blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2021-7-519-529blackmet-2150Research ArticleИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И АВТОМАТИЗАЦИЯ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИINFORMATION TECHNOLOGIES AND AUTOMATIC CONTROL IN FERROUS METALLURGYУправление охлаждением стальной полосы при гибком производстве оцинкованного листового прокатаStrip cooling control for flexible production of galvanized flat steelhttps://orcid.org/0000-0001-5337-0951РябчиковМ. Ю.RyabchikovM. Yu.

Михаил Юрьевич Рябчиков, кандидат технических наук, доцент кафедры автоматизированных систем управления

455000, Челябинская обл., Магнитогорск, пр. Ленина, 38

Mikhail Yu. Ryabchikov, Cand. Sci. (Eng.), Assist. Prof. of the Chair of Automated Control Systems

38 Lenina Ave., Magnitogorsk, Chelyabinsk Region 455000

https://orcid.org/0000-0001-6441-1157РябчиковаЕ. С.RyabchikovaE. S.

Елена Сергеевна Рябчикова, кандидат технических наук, доцент кафедры автоматизированных систем управления

455000, Челябинская обл., Магнитогорск, пр. Ленина, 38

Elena S. Ryabchikova, Cand. Sci. (Eng.), Assist. Prof. of the Chair of Automated Control Systems

38 Lenina Ave., Magnitogorsk, Chelyabinsk Region 455000

mika.elena@mail.ruШманевД. Е.ShmanevD. E.

Данил Евгеньевич Шманев, магистр кафедры автоматизированных систем управления

455000, Челябинская обл., Магнитогорск, пр. Ленина, 38

Danil E. Shmanev, Master Student of the Chair of Automated Control Systems

38 Lenina Ave., Magnitogorsk, Chelyabinsk Region 455000

shmanev98@mail.ruКокоринИ. Д.KokorinI. D.

Илья Дмитриевич Кокорин, магистр кафедры автоматизированных систем управления

455000, Челябинская обл., Магнитогорск, пр. Ленина, 38

Il’ya D. Kokorin, Master Student of the Chair of Automated Control Systems

38 Lenina Ave., Magnitogorsk, Chelyabinsk Region 455000

kokorin97mgn@mail.ruМагнитогорский государственный технический университет им. Г.И. НосоваРоссияNosov Magnitogorsk State Technical UniversityRussian Federation202127082021647519529Copyright © Рябчиков М.Ю., Рябчикова Е.С., Шманев Д.Е., Кокорин И.Д., 20212021Рябчиков М.Ю., Рябчикова Е.С., Шманев Д.Е., Кокорин И.Д.Ryabchikov M.Y., Ryabchikova E.S., Shmanev D.E., Kokorin I.D.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/2150

Работа посвящена проблеме гибкого мелкосерийного производства оцинкованного проката различного сортамента на агрегате непрерывного горячего оцинкования при переменной производительности. Основное внимание уделено термической обработке стальной полосы, требования к которой ограничивают производительность. В условиях возмущений необходимо упреждающее управление термообработкой с применением моделей, либо снижение скорости движения полосы для гарантированного выполнения требований. В отличие от большинства работ, где сделан акцент на управлении нагревом и выдержкой, данная работа посвящена охлаждению полосы. На основе анализа производственных данных Магнитогорского металлургического комбината показано, что нарушение требований к охлаждению влечет появление дефектов цинкового покрытия. Приведена зависимость вероятности возникновения дефектов от температуры полосы. Сформулированы задачи упреждающего управления охлаждением с применением моделей в условиях отсутствия контроля температуры рабочего пространства в отделении охлаждения. Для каждой из задач определены структура модели и способ ее настройки по данным, накопленным за значительный период работы агрегата в условиях неконтролируемых систематических возмущений. Предложена структура системы управления охлаждением с применением в качестве регулируемой переменной оценки температуры рабочего пространства, определяемой по модели. Продемонстрировано, что отсутствие контроля температуры рабочего пространства в отделении охлаждения не является проблемой при управлении с варьированием производительности. Приведены результаты настройки моделей по данным агрегата непрерывного горячего оцинкования Магнитогорского металлургического комбината. Предложенные структуры моделей, а также способы их настройки могут быть применены и при разработке моделей нагрева металла в печах.

The work is devoted to the problem of flexible small-scale production of galvanized steel of various sizes on a continuous hot-dip galvanizing unit with varying productivity. The main focus is on the heat treatment of steel strip, the requirements for which limit productivity. In conditions of disturbances, it is necessary to proactively control the heat treatment using models, or to reduce the speed of the strip to ensure that the requirements are met. Unlike most of the works that focus on heat control, this work focuses on strip cooling. Based on the analysis of production data of the Magnitogorsk Iron and Steel Works, it is shown that violation of the cooling requirements leads to the appearance of defects in the zinc coating. Dependence of the probability of defects occurrence on the strip temperature is given. Problems of cooling predictive control are formulated using models in the absence of temperature control of the cooling section cavity. For each of the tasks, the model structure and the method of its tuning are determined according to the data accumulated over a significant period of the unit operation under conditions of uncontrolled systematic disturbances. The structure of the cooling control system is proposed by estimation of the cooling section cavity temperature as a controlled variable. The temperature estimate is determined from the model. The lack of measurement of the cooling section cavity temperature is not a problem then varying productivity. The results of the models tuning are presented according to the data of the Magnitogorsk Iron and Steel Works continuous hot-dip galvanizing unit. The proposed structures of the models and methods for their adjustment can be applied in the development of models for metal heating in furnaces.

оцинкованиестальная полосаохлаждениеуправлениемодельбольшие данныедефекты покрытиягибкое производствопроизводительностьgalvanizingsteel stripcoolingcontrolmodelbig datacoating defectsflexible productionproductivityReferencesНикифоров Б.А., Салганик В.М., Денисов С.В., Стеканов П.А. Освоение производства высокопрочного проката для автомобилестроения в ОАО «ММК» // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2006. № 4. С. 41‒45.Nikiforov B.A., Salganik V.M., Denisov S.V., Stekanov P.A. Commercial production of high-strength rolled products for the automotive industry at MMK JSC. Vestnik Magnitogorskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. G.I. Nosova. 2006, no. 4(16), pp. 41–45. (In Russ.).Марков Д.А., Маркова Н.А. Быстрореагирующее производство как концепция повышения конкурентоспособности предприятия // Вестник ПНИПУ. Социально-экономические науки. 2016. № 2. C. 182‒192.Markov D.A., Markova N.A. Quick response manufacturing as a concept of enterprise competitiveness increase. Vestnik PNIPU. Sotsial’no-ekonomicheskie nauki. 2016, no. 2, pp. 182–192. (In Russ.).Sundaramoorthy S., Phuong Q., Gopalakrishnan B., Latif H.H. Heat balance analysis of annealing furnaces and zinc pot in continuous hot dip galvanizing lines // Energy Engineering. 2016. Vol. 113. No. 2. P. 12‒47. https://doi.org/10.1080/01998595.2016.11668651Sundaramoorthy S., Phuong Q., Gopalakrishnan B., Latif H.H. Heat balance analysis of annealing furnaces and zinc pot in continuous hot dip galvanizing lines. Energy Engineering. 2016, vol. 113, no. 2, pp. 12–47. https://doi.org/10.1080/01998595.2016.11668651Ryabchikov M.Yu. Selection of steel strip annealing energy-saving conditions in view of the substandard products share // Journal of Chemical Technology and Metallurgy. 2020. Vol. 55. No. 1. P. 182‒191.Ryabchikov M.Yu. Selection of steel strip annealing energy-saving conditions in view of the substandard products share. Journal of Chemical Technology and Metallurgy. 2020, vol. 55, no. 1, pp. 182–191.Рябчиков М.Ю., Самарина И.Г. Изучение режимов нагрева стальной полосы в протяжной печи башенного типа для светлого отжига // Металлообработка. 2013. № 1 (73). С. 43‒49.Ryabchikov M.Yu., Samarina I.G. Study of steel strip heating modes in a tower strand-type furnace for bright annealing. Metallobrabotka. 2013, no. 1(73), pp. 43–49. (In Russ.).Рябчиков М.Ю., Кокорин И.Д. Настройка модели отжига полосы в протяжных печах по данным в форме приращений // Динамика сложных систем – XXI век. 2019. № 3. С. 46‒56.Ryabchikov M.Yu., Kokorin I.D. Setting of a model of strip annealing in strand-type furnaces according to the data in form of increments. Dinamika slozhnykh sistem – XXI vek. 2019, no. 3(13), pp. 46–56. (In Russ.).Guo Ch., Zhang Y., You X., Chen X., Zhang Y. Optimal control of process continuous annealing using PSO // Proceedings of the IEEE Int. Conf. on Automation and Logistics. 2009. P. 602‒606. http://doi.org/10.1109/ICAL.2009.5262851Guo Ch., Zhang Y., You X., Chen X., Zhang Y. Optimal control of continuous annealing process using PSO. In: Proceedings of the IEEE Int. Conf. on Automation and Logistics. 2009, pp. 602–606. http://doi.org/10.1109/ICAL.2009.5262851Wang Z., Wang X. Multiobjective multifactorial operation optimization for continuous annealing production process // Industrial & Engineering Chemistry Research. 2019. Vol. 58. No. 41. P. 19166−19178. http://doi.org/10.1021/acs.iecr.9b03399Wang Z., Wang X. Multiobjective multifactorial operation optimization for continuous annealing production process. Industrial & Engineering Chemistry Research. 2019, vol. 58, no. 41, pp. 19166–19178. http://doi.org/10.1021/acs.iecr.9b03399Shi H., Guo L., Wang Y., Li F., Shi Q. Optimization of temperature setting in heating section by multi-objective particle swarm // Journal of Shenyang Jianzhu University (Natural Science). 2018. Vol. 34. No. 4. P. 733‒740. https://doi.org/10.11717/j.issn:2095-1922.2018.04.19Shi H., Guo L., Wang Y., Li F., Shi Q. Optimization of temperature setting in heating section by multi-objective particle swarm. Journal of Shenyang Jianzhu University (Natural Science). 2018, vol. 34, no. 4, pp. 733–740. https://doi.org/10.11717/j.issn:2095-1922.2018.04.19Strommer S., Niederer M., Steinboeck A., Kugi A. Hierarchical nonlinear optimization-based controller of a continuous strip annealing furnace // Control Engineering Practice. 2018. No. 73. P. 40–55. http://doi.org/10.1016/j.conengprac.2017.12.005Strommer S., Niederer M., Steinboeck A., Kugi A. Hierarchical nonlinear optimization-based controller of a continuous strip annealing furnace. Control Engineering Practice. 2018, vol. 73, pp. 40–55. http://doi.org/10.1016/j.conengprac.2017.12.005Niederer M., Strommer S., Steinboeck A., Kugi A. Nonlinear model predictive control of the strip temperature in an annealing furnace // Journal of Process Control. 2016. Vol. 48. P. 1–13. http://doi.org/10.1016/j.jprocont.2016.09.012Niederer M., Strommer S., Steinboeck A., Kugi A. Nonlinear model predictive control of the strip temperature in an annealing furnace. Journal of Process Control. 2016, vol. 48, pp. 1–13. http://doi.org/10.1016/j.jprocont.2016.09.012Strommer S., Niederer M., Steinboeck A., Jadachowskit L., Kugi A. Nonlinear observer for temperatures and emissivities in a strip annealing furnace // IEEE Industry Applications Society Annual Meeting. 2016. http://doi.org/10.1109/IAS.2016.7731914Strommer S., Niederer M., Steinboeck A., Jadachowskit L., Kugi A. Nonlinear observer for temperatures and emissivities in a strip annealing furnace. IEEE Industry Applications Society Annual Meeting. 2016. http://doi.org/10.1109/IAS.2016.7731914Wu H., Speets R., Ozcan G., Ekhart R., Heijke R., Nederlof C., Boeder C.J. Non-linear model predictive control to improve transient production of a hot dip galvanising line // Ironmaking & Steelmaking. 2016. Vol. 43. No. 7. P. 541‒549. http://doi.org/10.1080/03019233.2015.1126687Wu H., Speets R., Ozcan G., Ekhart R., Heijke R., Nederlof C., Boeder C.J. Non-linear model predictive control to improve transient production of a hot dip galvanising line. Ironmaking & Steelmaking. 2016. vol. 43, no. 7, pp. 541–549. http://doi.org/10.1080/03019233.2015.1126687Martínez-de-Pisón F.J., Celorrio L., Pérez-de-la-Parte M., Castejón M. Optimising annealing process on hot dip galvanising line based on robust predictive models adjusted with genetic algorithms // Ironmaking and Steelmaking. 2011. Vol. 38. No. 3. P. 218‒228. http://doi.org/10.1179/1743281210Y.0000000001Martínez-de-Pisón F.J., Celorrio L., Pérez-de-la-Parte M., Castejón M. Optimising annealing process on hot dip galvanising line based on robust predictive models adjusted with genetic algorithms. Ironmaking and Steelmaking. 2011, vol. 38, no. 3, pp. 218–228. http://doi.org/10.1179/1743281210Y.0000000001Hajaliakbari N., Hassanpour S. Analysis of thermal energy performance in continuous annealing furnace // Applied Energy. 2017. Vol. 206. P. 829–842. http://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.08.246Hajaliakbari N., Hassanpour S. Analysis of thermal energy performance in continuous annealing furnace. Applied Energy. 2017, vol. 206, pp. 829–842. http://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.08.246Yoshitani N., Hasegawa A. Model-based control of strip temperature for the heating furnace in continuous annealing // IEEE Transactions on Control Systems Technology. 1998. Vol. 6. No. 2. P. 146‒156. https://doi.org/10.1109/87.664182Yoshitani N., Hasegawa A. Model-based control of strip temperature for the heating furnace in continuous annealing. IEEE Transactions on Control Systems Technology. 1998, vol. 6, no. 2, pp. 146–156. https://doi.org/10.1109/87.664182Tian Y.-C., Hou C.-H., Gaol F. Mathematical model of a continuous galvanizing annealing furnace // Developments in Chemical Engineering and Mineral Processing. 2000. Vol. 8. No. 3. P. 359‒374. https://doi.org/10.1002/apj.5500080314Tian Y.-C., Hou C.-H., Gaol F. Mathematical model of a continuous galvanizing annealing furnace. Developments in Chemical Engineering and Mineral Processing. 2000, vol. 8, no. 3, pp. 359–374. https://doi.org/10.1002/apj.5500080314Bitschnau L., Jakubek S., Kozek M. Constrained model predictive control of a continuous annealing furnace // Proceedings of the ASME 2010 Dynamic Systems and Control Conf., DSCC2010. 2010. Vol. 2. P. 285‒292. https://doi.org/10.1115/DSCC2010-4129Bitschnau L., Jakubek S., Kozek M. Constrained model predictive control of a continuous annealing furnace. Proceedings of the ASME 2010 Dynamic Systems and Control Conference, DSCC2010. 2010, vol. 2, pp. 285–292. https://doi.org/10.1115/DSCC2010-4129Bitschnau L., Kozek M. Modeling and control of an industrial continuous furnace // International Conference on Computational Intelligence. Modelling and Simulation. 2009. P. 231‒236. http://doi.org/10.1109/CSSim.2009.26Bitschnau L., Kozek M. Modeling and control of an industrial continuous furnace. International Conference on Computational Intelligence. Modelling and Simulation. 2009, pp. 231–236. http://doi.org/10.1109/CSSim.2009.26Рябчиков М.Ю., Рябчикова Е.С., Кокорин И.Д. Система стабилизации температуры в нагревательной печи с применением скользящего регулирования и нечеткой логики // Мехатроника, автоматизация, управление. 2020. Т. 21. № 3. С. 143‒157. http://doi.org/10.17587/mau.21.143-157Ryabchikov M.Yu., Ryabchikova E.S., Kokorin I.D. System of temperature stabilization in a heating furnace based on sliding mode control and fuzzy logic. Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie. 2020, vol. 21, no. 3, pp. 143–157. (In Russ.). http://doi.org/10.17587/mau.21.143-157

The authors declare that there are no conflicts of interest present.