Модели для упреждающего управления тепловыми процессами термической обработки стали на агрегатах непрерывного горячего оцинкования

Рассмотрены проблемы разработки моделей для упреждающего управления тепловыми процессами в многозонных нагревательных печах при термической обработке стальной полосы на агрегатах непрерывного горячего оцинкования. Сложность разработки таких моделей обусловлена тремя причинами. Первой является значительная инерция объекта, что затрудняет анализ тепловых балансов зон в условиях неизвестных возмущений, вызванных непостоянством параметров тепловых потерь и межзонного теплообмена. Вторая причина заключается в отсутствии объективной информации о теплообмене между металлом и рабочим пространством печи в отдельных зонах, так как контроль температуры металла обычно происходит только на входе в секции термической обработки и на выходе из них. Третьей причиной является то, что результаты измерений температуры рабочего пространства зоны лишь приближенно характеризуют ее фактическое температурное состояние. С учетом указанных причин для упреждающего управления тепловыми процессами предложены два вида моделей. Модели первого вида используют для оценки температур рабочего пространства зон по данным перед технологическим возмущением, а также для прогноза температуры полосы. Модели второго вида предназначены для прогнозирования оценок температур рабочего пространства зон при изменении сортамента, скорости линии, расходов топлива и воздуха. Модели второго вида оперируют сигналами, представленными в виде приращений относительно начального момента для рассматриваемого периода времени. Модели предназначены для решения таких задач, как робастное управление; своевременный учет технологических ограничений, связанных с мощностью систем нагрева и охлаждения; планирование и упреждающее управление переходными процессами для энергосбережения путем уменьшения перегрева металла; оптимизация тепловых нагрузок по зонам секций термической обработки на основе наблюдателя тепловых потерь. Предложена система робастного управления температурой рабочего пространства зон, основанная на структуре системы со многими степенями свободы, где прямое разомкнутое управление с применением модели скомбинировано с регулированием по отклонению. Рассмотрены способы применения модели при оптимизации распределения тепловых нагрузок по зонам печи. В качестве примера приведены результаты настройки модели для секции термической выдержки агрегата непрерывного горячего оцинкования № 1 ПАО «ММК». По результатам настройки показаны пределы вариации динамических параметров объекта управления.

Литература

[1] Никифоров Б.А., Салганик В.М., Денисов С.В. и др. Освоение производства высокопрочного проката для автомобилестроения в ОАО «ММК». Вестник магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова, 2006, № 4, с. 41–45.

[2] Chavan R.R. Analysis of energy consumption in continuous galvanizing lines. Master of science thesis. West Virginia University, 2006. 83 p.

[3] Sundaramoorthy S., Phuong Q., Gopalakrishnan B. et al. Heat balance analysis of annealing furnaces and zinc pot in continuous hot dip galvanizing lines. Energy Eng., 2016, vol. 113, no. 2, pp. 12–47, doi: https://doi.org/10.1080/01998595.2016.11668651

[4] Niederer M., Strommer S., Steinboeck A. et al. Nonlinear model predictive control of the strip temperature in an annealing furnace. J. Process Control, 2016, vol. 48, pp. 1–13, doi: https://doi.org/10.1016/j.jprocont.2016.09.012

[5] Guo C., Zhang Y., You X. et al. Optimal control of continuous annealing process using PSO. Proc. IEEE Int. Conf. on Automation and Logistics, 2009, pp. 602–606, doi: http://doi.org/10.1109/ICAL.2009.5262851

[6] Wang Z., Wang X. Multiobjective multifactorial operation optimization for continuous annealing production process. Ind. Eng. Chem. Res., 2019, vol. 58, no. 41, pp. 19166?19178, doi: http://doi.org/10.1021/acs.iecr.9b03399

[7] Shi H., Guo L., Wang Y. et al. Optimization of temperature setting in heating section by multi-objective particle swarm. Journal of Shenyang Jianzhu University (Natural Science), 2018, vol. 34, pp. 733–740.

[8] Ryabchikov Yu.M. Selection of steel strip annealing energy-saving conditions in view of the substandard products share. J. Chem. Technol. Metall., 2020, vol. 55, no. 1, pp. 182–191.

[9] Ryabchikov M.Y., Ryabchikova E.S., Shmanev D.E. et al. Strip cooling control for flexible production of galvanized flat steel. Steel Transl., 2021, vol. 7, no. 51, pp. 446–455, doi: https://doi.org/10.3103/S0967091221070081

[10] Рябчиков М.Ю. Выбор структуры и критерия адаптации модели нагрева стальной полосы в протяжных печах. Вестник МГТУ Станкин, 2018, № 1, с. 66–75.

[11] Kazuhiro Yahiro, Hiroyasu Shigemori, Kazuhiro Hirohata. Development of strip temperature control system for a continuous annealing line. Proc. IECON ‘93 — 19th Annual Conf. of IEEE Industrial Electronics, 2002, pp. 481–486, doi: https://doi.org/10.1109/IECON.1993.339029

[12] «Северсталь» применяет цифровые технологии собственной разработки для производства оцинкованного проката. cntd.ru: веб-сайт. URL: https://cntd.ru/news/read/severstal-primenyaet-cifrovye-tehnologii-sobstvennoy-razrabotki-dlya-proizvodstva-ocinkovannogo-prokata (дата обращения: 15.10.2023).

[13] Рябчиков М.Ю., Рябчикова Е.С., Новак В.С. Гибридная модель для упреждающего управления температурой металла при горячем оцинковании стальной полосы. Мехатроника, автоматизация, управление, 2023, т. 24, № 8, с. 421–432, doi: https://doi.org/10.17587/mau.24.421-432

[14] Рябчиков М.Ю., Барков Д.С.Х., Рябчикова Е.С. Управление нагревом металла в методических печах с учетом распределения внешних тепловых потерь по длине печи. Металлообработка, 2016, № 6, с. 38–47.

[15] 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, doi: https://doi.org/10.17587/mau.21.143-157