Экспертная система технологии сортовой прокатки Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

5. Поспелов Д.А., Пушкин В.Н. Мышление и автоматы. -М., 1972.

6. Васильев В.И., Шевченко А.И. Искусственный инте-лект: проблема обучения опознаванию образов. - Донецк: ДонГИИИ, 1997.

7. КИИ-98. Сб. труд. конф. Российской Ассоциации искусственного интеллекта (Пущино). - М.: РАН. - Т 1-3. - 1998.

ЭКСПЕРТНАЯ СИСТЕМА ТЕХНОЛОГИИ СОРТОВОЙ

ПРОКАТКИ

С.П. Куделин, Ю.В. Инатович, В.А. Шилов

Перспективным направлением развития систем автоматизированного проектирования (САПР) является использование элементов искусственного интеллекта и вычислительной техники пятого поколения. Одним из практических приложений искусственного интеллекта в области САПР являются экспертные системы (ЭС), которые находят все большее применение в различных предметных отраслях [1-4 и др.]. В Уральском государственном техническом университете разработана экспертная система для анализа и проектирования технологии сортовой прокатки.

Прокатное производство является третьим переделом металлургии и позволяет получать весьма широкий сортамент продукции (листовой прокат, сортовые профили общего, отраслевого и специального назначения, проволоку, трубы и др.) на прокатных станах различных типов [5]. Сортовые профили прокатывают на заготовочных, крупно-, средне-, мелкосортных и проволочных станах, включающих от 4 до 30 рабочих клетей, в которых вращаются прокатные валки с нарезанными на них калибрами различной формы (прямоугольной, шестиугольной, овальной, круглой, фасонной и др.). Ежегодно в России производится более 2,5 тысяч сортовых профилей [6], причем сортамент этих профилей постоянно обновляется. Поэтому для совершенствования действующих и проектирования новых технологических процессов сортовой прокатки целесообразно применять САПР и ЭС.

Разработанная нами ЭС технологии сортовой прокатки предназначена для оперативного анализа и экспертной оценки технологических процессов прокатки сортовых профилей на станах с непрерывным и последовательным расположением рабочих клетей. При этом она позволяет решать достаточно широкий круг задач моделирования, диагностики и оптимизации действующих и проектируемых технологических процессов, а также определения параметров настройки прокатных станов при реализации рассчитанных технологических режимов.

В частности, специалисту-пользователю система предоставляет возможность:

- рассчитывать полный комплекс технологических параметров прокатки заданного профиля и проводить их экспертную оценку;

- определять влияние температуры нагрева заготовки на технологические параметры и нагру-женность оборудования стана;

- моделировать влияние скоростного режима прокатки на изменение технологических параметров и условия работы прокатных клетей;

- определять влияние марки прокатываемой стали на заполнение калибров и параметры силовой загрузки оборудования;

- определять возможность прокатки заданной марки стали в условиях действующей калибровки валков прокатного стана;

- находить причины поломок оборудования рабочих клетей;

- прогнозировать точность прокатки заданно-

ЭС

'Технология сорто вой прокатки"

"13 ......Базы данных .....^

©-

Диагностика исходных данных

Формирование исходной информации

Л

"Заводы, станы, сортамент"

"Техническая характеристика стана"

Рис. 1. Структурная схема экспертной системы технологии сортовой прокатки

_2

1

го профиля на стане с заданной жесткостью рабочих клетей;

- выявлять резервы совершенствования технологии по различным показателям (повышение производительности, снижение расхода тепловой и электрической энергии, увеличение степени загрузки оборудования).

- проводить оптимизацию и рационализацию действующих и проектируемых технологических процессов по критериям: быстродействия и экономии материально-энергетических ресурсов;

- определять установочные межвалковые зазоры в рабочих клетях при прокатке заданного профиля по запроектированным технологическим режимам.

Структурная схема ЭС технологии сортовой прокатки приведена на рисунке 1. В состав ее входят 13 основных модулей.

Функционирование системы начинается с формирования исходной информации в модуле 1.

Если анализируемый прокатный стан и технологический режим отсутствуют в БД, то информация о технической характеристике этого стана, калибровке валков и технологических режимах прокатки предварительно вводится в соответствующие БД. Таким образом идет постепенное накопление информации в БД, что создает возможность для проектирования технологии прокатки новых профилей по аналогам.

Сформированная исходная информация под-

Таблица

Экспертная оценка режима прокатки в каждой клети i прокатного стана ^=1,2,3...,п)

Параметр

[ а ]

V V

[а]т

Значительный резерв

Уровень 1

0.3

0.5

0.5

0.4

0.4

0.4

Небольшой резерв

Уровень 2

0.8

0.8

0.8

0.7

0.7

0.7

Оптимальное решение

Уровень 3

1.0

0.95

1.0

1.0

1.0

1.0

Небольшая корректировка

Уровень 4

1.05

1.10

1.05

1.1

1.1

1.1

Большая перегрузка

Уровень 5

1.10

1.2

1.15

1.15

1.15

1.15

При этом необходимые для решения задачи параметры вызываются из соответствующих баз данных (БД) и записываются в специальные файлы-таблицы. В состав разработанной ЭС включены следующие БД:

• по составу прокатных станов, работающих на отечественных металлургических заводах, и сортаменту прокатываемых на них профилей (БД «Заводы, станы, сортамент»);

• по технической характеристике прокатных станов (БД «Техническая характеристика стана»);

• по калибровкам валков и режимам деформации при прокатке характерных профилей (БД «Калибровка валков»);

• по требованиям стандартов к точности прокатываемых профилей (БД «Требования к точности»);

• по коэффициентам для определения сопротивления деформации различных сталей и сплавов (БД «Сопротивление деформации»).

Рис. 2. Схема прокатки овальной полосы в круглом калибре

вергается диагностике на предмет выявления ошибок (см. модуль 2). Предусмотрено графическое изображение анализируемых или проектируемых калибров и задаваемых в них полос на экране монитора (модуль «Графическое отображение»).

На основе сформированной исходной информации в блоке 4 производится расчет полного комплекса технологических и энергосиловых параметров моделируемого процесса.

Используемая в ЭС математическая модель формоизменения и энергосиловых параметров базируется на применении вариационных принципов теории пластичности и позволяет наиболее точно определять деформации и усилия при прокатке в калибрах различной формы [7]. Модель содержит формулы, позволяющие для всех практически применяемых систем калибров определять коэффициент ушире-ния металла Д степень заполнения калибра 81, площадь поперечного сечения полосы с, коэффициент напряженного состояния контактное давление р, усилие Р и крутящий момент Мвал прокатки, мощность деформации N в зависимости от следующих параметров процесса (рис. 2): приведенного диаметра валков А= D. / H1, коэффициента обжатия 1/ц= Hol H1, отношения осей калибра ак=вк/н1 и сторон задаваемой полосы а0 = Н01H1, степени заполнения предыдущего калибра 8=Н0/Н© , выпуска калибра tgф, показате-

а

а

К

К

м

К

ля контактного трения щ контактной площади Рк, коэффициента вытяжки Л и сопротивления металла деформации (, которое рассчитывается с использованием современных методов термомеханических коэффициентов [8,9]. Указанные формулы для всех систем калибров имеют одинаковую структуру и выражают следующие функциональные зависимости:

р=ЛА, 1/ц, ак, ао, ¿0, Щ (),

ВоР ; Н2 = /); Н1

»1 =

Вк

р-1.15( па П( -А1/Ц, А, ак, Щ),

Р=РРк, Рк

Г [ Н1'А1,/п ,аы,Р Маш1-АА, 1/П, Л ЩН)

Скорости прокатки VI в каждой клети непрерывного и последовательного стана рассчитываются с учетом условия постоянства секундных объемов: VI- Vi.1*Лi, где i - порядковый номер клети по ходу прокатки (1-1,2,3,..., п). Одновременно рассчитываются минимально и максимально допустимые скорости прокатки Vmin и Vmax в зависимости от предельной частоты вращения и катающего диаметра валков каждой клети.

Для расчета температуры раската по проходам в системе предусмотрены две математические модели:

* с учетом потерь тепла за счет лучеиспускания и разогрева металла от деформации (две статьи теплового баланса);

* с учетом потерь тепла за счет лучеиспускания, конвекции, теплопроводности и разогрева металла от деформации (четыре статьи теплового баланса).

В результате расчетов формируются таблицы расчетных данных (модуль «Таблицы результатов»). Предусмотрена возможность представления расчетных параметров в виде графиков изменения их по проходам. С этой целью в состав системы включен модуль «Графики».

Полученная расчетная информация подвергается экспертной оценке с проверкой всех ограничений и расчетом критериев качества проектируемого процесса (блоки 7 и 8).

В ЭС предусмотрены следующие ограничения режимов прокатки в каждом проходе:

- по степени заполнения калибров 0.6< ¿>,<1.0;

- по условиям захвата металла валками а<[а];

- по условиям устойчивости полос в калибрах

[а]тт<а<[а]тах;

- по прочности оборудования рабочих клетей

Ктах<Р доп, Мпр<Мдоп;

- по степени загрузки электродвигателей привода стана (с учетом типа электродвигателя) Мпр < Ндц или Ища < Мдв.

Здесь а и [а] - расчетный и максимально допустимый угол захвата металла валками; а, [а]тп и [а]тах - фактическое, минимально и максимально допустимое отношение осей поперечного сечения полос; Ятах и Рдоп - наибольшее расчетное и максимально допустимое усилие на шейке валков; Мпр и Мдоп - наибольший момент прокатки и максимально допустимый крутящий момент на приводных концах рабочих клетей; Мпр и Мпр1 - мощность прокатки и крутящий момент прокатки, приведенный к валу электродвигателя; Мдв и Мдв - мощность и крутящий момент, развиваемые электродвигателем привода рабочих клетей.

Для оценки качества и оптимизации анализируемых и проектируемых технологических процессов в системе предусмотрено использование следующих критериев:

• производительность прокатного стана, рассчитываемая в зависимости от такта Тт или скорости прокатки V;

• расход электроэнергии на прокатку Qэ;

• расход топлива, контролируемый по температуре нагрева металла t0■;

• степень заполнения калибров ¿1, влияющая на качество формоизменения металла;

• степень нагруженности оборудования рабочих клетей стана:

К„

Ри

К — М

к,, —-

М.

К

N п

N,

Результаты оценки системы ограничений приводятся к безразмерному виду и формируются в виде алфавита (табл.).

База знаний (блок 9) содержит набор правил, обобщающих опыт специалистов-экспертов по улучшению качества технологических процессов.

Знания хранятся с использованием таблиц целей, выводов, правил, условий и фактов (рис. 3). В зависимости от решаемой задачи (поставленной цели) предусмотрено несколько наборов (таблиц) правил, представляющих собой цепочку логических рассуждений, основанных на применении продукций вида [2,3] «ЕСЛИ... ТО» (условие ^ действие). В указанной конструкции правил между

условием и действием располагаются факты, в качестве которых используются полученные расчетные данные и их экспертные оценки (см. табл.). Например:

♦ «ЕСЛИ

[ а ]

>1,05, ТО необходимо умень-

шить коэффициент обжатия 1/ц»;

♦ «ЕСЛИ степень загрузки электродвигателя кдв равна или меньше 0.4, ТО рекомендуется увеличить коэффициент вытяжки Я»;

♦ «ЕСЛИ кр > 1, ТО возможна поломка оборудования клети, необходимо перераспределить обжатия» и т.п.

Наряду с этим используются правила Де Моргана [3] типа AvB&A&B.

Применяя соответствующий набор правил последовательно для каждого прохода, система определяет резервы улучшения технологического процесса и формирует в блоке 10 (Машине вывода) решение по изменению режима деформации металла, выдавая его в виде сообщения на экран монитора. Пользователю предоставляется возможность согласиться с этим решением или внести в него коррективы, изменить соответствующим образом исходные данные и произвести повторные расчеты. Путем такого диалога с компьютером пользователь добивается получения оптимального решения поставленной задачи. Параметры рассчитанного технологического процесса заносят в БД с целью накопления информации.

Программное обеспечение описанной ЭС разработано для операционной системы Windows с использованием среды визуального программирования Borland C++ Builder [10], БД основаны на использовании таблиц Paradox.

Для эксплуатации ЭС необходим компьютер не ниже Pentium-100 с оперативной памятью не

менее 16 Мб и с объемом свободного дискового пространства не менее 100 Мб.

Указанные программные и технические средства обеспечивают достаточно простой и удобный интерфейс пользователя с компьютером посредством раскрывающихся на экране монитора окон, меню, списков, полей ввода, кнопок и т.п.

Разработанная ЭС может быть использована в НИИ и на металлургических заводах при совершенствовании действующих и проектировании новых технологических процессов сортовой прокатки, а также в виде советчика при определении настроечных межвалковых зазоров.

Список литературы

1. Убейко В.М., Убейко В.В. Экспертные системы в СССР. - М.: 1991 (Обзорн. информ. маш. пр-во. /Сер. Автоматизированные системы проектирования и управления. -Вып.5). - 67с.

2. Статистические и динамические экспертные системы / Э.В. Попов, И.В. Фоминых, Е.В. Кисель и др. - М.: Финансы и статистика, 1996. - 320с.

3. Герман О.В. Введение в теорию экспертных систем и обработки знаний. - Минск: ДизайнПРО, 1995.-255с.

4. Сойер Б., Фостер Д.Л. Программирование экспертных систем на паскале: /Пер. с англ. - М.: Финансы и статистика, 1990.-191 с., ил.

5. Прокатное производство / П.И. Палухин, Н.М. Федосов, А.А. Королев и др. М.: Металлургия, 1982. - 696 с.

6. Сортовые профили проката: Справочник /В.В. Лем-пицкий, И.П. Шулаев, И.С. Тришевский и др. - М.: Металлургия, 1981. - 624с..

7. Смирнов В.К., Шилов В.А., Инатович Ю.В. Калибровка прокатных валков. - М.: Металлургия, 1987. - 368с.

8. Зюзин В.И., Третьяков А.В. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением: Справочник. -Челябинск: Металл, 1993. - 368 с.

9. Андреюк Л.В., Телюнев Г.Г. Сопротивление деформации сталей и сплавов //Теория и практика металлургии: Тр. НИИМ. - Челябинск: Южно-Уральское кн. изд-во, 1970. - Сб. №11. - С.101-123.

10. Вальвачев А., Сурков Д., Сурков К. Программирование в среде C++ Builder. - Минск: ООО «Попурри», 1998. - 576 с.

а

СИСТЕМА ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПО ПЛАНИРОВАНИЮ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ ПОДГОТОВКИ СПЕЦИАЛИСТОВ

Н.А. Семенов, М.Г. Шалунова

В условиях стихийно формирующегося рынка труда профессиональное образование становится системой, координирующей спрос и предложение специалистов в регионе. Негативная тенденция к общему снижению объемов подготовки, переподготовки и повышения квалификации может привести к падению уровня образования и производительного потенциала, а также к росту безработи-

цы. Так в Тверской области около 70 % обращающихся в службу занятости не имеют профессии. Отраслевая и профессионально-квалификационная структуры занятых могут быть гибкими и приспосабливаемыми к новым экономическим условиям только в условиях эффективно действующих рынков труда и образовательных услуг (ОУ). Таким образом, следует подчеркнуть необходимость раз-