Учебно-исследовательский тренажер-имитатор процессов сортовой прокатки

Актуальность построения компьютерных тренажеров для проведения исследовательских работ в области обработки металлов давлением и обучения персонала, обслуживающего технологические процессы, можно определить следующими тенденциями: формирование рациональных энерго- и ресурсосберегающих путей развития технологий обработки металлов давлением, потребностью в качественном улучшении подготовки персонала, вызванной постоянным усложнением технологических процессов; появлением новых систем управления; успехами в создании систем компьютерного тренинга.

На кафедре разработана комплексная многоуровневая математическая модель процессов сортовой прокатки (рис. 1), которая легла в основу дальнейших разработок в этой области. Комплексная модель построена для использования различных теоретических методов (классические модели, метод конечных элементов, нейронные сети и др.) и пакетов экспериментальных данных.

Предпосылкой для построения тренажеров по сортовой прокатке является разработанная на кафедре система автоматизированного проектирования технологий сортовой прокатки «Калибр» [1], которая внедрена на ряде промышленных пред-

Рис. 1. Комплексная математическая модель сортовой прокатки: МКЭ – метод конечных элементов, ЭД – экспериментальные данные, НС – нейронные сети

приятий ( ОАО «Челябметкомбинат », ОАО «Корпорация «ВСМПО-Ависма », ОАО « МЗ «Кама-сталь», ОАО «Русская сталь» и др.).

Учебно-исследовательск ий тренажер -имита тор предназначен для изучения и освоения техн о логии и оборудования процессов сортовой прока т ки и должен их достаточно полно иллюстрировать для получения опыта и навыков управления пр о цессами прокатки, эмулировать возможные ав арийные ситуа ции и поломки, вызванные наруш е нием технологического процесса, ошибками оп е раторов или обслуживающего персонала, пров о дить сравнение практических и теоретических р е зультатов. Специализированное программное обеспечение должно давать возможность контроля орг анов управления процессом, диагностики и фиксирования проблем в его работе, обучении безопасным приемам работы, имитацию иссл е дуемых процессов, исследование и задание техн о логических режимов и параметров процесса и с следование и задание технологических режи мов и параметров процесса. Наличие системы тестир о вания знаний должно обеспечивать оперативный и эффективный контроль знаний, умений и навыков.

Учебно- исследовательский тренажер -имита тор «Сортовая прокатка», созданный на кафедре «Машины и технологии обраб отки металлов да влением», предназначен:

• –    для изучения основ технологии производс тва сортового проката;

• –    ознакомления с конструкциями и характ е ристиками основного технологического оборуд ования прокатных станов;

• –    приобретения навыков проектирования те хнол огии прокатки сортовых профилей;

• –    ознакомления с процессом управления пр о катным станом и непосредственного управления моделью стана;

• – моделирования и отработки нештатных ситуаций;

  – контроля знаний в области технологии и оборудования производства проката.

Структура учебно-исследовательского тренажера-имитатора «Сортовая прокатка» представлена на рис. 2.

Модуль «Теоретические и технологические основы» представляет собой основные положения сортовой прокатки с текстовым, иллюстративным и анимационным материалом [2]. Он может использоваться как для самостоятельного обучения, так и в качестве презентации на лекционных и практических занятиях. Предусмотрена возможность контроля знаний.

Использование промышленных программных комплексов при обучении, как правило, сводится к изучению непосредственно самих программных комплексов, а не той технологии, для автоматизации которой они предназначены. Очевидно, что обучение проектируемому процессу, а не системе проектирования, должно осуществляться в «облегченной версии» промышленного варианта. Для этого в структуре учебно-исследовательского тренажера-имитатора «Сортовая прокатка» разработана программа-тренажер для технологов, обеспечивающих проектирование и контроль технологического процесса.

На первом этапе обучения на этом модуле тренажера происходит выбор типа стана, его характеристик и конфигурации; определение формы и размеров заготовки; разработка схемы прокатки; моделирование формоизменения металла; проектирование и построение калибров.

На втором этапе определяются скоростные характеристики процесса; рассчитываются температурные режимы; определяются энергосиловые параметры процесса сортовой прокатки и т. д.

На третьем этапе можно получить диаграммное представление и анализ показателей технологического процесса; создать необходимую технологическую документацию и архив.

Рис. 2. Структура учебно-исследовательского тренажера-имитатора «Сортовая прокатка»

Рис. 3. Интерфейс тренажера технолога: 1 – изменение масштаба рабочей области; 2 – описание текущего задания; 3 – главное меню; 4 – рабочая область; 5 – управление заданием; 6 – управление проходом / параметрами калибра; 7 – текст задания; 8 – управление калибровкой

Элементы тренажера технолога и его интерфейс представлены на рис. 3.

В рабочей области происходит визуализация сечения очага деформации в текущем проходе и в последующих проходах (если имеются). Для каждого прохода отображаются: сечение калибра, поперечное сечение металла, основные размеры калибра, максимальная ширина сечения металла.

Важными преимуществами тренажера являются визуальная оценка изменения формы и размеров металла в процессе деформации; предоставление информации в наглядном и удобном для анализа виде: графики, таблицы, эскизы. Множество варьируемых параметров дает простор для «творчества».

Расчет можно вести для станов различной конфигурации, учитывать свойства различных марок сталей, технические характеристики основного оборудования и другие технологические и конструктивные параметры.

Для таких параметров, как момент прокатки (и двигателя), усилие прокатки, затрачиваемая мощность, температура металла, ток якоря двигателя и обороты валков возможно построение диаграмм их распределения по проходам.

Все рассчитываемые параметры можно вывести для анализа в табличном или графическом варианте (рис. 4 и 5).

В тренажере технолога предусмотрены следующие тренинги:

– вводный, где показаны основные инстру- менты для анализа и модификации существующих калибровок валков;

– уширение металла, целью которого является выделение и определение характера влияния основных факторов, определяющих изменение уширения;

– закон постоянства секундного объема;

– методы определения энергосиловых параметров;

– непрерывный стан (температура);

– реверсивный стан (температура);

– общие вопросы проектирования калибров;

– проектирование предчистовых калибров;

– проектирование чистовых калибров;

– анализ настройки стана.

Тренинг «самостоятельная работа» позволит усилить исследовательские навыки и служит подготовительным этапом к контрольным заданиям данного раздела. При правильном выполнении, тренинг также поможет усилить интуитивный анализ калибровки валков.

Предусмотрены контрольные задания, которые выполняются в виде тестов с вопросами, обобщающих знания и опыт, полученный в ходе выполнения предыдущих занятий на тренажере, итоговое задание и комплексный тест.

На рис. 6 показано окно модуля задания в процессе его выполнения.

Тренажер оператора прокатного стана позволяет осуществлять настройку прокатного стана и динамическое управление его работой, имитиро-

Рис. 4. Панель с результатами расчета в виде таблицы

Рис. 5. Панель отображения диаграммы

ГЮМЕГРИ ЧКЮЕ И КУ КМйТУМК КН Е МРМЛРИСТРИМ ОЧДГЛ Д ЕТОРМШ Ш

СП ЧДЕ№У Е ПОКАЗАТЬ/ ВЛ

IOРМС№ М Е1-ЕН УЯ МЕТАЛЛА on нед ель у е пипе?дтурн ЫК ГОКАУПЕЛеЙ ПРОЦЕССА ПРОКАТКИ

ОП ЛДЕЛЕНУ Е ОСОРОСТШЯ ГНМАЗАТЕЛеЙ ПРОЦЕСС» ПРОКАТКИ

>НЕИПСИПОеУЕ ПДРАМЕТРЬ ПРОЦЕССА

ООРТОВОЙ ГРОКАТХИ

ЧИСЛЕНКХ ЫОДЕЛИРОеДЯРЕ / МО

Определить температуру заготовки на входе в первую клеть. Температура нагрева заготовки в печи равна 1150 °C Длина рольганга 25 м, окружная скорость роликов рольганга 2,5 м/с, площадь поперечного сечения заготовки 6400 мм2 и периметр 3 25 мм

Рис. 6. Окно модуля в процессе выполнения задания

вать работу оператора прокатного стана в проце ссе прокатки.

Операции, выполняемые в тренажере опер атора:

– выбор прокатываемого типоразмера и соо тветствующей ему технологии;

– ввод установок оборудования;

– слежение за процессом прокатки, геометр и ческими размерами раската, нагрузками в клети;

– аварийная остановка стана;

– корректировка скоростного режима прокатки;

– штатные, нештатные и аварийные ситуации на стане.

На рис. 7 показан внешний вид тренажера оператора прокатного стана.

В модуле отрабатываются следующие тип овые ситуации:

– штатные сценарии: перестройка на новый профиль, корректировка скорости, прокатка н а строечных полос (петли); прокатка настроечных полос (натяжение);

– нештатные: выход из строя одной из клети, сбой в работе системы автоматической регулировки;

– аварийные: разрыв полосы в валках клети, застревание полосы в валках клети и т. п.

На рис. 8 показана работа тренажера оператора с имитацией возникновения петли в промежутке между клетями непрерывного стана. В данной ситуации от пользователя ожидается корректировка оборотов валков с пульта управления в той мере, которая приведет к стабилизации процесса (в случае неверной корректировки предусмотрена ситуация развития петлеобразования и дальнейшее забуривание).

Модуль «Тренажер вальцовщика» предназначен для отработки сценариев работы вальцовщика и контроля полученных навыков. Выполняемые операции: выбор необходимых валков из имеющихся в парке и сборка клети; настройка клети (для реверсивного стана осуществляется динамически в процессе имитации прокатки); контроль размеров проката и подстройка стана; штатные, нештатные и аварийные ситуации на стане.

Рис. 7. Внешний вид тренажера оператора прокатного стана: 1 – монитор; 2 – физический пульт управления

Рис. 8. Работа тренажера оператора

Контрольными заданиями для модулей «тренажер оператора» и «тренажер вальцовщика» являются тестовые формы контроля, настройка клетей на новый профиль, настройка скоростного режима непрерывной прокатки, выполнение действий при забуривании полосы, корректировка режимов при дефектах геометрии и др.

Сервисный модуль предназначен для идентификации пользователя по вводу имени/пароля, защиты от несанкционированного использования, управления системными настройками и учетными записями пользователей, каталогизации результатов обучения и контроля знаний, возможности удаленного контроля и восстановления работоспособности системы, взаимодействия модулей друг с другом.

Учебно-исследовательский тренажер-имитатор имеет модульную структуру и при необходимости или по заданию пользователя легко может расширяться (путем добавления специализированных модулей) как в сторону включения в него новых рабочих мест, новых типов профилей (например, фасон- ных), нового марочного сортамента, нового оборудования, так и в сторону включения новых знаний в теории и технологии прокатного производства.

Тренажер может быть использован для обучения основам прокатного производства, методам и приемам подготовки, контроля и управления технологическими процессами прокатки на промышленных предприятиях, а также в учебных заведениях высшего и специального образования.