулирование натяжения полосы электроприводными комплексами широкополосных станов горячей прокатки 11
1.1 Необходимость регулирования натяжения при прокатке .11
1.2 Процесс формирования натяжения полосы электроприводным комплексом чистовой группы .14
1.3 Регулирование натяжения полосы косвенным способом с применением электромеханических петледержателей 18
1.4 Принципы построения современных САРН .24
1.5 Описание САУСН стана 2000 ПАО «НЛМК» 29
1.6 Методы определения фактического натяжения полосы при косвенном регулировании .39 Выводы 45
2 Разработка математической модели электроприводного комплекса межклетевого промежутка 47
2.1 Математические модели электроприводов межклетевого промежутка 48
2.2 Расчёт и моделирование нагрузок электроприводов межклетевого промежутка 62
2.3 Математическая модель прокатываемой полосы как объекта регулирования электроприводным комплексом межклетевого промежутка 68
2.4 Синтез обобщённой математической модели электроприводного комплекса межклетевого промежутка 74
2.5 Оценка адекватности разработанной математической модели исследуемому объекту 97
Выводы 100
3 Регулирование натяжения электроприводным комплексом с учётом температуры прокатываемой полосы 102
3.1 Влияние температуры прокатываемого металла на момент нагрузки электропривода петледержателя 102
3.2 Методика и математическое моделирование косвенного определения температуры прокатываемой полосы в межклетевом промежутке 106
3.3 Использование существующей методики идентификации температуры полосы в межклетевых промежутках чистовой группы стана 2000 для расчёта момента электропривода петледержателя 115
3.4 Исследование влияния температуры полосы на регулирование натяжения с помощью математического моделирования .117
Выводы .123
4 Разработка технических решений для повышения точности регулирования натяжения полосы в чистовой группе стана горячей прокатки 125
4.1 Описание комплекса АСУТП чистовой группы клетей стана 2000 ПГП после реконструкции .125
4.2 Изменение в структуре САУСН с учётом новых предложенных технических решений . 133
Выводы .137
Заключение 138
Библиографический список
- Регулирование натяжения полосы косвенным способом с применением электромеханических петледержателей
- Синтез обобщённой математической модели электроприводного комплекса межклетевого промежутка
- Методика и математическое моделирование косвенного определения температуры прокатываемой полосы в межклетевом промежутке
- Изменение в структуре САУСН с учётом новых предложенных технических решений .
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Основополагающее влияние на качество работы электроприводных комплексов систем автоматического управления скоростью и натяжением (САУСН) полосы в чистовой группе стана горячей прокатки, построенных по принципу косвенного регулирования (как наиболее распространённых на отечественных металлургических предприятиях таких как ПАО «НЛМК», ОАО «ММК», ОАО «Северсталь»), оказывает точность расчёта момента, развиваемого электродвигателем электромеханического петледержателя. Развиваемый момент должен максимально соответствовать моменту нагрузки на валу петледержателя со стороны прокатываемой полосы на всём диапазоне угла поворота рамы данного механизма. Одной из важных проблем, влияющих на прокатку металла, является то, что полоса металла, выходящая на промежуточный рольганг нагрета неравномерно по длине. Это связано с неравномерностью нагрева слябов в методичных печах, наличием «глиссажных меток» и т.д. Неравномерность нагрева сохраняется и при входе полосы в чистовую группу. Предел текучести металла зависит от температуры, соответственно, неравномерность нагрева металла очень сильно сказывается на величине момента изгиба полосы при работе петледержателя, а значит, на полном моменте нагрузки его электропривода. Особенно это актуально для первых межклетевых промежутков, в них полоса имеет значительную толщину, и составляющая момента изгиба полосы в общем моменте нагрузки на вал петледержателя превышает остальные составляющие. Пренебрежение изменяющейся по длине полосы температурой, и соответственно, неточный расчёт и формирование вращающего момента электропривода петледержателя негативно влияет на регулирование натяжения полосы в межклетевом промежутке.
Степень разработанности темы исследования. Система автоматического регулирования натяжения косвенным способом и её практическое применение достаточно проработаны и описаны. Однако, теме повышения точности расчёта момента электропривода петледержателя, учитывая именно механические свойства прокатываемой полосы, уделяется недостаточное внимание. Это отражается как в теоретических, так и в практических применениях значительным количеством упрощений и пренебрежением в расчётах составляющих момента данного электропривода. В частности, не учитывается, что изменение температуры по длине полосы влияет на её механические характеристики и, естественно, на величину нагрузки электропривода петледер-жателя. Для правильной работы электроприводного комплекса и эффективности регулирования натяжения необходимо учитывать подобного рода возмущения. Как показал патентный и литературный анализ данная тема недостаточно проработана и описана и нуждается в дополнительном изучении и анализе.
Целью работы является повышение эффективности регулирования натяжения полосы электроприводным комплексом чистовой группы стана горячей прокатки, путём разработки метода температурной коррекции момента, развиваемого электроприводом петледержателя.
Идея работы заключается в исследовании влияния изменяющейся температуры по длине прокатываемой полосы в межклетевом промежутке на регулирование натя-
жения электроприводным комплексом чистовой группы клетей стана горячей прокатки и разработке метода коррекции крутящего момента, развиваемого электроприводом петледержателя в функции температуры прокатываемой полосы для повышения точности регулирования натяжения. Задачи работы.
-
Разработка математической модели электроприводного комплекса САУСН для одного межклетевого промежутка, содержащего электроприводы прокатных клетей и петледержателя, связанных прокатываемой полосой.
-
Разработка уточненной методики расчёта составляющей момента изгиба полосы в суммарном моменте нагрузки на валу электропривода петледержателя для первого межклетевого промежутка чистовой группы клетей, обоснование зависимости момента нагрузки петледержателя от изменения температуры полосы по её длине при прокатке и при разных углах подъёма петледержателя.
-
Использование методики косвенного определения температуры прокатываемой полосы для расчёта и моделирования момента нагрузки и момента, развиваемого электроприводом петледержателя в первом межклетевом промежутке.
-
Анализ с помощью математического моделирования влияния изменения температуры полосы на регулирование натяжения полосы в первом межклетевом промежутке для разных марок полос и разных типоразмеров. Разработка метода коррекции момента, развиваемого электроприводом петледержателя в зависимости от температуры прокатываемого металла. Разработка математической модели электроприводного комплекса САУСН с коррекцией по температуре прокатываемого металла.
-
Разработка и исследование с помощью математического моделирования метода форсировки момента, развиваемого электроприводом петледержателя, для ускоренного подъема при заполнении полосой межклетевого промежутка.
-
Разработка предложений и рекомендаций по использованию разработанных моделей, модернизации функциональной схемы электроприводного комплекса САУСН и модернизации программы мастера - контроллера SIEMENS TDC чистовой группы стана 2000 ПГП ПАО «НЛМК», для реализации повышения эффективности регулирования натяжения полосы.
Тематика работы соответствует следующим пунктам паспорта специальности 05.09.03:
1. Развитие общей теории электротехнических комплексов и систем, изучение
системных свойств и связей, физическое, математическое, имитационное и компью
терное моделирование компонентов электротехнических комплексов и систем.
2. Разработка, структурный и параметрический синтез электротехнических
комплексов и систем, их оптимизация, а также разработка алгоритмов эффективного
управления.
Научная новизна.
В работе получены следующие новые научные результаты:
1. Разработана уточненная математическая модель электроприводного ком-
плекса первого межклетевого промежутка чистовой группы непрерывного широкополосного стана горячей прокатки, включающая взаимосвязанные математические модели электроприводов двух смежных прокатных клетей и петледержателя, отлича-
ющаяся учетом влияния изменения температуры по длине прокатываемых полос разного сортамента на величину требуемого момента, развиваемого электроприводом петледержателя и на регулирование натяжения.
-
Разработан метод коррекции системы управления электроприводом пет-ледержателя, обеспечивающий повышение эффективности регулирования натяжения полосы в чистовой группе клетей непрерывного широкополосного стана горячей прокатки, отличающийся формированием корректирующего сигнала, определяемого путем уточненного расчёта требуемого момента, развиваемого электроприводом петле-держателя на основании измерения температуры металла после последней клети черновой группы.
-
Разработан метод обеспечения ускоренного подъема петле держателя при заполнении полосой межклетевого промежутка, отличающийся начальной форсиров-кой и последующей стабилизацией статического момента, развиваемого электроприводом петледержателя.
Практическая значимость:
-
Повышение стабильности и безаварийности прокатки за счёт повышения эффективности регулирования натяжения.
-
Повышение точности поддержания геометрических параметров полосы при прокатке.
Методология и методы исследования. При решении поставленных в диссертационной работе задач применялись теория автоматического управления, теория электрических машин, теория прокатки. Численное решение уравнений математических моделей выполнялось на ЭВМ с помощью пакета математических программ MathLab 6.0.
Достоверность результатов и выводов подтверждена математическим обоснованием разработанных синтезированных моделей, сопоставимостью результатов моделирования с результатами расчетов и данными, полученными в производственных условиях стана 2000 производства горячего проката ПАО «Новолипецкий металлургический комбинат» (НЛМК), а также сопоставимостью полученных результатов с положениями теории электропривода и теории прокатки.
Реализация работы:
Полученные во время исследований результаты, а также математические модели используются при проведении работ по сопровождению, а также в проведении наладочных работ при дальнейшем модернизации комплекса АСУТП чистовой группы стана 2000 Производства горячего проката ПАО «НЛМК».
На защиту выносится:
уточнённая математическая модель электроприводного комплекса первого межклетевого промежутка чистовой группы непрерывного широкополосного стана горячей прокатки включающая взаимосвязанные математические модели электроприводов двух смежных прокатных клетей и петледержателя, учитывающая влияние изменения температуры по длине прокатываемых полос разного сортамента на величину требуемого момента, развиваемого электроприводом петледержателя;
метод управления электроприводом петледержателя с форсированным подъёмом при заполнении полосой межклетевого промежутка, базирующийся на уточненной методике расчёта составляющей момента изгиба полосы в суммарном моменте
нагрузки на валу электропривода петледержателя для первых межклетевых промежутков чистовой группы клетей;
результаты исследования косвенного метода регулирование натяжения с учетом температуры прокатываемой полосы;
метод коррекции момента, развиваемого электроприводом петледержателя в зависимости от температуры, прокатываемой полосы в первом межклетевом промежутке, определяемой по температуре за пятой клетью черновой группы стана горячей прокатки;
усовершенствованная функциональная схема электроприводного комплекса САУСН и модернизированная программа мастера - контроллера SIEMENS TDC чистовой группы стана 2000 ПГП ПАО «НЛМК», для реализации повышения эффективности регулирования натяжения полосы.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на III-ей Международной научно-практической конференции «Перспективы развития информационных технологий» (г. Новосибирск 2011); на 8-ой Международной научно-технической конференция «Современная металлургия начала нового тысячелетия» (г. Липецк 2011); на XII-ой Международной заочной научно-практической конференции «Научная дискуссия: вопросы технических наук» (г. Москва 2013 г.); на IX Международной научно-практической конференции «Техника и технология: новые перспективы развития» (г. Москва 2013 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 4 опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, включающего 97 наименований, и 8 приложений. Общий объем работы - 185 страниц. Основная часть изложена на 150 страницах текста, работа содержит 89 рисунков, 14 таблиц.
Регулирование натяжения полосы косвенным способом с применением электромеханических петледержателей
Прокатка металла в чистовой группе НШПСГП возможна только при наличии определённого натяжения на участках между соседними клетями. Это связано с тем, что при потере натяжения возрастает неравномерность обжатия полосы по длине бочки валка, из-за этого скорости выхода металла из клети по ширине полосы получаются разными, а это приводит к нарушению формы полос (появлению серповидности, волнистости, коробоватости и др.). При этом возникают силы, уводящие полосу в сторону, что вызывает «буртовку» в клети.
На рисунке 1.2 схематично изображён один межклетевой промежуток чистовой группы непрерывного прокатного стана без петлерегулирующего устройства. Величинам и параметрам, относящемся к данной клети i, присвоен номер этой клети, при этом величины и параметры, относящиеся к предыдущей клети, будут снабжены индексом i-1, к последующим i+1 и i+2. Для обозначения номера петледержателя будет применяться индекс j.
Стальная полоса последовательно транспортируется через клети i и i+1 с обжатием в каждой клети. Валки клетей приводятся в движение электродвигателями Дi и Дi+1 (со своими системами подчинённого регулиррвания СУЭП). Угловые скорости рабочих валков клетей i, i+1. Линейные скорости выхода металла из клетей Vi, Vi+1 соответственно. Линейная скорость входа металла в i+1 клеть V i+1. Заднее натяжение полосы для i клети - Ni-1,i, переднее натяжение для i+1 клети Ni+1,i+2. Натяжение полосы в межклетевом промежутке - Ni,i+1. Приведённые моменты инерции главных линий клетей Ji, Ji+1. Толщина полосы на входе и выходе клети i - Hi, hi соответственно. Толщина металла на выходе клети i+1 будет hi+1. Толщина полосы на входе в клеть i+1 равна толщине металла на выходе клети i с учётом транспортного запаздывания h i= Hi+1. Длина межклетевого промежутка Li,i+1.
Так как транспортировка полосы в чистовой группе происходит с обжатием полосы в клетях, то с уменьшением толщины в каждой последующей клети про 16 исходит удлинение прокатываемой полосы с сохранением её ширины. Для обеспечения натяжения Ny+i (если рассматривать один промежуток) между і и і+1 клетями скор ость последующей клети должн а быть больше предыдущей i+i І (так называемый «клин скоростей»). При этом само натяжение создаётся под действием тягового усилия электродвигателя последующей клети Ді+ь Натяжение в межклетевом промежутке между клетями і и і+1 без петлере-гулирующего устройства (петледержателя) описывает выражение, предложенное Д.П. Морозовым [4,5]: dNH + 1 E-Q-i + 1 (Vi +1 - Vi), (1.1) dt Чі+і где E - модуль упругости прокатываемого материала; Qi,i+1 - поперечное сечение полосы на участке между клетями i и i+1.
Здесь следует отметить, что большинство исследователей считают, что упругим растяжением полосы при прокатке c натяжением можно, в принципе, пренебречь. Это относится и к горячей прокатке, несмотря на то, что рядом исследователей (В.Н. Выдриным, А.С. Федосиенко и В.И. Крайновым) показана принципиальная возможность пластического растяжения полосы в межклетевом промежутке. Но, из-за отсутствия надёжных опытных данных и реализованных математических моделей принимается к использованию вышеуказанное утверждение [29].
Кроме того, в ряде источников показано, что при горячей прокатке, величина межклетевых натяжений такова, что напряжения растяжения в металле не превышают 20-40% предела текучести. А при удельных натяжениях, не превышающих половины предела текучести прокатываемого материала, относительное удлинение составляет 0,0015 [4,5].
Вообще, при подстановке в уравнение (1.1) выражения для Vi и V i+1, описанные во многих источниках, например, [31-33, 35], видно, что натяжение полосы является сложной функцией скорости валков двух смежных клетей. Изменения натяжения полосы, возникающее под влиянием тех или иных возмущений, вызывают изменение давления металла на валки в зоне деформации: при увеличении натяжения уменьшается давление металла на валки, наоборот, при уменьшении натяжения давление увеличивается. Так как механическая система валки клеть характеризуется определённой степенью упругости, то изменение давления металла на валки приводит к изменению величины обжатия металла в данной клети, то есть при неизменном положении нажимных винтов полоса, выходящая из валков, становится толще или тоньше в зависимости от знака приращения натяжения. Одновременно вследствие этого меняется скорость входа металла в валки, что оказывает в свою очередь влияние на режим натяжения полосы. Величина статического момента нагрузки приводного двигателя клети определяется степенью обжатия металла в данной клети и зависит от переднего и заднего натяжений. Поэтому изменение натяжения полосы или её толщины вызывает изменение скорости приводного двигателя в соответствии со степенью жёсткости его механической характеристики. Скорость входа и выхода металла из клети определяется не только наружной скоростью валков и величиной обжатия металла, но и опережением металла; опережение в свою очередь является функцией натяжений полосы и величины обжатия.
Межклетевые удельные натяжения при горячей прокатке в чистовых клетях широкополосных станов невелики по сравнению со станами холодной прокатки. Для их оценки в МПа можно воспользоваться формулой: O.=(10+1).e"0,274h k+1 26) , (1.2) где, і - номер клети, начиная с чистового окалиноломателя; hk - конечная толщина полосы [2]. Заданные удельные натяжения в промежутках чистовой группы стана 2000 ПАО «НЛМК» варьируются в зависимости от номера промежутка и конечной толщины прокатываемой полосы от 0,59 Н/мм (0,59 МПа) до 15,96 Н/мм (15,96 МПа). Соответственно, заданные удельные натяжения в промежутках чистовой группы стана 2500 ОАО «ММК» варьируются в пределах 0,5 Н/мм (0,5 МПа) до 17 Н/мм (17 МПа) [6,38]. Точность поддержания натяжения на разных НШПСГП различна, она зависит от возможностей оборудования и систем управления, опре 18 деляется технологическими инструкциями. Например, на стане 2500 ОАО
Если для участка чистовой группы клетей с двумя смежными клетями рассматривать статический (установившийся) режим прокатки, с определённым натяжением, и в отсутствии возмущающих воздействий, то выполняется условие равенства секундных объёмов для сечений межклетевого промежутка (принимается, что ширина металла в чистовой группе при прокатке не меняется): Vi hi=Vi+rHi + r () То есть в установившемся режиме количество металла выходящего в единицу времени из і клети равно количеству металла, входящего в і+l клеть [2,4,5,24,25,39]. В динамических режимах равенство (1.3) нарушается. В реальных условиях процесс прокатки никогда не бывает стабильным, при этом имеется множество возмущающих факторов, влияющих на прокатку и сопровождающие динамические режимы, основные из которых были указаны ранее. Один из параметров прокатки, изменяющий свою величину, что является реакцией на возмущающие воздействия в электроприводном комплексе межклетевого промежутка -это натяжение металла. На большинстве НШПСГП стабилизация межклетевых натяжений осуществляется прокаткой с петлеобразованием с использованием устройств петлерегулирования - петледержателей. Петледержатели могут быть как электромеханические, так и гидравлические [18-22, 37,36]. Первоначально петледержатели предназначались для подъема и опускания металла между двумя смежными рабочими клетями в целях создания петли, облегчающей процесс прокатки при некотором рассогласовании скоростей вращения приводных двигателей, а также для предотвращения образования складок полосы в пределах свободной длины, которые могут при захвате валками привести к поломке последних [4,5]. Позднее стали стремиться использовать петледержатели в качестве индикаторов или измерителей натяжения полосы между клетями, а также в качестве элементов системы автоматического регулирования натяжения. При этом сначала петледер-жатели выступали как механизмы, создающие силовую петлю в промежутке. То есть электропривод такого «силового» или «моментного» петледержателя, развивая постоянный момент на валу поднимался на некоторый угол [4,5]. По величине подъёма оператор прокатки оценивал натяжение в промежутке, чем выше петле-держатель, тем меньше натяжение металла, и наоборот. Оператор, корректируя скорость клетей, добивался требуемых натяжений в промежутках.
Применение петледержателей в качестве датчиков прямых измерений и индикаторов натяжения на отечественных НШПСГП не получило развития. На сегодняшний день на большинстве отечественных НШПСГП применяются электромеханические «плавающие» или «безразличные» петледержатели в составе систем автоматического регулирования натяжения, осуществляющие регулирование натяжение косвенным способом.
Синтез обобщённой математической модели электроприводного комплекса межклетевого промежутка
Как указывалось ранее, система управления петледержателем является трёхконтурной при работе в режиме «перевалка». При этом большой точности поддержания позиции в этом режиме не требуется, т.к. подъём рамы петледержа-теля используется для движения других технологических механизмов при техническом обслуживании. При этом для упрощения регулятор контура позиции является регулятором П-типа с коэффициентом передачи kрп=1. Соответственно, как показано на рисунке 1.10 в системе управления присутствует «совмещённый» регулятор скорости и позиции. В рабочем режиме (режим регулирования натяжения), после заполнения металлом межклетевого промежутка (захват полосы клетью i+1) в соответствии с принципом работы, контур регулирования позиции и скорости системы управления петледержателем размыкаются. Это реализуется путём введения в канал задания на ток системы управления приводом петледер-жателя регулируемого блока ограничения сигнала (см. рисунок 1.10) Уставка блока ограничения рассчитывается в соответствии с выражениями (1.4) - (1.7),(1.15). При этом привод работает в режиме регулирования тока (момента) (режим «упора» ролика петледержателя в полосу). Структурная схема системы управления петледержателем при регулировании натяжения приведена на рисунке 2.10.
Здесь следует отметить следующее. Заданными величинами при расчёте развиваемого момента электроприводом петледержателя являются величины i,i+1, s, B i,i+1, H i,i+1 которые рассчитываются системой начальной настройки чистовой группы и передаются в виде уставок в САРН. Постоянными параметрами являются R, g, Li,i+1, М неур. Переменными величинами при прокатке являются величины i,i+1, s, Bi,i+1, Hi,i+1. И, в общем случае в межклетевом промежутке i,i+1 не равно i,i+1, s не равно s, B i,i+1 не равна Bi,i+1, H i,i+1 не равна Hi,i+1. Тем не менее, в большинстве САРН косвенного типа полагают, что s равна s, B i,i+1 равна Bi,i+1, H i,i+1 равна Hi,i+1 и их значения постоянны. Учитывается изменение и регулируется только величина i,i+1. В расчёте и формировании момента электропривода петледержателя кроме указанных ранее составляющих (см. рисунок 2.10), присутствует величина I доп. Эта составляющая момента необходима для подъёма петледержателя при захвате металла валками клети i+1. Исходя из уравнения движения (1.22), петледержатель, находясь в своём исходном положении не сможет подняться при полном соответствии развиваемого момента и нагрузки, определяемых выражениями (1.4)-(1.7),(1.15). Подняться он сможет, если только момент нагрузки станет меньше развиваемого момента, а это возможно при значительном петлеобразовании в промежутке (см. рисунки 2.30-2.35.). Значит, для подъёма петледержателя необходим форсирующий момент, который и будет определять дополнительную составляющую задания на ток I доп. Величина I доп определяется опытным путём. Для САУСН стана 2000 ПАО «НЛМК» это около 100 А. Данная составляющая отключается при достижении рамой петледержателя рабочего угла после его подъёма. Иначе момент петледержателя будет из-за дополнительной составляющей рассчитан неверно, а это негативно скажется на регулировании петли и натяжения в межклетевом промежутке.
На рисунке 2.10 i,i+1, i,i+1 – заданное и фактическое удельное натяжение полосы в межклетевом промежутке; s, s – заданный и фактический предел текучести прокатываемого металла в промежутке; B i,i+1 , Bi,i+1 - заданная и фактическая ширина полосы; H i,i+1, Hi,i+1 – заданная и фактическая толщина прокатываемого металла в промежутке; R – длина рычага ролика петледержателя; g – ускорение свободного падения; Li,i+1 – длина межклетевого промежутка; – плотность прокатываемого металла; Iдоп – постоянная составляющая задания на ток электропривода петледержателя, обеспечивающая подъем петледержателя при заполнении металлом межклетевого промежутка.
Составными частями контура регулирования петли металла в межклетевом промежутке являются система подчинённого регулирования электропривода прокатной клети (до петледержателя), регулятор петли, прокатываемая полоса в соответствии с рисунком 1.10 и рисунком 1.11, система управления петледержате-лем в режиме регулирования натяжения. В данном случае, при рассмотрении одного межклетевого промежутка коррекция на скорость клети i выдаётся только с одного регулятора петли, относящемуся к данному промежутку. Коррекция с последующих контуров регулирования отсутствует, в соответствии с принятыми допущениями. То есть, на приведённом на рисуноке 1.10 фрагменте функциональной схемы системы регулирования натяжения с учётом наличия других межклетевых промежутков чистовой группы, коррекция задания на скорость клети i является произведением сигнала коррекции (выхода регулятора петли) для данного промежутка j и сигналом коррекции скорости клети i+1. В соответствии с принципом построения САУСН, в которой «опорной» клетью является последняя (в случае стана 2000 ПГП ПАО «НЛМК» - 12 клеть) чистовой группы, коррекция скорости первой клети чистовой группы (6 клеть) будет соответственно являться произведением коррекции от регулятора петли первого межклетевого промежутка и всех последующих коррекций скоростей (с 7 по 11 клеть). На опорную клеть (№12) коррекция не распространяется. Такое «каскадное» построение САУСН необходимо, что бы при возмущениях в каком- либо промежутке коррекция распределялось таким образом, чтобы сохранялись секундные объёмы прокатываемого металла и обеспечивалось большее быстродействие электроприводного комплекса САУСН [71-73,75]. В данном случае рассматривается и моделируется один межклетевой промежуток, поэтому в коррекции задания на скорость клети i используется только сигнал выхода регулятора петли данного промежутка. Структурная схема контура регулирования петли, используемая при математическом моделировании приведена на рисунке 2.11.
Методика и математическое моделирование косвенного определения температуры прокатываемой полосы в межклетевом промежутке
Как было указано ранее, в существующем математическом аппарате САУСН чистовой группы в части расчёта момента нагрузки, а, соответственно, и вращающего момента, развиваемого электроприводом петледержателя, составляющая момента изгиба не учитывается (по причинам, указанным ранее), что, применительно к первым межклетевым промежуткам, по мнению автора данной работы, неверно. Вместо этого в расчёте применяется алгоритм добавления фиксированных величин к расчётному значению (содержащему расчёт составляющих момента от натяжения, веса полосы, неуравновешанных масс петледержателя) момента петледержателя для его подъёма и удержания в зоне рабочего угла с помощью коррекции регулятора петли (см. ранее). Так как в настоящее время натяжение в САУСН никак не оценивается, такая работа петледержателя считается удовлетворительной. Тем не менее, СНН (система начальной настройки) рассчитывает по упрощённой схеме пределы текучести металла в промежутках и эти данные с уровня СНН передаются по ЛВС (локально вычислительной сети) в САУСН, где по факту не учитываются.
Автором данной работы были проанализирован алгоритм расчёта предела текучести применяемый в настоящее время в СНН. Необходимо заметить, что данный расчёт является сильно упрощённым и для задач более точного определения момента изгиба полосы в межклетевом промежутке подходит мало. Падение 116 температуры металла при транспортировке его по промежуточному рольгангу, при поднятых энергосберегающих экранах вычисляется по формуле: Tр = tр(k1+k2(T5-950)+k3(H5-32), (3.17) где Tр - падение температуры подката при транспортировке на промежуточном рольганге; tр - время нахождения раската на промежуточном рольганге; T5 - температура раската за 5 клетью черновой группы; H5 -толщина раската после черновой группы (толщина подката в чистовую группу); k1= 1,04; k2 =0,0023; k3 =-0,0175. T0 = T5 - Tр, (3.18) где T0 – температура полосы после окалиноломателя.
При этом принимается, что температура полосы после окалиноломателя и после 6 клети (первая клеть чистовой группы) равны, т.е. T6=T0. В качестве T5 используется фиксированное значение температуры за 5 клетью на «голове» подката. Соответственно, в качестве времени нахождения подката на промежуточном рольганге tр используется время транспортировки «головы» подката от 5 клети по промежуточному рольгангу и до входа его в 6 клеть (см. рисунок 3.3) (время между появлениями признака наличия металла в 5 и 6 клети). Далее, вычисляется (по выражениям (3.17) и (3.18)) фиксированное значение температуры в первом межклетевом промежутке, постоянное для конкретной полосы. И на основе этого значения рассчитывается по формуле (3.2) фиксированное значение предела текучести s для данного межклетевого промежутка, также постоянное для конкретной полосы.
Для примера прокатки полосы, рассмотренного выше будем иметь T5=1060С, время охлаждения «головы» на промежуточном рольганге в соответствии с принятыми условиями tр = 132 с. В соответствии с выражениями (3.17) и (3.18) будем иметь Tр приблизительно равной 154 С. Тогда, T6 приблизительно равна 906С, соответственно значение предела текучести, рассчитанное по формуле (3.2) будет фиксировано равно s = 124,1МПа. При этом момент изгиба при принятых параметрах прокатки и рабочем угле 15С будет приблизительно равен 21705 Н/м2. Видно, что в формуле (3.17) помимо прочего не учитывается влияние гидросбива окалины перед чистовой группой. Вообще, видно, что полученное значение температуры после 6 клети завышено, так как оно вычисляется по температуре «головы» за 5 клетью, а она, как правило, горячее всей остальной полосы, соответственно рассчитанный момент изгиба будет меньше.
Опираясь на вышеприведённые вычисления можно оценить разницу в значении моментов изгиба полосы рассчитанного для рабочего угла, предела текучести металла, температуры после 6 клети указанными методами.
Методом, изложенным ранее (более точный расчёт), расчётная температура в первом межклетевом промежутке (после 6 клети) по длине полосы изменяется в пределах от приблизительно 866С (на «голове») до приблизительно 840С (на «хвосте»), предел текучести меняется в пределах от приблизительно 152,5 МПа до приблизительно 162,5 МПа, соответственно, момент изгиба (при рабочем угле подъёма петледержателя 15) изменяется в пределах от приблизительно 26700 Н/м2 до 28400 Н/м2. Видно, что разница в вычислениях температуры t обоими методами (и более точным и существующим упрощённым) находится в пределах от 40С до 66C. При этом, для рабочего угла подъёма петледержателя (15) в приведённом выше примере разница в расчётах момента изгиба Мизг будет находиться в переделах от 4995 Н/м2 до 6695 Н/м2.
Из этого можно сделать вывод, что использовать существующую в СНН стана 200 ПГП методику расчёта предела текучести прокатываемого металла для точного вычисления САУСН момента петледержателя нельзя, и необходимо использовать методику, предлагаемую автором работы изложенную выше.
Изменение в структуре САУСН с учётом новых предложенных технических решений .
Предложенные технические решения касаются повышения точности расчёта момента, развиваемого электроприводом петледержателя. Соответственно, функциональную схему системы управления петледержателем (как составную часть электроприводного комплекса САУСН для одного межклетевого промежутка) показанную на рисунке 1.12 можно расширить, добавив блок расчёта температуры, предела текучести, момента изгиба полосы и доработав блок расчёта задания момента электродвигателя петледержателя. Предлагаемая функциональная схема показана на рисунке 4.5.
В качестве параметров дополнительные блоки БРЗТ, БРТ, БРПТ используют следующие данные: Клеть i+ Рисунок 4.5 - Функциональная схема электроприводного комплекса САУСН для одного межклетевого промежутка с коррекцией момента электропривода петле-держателя по температуре полосы.
На рисунке 4.5: БРТ, БРПТ, БРМ – блоки расчёта температуры в первом межклетевом промежутке, предела текучести металла, момента электродвигателя петле-держателя реализуют функции (1.4) - (1.7),(1.15); (3.3)-(3.12);(3.15)-(3.16), изложенные ранее. БРЗТ – в нём рассчитывается длина полосы, проходящей под пирометром за 5 клетью и запоминается распределение температуры подката по его длине, БДТ – блок дополнительного тока Iдоп.
Константы: С0 = 0,05510"9(мм/(К3с)) - теплофизический коэффициент, Твл=70С - температура рабочих валков при прокатке, R=0,75м длина рычага петледержателя, L=6,09 м - длина межклетевого промежутка, Rв =0,4м – радиус рабочих валков; - Данные системы начальной настройки, для каждого типоразмера: B - ширина прокатываемого металла, H – толщина подката, h6 – заданная толщина металла после первой клети чистовой группы; kw, А, m1 – коэффициенты для на марок стали;
Сигналы: Т5 – температура по датчику за 5 клетью стана 2000, Vrm312 - скорость полосы по лазерному измерителю скорости в районе пирометра, Vпр – скорость секций промежуточного рольганга, ДНМ6 – признак наличия металла в 6 клети.
Все изменения, соответствующие функциональной схеме рисунка 4.5 производятся путём модернизации программного обеспечения, реализованного в среде SIMATIC CFC в центральном процессоре (ЦПУ) №2 TDC мастера контроллера чистовой группы (см. Приложение Е рис. Е.1 (д)) В данном ЦПУ реализованы все алгоритмы работы САУСН, включая формирование задания на ток электроприводам петледержателей, а также задания на скорость главным электроприводам прокатных клетей (см. рисунки 4.1 и 4.2). Указанные сигналы заданий передаются с помощью GDM в TDC контроллеры клетей и далее транслируются по ЛВС Pro-fibus DP непосредственно в системы управления электроприводами SIMOREG DC.
Алгоритмы, реализующие предлагаемый метод повышения точности регулирования момента, развиваемого петледержателем первого межклетевого промежутка приведены в Приложении Е (рис. Е.1 и Е.2). Данные алгоритмы реализуются с помощью дополнительного программного обеспечения SIEMENS D7-FB-GEN на языке C++. Полученные блоки MASS_T5[i] и SIGM_S добавляются в общую программу CFC (см. Приложении Е рис. Е.3) реализующую функции САУСН (Chart REGULATOR_POS_PD). Блоки выполняются в программном цикле T5 = 256 мс. Рассчитываемое значение предела текучести прокатываемого металла передаётся в качестве параметра в блок расчёта момента двигателя петле-держателя и далее в блок ограничения задания на ток данного электропривода.
При модернизации и наладке электроприводного комплекса САУСН в 2008-2010 г. при участии автора диссертации был опробован и реализован метод обес 136 печения более уверенного подъёма петледержателя при заполнении полосой межклетевого промежутка (при входе металла в клеть i+1). Данный метод описан ранее в главе 2 диссертации (п. 2.4.1). Следует заметить, что в ряде подобных систем обеспечение подъёма петледержателя из исходного положения достигается добавлением в расчётную составляющую момента электропривода петледержате-ля от веса полосы избыточной величины, которая как и основная составляющая является функцией угла поворота рамы петледержателя . Это делается помимо прочего (обеспечения уверенного подъёма петледержателя) для повышения устойчивости регулирования петли. Однако, при таком решении всегда будет наблюдаться в системе ошибка по натяжению, и чем больше будет избыточная величина, тем больше будет ошибка.
При наладке САУСН отказались от такого решения и система управления петледержателем стремиться работать по идеальной статической характеристике (при которой при изменении угла петледержателя момент нагрузки и момент, развиваемый электроприводом петледержателя изменяются по одному закону). Проблема подъёма петледержателя из исходного состояния была решена описанным ранее способом, путём введения в функциональную схему (рис. 4.5) БДТ – блока дополнительного тока, который задаёт форсировочный ток электроприводу при входе металла в клеть i+1, наличии команды на подъём и до появления признака достижения петледержателем рабочего угла раб и после этого сразу сбрасывает составляющую Iдоп=0. Графики данного решения показаны на рисунках приложения Д (Д.5 а,б).