Разработка автоматизированного электропривода линии охлаждения мелкосортного стана тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Сарапулов, Олег Александрович

• Сарапулов, Олег Александрович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сарапулов, Олег Александрович

Введение.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ ОХЛАЖДЕНИЕМ КАТАНКИ.

1.1. Процесс охлаждения катанки и его закономерности.

1.1.1. Описание строения и работы участка двухстадийно-го охлаждения современного сортового стана горячей прокатки.

1.1.2. Влияние работы электромеханической системы на процесс охлаждения катанки.

1.1.3. Недостатки существующих способов охлаждения.

1.1.4. Новый способ управления процессом охлаждения.

1.2. Разработка требований к автоматизированным электроприводам нагнетателей и системам управления температурой проката.

1.3. Выводы и постановка задачи исследований.

ГЛАВА 2.РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ УЧАСТКА ОХЛАЖДЕНИЯ КАК ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ.

2.1. Математическое описание процесса охлаждения катанки.

2.1.1. Математическое описание теплообмена по сечению проката.

2.1.2. Математическое описание теплообмена между поверхностью проката и охлаждающей средой.

2.2. Реализация модели средствами математического пакета МаЙаЬ.

2.3. Математическое описание нагнетателей.

2.4. Комплексная математическая модель гидро- аэроэлектро-механотемпературной системы участка охлаждения сортопрокатного стана.

2.5. Проверка адекватности разработанного математического описания.

2.6. Выводы.

ГЛАВА 3.РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ УЧАСТКА ОХЛАЖДЕНИЯ МЕЛКОСОРТНОГО СТАНА.

3.1. Определение требуемого быстродействия системы автоматизированных электроприводов нагнетателей.

3.2. Анализ влияния основных технологических параметров на процесс охлаждения проката.

3.3. Синтез регуляторов температуры.

3.3.1. Синтез регулятора температуры для участка водяного охлаждения.

3.3.2. Синтез регулятора температуры для участка воздушного охлаждения.

3.4. Разработка системы управления процессом охлаждения катанки.

3.4.1. Режим самообучения.

3.4.2. Автоматический и ручной режимы работы.

3.5. Выводы.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗРАБОТАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА.

4.1. Исследование работы регуляторов температуры.

4.2. Анализ отклонения температуры проката при работе существующей системы управления процессом охлаждения.

4.3. Анализ эффективности работы предложенной системы управления процессом охлаждения.

4.3.1. Исследование процесса компенсации отклонения температуры проката на участке водяного охлаждения.

4.3.2. Исследование процесса компенсации отклонения температуры проката на участке воздушного охлаждения.

4.4. Оптимизация программ охлаждения проката на стане

150" ОАО "Белорецкий металлургический комбинат".

4.5. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка автоматизированного электропривода линии охлаждения мелкосортного стана»

В рыночных условиях повышение энергоэффективности процесса производства является важнейшей экономической и научно-технической задачей. Современные мелкосортные станы позволяют осуществлять не только формоизменение металла, но и термомеханическую и термическую обработку в процессе прокатки и охлаждения. При производстве катанки на таких станах используется ускоренное охлаждение с прокатного нагрева, целью которого является получение сорбитной структуры и как следствие снижение энергозатрат на ее дальнейшую переработку.

Процесс охлаждения проката является сложным физическим явлением, осуществление эффективного воздействия на который невозможно без применения автоматизированного электропривода и специализированных систем управления.

Вопросу создания систем автоматического управления процессом охлаждения посвящены работы многих авторов [1-7]. Основной недостаток известных систем автоматического управления процессом охлаждения заключается в том, что регулирование температуры проката происходит с большим запозданием, так как основано на измерении температуры проката уже прошедшего участок охлаждения. Исследования авторов [8-10] и экспериментальные температурные кривые, полученные автором настоящей диссертационной работы в условиях стана "150" ОАО "Белорецкий металлургический комбинат" указывают на флуктуа-ционный характер изменения температуры по длине проката. Это приводит к отклонению качества проката по всей его длине и при последующей обработке, например, на волочильных станах приводит к снижению качества и к нестабильности технологического процесса - повышенной обрывности обрабатываемой проволоки.

Кроме того, на участках водяного охлаждения многих мелкосортных станов система магистралей, подающих охлаждающую воду, отличается повышенными гидравлическими ударами, что приводит к резкому износу и выходу из строя клапанного оборудования и, как следствие, к нарушению процесса охлаждения. Причиной этому является избыточное давление, создаваемое мощным нососом одновременно для всех секций водяного охлаждения.

Бурное развитие устройств электроники и преобразовательной техники создает предпосылки для создания систем управления процессом охлаждения нового поколения, работающих в реальном масштабе времени, с минимальными транспортными запаздываниями и опирающихся на реальные показания температур проката при создании компенсирующих воздействий по охлаждению.

Целью настоящей работы является разработка автоматизированного электропривода нагнетателей участка последеформационного охлаждения мелкосортного стана горячей прокатки.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

- исследование особенностей процесса охлаждения катанки, существующих способов охлаждения и систем автоматического регулирования процессом охлаждения;

- разработка математической модели процесса охлаждения как объекта управления, комплексной математической модели гидро- аэроэлектро-механотемпературной системы участка охлаждения сортопрокатного стана;

- определение критериев оптимального управления электроприводами нагнетателей для поддержания заданной температуры проката в контрольных точках;

- разработка системы управления процессом охлаждения катанки и синтез регуляторов температуры;

- проведение теоретических и экспериментальных исследований разработанных автоматизированных электроприводов с системами автоматического регулирования процессом охлаждения катанки.

Результаты решения поставленных задач отражены в четырех главах диссертации.

В первой главе на основе патентно-литературных исследований дан анализ процесса охлаждения, определены его закономерности. Представлен обзор известных принципов построения систем управления процессом охлаждения. Изучение опыта эксплуатации этих систем показало низкое качество управления процессом охлаждения и не соответствие современным требованиям по точности поддержания температуры по всей длине проката.

Для устранения недостатков указанных систем управления была выдвинута новая концепция управления процессом охлаждения, по которой процесс поддержания заданной температуры проката в контрольных точках состоит из двух этапов. На первом этапе осуществляется измерение температуры исследуемого участка проката и при температурном отклонении вычисляется корректирующее воздействие по охлаждению. На втором этапе при подходе исследуемого участка проката к ближайшему охлаждающему устройству создается дополнительное регулирующее воздействие по охлаждению за счет изменения скорости автоматизированных электроприводов нагнетателей. Для реализации данной концепции был предложен новый состав оборудования для участка водяного охлаждения и разработана новая схема подачи охлаждающей воды. На основании предложенной концепции управления процессом охлаждения и измененного состава оборудования были выдвинуты новые требования к автоматизированным электроприводам нагнетателей.

Во второй главе представлено математическое описание гидро- аэроэлектромеханотемпературной системы участка последеф-формационного охлаждения с учетом теплофизических и геометрических характеристик проката. Разработана комплексная математическая модель исследуемого объекта. Проведена проверка адекватности разработанной математической модели процесса охлаждения.

В третьей главе посредством исследований на комплексной математической модели определено требуемое быстродействие системы автоматизированных электроприводов нагнетателей. Разработана самообучающаяся система управления процессом охлаждения катанки, синтезированы регуляторы температуры для участков водяного и воздушного охлаждений.

Четвертая глава посвящена комплексному исследованию разработанных автоматизированных электроприводов нагнетателей на математической модели и в промышленных условиях на мелкосортном стане "150" ОАО "Белорецкий металлургический комбинат". Для исследования в промышленных условиях предложена методика эксперимента, которая позволила определить динамические свойства разработанных электроприводов нагнетателей в процессе компенсации температурной ошибки в контрольных точках. Результаты моделирования и экспериментальных исследований подтвердили работоспособность предложенных систем управления, достоверность основных теоретических выводов.

В заключении приведены основные результаты проведенных исследований. В приложении представлены текст программы математической модели и акты внедрения результатов научно-исследовательской работы.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Новые технологические требования к системам автоматического регулирования процессом охлаждения катанки и управления электроприводами нагнетателей участка последеформационного охлаждения мелкосортного стана;

2. Комплексная математическая модель, включающая в себя процессы охлаждения, формирования давления (подачи) нагнетателем и электропривода нагнетателей;

3. Принципы построения, алгоритмы управления регуляторов температур и самообучающейся системы автоматического регулирования процессом охлаждения;

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований статических и динамических свойств разработанной системы электроприводов нагнетателей участка ускоренного охлаждения мелкосортного стана.

По содержанию диссертационной работы опубликовано 9 научных трудов, полученные результаты докладывались и обсуждались на четырех научно-технических конференциях и семинарах.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Сарапулов, Олег Александрович

4.5. Выводы

1. Анализ исследований работы электроприводов участка охлаждения на математической модели подтвердил, что принятые принципы управления, а также предложенные программные регуляторы температуры обеспечивают регулирование температуры проката с максимальной ошибкой в любой точке участка охлаждения не превышающей 15 °С.

2. Экспериментальные исследования, проведенные в условиях стана "150" ОАО "Белорецкий металлургический комбинат" подтвердили достоверность основных теоретических выводов.

3. Выполнены расчеты по оптимизации программ охлаждения проката различного сортамента на стане "150" ОАО "Белорецкий металлургический комбинат". Предложенные рекомендации и системы автоматизированных электроприводов участков водяного и воздушного охлаждения внедрены в технологический процесс. :

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В результате анализа технологического процесса и оборудования участков охлаждения мелкосортных станов показано, что применяемые способы, устройства и системы автоматизации не позволяют использовать обширные возможности режимов охлаждения катанки с прокатного нагрева для расширения сортамента, сокращения расходов и увеличения качества продукции и, кроме того, ограничивают тенденцию роста скорости прокатки в сортовом производстве.

2. Разработаны требования к автоматизированным электроприводам нагнетателей и системам управления температурой проката линии охлаждения мелкосортного стана. Предложен новый способ управления процессом охлаждения, заключающийся в поддержании температуры проката в контрольных точках на участке охлаждения компенсацией ошибки регулирования температуры в последующих по ходу исследуемого проката охладительных устройствах.

3. Предложено математическое описание, разработан алгоритм и создана программа для ПЭВМ, реализующая математическую модель участка охлаждения мелкосортного стана как гидро- аэроэлектромеханотемпературной системы, учитывающая как особенности теплообмена между поверхностью проката и охлаждающей средой, особенности теплообмена внутри самого проката, так и влияние системы автоматизированного электропривода на процесс его охлаждения.

4. Разработана трехуровневая самообучающаяся система управления процессом охлаждения. В режиме самообучения осуществляется экспериментальное снятие всех необходимых зависимостей при охлаждении исследуемого сортамента проката, реализуется их обработка. В результате осуществляется настройка математической модели процесса охлаждения на исследуемый сортамент, а также формируются оптимальные программы охлаждения, реализуемые в дальнейшем в автоматическом режиме работы. Разработан алгоритм и предложен программный регулятор температуры осуществляющий последовательную компенсацию возможной температурной ошибки в каждом охлаждающем устройстве. Отличительной особенностью регулятора температуры электроприводов участка водяного охлаждения является наличие в нем модели расчета температуры проката на основе фактических технологических параметров.

5. Предложен алгоритм диагностирования состояния датчиков и исполнительных механизмов, в том числе электроприводов нагнетателей, исключающий пуск стана при неготовности участка охлаждения к работе.

6. Проведены теоретические и экспериментальные исследования процесса охлаждения катанки в условиях стана 150 ОАО "Белорецкий металлургический комбинат", подтвердившие как адекватность разработанного математического описания реальному технологическому объекту (ошибка в расчетах не превышает 5 %), так и правильность предложенных принципов управления и достоверность основных теоретических выводов.

7. Предложенные рекомендации и разработанный автоматизированный электропривод внедрен в эксплуатацию в условиях стана "150" ОАО "Белорецкий металлургический комбинат". Промышленная эксплуатация показала, что предложенная система управления процессом охлаждения катанки с прокатного нагрева удовлетворяет технологическим требованиям для широкого сортамента прокатываемого металла.