Генкин А.Л. Моделирование и оптимизация процесса горячей прокатки полос Изд. стереотип.

Оглавление

Введение

В условиях резкого и зачастую непредсказуемого изменения цен на металл и энергоресурсы использование инновационных технологий в черной металлургии позволяет существенно повысить эффективность производства и, соответственно, конкурентоспособность выпускаемой металлопродукции. В Институте проблем управления РАН (ИПУ РАН) на протяжении многих лет ведутся работы в области создания методов и систем управления интегрированными АСУТП металлургического производства. Инициатором и вдохновителем этих работ стал известный ученый в этой области докт. техн. наук, профессор, лауреат Государственной премии СССР А.Б.Челюсткин, книги которого [1, 2] в начале 1970Ных годов стали основой для бурного развития научных и практических идей в системном управлении металлургией и, в первую очередь, в прокатном производстве – одном из самых распространенных видов обработки металлов давлением.

В частности, на созванном в 1972 г. по инициативе А.Б.Челюсткина совещании в Госкомитете по науке и технике при Совмине СССР по проблеме "Увеличение производительности непрерывных широкополосных станов горячей прокатки и улучшение качества прокатываемых полос за счет оптимизации температурно-скоростного режима" было проведено обсуждение комплекса мероприятий, обеспечивающих повышение производительности стана и одновременное улучшение качества горячекатаных полос. Решением совещания был определен перечень первостепенных научно-исследовательских и опытных работ по рассмотренной проблеме [3], многие из которых были завершены учениками и последователями А.Б.Челюсткина после его безвременной кончины в 1976 г.

В последние годы в ИПУ РАН продолжаются работы по совершенствованию систем управления листопрокатным производством в рамках интеграции систем управления в металлургии. Некоторые результаты этих работ, выполненных при участии автора, представлены ниже.

Предмет исследования в настоящей монографии – класс объектов, общим для которых является наличие агрегата для нагрева металла и клетей для прокатки нагретого металла. При производстве горячекатаного листа (основного вида продукции металлургического завода) такой объект называется листопрокатным комплексом (ЛПК) и включает печи для нагрева металла, черновую и чистовую группы клетей для прокатки листа (полосы).

Применительно к ЛПК повышение эффективности производства означает увеличение мощности агрегатов и скоростей прокатки, совершенствование технологии, автоматизацию технологических процессов с применением современной вычислительной техники. Регулирование температуры металла в ключевых точках технологической линии "нагрев слябов – горячая прокатка полос" позволяет повысить скорость прокатки и сократить ресурсо- и энергозатраты, что, в свою очередь, приводит к сокращению издержек производства. В связи с этим, дальнейшее совершенствование управления температурно-скоростным режимом прокатки – одним из основных факторов, определяющих производительность ЛПК и качество горячекатаной продукции, является первоочередной задачей производства горячекатаных полос.

Увеличение скорости прокатки в чистовой группе клетей способствует повышению проиводительности широкополосного стана горячей прокатки (ШПСГП), однако приводит к изменнию температуры полосы на выходе из него. В связи с этим задачей оптимального управления температурно-скоростным режимом горячей прокатки полос является, наряду с интенсификацией производства, обеспечение требуемого уровня и стабилизации качественных показатлей проката: температуры и геометрических параметров (толщины и формы) полосы на выходе из стана.

Одним из современных способов управления чистовой прокаткой является принудительное охлаждение металла водой в межклетевых промежутках чистовой группы широкополосного стана, открывающее широкие возможности дополнительного управления температурой металла в условиях использования скоростных режимов, обеспечивающих повышение производительности стана и качества горячекатаных полос. Впервые в СССР теоретическое и экспериметальное исследование эффективности межклетвого охлаждения при горячей прокатке полос было осуществлено в Институте проблем управления совместно с НПО "Черметавтоматика" при непосредственном участии автора.

В монографии на основе исследования о nновных закономерностей формирования темпратурных условий прокатки в чистовой группе ШПСГП при применении принудительного меклетевого охлаждения раработаны оригинальные принципы, алгоритмы и структура системы управления межклетвым охлаждением с целью повышению качества полосы, заключающегося в получении металла с регламентированными показателями механических свойств и геометричских параметров при наиболее полном использаоании скоростных параметров стана. Использование межклетевого охлаждения как дополнительного канала регулирования температуры мталла в чистовой группе ШПСГП позволяет существенно сократить удельные (на единицу массы выпускаемой металлопродукции) постоянные издержки за счет повышения производительности стана при увеличении средней скорости прокатки.

Производство горячекатаных полос относится к энерго- и ресурсоемким технологическим процессам. Энергосберегающее управление ЛПК – совокупность мер, направленных на эффективное использование энергоресурсов при нагреве и прокатке металла. Проблемы энергосберегающего управления выбранным объектом заключались в отсутствии теоретического обоснования принципов энергосбережения, а также автоматизированных систем, позволяющих реализовать энергосберегающие принципы и наукоемкие технологии, отличительной особенностью которых является перераспределение энергии между отдельными участками технологической линии. В монографии решение указанных проблем осуществлено путем разработки и исследования моделей, методов и структуры системы энергосберегающего управления горячей прокаткой полос, обеспечивающих сокращение удельных переменных издержек за счет снижения удельных энерго- и ресурсозатрат при производстве горячекатаного листа.

В условиях реального функционирования такого сложного технологического объекта, как современный ЛПК, математическое моделирование является эффективным методом определения характеристик объекта и его элементов, состояния и взаимосвязи между ними. Одновременная разработка модели нового технологического процесса и системы управления им позволяет выявить дополнительные нюансы объекта и тем самым повысить качество управления. С учетом изложенного, настоящая монография посвящена решению указанных выше проблем автоматизации ЛПК "печи – стан" путем разработки новых моделей, методов и систем оптимального управления температурно-скоростным режимом прокатки полос в соответствии с критериями повышения эффективности производства и улучшения качества продукции. Недостаточная изученность этих проблем и высокая эффективность разрабатываемых методов совершенствования управления температурно-скоростным режимом прокатки определяют актуальность поставленной перед автором цели. В соответствии с поставленной целью в монографии решаются следующие задачи (рис. В.1):

разработка АСУ ЛПК "печи – стан".

В первой главе монографии проводится анализ методов, моделей и систем управления качеством металла при горячей прокатке полос, а также методов снижения издержек производства горячекатаной полосы.

Во второй главе поставлена и решена задача разработки математической модели формирования температуры металла в линии ШПСГП, приведены результаты экспериментального исследования принудительного межклетевого охлаждения полосы на действующем прокатном стане, проведена оценка точности разработанной модели.

В третьей главе сформулирована задача оптимального управления температурно-скоростным режимом прокатки полос в чистовой группе клетей с принудительным межклетевым охлаждением. Разработаны принципы и алгоритмы оптимального управления температурно-скоростным режимом прокатки с принудительным межклетевым охлаждением. Разработаны методики определения возможности изменения температуры полосы в чистовой группе клетей и максимально допустимой скорости прокатки тонких и толстых полос с принудительным межклетевым охлаждением, а также методика косвенного определения температуры металла в прокатных клетях.

В четвертой главе решается задача разработки моделей и методов энергосберегающего управления горячей прокаткой полос. Формализована задача энергосберегающего управления, разработаны принципы исходной настройки и ее коррекции для ЛПК "печи – стан".

В пятой главе разработаны алгоритмы оптимального управления ЛПК "печи – стан", определена эффективность оптимизации процесса горячей прокатки полос как при использовании принудительного межклетевого охлаждения, так и при реализации энергосберегающего управления ЛПК "печи – стан".

В шестой главе приводится описание разработанных автором на основе теоретических исследований структуры и математического обеспечения систем управления параметрами прокатки горячеполосового стана.

Следует отметить, что, с точки зрения понятий инновационного менеджмента, направления проводимых в ИПУ РАН исследований, описанных в настоящей монографии, в области автоматизации прокатного производства можно классифицировать двояко. С одной стороны, они являются фундаментальными поисковыми исследованиями для данной отрасли промышленности, так как, с использованием системного подхода, определяют основные закономерности взаимного влияния параметров процесса. С другой стороны, их можно отнести к прикладным, так как результаты исследований доведены до практического использования. Согласно данной классификации, фундаментальными являются, например, разработка принципов межклетевого охлаждения как дополнительного канала регулирования температуры металла в чистовой группе клетей, а также теоретическое обоснование принципов энергосберегающего управления. К прикладным исследованиям можно отнести получение научно обоснованных технических и технологических решений в области автоматизации широкополосных станов горячей прокатки. Универсальным аппаратом исследования, как показал многолетний опыт, являются методы имитационного моделирования.

---

Об авторе

Аркадий Львович ГЕНКИН

Доктор технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории "Идентификация систем управления" Института проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН, профессор Национального исследовательского технологического университета "МИСиС", член Национального общества имитационного моделирования. Специалист в области разработки и применения методов имитационного моделирования и информационных технологий для управления непрерывно-дискретными объектами в металлургии. А. Л. Генкиным разработаны теоретическое обоснование и практические предложения по применению новых методов управления станами горячей прокатки. В последнее время сфера его научных и профессиональных интересов включает вопросы управления инновационными и бизнес-процессами на предприятии. А. Л. Генкин — автор более 100 печатных трудов, в том числе двух монографий (в соавторстве).