Інтегровані автоматизовані системи керування товстолистовими прокатними станами (розвиток теорії, моделі, алгоритми)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний гірничий університет

УДК(658.012.011.56:681.3):621.771.23-413

05.1З.07 -- автоматизація технологічних процесів

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Інтегровані автоматизовані системи керування товстолистовими прокатними станами (розвиток теорії, моделі, алгоритми)

Грабовський Георгій Геннадійович

Дніпропетровськ - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Науково-виробничій корпорації "Київський інститут автоматики", Міністерство промислової політики України.

Науковий консультант -- доктор технічних наук, професор Архангельський Володимир Іванович, Науково-виробнича корпорація "Київський інститут автоматики", головний науковий співробітник.

Офіційні опоненти -- доктор технічних наук, професор Бойко Віталій Іванович, Днiпродзержинський державний технічний університет, завідувач кафедри автоматизації та промислової електроніки;

- доктор технічних наук, професор Назаренко Володимир Михайлович, Криворізький технічний університет, завідувач кафедри iнформатики, автоматики та систем керування;

- доктор технічних наук, професор Зайцев Вадим Сергійович, Приазовський державний технічний університет, професор кафедри автоматизації промислових підприємств.

Провідна установа -- Національний технічний університет "Київський політехнічний інститут", кафедра технічної кібернетики, Міністерство освіти і науки України.

Захист відбудеться "19" червня 2003 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.08.080.07 при Національному гірничому університеті за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19.

Відзиви на автореферат у двох примірниках, засвідчені печаткою установи, просимо надсилати за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19, ученому секретарю спеціалізованої вченої ради.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного гірничого університету України за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19.

Автореферат розісланий "15" травня 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради д.т.н., професор Заїка В.Т.

Загальна характеристика роботи

Сутність наукової проблеми, якій присвячена дисертація, полягає в кардинальному підвищенні ефективності роботи товстолистового стана (ТЛС), визначеної мінімізацією розходу металу при прокатці листів, які утворюються в основному за рахунок окалини, бокової і торцевої обрізі, припусків на геометричні розміри заготовок і листів, а також підвищенням якості, економією матеріальних ресурсів і енергозбереженням (розхід металу на ТЛС України по відношенню до готового листа складає біля 30%, в той же час в промислово розвинутих країнах він знаходиться на рівні біля 17%, а в Японії -- 9%; енерговитрати в 2--3 рази перебільшують аналогічні показники, досягнуті на сучасних металопереробних комплексах).

Вирішення цих задач може бути забезпечене вдосконаленням технологічного устаткування ТЛС, але в першу чергу застосуванням інтегрованих систем автоматизації керування організаційними і технологічними процесами на стані.

Актуальність теми. Інтеграція функцій керування організаційними і технологічними процесами виробництва товстолистового прокату повинна забезпечувати досягнення найбільш ефективного використання матеріальних, енергетичних, природних, трудових і фінансових ресурсів в процесі організації робіт і виробництва прокатної продукції. Парламентом України пріоритетними напрямками в розвитку економіки країни визначені економія матеріальних ресурсів та енергозбереження. Ці складові є основою забезпечення безпеки країни та її незалежності. Досягненню поставлених задач буде сприяти комплексна автоматизація прокатного виробництва, яка може і повинна забезпечити виконання широкого спектра задач прийняття рішень, контролю і керування: планування, організаційного керування, слідкування за ходом технологічних і виробничих процесів, оптимізації цих процесів.

При створенні інтегрованих систем автоматизованого керування (ІАСК) необхідне дослідження взаємозв'язків і взаємодії ряду факторів: технічної структури технологічного комплексу прокатного виробництва, енергосилових параметрів стана, вибору структури багаторівневої системи керування і оптимізації взаємодії рівнів, а також включення "людського фактора" до роботи системи як єдиного комплексу людино-машинної взаємодії. В розробках і промисловій реалізації систем автоматизованого керування прокатними станами в Україні та СНД досягнуто певних позитивних результатів, однак такі задачі вирішувались не комплексно, а в основному на рівнях керування тільки технологічними процесами. Проблеми планування і керування виробництвом, а також автоматизація взаємодії різних рівнів системи з включенням до них "людського фактора" практично не досліджені і не одержали відповідної промислової реалізації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, наведені в дисертаційній роботі, пов'язані з виконанням тематичного плану Науково-виробничої корпорації "Київський інститут автоматики" (НВК "КІА") з розробки і впровадження автоматизованих систем керування реверсивними станами гарячої прокатки, який раніше був сформований постановами Ради Міністрів СРСР. Подальша тематика досліджень була пов'язана з виконанням наступних договорів між НВК "КІА" та Мінпромполітики України по комплексним цільовим науково-технічним програмам (№ держреєстрації 01920034419): розробка науково-технічних рішень побудови систем управління якістю товстолистового прокату; розробка засобів автоматизації товстолистових і дрібносортних прокатних станів; розробка систем автоматичного управління швидкісними режимами прокатки в чотирьохклітьовому моноблоці для дрібносортних і дротових станів -- науковий керівник по всім темам.

Під науковим керівництвом здобувача в НВК "КІА" проводяться подальші роботи з автоматизації інших металургійних переділів за господарськими договорами в Україні, а також в Російській Федерації, Нігерії, Пакистані. Одна з них "Дослідження, розробка та впровадження сучасних автоматизованих систем управління і технологій гідроочищення поверхонь металу" затверджена як інноваційний проект технологічного парку (свідоцтво про реєстрацію №74, серия ІНВ-1). З 1986 року пошукувач є науковим керівником НВК "КІА" по темі "Автоматизация толстолистовых прокатных станов".

Мета і задачі наукових досліджень -- розробка вимог і шляхів мінімізації витрат металу, матеріальних та енергетичних ресурсів при прокатці на ТЛС за допомогою створення ІАСК виробничими і технологічними процесами прокатки на сучасних станах, оснащених необхідними органами впливу на технологічні параметри прокатки, а також засобами для організації інформаційної людино-машинної взаємодії при керуванні комплексом устаткування цеху і прокатного стана в цілому.

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі повинні вирішуватися наступні задачі:

ідентифікація об'єкта інтегрованого керування і вироблення технологічних вимог до електромеханічного устаткування стана, що забезпечує одержання високоякісного товстого листа і мінімізацію втрат;

наукове обґрунтування функціональної і технічної структури АСК (що відповідає реалізації перспективних вимог до організаційного і технологічного керування цехом і станом);

розробка математичних моделей, що відповідають вимогам ІАСК, і адаптивних алгоритмів керування електромеханічним устаткуванням прокатного агрегату;

розробка та наукове обґрунтування нових методів інтегрованого енергоресурсозберігаючого керування.

Об'єктом дослідження в роботі є електромеханічні, теплотехнічні, гідродинамічні і організаційні процеси та параметри технології у прокатному цеху.

Предметом дослідження є принципи створення інтегрованих систем керування і регулювання координат, режимів роботи комплексу електро-, тепло- і гідромеханічного устаткування товстолистових прокатних станів.

Методи дослідження. При проведенні досліджень використані теоретичні і практичні методи, зокрема, при дослідженні об'єкта керування -- метод теорії планування експерименту, при обробці даних -- теорія математичної статистики. Математичні моделі параметрів прокатки отримані з застосуванням методів стохастичної апроксимації, групового обліку аргументів, математичного моделювання в середовищі "Мatlab-Simulink", а також за допомогою методів теорії адаптивного керування нестаціонарними об'єктами. Синтез та ущільнення інформації відбувались з використанням методів експертних систем, нейронних сіток, кластерного аналізу.

Основні наукові положення і їх новизна

1. Для підвищення техніко-економічних параметрів у виробництві товстолистового прокату необхідно комплексне вирішення проблеми керування організаційно-технологічними процесами прокатки листа, при цьому саме ідентифікація процесу на прокатному агрегаті в цілому, на відміну від задач ідентифікації на окремих переділах, дозволяє підвищити ефективність виробництва на основі застосування координуючої системи, яка забезпечує усунення конфліктних ситуацій між окремими підсистемами з використанням глобального критерію оптимізації і дозволяє одержати додаткові джерела зменшення собівартості продукції, що можливо лише із застосуванням багаторівневих інтегрованих систем керування.

2. Для оптимізації керування процесами нагріву, прокатки і термічної обробки прокатної продукції з урахуванням задач за глобальним критерієм потрібні інформаційні зв'язки як по горизонталі, так і по вертикалі, при цьому на відміну від діючих систем по вертикалі взаємодіють функції планування, виробництва і технологічних процесів, а по горизонталі -- об'єднані функції ділянок технологічного об'єкта, забезпечуючи подачу інформації про процеси на всі рівні ієрархії в єдиній формі і повному обсязі; запропоновані принципи лягли в основу розробки структури системи та алгоритмів керування, що дозволяє забезпечувати підвищення якості продукції, економію матеріальних і енергетичних витрат.

3. Зусилля прокатки на відміну від відомих методів, які ґрунтуються на урахуванні багатьох показників, оцінюються за допомогою інтегрованого показника -- жорсткості листа, адаптація якої за пропусками дозволяє додатково підвищити точність розрахунку.

4. Доведено, що керування поздовжньою різнотовщинністю прокатуваного розкату можливо здійснити на основі визначення базового перетину в двох суміжних пропусках з урахуванням подовження розкату та температурного "клину"; встановлена залежність покладена в основу нового методу автоматичного керування різнотовщинністю з використанням розробленого нового мембранного гідравлічного механізму.

5. Новий рівень очистки листів на ТЛС від окалини досягається за рахунок взаємодії двох факторів: підвищення тиску води гідрозбиву до 60,0 МПа і застосування спеціальних обертових головок в якості очищуючих інструментів, що значно зменшує енерговитрати та поліпшує якість поверхні, а також дозволяє на основі інтеграції її в ІАСК знизити рівень нагріву металу в печі і на основі адаптації моделі зменшити середньоквадратичну похибку температури початку прокатки у чорновій кліті.

Адекватність результатів наукових досліджень, розроблених і використаних математичних моделей розрахунку параметрів прокатки і алгоритмів керування підтверджена моделюванням і промисловими іспитами.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій. Наукові положення і висновки дисертації обґрунтовані: сучасною методологією досліджень ТЛС як об'єкта автоматизації; адекватністю статистичних показників прокату; збіжністю теоретичних розрахунків і результатів моделювання режимів прокатки та керування якісними характеристиками готового листа; впровадженням комплексних систем керування на промислових об'єктах; досвідом використання результатів роботи при розробці технічних проектів на створення АСК ТП ряду ТЛС і широкою апробацією наукових положень і рекомендацій.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані наукові положення і результати досліджень дозволили підвищити якість продукції, одержати економію енергоресурсовитрат і стали основою для розробки техніко-комерційних пропозицій та наступних технічних проектів для кількох товстолистових прокатних станів, в тому числі:

АСК ТЛС 2250 Алчевського металургійного комбінату;

АСК ТЛС 3600 металургійного комбінату "Азовсталь" (м. Маріуполь);

АСК ТЛС 3600 металургійного заводу в м. Бхілаї (Індія);

АСК ТЛС 5000 Іжорського машинобудівного заводу (Російська Федерація);

АСК листопрокатним станом 1500 Московського металургійного заводу "Серп и Молот" (Російська Федерація) та ін.

В процесі впровадження систем були проведені їх промислові випробування і зроблена критична оцінка застосованих в цих АСК фрагментів одержаних в роботі наукових і технічних рішень по інтеграції, яка підтвердила достовірність результатів і дозволила визначити задачі подальших досліджень по створенню перспективних систем автоматизації.

Публікації. Результати досліджень опубліковані у 9 монографіях, 2 брошурах, 47 статтях в наукових журналах, 2 авторських свідоцтвах, одному патенті та чотирьох деклараційних патентах України.

Особистий внесок здобувача. Наукові положення і результати науковотехнічних розробок по ІАСК, які наведені в дисертаційній роботі, одержані особисто здобувачем. Більшість досліджень за темою дисертації здобувачем опубліковані в наукових працях самостійно. В друкованих роботах, опублікованих у співавторстві, здобувачеві, зокрема, належать: [2] -- розробка стратегій прокатки на ТЛС і принципів їх алгоритмічної реалізації; [3, 25, 37] -- аналіз людино-машинної взаємодії в ІАСК і ролі людини на етапах життєвого циклу системи; [4, 22] -- ефективність ущільнення даних в нейронних системах комунікації "людина -- процес", поєднання нейронних сіток з математичними моделями керування процесом прокатки металу; [5] -- розробка структур багатоканальних ітераційних систем і аналіз їх динаміки в перехідних режимах технологічного об'єкта; [6] -- постановка та методи рішення задач ІАСК; [7] -- синтез алгоритмів адаптивної системи керування температурним режимом газової печі; [8] -- аналіз структур систем фуцці-керування, дослідження керування швидкістю нелінійного електропривода, адаптація нейро-фуцці-систем; [9, 18, 39] -- оцінка об'єму комплексної автоматизації ТЛС і вибір складу функцій САР оптимізації технологічних параметрів прокатки; [10, 11] -- приклади розробки виконавчих органів вимірювання і керування параметрами прокатки на ТЛС і широкосмугових станах, подана їх характеристика; [12, 13] -- на прикладі ТЛС 3600 подана характеристика стратегій прокатки, що описуються розподіленням витяжок за пропусками і задаються оператором за бажаною загрузкою прокатної кліті; [14] -- на прикладі ТЛС 5000 розглянуто настроювання стана в діалозі ЕОМ з оператором на базі адаптивних моделей прогнозу параметрів процесу і даних розкату; [15, 16, 28] -- аналіз процесів короблення прокатуваного листа, експерименти на ТЛС по вивченню процесів виникнення неплощинності за пропусками при прокатці; [17, 20] -- принцип розбиття комплексної АСК на взаємозв'язані підсистеми з власними функціями критерію рішень і локальними критеріями оптимізації; [19, 47] -- ідея автоматичного керування і контролю механічних властивостей сталі на ТЛС з використанням методів неруйнуючого контролю в потоці процесу прокатки; [27, 32, 49, 54] -- проаналізовані системи гідрозбиву окалини, вироблені рекомендації по енергозбереженню; [29, 35, 42] -- підхід до класифікації помилок у формуванні специфікації програмного забезпечення АСК; [31] -- стратегія вибору каналів керування поздовжньою різнотовщинністю, у тому числі з використанням швидкісної асиметрії; [38] -- аналіз результатів моделювання; [44] -- постановка задач аналізу і синтезу ІАСК; [48, 50, 51] -- ідея керування товщиною штаби в наступному проході на основі інформації з попереднього; [52, 53] -- аналіз способів стабілізації товщини листа на ТЛС, участь в розробці і моделюванні гідравлічного модуля як виконавчого органу системи; [56] -- аналіз ефективності роботи автоматизованих систем керування ТЛС; [57, 64] -- обгрунтування оптимального керування нагрівом металу у взаємозв'язку з ТЛС; [58, 59, 61] -- моделі деформації кліті, зносу валкової системи, площинності з урахуванням застосування асиметрії і механізмів адаптації, узагальнення досвіду впровадження АСК ТП ТЛС.

Апробація роботи. Матеріали роботи доповідались на таких конференціях, семінарах, нарадах: республіканському семінарі "Досвід розробки і впровадження АСК прокаткою на товстолистових станах" (м. Київ, 1989 р.); республіканському семінарі "Розробка і впровадження АСК ТП в прокатному виробництві" (м. Київ, 1990 р.); галузевій науково-технічній нараді "Создание и внедрение АСУ ТП в черной и цветной металлургии" (м. Москва, 1990 г.); республіканському семінарі "Досвід розробки і впровадження АСК прокаткою на товстолистових і напівбезперервних станах" (м. Київ, 1992 р.); науково-технічній конференції "Проблеми автоматизації металургії України" (м. Київ, 1995 р.); конференції з автоматичного управління "Автоматика 1998" (м. Київ, 1998 р.); 6-й Українській коференції з автоматичного управління "Автоматика 99" (м. Харків, 1999 р.); міжнародній конференції "Энергетическая безопасность Украины. Европейское измерение" (м. Київ, 1999 р.); науково-технічній конференції "Гідроаеромеханіка в інженерній практиці" (м. Київ, 2000 р.); міжнародній науково-практичній конференції "Автоматизированный печной агрегат -- основа энергосберегающих технологий XXI века" (м. Москва, 2000 р.); міжнародній конференції з управління "Автоматика -- 2000" (м. Львів, 2000 р.); міжнародній науково-практичній конференції "Вычислительная техника в информационных и управляющих системах" (м. Маріуполь, 2000 р.); міжнародній науковій конференції "Рациональное использование народных ресурсов. Проблемы экологии, энергосбережения, экономики, образования и информации в условиях рыночных отношений" (м. Черкаси, 2001 р.); міжнародній конференції з автоматичного управління "Автоматика 2001" (м. Одеса, 2001 р.); міжнародній конференції "Энергетические проблемы российско-украинских отношений" (м. Київ, 2001 р.); науково-практичній конференції "Проблеми автоматизації технологічних об'єктів та шляхи їх вирішення на підприємствах України" (м. Київ, 2001 р.); міжнародній науково-технічній конференції "Современные сложные системы управления" (м. Липецьк, Російська Федерація, 2002 р.); міжнародній конференції з управління "Автоматика-2002" (м. Донецьк, 2002 р.); международной научно-практической конференции "Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии" (м. Москва, 2002 р.).

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, 7 розділів і висновків.

Загальний обсяг роботи становить 487 сторінок, з них 332 сторінки -- основний текст, 16 сторінок -- список публікацій з 179 найменувань, 137 сторінок -- додатки. В дисертації є 91 рисунок (із них 15 на 15 повних сторінках) і 13 таблиць (із них 2 на 2 повних сторінках).

Основний зміст роботи

В першому розділі виконано огляд проблеми розвитку ІАСК ТЛС в Україні та за кордоном. Показано, що при створенні сучасних комплексних систем автоматизації виробничих і технологічних процесів прокатки на ТЛС повинен вирішуватись широкий спектр взаємозв'язаних задач від прийняття рішень оптимального планування і організаційного керування цехом до керування технологічними процесами прокатки. Для реалізації цих задач потрібні ІАСК, здатні вирішувати глобальну задачу окремих виробничих і технологічних операцій на участках нагріву і прокатки металу, а також оброблення та відвантаження прокатної продукції в єдиний взаємозв'язаний комплекс. прокатний стан інтегрований автоматизований

Розглянуто структурування ІАСК складним технологічним об'єктом як багаторівневої системи, яка складається з низки підсистем керування і вищої координуючої системи (рис. 1). Система є багатофункціональною з наступними властивостями [11, 12, 14]:

безперервністю і повторюваністю функцій, які обчислюються в реальному масштабі часу;

суттєвою обумовленістю інформації у формі сигналів зворотних зв'язків між керуючими підсистемами, які відображають поточну інформацію та передісторію процесу для оперативного оновлення моделей;

використанням детермінованих моделей процесів, реалізованих в машинних алгоритмах.

При глобальній постановці задачі оптимізації керування вихідні показники роботи складного об'єкта можуть характеризуватися єдиним економічним критерієм якості у вигляді функціоналу, визначеного на всьому інтервалі часу керування.

При визначених цілях і критеріях керування задаються математичні моделі об'єкта, початкові умови і обмеження. Моделі звичайно задаються змінними стану системи, тобто деякою мінімальною сукупністю параметрів, яка характеризує її реакцію на довільні вхідні дії.

При постановці задачі оптимального керування виходимо з того, що вектори та належать деякій допустимій області.

Практичне застосування економічного критерію оптимальності при керуванні потужними технологічними об'єктами пов'язано з необхідністю математичного опису всіх функціональних зв'язків в об'єкті в цілому. Ця задача не завжди піддається рішенню, тому що взаємозв'язок низки показників процесу з економікою об'єкта не має кількісного опису. Крім того, задача оптимізації складного об'єкта є багатокритеріальною і питання вибору критеріїв визначається особливостями конкретного об'єкта і цілями його функціонування.

Вихідними даними для розробки концепції системи автоматизації 2 є інформація 1 про технологічний об'єкт керування (ТОУ), що видається замовником: устаткування, продукція, технологія виробництва. Етап розробки концепції ІАСК складається з чотирьох підетапів: аналізу об'єкта, оточуючого середовища, цілей, ресурсів 3; розробки концепції задач автоматизації (ескізний проект) 4; уточнення і кількісної оцінки структури об'єкта 5; розробки укрупненої специфікації на ІАСК 6.

Другий розділ присвячений ідентифікації технологічних і енергосилових параметрів ТЛС як об'єкта автоматизації, наведені теоретичні та експериментальні дослідження процесів керування прокаткою.

З метою вдосконалення моделей зусиль прокатки для ТЛС проведені дослідження на АСК ТЛС 3600 металургійного комбінату "Азовсталь". Розроблений і випробуваний варіант, в якому розрахунок розхилів валків за пропусками у відповідності з заданою програмою обтисків базується на прогнозі деформації кліті під дією зусилля прокатки P за Сімсом--Головіним.

При цьому модуль і зміщення характеристики деформації кліті адаптуються за виміряними значеннями товщини розкату.

Розподіл обтисків за пропусками в чистовій кліті стана задається заздалегідь за прийнятою і записаною в ЕОМ стратегією прокатки.

Досягнута точність прогнозування зусилля прокатки за описаною методикою, яка підтверджена в АСК ТП ТЛС 3600, характеризується середньоквадратичною похибкою , віднесеною до зусилля прокатки 3000 т, тобто абсолютна похибка не перевищує 100 т [36, 37, 38].

Розроблені та випробувані математичні моделі зміни ширини на початковій і кінцевій частинах розкату.

Допустимі значення приймаються за умовами відомих обмежень, основними з яких є енергосилові (момент і зусилля прокатки) і технологічні (кут захоплення, умови пластичності металу та ін.).

Статистична обробка даних вимірювання товщини листів дала наступні порівняльні результати:

для низьколегованих сталей в діапазоні товщин листів 9--20 мм середньоквадратичне відхилення товщини від заданої склало:

при ручному керуванні мм;

при жорстких програмах керування мм;

при автоматичному керуванні з адаптацією програм прокаткимм.

Показаний вплив на площинність прокату ефекту швидкісної асиметрії, який полягає в зниженні зусилля прокатки зі зміною швидкостей одного валка відносно іншого. З метою визначення енергосилових параметрів в процесі асиметричної прокатки здобувачем разом з ДонНДІчорметом та Донецьким політехнічним інститутом на ТЛС 3600 металургійного комбінату "Азовсталь" були проведені експериментальні дослідження. Результати цих досліджень показали позитивну роль швидкісної асиметрії в досліджуваному діапазоні сортаменту, що прокатується, за марками сталі та типорозмірами.

Проведений аналіз причин зменшення хвилястості за відомими критеріями. Виведена умова одержання після прокатки з використанням швидкісної асиметрії листа, який задовольняє за площинністю вимогам ДСТУ.

Показано, що для підвищення ефективності автоматичного регулювання параметрів прокатки можуть бути застосовані штучні нейронні сітки (ШНС) в доповнення до математичних моделей. Причому сполучення математичної моделі та ШНС має різні форми залежно від постановки задачі.

Розділ 3 присвячений синтезу математичних моделей і алгоритмів для керування виробництвом в ІАСК. Викладені наукові та прикладні результати досліджень, наведена розроблена в НВК "КІА", при провідній участі здобувача, теорія побудови багаторівневих інтегрованих систем комплексного керування ТЛС, які охоплюють рішення задач планування і організаційного керування виробництвом в прокатному цеху, систем оптимізації керування процесами нагріву, прокатки і обробки прокатної продукції [11].

Векторний опис організаційно-технологічного процесу розглянуто для структури ІАСК (див. рис. 1), до складу якої входять ділянки нагрівальних печей (П1), прокатних клітей (П2), розкрою штаб (П3), оброблення і термічної обробки листів (П4, ..., ПN). Прийняті наступні позначення для організаційно-технологічних процесів: -- вектор параметрів однієї заготовки, які регламентуються при фабрикації заявок (марка сталі, геометричні параметри, тип слябів, інші параметри, якщо вони вказані в заявці); -- об'єднання параметрів за всіма заготовками, вказаними в заявці, що фабрикується на даний період часу Т (тобто виражає всю інформацію, визначену заявкою на період Т); -- відповідна інформація по заготовкам, які є на складі або раніш замовлені; -- вектор параметрів, які визначають режим обробки однієї заготовки (параметри нагріву, обтиски по пропусках, швидкості прокатки, температури і т.ін.); -- вектор, який виражає відому інформацію про стан обладнання технологічної лінії стана (допустимі навантаження, діючі агрегати, характеристики валків і т.ін.); -- вектор параметрів, який характеризує прокатану штабу (геометричні параметри,фізико-механічні властивості, показники якості металу); -- вектор параметрів, які виражають решту (крім ) показників на виході процесу прокатки однієї заготовки (витрата енергії, тривалість процесу і т.ін.); -- режим нагріву і прокатки усіх заготовок.

Надалі -- вектор, який виражає план розкрою однієї штаби; -- вектор параметрів однієї розкроєної штаби, тобто сукупність параметрів усіх листів, одержаних в результаті прокатки та розкрою однієї заготовки (включаючи показники якості, що містяться в ); -- вектор параметрів, що характеризують решту (крім ) показників на виході процесу прокатки та розкрою однієї заготовки.

Аналогічно попередньому, -- об'єднання за всіма заготовками, які обробляються за розглянутий період часу Т.

Замовлення на прокат можливо виразити як вимоги приналежності вектора деякій області простору векторів , а технологічні, ресурсні, економічні та інші обмеження на ведення процесу прокатки та розкрою -- як вимоги приналежності вектора деякій області П відповідного простору.

Вважаючи, що вектор є випадковим, причому на початковому (першому) етапі (нагрів) інформація про нього обмежується апріорною щільністю розподілу . На другому етапі (прокатка) інформація, що надійшла, дозволяє побудувати апостеріорну щільність розподілу . На третьому (розкрій) -- вектор цілком відомий. Тоді задача, що вирішується на першому етапі, полягає у виборі таких значень, щоб при будь-якому значенні , яке має не нульову апріорну щільність імовірності, знайшлися такі, що при вибраному виконуються обмеження (44)

Тобто, потрібно, щоб при вибраних значеннях вектора -- параметрів фабрикації -- забезпечувалась наступна умова: яким би в подальшому не виявився вектор , для нього можливо вибрати таке значення векторів , -- параметрів нагріву, прокатки та розкрою, щоб у результаті реалізації процесу були виконані усі вимоги до продукції і обмеження на хід процесу.

Проаналізовані різні види термомеханічної обробки (ТМО) металу як в процесі прокатки, так і на етапах остаточної обробки. Розглянуті відповідні системи керування:

1) АСК контрольованою за температурою багатоетапною прокаткою з проміжними охолодженнями розкату на спокійному повітрі та наступною низькотемпературною деформацією при суворо дотримуваній температурі;

2) АСК контрольованою за температурою двофазною прокаткою з інтенсивним проміжним охолодженням водою і наступною низькотемпературною деформацією.

Метою деформації в двофазній області (аустенітно-феритній), яку називають також інтеркритичною областю, є досягення різних сполучень міцності та в'язкості шляхом зниження температури кінця прокатки в області при відповідно достатньому сумарному обтиску. Тут -- рівноважні температури на діаграмі Fe - Fe3C, °С.

Якість поверхні розкату, особливо зниження утворення червоної окалини, досягається застосуванням різних систем гідрозбиву водяними струменями, які подаються по пропусках під високим тиском. Для ТЛС 2800 Алчевського металургійного комбінату під керівництвом здобувача розроблена нова автоматизована енергозберігаюча система гідрозбиву окалини. Основні елементи цієї системи випробувані в промислових умовах на ТЛС 2800 і показали високі результати по якості поверхні, яка оброблялась, а в порівнянні з існуючою системою гідрозбиву -- значну економію енергоресурсів [18--21, 41].

В розділі 4 викладений аналіз інформаційного забезпечення, контролю та діагностики в ІАСК товстолистовим станом. Показано, що основою функціонування інформаційних систем є вироблення в режимі он-лайн інформації про стан всієї технологічної установки. Забезпечується підтримка рішень про заходи, орієнтовані на стан системи з врахуванням доступу до документації об'єкта та компонентів керуючих підсистем [26, 27].

На основі інформації, яку одержує оператор від технологічного об'єкта, в процесі взаємодії з системою контролю, виробляються групи функцій для їх автоматичної та ручної реалізації:

визначення стану приладів, розташованих на технологічній лінії об'єкта і в кабіні керування;

визначення стану окремих елементів автоматизованої технологічної установки;

можливості доступу до станції, яка містить дані про документацію установки;

настроювання приладів, пристроїв і підсистем керування процесом;

можливості доступу до організаційного або виробничо-господарського робочого інструментарію.

В роботі проаналізовано декілька видів контролю:

1) контроль обмежень: безпосередньо величини, що вимірюються, піддаються перевірці на вихід за межі допустимих значень і видаються сигнали тривоги;

2) автоматичний захист: при небезпечних станах процесу система контролю обмежень автоматично вводить заходи для переводу процесу до нормального стану;

3) контролю з діагностикою помилок: за величинами, що змінюються, розраховуються ознаки, виробляються симптоми, проводиться діагностика і виробляються рішення для запобігання порушення, яке виникло.

П'ятий розділ присвячений синтезу цифрових систем регулювання технологічних параметрів прокатки, а також побудові адаптивних систем і систем, що навчаються. Показано, що при побудові алгоритмів управління цифрові системи дають можливість легко реалізувати математично складні закони регулювання і синтезу адаптивних систем зі складними методами ідентифікації об'єктів. При цьому малі інтервали дискретності (суттєво менші найбільшої сталої часу контурі регулювання) дозволяють застосовувати для розрахунків систем регулювання методи, які являють собою ті чи інші модифікації традиційних, наприклад, використання П-, ПІ-, ПІД-законів управління.

На базі наведених співвідношень розроблені програми, які реалізовані в ПЕОМ для різних контурів регулювання. Програма розраховує складові рівняння (51), підсумовує їх, а потім перевіряє на дотримання обмежень по максимуму величини регулюючого діяння, тобто . При цьому окремо дія кожної із складових програмними засобами може бути підсилена, послаблена або зовсім виключена, тобто можлива реалізація нелінійної системи керування із змінною структурою і динамічним вибором як типів регуляторів П, ПІ, ПД, І, так і їх параметрів.

Випробуваний нелінійний "напівпропорційний" алгоритм Фернера, в якому регулююче діяння змінюється пропорційно зміні відхилення регульованої величини до того часу, поки збільшується за абсолютною величиною, а потім залишається незмінним, якщо ж приріст зміниться за знаком, тобто у виразі має місце співвідношення.

В процесі товстолистової прокатки дія на технологічні параметри здійснюється по декількох каналах:

1) зміна розхилу валків від пропуску до пропуску виконується електромеханічним натискним пристроєм (ЕМНП) -- грубий канал керування;

2) уточнення розхилу валків, а також дія на товщину листа в процесі регулювання здійснюються гідравлічним натискним пристроєм (ГНП) -- перший точний канал керування;

3) дія на форму і профіль листа виконується системою гiдравлічного противигину валків (ГПВ) -- другий точний канал управління;

4) дія на форму міжвалкового зазору здійснюється осьовим зміщенням фігурних валків (ОЗФВ) або схрещенням;

5) комплексна дія на технологічні параметри виконується швидкісною асиметрією (ША).

На рис. 5 подана спрощена структура багатоканальної системи відтворення рухів об'єкта по заданій координаті x, в якій кожний окремий i-й канал Wi, i = 1, 2, ..., N автономно відтворює на своєму виході , визначеним чином сформоване задавальне фізичне діяння Самі припускаються однорідними та взаємозв'язаними, зокрема рівними між собою корисними сигналами, які відображають заданий закон руху об'єкта.

Адаптивний регулятор виконує функції оптимального параметрування. Лише дискретні методи забезпечують реалізацію таких підходів. При адаптації самонастроювання регулятора на характеристики процесу, що міняються, здійснюється одним з наступних способів:

адаптацією на етапі впровадження системи, яка звичайно виконується при ручному керуванні з попереднім підбором прийнятних параметрів регулятора;

заданою адаптацією, яка виконується за фактичною ситуацією шляхом побудови уставок в процесі регульованого режиму роботи системи та поточної зміни параметрів регулятора.

В дисертації розроблені практичні рекомендації по веріфікації динамічних процесів на базі оцінки помилок параметрів за методом найменших квадратів, які відносяться до моделей процесу. Оцінка оптимізації в практичних використаннях методу найменших квадратів здійснюється за:

швидкістю збіжності, точністю і надійністю методу оцінки;

ресурсовитратністю, яка повинна врівноважуватися розрахунковою потужністю і розмірами пам'яті наявної апаратної бази.

Досвід свідчить, що інтелектуальні здібності людини можуть бути відтворені навчаючимися управляючими контурами системи. При цьому крок за кроком формується нелінійна модель процесу на основі виміряних даних. В результаті за критерієм якості безпосередньо генерується нелінійна система керування, яка навчається. "Інтелектуальний образ дій" містить в основному три складові:

питання, які визначають напрямок пошуку;

гіпотези як основи рішення задачі;

контроль, який визначає план дій.

Цілеспрямованому пошуку рішення конкретної задачі контуром керування, що "навчається", відповідає критерій якості, в якому сформульований характер проходження процесу.

В розділі 6 проаналізовані методи вибору параметрів і настроювання регуляторів для аналогових і дискретних систем автоматичного регулювання в ІАСК. Обґрунтована трикрокова процедура оптимізації параметрів систем регулювання:

на першому кроці визначається математична модель об'єкта регулювання і вибирається відповідний тип регулятора (П, ПІ, ПІД);

на другому кроці виконується оптимізація параметрів замкненого або розімкненого контуру регулювання, який включає автоматичний регулятор і об'єкт (процес) регулювання;

на третьому кроці розраховуються оптимальні параметри регулятора з використанням величин коефіцієнтів оптимізованого контуру автоматичного регулювання.

Головним напрямком рішення проблеми є докорінне удосконалення методів розрахунку регуляторів, а також створення адаптивних систем регулювання. На цей час найбільш відомими методами настроювання автоматичних регуляторів є наступні методі: Циглера--Ніколса, Чіна--Хронеса--Ресвіка, Кеслера -- бетрагсоптимум, Латцеля -- бетрагсадаптація, Куна -- "правило Т-суми", Пройса -- проектування ПІД-регулятора за бетрагсоптимумом при відсутності моделі об'єкта.

Виконаний порівняльний аналіз деяких найбільш ефективних методів настроювання П-, ПІ- і ПІД-регуляторів для аналогових та дискретних систем регулювання технологічних параметрів прокатки.

У більшості випадків вказані методи можуть бути застосовані як для аналогових, так і дискретних систем регулювання.

Цим забезпечуються високі динамічні якості мінімально-фазової системи регулювання. Зазначені вимоги можуть бути представлені залежністю для модуля амплітудно-частотної характеристики

В основу відомої форми бетрагсоптимума покладена передавальна функція системи регулювання зі сталим чисельником

При виконанні вимоги (56) виходять з того, що з неї можуть бути одержані формули для обчислення параметрів регулятора. Однак реалізувати їх можливо тільки у випадку дійсних або достатньо задемпфіруваних комплексних полюсів об'єкта. Досвід свідчить, що реакція у відповідь спроектованого за цим методом контура з ПІД- регулятором являє собою потрібний перехідний процес з малими перерегулюваннями.

Для реалізації налагоджувальних робіт для регуляторів на об'єкті створений інструментарій, який полегшує адаптацію діючого регулятора до фактичних параметрів об'єкта або змінним умовам його роботи в системі автоматизації. Такий прилад потребує від користувача мінімальних знань та простий в обслуговуванні.

Розділ 7 присвячений експериментальним дослідженням і промисловій реалізації автоматизованих систем на ТЛС. В дослідженнях режимів керування процесами прокатки переслідувались цілі забезпечення формування показників якості процесу прокатки і прокатної продукції, ефективності роботи стана і прокатного цеху в цілому. Найбільш економічно важливим для технологічного процесу на ТЛС є коефіцієнт витрати металу заготовки на тонну прокату або виходу придатного, який залежить від точності реалізації заданих геометричних розмірів прокатаної штаби.

Висновки

В дисертаційній роботі здійснено рішення актуальної науково-практичної проблеми створення сучасних автоматизованих систем інтегрованого керування виробничими і технологічними процесами прокатки на товстолистових станах, що полягає у розвитку питань теорії і розробки методів побудови ІАСК процесами прокатки на різних ТЛС, а саме запропонована вертикальна і горизонтальна інтеграція на основі глобального економічного критерію з застосуванням координатора, нових математичних моделей, методів, каналів і стратегій керування, а також нових технологічних засобів, які в сукупності забезпечують підвищення якості продукції, економію матеріальних і енергетичних витрат. Наукові положення та технічні пропозиції підтверджені експлуатацією реалізованих автоматизованих систем. Економічний ефект лише однієї з впроваджених систем становить більше ніж 1 млн. гривень на рік.

Одержані наступні теоретичні, дослідні та практичні результати роботи:

1. Показано, що оптимізація режимів роботи технологічної лінії ТЛС являє собою складну багатокритеріальну задачу високої розмірності, з великою кількістю обмежень і випадкових змінних в умовах неповноти вихідної інформації. Тому для синтезу математичних моделей і алгоритмів керування виробництвом в ІАСК здійснені декомпозиція системи у межах наявних ступенів свободи та її опис підмоделями (оціночними, ідентифікаційними, прогнозуючими); доведено, що оскільки окремі технологічні операції (нагрів металу, прокатка, оброблення прокатної продукції та ін.) взаємозв'язані, автономне керування підпроцесами, яке застосовується в тепершіній час, не може забезпечити оптимальне керування всім комплексом в цілому, тому локально оптимізовані підсистеми керування повинні об'єднуватися вищестоящим координатором, який усуває конфліктні ситуації між підпроцесами і виробляє компромісні рішення для глобальних цілей в роботі ІАСК. В свою чергу глобальна задача оптимізації ІАСК повинна розглядатися як триетапний вектор, який полягає в керуванні організаційно-технологічними процесами: перший -- фабрикація заявок на прокат; другий -- нагрів і прокатка слябів; третій -- розкрій штаби і операції оброблення. Ці етапи організаційно і технологічно взаємозв'язані, причому на їх оптимальне виконання суттєве значення має "людський фактор" через комунікації "людина -- машина" і "людина -- процес". Запропонований підхід до проектування дозволяє використовувати додаткові джерела зниження собівартості продукції, які полягають в економії паливно-енергетичних ресурсів, а також в спроможності оперативного втручання у виробничий процес на всіх його стадіях за допомогою достовірної інформації про хід процесу на основі єдиної бази даних та розробленої інформаційної системи.

2. Встановлено, що до технології проектування ІАСК повинні включатися три основні взаємодіючі компоненти: методи, інструментарій і способи реалізації. Вихідним документом для проектанта служить розроблена ним неформальна специфікація задач керування. У загальному випадку неформальною специфікацією подається опис некерованого об'єкта, структурної схеми процесу та вимог до нього. Далі з використанням засобів обчислювальної техніки наводиться перетворення неформальної специфікації у формальну, яка є ключем до системотехнічного рішення задачі керування. Запропонована структура машинної підтримки процесу проектування ІАСК, що включає етапи та зміст робіт всього життєвого циклу створення, впровадження, експлуатації системи та її подальший розвиток на об'єкті, може стати основою проектування ІАСК товстолистовими та широкоштабними станами.

3. Проаналізований та науково обґрунтований вибір найбільш ефективних математичних моделей розрахунку основних технологічних і енергосилових параметрів прокатки, запропоновано ряд нових моделей (зусилля, ширини листа, деформації кліті, площинності тощо), які відрізняються від відомих спроможністю використання значно меншої кількості вихідних даних і більшою точністю. Промислові дослідження, проведені на ряді ТЛС, підтвердили їх адекватність, а також те, що за рахунок зниження середньоквадратичного відхилення при керуванні товщиною можна отримати економію металу, яка для ТЛС 3600 при продуктивності 3 млн. т на рік становить не менше ніж 20 тис. т на рік. Практична цінність розроблених моделей полягає в їх універсальності для різних прокатних станів і в тому, що на їх основі можна отримати реальну економію металу.

4. В процесі промислових досліджень, проведених на чистовій кліті кварто ТЛС 3600, встановлений і теоретично обґрунтований вплив ефекту швидкісної асиметрії на площинність листа, який обумовлює зниження зусилля прокатки при зміні швидкості одного прокатного валка відносно іншого. За даними досліджень при неузгодженості швидкостей валків в середньому на 4,7% зусилля прокатки зменшувалось на 100 т, що складало 5--7% загального зусилля прокатки. Швидкісна асиметрія суттєво впливає на поліпшення площинності і може бути застосована як альтернативний канал впливу на вказані параметри різних прокатних станів, не оснащених іншими органами регулювання.

5. Здійснена інтеграція керування нагрівальними печами з ходом процесу прокатки металу в клітях стана. Показано, що застосування стратегії зі зворотними зв'язками за температурою металу на виходах з чорнової і чистової клітей забезпечує оптимізацію процесів нагріву і прокатки як єдиного теплотехнічного комплексу. На основі запропонованої інтеграції на ТЛС 2800 отримана економія умовного палива на рівні 5--7%; цей підхід може бути розповсюджений на всі типи прокатних станів.

6. Проаналізовані варіанти застосування термомеханічної обробки (ТМО) для поліпшення структури та механічних властивостей листа, що прокатується, тобто для підвищення якості прокатної продукції. Показано, що в цих варіантах досягається одержання потрібного сполучення механізмів зміцнення, що забезпечують прокатку металу із специфічним набором якостей. Розглянуті та оцінені дві наступні структури АСК для контрольованої термомеханічної обробки прокату на ТЛС:

а) для контрольованої багатоетапної прокатки з проміжними підстудженнями розкату на спокійному повітрі та з наступною низькотемпературною деформацією при суворому дотриманні температури;

б) для контрольованої за температурою двофазної прокатки з інтенсивним проміжним охолодженням водою і наступною низькотемпературною деформацією. В роботі подана оцінка позитивних результатів по якості механічних властивостей листа, які одержують при контрольованій прокатці.

7. Виконана науково-технічна оцінка застосованих варіантів систем гідромеханічного збиву окалини при прокатці на ТЛС. Показано, що головними факторами, які впливають на ефективність видалення окалини і враховуються при виборі конструкції установки, є: ударна сила потоку води, відстань від сопла до поверхні розкату, кут розкриття факелу сопла. Запропонована нова автоматизована енергоресурсозберігаюча технологія гідрозбиву окалини, за допомогою якої в порівнянні, наприклад, з існуючою на ТЛС 2800 можна в 10--15 разів зменшити витрати води і в 5--7 раз електричної енергії, забезпечуючи при цьому високу якість поверхні металу, а також за рахунок інтеграції її в ІАСК зменшити розхід палива в печах на 2% та угар металу в печі на 3,5 кг/т. Нова автоматизована технологія може бути рекомендована на будь-які прокатні стани, а також для машин безперервного лиття заготовок.

8. Науково обґрунтована і практично підтверджена необхідність і ефективність при товстолистовій прокатці дій на технологічний процес по багатоканальній системі ПЦУ з різними швидкодією, точністю і характером впливу каналів на хід процесу. Обґрунтовано застосування експертних систем (ЕС), які використовуються для прогнозу в пасивному або активному режимах. Пасивна ЕС застосовується оператором для швидкого рішення задачі за допомогою ЕОМ на базі знань. Вихідною інформацією є дані та факти, що вводяться до ЕОМ, де зберігаються знання з передісторії процесу. Якщо ж задача пов'язана з фізико-технологічним процесом, тоді ЕС сполучається з процесом, що контролюється, утворюючи замкнену ЕС, яка працює в активному режимі.

9. Зроблений порівняльний аналіз методів вибору і оптимального настроювання параметрів автоматичних регуляторів, які становлять основу базової автоматики ІАСК, що здійснюють регулювання технологічних параметрів процесу прокатки і комплексне керування станом. Обґрунтована трикрокова процедура оптимізації параметрів САР або ПЦУ: на 1-му кроці визначається математична модель об'єкта регулювання і вибирається тип регулятора; на 2-му -- здійснюється синтез параметрів контуру регулювання, який включає автоматичний регулятор і об'єкт (процес) регулювання; на 3-му -- виконується розрахунок оптимальних параметрів регулятора з використанням величин коефіцієнтів оптимізованого контуру САР.

Проаналізовано застосування для синтезу САР декількох варіантів методу найменших квадратів, який реалізований у два ступеня: змінний у часі рекурсивний метод зі змінними ваговими коефіцієнтами впливу передісторії; розширений рекурсивний метод, в якому сигнальний вектор і його застосування розширюються за рахунок попередніх оцінок похибок. Запропонований підхід може бути рекомендований для САР, які працюють з високою бистродією на рівні втрати сталості зі змінюваними у часі параметрами об'єкта.

10. За результатами теоретичних і експериментальних досліджень, а також науково-технічних розробок, виконаних здобувачем, створено низку сучасних систем автоматизації ТЛС, випробуваних і впроваджених при провідній участі здобувача в промислову експлуатацію на декількох металургійних комбінатах в Україні, СНД і за кордоном.

До найбільш представницьких АСК належать об'єкти автоматизації, наведені в табл. 1. Промислові випробування названих АСК у повній мірі підтвердили достовірність теоретичних результатів наукових досліджень, розроблених і застосованих математичних моделей розрахунку технологічних параметрів і алгоритмів керування процесами прокатки. Висока точність регулювання технологічних параметрів прокатки досягається застосуванням цифрових САР з елементами адаптації та самонавчання.

Список публікацій за темою дисертації

1. Грабовский Г.Г. ИАСУ толстолистовыми прокатными станами. -- К.: Техніка, 2001. -- 448 с.

2. Иевлев Н.Г., Грабовский Г.Г. Математические модели и алгоритмы управления в АСУ ТП толстолистовых прокатных станов. -- К.: Техніка, 2001. -- 248 с.

3. Архангельский В.И., Богаенко И.Н., Грабовский Г.Г., Рюмшин Н.А. Человеко-машинные системы автоматизации. -- К.: НПК "КИА", 2000. -- 308с.

4. Архангельский В.И., Богаенко И.Н., Грабовский Г.Г., Рюмшин Н.А. Нейронные сети в системах автоматизации. -- К.: Техніка, 1999. -- 364 c.

5. Многоканальные итерационные системы управления / Б.И. Кузнецов, А.А. Худяев, И.Н. Богаенко, Г.Г. Грабовский и др. -- К.: НПК "КИА", 1998. -- 244с.

6. Богаенко И.Н., Грабовский Г.Г., Рюмшин Н.А. и др. Интегрированные организационно-технические АСУ промышленными предприятиями. -- К.: НПК "КИА", 2002. -- 147 с.

7. Богаенко К.И., Грабовский Г.Г., Грищенко А.А., Грищенко С.А. Автоматизированные системы управления процессами нагрева и отжига металла. -- К.: Техніка, 1997. -- 124 с.

8. Архангельский В.И., Богаенко И.Н., Грабовский Г.Г., Рюмшин Н.А. Системы фуцци-управления. -- К.: Техніка, 1997. -- 208 с.

9. АСУ листопрокатных станов / В.И. Архангельский, И.Н. Богаенко, В.И. Васичкин, Г.Г. Грабовский и др. -- М.: Металлургия, 1994. -- 334 с.

10. Грабовский Г.Г., Твардовский В.П. Опыт разработки и внедрения АСУ ТП толстолистовых и полунепрерывных прокатных станов. -- К.: РДЭНТП, 1992. -- 32 c.

11. Грабовский Г.Г., Твардовский В.П. АСУ толстолистовых прокатных станов. -- К.: РДЭНТП, 1989. -- 32 с.

12. Грабовский Г.Г., Твардовский В.П., Ушаков В.А., Жуков С.В. Опыт разработки и внедрения автоматизированного управления режимами обжатий на трехклетевом ТЛС по расчетам в темпе с процессом // Автоматизированное организационно-технологическое управление процессами прокатного производства: Сб. науч. тр. -- К.: КИА, 1989. -- С. 71--75.

13. Прядкин Л.Л., Грабовский Г.Г., Иевлев Н.Г. Автоматизация технологических процессов прокатки на толстолистовых станах // Металлург. -- 1989. -- №5. -- С. 34--36.

...