Учебно-исследовательский тренажер-имитатор процессов сортовой прокатки Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 621.771.01

УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТРЕНАЖЕР-ИМИТАТОР ПРОЦЕССОВ СОРТОВОЙ ПРОКАТКИ

Ф.С. Дубинский1, М.А. Соседкова1, П.А. Мальцев2

1 Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск;

2 Челябинский металлургический комбинат, г. Челябинск

На базе комплексной многоуровневой математической модели процессов сортовой прокатки и системы автоматизированного проектирования технологий сортовой прокатки создан учебно-исследовательский тренажер-имитатор «Сортовая прокатка», включающий в себя тренажер технолога, тренажер оператора, тренажер вальцовщика, а также теоретические и технологические модули и сервис.

Тренажер предназначен для изучения основ технологии производства сортового проката; ознакомления с конструкциями и характеристиками основного технологического оборудования прокатных станов; приобретения навыков проектирования технологии прокатки сортовых профилей; ознакомления с процессом управления прокатным станом и непосредственного управления моделью стана; моделирования и отработки нештатных ситуаций; контроля знаний в области технологии и оборудования прокатного производства.

Тренажер может быть использован для обучения основам прокатного производства, методам и приемам подготовки, контроля и управления технологическими процессами прокатки на промышленных предприятиях, а также в учебных заведениях высшего и специального образования.

Ключевые слова: тренажер-имитатор; сортовая прокатка; моделирование; автоматизированное проектирование; технолог прокатного производства; вальцовщик; оператор прокатного стана; управление; тренинг.

Актуальность построения компьютерных тренажеров для проведения исследовательских работ в области обработки металлов давлением и обучения персонала, обслуживающего технологические процессы, можно определить следующими тенденциями: формирование рациональных энерго- и ресурсосберегающих путей развития технологий обработки металлов давлением, потребностью в качественном улучшении подготовки персонала, вызванной постоянным усложнением технологических процессов; появлением новых систем управления; успехами в создании систем компьютерного тренинга.

На кафедре разработана комплексная многоуровневая математическая модель процессов сортовой прокатки (рис. 1), которая легла в основу дальнейших разработок в этой области. Комплексная модель построена для использования различных теоретических методов (классические модели, метод конечных элементов, нейронные сети и др.) и пакетов экспериментальных данных.

Предпосылкой для построения тренажеров по сортовой прокатке является разработанная на кафедре система автоматизированного проектирования технологий сортовой прокатки «Калибр» [1], которая внедрена на ряде промышленных пред-

Рис. 1. Комплексная математическая модель сортовой прокатки: МКЭ - метод конечных элементов, ЭД - экспериментальные данные, НС - нейронные сети

приятий (ОАО «Челябметкомбинат», ОАО «Корпорация «ВСМПО-Ависма», ОАО «МЗ «Кама-сталь», ОАО «Русская сталь» и др.).

Учебно-исследовательский тренажер-имитатор предназначен для изучения и освоения технологии и оборудования процессов сортовой прокатки и должен их достаточно полно иллюстрировать для получения опыта и навыков управления процессами прокатки, эмулировать возможные аварийные ситуации и поломки, вызванные нарушением технологического процесса, ошибками операторов или обслуживающего персонала, проводить сравнение практических и теоретических результатов. Специализированное программное обеспечение должно давать возможность контроля органов управления процессом, диагностики и фиксирования проблем в его работе, обучении безопасным приемам работы, имитацию исследуемых процессов, исследование и задание технологических режимов и параметров процесса исследование и задание технологических режимов и параметров процесса. Наличие системы тестирования знаний должно обеспечивать оперативный и эффективный контроль знаний, умений и навыков.

Учебно-исследовательский тренажер-имитатор «Сортовая прокатка», созданный на кафедре «Машины и технологии обработки металлов давлением», предназначен:

- для изучения основ технологии производства сортового проката;

- ознакомления с конструкциями и характеристиками основного технологического оборудования прокатных станов;

- приобретения навыков проектирования технологии прокатки сортовых профилей;

- ознакомления с процессом управления прокатным станом и непосредственного управления моделью стана;

- моделирования и отработки нештатных ситуаций;

- контроля знаний в области технологии и оборудования производства проката.

Структура учебно-исследовательского тренажера-имитатора «Сортовая прокатка» представлена на рис. 2.

Модуль «Теоретические и технологические основы» представляет собой основные положения сортовой прокатки с текстовым, иллюстративным и анимационным материалом [2]. Он может использоваться как для самостоятельного обучения, так и в качестве презентации на лекционных и практических занятиях. Предусмотрена возможность контроля знаний.

Использование промышленных программных комплексов при обучении, как правило, сводится к изучению непосредственно самих программных комплексов, а не той технологии, для автоматизации которой они предназначены. Очевидно, что обучение проектируемому процессу, а не системе проектирования, должно осуществляться в «облегченной версии» промышленного варианта. Для этого в структуре учебно-исследовательского тренажера-имитатора «Сортовая прокатка» разработана программа-тренажер для технологов, обеспечивающих проектирование и контроль технологического процесса.

На первом этапе обучения на этом модуле тренажера происходит выбор типа стана, его характеристик и конфигурации; определение формы и размеров заготовки; разработка схемы прокатки; моделирование формоизменения металла; проектирование и построение калибров.

На втором этапе определяются скоростные характеристики процесса; рассчитываются температурные режимы; определяются энергосиловые параметры процесса сортовой прокатки и т. д.

На третьем этапе можно получить диаграммное представление и анализ показателей технологического процесса; создать необходимую технологическую документацию и архив.

Рис. 2. Структура учебно-исследовательского тренажера-имитатора «Сортовая прокатка»

Обработка металлов давлением

Рис. 3. Интерфейс тренажера технолога: 1 - изменение масштаба рабочей области; 2 - описание текущего задания; 3 - главное меню; 4 - рабочая область; 5 - управление заданием; 6 - управление проходом / параметрами калибра; 7 - текст задания; 8 - управление калибровкой

Элементы тренажера технолога и его интерфейс представлены на рис. 3.

В рабочей области происходит визуализация сечения очага деформации в текущем проходе и в последующих проходах (если имеются). Для каждого прохода отображаются: сечение калибра, поперечное сечение металла, основные размеры калибра, максимальная ширина сечения металла.

Важными преимуществами тренажера являются визуальная оценка изменения формы и размеров металла в процессе деформации; предоставление информации в наглядном и удобном для анализа виде: графики, таблицы, эскизы. Множество варьируемых параметров дает простор для «творчества».

Расчет можно вести для станов различной конфигурации, учитывать свойства различных марок сталей, технические характеристики основного оборудования и другие технологические и конструктивные параметры.

Для таких параметров, как момент прокатки (и двигателя), усилие прокатки, затрачиваемая мощность, температура металла, ток якоря двигателя и обороты валков возможно построение диаграмм их распределения по проходам.

Все рассчитываемые параметры можно вывести для анализа в табличном или графическом варианте (рис. 4 и 5).

В тренажере технолога предусмотрены следующие тренинги:

- вводный, где показаны основные инстру-

менты для анализа и модификации существующих калибровок валков;

- уширение металла, целью которого является выделение и определение характера влияния основных факторов, определяющих изменение уши-рения;

- закон постоянства секундного объема;

- методы определения энергосиловых параметров;

- непрерывный стан (температура);

- реверсивный стан (температура);

- общие вопросы проектирования калибров;

- проектирование предчистовых калибров;

- проектирование чистовых калибров;

- анализ настройки стана.

Тренинг «самостоятельная работа» позволит усилить исследовательские навыки и служит подготовительным этапом к контрольным заданиям данного раздела. При правильном выполнении, тренинг также поможет усилить интуитивный анализ калибровки валков.

Предусмотрены контрольные задания, которые выполняются в виде тестов с вопросами, обобщающих знания и опыт, полученный в ходе выполнения предыдущих занятий на тренажере, итоговое задание и комплексный тест.

На рис. 6 показано окно модуля задания в процессе его выполнения.

Тренажер оператора прокатного стана позволяет осуществлять настройку прокатного стана и динамическое управление его работой, имитиро-

ш К ОСТ 9А У

рам. ЕД- Знач. Пар я и. ЕЙ- Знач.

ИЗМ. ИЭМ.

На мм 101,2 н. мм 72

Вв мм 101.2 Ва мы 114.4

и мм - 1, мм 13213

А - 1.33221 Р3 мм' 7624

Р - 1.1304 П 0 66404

я градус í 0.5

г 0.22 Иг ус 1.27

Ум м/с 0361 □к мм 520.73

1К. лс 1113.5 У.К. "С 1073.7

ЗБ ипэ 67.7 Р<= МПэ 10&.7В

П мы7 10261 Р кН 2037.4

игр. кНм 130 32 Мдч. кНм 2.81

1ЧДЕ, кВт 243.53 1дв. А 450.34

Рис. 4. Панель с результатами расчета в виде таблицы

гкмттгиюм И КУнеМТУЖСНЕ даыгсщмсгиси С^^АДЕФОРМЩНИ!

СП РЕДЕЛО-:* I ПСКАМЛЫ ЕЙ ИГАЛЛА

ОПРЦЕЖ-ИЕТЕМТВЙЙшИ'НЬОС

гмАЗДлшей процксь тэилти

СП РЕДЕ-ГВ-^ Е. ОССРОСТШ* ГЮадЗАТШЙ ПРОЦЕССА ТКЖАТОЛ

ЭНЕИТКНПОвЬЕ ПДРАЫЕТРЬ ПРССКСЛ отговей грскапи

ЧВДВИЕ ЫВДЕЛИРЭДАНИЕ >' К5<Э

вать работу оператора прокатного стана в процессе прокатки.

Операции, выполняемые в тренажере оператора:

- выбор прокатываемого типоразмера и соответствующей ему технологии;

- ввод установок оборудования;

- слежение за процессом прокатки, геометрическими размерами раската, нагрузками в клети;

- аварийная остановка стана;

- корректировка скоростного режима прокатки;

- штатные, нештатные и аварийные ситуации на стане.

На рис. 7 показан внешний вид тренажера оператора прокатного стана.

В модуле отрабатываются следующие типовые ситуации:

- штатные сценарии: перестройка на новый профиль, корректировка скорости, прокатка настроечных полос (петли); прокатка настроечных полос (натяжение);

561.3 442,6

323.4 204,2

в:

12 3 4:

Момент прокатки Усилие прокати* Момент двигателя Мощность двигатели Температура Ток якоря Обороты двигателя

Рис. 5. Панель отображения диаграммы

■1

- нештатные: выход из строя одной из клети, сбой в работе системы автоматической регулировки;

- аварийные: разрыв полосы в валках клети, застревание полосы в валках клети и т. п.

На рис. 8 показана работа тренажера оператора с имитацией возникновения петли в промежутке между клетями непрерывного стана. В данной ситуации от пользователя ожидается корректировка оборотов валков с пульта управления в той мере, которая приведет к стабилизации процесса (в случае неверной корректировки предусмотрена ситуация развития петлеобразования и дальнейшее забуривание).

Модуль «Тренажер вальцовщика» предназначен для отработки сценариев работы вальцовщика и контроля полученных навыков. Выполняемые операции: выбор необходимых валков из имеющихся в парке и сборка клети; настройка клети (для реверсивного стана осуществляется динамически в процессе имитации прокатки); контроль размеров проката и подстройка стана; штатные, нештатные и аварийные ситуации на стане.

Рис. 6. Окно модуля в процессе выполнения задания

■

Обработка металлов давлением

Рис. 7. Внешний вид тренажера оператора прокатного стана: 1 - монитор; 2 - физический пульт управления

Рис. 8. Работа тренажера оператора

Контрольными заданиями для модулей «тренажер оператора» и «тренажер вальцовщика» являются тестовые формы контроля, настройка клетей на новый профиль, настройка скоростного режима непрерывной прокатки, выполнение действий при забуривании полосы, корректировка режимов при дефектах геометрии и др.

Сервисный модуль предназначен для идентификации пользователя по вводу имени/пароля, защиты от несанкционированного использования, управления системными настройками и учетными записями пользователей, каталогизации результатов обучения и контроля знаний, возможности удаленного контроля и восстановления работоспособности системы, взаимодействия модулей друг с другом.

Учебно-исследовательский тренажер-имитатор имеет модульную структуру и при необходимости или по заданию пользователя легко может расширяться (путем добавления специализированных модулей) как в сторону включения в него новых рабочих мест, новых типов профилей (например, фасон-

ных), нового марочного сортамента, нового оборудования, так и в сторону включения новых знаний в теории и технологии прокатного производства.

Тренажер может быть использован для обучения основам прокатного производства, методам и приемам подготовки, контроля и управления технологическими процессами прокатки на промышленных предприятиях, а также в учебных заведениях высшего и специального образования.

Литература

1. Дубинский, Ф.С. Проектирование и моделирование процессов сортовой прокатки на базе теоретических разработок и современных информационных технологий /Ф.С. Дубинский,

A.В. Выдрин, В.Г. Дукмасов и др. // Труды VII Международного конгресса прокатчиков. - М.: Изд-во МОО, 2007. - С. 550-555.

2. Рудской, А.И. Теория и технология прокатного производства: учеб. пособие / А.И. Рудской,

B.А. Лунев. - СПб. : Наука, 2005. - 540 с.

Дубинский Феликс Семенович, канд. техн. наук, профессор кафедры машин и технологий обработки материалов давлением, Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск; dfs38@list.ru.

Соседкова Марина Алексеевна, старший преподаватель кафедры машин и технологий обработки материалов давлением, Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск; mmak@mail.ru.

Мальцев Павел Анатольевич, ведущий инженер, ОАО «Челябинский металлургический комбинат», г. Челябинск; maltsevpa@gmail.com.

Поступила в редакцию 11 марта 2015 г.

RESEARCH AND TRAINING SIMULATOR OF SHAPE ROLLING PROCESS

F.S. Dubinskiy, South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation, dfs38@list.ru, M.A. Sosedkova, South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation, mmak@mail.ru, P.A. Mal'tsev, JSC "Chelyabinsk Metallurgical Plant", Chelyabinsk, Russian Federation, maltsevpa@gmail.com

Using a comprehensive multi-level mathematical model of shape rolling and computer-aided design technology a research and training simulator "Shape rolling" was created. The simulator consists of a module for a technology engineer, a module for operator training, a module for on-mill staff, theoretical and technological modules and a service module.

The simulator is designed to learn the basics of production technology of hot rolled products; to familiarize with the design and characteristics of the main technological equipment of rolling mills; to acquire the design skills in rolling technology; to learn how to manage the rolling mill; to simulate and test the emergency situations; to control the knowledge in the field of technology and equipment of rolling production.

The simulator can be used for teaching the basics of rolling production; for monitoring and controlling rolling industrial enterprises. It can also be used in the institutions of higher and professional education.

Keywords: simulators, bar rolling, modeling, computer-aided design, engineer rolling mills, roller, rolling mill operator, management, training.

References

1. Dubinskiy F.S., Vydrin A.V., Dukmasov V.G., Mal'tsev P.A., Sosedkova M.A. [Projecting and Modeling of Section Rolling Processes on the Basis of Theoretic Developments and Modern Information Technologies]. Trudy VII Mezhdunarodnogo kongressa prokatchikov [Proceedings of the 7th International Congress of Rollers]. Moscow, MOO Publ., 2007, pp. 550-555. (in Russ.)

2. Rudskoy A.I., Lunev V.A. Teoriya i tekhnologiya prokatnogo proizvodstva [Theory and Technology of Rolling]. St. Petersburg, Nauka Publ., 2005. 540 p.

Received 11 March 2015

БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ

Дубинский, Ф.С. Учебно-исследовательский тренажер-имитатор процессов сортовой прокатки / Ф.С. Дубинский, М.А. Соседкова, П.А. Мальцев // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». - 2015. -Т. 15, № 2. - С. 120-125.

REFERENCE TO ARTICLE

Dubinskiy F.S., Sosedkova M.A., Mal'tsev P.A. Research and Training Simulator of Shape Rolling Process. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Metallurgy, 2015, vol. 15, no. 2, pp. 120-125. (in Russ.)