ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

«Адаптивная математическая модель непрерывных групп клетей сортовых и проволочных станов с интегрированной базой данных технологических параметров».

Рекомендуемая область пременения

- сортопрокатные и проволочные станы 2,3,4 поколений;
- калибровочные бюро;
- машиностроительные фирмы;
- НИИ;
- НТЦ

Назначение, цели и задачи проекта

Принятие эффективных технологических решений на этапе проектирования, внедрения и эксплуатации сортопрокатных станов:

- При проектировании эффективно выявлять технологические решения для конкретных сортовых и проволочных станов на основе многовариантного моделирования условий работы калибровок валков. Оценивать точность профилей, технологичность и стабильность формоизменения.

- В режиме Offline определять зазоры между валками при изменении технологических факторов прокатки (температуры прокатки, марки стали, изменения диаметров валков после переточек, износа калибров, колебания размеров заготовки).

Калибры и процесс формоизменения при прокатке представляется в виде набора векторов, что позволяет трансформировать чертежи в цифровую форму записи с целью хранения, обработки и передачи информации.

Рис. 1. Структурно-смысловая схема математической

модели сортового стана

В основе функционирования математической модели лежит алгоритм формоизменения металла, который является универсальным. Для адаптации к конкретному сортовому стану составляется база данных, отражающая присущие только этому стану особенности технологии, калибровки и т.д. На основании собранных данных алгоритм формоизменения моделирует процесс прокатки на данном стане. В случае необходимости проектировать процесс прокатки на другом конкретном стане необходимо лишь указать другую калибровку или стан, из имеющихся в базе данных, алгоритм при этом не претерпевает никаких изменений, что очень удобно пользователю математической модели и удовлетворяет требованиям к адаптивным системам управления.

Реальный процесс прокатки характеризуется изменяющимися параметрами: постоянно происходит износ валков, температура прокатки колеблется (хотя и в довольно узком интервале), происходит смена марочного сортамента, валки перетачиваются. Для учета всех этих факторов в математической модели предусмотрено оперативное вмешательство в алгоритм формоизменения с целью внесения поправок, сформированных в соответствующих подсистемах. Пользователь или информационная система вносит в расчет те или иные изменяющиеся технологические параметры, величину этого изменения, далее модель прогнозирует, как это отразится на процессе формоизменения. Естественно, каждое изменение параметра может повлечь за собой отклонения геометрических размеров профиля от требуемого стандарта. Для стабилизации геометрических размеров профиля в диапазоне допусков необходимо произвести корректировку зазоров между валками, что моделируется в подсистеме настройки сортового стана.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Развитие процессов производства сортового проката в направлении гибких высокоскоростных технологических схем при одновременном ужесточении требований к качественным показателям профилей (прежде всего, точности) делает актуальным комплекс задач по поиску эффективных методов целенаправленного воздействия на технологические факторы процесса. Следует учитывать все более широкое развитие и применение процессов с элементами управления технологическими параметрами, для чего требуются достаточно простые, универсальные, быстродействующие, легко дополняемые и надежные модели. Вместе с тем, неоднозначная связь многих технологических параметров прокатки в калибрах различной сложности ограничивает разработку и внедрение комплексных методов анализа и управления при сортовой прокатке. Внедряемые системы являются узкоспециализированными, не всегда согласуются друг с другом, плохо адаптируются к изменяющимся технологическим условиям производства, не позволяют оперативно анализировать альтернативные варианты технологических схем.

В работе представлен комплекс теоретических разработок, технических и технологических решений для повышения эффективности процессов сортовой прокатки и точности прокатываемых профилей на основе создания и применения адаптивных структурно-матричных моделей технологических схем формоизменения. Под адаптивностью моделей в работе понимается адаптивность как к различным технологическим схемам и условиям сортовой прокатки, так и  к конкретным технологическим задачам.

Исследования, приведенные в работе, выполнены в соответствии с планами и в развитии Межвузовской целевой научно-технической программой «Металл» (направление 14), координируемой Уральским государственным техническим университетом (УГТУ-УПИ)

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Один из вариантов модели работает по принципу OFF LINE, т. е. не связан жестко с управлением конкретного объекта. Такой вариант системы настройки (рисунок .2) организационно состоит из:

- базы данных, где происходит сбор и обработка информации, накопленной первоначально и поступающей в процессе работы АСУ;

- модели процесса, проектирующего настройку, причем модель обменивается информацией как с базами данных, так и с пользователем, работая в режиме дружеского интерфейса; результатом функционирования модели являются параметры настройки;

- сравнительно-аналитического блока, который заключает в себе работу по оценке способности модели адекватно реагировать на вносимые изменения параметров прокатки.

Рис. 2  Организационная структура варианта работы системы настройки OFF LINE

Работа математической модели настройки сортового стана осуществляется при помощи программных средств, которые являются основной частью автоматизированной системы управления настройкой стана в режиме OFF LINE. Они позволяют формировать базы данных и моделировать настройку для непрерывных сортовых и проволочных станов любой конфигурации, предлагая пользователю возможные варианты технологических решений за время, соизмеримое со временем протекания технологического процесса.

При этом выходными параметрами настройки являются:

- рекомендуемые зазоры между валками;

- рекомендуемые скорости прокатки в клетях, исходя из условия отсутствия натяжений;

-соответствующие скорости двигателей главных приводов прокатных клетей.

Режим "ON LINE"

Разработанная модель настройки стана позволяет отрабатывать параметры настройки за время протекания процесса или даже опережая реальный масштаб времени, что подтверждает целесообразность применения автоматизированной системы управления настройкой стана на базе этой модели.

Система настройки в режиме ON LINE, то есть задействованная непосредственно в комплексе систем управления, состоит из:

-  программы   управления базами данных, где происходит сбор и обработка информации, накопленной первоначально, а также поступающей в процессе работы системы;

- модели процесса, проектирующего настройку, причем модель обменивается информацией с базами данных, получая текущие входные параметры из системной шины; результатом функционирования модели являются параметры настройки - величины зазоров по клетям или величины их коррекции и рекомендуемые скорости вращения электродвигателей главных приводов;

- адаптационной модели, цель которой - самоадаптация модели процесса к условиям конкретного сортопрокатного стана;

- интерфейса, который обеспечивает передачу информации от модели процесса на исполнительные устройства объекта управления и от системной шины к модели;

- объекта управления (сортопрокатного стана) с исполнительными устройствами (нажимные механизмы и электропривод клетей).

Варианты реализации АСУ управления настройкой сортового стана и взаимодействия ее составляющих представлены на рисунке. 3а.

  Режим "ON LINE OPEN LOOP"

Появление данного варианта вызвано этапностью применения автоматизированных систем к настройке сортовых станов. Режим "ON LINE OPEN LOOP" является переходным от "OFF LINE" к полному "ОН LINE". Как видно из рис.3б. "ON LINE OPEN LOOP" также характеризуется наличием обратной связи между объектом управления (сортопрокатный стан) и автоматическим управляющим устройством (модель процесса, базы данных, адаптационная модель), обеспечивающим самоадаптацию модели процесса.

Рисунок 3. - Схема взаимодействия составляющих АСУ настройки стана при режимах работы: а - "ON LINE" и б - "ON LINE OPEN LOOP"

Параметры настройки, вырабатываемые моделью процесса, не поступают на исполнительные устройства стана непосредственно через интерфейс, минуя технологический персонал, а носят рекомендательный характер. Таким образом, "петля" получается не замкнутой. На этапе внедрения АСУ в производство этот момент дает ряд плюсов, обеспечивая:

- проверку устойчивости работы АСУ в целом и ее отдельных составляющих;

- проверку соответствия работы математического обеспечения в комплексе с адаптационной моделью реальному процессу прокатки и настройки;

- в случае необходимости, доводку отдельных блоков системы и внесение корректив в функционирование самой модели без каких-либо производственных издержек.

Указанные выше варианты АСУ настройки стана повышают эффективность работы технологического персонала (страховка от случайных ошибок) и технологического оборудования (рациональные эксплуатация и использование мощностей) и являются взаимосвязанными этапами внедрения системы настройки в производство.

Принципы связи модели настройки с системой минимальных натяжений

Разработанная модель настройки стана ориентирована на связь с системой минимальных натяжений в единой системе управления.

Основным параметром, связывающим эти две системы, является скорость двигателя главного привода каждой прокатной клети. С одной стороны, рекомендуемые скорости двигателей являются одним из результирующих параметров настройки, с другой стороны, фактические значения скоростей при корректировании их системой минимальных натяжений должны играть роль входного параметра (возмущающего воздействия) для алгоритма настройки зазоров.

Таким образом, между системой настройки и системой минимальных натяжений должна быть организована обратная связь по параметрам скорости двигателей. Определенные пороговые значения скоростей в системе регулирования натяжений инициируют включение системы регулирования зазоров.

Организационно такая связь выглядит следующим образом.

После проведения первоначальной настройки по параметрам из шины данных стан начинает работу. По мере истечения времени в шину поступает со стана информация о текущих скоростях. Эти данные сравниваются с первоначальными данными (т.е. данными, располагаю­щимися в определенном, допустимом интервале допусков). Как только произойдет изменение режима работы стана и скорость вращения приводного двигателя будет вне контрольного интервала вследствие либо переполнения, либо недозаполнения калибра, с этого момента подается сигнал для включения системы настройки стана.

В процессе разработки модели настройки были  получены нижеследующие результаты.

Во-первых, на базе аналитических и экспериментальных методов определены и учтены в структурно-матричной модели связи параметров формоизменения с основными технологическими факторами прокатки:

износом калибров;

температурой и пластическими свойствами стали;

диаметрами валков;

элементами калибров.

Во-вторых, разработан алгоритм расчета величины коррекции межвалковых зазоров для достижения требуемого заполнения в последнем калибре непрерывной подгруппы.

В-третьих, разработаны программные средства модели настройки, позволяющие рассчитывать управляющие параметры в реальном масштабе времени.

В-четвертых, разработана методика поэтапной адаптации модели настройки к различным программам прокатки и станам различной компоновки, заключающаяся в двухуровневом подходе (первоначальная адаптация и самоадаптация).

В-пятых, разработана методика поиска рациональных способов настройки калибров в зависимости от особенностей схемы калибровки.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Технические характеристики:
- ЭВМ с процессором от Pentium II и выше
- Оперативная память от 32 Мб и выше
- Реализована в ОС DOS адаптируется под ОС Windows
- Интегрирована с современной
системой минимальных натяжений

Повышение производительности стана. Снижение простоев прокатного стана в связи с заблаговременным принятием решений о настройке, переходе на другой калибр и окончания компании.

Энергосбережение. Разработанные программные средства позволяют выявить режимы прокатки, обеспечивающие минимально затратные режимы деформации раската обеспечивающие высокое качество готовой продукции.

Экологическая безопасность. Экономия энерго- и материало ресурсов путем снижения давления металла на валки и их износа при прокатке. Применение автоматизированных систем принятия решения, без проведения исследований на реально действующем стане, сопровождающихся мало контролируемыми загрязнениями окружающей среды.

Энергопотребление. Снижение энергопотребления на прокатном стане путем минимизации усилия прокатки за счет подбора формы калибров

Безлюдная технология. Повышение уровня автоматизации процесса управления прокатным.

Новые потребительские свойства продукции

-снижение металлоемкости;
-уменьшены овальности круглых профилей;
- высокая эффективность технологического процесса;

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Продукция соответствует государственным стандартам

Стадия и уровень разработки

Результаты работы в виде программных средств и новых технических и технологических решений реализованы на трех металлургических предприятиях России, а также в процессе подготовки инженерных и научно-технических кадров. Разработаны и усовершенствованы калибровки валков блюминга и шести сортовых станов. Новые технологические режимы прокатки и охлаждения, настройки клетей реализованы на двух проволочных станах. Результаты работы реализованы в металлургическом производстве, а также в процессе подготовки инженерных и научно-технических кадров. Основными достижениями при реализации работы на практике являются следующие:
разработан и реализован на проволочном стане 250-2 ОАО ММК (г.Магнитогорск) способ стабилизации геометрических размеров катанки по длине бунта путем дифференцированного охлаждения; техническое решение защищено патентом РФ на изобретение 2148443; экономический эффект составил более 10 млн. рублей;
разработана, промышленно опробована и внедрена на стане 320 цеха биметалла ОАО МММЗ (г. Магнитогорск) калибровка валков чистовой группы, на 33% повышающая равномерность формоизменения медной оболочки при прокатке сталемедной катанки; техническое решение защищено свидетельством РФ 17872 на полезную модель;
разработаны и внедрены в практику работы калибровочного бюро ОАО ММК программные средства и методики анализа калибровок валков и технологических схем сортовой прокатки; пакет программ использованы в практике работы при расчете, анализе и совершенствовании калибровки для станов 300-1, 500, 250-1, 250-2, 300-3;
разработано и передано для тестирования с целью дальнейшего совместного использования фирмам Elpro (Германия) и Danieli (Италия) программное обеспечение для расчета настройки непрерывных групп сортовых и проволочных станов и анализа калибровки валков, что подтверждено протоколами;
реализованы в условиях проволочного стана 150 ОАО БМК (г. Белорецк) компьютерная система-советчик для настройки непрерывных промежуточных групп стана и способ дифференцированной настройки для повышения стабильности размеров подката перед блоком; получены новые рекомендации по настройке;
предложены на основании моделирования режимов прокатки блюминга в обжимном цехе ОАО ММК и экспериментально опробованы способ и калибровка для прокатки сляба с разделением с последующим получением сортовой заготовки; техническое решение защищено патентом РФ на изобретение № 2179486;

Предлагаемые инвестиции

12 млн. руб.

Рынки сбыта

- широкое опытное и промышленное апробирование
- использование на строящихся станах
- высокий экономический эффект
- поставка на современные сортопрокатные станы
- Российские и зарубежные металлургические комбинаты, проектные организации, учебные и научные институты, специалисты задачами которых является: эффективно выявлять технологические решения для конкретных сортовых и проволочных станов на основе многовариантного моделирования условий работы калибровок валков. Оценка точности профилей, технологичности и стабильность формоизменения, определение зазоров между валками при изменении технологических факторов прокатки (температуры прокатки, марки стали, изменения диаметров валков после переточек, износа калибров, колебания размеров заготовки)

Возможность и эффективность импортозамещения

Предлагаемая в проекте технология и оборудование для ее реализации не имеет аналогов на мировом рынке аналогичной продукции и услуг.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

60
зависит от объекта эксплуатации от 1 до 5 лет

Дата поступления материала

22.03.2007