close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Совершенствование системы согласования скоростей электроприводов непрерывной черновой группы клетей широкополосного прокатного стана

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ШУБИН АНДРЕЙ ГРИГОРЬЕВИЧ
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ СОГЛАСОВАНИЯ СКОРОСТЕЙ
ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ НЕПРЕРЫВНОЙ ЧЕРНОВОЙ ГРУППЫ
КЛЕТЕЙ ШИРОКОПОЛОСНОГО ПРОКАТНОГО СТАНА
Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Челябинск – 2018
2
Работа выполнена в федеральном государственном автономном
образовательном учреждении высшего образования «Южно-Уральский
государственный университет (национальный исследовательский университет)»
Научный руководитель:
кандидат технических наук
ГАСИЯРОВ Вадим Рашитович
Официальные оппоненты:
ПЯТИБРАТОВ Георгий Яковлевич,
доктор технических наук, профессор,
ФГБОУ ВО «Южно-Российский
государственный политехнический
университет (НПИ) имени М.И.
Платова», г. Новочеркасск
Диденко Евгений Евгеньевич,
кандидат технических наук,
начальник отдела автоматизации
производства горячего проката
ПАО «НЛМК», г. Липецк
Ведущая организация:
ФГБОУ ВО «Национальный
исследовательский университет «МЭИ»,
г. Москва
Защита состоится 7 декабря 2018 г. в 1400 на заседании диссертационного
совета Д 212.111.04 на базе ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный
технический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, Челябинская
обл., г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, ауд. 231.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО
«Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И.
Носова» и на сайте http://www.magtu.ru.
Автореферат разослан _______________ 2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
канд. техн. наук, доцент
К.Э. Одинцов
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. На российских металлургических предприятиях ПАО
«Магнитогорский металлургический комбинат» (ПАО «ММК») и ОАО «Северсталь» (г. Череповец) находятся в эксплуатации непрерывные широкополосные станы (ШСГП) 2000 третьего поколения. Их отличительной особенностью является наличие трехклетевой непрерывной подгруппы черновых клетей, прокатка металла в которых ведется одновременно.
Известно, что от размеров подката на выходе черновой группы зависит
«геометрия» полосы и, как следствие, качество конечной продукции. При прокатке в непрерывной подгруппе возникает жесткая силовая взаимосвязь электромеханических систем горизонтальных валков через металл. Это вызывает
продольные усилия натяжения-сжатия, которые влияют на отклонения ширины полосы. Для снижения разноширинности и ограничения нагрузок на оборудование валковой системы необходимо поддержание натяжения, близкого к
нулевому. При этом потеря натяжения приводит к нарушению устойчивости
процесса прокатки.
Экспериментальные исследования, проведенные на стане 2000 ПАО
«ММК» (далее – стан 2000), показали, что отклонения натяжения в первом
межклетевом промежутке превышают нормативное значение 50 кН (5 т) в 4–5
раз. При этом возникает отрицательное натяжение (подпор), что недопустимо
по технологической инструкции. Натяжения во втором промежутке достигают
80–100 т при нормативе 10 т. Наиболее остро проблема ограничения межклетевых усилий проявляется при прокатке полосы толщиной 18–24 мм из специальных сталей для производства труб большого диаметра (трубной заготовки).
Установленная на стане система автоматического регулирования нулевого
натяжения (САРНН), разработанная фирмой General Electric, не отвечает современным требованиям и неэффективна при расширении сортамента полос.
Основной причиной, вызывающей отклонения натяжений, является рассогласование скоростей горизонтальных валков в режиме совместной прокатки. В
существующей системе это связано с низкой точностью вычисления натяжения и несовершенством алгоритмов согласования скоростей. В условиях отсутствия петлеобразования в полосе возникают продольные усилия, в несколько раз превышающие допустимые. Это ставит процесс непрерывной прокатки под угрозу аварии.
Вопросам изучения силовой взаимосвязи электромеханических систем клетей прокатных станов посвящены научные труды многих выдающихся отечественных и зарубежных ученых. Вместе с тем вопросам согласования скоростей взаимосвязанных электроприводов непрерывной подгруппы ШСГП не
уделяется необходимого внимания.
Целью диссертационной работы является разработка научнообоснованных технических решений, обеспечивающих ограничение силовой
взаимосвязи электромеханических систем непрерывной подгруппы черновой
группы клетей широкополосного стана горячей прокатки за счет согласования
скоростей электроприводов горизонтальных валков и повышения точности
регулирования натяжения.
4
Для достижения цели поставлены следующие задачи:
1. Анализ нагрузочных режимов электроприводов горизонтальных валков
непрерывной подгруппы ШСГП при прокатке полос традиционного и расширенного сортамента. Анализ существующих алгоритмов управления скоростными режимами.
2. Экспериментальные исследования натяжений в межклетевых промежутках непрерывной подгруппы стана 2000. Теоретические и экспериментальные
исследования влияния рассогласования скоростей на натяжения и энергосиловые параметры прокатки.
3. Разработка способов управления электроприводами горизонтальных валков, обеспечивающих независимое регулирование натяжений в межклетевых
промежутках и автоматическое согласование скоростей электроприводов последовательно расположенных клетей в режиме совместной прокатки.
4. Разработка динамической математической модели электромеханических
систем горизонтальных валков трехклетевой непрерывной подгруппы. Исследование силовой взаимосвязи при реализации существующих и разработанных
алгоритмов согласования скоростей.
5. Экспериментальные исследования и промышленное внедрение разработанных алгоритмов управления в черновой группе стана 2000 ПАО «ММК».
Оценка экономической эффективности, обобщение результатов.
Методика проведения исследований. При работе над диссертацией использовались базовые положения теории электропривода, теории автоматического управления, основы теории прокатки. При разработке математической
модели использовался аппарат передаточных функций, при синтезе регуляторов – аппарат ЛАЧХ. Математическое моделирование осуществлялось в программной среде Matlab Simulink. Экспериментальные исследования выполнялись методом осциллографирования на стане 2000 с последующей обработкой
и анализом результатов.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Результаты экспериментальных исследований силового взаимодействия
электромеханических систем трехклетевой непрерывной подгруппы ШСГП, на
основе которых определены причины возникновения недопустимых натяжений в межклетевых промежутках.
2. Способ автоматического регулирования натяжений, согласно которому
при прокатке в двух клетях осуществляется автоматическая коррекция скоростей электроприводов первой либо третьей клетей относительно заданной скорости электропривода второй клети, а при совместной прокатке в трех клетях
осуществляется косвенное регулирование натяжения в функции разности токов электропривода предыдущей клети, измеренных до и после захвата полосы
валками следующей клети.
3. Способ согласования скоростей взаимосвязанных электроприводов непрерывной подгруппы, согласно которому осуществляется автоматическая
коррекция (снижение) скорости электропривода предыдущей клети на величину статической просадки скорости электропривода следующей клети.
5
4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, подтвердившие снижение натяжений и ограничение подпора в межклетевых промежутках при внедрении разработанных алгоритмов.
Обоснованность и достоверность научных положений подтверждаются
применением комплексных методов исследования, использованием характеристик оборудования действующего прокатного стана, совпадением теоретических и экспериментальных результатов, а также их соответствием результатам,
опубликованным другими авторами, повторяемостью результатов экспериментов, положительным опытом длительной эксплуатации внедренных алгоритмов управления.
Научная новизна.
1. Уточнены закономерности, характеризующие влияние рассогласования
скоростей последовательно расположенных клетей непрерывной подгруппы на
натяжения в межклетевых промежутках и влияние переднего и заднего натяжений на энергосиловые параметры прокатки и токовую нагрузку электроприводов.
2. Разработан способ автоматического регулирования натяжений в межклетевых промежутках трехклетевой группы, согласно которому при прокатке в
двух (первых либо последних) клетях осуществляют автоматическую коррекцию скоростей электроприводов первой либо третьей клетей относительно
заданной скорости второй клети. При совместной прокатке в трех клетях осуществляют косвенное регулирование натяжений в функции разности токов
электропривода предыдущей клети, измеренных до и после захвата полосы
валками следующей клети.
3. На основе принципа компенсации статической ошибки регулирования
скорости электродвигателя в однократноинтегрирующей системе разработан
способ согласования скоростей электроприводов последовательно расположенных клетей путем автоматической коррекции скорости электропривода
предыдущей клети на величину статической ошибки регулирования скорости
электропривода следующей клети после захвата полосы валками.
Практическая ценность и реализация работы.
1. Разработанный алгоритм согласования скоростей электроприводов реализован в программном обеспечении контроллера АСУ непрерывной подгруппы стана 2000 ПАО «ММК». В результате обеспечиваются повышение точности регулирования натяжений, снижение подпора и ограничение передачи
возмущающих воздействий «через клеть».
2. Математическая модель рекомендуется для исследования алгоритмов
управления взаимосвязанными электроприводами, что имеет практическое
значение для реконструкции и проектирования непрерывных прокатных станов.
3. Результатами внедрения разработанных технических решений являются
снижение расходного коэффициента, повышение устойчивости технологического процесса, продление срока эксплуатации оборудования. Экономический
эффект составляет 1,75 млн руб./год.
4. Разработанные алгоритмы рекомендуются для внедрения в непрерывных
группах широкополосных и сортовых прокатных станов независимо от рода
6
тока электроприводов. Технико-экономическая эффективность обеспечивается
за счет совершенствования алгоритмов управления, практически без капитальных затрат.
Апробация работы. Положения, выносимые на защиту, и основные результаты работы докладывались на 6-ти международных конференциях, в том
числе: в 2016 г. на IX Международной конференции АЭП в г. Пермь; в 2015 г.
на Международной IEEE- конференции по управлению и связи в г. Омск и на
XIII Международной конференции АПЭП в г. Новосибирск; в 2017 г. на Международной конференции Пром-Инжиниринг в г. Санкт-Петербург и на Международной научно-технической конференции «Энергетика: состояние, проблемы, перспективы» в г. Бишкек; в 2018 г. на IEEE Conference of Russian
Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering в г. Санкт-Петербург.
В 2017-2018 гг. исследования выполнялись в рамках госзадания «Проведение комплекса научных исследований и разработок, обеспечивающих повышение энергетической эффективности и ресурсосбережение при производстве
толстолистового проката» (№13.9656.2017/БЧ от 10.03.2017 г).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 15 печатных трудах, в том числе 5 статей в рецензируемых изданиях из Перечня
ВАК РФ, 4 статьи в изданиях, входящих в систему цитирования Scopus. Получен патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех
глав, заключения, списка литературы из 147 наименований. Работа изложена
на 168 страницах, содержит 54 рисунка, 18 таблиц и приложение объемом
16 страниц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дан общий анализ силовой взаимосвязи клетей непрерывной
подгруппы, представлены ссылки на известные публикации, определены цель
работы и задачи исследования, приведено краткое содержание диссертации.
Показано, что изучению силовой взаимосвязи автоматизированных электроприводов горизонтальных валков непрерывной подгруппы ШСГП не уделяется необходимого внимания. Обоснована актуальность решения проблемы согласования скоростей электроприводов и повышения точности регулирования
натяжений в межклетевых промежутках.
В первой главе рассмотрены технологические особенности совместной
прокатки полосы в горизонтальных валках клетей непрерывной подгруппы.
Рассмотрен алгоритм регулирования натяжений в существующей САРНН стана 2000, дана оценка причин их недопустимых отклонений. Выполнен анализ
известных разработок, направленных на совершенствование алгоритмов согласования скоростей электроприводов последовательно расположенных клетей.
Стан 2000 согласно проекту предназначен для производства стальных горячекатаных полос толщиной 4–16 мм, шириной 1000–1850 мм. В настоящее
время на нем освоено производство листовой стали толщиной до 24 мм для
производства труб большого диаметра.
Непрерывная подгруппа черновой группы стана включает три универсальные клети «кварто» №№4, 5, 6, прокатка в которых схематично показана на
7
рис. 1. Толщина подката на входе в подгруппу составляет 118–141 мм, толщина на выходе – 30–45 мм. В результате прокатки толстой полосы без петлеобразования возникает жесткая взаимосвязь электромеханических систем через
металл. Она проявляется в виде натяжения либо подпора в межклетевых промежутках.
Одновременное нахождение полосы в нескольких клетях требует выполнения условия равенства секундных объемов металла, выражение для которого с
учетом опережения имеет вид:
vв1(1+S1)h1b1= vв2(1+S2)h2b2=…= vвn(1+Sn)hnbn=Cn,
где vвn и Sn – окружная скорость валков и опережение металла в n-й клети; hn и
bn – толщина и ширина полосы на выходе из n-й клети, Cn – постоянная стана.
В диссертации
Клеть №4
Клеть №5
Клеть №6
L45
L56
приведена зависиD4
мость скорости выD5
D6
хода металла из говх
вх
вых
вых
Vп 5
Vп 6
Vп 4
Vп 5
ризонтальных валh4
h3
ков от натяжения,
h6
h5
T4  Q5
T5  Q6
полученная с учеМ в6
том влияния натяМ в4
М в5
жения на опережев 6
ние. При высоких
в 4
в 5
очагах деформации
Рис. 1. Схема прокатки в непрерывной подгруппе
и больших обжатиях возникает отличие реальной скорости прокатки от значений, рассчитанных
по условию постоянства секундных объемов. Рассогласование скорости полосы и линейных скоростей валков следующей клети приводит к возникновению
нерегулируемых продольных усилий натяжения-сжатия. Это приводит к колебаниям размеров полосы и дополнительным силовым воздействиям на оборудование клетей.
Приведены аналитические зависимости, определяющие влияние переднего
и заднего натяжений на энергосиловые параметры – давление металла на валки и момент прокатки. Показано, что при увеличении натяжения (независимо
переднего либо заднего) усилие прокатки снижается, при этом заднее натяжение оказывает на давление более сильное влияние, чем переднее, а наибольшее
контактное давление вызывает отрицательное натяжение (подпор) полосы.
Также пояснен физический смысл влияния соотношения переднего и заднего
натяжений на энергозатраты при прокате.
Для выравнивания межклетевых усилий в структуре АСУ непрерывной
подгруппы стана 2000 служит САРНН, которая вычисляет задания на скорости
электроприводов. Функциональная схема вычислительного алгоритма системы
приведена на рис. 2. Согласно этому алгоритму поддержание постоянства натяжения в первом межклетевом промежутке обеспечивается путем коррекции
скорости электропривода валков 4-й клети. Регулирование натяжения во втором промежутке осуществляется изменением скорости валков 6-й клети. Воздействия на электропривод клети №5 со стороны САРНН не происходит.
8
UoP 4 Uос 4 Uoт4 U oн4
Uзс 4
Uh 4
Uh5
Расчет натяжений
в межклетевых
промежутках
Т 4 5
Т 5 6
Расчет сигнала
задания на коррекцию скорости
вращения валков
U кс 4
U кс6
U зс6
UoP 5 Uос 5 Uoт5 Uoн5
Система
автоматического
регулирвоания
скорости 4-й клети
Система
автоматического
регулирвоания
скорости 6-й клети
Рис. 2. Схема САРНН стана 2000: Uот4, Uот5, Uос4, Uос5, Uон4, Uон5 – сигналы токов, скоростей и напряжений двигателей соответствующих клетей; Т4-5, Т5-6 – натяжения; UоР4,
UоР5 – давления металла на валки; Uh4, Uh5 – измеренные зазоры валков; Uзс4, Uзс6 – сигналы задания на скорости электроприводов клетей №4 и №6; Uкс4, Uкс6 – сигналы коррекции скоростей от САРНН
В приведенном алгоритме натяжение в первом промежутке вычисляется по
зависимости:
P
Т 4 - 5  4  L4  0  L4  ,
(1)
Rв4
где Р4 и Rв4 – давление на валки и радиус рабочих валков клети №4; L4-0 , L4 –
величины плеча прокатки соответственно при свободной и совместной прокатке в 4-й клети.
Величина плеча прокатки вычисляется по электрическим параметрам
двухъякорного двигателя:
 U
 I я4 -1  Rя 4 1   I я4 -1  U я4 - 2  I я4 - 2  Rя 4  2   I я4 - 2
d  1
L4   я4 -1
 J 4  дв4   ,
дв
dt  P4

(2)
где Uя4-1, Uя4-2, Iя4-1, Iя4-2 – измеряемые напряжения и токи, Rя4-1, Rя4-2 – сопротивления якорей; J – приведенный момент инерции; ωдв – угловая скорость.
По аналогичным выражениям вычисляются натяжение Т5-6 и плечо прокатки L5 в 5-й клети. Рассчитанные корректирующие величины Uкс4, Uкс6 сравниваются с заданиями скоростей Uзс4, Uзс6. Сигналы разности подаются на входы
систем автоматического регулирования скоростей (САРС) электроприводов
4-й и 6-й клетей, благодаря чему осуществляется контроль натяжений. Для
большей части сортамента заданные (допустимые) значения натяжений составляют: Т4-5 =5 т; Т5-6 = 10 т.
Как было отмечено выше, эта система не обеспечивает возросших требований к быстродействию и точности регулирования натяжений. В диссертации
приведены осциллограммы, зафиксированные при прокатке полос расширенного сортамента, анализ которых позволил сделать следующие выводы:
1. Натяжение Т4-5 изменяется от -20 т до +25 т при допустимом значении
5 т. Натяжение Т5-6 достигает 80 т при допустимой величине 10 т. Такие отклонения натяжений и режим подпора не являются приемлемыми.
9
2. Возмущающее воздействие в виде изменения натяжения во втором промежутке оказывает влияние на натяжение в первом промежутке. Таким образом, возникает передача возмущений «через клеть», что подтверждает несовершенство алгоритмов существующей САРНН.
В результате анализа известных способов регулирования скоростей электроприводов непрерывных подгрупп установлено, что они не обеспечивают
удовлетворительного согласования скоростей при совместной прокатке, поэтому не рекомендуются для внедрения на стане 2000.
Вторая глава посвящена экспериментальным исследованиям влияния рассогласований линейных скоростей валков на натяжения и влияния натяжений
на энергосиловые параметры прокатки. Выполнена разработка способов
управления, обеспечивающих независимое регулирование натяжений в межклетевых промежутках и компенсацию рассогласований скоростей электроприводов непрерывной подгруппы при совместной прокатке.
Выполнен анализ энергосиловых параметров прокатки в клетях непрерывной подгруппы трубной заготовки из сляба толщиной 300 мм. В результате
сделаны следующие выводы:
– абсолютные обжатия по сравнению с показателями при прокатке полос
рядового сортамента выше на 6–35%;
– средняя загрузка электроприводов по усилию прокатки составляет 71%,
по моменту прокатки – до 83%. Аналогичные значения для полос рядового
сортамента – 63% и 75%.
Значения токов находятся в пределах 93–118% номинального тока для
электропривода клети №4, 89–93% – для клети №5 и 84–91% – для клети №6.
Средняя нагрузка двигателей по току составляет 60117%.Такие нагрузки не
являются характерными для прокатки полос рядового сортамента.
Рост нагрузок приводит к увеличению статических просадок скорости
электроприводов в среднем в 1,6–1,9 раза (от 2,5–4% до 5,5–6,5%). Это вызывает рассогласование скоростей после захвата и увеличение продольных усилий в полосе при совместной прокатке. В результате кратность изменений натяжения в первом промежутке составляет от (-3) до 7 раз относительно значения 5 т. Во втором промежутке кратность натяжений составляет 4,5…9 раз
относительно 10 т.
На рис. 3 представлены осциллограммы токов двигателей горизонтальных
валков 5-й и 6-й клетей, натяжения во втором межклетевом промежутке и
сигнала коррекции скорости электропривода 6-й клети. Также показан сигнал
давления на валки 5-й клети, измеренный с помощью датчиков давления (месдоз), установленных под подушками нижнего опорного валка.
Осциллограммы подтверждают вывод, что коррекция скорости при существующем алгоритме САРНН неэффективна и не обеспечивает выхода натяжения на заданный уровень за все время прокатки. Также к возникновению
подпора приводит насыщение регулятора натяжения (постоянный сигнал коррекции в интервале t4–t5). Кроме того, подтверждается, что изменения натяжения оказывают существенное влияние на энергосиловые параметры прокатки.
Так, при возникновении подпора усилием до -50 т давление металла на валки
10
5-й клети увеличивается на 12%, ток и момент двигателя увеличиваются на
35%. При этом положительное переднее натяжение снижает нагрузку на предыдущую клеть, вследствие большей загрузки двигателя следующей клети.
t1
t2
t3
t4
t5
Рис. 3. Осциллограммы прокатки в 5-й и 6-й клетях
Недопустимые отклонения натяжений вызваны низким быстродействием контуров регулирования натяжения в существующей САРНН. Это связано со сложностью алгоритма вычисления плеча прокатки L4 и плеча прокатки L5 по параметрам двигателей электроприводов. В связи с этим прямое
измерение давления при совместной прокатке целесообразно исключить.
С целью устранения указанных недостатков, разработан способ автоматического регулирования натяжений в межклетевых промежутках непрерывной
трехклетевой подгруппы, согласно которому осуществляются:
– регулирующее воздействие на скорости электроприводов первой либо
последней клетей в режиме совместной прокатки полосы соответственно в
двух первых либо двух последних клетях;
– при совместной прокатке в трех клетях – косвенное регулирование натяжения в функции разности токов электропривода предыдущей клети, измеренных до и после захвата полосы валками следующей клети.
Предварительно в ходе экспериментальных исследований установлено, что
наиболее точная идентификация межклетевых усилий обеспечивается при четырех этапах их измерения и сравнения. Данные этапы связаны с захватом
полосы валками клетей не только данного межклетевого промежутка, но и
валками следующей клети. На рис. 4 представлена функциональная схема системы, поясняющая выполнение разработанного способа.
На первом этапе от входа полосы в 4-ю клеть до входа в 5-ю клеть осуществляется свободная прокатка в 4-й клети. Все ключи в блоке вычисления за-
11
дания скоростей электроприводов разомкнуты. Блок передает сигналы заданий
скоростей Uз4–Uз6 от АСУ непрерывной подгруппы на входы САРС. Запоминается усредненное значение тока нагрузки.
Сигнал наличия
металла в 6-й
клети
Т 4 -5ф T4 -5
Блок вычисления задания на скорость
электроприводов горизонтальных валков
БО1
Uз4
WрНН p 
K1 K2.1
БО2
Uот4
Uот5
К
K2.2
U з5
1
БО3
U з6
K2.3
Uзс4
САРС
Uот4
Uос4
Uот6
САРС
Uот5
ДТ
ДС
Д5
ТП5
ОВД5
ОВД4
Д4
ТП4
Uос5
Uот6
К
U зс6
U зс5
САРС
Uот4
3
ДТ
ДС
Uот6
Uос6
Д6
ТП6
ОВД6
Сигнал наличия
металла в 5-й
клети
ДТ
ДС
Рис. 4. Функциональная схема разработанной САРНН
На втором этапе для согласования скоростей валков клетей №4 и №5 замыкается ключ К1. Подается сигнал на вход регулятора нулевого натяжения в
первом промежутке. За счет этого осуществляется коррекция скорости электропривода 4-й клети при совместной прокатке в первых двух клетях.
Третий этап соответствует одновременной прокатке полосы во всех клетях.
Для осуществления регулирования размыкается ключ К2.1 и замыкаются ключи К2.2, К2.3. На входе САРС вычисляется разность текущего и среднего токов двигателей при свободной прокатке. При положительной разности подается сигнал на увеличение скорости электропривода 4-й клети, при отрицательной подается задание на увеличение скорости электропривода 6-й клети.
Четвертый этап наступает после выхода полосы из 4-й клети. В этом режиме снимается сигнал коррекции скорости ее электропривода, регулирование
натяжения в первом промежутке не осуществляется. Запоминается средний
ток нагрузки двигателя 6-й клети.
С целью компенсации статической ошибки регулирования скорости электропривода следующей клети после захвата металла, разработан способ регулирования скорости электропривода предыдущей клети. Он реализует принцип упреждающей коррекции скоростей электроприводов клетей в однократноинтегрирующей системе, обоснованный в диссертационной работе проф.
Храмшина В.Р. Схема, поясняющая способ, представлена на рис. 5.
12
При захвате полосы 3 валками 1
первой клети до захвата валками 2
4
второй клети запоминают угловую
4
1
скорость  Г 2 электропривода 10
2
ГВ
ГВ
3
валков второй клети. После захвата
полосы валками 2 определяют разность между угловой скоростью холостого хода  Г 2. ХХ этих валков и
установившимся значением угловой
ω
ω
7
8
скорости  Г 2.НАГР . при совместной
9
10
прокатке. Эту разность используют
для формирования корректирующего
13
11
12
сигнала U КГ 1 , который рассчитываU
U
ют по формуле
6
U КГ 1  k Г 2. ХХ  Г 2.НАГР .  , (3)
где k – коэффициент пропорциоРис. 5. Схема устройства, осуществнальности.
ляющего способ согласования скороПри захвате полосы валками 2
стей горизонтальных валков при совместной прокатке
вычислительное устройство 6 отключает сигнал U КГ 2 управления
скоростью  Г 2 электропривода 10 валков второй клети. Одновременно с выхода вычислительного устройства 6 подается корректирующий сигнал U КГ 1
на вход блока управления 11 электропривода 9 валков первой клети. Этот сигнал вычисляется согласно зависимости (3) по разности угловой скорости холостого хода и установившейся скорости при совместной прокатке. В результате
скорость  Г 1 электропривода 9 валков первой клети снижается на величину
статической просадки скорости электропривода валков второй клети, возникающей после захвата полосы. За счет этого обеспечивается компенсация рассогласования линейных скоростей валков последовательно расположенных
клетей после входа полосы в следующую клеть.
На разработанный способ получен патент РФ на изобретение [10].
В третьей главе представлены результаты исследований разработанных
технических решений методом математического моделирования. Выполнен
синтез регуляторов контуров согласования скоростей электроприводов. Дана
оценка влияния рассогласований скоростей на натяжения в установившемся и
динамических режимах. Проведено моделирование отклонений натяжений при
возмущающих воздействиях, имитирующих прокатку глиссажных меток.
Разработана модель взаимосвязанных электромеханических систем непрерывной подгруппы. Основу модели составляют математические выражения,
описывающие процессы в очаге деформации, построенные на уравнении баланса мощностей при прокатке, и интегральные зависимости натяжений от
разности мгновенных скоростей выхода металла из валков предыдущей клети
HГО
5
HГО
HГ
5
Г1
Г2
КГ1
КГ2
13
и его входа в следующую клеть. Структура модели взаимосвязи электромеханических систем представлена на рис. 6.
Упругая деформация проката вследствие натяжения и/или подпора представлена уравнениями:
M тi
M вi
1
J i  p
вых
пi
V
Qi 
s0 i
koci
uoci
Тi 
Vвi
Di
2  ii
двi
M Ti
M фi
вi
1
ii
M Qi
Ti
k si
Vпiвых
Sпiвых
вх
Vп(i
1)
вх
Vп(i
1)
Vпiвых
вых
п(i-1)
V
h(i 1)
hi
i
Vпiвх
i
i
вi
M Ti
E
L Ti  p
Ti
вi
Qi
E
L Qi  p
Sпiвх
Vп(iвых-1)
S
вых
пi
S
вх
пi
M Qi
вх
пi
V
M фi M тi
Статическая модель очага деформации i-ой клети
Рис. 6. Структурная схема модели
взаимодействия клетей через металл
s0 i
E  S пвых
i
LТ i
E  Sпвхi
LQi
 V

t

вх
пi 1
 Vпвых
 dt  Tначi
i
0

t

 Vпвхi  Vпвых
 dt  Qначi ,
i 1
0
где Vпiвх , Vпiвых – скорости полосы
на входе и выходе i-й клети;
S пвых
, S пвхi – входное и выходное
i
сечения; Е – модуль упругости;
LTi , LQi – длины участков, на
которых возникают натяжение и
подпор; Т iнач , Qiнач – начальные
натяжение и подпор.
Фактические скорости металла и валков связаны зависимостями:

ω D
Vвi  вi i

2
 вых
Vпi  Vвi( 1  S0i  k si  Ti 

V вых
Vпiвх  пi ;

λi

где k si  коэффициент влияния переднего натяжения на опережение; S0i  опережение в валках i-й клети; Vвi , Di – скорость и диаметр валков; i – коэффициент вытяжки в i-й клети.
Для определения опережения использовалась формула Дрездена:

1 H
1
S0 i   вхi  11 

4  H выхi  i
H вхi  H выхi Вi  вхi   выхi  
.


2 Di
2 Pi i

2
В этом выражении: Bi – ширина полосы; H вхi , H выхi – толщины на входе и выходе вылков; выхi, вхi – удельные натяжения, соответственно переднее и заднее; Pi – давление металла на валки; ksi, μi – коэффициенты связи и трения.
Разработана функциональная схема моделируемой системы согласования
скоростей электроприводов трех клетей. Обосновано применение пропорционально-интегрального (ПИ-) регулятора скорости электропривода базовой клети и пропорциональных регуляторов для электроприводов предыдущей и последующей клетей. Модель реализована в пакете Matlab Simulink.
14
С целью синтеза регуляторов разработана структурная схема контура регулирования рассогласования скоростей (натяжения), представленная на рис. 7.
kФ4
M с4
u ЗС 4
К РС 4
WРТ 4 ( р)
uОС 4
uОТ 4
uОТ 4
Выход контура
регулирования
натяжения
u ЗН 45
WРН 45 ( р)
Вход контура
регулирования
натяжения
IЯ4
M4
1 R Э4
kФ4
Т Э4  р  1
kТП4
ТП4  р 1
uОН 45
1
J4  р
дв 4
kОТ 4
uОС 4
kОН 45
M 45
u РН
kОС 4
Модель
межклетевого
взаимодействия
kФ5
u ЗС 5
WРТ 5 ( р)
WРС 5 ( р)
uОС 5
1 R Э5
Т Э5  р  1
kТП 5
Т П5  р  1
uОТi
IЯ5
kФ5
дв 5
M5
1
J5  р
M с5
uОТ 5
kОТ 5
uОС 5
kОС 5
Рис. 7. Структура контура регулирования рассогласования скоростей
С использованием аппарата логарифмических амплитудно-частотных характеристик выполнен синтез интегральных регуляторов рассогласования скоростей электроприводов обоих межклетевых промежутков. Рассмотрены переходные процессы при различных постоянных времени И-регулятора. На рис. 8
приведены ЛАЧХ исходной системы и системы с И-регулятором и фильтром
низких частот (постоянные Тр = 30 с, ТФ = 0,1 с).
с И-регулятором
с И-регулятором
и фильтром
с И-регулятором
с И-регулятором
и фильтром
Рис. 8. ЛАЧХ разомкнутой системы с И-регулятором и фильтром
15
Включение фильтра не изменяет частоту среза, поэтому не влияет на быстродействие системы. Запас устойчивости остается в допустимых пределах:
фазовый сдвиг на частоте среза равен -148. Коэффициент передачи на частоте
резонанса снижается примерно на 12 дБ, частота среза 4,5 рад/с. В результате
рекомендован регулятор рассогласования скоростей с передаточной функцией:
1
,
WРН 45( p ) 
TР  p  ( TФ  р  1 )
где ТФ = 0,1 с; Тр = 30–70 с.
Выполнено моделирование режима захвата полосы при варьировании
рассогласований скоростей электроприводов 4-й и 6-й клетей в диапазоне от 0
до ±10%. На рис. 9 приведены графики моментов нагрузки и натяжений при
следующих условиях: скорость электропривода клети №4 на 5% ниже
расчетной скорости, а скорость электропривода клети №6 – на 5% выше.
Момент нагрузки, Нм
Клеть №4
Клеть №5
Клеть №6
Время, с
Межклетевое натяжение, Н.
4-5
5-6
Рис. 9. Моменты и натяжения при рассогласованиях скоростей на ±5%
Из осциллограмм следует, что в установившемся режиме поддерживается
нулевое натяжение. В режиме захвата полосы возникают колебательные переходные процессы с увеличением натяжения до 55 кН (5,5 т), что является допустимым. Это подтверждает, что рассогласования скоростей в пределах 5%
компенсируются разработанной системой с удовлетворительной точностью.
Также выполнено исследование реакции системы на возмущающие воздействия в виде увеличения давления при имитации прокатки глиссажных меток.
Установлено, что динамические увеличения натяжений не превышают 20 кН
(2 т), что также укладывается в допустимые пределы.
С целью устранения влияния колебаний момента нагрузки на межклетевые
натяжения рекомендовано введение дополнительных информационных сигна-
16
лов по давлению металла. Это позволит системе «отличать» отклонения тока,
вызванные изменением натяжения, от отклонений, связанных с изменением
момента прокатки, которые не требуют компенсации со стороны САРНН.
В целом, результаты моделирования подтверждают, что разработанный вариант системы регулирования отличается лучшими техническими характеристиками по сравнению с существующей САРНН, потому рекомендуется для
внедрения на стане 2000.
В четвертой главе представлены результаты экспериментальных
исследований
и
внедрения
разработанных
способов
управления
электроприводами непрерывной подгруппы стана 2000 ПАО «ММК».
Рассмотрен алгоритм, реализующий этапы регулирования натяжения согласно функциональной схеме, представленной на рис. 4, предназначенный
для внедрения в программное обеспечение АСУ непрерывной подгруппы. Рассмотрена схема внедренной системы управления, обосновано применение
адаптивного ПИ-регулятора скорости в САРС опорной клети. Предложена
структура адаптивного регулятора с подключением интегральной части через задатчик интенсивности.
Выполнены экспериментальные исследования изменений натяжений и
энергосиловых параметров при прокатке полос различного сортамента. На
рис. 10 приведены характерные осциллограммы скоростей и натяжений.
30
20
10
0
-10
Рис. 10. Осциллограммы при внедрении разработанного способа
Проведен анализ отклонений контролируемых параметров при существующем и предложенном алгоритмах управления. Минимальное и максимальное натяжения в первом промежутке равны -5,5 т и 10 т. Эти значения в 2 раза
ниже аналогичных отклонений (±20 т) на осциллограммах, снятых при существующей САРНН, приведенных в диссертации. Максимальное натяжение во
17
втором промежутке на рис. 10 составляет 20 т, на осциллограммах при существующей САРНН – 58 т.
С целью оценки достоверности и обобщения результатов внедрения
выполнена обработка 120 осциллограмм, более половины из них получены при
испытаниях
разработанного
способа
согласования
скоростей.
Анализировались коэффициенты кратности отклонений натяжений в первом
(КТ4-5) и втором (КТ5-6) межклетевых промежутках относительно нормативов
5 т и 10 т. Усредненные результаты представлены на рис. 11.
Рис. 11. Отклонения натяжений в действующей и предлагаемой системах для
1-го (а) и – 2-го (б) межклетевых промежутков
В результате подтверждено двукратное снижение момента двигателя 4-й
клети за счет уменьшения отклонений натяжений в первом промежутке.
Аналогичное уменьшение натяжения во втором промежутке приводит к
снижению момента двигателя 5-й клети в 2,7 раза.
Проведенный комплекс экспериментальных исследований и длительные
опытно-промышленные испытания позволили сделать вывод о достижении
поставленных целей и соответствии полученных результатов ожидаемым. Это
подтверждает технико-экономическую эффективность внедрения разработанного алгоритма согласования скоростей электроприводов непрерывной подгруппы стана 2000.
В результате внедрения достигнуты следующие технические эффекты: повышение точности регулирования натяжения, уменьшение давления металла
на валки и момента прокатки за счет ограничения натяжений и исключения
подпора, повышение устойчивости технологического процесса.
Расчетный годовой экономический эффект превышает 3,1 млн руб., подтвержденный эффект – 1,75 млн руб./год.
Предложенные и апробированные на стане 2000 технические решения рекомендуются для внедрения на станах горячей прокатки: сортовых, широкополосных и после доработки – на толстолистовых. Разработанная математическая модель рекомендуется научным и проектным организациям для исследования режимов электроприводов проектируемых и реконструируемых прокатных станов.
18
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ
1. В результате анализа существующей САРНН непрерывной подгруппы
стана 2000 показаны низкая точность регулирования натяжения и передача
возмущающих воздействий «через клеть». Основными причинами являются
статические ошибки регулирования скорости и погрешность косвенного вычисления плеча прокатки по параметрам двигателей электроприводов.
2. В результате анализа энергосиловых параметров прокатки трубной заготовки в клетях непрерывной подгруппы сделаны следующие выводы:
– абсолютные обжатия по сравнению с показателями при прокатке полос
рядового сортамента выше на 6–35%;
– средняя загрузка электроприводов по усилию прокатки составляет 71%,
по моменту прокатки – 83%. Аналогичные значения для рядового сортамента –
63% и 75%;
– средняя нагрузка двигателей по току 60117%.
Рост нагрузок приводит к увеличению статических просадок скоростей
электроприводов и увеличению продольных усилий натяжения-сжатия полосы
в межклетевых промежутках.
3. В результате экспериментальных исследований показано, что кратность
отклонений натяжения относительно установленных нормативов составляет: в
первом промежутке – от (-3) до 7 раз, во втором промежутке – от 4,5 до 9 раз.
Экспериментально подтверждено, что изменения натяжения оказывают влияние на энергосиловые параметры прокатки. Так, при возникновении подпора
усилием -50 т давление металла на валки возрастает на 12%, ток и момент двигателя увеличиваются на 35%.
4. Разработан способ автоматического регулирования натяжений, согласно
которому при прокатке в двух клетях осуществляется автоматическая коррекция скоростей электроприводов первой либо третьей клетей относительно заданной скорости электропривода второй клети. При совместной прокатке в
трех клетях осуществляется косвенное регулирование натяжений по разности
токов электропривода предыдущей клети, измеренных до и после захвата полосы валками следующей клети.
5. Разработан способ согласования скоростей электроприводов непрерывной подгруппы, согласно которому осуществляется автоматическая коррекция
(снижение) скорости электропривода предыдущей клети на величину статической просадки скорости электропривода следующей клети.
6. Разработана математическая модель взаимосвязанных электромеханических систем трехклетевой подгруппы. В основу модели положены выражения,
описывающие процессы в очаге деформации, и интегральные зависимости
натяжения от разности скоростей металла на выходе предыдущей клети и на
входе в следующую клеть. С использованием ЛАЧХ выполнен синтез регуляторов рассогласования скоростей.
7. В результате моделирования разработанной системы доказано, что рассогласования скоростей в пределах ±5% компенсируются разработанной системой с удовлетворительной точностью. Отклонения натяжений в режиме за-
19
хвата составляют 2–4,5 т, при имитации прокатки глиссажных меток – 2 т. Это
подтверждает целесообразность внедрения системы.
8. Разработаны алгоритм согласования скоростей и функциональная схема
системы управления для непрерывной подгруппы стана 2000. В ходе экспериментальных исследований подтверждено уменьшение отклонений натяжений более чем в 2 раза и снижение моментов двигателей 4-й и 6-й клетей в 2,7–
3 раза.
9. Благодаря внедрению разработанного алгоритма обеспечиваются независимое регулирование натяжений в межклетевых промежутках и их косвенное
регулирование независимо от наличия и точности сигнала от месдоз.
10. Основные технические эффекты от внедрения алгоритма:
– повышение точности регулирования межклетевых натяжений;
– уменьшение давления металла на валки и момента прокатных двигателей;
– повышение устойчивости прокатки за счет ограничения силового взаимодействия валков через металл.
Годовой экономический эффект составляет 1,75 млн. руб.
11. Разработанные алгоритмы согласования скоростей рекомендуются для
внедрения в непрерывных группах широкополосных и сортовых станов независимо от рода тока электроприводов. Математическая модель рекомендуется
для исследования взаимосвязанных электроприводов проектируемых и реконструируемых прокатных станов.
Список работ, опубликованных автором по теме диссертации
Публикации в рецензируемых научных изданиях
1. Радионов, А.А. Математическое моделирование взаимосвязанных электромеханических систем непрерывной подгруппы клетей прокатного стана. Ч.1. Разработка
математической модели / А.А. Радионов, А.С. Карандаев, А.С. Евдокимов, И.Ю. Андрюшин, А.Н. Гостев, А.Г. Шубин // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. – 2015. – Т.15, № 1. – С. 59–73.
2. Радионов, А.А. Математическое моделирование взаимосвязанных электромеханических систем непрерывной подгруппы клетей прокатного стана. Ч. 2. Исследование
динамических нагрузок в универсальных клетях / А.А. Радионов, А.С. Карандаев, А.С.
Евдокимов, И.Ю. Андрюшин, А.Н. Гостев, А.Г. Шубин, В.Р. Гасияров // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. – 2015. – Т. 15, № 2.
– С. 67–76.
3. Храмшин, В.Р. Снижение динамических нагрузок в универсальных клетях прокатного стана / В.Р. Храмшин, А.С. Карандаев, С.А. Евдокимов, И.Ю. Андрюшин, А.Г.
Шубин, А.Н. Гостев // Металлург. – 2015. – №4. – С. 41–47. (Metallurgist. – 2015. – Vol.
59, no. 3-4 – Pp. 315–323)
4. Андрюшин, И.Ю. Автоматическое регулирование нулевого натяжения в непрерывной группе черновых клетей широкополосового стана горячей прокатки / И.Ю.
Андрюшин, А.Г. Шубин, А.Н. Гостев, А.А. Радионов, А.С. Карандаев, В.Р. Гасияров,
В.Р. Храмшин // Металлург. – 2017. – № 5. – С. 28–36. (Metallurgist. – 2017. – Vol. 61,
no. 5-6. – Pp. 366–374)
5. Шубин, А.Г. Обоснование способов ограничения динамических нагрузок электромеханических систем клети прокатного стана / А.Г. Шубин, Б.М. Логинов, В.Р.
Гасияров, Е.А. Маклакова // Электротехнические системы и комплексы. – 2018. – №1. –
С. 14–25.
20
Публикации в материалах международных конференций, входящих в систему
цитирования Scopus
6. Khramshin, V.R. Algorithm of No-Pull Control in the Continuous Mill Train. / V.R.
Khramshin, S.A. Evdokimov, А.S. Karandaev, I.Yu. Andryushin, A.G. Shubin // Proceedings
of the International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). – 2015.
– 6 p.
7. Radionov, A.A. Methods of calculation of load modes of roughing stand electric drives
of wide-strip hot rolling mill. / A.A. Radionov, V.R. Gasiyarov, A.G. Shubin, R.R.
Khramshin // 13th International Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronics Instrument Engineering (APEIE). – 2016. – PP. 160–164.
8. Khramshin, V.R. Method of Reduction of an Edging and Horizontal Rolls Electromechanical Systems Interrelation in Universal Stand of a Rolling Mill. / V.R. Khramshin, V.R.
Gasiyarov, A.S. Karandaev, A.G. Shubin // Procedia Engineering. – 2017. – Vol. 206. – PP.
1761–1767.
9. Khramshin, V.R. Study of automated no-pull control system in the continuous mill
train. / V.R. Khramshin, A.G. Shubin, A.S. Karandaev, S.N. Baskov, S.S. Voronin // 2018
IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering
(EIConRus). – 2018. – PP. 672–677.
Патенты
10. Патент РФ на изобретение №2620424, МПК B21B 37/52. Способ автоматического регулирования скорости горизонтальных и вертикальных валков универсальной
клети стана горячей прокатки / В.Р. Храмшин, А.С. Карандаев, Р.Р. Храмшин, С.А.
Евдокимов, А.Г. Шубин, Б.М. Логинов // БИМП – 2017. №13.
Публикации в периодических изданиях
11. Андрюшин, И.Ю. Разработка математической модели взаимосвязанных электромеханических систем черновой группы прокатного стана / И.Ю. Андрюшин, А.Г.
Шубин, А.Н. Гостев // Электротехнические системы и комплексы. – 2014. – №3. – С.
24–31.
12. Храмшин, В.Р. Совершенствование систем управления электро- и гидроприводами широкополосного стана горячей прокатки / В.Р. Храмшин, А.К. Косматов, Р.Я.
Храмшин, А.Г. Шубин //Электротехника: сетевой электронный научный журнал. –
2015. – Т. 2, № 1. – С. 51–61.
13. Шубин, А.Г. Исследование системы компенсации межклетевых усилий в черновой группе прокатного стана методом математического моделирования / А.Г. Шубин, А.Н. Гостев, Р.Р. Храмшин, К.Э. Одинцов // Электротехнические системы и комплексы. – 2015. – № 4. – С. 10–21.
14. Гасияров, В.Р. Нагрузочные режимы электроприводов клетей стана 2000 при
прокатке трубной заготовки / В.Р. Гасияров, Е.А. Маклакова, А.Г. Шубин // Электротехника: сетевой электронный научный журнал. – 2016. – Т. 3, №2. – С. 32–39.
15. Храмшин, В.Р. Способ автоматического регулирования скоростей электроприводов стана горячей прокатки при захвате полосы валками / В.Р. Храмшин, А.Г. Шубин, Б.М. Логинов, С.Н. Басков // Известия Кыргызского государственного технического университета им. И. Раззакова. – 2017. –№4 (44). – С. 272–280.
Подписано в печать _____.
Формат 60х84/16.
Плоская печать. Усл. печ. л. 1,00.
Тираж 100 экз.
Бумага тип. №1.
Заказ _____.
455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38
Полиграфический участок ФГБОУ ВО «МГТУ»»
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа