Исследование петлевого устройства стана 1700 ПХЛ ОАО "Северсталь" и разработка метода, позволяющего с высокой степенью точности определять положение сварного шва в петлевом устройстве

- передачи информации со скоростью до 12 Мбит/с. Расстояние между двумя смежными станциями или узлами MPI сети может составлять 50 м без повторителей, 1100 м с двумя повторителями, 9100 м с 10 повторителями. При использовании волоконно-оптической линии связи передача информации может производиться на расстояние до 23.8 км.

- обеспечения гибкого расширения системы. В MPI конфигурациях могут быть использованы шинные соединители и повторители RS 485, с помощью которых к сети могут быть подключены устройства распределенного ввода-вывода, а также увеличено расстояние между двумя любыми узлами сети.

Рис. 13. Сеть MPI

3) Коммуникационный процессор CP 441-2

Коммуникационный процессор СР 441-2 предназначен для организации скоростного обмена данными в последовательном формате по PPI интерфейсу. PPI соединение позволяет организовать связь:

- между программируемыми контроллерами SIMATIC S7 и SIMATIC S5, а также контроллерами других производителей;

- с персональными компьютерами и программаторами;

- с принтерами;

- с системами управления роботами;

- со сканнерами, считывателями штрих кодов и т.д.

СР 441-2 содержит два скоростных PPI интерфейса.

Конструкция:

Модули выпускаются в пластиковых корпусах. На их лицевых панелях расположены светодиоды «Send» (передача), «Receive» (прием) и «Error» (ошибка). В корпусе модуля CP 441-2 установлены два интерфейсных субмодуля. Интерфейсные субмодули выпускаются в нескольких вариантах и обеспечивают передачу данных по интерфейсам RS 232C (V.24), RS 422/485 (Х.27) или 20мА токовой петле (TTY).

Функции:

Модуль CP 441-2 способен поддерживать несколько протоколов передачи данных:

- 3964 (R): для связи с приборами и устройствами производства фирмы SIEMENS.

- RK 512: для связи с компьютерами

- Драйвер принтера: для управления работой принтера

- ASCII: для простой связи с аппаратурой других фирм

- Определяемый пользователем протокол

Параметрирование:

- Конфигурирование с помощью утилит, встроенных в STEP 7: выбор протокола передачи и установка необходимых настроек драйверов.

- Конфигурирование через центральный процессор контроллера: К центральному процессору подключается программатор, который связывается с коммуникационным процессором по К-шине. Параметры конфигурирования записываются в блок данных и сохраняются в карте памяти центрального процессора. При замене коммуникационного процессора новый модуль использует эти данные для настройки и немедленно вступает в работу.

- Экранные формы параметрирования: позволяют выполнять все необходимые операции по настройке параметров связи, используя экранные формы и описание.

В системе слежения за координатой сварного шва данный коммуникационный процессор предназначен для связи с толщиномерами.

4) Коммуникационный процессор 443-1 IT

Назначение:

Коммуникационный процессор CP 443-1 IT предназначен для подключения контроллеров SIMATIC S7-400 к сети Industrial Ethernet. Скорость передачи данных может составлять 10/100 Мбит/с. Он способен работать в комбинированном режиме, обеспечивая выполнение S7, PG/OP и IT функций связи, а также S5-совместимой связи через ISO и TCP/IP. Переключение интерфейсов AUI (Attachment Unit Interface - интерфейс подключаемого устройства) и ITP (Industrial Twisted Pair - промышленная витая пара) выполняется автоматически. Модуль обеспечивает поддержку Web функций и доступ к данным через стандартный броузер, а также передачу сообщений по электронной почте. Модуль обеспечивает возможность обмена данными:

- c программаторами и устройствами человеко-машинного интерфейса;

- c другими системами автоматизации SIMATIC S7;

- c системами автоматизации SIMATIC S5.

Конструкция:

Модуль выпускается в пластиковом корпусе и оснащен встроенным микропроцессором. На лицевой панели модуля расположено 15-полюсное гнездо соединителя D-типа для подключения к сети (AUI/ITP), а также гнездо RJ 45 для подключения к 10BaseT или 100BaseTX. Он устанавливается в любой свободный разъем монтажной стойки и подключается к контроллеру через его внутреннюю шину. Модуль работает с естественным охлаждением и не требует использования буферных защитных батарей.

Функции:

- Связь с программирующими устройствами;

- Связь с устройствами человеко-машинного интерфейса;

- Связь с другими системами SIMATIC S7;

- Интернет-сервер: HTML-страницы могут загружаться и просматриваться стандартными браузерами.

- Интернет-страницы по умолчанию: для наблюдения за контроллером S7-400. Эти страницы можно создать любыми средствами HTML.

- E-mail: Сообщения отправляются из пользовательской программы через вызовы функции FC.

Конфигурирование:

Для конфигурирования CP 441-1 IT необходим пакет STEP 7 с NCM S7 для Industrial Ethernet V5.0 или более поздних версий. Параметры настройки коммуникационных процессоров могут быть сохранены в памяти центрального процессора контроллера. Это позволяет сохранять параметры настройки при сбоях в питании контроллера, а также производить замену коммуникационных процессоров без их повторного конфигурирования. При запуске контроллера центральный процессор передает в коммуникационный процессор все необходимые параметры настройки. Программирование и конфигурирование всех сетевых станций SIMATIC S7 может выполняться дистанционно через сеть. WWW страницы создаются стандартными редакторами и загружаются в модуль стандартными инструментальными средствами (FTP).

5) Коммуникационный процессор 443-5

Коммуникационный процессор CP 443-5 требуется SIMATIC S7-400 для присоединения к PROFIBUS-DP и выполнения функций ведущего сетевого устройства. Он уменьшает загрузку центрального процессора задачами коммуникации и также поддерживает широкий ранг коммуникационных задач. При использовании коммуникационных модулей коммуникационные возможности S7-400 позволяют:

- интерфейс master для PROFIBUS-DP в соответствии EN 50 170.

- коммуникации с программаторами и системами человеко-машинного интерфейса.

- коммуникации с другими системами SIMATIC S7.

- коммуникации с SIMATIC S5 PLC.

- количество коммуникационных процессоров, которое должно использоваться в системе определяется функциональным объемом ЦПУ и используемыми сервисами.

Конструкция:

Коммуникационный процессор CP 443-5 выполнен в дизайне семейства SIMATIC S7-400:

- конструкция компактна: 9-pin sub-D гнездо для подключения к PROFIBUS;

- модуль одинарной ширины;

- простая установка: CP 443-5 устанавливается в в любые свободные разъемы монтажной стойки S7-400 и соединяется по задней шине корзины с другими модулями S7-400;

- удобный для использования монтаж: Sub-D гнезда и клемники очень доступны и просты в сборке и обслуживании;

- CP 443-5 может работать естественным охлаждением без вентилятора. Нет необходимости, как в применении резервных батарей, так и модулей памяти.

Конфигурирование:

Конфигурирование коммуникационного процессора CP 443-5 производится с помощью пакетов программ STEP 7 и NCM S7 для PROFIBUS. Для выполнения операций конфигурирования пакет NCM S7 для PROFIBUS должен быть интегрирован в среду STEP 7. Конфигурирование с самостоятельным использованием NCM S7 для PROFIBUS невозможно. NCM S7 для PROFIBUS входит в комплект поставки STEP 7 от версии 5.0 и выше. Для более ранних версий STEP 7 пакет NCM S7 для PROFIBUS необходимо заказывать отдельно. STEP 7/NCM S7 от версии 5.0 и выше позволяют сохранять параметры настройки коммуникационных процессоров в памяти центрального процессора контроллера. Это позволяет сохранять параметры настройки при сбоях в питании контроллера, а также производить замену коммуникационных процессоров без их повторного конфигурирования. При запуске контроллера центральный процессор передает в коммуникационный процессор все необходимые параметры настройки. Программирование и конфигурирование всех сетевых станций SIMATIC S7 может выполняться дистанционно через сеть. Конфигурирование S7 функций связи выполняется с помощью пакета STEP 7. Необходимые функции (FC) для обеспечения работы интерфейса SEND/RECEIVE, а также примеры его конфигурирования входят в комплект поставки пакета NCM S7 для PROFIBUS. Функции системной диагностики поддерживаются пакетом STEP 7. Поддержку функций связи PROFIBUS-DP может обеспечивать только коммуникационный процессор CP 443-5 Extended.

6) Функциональный модуль FM 450-1

Назначение:

FM 450-1 - это интеллектуальный модуль 2-канального счетчика. Он может быть использован в составе систем SIMATIC S7-400 и SIMATIC M7-400.

Модуль позволяет разгрузить центральный процессор от выполнения следующих задач:

- непосредственного подключения к счетному входу и обработки сигналов инкрементального декодера позиционирования;

- непосредственного подключения к встроенным дискретным входам датчиков импульсных сигналов (фотоэлектронных барьеров и т.д.) и обработки этих сигналов;

- выполнения функций сравнения и формирования выходных дискретных сигналов через встроенные дискретные выходы.

Принцип действия:

Модуль FM 450-1 способен обрабатывать сигналы инкрементальных декодеров позиционирования, следующих с частотой до 500 кГц. Управление направлением счета производится с помощью внешних импульсных сигналов

Воздействие на процесс может осуществляться двумя способами:

- с помощью дискретных выходов;

- передачей сигналов по шине контроллера: FM 450-1 способен

формировать запросы на прерывание центрального процессора.

Запросы передаются по шине контроллера.

Функции:

- Два 32-разрядных канала для суммирующего или вычитающего счета;

- частота тактовых импульсов до 500 кГц (для датчиков с RS422);

- диапазон счета от 0 до 32 бит или ±31 бит;

- однократный или периодический счет;

- Простое, двойное или квадратурное преобразование;

- Возможность подключения инкрементальных декодеров;

- Импульсное управление по уровню;

- Установка с помощью дискретных входов;

- Возможность предварительной установки счетчика;

- Функции сравнения с двумя заданными пользователем значениями;

- Формирование прерываний при достижении заданных значений, прохождении нулевой точки, переполнении (выбирается);

- 24 В выходные сигналы, формируемые по результатам выполнения операций сравнения.

Настройка параметров:

Настройка параметров модуля выполняется с помощью экранных форм параметрирования, встроенных в STEP 7.

7) Интерфейсные модули IM 460-0 и IM 461-0

Назначение:

Интерфейсный модуль IM 460-0 используется для построения централизованных конфигураций ввода-вывода с удалением стоек расширения на расстояние до 3 м. Модуль может устанавливаться в центральный контроллер на базе монтажных стоек UR1, UR2, CR2. К модулю может подключаться до 8 стоек расширения (до 4 стоек на интерфейс). В центральном контроллере может устанавливаться до 6 модулей IM 460-0. Интерфейсный модуль используется для передачи информации K-шины контроллера. Для организации связи в стойках расширения должны использоваться интерфейсные модули IM 461-0.

Конструкция:

Модуль характеризуется следующими показателями:

- 3 светодиода индикации отказов;

- 2 интерфейса для подключения линий расширения с помощью соединительного кабеля 468-1.

Модуль IM 461-0 используется в качестве приемника, устанавливаемого в стойки расширения централизованной конфигурации. Расстояние между центральным контроллером и стойкой расширения может достигать 3 м. Модуль может устанавливаться в монтажные стойки следующих типов UR1, UR2, ER1 и ER2. Передача осуществляется по P- и K-шинам. IM 461-0 способен поддерживать связь с интерфейсным модулем IM 460-0, устанавливаемым в стойку центрального контроллера.

Конструкция:

Модуль включает в свой состав:

- 2 светодиода индикации отказов;

- приемный интерфейс: для подключения линии связи, выполненной соединительным кабелем 468-1;

- один передающий интерфейс: для подключения линии связи, выполненной соединительным кабелем 468-1. В последнем интерфейсе на линии должен быть подключен терминальный резистор;

- кодовый переключатель: для кодирования номера стойки;

- отсек для установки буферной батареи: для подключения внешней буферной батареи на время замены блока питания стойки.

8) Модуль ввода дискретных сигналов SM 421

Назначение:

Модули ввода дискретных сигналов выполняют преобразование входных дискретных сигналов контроллера в его внутренние логические сигналы.

Конструкция:

Модули характеризуются следующими показателями:

- Компактное исполнение.

- Пластиковый корпус снабжен: зелеными светодиодами индикации состояний входных цепей; одним красным светодиодом индикации внешних и внутренних отказов и ошибок в модулях с диагностикой; маркировочной полосой.

- Удобное подключение внешних цепей: все внешние цепи подключаются к фронтальному соединителю модуля.

9) Модуль вывода дискретных сигналов SM 422

Назначение:

Модули вывода дискретных сигналов выполняют преобразование внутренних логических сигналов контроллера в его выходные дискретные сигналы.

Конструкция:

Модули вывода дискретных сигналов характеризуются:

- Компактное исполнение;

- В пластиковый корпус встроены: зеленые светодиоды индикации состояний выходных цепей; один красный светодиод для индикации внутренних и внешних отказов и ошибок, а также целостности предохранителей в цепи нагрузки и исчезновения напряжения питания нагрузки в модуле;

Удобство подключения внешних цепей: Внешние цепи подключаются к фронтальному соединителю модуля.

2.3 Анализ недостатков существующей системы слежения за координатой сварного шва

Для начала слежения за координатой шва относительно первой клети необходимо знать запас полосы в петлевом устройстве, регистрируемый кодовым датчиком, показания которого пропорциональны положению тележки петлевого устройства, от соответствия показания датчика фактическому запасу полосы зависит точность регистрации координаты шва в начальный момент и. следовательно, точность слежения за швом относительно первой клети.

Однако положение тележки не всегда соответствует фактическому запасу полосы от стыкосварочной машины до первой клети.

Источниками погрешности определения запаса могут быть следующие конструкционные особенности петлевого устройства:

· В процессе совместной работы головной части со станом, полоса, расположенная в петлевом устройстве, находится в разматывателе, натяжных устройствах и лебедке тележки петлевого устройства. Перемещение полосы в направлении стана создается за счет разности натяжений на упомянутых устройствах. Перед началом сварки полоса уходит с разматывателя и для того, чтобы она не ушла в петлевое устройство, снижают натяжение на тележке петлевого устройства, в результате чего увеличивается разность натяжений по полосе, тележка перемещается в сторону уменьшения запаса полосы, а между натяжным устройством на входе петлевого устройства и тележкой образуется провисание полосы. Установку натяжения для тележки увеличивают только после окончания сварки полос, причем в связи с инерционностью тележка перемещается в сторону увеличения запаса полосы медленнее, чем полоса поступает в петлевое устройство, в связи с чем показания датчика запаса полосы в момент окончания сварки, пропорциональные положению тележки петлевого устройства, оказываются заниженными по сравнению с фактическим запасом полосы, что приводит к ошибке слежения за координатой шва. [3]

· Трос, связывающий тележки петлевого устройства и лебедку в процессе эксплуатации вытягивается до 5% от первоначальной длины. Учитывая, что петлевое устройство имеет восемь ветвей, погрешность от вытягивания троса может достигать 1,2 м. Т.к. датчик КД-4МК установлен на валу двигателя лебедки, погрешность от вытягивания троса сказывается на достоверности показаний датчика.

· Датчики ИКО-1 и ИКО-2 имеют невысокую степень точности обнаружения шва из-за агрессивных условий среды, в которой они расположены (пыль, загрязнение, вибрация и т.п.). Следовательно, они часто выходят из строя. Так же контрольное отверстие рядом со швом может отсутствовать (при толщине металла больше 3,5 мм на стане отверстия не пробиваются), что негативно сказывается на точности определения местоположения сварного шва.

Таким образом, в настоящее время не существует достаточно точных физических методов обнаружения положения шва.

Нашей задачей является разработка системы автоматического слежения за координатой сварного шва при помощи математического метода, которая позволит с наименьшей погрешностью устанавливать положение сварного шва в промежутке от ССМ до первой клети. Точное определение положения сварного шва поможет сократить число обрывов полос на стане, а, следовательно, уменьшить повреждения валков, которые приводят к необходимости их шлифовки. Также это будет способствовать повышению производительности стана и сокращению простоев.

2.4 Описание разрабатываемой системы слежения за координатой сварного шва

Часть приборов и датчиков уже установленных в головной части стана можно использовать в разработанной системе слежения за координатой сварного шва в петлевом устройстве:

­ импульсные датчики скорости ПДФ-5, установленные на валу НУ №1 и на валу НУ №2 могут быть использованы для вычисления запаса полосы в петлевом устройстве.

­ индикатор контрольных отверстий ИКО-1 будет использоваться для регистрации травильных швов.

В существующей системе слежения запас полосы в ПУ измеряется исходя из показаний датчика КД-4МК. Данный датчик установлен на валу привода тележек петлевого устройства, но так как он вносит дополнительную погрешность, в разработанной системе данный датчик не используется. Для измерения запаса будем использовать датчики скорости ПДФ-5.

ИКО-1 и ИКО-2 имеют невысокую степень точности определения шва из-за агрессивных условий среды, в которой они расположены (пыль, загрязнение, вибрация и т.п.). Следовательно, они могут часто выходить из строя. Так же контрольное отверстие рядом со швом может отсутствовать (при толщине металла больше 3,5 мм на стане отверстия не пробиваются). Поэтому ИКО-2 решено заменить толщиномером «ROBOTRON 24 024», а в дополнении к ИКО-1 установить аналогичный толщиномер после ССМ, который позволит регистрировать как швы стана, так и травильные швы.

Выбор толщиномера «ROBOTRON 24 024» обусловлен следующим:

- Анализ изменения толщины полосы металла производился с помощью применяемой на производстве программы Ibaanalyzer. При анализе осциллограмм сигнала, полученных от измерителя толщины, расположенного пред первой клетью был сформулирован следующий вывод: данный датчик может с высокой степенью достоверности регистрировать прохождение сварных швов (см. рис 14). Цифрами обозначены сварные швы.

Рис. 14. Осциллограмма сигнала измерителя толщины

- Дополнительные денежные затраты на обучение и переквалификацию персонала не требуются т.к. толщиномеры этого типа широко используются в производстве холоднокатаного листа. На стане 1700 они применяются для измерения толщины полосы металла в промежутках между клетями.

2.5 Разработка математического описания процесса петлеобразования

В разработанной нами системе, запас полосы в любой момент времени, скорость движения шва на различных участках головной части стана, а также координата местоположения шва от стыкосварочной машины до первой клети стана определяется на основе математического описания процесса накопления и расхода запаса полосы в петлевом устройстве головной части стана.

Рассмотрим упрощенную схему заправки петлевого устройства для стана бесконечной прокатки, представленную на рис. 15, где показаны:

1 - рулон металла, подготовленный для обработки;

2 - рулон обрабатываемого металла;

3 - стыкосварочная машина;

4 - входная приводная станция;

5, 7, 9, 10 - направляющие ролики, обеспечивающие нужную геометрию движения металла;

6 - тележка петлевого устройства;

8 - выходная приводная станция;

11 - первая клеть стана

12 - тележка петлевого устройства;

13 - трос;

14 - барабан для намотки троса;

15 - электродвигатель

Т₁ - Т₈ - натяжения полосы металла на соответствующих участках;

Т_трос - натяжение троса;

V₁ - линейная скорость металла на выходе входной приводной станции;

R - радиус барабана 14;

V₂ - линейная скорость металла на выходе выходной приводной станции;

G_р - вес петлевого ролика с тележкой;

F_тр - сила трения;

L₁ - L₁₅ - длины соответствующих участков;

X - линейное перемещение ролика петлевого устройства.



Рис. 15. Упрощенная схема заправки петлевого устройства для стана бесконечной прокатки

Выберем начало отсчета в точке 0, соответствующее крайнему левому положению тележки, что соответствует максимальному запасу полосы металла.

В процессе сварки шва линейная скорость металла в зоне стыкосварочной машины должна быть равна нулю и для обеспечения непрерывности процесса обработки металла осуществляется уменьшение запаса петли в петлевом устройстве. При этом тележка петлевого устройства движется вправо за счет сил натяжения Т в ветвях петлевого устройства. При накоплении запаса полосы, движение тележки происходит за счет силы натяжения троса Т_трос, создаваемой лебедкой с приводным электродвигателем. При движении тележки возникает сила трения F_трен, направленная против движущей силы.

Процесс образования и расхода запаса полосы носит циклический характер и определяется следующими временными интервалами, представленными на рис. 16.

V₁ - линейная скорость металла на выходе входной приводной станции;

V₂ - линейная скорость металла на выходе выходной приводной станции;

L_зап - запас полосы в петлевом устройстве;

- вектор скорости движения тележки петлевого устройства;

t₀ - t₁ - временной интервал, соответствующий рабочему режиму V₁=V₂;

t₁ - t₂ - временной интервал равнозамедленного движения входной приводной станции от V₁=V₂ до V₁=0;

t₂ - t₃ - временной интервал сварки шва, запас полосы уменьшается, тележка петлевого устройства движется вправо V₁=0;

t₃ - t₄ - временной интервал равноускоренного движения входной приводной станции от V₁=0 до V₁=V₂;

t₄ - t₅ - временной интервал равноускоренного движения входной приводной станции до V₁V₂, начало движения тележки петлевого устройства влево;

t₅ - t₆ - временной интервал формирования петли, движение тележки влево, V₁=const; V₁V₂;

t₆ - t₇ - временной интервал равнозамедленного движения входной приводной станции до V₁=V₂.



Рис. 16. Скоростные режимы головной части стана при расходе и образовании запаса полосы в петлевом устройстве

В общем случае длина полосы металла от стыкосварочной машины до первой клети может быть определена по выражению:

, (2.12)

где - неизменяемая длина полосы головной части стана, м.;

- максимальный запас полосы при нахождении тележки петлевого устройства слева, м.;

- изменяемая длина, м.

Выразим изменяемую длину через скорость приводных станций:

, (2.13)

В тоже время изменяемая длина может быть выражена через линейную скорость тележки петлевого устройства:

, (2.14)

где n - число ветвей петлевого устройства;

V_x - линейная скорость перемещения тележки петлевого устройства.

Приравнивая (2.13) и (2.14) получим

. (2.15)

откуда

. (2.16)

В интервал времени t₀t₁ линейные скорости полосы металла на выходе входной приводной станции и на выходе выходной приводной станции равны. Тележка петлевого устройства неподвижна:

, (2.17)

где с₀ - изменяемая длина запаса полосы в петлевом устройстве на момент времени t₀.

, (2.18)

L₁ - запас полосы в петлевом устройстве на момент времени t₁;

В интервал времени t₁t₂ линейная скорость полосы металла V₁ равнозамедленно снижается, тележка петлевого устройства движется вправо равноускоренно за счет натяжения в ветвях.

, (2.19)

где с₁=0 - изменяемая длина запаса полосы в петлевом устройстве на момент времени t₁;

V_1нач - линейная скорость металла на выходе выходной приводной станции в момент времени t₁, V_1нач=V_2.

, (2.20)

где L₂ - запас полосы в петлевом устройстве на момент времени t₂;

а₁ - отрицательное ускорение на участке времени t₁t₂.

В интервал времени t₂t₃ происходит образование сварного шва. Линейная скорость полосы металла на выходе входной приводной станции равна нулю. Тележка петлевого устройства движется вправо с постоянной скоростью.

, (2.21)

где с₂ - изменяемая длина запаса полосы в петлевом устройстве на момент времени t₂.

, (2.22)

где L₃ - запас полосы в петлевом устройстве на момент времени t₃.

В интервал времени t₃t₄ линейная скорость полосы металла на выходе входной приводной станции возрастает от нуля до скорости, равной линейной скорости полосы металла на выходе выходной приводной станции, запас полосы продолжает расходоваться, тележка петлевого устройства движется вправо равнозамедленно.

, (2.23)

где с₃ - изменяемая длина запаса полосы в петлевом устройстве на момент времени t₃,

V_1нач - линейная скорость металла на выходе выходной приводной станции в момент времени t₃, V_1нач=0_.

, (2.24)

где L₄ - запас полосы в петлевом устройстве на момент времени t₄;

а₂ - ускорение на участке времени t₃t₄.

В интервал времени t₄t₅ линейная скорость полосы металла на выходе входной приводной станции продолжает возрастать и превышает линейную скорость полосы метала на выходе выходной приводной станции. Начинается формирование запаса полосы в петлевом устройстве. Тележка петлевого устройства начинает двигаться влево равноускоренно.

, (2.25)

где с₄ - изменяемая длина запаса полосы в петлевом устройстве на момент времени t₄;

V_1нач - линейная скорость металла на выходе выходной приводной станции в момент времени t₄, V_1нач=V_2.

, (2.26)

где L₅ - запас полосы в петлевом устройстве на момент времени t₅.

В интервал времени t₅t₆ линейная скорость полосы металла на выходе входной приводной станции устанавливается на максимальном значении. Запас полосы металла в петлевом устройстве продолжает расти. Тележка петлевого устройства движется влево.

, (2.27)

где с₅ - изменяемая длина запаса полосы в петлевом устройстве на момент времени t_5.

, (2.28)

где L₆ - запас полосы в петлевом устройстве на момент времени t₆.

В интервал времени t₆t₇ линейная скорость полосы металла на выходе входной приводной станции снижается до уровня линейной скорости полосы металла на выходе выходной приводной станции. Запас полосы в петлевом устройстве продолжает расти, тележка петлевого устройства движется влево.

, (2.29)

где с₆ - изменяемая длина запаса полосы в петлевом устройстве на момент времени t₆,

а₃ - ускорение на участке времени t₆ - t₇.

, (2.30)

где L₇ - запас полосы в петлевом устройстве на момент времени t₇.

В общем случае координата местоположения шва относительно первой клети определяется по выражению:

, (2.31)

где - текущий запас полосы на момент окончания сварки.

. (2.32)

В установившемся режиме

(2.33)

где t - время от момента окончания сварки до момента определения координаты шва.

3. Исследовательская часть

3.1 Разработка структурной схемы

Для моделирования системы слежения за координатой сварного шва мы используем пакет математического моделирования Matlab. Система Matlab была создана специалистами фирмы MATHWORKS, как язык программирования высокого уровня для технических вычислений. Современные версии системы поставляются вместе с пакетом SIMULINK, предназначенным для моделирования динамических систем, модели которых составляются из отдельных блоков. В данном пакете реализованы принципы визуально-ориентированного программирования, что позволяет легко набирать нужные блоки и соединять их с целью составления модели анализируемой системы или устройства. При этом сложнейшие уравнения состояния, описывающие работу моделей, формируются автоматически. По удобству графического пользовательского интерфейса, обилию моделей компонентов в множестве библиотек, разнообразию виртуальных средств регистрации и визуализации результатов моделирования и, главное, по их надежности и достоверности Simulink выгодно отличается от множества других программ подобного назначения. Особенно это относится к открытости пакета и возможности пополнения библиотек. [8]

Система слежения за координатой сварного шва, может быть реализована в системе SIMULINK в соответствии с математическим описанием процесса петлеобразования полученного в пункте 2.5.

На рис. 17. представлена имитационная модель системы автоматического слежения за координатой сварного шва в среде Simulink.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Описание работы структурной схемы

­ Звено 1 отвечает за формирование сигнала скорости движения полосы на входе в петлевое устройство (см. рис. 18).

Рис. 18. График сигнала скорости движения полосы на входе в петлевое устройство

Интервал времени от нуля до 10с соответствует равенству скоростей на входе в ПН и на выходе из ПН, от 10 до 20с торможение, от 20 до 70с соответствует сварке нового шва, от 70 до 80с разгон до скорости нагона, от 80 до 90с скорость нагона, от 90 до 100с торможение.

­ Звено 2 формирует сигнал скорости движения полосы на выходе из петлевого устройства.

Изменяемая длина полосы головной части стана выражается через скорость приводных станций согласно формуле (2.13)

Данная формула реализуется двумя звеньями: звеном 3 - сумматором и звеном 4 - интегратором.

Сигнал изменения запаса полосы головной части стана, полученный от сумматора (звено 3) и интегратора (звено 4), складывается в сумматоре (звено 7) с сигналами с двух звеньев:

­ Звено 5 формирует максимальный (изменяемый) запас полосы в ПУ

­ Звено 6 формирует минимальный (неизменяемый) запас полосы в ПУ

В результате на выходе сумматора формируется сигнал изменения запаса полосы в петлевом устройстве в реальном времени (см. рис. 19).

Рис. 19. График сигнала изменения запаса полосы в петлевом устройстве

Изменяемая длина полосы может быть выражена через линейную скорость тележки петлевого устройства согласно формуле (2.16)

Формула (2.16) реализуется звеном 10. В это звено поступает информация о разности скоростей (с сумматора 3), и информация о количестве ветвей (n) в петлевом устройстве (задается звеном 9). В данном случае n = 8

График линейной скорости перемещения тележки петлевого устройства представлен на рис. 20.



Рис. 20. График сигнала линейной скорости перемещения тележки петлевого устройства

- Звено 12 регистрирует переход сигнала скорости V1 (см. рис. 18) из нуля в положительное значение (это свидетельствует об окончании сварки и начале движения шва в петлевое устройство), т.е. в момент времени, равный 70с данное звено генерирует единичный импульс.

- Звено 15 проверяет следующее условие: если сигнал с сумматора (звено 14) больше нуля, то на выходе данного звена формируется единица, если сигнал с сумматора равен нулю, то на выходе данного звена формируется ноль.

- Звено 16. На Вход 1 данного звена поступает сигнал изменения запаса полосы со звена 7. На вход If поступает сигнал со звена 15, который является условием формирования выходного сигнала. Звено 16 проверяет следующее условие: если в любой момент времени (в нашем случае этот момент равен 70 с.) поступил единичный импульс, то высота выходного импульса будет соответствовать запасу полосы в петлевом устройстве в момент времени 70 с. (см. рис. 21).



Рис. 21. График сигнала запаса полосы в петлевом устройстве

- Звено 17, 19, 25 являются вспомогательными и реализуют виртуальную переменную, в которую записывают и считывают значение запаса полосы (520,2 м.) в момент времени, равный 70 с.

- Звено 20 представляет собой ключ, на вход которого поступает сигнал скорости V2 (6 м/с), условием для открытия входа является наступление момента времени, указанного в виртуальной переменной.

- Звено 21 интегрирует поступающий на него сигнал скорости V2.

- Звено 22 суммирует два сигнала: сигнал со звена 21 (интеграл от скорости V2) и сигнал из виртуальной переменной. На выходе сумматора (звено 22) мы получаем расстояние от сварного шва до первой клети стана (см. рис. 22).

Рис. 22. График расстояния от сварного шва до первой клети стана

4. Технико-экономическая часть

Важнейшие принципы технико-экономического анализа - создание единой системы учёта, контроля, анализа; использование в качестве источника анализа всей совокупности информации, полученной в системе учёта; познание на основе количественных характеристик качественной природы изучаемых процессов и явлений; конкретность, практическая полезность и оперативность анализа.

Технико-экономический анализ на предприятии носит многосторонний характер и охватывает различные стороны деятельности, в связи с чем возникают определённые его виды, различающиеся по объектам, субъектам, назначению, периодичности.

Назначение технико-экономического анализа производственно-хозяйственной деятельности весьма широкоУ его результаты используются для разработки научно обоснованных текущих и перспективных планов и контроля за их выполнением; управления хозяйственной деятельностью и выбора оптимальных управленческих решений; оценки эффективности производственных процессов и выявления внутрипроизводственных резервов и т.д. При этом по степени охвата объекта анализ может быть сплошным или выборочным, что определяется его задачами и содержанием.

В технико-экономическом анализе в качестве исходных используются данные, полученные по оперативному, статистическому и бухгалтерскому учёту и отчётности, нормативная, плановая и директивная информация.

Расчёт капитальных затрат

К капитальным вложениям в основные фонды относятся затраты:

на приобретение оборудования;

транспортировку;

монтаж оборудования.

Затраты на оборудование приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1. Затраты на оборудование

Наименование оборудования	Количество, шт.	Цена, руб.	Сумма, руб.
Толщиномер «ROBOTRON 24 024»	2	1170000	2340000
Итого (Собщ)	2340000

Транспортные расходыУ

Р_тр=7% от общей стоимости (С_общ) (4.1)

Р_тр=7•2340000/100=163800 руб.

Затраты на монтаж и наладку оборудования.

Р_м=20% от (Р_тр+ С_общ) (4.2)

Р_м=20•(163800+2340000)/100=500760 руб.

Накладные расходы.

Р_н=23% от Р_м (4.3)

Р_н=23•500760/100=115174,8 руб.

Плановые накопления.

Н_пл=8% от (Р_н+Р_м) (4.5)

Н_пл=8•(115174,8+500760)/100=49274,8 руб.

Капитальные затраты.

К= С_общ+Р_тр+Р_м+Р_н+Н_пл (4.6)

К=2340000+163800+500760+115174,8+49274,8=3169009,6 руб.

Расчёт эксплуатационных затрат

Эксплуатационные затраты связаны с функционированием системы управления. Текущие затраты, связанные с эксплуатацией подсистемы, включают в себя:

зарплата персонала, обеспечивающего функционирование технического средства, руб.;

годовые амортизационные отчисления на оборудование и помещения, руб.;

расходы на электроэнергию, руб.;

расходы на обслуживание и ремонт оборудования, руб.;

затраты на расходные материалы, руб.;

Амортизационные отчисления.

А=Н•К/100, (4.7)

где Н-норма амортизации (Н в чёрной металлургии составляет 14,3%).

А=14,3•3169009,6/100=453168,37 руб.

Затраты на обслуживание и ремонт оборудования.

З_тр=Н_тр•К/100, (4.8)

где Н_тр-норма на текущий ремонт, Н_тр=6%.

З_тр=0,06•453168,37=27190,1 руб.

Расходы на электроэнергию.

З_эн=N_у•К_и•К_м•Ц_эн, (4.9)

где N_у - установленная мощность оборудования,

К_и - коэффициент использования по времени (К_и=0,75),

К_м-коэффициент использования по мощности (К_м=0,85),

Ц_эн - цена 1 квт/час энергии.

З_эн=0,97•0,75•0,85•3,1•325•24=14952,3 руб.

Расчёт годового фонда оплаты труда.

Расчёт основной заработной платы.

Оплата по тарифу: З_т = Т_ср • В, (4.10)

где З_т - заработная плата одного рабочего в год по тарифу, руб.;

Т_ср - среднечасовая тарифная ставка, руб./ч;

В-количество часов работы в год одного рабочего, ч.

Среднечасовую тарифную ставку определяем следующим образом:

Т_ср = Т₁Р₁+Т₂Р₂+ … +Т_пР_п/Р₁+Р₂+ … +Р_п, (4.11)

где Т₁, Т₂, Т₃,… Т_п - часовые тарифные ставки рабочих данного разряда, руб./ч;

Р₁, Р₂, Р₃,… Р_п - количество рабочих имеющих данный разряд.

Т_ср = 14,5 руб.

З_т = 14,5•2001 =29014,5 руб.

Расчёт доплаты за вредность.

З_вред = К_в•З_т, (4.12)

где З_вред - доплата за особые условия труда, руб.;

З_т - заработная плата за год по тарифу, руб.

К_в - коэффициент доплаты за особые условия труда.

З_вред=0,3•29014,5 = 8704,4 руб.

Расчет размера премии.

З_прем = З_т•С, (4.13)

где З_прем - размер премии, руб.;

З_т - заработная плата по тарифу за год, руб.;

С - процент премии, С = 0,35.

З_прем=29014,5•0,35 = 10155 руб.

Таким образом, основная заработная плата, З_осн, рассчитывается:

З_осн = З_т+З_вредн+З_прем (4.14)

З_осн =29014,5+8704,4+10155=47874 руб.

Расчёт дополнительной заработной платы.

Оплата времени выполнения государственных и общественных обязанностей.

Такая оплата, З_гос, предусмотрена в размере 0,5% от основной заработной платы,

З_гос = 0,005 • З_осн = 2393,7 руб.

Вознаграждение за выслугу лет.

З_высл = З_т • Р (4.15)

где З_высл - вознаграждение за выслугу лет, руб.;

З_т - заработная плата по тарифу, руб.;

Р - процент вознаграждения за выслугу лет Р = 0,3

З_высл= 29014,5• 0,3 = 8704,4 руб.

Таким образом, дополнительную заработную плату, З_доп, рассчитываем:

З_доп=З_высл+ З_гос (4.16)

З_доп=8704,4 +2393,7 =11098,1 руб.

Общий фонд заработной платы одного рабочего в год равен сумме основной и дополнительной платы без учёта выплат из фонда материального поощрения:

З_общ=З_осн+З_доп (4.17)

З_общ=47874+11098,1=58972,1 руб.

Фонд заработной платы с учетом районного коэффициента составит:

З_общ.р=1,25•З_общ (4.18)

З_общ.р =1,25•58972,1 =73715,1 руб.

Размер премии из фонда материального поощрения, З_фмп составляет 12% от общего фонда заработной платы

З_фмп=0,12•73715,1 =8845,8 руб.

Заработная плата одного рабочего в год, З_ср, руб., составит:

З_ср = З_общ.р + З_фмп (4.19)

З_ср=73715,1+8845,8=82560,9 руб.

Суммарная величина эксплуатационных затрат.

З_экспл=А+З_тр+З_эн+З_ср (4.20)

З_экспл=453168,37+27190,1+14952,3+82560,9=577871,67 руб.

Общие приведенные затраты.

ПЗ= З_экспл+Е_н•К, (4.21)

где ПЗ - приведенные затраты,

Ен - отраслевой коэффициент (Ен =0,15)

ПЗ=577871,67+0,15•3169009,6=1053223,11

Расчёт экономической эффективности

Показатели экономической эффективности, связанные с эксплуатацией разработки, включают в себя:

годовая экономия от внедрения системы;

показатель эффективности капитальных вложений;

срок окупаемости капитальных вложений;

годовой экономический эффект.

Проанализируем производительность стана холодной прокатки с учетом скрытых простоев. В этом случае прокатка характеризуется пятью скоростными режимами [13], представленными на рис. 23, где:

1 - рабочий режим, при котором прокатка ведется на рабочей скорости;

2 - режим снижения скорости перед входом шва в первую клеть стана;

3 - режим прокатки сварного межрулонного шва на сниженной скорости;

4 - режим разгона до рабочей скорости;

5 - режим работы при прохождении травильного шва.

На осциллограммах также показан импульс реза полосы ножницами при прохождении межрулонных швов, причем при прохождении травильных швов рез не осуществляется.

Получим выражение, позволяющее рассчитать производительность прокатного стана в различных режимах прохождения сварных соединений.

Длина годного металла в стане холодной прокатки

, (4.22)

где L_общ - общая длина металла, прошедшего через стан, (м);

L_брак - длина металла, попадающая в брак, (м).

, (4.23)

где L_необр - длина необработанного участка металла около шва, (м); n - количество швов.

Общая длина прокатанного металла на стане:

, (4.24)

где L_раб - длина металла, прокатанного на рабочей скорости, соответствующая временному интервалу t_раб, м (рис. 24);

L_сниж - длина металла, прокатанного в режиме снижения скорости, соответствующая временному интервалу t_сниж, м (рис. 24);

L_шва -длина металла, прокатанного при прохождении сварного шва, соответствующая временному интервалу t_шва, м (рис. 24);

L_разг - длина металла, прокатанного в режиме разгона до рабочей скорости, соответствующая временному интервалу t_разг, м (рис. 23).

Длина металла, обработанного на рабочей скорости, будет равна:

, (4.25)

где V_раб - рабочая скорость стана, м/с; t_раб - время работы стана в рабочем режиме, с;

Из осциллограммы, представленной на рис. 2 видно, что

, (4.26)

где t_сниж, t_шва и t_разг - длительности режима снижения скорости, режима прохождения сварного шва и режима разгона до рабочей скорости соответственно, с;

t_общ - общее время работы стана; n - количество швов.

С учетом (4.26) формулу (4.25) запишем в виде:

, (4.27)

Анализ осциллограмм скоростных режимов при прохождении сварных швов за 24 часа показал, что интервалы времени, соответствующие режимам снижения скорости, прохождения шва и разгона до рабочей скорости приблизительно равны между собой, поэтому введем обозначение:

t_сниж= t_шва= t_разг=t₂, обозначим также t_общ=t₁ и перепишем (4.27) в виде:

, (4.28)

Длина металла, прокатанного в режиме снижения скорости:

, (4.29)

где а_сниж - ускорение на участке снижения скорости, м/с².

Длина металла, получаемого в режиме прокатки сварного шва:

, (4.30)

где V_шва - скорость прокатки при прохождении сварного шва, м/с.

Приняв L_сниж=L_разг, запишем формулу (4.24) с учетом (4.28), (4.29) и (4.30):

. (4.31)

Раскроем скобки и выполним преобразования:

, (4.32)

Выразим ускорения на участках снижения скорости и разгона до рабочей скорости через V_раб и V_шва:

, (4.33)

Подставив (4.32) в (4.33) и выполнив преобразования, получим:

(4.35)

Таким образом, общая длина прокатанного металла:

. (4.37)

Окончательно длину годного металла, прокатанного за определенный промежуток времени, можно определить по выражению:

. (4.38)

Рассчитаем производительность за один час стана 1700 до, и после внедрения проекта согласно [13].

V_раб=16 м/с - скорость прокатки;

V_шва =2,5 м/с - скорость пропуска шва;

t₁= 1 ч = 3600 с

t₂= 20 c - интервал времени, соответствующий режимам снижения скорости, прохождения шва и разгона до рабочей скорости;

n = 3 - количество швов за час;

L_необр= 27 м. - длина необработанного металла;

Производительность стана за час:

Q_общ= 16•3600-2,5•20•3•(16-2,5)=55575 (м/ч)

Q_брак= 29•3=87 (м)

Q_годн=55575-87=55488 (м/ч)

Q_{за сутки}=55488•24=1331712 (м/сутки)

Количество рабочих часов в году (за вычетом отведенных на проведение плановых профилактических ремонтов стана) равное 8064.

Q_{за год}=55488•8064=447455232 (м/год)

При внедрении разработанной системы, на базе толщиномера «Robotron 24 024» и нового расчетного метода, интервал времени, t₂ может сократиться до 19,7 с.

Произведем расчет с новыми параметрами

V_раб=16 м/с - скорость прокатки;

V_шва =2,5 м/с - скорость пропуска шва;

t₁= 1 ч = 3600 с

t₂= 19,7 c

n = 3 - количество швов за час;

L_необр= 27 м. - длина необработанного металла;

Q_общ= 16•3600-2,5•19,7•3•(16-2,5)=55605,3 (м/ч)

Q_брак= 29•3=87 (м)

Q_годн=55605,3-87=55518,3 (м/ч)

Q_{за сутки}=55518,3•24=1332439,2 (м/сутки)

Q_{за год}=55518,3•8064=447699571,2 (м/год)

Увеличение производительности после внедрения системы составляет:

P=Q_{за год (после)} - Q_{за год (до)}= 447699571,2-447455232=244339,2 (м)=1319,4 (т)

Средняя цена одной тонны качественного проката составляет 10000 руб.

С учетом стоимости, годовой экономический эффект составляет

Э_год=1319,4•10000=1319400 руб.

С учетом эксплуатационных расходов на содержание системы годовой экономический эффект составит:

Э_эк = Э_год - З_экспл (4.39)

Э_эк = 1319400 - 577871,67= 12616128,33 руб.

Показатель экономической эффективности определяется по формуле:

Эф = Э_эк / К (4.40)

Эф=12616128,33/3169009,6=3,98

Окупаемость системы составит:

К_ок = К /Э_эк (4.41)

К_ок= 3169009,6/12616128,33=0,25 года

Основные экономические показатели представлены в таблице 4.2.

Таблица 4.2. Основные экономические показатели

Показатель	Значение, руб.
Капитальные затраты, руб.	3169009,6
Эксплуатационные расходы, руб.	577871,67
Экономический эффект, руб./год	12616128,33
Показатель экономической эффективности	3,98
Срок окупаемости капитальных вложений, лет	0,25

В результате выполнения экономических расчетов, анализа разработки данной системы можно сделать вывод о том, что разработка и внедрение данной системы являются экономически эффективными, т.к. прогнозируемый показатель экономической эффективности составляет Эф =3,98, срок окупаемости 0,25 года или 3 месяца.

Заключение

В данной дипломной работе была разработана система автоматического слежения за координатой сварного шва в петлевом устройстве стана 1700 ПХЛ ОАО «Северсталь».

Была проанализирована работа действующей системы слежения за швом на пятиклетевом стане 1700 ПХЛ, и выявлены недостатки в ее работе, приводящие к обрывам полосы на стане, повреждениям валков, а следовательно к технологическим простоям и материальным потерям.

В ходе выполнения дипломной работы был проведен патентный поиск существующих систем слежения за координатой сварного шва, результаты которого, легли в основу для разработки новой системы слежения.

Принцип работы новой системы слежения основывается на математическом описании работы петлевого устройства стана 1700 ПХЛ ОАО «Северсталь».

На основе математического описания была разработана функциональная схема новой системы слежения за координатой сварного шва петлевом устройстве, произведен выбор соответствующего оборудования и технических средств автоматизации. Новая система позволяет более точно, чем существующая система слежения, определять запас полосы и положение шва в петлевом устройстве. Экономически это ведет к уменьшению расходов на производство, т.к. снижается количество брака и время технологических простоев.

Так же на основе математического описания, при помощи пакета Matlab, была разработана имитационная модель системы слежения за координатой сварного шва.

Произведён технико-экономический расчет, где дана экономическая оценка и обоснование материальных затрат возникающих при разработке и возможном внедрении системы слежения за координатой сварного шва.

Литература

1) Великанов К.М. и др. Экономика и организация производства в дипломных проектах. Учебное пособие для вузов. Л.: Машиностроение, 1990 г. - 320 с.

2) Герловин Ю.Н. Климов Г.В. и др. Автоматические средства обнаружения и тушения пожаров. - М.: Стройиздат 1986 г. - 240 с.: ил.

3) Гуревич В.Л., Иванов О.Н., Белоусов К.В. Описание изобретения к авторскому свидетельству. «Устройство слежения за координатой сварного шва на стане бесконечной прокатки». - ₍₁₉₎SU₍₁₁₎1736652A1; ₍₅₁₎₅ B 21 B 37/00

4) Джонс М.Х. Электроника - практический курс. Москва: Постмаркет, 1999 г. - 528 с.

5) Иванов Е.Н. Автоматическая пожарная защита. - М.: Стройиздат 1978 г. - 200 с.:ил.

6) Иванов Е.Н. Пожарная безопасность вычислительных центров. - 3 изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат 1990 г. -112 с.: ил.

7) Кукин, В.Л. Лапин, Е.А. Подгорных и др. Безопасность жизнедеятельности. Безопасность технологических процессов и производств (Охрана труда): учебное пособие для вузов. П.П. - М.: Высш. шк., 1999. - 318 с.:ил

8) Лазарев Ю. Моделирование процессов и систем в Matlab. Учебный курс. - СПБ.: Питер, 2005 г. - 511 с