1 Прокатное производство
1.1 Описание предметной области
Листопрокатное производство (ЛПП) можно условно разделить на три больших подразделения. Во-первых, это само производство; во-вторых, это технические службы, отвечающие за техническое обслуживание предприятия; в-третьих, это коммерческий отдел, отвечающий за экономические показатели работы предприятия. Кроме этого в любой производственной организации не обойтись без отдела, отвечающего за технические разработки (технологический отдел и отдел планирования производства). Другими словами без правильного планирования работы предприятия, без усовершенствований технологических процессов на производстве, невозможно идти в ногу со временем.
Вышеперечисленные подразделения предприятия разбиты на более мелкие отделы, отвечающие за конкретные организационные процессы. В любом предприятии обязательно наличие отдела технического контроля - важнейшего отдела, контролирующего качество выпускаемой продукции. Причем ОТК не входит в производственный сектор, т.е. не подчинен начальнику производства.
Этот отдел играет роль независимого и самостоятельного оценщика выпускаемой предприятием продукции, поэтому начальник ОТК подчинен непосредственно генеральному директору. Коммерческий сектор - совокупность служб сбыта, снабжения и маркетинга. Отдел управления персоналом и юридический отдел относится в подчинение генеральному директору и бухгалтерия во главе с главным бухгалтером, по всем правилам является полностью самостоятельным подразделением и подчинена генеральному директору.
Организационная структура предприятия - линейно - функциональная. При такой структуре управленческие воздействия делятся на линейные - обязательные для исполнения и функциональные - рекомендательные. Руководители подразделений осуществляют линейное воздействие на всех участников структуры, а руководители функциональных отделов оказывают функциональное воздействие на исполнителей работ.
Возглавляет предприятие - генеральный директор, которому подчиняется группа директоров, отвечающих за организацию деятельности определенных подразделений (например, заместитель генерального директора по производству отвечает за производство и имеет в подчинении производство и ЛТИ). Подразделения возглавляются своими руководителями.
На производстве имеется шесть крупных и наиболее ответственных участка (участок проката, участок термических печей, участок нагревательных печей, участок линии резки, участок УЗК, участок отделки и отгрузки). Поэтому за выполнение производственных процессов на таких участках отвечают мастера.
Цех холодной прокатки ЛПЦ-3 входит в состав АО «Арселор Миттал»
Листопрокатный цех №3 с пятиклетевым станом непрерывного производства, перерабатывает горячекатанный прокат в рулонах, обеспечивая производительность 130 тыс. тонн холодной прокатки.
Из цеха горячей прокатки рулоны горячекатаных полос поступают на склад рулонов цеха холодной прокатки, где обычно они охлаждаются в течении
2,5-3,5 суток, после чего поступают в непрерывные травильные агрегаты для очистки поверхности полосы от окалины. После предварительного механического разрыхления и частичного удаления окалины в окалиноломателе и дрессировочной клети поверхность полосы подвергается травлению в кислотных ваннах.
После травления обрезки продольных кромок поступают в уборочное устройство, а затем в вагон. Промасленная полоса сматывается в рулон и по конвейеру транспортируется на склад травленных рулонов.
Прокатка травленных полос осуществляется на непрерывном стане холодной прокатки.
Непрерывные станы холодной прокатки по производительности, степени автоматизации и себестоимости продукции для условий прокатки массового ассортимента имеют значительные преимущества перед одноклетьевыми реверсивными станами.
В современных цехах холодной прокатки работают двух-, трех-, четырех- и пятиклетевые станы. В зависимости от сортимента агрегата устанавливают число клетей с таким расчетом, чтобы за один пропуск через непрерывный стан получить полосу заданной толщины.
При холодной прокатке [2] происходит деформация зёрен в направлении прокатки и искажение кристаллической решетки, в результате чего металл наклепывается, что связано с повышением прочности и снижением пластичности. Для обеспечения необходимых механических свойств холоднокатаный металл подвергают обжигу в колпаковых печах.
Дрессировка отожженных рулонов осуществляется на дрессировочном стане. Дрессировка является завершающей стадией производства холодной стали.
Одноклетьевой дрессировочный стан предназначен для дрессировки холоднокатаных полос, свернутых в рулон и прошедших обжиг. Обжатие металла при дрессировке не превышает 5%.
Порезка холоднокатаных полос производится на агрегатах поперечной и продольной резки. Современные разделочные агрегаты обеспечивают высокоскоростную порезку рулонов на листы заданной длины.
Рулон с помощью электромостового крана устанавливается на приёмный стол загрузочного устройства. Включается тележка на перемещение и рулон подвозится к барабану разматывателя. Стол тележки поднимается до совмещения оси рулона с осью барабана разматывателя. Барабан разматывателя с рулоном разворачивается до тех пор, пока верхний конец полосы не окажется сверху рулона. Полоса подающими роликами направляется в сдвоенные гиль¬отинные ножницы, где повреждённые задние и передний концы полосы вырезаются. При резке листы металла подаются на поддон. Наполненный поддон убирается с помощью крана [3].
Из гильотинных ножниц, полоса поступает в поперечные ножницы, где центрируется её передний конец. Манипулирующие ролики подают полосу в сварочный агрегат. В сварочном агрегате производится сварка внахлестку заднего конца полосы с передним концом следующего рулона.
После центрирующего устройства полоса подается в башенный аккумулятор, где создаётся минимальный запас металла, необходимый для бесперебойной работы химического участка на всех рабочих скоростях (от 1,8 до 7,5 м/с включ.) во время сварки полос. Натяжение полосы создаётся тянуюшей станцией. После тянущих роликов полоса проходит последовательно две ванны электролитического обезжиривания.
Обезжиривание. Назначение обезжиривания – удаление с поверхности полосы жировых и механических загрязнений. Обезжиривание производится бесконтактным анодно–катодным способом в двух ваннах. Ток подводится к анодам–пластинам, выполненным из нержавеющей стали. При этом полоса попеременно в одном проходе каждой ванны является анодом, в другом–катодом. Между проходами в ваннах установлены гуммированные изолирующие перегородки.
При производстве жести белой электролитического лужения контролю подлежат следующие параметры:
? температура обезжиривающего раствора, промывочной воды, дека-пирующего раствора, электролита лужения, раствора флюсования, пассивирующего раствора, воздуха для сушки, охлаждающей воды в ванна закалки, пара, горячей воды, холодной воды, обессоленной воды, упариваемого раствора;
? давление обезжиривающего раствора, промывочной воды, декапи-рующего раствора, электролита лужения, пассивирующего раствора, пара, горячей воды, холодной воды, сжатого воздуха;
? расход: холодной химочищенной воды на промывку после обезжиривания, обессоленной воды на промывку после декапирования и пассивации, суммарные расходы горячей и холодной воды, обессоленной и охлаждающей воды, сжатого воздуха;
? сила тока, подаваемого на ванны обезжиривания, декапирования, лужения, пассивации;
? скорость движения полосы;
? масса оловянного покрытия.
Агрегат электролитического лужения состоит из трех участков [4]:
? входной участок агрегата электролитического лужения предназначен для размотки рулонов жести, сварки их между собой, а также создания запаса полосы, необходимого для обеспечения бесперебойной работы химического участка во время сварки полос;
? химический участок агрегата электролитического лужения предназначен для очистки поверхности полосы от жировых и механических загрязнений и удаления окислов электрохимическим способом, нане¬сения оловянного покрытия, оплавления, пассивации, электростатического промасливания, промывки и сушки полосы между отдельными операциями, и также центрирования полосы относительно оси агрегата;
? выходной участок предназначен для намотки луженой жести в рулоны.
Агрегаты электролитического лужения жести предназначены для нанесения оловянного покрытия на стальную основу электролитическим способом путем превращения электрической энергии в энергию химических реакций. При этом в качестве катода используется стальная полоса, движущаяся в растворе электролита, а в качестве анода - оловянные стержни расположенные равномерно по ширине листа. Агрегат включает в себя входную технологическую и выходную секции [5].
Назначение входной секции - это обеспечение безостановочной работы агрегата в течение длительного времени. Из входной секции, предназначенной для накопления рулонов, обрезки деформированных рулонов соединения полос в непрерывную ленту создания запаса полосы, подготовки поверхности стальной полосы полоса проходит в ванны для выполнения процесса лужения.
Выходная секция предназначена для обеспечения безостановочной работы агрегата, контроля качества готовой продукции и смотки полосы в рулоны.
В технологической секции агрегата сосредоточены процессы необходимые для получения качественной электролитически луженой жести. Обрабатываемая полоса пропускается петлеобразно через ванны, огибая при этом верхние токопроводящие хромированные и нижние гуммированные ролики, погруженные в электролит. Ток в электролит подводится оловянными анодами, которые навешаны на мостики. Управление процессом электролитического лужения осуществляется за счет регулирования величины суммарного тока. Толщина нанесенного оловянного покрытия зависит от скорости движения полосы, ширины полосы величины тока, приложенного к электродам, коэффициента выхода по току и содержания ионов олова в электролите.
На агрегатах АЭЛ-1400 (1200) исполнительное устройство (ИУ), осуществляющее изменение тока в ваннах, реализовано следующим образом, управляющее воздействие от регулятора тока i ванны Мi (t) подается на вход системы импульсно фазового управления углом открывания (величиной тока) тиристорного преобразователя.
Полупроводниковые кремниевые выпрямители (тиристоры) применяются для питания и регулирования величины постоянного тока в ваннах агрегата электролитического лужения. Силовая часть выпрямителя выполнена с уравнительным реактором. Средняя точка уравнительного реактора соединена с токоведущими роликами агрегата электролитического лу¬жения. Положительным полюсом выпрямителя (идущим на анодные стержни) является общая точка катодов вентилей.
Толщина покрытия жести определяет расход олова, качество лужения жести, экономическую эффективность агрегатов и систем управления. В системе автоматического регулирования (САР) ТПЖ, длительное время эксплуатирующейся на предприятии, регулирование толщины оловянного покрытия осуществлялось путем изменения суммарного тока ванн, а выходной сигнал измерялся радиоактивным измерителем толщины покрытия, установленным за накопителем выходной секции агрегата.
Основной динамической характеристикой подобной САР, а также агрегата АЭЛ—1400, как о6ъекта автоматического управления, является наличие запаздывания, обусловленного временем нанесения оловянного покрытия в ваннах лужения и движения полосы до измерителя толщины покрытия.
Транспортное запаздывание при скорости прохождения полосы через агрегат 3 м/с, достигает 50-60с. [6]
Проведенный в работе анализ влияния различных факторов на качество лужения жести показал следующее:
? отклонение толщины покрытия в первом приближении линейно зависит от тока в ваннах и скорости движения полосы;
? отклонения температуры и концентрации ионов олова мало влияют на отклонения толщины покрытия;
? использование измерителя толщины покрытия с абсолютной погрешностью измерения ?n = ±0,03 мкм и измерительных приборов с относительной погрешностью 1,5 % позволяет уменьшить перерасход олова по всем классам луженой жести (приращение к верхнему пределу средне-квадратичного отклонения толщины покрытия жести уменьшается в 15 раз).
? использование в силовой части системы, автоматического регулирования суммарного тока лужения, тиристорные управляемые выпрямители позволяет уменьшить составляющую погрешности толщины покрытия, вносимую САР с 4% до 0,6%. Тогда с учетом погрешности измерительных приборов 1,5 % и нового измерителя толщины покрытия, удается обеспечить отклонение толщины покрытия жести в допустимых диапазонах.
Для электролитических процессов агрегата лужения, а именно, для обезжиривания полосы, травления, лужения и пассивации применяются кремневые выпрямители.
Лужение осуществляется в восьми ваннах, к каждой из которых присоединено по два выпрямителя. Положительные полюса соединены с электродами и ванной, отрицательные полюса - с транспортными роликами.
Один выпрямитель соединен с внутренним электродом ванны для лужения верхней стороны полосы, а другой - с вешним электродом для лужения нижней стороны полосы.
Такая схема включения применяется для того, чтобы была возможность получать необходимую толщину покрытия на верхней и нижней поверхности полосы.
Толщина оловянного слоя зависит от скорости прохождения полосы через ванны лужения и тока выпрямителей, поэтому ток и скорость регулируются на среднем участке агрегата таким образом, чтобы полоса поступающая заказчику имела заданную толщину оловянного слоя.
Регулирование тока каждого выпрямителя производится с помощью индивидуального индукционного регулятора, снабженного сервомеханизмом. При повороте индукционного регулятора изменятся напряжение выпрямителя, а следовательно и ток выпрямителя. Рабочее регулирование тока выпрямителя первой ванны осуществляется автоматически, в зависимости от скорости полосы, толщины олова на верхней и нижней стороне полосы. Регулирование производится регулятором тока выпрямителей ванн. Регулятор управляет восьмью выпрямителями с автоматическим регулированием. Обратная связь по току осуществляется через датчик тока. Включение всех выпрямителей производится со схемы регулятора тока выпрямителей при достижении скорости полосы 0,5 м/сек. Отключение производится при замедлении полосы до скорости 0,5 м/сек.
Следует отметить, что включение второй ванны производится только по специальному разрешению технологов. В других случаях вторая ванна не включается. Разрешение на включение производится с схемы регулятора тока выпрямителей ванн [7].
Отключение производится в обратном порядке: сначала третья, затем четвёртая и т.д. восьмая, затем вторая и наконец первая ванна. Отключение выпрямителей производится только тогда, когда индукционный регулятор возвратиться в исходное положение (т.е. при минимальном токе выпрямителей).
Как было сказано ранее выпрямители в ваннах лужения делятся на выпрямители лужения верхней поверхности полосы и выпрямители лужения нижней поверхности полосы.
Причём регулирование тока производится совместно целой группой выпрямителей - верхней поверхности полосы и целой группой - нижней поверхности полосы. В схеме регулятора тока выпрямителей имеется узел коррекции оловянного слоя, как нижней, так и верхней поверхности полосы.
В настоящее время ИС (информационная система) в цехе холодной прокатки состоит из ряда объединённых локальных систем. Данная система предназначена для управления всем ходом технологического процесса, начиная от подачи исходного материала на склад и со склада и заканчивая поступлением проката на склад готовой продукции.
Каждая локальная система имеет многочисленные и разнообразные приборы-датчики, собирающие и передающие информацию о ходе технологического процесса, в том числе о температуре металла, давлении металла на валки (прокатно-дрессировочного стана) ПДС, параметрах обрабатываемого материала, в частности о размерах прокатываемого профиля, его положении и характере перемещения. Вся эта информация поступает в вычислительные машины локальных систем, где перерабатывается, после чего выдаются команды для управления машинами и механизмами прокатно-дрессировочного стана относящимися к данной локальной системе, а также информация общей вычислительной машине, объединяющей локальные системы, для соответствующей корректировки работы машин и механизмов др. участков ПДС, управляемых остальными локальными системами. Одна из главных задач автоматизации (и экономически наиболее выгодная) — автоматизация регулирования размеров прокатываемого профиля, осуществляемая путём соответствующего автоматического изменения междувалкового пространства на основании показаний непрерывно действующего измерителя размеров профиля.
1.2 Задачи автоматизированной системы управления технологическим процессом
Нормальное функционирование новых, высокопроизводительных цехов холодной прокатки невозможно без использования автоматических систем управления технологическим процессом (АСУ ТП). На рисунке 1. показана функциональная схема АСУ ТП, основными функциями которой является [8]:
- подготовка стана;
- расчёты;
- управление темпом, прокаткой;
? слежение за процессом;
? коррекция программы и подстройка.
Рисунок 1.1 - Функциональная схема задач АСУ ТП
Применение АСУ дает положительные результаты на всех переделах. Наряду с расчленением АСУ ТП всего цеха на отдельные участковые АСУ ТП в соответствии с ходом технологического процесса, можно произвести выделение одинаковых функциональных уровней в каждой участковой АСУ ТП. Функциональная схема АСУ ТП представлена на рисунке 2.
Рисунок 1.2 - Структура распределенной АСУ ТП
На первом уровне обеспечивается дистанционное управление автоматизированными приводами (АП) с постов управления, причём операторы осуществляют пуск и торможение электропривода или только пуск. В последнем случае сигнал на торможение подаётся автоматически в функции положения механизма или прокатываемого металла. Формирование переходных процессов, оптимизированных по заданному критерию, обеспечивается системой электропривода.
Второй уровень структуры предназначен для управления отдельными механизмами и агрегатами (ПУТП (пост управления техническими процессами) по жёстким программам, выбираемым операторами.
Третий уровень оптимизирует управление второго уровня на основе моделей процесса, в том числе модели зоны деформации. Данная структура обусловлена надёжным управлением отдельными технологическими участками, возможностью поэтапного ввода и наращивания задач автоматизации, как по вертикали (уровни АСУ), так и по горизонтали (технологические участки стана), а также хорошей приспособленностью к широкому использованию ЭВМ.
Исходя из требований обеспечения надёжности, каждый уровень АСУ может функционировать самостоятельно, поэтому вывод из работы верхних уровней не вызывает прекращения функционирования первого и второго уровней. Как правило, 2 уровень структуры обеспечивает управление ТП по жестким программам, выбираемым оператором, а 3 уровень оптимизирует управление 2 уровня уже без участия оператора.
Качество выпускаемой продукции в решающей степени зависит от работы автоматических систем, управляющих самим процессом прокатки.
К их числу относятся:
? система автоматического регулирования толщины полосы (САРТ);
? система автоматического регулирования натяжения (САРН);
- система автоматического регулирования профиля и формы полосы (САРПФ);
- система автоматической подачи смазочно-охлаждающей жидкости (САПОЖ).
В задачу САРТ входит обеспечение постоянства толщины прокатываемых полос, исключение значительных колебаний по толщине. Работа этой системы осуществляется посредством воздействия на нажимные устройства, а также путем изменения межклетевых натяжений и скорости вращения валков. По некоторым данным, применение САРТ обеспечивает прокатку 99% длины полосы с отклонениями от заданной толщины не более 1-2 %.
САРН является как бы подсистемой САРТ, работа этих систем тесно взаимосвязана. Поддержание величины натяжений на заданном, оптимальном уровне особенно необходимо в переходных режимах прокатки, например при переходе с заправочной скорости на рабочую. САРПФ воздействует на профиль межвалкового зазора (прокатной щели). Одним из наиболее эффективных средств регулирования в этом случае является применение устройств, для противоизгиба (или принудительного изгиба) валков.
САПОЖ обеспечивает подачу смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) на валки и полосу в необходимом, регулируемом количестве. Подача СОЖ ведется раздельно по зонам, выделенным по длине бочки валков. В задачу САПОЖ входит стабилизация теплового состояния валков в процессе прокатки. Для выполнения этой функции вдоль бочки валков располагаются температурные датчики. Регулирование температуры валков осуществляется с точностью ± 5 °С. «Мозгом» автоматических систем управления являются ЭВМ, которые на современных быстроходных станах составляют мощные вычислительные комплексы. Затраты на автоматизацию станов холодной прокатки окупаются за 2-3 года, не считая тех выгод, которые получает потребитель благодаря применению листовой продукции более высокого качества. Обзор основных дефектов и возможность повышения качества готовой продукции посредством модернизации устаревшего оборудования прокатного стана. Поскольку холоднокатаные листы в основной массе значительно тоньше, чем горячекатаные, на первый план выходят такие дефекты, как поперечная и продольная разнотолщинности, волнистость, коробоватость.
Причинами этих дефектов являются [8]:
? недостаточная профилировка валков;
? отсутствие противоизгиба;
- недостаточный уровень автоматического управления процессом прокатки;
? нарушение сплошности металла.
Основной причиной возникновения дефектов такого рода (дыры, трещины, рваная кромка, плены, расслоения и др.) является плохое качество металла исходной горячекатаной заготовки. Вместе с тем некоторые дефекты типа нарушения сплошности могут возникать в результате неправильного осуществления процесса прокатки. При задаче в валки полос, может возникнуть тенденция к образованию продольной складки, в зоне деформации одна часть полосы смещается относительно другой части. На поверхности металла проступают светлые линии, расположенные под некоторым углом к направлению прокатки. Одной из причин возникновения этого является отсутствие автоматического контроля.
Выше перечисленные причины негативно сказываются на экономических показателях цеха и производства в целом, увеличении времени и затрат на ремонт и восстановление стана, увеличении брака продукции, вследствие чего возникла необходимость в разработке информационной системы для учета износа валков прокатного стана.
1.3 Определение требований к разрабатываемой системе
В рамках работы необходимо разработать многофункциональную интегрированную систему учета износа валков прокатно-дрессировочного стана, которая позволит решать следующие задачи:
? своевременно проводить плановые перевалки;
? контролировать количество неплановых перевалок;
? отследить перемещение того или иного валка по его номеру;
- в любой момент получить информацию о количестве перевалок за период.
Система предполагает отслеживание в ручном или автоматическом режиме обработки рулонов, простоев стана, а так же износа рабочих и опорных валков стана. В автоматическом режиме предполагается прием сигналов от датчиков о начале и конце обработки, начале и конце простоя, о перевалках валков. В ручном режиме оператор должен, сидя на посту, нажимать соответствующие кнопки при начале или конце той или иной операции.
Так как система предполагает работу в реальном режиме времени, система должна автоматически определять дату и смену работы стана, исходя из системных даты и времени, установленных на персональном компьютере. Смена определяется по принципу: с 22 часов до 7 часов – первая смена, с 7 часов до 15 часов – вторая смена, с 15 часов до 22 часов – третья смена. Полученные значения отображаются в верхнем левом углу экрана.
В центре экрана необходимо изобразить клети прокатно-дрессировочного стана, каждая из которых состоит из двух пар валков – пара опорных и пара рабочих валков. В момент начала обработки рулона, оператор должен иметь возможность нажатия соответствующей кнопки, которая должна фиксировать продолжительность операции. Следует предусмотреть возможность ввода данных о рулоне – номер рулона, номер плавки, номер партии, толщину полосы, ширину полосы, марку стали, категорию металла. Во время обработки рулона, стан может остановиться на не продолжительное время, а затем продолжить обработку. В этом случае простой не фиксируется. Если же стан простоял время, дольше положенного по технологическому проекту, фиксируется простой стана с полосой в клетях. Во время простоя пользователю необходимо указать причину, по которой стан остановлен. В списке причин простоя есть четыре записи о перевалках валков:
? плановая перевалка опорных валков;
? неплановая перевалка опорных валков;
? плановая перевалка рабочих валков;
? неплановая перевалка рабочих валков.
При выборе любой из этих причин, программа должна начинать операцию по перевалке валков. Должна быть возможность данные о валках:
? номер клети;
? номер валка;
? диаметр валка.
Программа должна формировать сл
