Автореферат

Проблема оптимального использования сырья имеет большое значение для многих отраслей промышленности. Для предприятий металлургической промышленности этот вопрос обостряется в связи с кризисом, прогнозируемым на ближайшие 10 лет. Эффективность экономии материальных ресурсов в такой ситуации − важнейший фактор повышения эффективности всего производства и деятельности предприятия в целом. Решение этой задачи непосредственно влияет на себестоимость продукции. Отходы производства составляют значительную часть себестоимости производимой продукции, а значит, минимизация отходов является первоочередной задачей.

Одним из важнейших факторов, обеспечивающих экономию проката черных металлов путем минимизации отходов производства, является их рациональный раскрой. Среди мероприятий этого направления одно из ведущих мест занимает автоматизация процесса раскроя, позволяющая повысить коэффициент раскроя пруткового проката на 2-6%, листового на 3-8% [1] с учетом централизованного метода раскроя и обеспечить оптимальность норм расхода металлоресурсов.

В магистерской работе рассматривается управление летучими ножницами, используемыми для резки раската непрерывного заготовочного стана (НЗС) на заготовки заданных длин. Летучие ножницы предназначены для резки металла на ходу ("на лету") при его движении с большой скоростью. Во многих случаях работоспособность этих ножниц определяет производительность прокатного стана.

Продукция НЗС − раскат определенного сечения подлежит раскрою на заготовки заданной мерной длины. Необходимо найти оптимальный вариант раскроя. Обычно планирование раскроя сырья либо выполняется методом ручного перебора (а точнее − выбором из нескольких вариантов), либо с помощью простейших методов оптимизации. Ясно, что металл в такой ситуации расходуется не оптимально, остаются большие концевые остатки, которые потом необходимо транспортировать и использовать. Это приводит к увеличению затрат времени, что также сказывается на себестоимости продукции.

Сложившаяся ситуация объясняется отсутствием доступного и практически применимого инструмента для решения данной задачи в конкретных условиях. Таким инструментом может стать автоматизированная система управления, позволяющая на основании исходных данных о плане выпуска заготовок и технологических параметрах текущего процесса проката автоматически получать и реализовывать оптимальный план раскроя. Для разработки такой системы необходимо построение математической модели оптимального использования сырья и разработка параметрических (настраиваемых пользователем) алгоритмов ее решения. Параметрические алгоритмы позволяют учесть специфические особенности раскроя на конкретном предприятии и делают данную систему более универсальной.

Вверх

Основное назначение управления раскроем проката − получение минимальных отходов в виде обрези и немерных длин заготовок на выходе НЗС. Необходима реализация технологии раскроя проката на заготовки мерных длин нескольких уставок, значение которых рассчитывается оптимизационными методами по критерию получения суммарных минимальных отходов на НЗС и в последующем производстве. Управление раскроем проката должно выполняться по следующей схеме, приведенной в [2]:

Расчет раскроя раскатов и управление летучими ножницами производится с помощью следующих датчиков:

• датчики токов клетей 13 и 14 стана «500» (ДТк);
• фотодатчики (ФД), фиксирующие начала и концы раскатов;
• датчики положения (ДП), позволяющие с высокой точностью измерять положения механизмов и скорости их вращения;
• концевые переключатели (КП), фиксирующие крайние (граничные) положения движущихся частей механизмов.

Расположение оборудования НЗС и перечисленных датчиков приведено на схеме технологического процесса [3].

Для раскроя проката на летучих ножницах стана «500» основополагающей является начальная синхронизация положений ножей и скорости движения полосы металла. Для обеспечения высокой надежности и достоверности выполнения этой функции необходимо использовать в режиме страхующих три датчика: ФД1, ДТ клети №9 и ДТ клети №10.

ФД2 и ФД3 предназначены для измерения фактической величины зачистки переднего конца раската и в совокупности с ФД4 и ФД5 для начального измерения скорости раската на выходе стана «500». С помощью фотодатчиков ФД4 и ФД5 выполняется измерение выходной скорости стана «500» на каждой отрезаемой заготовке. Решение данной задачи позволит строить управление раскроем с учетом непостоянства скорости проката за последней клетью стана «500».

ДП выходной клети (ВК) позволяет производить дублирующее измерение скорости выходной клети. ДП ЛН позволяет выполнять функции синхронизации на основе точной фиксации положения ножей летучих ножниц в момент входа раската в первую клеть стана. Этот датчик используется для получения сигнала индикации реза летучих ножниц, который является базовым для выполнения измерения длин отрезанных заготовок.

ИМ отводящего рольганга группы «500» (ОтР500) служит для контроля и управления превышением скорости рольганга на 10-20 процентов от скорости проката. ИМ ЛН обеспечивает управление порезкой раската, выходящего из стана «500», на мерные длины в соответствии с рассчитанным раскройным планом.

Автоматизированная система управления летучими ножницами должна производить:

• расчет оптимального плана резки металла на мерные заготовки с минимизацией отходов и числа заготовок некондиционных длин;
• более точную порезку раскатов;
• снижение вероятности технологических ошибок при порезке;
• повышение точности учета металла в цехе;
• улучшение условий труда персонала.

Раскрой проката такого типа является линейным: металл, считается одномерным, т.е. раскрой ведется по одной координате − длине. Однако задача усложняется тем, что раскрой ведется в режиме реальной прокатки, т.е. на момент прибытия раската к линии летучих ножниц точная его длина еще не известна, т.к. прокатка не завершена. Этот важный для процедуры поиска оптимального плана раскроя параметр зависит от сортамента проката (вида стали), режима прокатки, а также от случайных факторов суммарных обжатий раската валками стана при прокатке.

Для решения поставленной задачи необходимо исследовать и оценить методы реализации следующих этапов:

• построение оптимального плана раскроя раскатов различных сортаментов без учета возмущений, влияющих на длину раската (эта проблема включает планирование раскроя металлопроката на заготовки определенных заказанных длин с учетом допусков минимального размера);
• оценка длины текущего раската на каждом итерационном шаге раскроя по параметрам технологического процесса;
• корректировка плана раскроя в режиме реального времени;
• формирование управляющего сигнала на исполнительный механизм летучих ножниц для осуществления реза;
• контроль результатов раскроя.

Вверх

В настоящее время на металлургических предприятиях Украины и стран СНГ происходит внедрение автоматизированных систем, управляющих резкой металла. Активно ведутся исследования в области построения оптимального плана раскроя.

Разработки систем управления раскроем металлопроката.

Публикации, посвященные разработкам в указанном направлении, и их источники представлены в электронной библиотеке [ 4, 5 ] данного сайта, а также в перечне ссылок по теме магистерской работы.

Рассмотрение подобных систем позволяет сделать вывод об актуальности и важности поставленной задачи, а также некоторые другие выводы:

1. Управление раскроем проката на нижнем уровне систем организовано посредством управления приводом ножниц. Так как для порезки металла применяются различные виды и конструкции ножниц, то автоматизация каждого конкретного участка технологического процесса требует детальной персональной разработки.


2. На производстве ножницы применяются на различных производственных этапах. Раскрой металла на каждом из этих этапов осуществляется по определенному принципу, то есть оптимизация плана раскроя происходит по различным критериям и с различными параметрами.


3. Расчет плана раскроя металла осуществляется в рассмотренных системах с помощью экономико-математических методов, что не всегда дает оптимальный результат.


4. При оптимизации раскроя большое значение имеет точность измерения параметров технологического процесса, т.к. эти параметры являются исходными данными для построения раскройного плана.


5. Оптимизация раскроя металла обеспечивает высокий уровень экономии материала, что отражается на себестоимости производимой продукции и на прибыли металлургического предприятия, таким образом, системы подобного профиля имеют высокую окупаемость.

Исследования методов раскроя.

Существующие методы раскроя материалов условно можно разделить на 3 группы: нормативные, технологические, оптимизационные.

Нормативные методы основаны на использовании нормативов отходов, которые в данной отрасли или на данном предприятии действуют. Специалист на основании своего опыта и умений выбирает (рассчитывает) раскрой и, если он укладывается в действующий норматив, отправляет в производство. Этот метод при наличии большого опыта у специалиста иногда дает очень неплохие результаты. Однако здесь существует зависимость от специалиста, его настроения, здоровья и планов. Кроме того, этот метод имеет невысокую производительность.

Технологические методы основаны на применении четко описанных технологий. Таким образом, получают рациональные решения по раскрою. Оптимальное решение при этом, как правило, не ищется. В ситуациях, которые отличаются от стандартных, раскрой может получаться достаточно далеким от оптимального. Применение компьютера для реализации этих методов ускоряет работу, но не повышает значительно оптимальность получаемого решения.

Оптимизационные методы основаны на применении математических методов, реализованных на ЭВМ. Эти методы делятся на две группы - чисто оптимизационные и эвристические. Большинство из оптимизационных методов используют линейные модели и метод линейного программирования для их решения. Однако реальные задачи раскроя часто имеют нелинейные элементы, которые приводят к тому, что решение получается все-таки не оптимальным. Эвристические методы иногда приводят к очень неплохим результатам, если это укладывается в норматив отходов. Тем не менее, никогда не ясно, а можно ли найти решение еще лучше.

Эвристический подход к решению задачи оптимального раскроя.

Эвристические методы являются методами решения задач, построенными на использовании правил, приемов, упрощений, обобщающих прошлый опыт решающего. Эвристические рассуждения и методы строятся на использовании аналогии отдельных практических приемов специалиста и на логическом умозаключении от частных случаев к общему выводу или от отдельных практических приемов к обобщению. Схематическое изображение основных этапов процесса эвристического программирования применительно к задачам раскроя материалов приведено на рисунке 6.1.

Таким образом, при эвристическом программировании раскроя материалов на уровне процессов переработки информации необходимо выделить сами законы переработки информации. Решение ряда задач раскроя материалов с использованием эвристических методов и с помощью ЭВМ и анализ полученных результатов показывает, что в прикладном плане эти методы дают практически приемлемые результаты, а в некоторых случаях, например, при раскрое сварных труб, раскрое сортового проката и др., планы раскроя получаются безотходными.

Вверх

В процессе разработки проекта магистерской работы в составе рассматриваемой задачи выявилось три направления:

• построение оптимального плана раскроя проката;
• вероятностная оценка длины раската в каждом случае;
• формирование и выдача управляющего воздействия на исполнительный механизм летучих ножниц.

Таким образом, функционирование разрабатываемой системы можно представить в виде следующей схемы:

На первом уровне выполняется планирование раскроя, исходя из пакета заказов. Причем считается, что длина раската для каждого вида стали постоянна. Такая задача относится к задачам одномерного раскроя, и могла бы решаться с помощью простых методов линейного программирования, однако она усложняется условием раскроя по минусовым припускам, т.е. для каждой заданной длины заготовки существует верхний и нижний предел, и план раскроя должен предусматривать оптимальный выбор длины заготовки в этих пределах. Существует два метода решения этой проблемы:

• решение задачи с помощью методов линейного программирования и корректировка полученного плана с помощью эвристических методов;
• решение задачи на основе генетического алгоритма.

На данном этапе время решения не играет большой роли, поэтому допустимы оба метода решения.

На втором уровне с помощью датчиков определяются текущие параметры технологического процесса и, с помощью метода Байеса, рассчитывается вероятностное значение длины прокатываемого раската. Проблема, возникающая на этом уровне, состоит в составлении математической модели для оценивания длины металлопроката и в определении необходимой точности измерения параметров технологического процесса. Задача данного уровня должна решаться на каждом шаге раскроя (после каждого реза).

На третьем уровне необходимо осуществить корректировку имеющегося плана раскроя с учетом откорректированного значения длины раската. Здесь предъявляется жесткое требование в виде ограничений на время решения. Это ограничение выполняется при использовании генетических алгоритмов при решении оптимизационной задачи раскроя.

На четвертом уровне осуществляется непосредственно управление резом летучих ножниц. Главная проблема этой задачи − синхронизация скоростей вращения ножей и движения металла. В летучих ножницах, выполняющих рассматриваемый технологический процесс, используется тахометрическая система управления. Привод ножниц работает синхронно с приводом последней клети стана 500 с учетом корректировочных сигналов от оператора и машины раскроя. В магистерской работе необходимо рассмотреть способы формирования этих корректирующих сигналов.

Контроль выполнения плана раскроя выполняется с помощью датчиков, измеряющих длины заготовок на выходе НЗС.

Вверх

В результате выполнения магистерской работы планируется решить следующие задачи:

• разработка параметрического алгоритма раскроя в условиях конкретного технологического процесса без учета текущего изменения длины каждого раската;
• разработка математической модели и алгоритма оценки длины текущего раската с помощью метода Байеса;
• разработка алгоритма корректировки плана раскроя в режиме реального времени с помощью генетического алгоритма;
• определение методики формирования управляющего сигнала для исполнительного механизма летучих ножниц.

Вверх

Задача оптимального раскроя материалов является одной из самых важных в ресурсосберегающих технологиях для заготовительного производства, поскольку напрямую ведет к экономии материалов и снижению отходов [ 6, 7, 8 ].

Одним из вариантов такой задачи является задача оптимального линейного раскроя материалов, в рассматриваемом случае − раскрой металлопроката. Специфика исследуемой задачи требует рассмотрения большого числа возможных компоновок заготовок в металлопрокате. Учитывая, что время на обработку данных и принятие решения ограничено малым временем прохождения раската от последней клети стана (точки измерения) до линии ножниц, получаем оптимизационную задачу с ограничением на время принятия решения. Решения желательно принимать не дольше чем, за 10—15 с.

В результате анализа методов решения задач одномерного раскроя с учетом требований, предъявляемых технологическим процессом, можно сделать вывод, что необходимо использовать гибридные эвристические методы или генетические алгоритмы. Эти методы позволяют составить начальный план раскроя для средних значений длин раскатов каждого типа и затем корректировать его на каждом шаге в режиме реального времени.

Вверх

1. Технология прокатного производства. Учебное пособие. / В.М. Клименко, А.М. Онищенко, А.А. Минаев, В.С. Горелик. –К.: Выща школа. Головное изд-во, 1989. -311с.


2. Гусев Б.С., Шевченко О.Г., Нечипоренко В.А. и др. Автоматизированная система управления раскроем проката для непрерывно-заготовочного стана // Металл и литье Украины. 1999. №5-6. С.28-31.


3. Технический отчет по созданию автоматизированной системы контроля технологических параметров работы главных электроприводов непрерывно-заготовочного стана 730/500 и электропривода летучих ножниц ЛПРН-150 цеха «Блюминг-1» ГМК «Криворожсталь». НПО «Доникс», Донецк: 2004г.


4. М.А. Бабенко, В.Л. Носиков, В.П Герасимчук, В.И. Кобзарь, В.Я Хижняк. Модернизация системы безотходного раскроя металла на летучих ножницах стана 500 цеха блюминг-1 КГГМК «Криворожсталь» // Металлургическая и горнорудная промышленность. 2001. №2.


5. Комплексная система измерения геометрических размеров движущегося раската металла в технологическом потоке прокатного стана. НПО "Доникс".


6. В.Д. Дмитриев, М.Я. Бровман. Справочник прокатчика: Машиностроение и металлургия. −2-е изд., перераб. и доп. − Донецк: Донбасс, 1986. -110с.


7. Бабаев Ф.В. Оптимальный раскрой материалов с помощью ЭВМ. − М: Машиностроение, 1982. −168с.


8. Мухачева Э.А. Рациональный раскрой промышленных материалов. Применение АСУ. − М.: Машиностроение, 1984. −176с.

Вверх

Примечание: Данный автореферат не является окончательной версией автореферата магистерской работы, т.к. завершение исследований по теме магистерского проекта планируется до 31.12.2006.

А если с улыбкой...