Управление охлаждением стальной полосы при гибком производстве оцинкованного листового проката

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.

1. Никифоров 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.

2. Марков Д.А., Маркова Н.А. Быстрореагирующее производство как концепция повышения конкурентоспособности предприятия // Вестник ПНИПУ. Социально-экономические науки. 2016. № 2. C. 182‒192.

3. 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/10.1080/01998595.2016.11668651

4. 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. P. 182‒191.

5. 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.

6. 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.

7. 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.2009.5262851

8. Wang 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.9b03399

9. Shi 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:2095-1922.2018.04.19

10. Strommer 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.2017.12.005

11. Niederer 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.2016.09.012

12. Strommer 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.2016.7731914

13. Wu 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/10.1080/03019233.2015.1126687

14. Martínez-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.0000000001

15. Hajaliakbari 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.2017.08.246

16. Yoshitani 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/10.1109/87.664182

17. Tian 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.5500080314

18. Bitschnau 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/DSCC2010-4129

19. Bitschnau 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.2009.26

20. Рябчиков 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.21.143-157