CC BY
24
УДК 621.771.23
Согласование скоростных режимов электроприводов клетей непрерывной группы прокатного стана
А.С. Карандаев1, В.Р. Храмшин1, А.А. Радионов1, И.Ю. Андрюшин2, В.В. Галкин2, А.Н. Гостев2 1ФГБОУВПО «Магнитогорский государственный технический университет имени Г.И. Носова»,
г. Магнитогорск, Российская Федерация 2ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», г. Магнитогорск, Российская Федерация
E-mail: askaran@mail.ru, hvr_mgn@mail.ru
Авторское резюме
Состояние вопроса: Существующая система автоматического регулирования нулевого натяжения проката в непрерывной подгруппе черновых клетей стана 2000 ОАО «ММК» не соответствует современным требованиям и малоэффективна в условиях расширения сортамента прокатываемых полос. В связи с этим вопрос повышения эффективности системы автоматического регулирования в настоящее время является актуальным. Материалы и методы: Использованы методы математического моделирования взаимосвязанных электромеханических систем трехклетевой черновой группы, экспериментальные исследования проведены на действующем стане. Результаты: Предложены алгоритм, функциональная схема усовершенствованной системы, благодаря которой обеспечивается регулирование скоростей непрерывной подгруппы клетей с требуемой точностью. Представлены результаты экспериментальных исследований.
Выводы: Достигнуто повышение устойчивости технологического процесса и снижение динамических нагрузок за счет согласования скоростей взаимосвязанных клетей в установившемся и динамических режимах.
Ключевые слова: стан горячей прокатки, непрерывная подгруппа клетей, согласование скоростей, внедрение результатов, экспериментальные исследования.
Correlation of Speed Modes of Cages Electric Drives of Rolling Mills
Continuous Group
A.S. Karandayev1, V.R. Khramshin1, A.A. Radionov1, I.Yu. Andryushin2, V.V. Galkin2, A.N. Gostev2 1 Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russian Federation 2JSC «Magnitogorsk Iron and Steel Works», Magnitogorsk, Russian Federation E-mail: askaran@mail.ru, hvr_mgn@mail.ru
Abstract
Background: The existing automatic control system of regulatory type of zero tensioning of hire in a continuous subgroup of roughing stands of a 2000 Open Join - Stock Company «ММК» mill does not meet modern demands and is ineffective in the conditions of gauge spreading rolling strips. Thus, the issue to increase the efficiency of automatic control system is very urgent.
Materials and methods: The methods of mathematical modeling of the interconnected electromechanical systems three stands roughing group are used, experimental researches on an acting mill are led.
Results: The algorithm, the functional diagram of advanced system due to which the regulation of speeds of a cages continuous subgroup with demanded accuracy are offered. The results of the experimental researches are presented. Conclusions: The stability improvement of the technological process and decrease the dynamic loads at the expense of the coordination of speeds of the interconnected cages in installed and dynamic modes are attained.
Key words: hot rolling mill, continuous subgroup of cages, correlation of speeds, implementation, experimental studies.
Непрерывная прокатка представляет собой сложный процесс взаимодействия очагов деформации через прокат. Клети и автоматизированные электроприводы представляют собой сепаратные системы, между которыми существуют естественные перекрестные связи, основной из которых является силовая связь клетей через обрабатываемый металл. Физическая сущность силовой связи -натяжение либо подпор проката в межклетевом промежутке. В непрерывных группах прокатных клетей могут существовать и другие взаимосвязи электроприводов, например через питающую сеть. Однако они являются менее существенными по сравнению с сило-
выми связями через металл и в большинстве случаев их влиянием пренебрегают.
На рис. 1 показан фрагмент технологической линии стана 2000 ОАО «ММК»: черновая группа клетей, состоящая из трех вертикальных (двигатели Д1в-Д3в) и трех горизонтальных клетей (№№ 4-6, двигатели Д1г-Дзг), объединенных в непрерывную подгруппу, взаимосвязанных в процессе прокатки через полосу.
В настоящее время в составе системы автоматического управления непрерывной подгруппой функционирует система автоматического регулирования нулевого натяжения (САРНН), представляющая собой управляю-
щую программу, загруженную в контроллер 0^125, который задает скоростные режимы работы главных приводов горизонтальных и вертикальных клетей. На рис. 2 приведена упрощенная функциональная схема САРНн. Система поддерживает заданное натяжение проката между 4-й и 5-й клетями изменением скорости 4-й клети, натяжение между клетями 5 и 6 регулируется изменением скорости 6-й клети. На скорость 5-й клети в процессе работы САРНН влияние не оказывает. Поддержание заданной величины натяжения в межкле-
тевых промежутках осуществляется безлупер-ным способом (косвенное регулирование).
Натяжение в межклетевом промежутке между 4 и 5 клетями рассчитывается по формуле
^(-0 - L4), (1)
икс4,икс64-5
Я
в4
где Р4 - давление металла в 4-й клети; Яв4 -радиус рабочих валков; £4-0 - плечо свободной прокатки (значение плеча прокатки до момента входа металла в 5-ю клеть); 14 - текущее значение плеча прокатки (при нахождении металла одновременно в 4-й и 5-й клетях).
Рис. 1. Схема трехклетевой непрерывной подгруппы черновой группы клетей
иоР4 иос4 иот4 ион4 _1_1_
тттт
оР5 иос5 иот5 ион5
им „ Расчет натяжений в межклетевых промежутках Т4-5 Расчет сигнала задания на коррекцию скорости вращения валков икс4
иЬ5 „ Т 5-6, икс6 (
Система автоматического регулирвоания скорости 4-й клети
Система автоматического регулирвоания скорости 6-й клети
Рис. 2. Функциональная схема системы автоматического регулирования нулевого натяжения: иос4, иос5, иот4, ист5, исн14, ион5, иоР4, иоР5 - сигналы, пропорциональные скоростям вращения двигателей, токов якорей и напряжений на двигателях, давлению металла на валки 4-й и 5-й клетей соответственно; им, иь5 - сигналы, пропорциональные величинам зазоров горизонтальных валков; Г4.5,Г5.6 - сигналы, пропорциональные натяжению в межклетевых промежутках между 4, 5 и 5, 6 клетями;икс4,икс6 - сигналы задания на коррекцию скоростей вращения валков 4-й и 6-й клетей; изс4, изс6, - сигналы задания на скорости вращения валков 4-й и 6-й клетей
и
и
Косвенный расчет мгновенного плеча прокатки осуществляется по параметрам электропривода 4-й клети:
(ия4-1 - ^я4-1 ^я4-1) ^я4-1 + (ия4-2 - ^4-2 ^я4-2)|я4-2
и =
, ¿юдв4
Рл
(2)
где иЯ4_1, /я4-1, Яя4-1, ия4-2, /Я4-2, ^я4-2 - напряжения, токи и сопротивления 1-го и 2-го якорей двухякорного двигателя 4-й клети; J4 - суммарный момент инерции электропривода валков, приведенный к валу электродвигателя; юдв4 - угловая скорость вращения двигателя
4-й клети.
Аналогично рассчитываются натяжение Т5-в и плечо Ц прокатки в промежутке между
5-й и 6-й клетями.
Вычисленные мгновенные значения межклетевых натяжений Т4-5 и Т5-в поступают в блок регулирования, где сравниваются с заданными значениями межклетевых натяжений. В зависимости от рассогласований между расчетными и заданными значениями корректируются скорости 4-й и 6-й клетей. Пределы величин коррекции составляют:
• для 4-й клети - от -0,2 до +0,2 м/с;
• для 5-й клети - от -0,25 до +0,25 м/с. Задания натяжений вводятся в контроллер РМО АСУ 2-го уровня и для большей части сортамента:
• между 4 и 5 клетями - Т4-5 = 5 т;
• между 5 и 6 клетями - Т5-в = 10 т.
В ходе проводимой научно-исследовательской работы выполнены экспериментальные исследования условий захвата полосы и изменений натяжения в процессе прокатки. В результате показано, что существующая система поддержания нулевого натяжения не соответствует современным требованиям и малоэффективна в условиях расширения сортамента прокатываемых полос [1].
Фрагмент характерной осциллограммы представлен на рис. 3. Прокатка ведется с натяжениями, в несколько раз превышающими требуемые минимальные значения. Диапазон отклонений натяжения в промежутке между 4-й и 5-й клетями составляет от -20 до +25 кН (задание натяжения составляет 5 кН). Отклонение натяжения в промежутке между 5-й и 6-й клетями превышает 50 кН при заданном значении 10 кН, что не может быть признано приемлемым. Изменение натяжения во втором промежутке после захвата полосы валками 6-й клети (момент времени, примерно, 24 с) оказывает существенное влияние на натяжение в предыдущем промежутке, т.е. возмущающее воздействие передается «через клеть», что свидетельствует о несовершенстве существующих алгоритмов управления.
дв
1
Выявлены причины неудовлетворительного регулирования натяжения, основными из которых являются:
• несогласованность скоростей смежных клетей при захвате полосы последующей клетью;
• невозможность учета и коррекции статических просадок скорости в системе с пропорциональным регулятором скорости ;
• наличие неконтролируемых продольных усилий в раскате между смежными клетями;
• низкое быстродействие системы коррекции скоростного режима;
• недостаточная точность системы косвенного вычисления натяжения по параметрам электропривода;
• низкая точность алгоритмов задания скоростного режима от АСУ верхнего уровня.
Экспериментально установлено, что на качество регулирования натяжения и условия захвата полосы наибольшее влияние оказывает точность расчета плеча прокатки, для чего в системе используется сигнал давления на валки от месдоз, поэтому влияние точности измерения давления в существующей САРНН является определяющим.
Разработана математическая модель взаимосвязанных электромеханических систем трехклетевой черновой группы, реализованная в программной среде БтиПпк. В качестве исходных параметров при моделировании приняты параметры электроприводов черновой группы клетей и технологические параметры прокатки. Выполнены исследования динамических режимов, возникающих в процессе прокатки. В результате сделаны следующие выводы:
1. Вертикальные клети практически не оказывают влияния на согласование скоростей, поэтому при разработке усовершенствованного варианта САРНН их можно не учитывать. Анализ их влияния целесообразен только
Кл. №1
для исследования динамических ударов, возникающих вследствие несогласованности скоростей.
2. Изменения натяжения оказывают несущественное влияние на геометрические размеры полосы в черновой группе; отклонения толщины и ширины находятся в пределах 2,5-3 %. Толщина в ходе дальнейшей прокатки регулируется в чистовой группе, а разноши-ринность устраняется эджерами.
В результате проведенных исследований даны рекомендации по совершенствованию действующей САРНН. На первоначальном этапе предложено:
- ввести алгоритм коррекции скорости «по ходу прокатки», т.е. после захвата полосы предыдущей клетью по ее реальной скорости устанавливать скорость последующей клети;
- перейти от регулирования с использованием давления к алгоритму с использованием сигналов по статическому току. Данный алгоритм позволит исключить производную скорости, присутствующую в зависимости (2), и сигналы с месдоз.
На рис. 4 представлена функциональная схема системы управления натяжением полосы, реализующая данные предложения (за основу приняты разработки, рассмотренные в [2, 3]).Натяжение косвенно оценивается по изменению токовой нагрузки электропривода предыдущей клети при захвате металла последующей клетью. Регулирование натяжения осуществляется путем изменения скорости последующей клети. Первоначально с помощью блока задания скорости БЗС, функции которого возложены на технологический контроллер, на входы систем автоматического регулирования скорости вращения валков, в соответствии с программой прокатки подаются настроечные управляющие сигналы.
Кл. №2
Кл №3
Рис. 4. Функциональная схема системы автоматического управления натяжением полосы без датчиков усилия прокатки
Однако, как показано выше, в большинстве случаев выбор начальных скоростей не является оптимальным, что влечет за собой динамические удары в момент входа металла в последующую клеть. Необходимость точной оценки рассогласования соотношения скоростей и дополнительной коррекции скоростного режима требует введения в систему функциональных блоков управления соотношением скоростей (БУСС). Каждый из этих блоков производит фильтрацию корректирующего сигнала, поступающего с регулятора натяжения, в целях выделения постоянной составляющей, которая характеризует степень рассогласования соотношения скоростей двух смежных клетей при их работе в режиме холостого хода.
Алгоритм вычисления удельного натяжения ст, для /-го межклетевого промежутка имеет следующий вид:
АМ, = М* ■ - М + АМ,-
М*р/ = Ц -АМ,-1
Я/-1 -1
АМ, ст, =--,
где / - номер клети; АМ, - изменение момента электропривода, вызванного усилием натяжения; 0, - сечение проката в /-м межклетевом промежутке.
Испытания алгоритма, предложенного в данной системе, проведены на стане 2000. Благодаря его реализации обеспечивается регулирование скоростей 4-й, 6-й клетей с по-
1,02 1
0,98 0,96 0,94 15 10 5
грешностью, не превышающей 5 % (рис. 5). Как следует из сопоставления осциллограмм, представленных на рис. 3 и 5, диапазон отклонений натяжения в первом межклетевом промежутке уменьшился в 2 раза (±20 кН на рис. 3 и (-7)-(+10) кН на рис. 5). Для второго межклетевого промежутка зафиксировано снижение усредненных отклонений натяжения более чем в 2 раза: от 50 кН до 25 кН.
Как отмечается в [2], данная система управления может получить широкое применение в черновых и промежуточных группах клетей с небольшой длиной раскатов и относительно небольшим изменением геометрических параметров очага деформации, вызванным нестабильностью температурного режима прокатки. Возможность управления оператором величиной задания натяжения ст^п позволяет добиться минимального ушире-ния концевых участков прокатываемой полосы в соответствии с методикой, изложенной в [4]. В рассмотренном варианте управление натяжением полосы осуществляется корректирующим воздействием на систему регулирования скорости двигателя. Однако в целях увеличения быстродействия регулирование натяжения может осуществляться воздействием непосредственно на формирование момента двигателя [5].
При планируемой реконструкции АСУТП стана рекомендовано внедрить разработанный более сложный алгоритм с разделением прокатки на 4 интервала [1].
2,6 2,5
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Рис. 5. Осциллограммы, аналогичные рис. 3, при управлении по алгоритму в предложенной системе
50 г, сек
Основные технические эффекты:
- улучшение условий захвата полосы валками, снижение аварий, связанных с застреванием полосы;
- повышение точности регулирования межклетевых натяжений в непрерывной подгруппе черновой группы;
- повышение устойчивости технологического процесса за счет реализации усовершенствованных алгоритмов управления скоростным режимом клетей.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (ГК 16.740.11.0072).
Список литературы
1. Совершенствование алгоритма согласования скоростей электроприводов клетей черновой группы стана горячей прокатки / А.С. Карандаев, В.Р. Храмшин, В.В. Галкин и др. // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». -Челябинск, 2011. - Вып. 16. - № 34 (251). - С. 35-41.
2. Сушников А.А. Разработка и исследование компьютеризированных взаимосвязанных электроприводов непрерывных сортовых прокатных станов: дис. ... канд. техн. наук. - СПб.: СПбГЭТУ, 2005. - 183 с.
3. Pat. WO9727012, 1РСВ 21 В 37/52, В 21 В 37/16.System and method for rolling slabs / Bouchillon Milton Skott, Wohld Dietrich; applicants Siemens AG, Bouchillon Milton Skott, Wohld Dietrich. W01997EP00098; publication date 19970731.
4. Салганик В.М., Тулупов Д.Н. Исследование и совершенствование процесса непрерывной сортовой прокатки
с натяжением // Производство проката. - 2004.- № 7. -С. 26-31.
5. Пат. 1738400 А1 РФ, МПК7 В 21 В 37/00. Способ регулирования межклетевого натяжения и устройство для его осуществления / А.А. Зубок, Н.М. Чиркова. Опубл. 07.06.92. Бюл. № 21. - С. 86.
References
1. Karandaev, A.S., Khramshin, V.R., Galkin, V.V. Sovershenstvovanie algoritma soglasovaniya skorostey elektro-privodov kletey chernovoy gruppy stana goryachey prokatki [Improvement of the Algorithm Correlation of Electric Drives Speeds of Cages of Roughing Mill Group of Hot Rolling Mill]. Vestnik YuUrGU. Seriya «Energetika», 2011, vol. 16, no. 34 (251), рр. 35-41.
2. Sushnikov, A.A. Razrabotka i issledovanie kom-p'yuterizirovannykh vzaimosvyazannykh elektroprivodov ne-preryvnykh sortovykh prokatnykh stanov. Diss. kand. tekhn. nauk [Development and Research of Computer Interconnected Electric Drives of Continuous Section Mill, Candidate of Engineering]. Saint-Petersburg, 2005. 183 р.
3. Pat. W09727012, 1РСВ 21 В 37/52, В 21 В 37/16. System and method for rolling slabs / Bouchillon Milton Skott, Wohld Dietrich; applicants Siemens AG, Bouchillon Milton Skott, Wohld Dietrich. W01997EP00098; publication date 19970731.
4. Salganik, V.M., Tulupov, D.N. Issledovanie i sovershenstvovanie protsessa nepreryvnoy sortovoy prokatki s natyazheniem [Research and Improvement of Continuous Section Mill Process with Tension]. Proizvodstvo prokata, 2004, no. 7, рр. 26-31.
5. Zubok, A.A., Chirkova, N.M. Sposob regulirovaniya mezhkletevogo natyazheniya i ustroystvo dlya ego osu-shchestvleniya [Regulation Method of Interstand Tension and Its Device]. Patent RF, no. 1738400, 1992.
Карандаев Александр Сергеевич,
ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет имени Г. И. Носова», главный научный сотрудник НИС, доктор технических наук, профессор, телефон (3519) 29-17-19, e-mail: askaran@mail.ru
Храмшин Вадим Рифхатович,
ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет имени Г. И. Носова», кандидат технических наук, доцент, докторант кафедры электротехники и электротехнических систем, телефон (3519) 22-17-19, e-mail: hvr_mgn@mail.ru
Радионов Андрей Александрович,
ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет имени Г.И. Носова», доктор технических наук, профессор кафедры автоматизированного электропривода и мехатроники, телефон (3519) 29-17-19, e-mail: radionovaa@rambler.ru
Андрюшин Игорь Юрьевич, «Магнитогорский металлургический комбинат»,
главный инженер Управления главного энергетика, кандидат технических наук, телефон (3519) 24-38-25, e-mail: andryushin.iy@mmk.ru
Галкин Валерий Владимирович,
ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат»,
начальник научно-технического центра,
телефон (3519) 24-72-93,
e-mail: galkin.vv@mmk.ru
Гостев Анатолий Николаевич,
ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат»,
электрик ЛПЦ-10,
телефон (3519) 24-72-90,
e-mail: gostev.an@mmk.ru
