Программные продукты и системы

Одним из агрегатов, входящих в производственную цепочку металлургической промышленности, является машина непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Ее задача – кристаллизация жидкого металла в заготовки заданного сечения для их последующего передела в конечную продукцию. Проектирование узлов МНЛЗ осложняется спецификой протекающих в ней физико-химических процессов, а также определенными трудностями в прогнозировании влияния тех или иных проектных решений на процесс кристаллизации заготовки. При этом адаптация универсальных средств для синтеза оптимальных проектных решений по конструкции узлов МНЛЗ затруднена в силу физических масштабов агрегата, а также ряда технических проблем, возникающих при попытке перевода данной задачи в термины универсальных средств. В этой связи актуальным и перспективным направлением является разработка специализированных средств для автоматизации решения узких задач, возникающих при проектировании узлов МНЛЗ.

Одним из ключевых узлов МНЛЗ является зона вторичного охлаждения (ЗВО), при движении через которую заготовка охлаждается до полного затвердевания путем подачи охладителя через систему форсунок. Схема расположения форсунок напрямую влияет на профиль охлаждения заготовок, который, в свою очередь, оказывает влияние на их качество. Теоретико-информационный анализ предметной области показал, что задача определения схемы расположения форсунок для получения заготовок нормального качества недостаточно формализована, к тому же нет общеизвестных способов автоматизации решения данной задачи.

С целью формализации и автоматизации процедуры проектирования схемы расположения форсунок в ЗВО МНЛЗ разработана специализированная интерактивная система анализа и синтеза проектных решений по схеме расположения форсунок, определена структура системы, сформированы необходимые математические основы, спроектированы и реализованы средства для интерактивного взаимодействия с проектировщиком, а также средства визуализации полученных результатов.

Назначение и структура интерактивной системы

Анализ существующего опыта проектирования МНЛЗ показал, что задачи определения длины ЗВО, количества и типов форсунок, необходимых для обеспечения охлаждения заготовки, имеют известные решения [1, 2]. Исходя из этого перед системой поставлена следующая задача: по заданной опорной конструкции ЗВО, включающей схему роликовой проводки, деление ЗВО на секции, опорную схему расположения форсунок, а также по проектным технологическим параметрам разливки определить оптимальные позиции форсунок в межроликовых пространствах.

Предложена принципиальная структура интерактивной системы анализа и синтеза проектных решений, схематично отображенная на рисунке 1.

Система состоит из трех подсистем:

–      подсистемы ведения нормативно-справоч­ной информации, в задачи которой входит обеспечение ввода, хранения и редактирования различных групп входной информации;

–      подсистемы прогностического моделирования и оптимизации, представляющей собой ядро системы и осуществляющей синтез проектных решений по схеме расположения форсунок путем комбинирования процедур прогностического моделирования теплового состояния заготовки в ЗВО МНЛЗ и автоматического поиска оптимальных позиций форсунок, при которых тепловой профиль охлаждения заготовки удовлетворяет заданным требованиям;

–      подсистемы накопления и визуализации результатов, предназначенной для сохранения результатов расчетов и отображения их в удобном для анализа виде.

На основании предложенной структуры проведена декомпозиция системы на программные модули (рис. 2).

Модуль загрузки и выгрузки данных выполняет двустороннее преобразование информации между структурами данных в оперативной памяти и файлами на запоминающем устройстве. Для хранения информации на диске разработана структура представления данных в виде XML-докумен­тов, типизированных с помощью схем опреде- ления XML-данных (Xml Schema Definition) [3]. Выходные данные для каждой выполненной процедуры представляются в виде группы бинарных файлов, XML-файлов и файлов Excel. Файлы входной и выходной информации логически объединяются в проект, представленный в виде структурированной системы каталогов на диске.

Модуль редактирования нормативно-справоч­ной информации предоставляет возможность создания и редактирования элементов справочников при помощи диалоговых форм.

Модуль прогностического моделирования и оптимизации в момент инициирования процедуры расчета запрашивает у пользователя набор входных данных, позволяя первично сформировать данные из элементов справочников и далее отредактировать их для планируемого запуска, после чего производит расчет. Данные, накопленные по итогам расчета в оперативной памяти, выгружаются на диск модулем загрузки и выгрузки данных.

В основу модуля прогностического моделирования и оптимизации положена математическая модель теплового состояния заготовки, основанная на итерационном решении двумерного уравнения теплопроводности и позволяющая идентифицировать тепловое поле заготовки с учетом схемы расположения форсунок. Модель построена на базе ряда известных моделей [4–6] с внесением в них локальных модификаций и усовершенствований [7, 8]. Технологические требования к по- перечному профилю охлаждения поверхности заготовки формализованы в виде разработанного автором комплексного критерия оптимальности поперечного теплового профиля поверхности заготовки, основанного на известных требованиях к симметричности и равномерности теплоотвода от поверхности заготовки по ее ширине [9–11]. На основе процедуры математического моделирования теплового поля заготовки с учетом позиций форсунок и критерия оптимальности поперечного теплового профиля сформулирована и решена задача оптимизации позиций форсунок, заключающаяся в последовательном поиске оптимальных позиций форсунок в каждом межроликовом пространстве при помощи направленного случайного поиска [12].

Модуль визуализации результатов предоставляет пользователю возможность просмотра результатов выполненных процедур в виде схем, графиков и форм с текстовыми данными.

Единицы информации, которыми обмениваются модули системы, могут быть условно разделены на единицы, представляющие входную информацию, и единицы, представляющие выходную. Входная информация, поступающая в систему, может быть разделена на три основные группы: сведения о конструкции ЗВО МНЛЗ, сведения о марках стали, сведения о начальных условиях и калибровочных параметрах расчета (рис. 3–5).

Выходная информация представляет собой рассчитанные оптимальные позиции форсунок, а также массивы данных о тепловом состоянии заготовки в ЗВО и интенсивности теплообмена на поверхности заготовки в каждой расчетной точке (рис. 6).

Программная реализация интерактивной системы

Реализация интерактивной системы выполнена в рамках объектно-ориентированного подхода на универсальном языке программирования Java. В качестве платформы для построения графического интерфейса системы использован фреймворк Netbeans Platform [13].

Перечислим ключевые классы, входящие в программные модули системы.

Модуль прогностического моделирования и оптимизации содержит класс, реализующий расчеты: SwModel; класс мастера запуска прогона: SwRunWizard; классы-структуры входной информации: SwModelConfiguration, SwCoolingZone­Configuration, SwCalculationParamsConfiguration; класс-структуру выходной информации: SwCalcu­lationResultData. Данный модуль осуществляет непосредственный синтез выходных структур по набору входной информации. Классы других модулей системы обеспечивают редактирование, обработку и запись/чтение данных структур.

Модуль загрузки и выгрузки данных включает класс, реализующий выгрузку данных: SwAr­tifactCreator. Модуль также содержит схемы описания (Xml Schema Definition) XML-документов, используемых для хранения информации на диске.

Модуль редактирования нормативно-спра­вочной информации содержит класс редактора полного набора входных параметров (объединяет редакторы отдельных групп входных параметров): SwModelConfigurationEditor; классы редакторов отдельных групп входных параметров: SwCooling­ZoneEditor, SwCalculationParamsEditor, SwSteelPa­ramsEditor; классы специализированных графических компонент для просмотра и редактирования конструкции секций ЗВО: SwSectionSideRenderer, SwSectionSideDescriptionView.

Модуль визуализации результатов включа- ет абстрактные классы для реализации построе- ния однотипных диаграмм: SurfaceVisualizer, XYGraphVisualizer; классы форм для визуализации различных частей накопленной информации (по одному прогону): TempBySectionVisualizer, HeatBySectionVisualizer, AlphaBySectionVisualizer, CrossTempVisualizer, MeanTempVisualizer, Point­TempVisualizer, CrossSectionTempVizualizer, …; класс формы сравнения температуры поверхности граней заготовки по результатам двух разных прогонов SurfaceTempComparisonVisualizer.

С точки зрения построения графического интерфейса основными составляющими элементами главного окна интерактивной системы являются дерево навигации и область вкладок, в которой могут быть открыты несколько диалоговых форм одновременно. Дерево навигации позволяет просматривать и при необходимости переходить к редактированию элементов справочников. Оно содержит узлы, представляющие выполненные процедуры расчета, именуемые в системе прогонами.

Редактирование марок сталей и параметров расчета реализовано при помощи типовых форм с текстовыми полями. Диалог редактирования параметров конструкции ЗВО (см. http://www.swsys. ru/uploaded/image/2015-3/2015-3-dop/4.jpg) содержит специализированные графические компоненты и является более сложным.

Данный специализированный компонент позволяет добавлять/удалять секции ЗВО, определять их протяженность, задавать схему расположения форсунок в каждой секции отдельно по малому и большому радиусам, графически выделять принадлежность форсунок различным контурам охлаждения, строить графики распределения охладителя по поверхности заготовки для выделенного ряда форсунок. При помощи данного компонента также осуществляется просмотр оптимизированных позиций форсунок после выполнения прогона.

Для визуализации результатов расчетов используются формы (см. http://www.swsys.ru/up­loaded/image/2015-3/2015-3-dop/5.jpg):

–      для отображения графиков изменения температуры отдельных точек сечения заготовки по длине технологической линии МНЛЗ;

–      с графиками поперечного теплового профиля заготовки на различной глубине в позициях выхода из каждой секции;

–      с графиками усредненной температуры поверхности граней заготовки вдоль технологической линии МНЛЗ;

–      с графиком-поверхностью, отражающим температуру поверхности выбранной грани заготовки в выбранной секции;

–      для цветовой визуализации распределения температуры по сечению заготовки на заданной отметке по технологической линии МНЛЗ;

–      с графиком-поверхностью, отражающим распределение коэффициента теплоотдачи выбранной грани заготовки в выбранной секции;

–      с графиком-поверхностью, отражающим распределение плотности теплового потока на выбранной грани заготовки в выбранной секции;

–      с графиками, отражающими количество суммарно отведенного от заготовки тепла в зависимости от позиции по технологической линии МНЛЗ;

–      для просмотра оптимизированной схемы расположения форсунок;

–      для анализа поведения критерия оптимизации при поиске оптимальных позиций форсунок в каждом ряду;

–      для визуального сравнения температурного поля поверхности широкой грани заготовки с результатами, полученными в другом прогоне.

Совокупность данных форм позволяет в удобном для восприятия виде проводить анализ результатов оптимизации, а также влияния того или иного проектного решения по схеме расположения форсунок на тепловую работу МНЛЗ.

Перспективы использования интерактивной системы анализа и синтеза проектных решений

Разработанная система испытана на примере синтеза оптимального проектного решения по схеме расположения форсунок для условий МНЛЗ № 2 ОАО «Уральская Сталь», г. Новотроицк. По итогам испытания установлено, что в ЗВО МНЛЗ № 2 возможно более оптимальное с точки зрения предложенного критерия расположение форсунок, позволяющее устранить систематическое переохлаждение отдельных участков поверхности по ширине заготовки (см. http://www.swsys.ru/upload­ed/image/2015-3/2015-3-dop/6.jpg, http://www.sw­sys.ru/uploaded/image/2015-3/2015-3-dop/7.jpg), что ведет к созданию более благоприятных условий для получения заготовок нормального качества.

Система может представлять интерес не толь- ко для проектировщиков, но и для технологов, работающих на действующих производствах, как средство исследования теплового состояния заготовки в МНЛЗ и влияния варьирования тех или иных параметров МНЛЗ на тепловое состояние заготовки.

На основании изложенного отметим, что в работе приведено описание логической структуры и программной реализации интерактивной системы анализа и синтеза проектных решений по схеме расположения форсунок в секциях вторичного охлаждения МНЛЗ. Система состоит из матема- тического ядра, позволяющего осуществлять прогностическое моделирование теплового поля заготовки в зависимости от конструкционных особенностей МНЛЗ и выполнять оптимизацию конструкционных параметров с точки зрения формализованных в виде критерия требований к тепловому полю заготовки, а также средств для интерактивного взаимодействия проектировщик–система. Интерактивная система может использоваться в качестве вспомогательного инструмента при проектировании новых и модернизации существующих МНЛЗ, а также как инструмент для исследования тепловой работы МНЛЗ сотрудниками технологических лабораторий металлургических предприятий.

Литература

1.     Лисиенко В.Г., Самойлович Ю.А. Теплотехнические основы технологии и конструирования машин непрерывного литья заготовок. Красноярск: Изд-во Красноярск. ун-та, 1986. 120 с.

2.     Буланов Л.В., Корзунин Л.Г. Парфенов Е.П. [и др.]. Машины непрерывного литья заготовок. Теория и расчет. Екатеринбург: Марат, 2004. 320 с.

3.     Vlist E. XML Schema. O’Reilly Media, 2003, 400 p.

4.     Hardin R., Liu K., Kapoor A. [et. al]. Transient Simulation and Dynamic Spray Cooling Control Model for Continuous Steel Casting. Metallurgical and Materials Transactions, 2003, no. 34, pp. 297–306.

5.     Shen H., Hardin R., MacKenzie R.  [et. al]. Simulation Using Realistic Spray Cooling for the Continuous Casting of Multi-component Steel. Journ. of Materials Science and Technology, 2002, vol. 18, pp. 123–128.

6.     Meng Y., Thomas B. Heat transfer and Solidification Model of Continuous Slab Casting: CON1D. Metallurgical and Materials Transactions, 2003, no. 5, pp. 685–705.

7.     Сафонов Д.С., Логунова О.С. Автоматизация проектирования конструкции секций вторичного охлаждения машины непрерывного литья заготовок // Вестн. Магнитогорского гос. тех. ун-та. 2015. № 1. C. 111–127.

8.     Логунова О.С., Мацко И.И., Сафонов Д.С. Моделирование теплового состояния бесконечно протяженного тела с учетом динамически изменяющихся граничных условий третьего рода // Вестн. Южно-Уральского гос. ун-та. Серия: Математическое моделирование и программирование. 2012. № 27. С. 74–85.

9.     Логунова О.С., Парсункин Б.Н., Суспицын В.Г. Автоматизированная оценка качества непрерывнолитой заготовки // Сталь. 2004. № 12. С. 101–104.

10.  Boyle R., Frick J. Implementation of modern secondary cooling technology in existing casters. Materials of the 3rd Intern. Conference on Continuous Casting if Steel in Developing Countries. Beijing, China, 2004.

11.  Boyle R., Frick J. New Secondary Cooling Systems and Practices. Nozzles and Cooling Solutions for Continuous Casting of Steel, 2012, pp. 33–44.

12.  Сафонов Д.С., Логунова О.С. Система синтеза и анализа проектных решений конструкции секций вторичного охлаждения машины непрерывного литья заготовок: монография. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та, 2015. 109 с.

13.  Bock H. The Definitive Guide to NetBeans™ Platform 7. Apress Publ., 2011, 592 p.