CC BY
71
Программные продукты и системы /Software & Systems
№ 3 (111), 2015
УДК: 621:004.942 Дата подачи статьи: 06.07.15
DOI: 10.15827/0236-235X. 111.180-186
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ СИНТЕЗА И АНАЛИЗА ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ ПО СХЕМЕ РАСПОЛОЖЕНИЯ ФОРСУНОК В МАШИНЕ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ЗАГОТОВОК
Д.С. Сафонов, ст. инженер-программист, [email protected] («Компас Плюс», пр. Ленина, 68, г. Магнитогорск, 455000, Россия);
О.С. Логунова, д.т.н., доцент, [email protected] (Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, пр. Ленина, 38, г. Магнитогорск 455000, Россия)
В работе описана интерактивная система анализа и синтеза проектных решений по схеме расположения форсунок системы вторичного охлаждения в машине непрерывного литья заготовок. Основным назначением системы является поиск оптимальных позиций форсунок в межроликовых пространствах с точки зрения заданного критерия оптимальности теплового поля непрерывнолитой заготовки. Система логически разбита на три подсистемы: подсистему ведения нормативно-справочной информации, подсистему прогностического моделирования и оптимизации, подсистему накопления и визуализации данных. С учетом данной структуры рассмотрена декомпозиция системы на программные модули. Ядро системы составляет модуль прогностического моделирования и оптимизации, осуществляющий поиск оптимальных позиций форсунок при помощи итерационного моделирования теплового состояния заготовки в зависимости от заданной схемы расположения форсунок и последовательной корректировки схемы для достижения минимальных значений критерия. Помимо ядра, система содержит модули редактирования нормативносправочной информации, загрузки/выгрузки данных и визуализации результатов. Программная реализация системы выполнена с использованием объектно-ориентированного подхода на языке программирования Java. В качестве платформы для построения пользовательского интерфейса используется Netbeans Platform. Приводятся краткое описание интерфейса системы и пример использования системы для синтеза оптимального проектного решения по схеме расположения форсунок для условий действующей машины непрерывного литья заготовок.
Ключевые слова: автоматизация проектирования, машина непрерывного литья заготовок, оптимальные проектные решения, система вторичного охлаждения, схема расположения форсунок.
Одним из агрегатов, входящих в производственную цепочку металлургической промышленности, является машина непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Ее задача - кристаллизация жидкого металла в заготовки заданного сечения для их последующего передела в конечную продукцию. Проектирование узлов МНЛЗ осложняется спецификой протекающих в ней физикохимических процессов, а также определенными трудностями в прогнозировании влияния тех или иных проектных решений на процесс кристаллизации заготовки. При этом адаптация универсальных средств для синтеза оптимальных проектных решений по конструкции узлов МНЛЗ затруднена в силу физических масштабов агрегата, а также ряда технических проблем, возникающих при попытке перевода данной задачи в термины универсальных средств. В этой связи актуальным и перспективным направлением является разработка специализированных средств для автоматизации решения узких задач, возникающих при проектировании узлов МНЛЗ.
Одним из ключевых узлов МНЛЗ является зона вторичного охлаждения (ЗВО), при движении через которую заготовка охлаждается до полного затвердевания путем подачи охладителя через систему форсунок. Схема расположения форсунок напрямую влияет на профиль охлаждения заготовок, который, в свою очередь, оказывает влияние
на их качество. Теоретико-информационный анализ предметной области показал, что задача определения схемы расположения форсунок для получения заготовок нормального качества недостаточно формализована, к тому же нет общеизвестных способов автоматизации решения данной задачи.
С целью формализации и автоматизации процедуры проектирования схемы расположения форсунок в ЗВО МНЛЗ разработана специализированная интерактивная система анализа и синтеза проектных решений по схеме расположения форсунок, определена структура системы, сформированы необходимые математические основы, спроектированы и реализованы средства для интерактивного взаимодействия с проектировщиком, а также средства визуализации полученных результатов.
Назначение и структура
интерактивной системы
Анализ существующего опыта проектирования МНЛЗ показал, что задачи определения длины ЗВО, количества и типов форсунок, необходимых для обеспечения охлаждения заготовки, имеют известные решения [1, 2]. Исходя из этого перед системой поставлена следующая задача: по заданной опорной конструкции ЗВО, включающей схе-
180
Программные продукты и системы /Software & Systems
№ 3 (111), 2015
Подсистема ведения Подсистема прогностического Подсистема накопления нормативно-справочной моделирования и визуализации
информации и оптимизации результатов
Рис. 1. Структура интерактивной системы анализа и синтеза оптимальных проектных решений
по схеме расположения форсунок
Fig. 1. Structure of interactive software system for analysis and synthesis of optimal design solutions on nozzle layout
му роликовой проводки, деление ЗВО на секции, опорную схему расположения форсунок, а также по проектным технологическим параметрам разливки определить оптимальные позиции форсунок в межроликовых пространствах.
Предложена принципиальная структура интерактивной системы анализа и синтеза проектных решений, схематично отображенная на рисунке 1.
Система состоит из трех подсистем:
- подсистемы ведения нормативно-справочной информации, в задачи которой входит обеспечение ввода, хранения и редактирования различных групп входной информации;
- подсистемы прогностического моделирования и оптимизации, представляющей собой ядро системы и осуществляющей синтез проектных решений по схеме расположения форсунок путем комбинирования процедур прогностического моделирования теплового состояния заготовки в ЗВО МНЛЗ и автоматического поиска оптимальных позиций форсунок, при которых тепловой профиль охлаждения заготовки удовлетворяет заданным требованиям;
- подсистемы накопления и визуализации результатов, предназначенной для сохранения результатов расчетов и отображения их в удобном для анализа виде.
На основании предложенной структуры проведена декомпозиция системы на программные модули (рис. 2).
Модуль загрузки и выгрузки данных выполняет двустороннее преобразование информации между структурами данных в оперативной памяти и файлами на запоминающем устройстве. Для хранения информации на диске разработана структура представления данных в виде XML-документов, типизированных с помощью схем определения XML-данных (Xml Schema Definition) [3].
Выходные данные для каждой выполненной процедуры представляются в виде группы бинарных файлов, XML-файлов и файлов Excel. Файлы входной и выходной информации логически объединяются в проект, представленный в виде структурированной системы каталогов на диске.
Модуль редактирования нормативно-справочной информации предоставляет возможность создания и редактирования элементов справочников при помощи диалоговых форм.
Модуль прогностического моделирования и оптимизации в момент инициирования процедуры расчета запрашивает у пользователя набор входных данных, позволяя первично сформировать данные из элементов справочников и далее отредактировать их для планируемого запуска, после чего производит расчет. Данные, накопленные по итогам расчета в оперативной памяти, выгружаются на диск модулем загрузки и выгрузки данных.
В основу модуля прогностического моделирования и оптимизации положена математическая модель теплового состояния заготовки, основанная на итерационном решении двумерного уравнения теплопроводности и позволяющая идентифицировать тепловое поле заготовки с учетом схемы расположения форсунок. Модель построена на базе ряда известных моделей [4-6] с внесением в них локальных модификаций и усовершенствований [7, 8]. Технологические требования к поперечному профилю охлаждения поверхности заготовки формализованы в виде разработанного автором комплексного критерия оптимальности поперечного теплового профиля поверхности заготовки, основанного на известных требованиях к симметричности и равномерности теплоотвода от поверхности заготовки по ее ширине [9-11]. На основе процедуры математического моделирова-
181
Программные продукты и системы /Software & Systems
№ 3 (111), 2015
Рис. 2. Декомпозиция интерактивной системы на программные модули и структура связей между модулями Fig. 2. Interactive software system decomposition into programming modules and a communication structure
ния теплового поля заготовки с учетом позиций форсунок и критерия оптимальности поперечного теплового профиля сформулирована и решена задача оптимизации позиций форсунок, заключающаяся в последовательном поиске оптимальных позиций форсунок в каждом межроликовом пространстве при помощи направленного случайного поиска [12].
Модуль визуализации результатов предоставляет пользователю возможность просмотра результатов выполненных процедур в виде схем, графиков и форм с текстовыми данными.
Единицы информации, которыми обмениваются модули системы, могут быть условно разделены на единицы, представляющие входную информацию, и единицы, представляющие выходную. Входная информация, поступающая в систему, может быть разделена на три основные группы: сведения о конструкции ЗВО МНЛЗ, сведения о марках стали, сведения о начальных условиях и калибровочных параметрах расчета (рис. 3-5).
Выходная информация представляет собой рассчитанные оптимальные позиции форсунок, а также массивы данных о тепловом состоянии заготовки в ЗВО и интенсивности теплообмена на поверхности заготовки в каждой расчетной точке (рис. 6).
Программная реализация интерактивной системы
Реализация интерактивной системы выполнена в рамках объектно-ориентированного подхода на
универсальном языке программирования Java. В качестве платформы для построения графического интерфейса системы использован фреймворк Netbeans Platform [13].
Перечислим ключевые классы, входящие в программные модули системы.
Модуль прогностического моделирования и оптимизации содержит класс, реализующий расчеты: SwModel; класс мастера запуска прогона: SwRunWizard; классы-структуры входной информации: SwModelConfiguration, SwCoolingZone-
Configuration, SwCalculationParamsConfiguration; класс-структуру выходной информации: SwCalcu-lationResultData. Данный модуль осуществляет непосредственный синтез выходных структур по набору входной информации. Классы других модулей системы обеспечивают редактирование, обработку и запись/чтение данных структур.
Модуль загрузки и выгрузки данных включает класс, реализующий выгрузку данных: SwAr-tifactCreator. Модуль также содержит схемы описания (Xml Schema Definition) XML-документов, используемых для хранения информации на диске.
Модуль редактирования нормативно-справочной информации содержит класс редактора полного набора входных параметров (объединяет редакторы отдельных групп входных параметров): SwModelConfigurationEditor; классы редакторов отдельных групп входных параметров: SwCooling-ZoneEditor, SwCalculationParamsEditor, SwSteelPa-ramsEditor; классы специализированных графических компонент для просмотра и редактирования
182
Программные продукты и системы /Software & Systems
№ 3 (111), 2015
Рис. 3. Структура элемента справочника марок сталей Fig. 3. A data element structure of a steel grades registry
Рис. 4. Структура элемента справочника параметров расчета Fig. 4. A data element structure of a calculation parameters registry
конструкции секций ЗВО: SwSectionSideRenderer, SwSectionSideDescriptionView.
Модуль визуализации результатов включает абстрактные классы для реализации построения однотипных диаграмм: SurfaceVisualizer,
XYGraphVisualizer; классы форм для визуализации различных частей накопленной информации (по одному прогону): TempBySectionVisualizer, HeatBySectionVisualizer, AlphaBySectionVisualizer, CrossTempVisualizer, MeanTempVisualizer, Point-TempVisualizer, CrossSectionTempVizualizer, ...; класс формы сравнения температуры поверхности граней заготовки по результатам двух разных прогонов SurfaceTempComparisonVisualizer.
С точки зрения построения графического интерфейса основными составляющими элементами главного окна интерактивной системы являются дерево навигации и область вкладок, в которой могут быть открыты несколько диалоговых форм одновременно. Дерево навигации позволяет про-
сматривать и при необходимости переходить к редактированию элементов справочников. Оно содержит узлы, представляющие выполненные процедуры расчета, именуемые в системе прогонами.
Редактирование марок сталей и параметров расчета реализовано при помощи типовых форм с текстовыми полями. Диалог редактирования параметров конструкции ЗВО (см. http://www.swsys. ru/uploaded/image/2015-3/2015-3 -dop/4 .jpg) содержит специализированные графические компоненты и является более сложным.
Данный специализированный компонент позволяет добавлять/удалять секции ЗВО, определять их протяженность, задавать схему расположения форсунок в каждой секции отдельно по малому и большому радиусам, графически выделять принадлежность форсунок различным контурам охлаждения, строить графики распределения охладителя по поверхности заготовки для выделенного ряда форсунок. При помощи данного
183
Программные продукты и системы /Software & Systems
№ 3 (111), 2015
I---------------
I Параметры ЗВО
Длина, м
Наименование режима
^РасходыохладэтеляпокотураМ^/мИ™
____ ____ ____ _____ ____ ____ _____ ____ ____ _____ ____ ____ _____ ____ _____ _i
Рис. 5. Структура элемента справочника типов конструкций ЗВО Fig. 5. A data element structure of a secondary cooling section constructions registry
Выходная информация
Оптимизированная схема расположения форсунок в ЗВО
Позиция по ширине заготовки для каждой форсунки из опорной схемы
Сведения о тепловом поле заготовки в ЗВО
Масс ив снимков температуры сечения заготовки (снимки берутся по всей длине ЗВО с определенным шагом)
Сведения об интенсивност охлаждения заготовки
Массив снимков значений коэффициента теплоотдачи в дискретных точках периметра сечения заготовки (снимки берутся по всей длине ЗВО с определенным шагом)
Массив снимков значений теплового потока в дискретных точках периметра сечения заготовки (снимки берутся по всей длине ЗВО с определенным шагом)
Массив снимков значений локальной плотности орошения в дискретных точках периметра сечения заготовки (снимки берутся по всей длине ЗВО с определенным
шагом)
Рис. 6. Структура выходных данных (по группам) Fig. 6. An output data structure (by groups)
компонента также осуществляется просмотр оптимизированных позиций форсунок после выполнения прогона.
Для визуализации результатов расчетов используются формы (см. http://www.swsys.ru/up-loaded/image/2015-3/2015-3 -dop/5 .jpg):
184
Программные продукты и системы /Software & Systems
№ 3 (111), 2015
- для отображения графиков изменения температуры отдельных точек сечения заготовки по длине технологической линии МНЛЗ;
- с графиками поперечного теплового профиля заготовки на различной глубине в позициях выхода из каждой секции;
- с графиками усредненной температуры поверхности граней заготовки вдоль технологической линии МНЛЗ;
- с графиком-поверхностью, отражающим температуру поверхности выбранной грани заготовки в выбранной секции;
- для цветовой визуализации распределения температуры по сечению заготовки на заданной отметке по технологической линии МНЛЗ;
- с графиком-поверхностью, отражающим распределение коэффициента теплоотдачи выбранной грани заготовки в выбранной секции;
- с графиком-поверхностью, отражающим распределение плотности теплового потока на выбранной грани заготовки в выбранной секции;
- с графиками, отражающими количество суммарно отведенного от заготовки тепла в зависимости от позиции по технологической линии МНЛЗ;
- для просмотра оптимизированной схемы расположения форсунок;
- для анализа поведения критерия оптимизации при поиске оптимальных позиций форсунок в каждом ряду;
- для визуального сравнения температурного поля поверхности широкой грани заготовки с результатами, полученными в другом прогоне.
Совокупность данных форм позволяет в удобном для восприятия виде проводить анализ результатов оптимизации, а также влияния того или иного проектного решения по схеме расположения форсунок на тепловую работу МНЛЗ.
Перспективы использования
интерактивной системы анализа и синтеза проектных решений
Разработанная система испытана на примере синтеза оптимального проектного решения по схеме расположения форсунок для условий МНЛЗ № 2 ОАО «Уральская Сталь», г. Новотроицк. По итогам испытания установлено, что в ЗВО МНЛЗ № 2 возможно более оптимальное с точки зрения предложенного критерия расположение форсунок, позволяющее устранить систематическое переохлаждение отдельных участков поверхности по ширине заготовки (см. http://www.swsys.ru/upload-ed/image/2015-3/2015 -3 -dop/6.jpg, http://www.sw-
sys.ru/uploaded/image/2015-3/2015 -3 -dop/7.jpg), что ведет к созданию более благоприятных условий для получения заготовок нормального качества.
Система может представлять интерес не только для проектировщиков, но и для технологов,
работающих на действующих производствах, как средство исследования теплового состояния заготовки в МНЛЗ и влияния варьирования тех или иных параметров МНЛЗ на тепловое состояние заготовки.
На основании изложенного отметим, что в работе приведено описание логической структуры и программной реализации интерактивной системы анализа и синтеза проектных решений по схеме расположения форсунок в секциях вторичного охлаждения МНЛЗ. Система состоит из математического ядра, позволяющего осуществлять прогностическое моделирование теплового поля заготовки в зависимости от конструкционных особенностей МНЛЗ и выполнять оптимизацию конструкционных параметров с точки зрения формализованных в виде критерия требований к тепловому полю заготовки, а также средств для интерактивного взаимодействия проектировщик-система. Интерактивная система может использоваться в качестве вспомогательного инструмента при проектировании новых и модернизации существующих МНЛЗ, а также как инструмент для исследования тепловой работы МНЛЗ сотрудниками технологических лабораторий металлургических предприятий.
Литература
1. Лисиенко В.Г., Самойлович Ю.А. Теплотехнические основы технологии и конструирования машин непрерывного литья заготовок. Красноярск: Изд-во Красноярск. ун-та, 1986. 120 с.
2. Буланов Л.В., Корзунин Л.Г. Парфенов Е.П. [и др.]. Машины непрерывного литья заготовок. Теория и расчет. Екатеринбург: Марат, 2004. 320 с.
3. Vlist E. XML Schema. O’Reilly Media, 2003, 400 p.
4. Hardin R., Liu K., Kapoor A. [et. al]. Transient Simulation and Dynamic Spray Cooling Control Model for Continuous Steel Casting. Metallurgical and Materials Transactions, 2003, no. 34, pp. 297-306.
5. Shen H., Hardin R., MacKenzie R. [et. al]. Simulation Using Realistic Spray Cooling for the Continuous Casting of Multicomponent Steel. Journ. of Materials Science and Technology, 2002, vol. 18, pp. 123-128.
6. Meng Y., Thomas B. Heat transfer and Solidification Model of Continuous Slab Casting: CON1D. Metallurgical and Materials Transactions, 2003, no. 5, pp. 685-705.
7. Сафонов Д.С., Логунова О.С. Автоматизация проектирования конструкции секций вторичного охлаждения машины непрерывного литья заготовок // Вестн. Магнитогорского гос. тех. ун-та. 2015. № 1. C. 111-127.
8. Логунова О.С., Мацко И.И., Сафонов Д.С. Моделирование теплового состояния бесконечно протяженного тела с учетом динамически изменяющихся граничных условий третьего рода // Вестн. Южно-Уральского гос. ун-та. Серия: Математическое моделирование и программирование. 2012. № 27. С. 74-85.
9. Логунова О.С., Парсункин Б.Н., Суспицын В.Г. Автоматизированная оценка качества непрерывнолитой заготовки // Сталь. 2004. № 12. С. 101-104.
10. Boyle R., Frick J. Implementation of modern secondary cooling technology in existing casters. Materials of the 3rd Intern. Conference on Continuous Casting if Steel in Developing Countries. Beijing, China, 2004.
185
Программные продукты и системы /Software & Systems
№ 3 (111), 2015
11. Boyle R., Frick J. New Secondary Cooling Systems and Practices. Nozzles and Cooling Solutions for Continuous Casting of Steel, 2012, pp. 33-44.
12. Сафонов Д.С., Логунова О.С. Система синтеза и анализа проектных решений конструкции секций вторичного ох-
лаждения машины непрерывного литья заготовок: монография. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та, 2015. 109 с.
13. Bock H. The Definitive Guide to NetBeans™ Platform 7. Apress Publ., 2011, 592 p.
DOI: 10.15827/0236-235X.111.180-186 Received 06.07.15
SOFTWARE FOR COMPUTER-AIDED DESIGN OF NOZZLE LAYOUT IN SECONDARY COOLING SECTIONS OF CONTINUOUS CASTING MACHINE Safonov D.S., Senior Engineer-Programmer, dmitry.s.safonov@gmail. com (Compass Plus, Lenin St. 68, 455000, Russian Federation);
Logunova O.S., Dr.Sc. (Engineering), Associate Professor, [email protected] (G.I. Nosov Magnitogorsk State Technical University,
Lenin Ave. 38, Magnitogorsk, 455000, Russian Federation)
Abstract. The article discusses specialized software for computer-aided design of nozzle layout in secondary cooling sections of continuous casting machine. The main purpose of the system is calculation of nozzle optimal positions in each space between rollers with respect to predefined optimization criterion for the thermal state of the slab. The system is logically divided into three subsystems: a subsystem for managing input data, a subsystem for simulation and optimization, a subsystem for storage and visualization of output data. System decomposition into program modules is given based on the logical structure. The core of the system is the simulation and optimization module, which implements numerical search of nozzle optimal positions on the basis of iterative simulation of the thermal state of the slab when using given nozzle layout and repeated correction of that layout. Apart from the core, the system contains modules for filling and editing input data, data serialization and data visualization. The system is implemented in an object-oriented paradigm using Java language. Netbeans Platform is used as a base for building user interface of the system. The article presents a brief description of system user interface as well as an example of applying the system for calculating nozzle optimal layout for an existing caster.
Keywords: computer-aided design, continuous casting machine, optimal design solutions, secondary cooling system, nozzle layout.
References
1. Lisienko V.G., Samoilovich Yu.A. Teplotekhnicheskie osnovy tekhnologii i konstruirovaniya mashin nepreryvnogo litya zagotovok [Thermotechnical Basics of the Technology and Design of Continuous Casting Machines]. Krasnoyarsk, Krasnoyarsk Univ. Publ., 1986, 120 p.
2. Bulanov L.V., Korzunin L.G., Parfenov E.P. Mashiny nepreryvnogo litya zagotovok. Teoriya i raschet [Continuous casting machines. Theory and calculation]. Ekateringburg, Marat Publ., 2004, 320 p.
3. Vlist E. XML Schema. O’Reilly Media Publ., 2003, 400 p.
4. Hardin R., Liu K., Kapoor A. Transient Simulation and Dynamic Spray Cooling Control Model for Continuous Steel Casting. Metallurgical and Materials Transactions. 2003, no. 34, pp. 297-306.
5. Shen H., Hardin R., MacKenzie R. Simulation Using Realistic Spray Cooling for the Continuous Casting of Multicomponent Steel. Journ. of Materials Science and Technology. 2002, vol. 18, pp. 123-128.
6. Meng Y., Thomas B. Heat transfer and Solidification Model of Continuous Slab Casting: CON1D. Metallurgical and Materials Transactions. 2003, no. 5, pp. 685-705.
7. Safonov D.S., Logunova O.S. Automation of the design of secondary cooling sections of the continious casting machine. Vestnik Magnitogorskogo gos. technich. universiteta im. G.I. Nosova [The Bulletin of Magnitogorsk State Technical Univ. named after G.I. Nosov]. 2015, no. 1 (49), pp. 111-127 (in Russ.).
8. Logunova O.S., Matsko I.I., Safonov D.S. Simulation of the thermal state of the infinite body with dynamically changing boundary conditions of the third kind. Vestnik Yuzhno-Uralskogo gos. universiteta. Seriya: Matematicheskoe modelirovanie i programmirovanie [The Bulletin of the South-Ural State University. Series: Mathematical modelling and programming]. 2012, no. 27, pp. 74-85 (in Russ.).
9. Logunova O.S., Parsunkin B.N., Suspitsyn V.G. Automated evaluation of continuously casted steel quality. Stal [Steel]. 2004, no. 12, pp. 101-104.
10. Boyle R., Frick J. Implementation of modern secondary cooling technology in existing casters. Materials of the 3rd Int. Conf. on Continuous Casting of Steel in Developing Countries. Beijing, China, 2004.
11. Boyle R., Frick J. New Secondary Cooling Systems and Practices. Nozzles and Cooling Solutions for Continuous Casting of Steel. 2012, pp. 33-44.
12. Safonov D.S., Logunova O.S. Sistema sinteza i analiza proektnykh resheny konstruktsii sektsy vtorichnogo okhlazhdeniya mashiny nepreryvnogo litya zagotovok [Software System for Synthesis and Analysis of Design Solutions for Secondary Cooling Sections in Continuous Casting Machines]. Monograph. Magnitorgorsk, Magnitogorsk State Technical Univ. named after G.I. Nosov Publ., 2015, 109 p.
13. Heiko Bck. The Definitive Guide to NetBeans™Platform 7. Apress, 2011, 592 p.
186
