Software & Systems

Перспективным направлением развития систем автоматизированного проектирования (САПР) является использование элементов искусственного интеллекта и вычислительной техники пятого поколения. Одним из практических приложений искусственного интеллекта в области САПР являются экспертные системы (ЭС), которые находят все большее применение в различных предметных отраслях [1-4 и др.]. В Уральском государственном техническом университете разработана ЭС для анализа и проектирования технологии сортовой прокатки.

Прокатное производство позволяет получать весьма широкий сортамент продукции (листовой прокат, сортовые профили общего, отраслевого и специального назначения, проволоку, трубы и пр.) на прокатных станах различных типов [5]. Сортовые профили прокатывают на заготовочных, крупно-, средне-, мелкосортных и проволочных станах, включающих от 4 до 30 рабочих клетей, в которых вращаются прокатные валки с нарезанными на них калибрами различной формы (прямоугольной, шестиугольной, овальной, круглой, фасон- ной и др.). Ежегодно в России производится более 2,5 тысяч сортовых профилей [6], причем сортамент этих профилей постоянно обновляется. Поэтому для совершенствования действующих и проектирования новых технологических процессов сортовой прокатки целесообразно применять САПР и ЭС.

Разработанная нами ЭС технологии сортовой прокатки предназначена для оперативного анализа и экспертной оценки технологических процессов прокатки сортовых профилей на станах с непрерывным и последовательным расположением рабочих клетей. При этом она позволяет решать достаточно широкий круг задач моделирования, диагностики и оптимизации действующих и проектируемых технологических процессов, а также определения параметров настройки прокатных станов при реализации рассчитанных технологических режимов.

В частности, специалисту-пользователю система предоставляет возможность:

-    рассчитывать полный комплекс технологических параметров прокатки заданного профиля и проводить их экспертную оценку;

-    определять влияние температуры нагрева заготовки на технологические параметры и нагруженность оборудования стана;

-    моделировать влияние скоростного режима прокатки на изменение технологических параметров и условия работы прокатных клетей;

-    определять влияние марки прокатываемой стали на заполнение калибров и параметры силовой загрузки оборудования;

-    определять возможность прокатки заданной марки стали в условиях действующей калибровки валков прокатного стана;

-    находить причины поломок оборудования рабочих клетей;

-    прогнозировать точность прокатки заданного профиля на стане с заданной жесткостью рабочих клетей;

-    выявлять резервы совершенствования технологии по различным показателям (повышение производительности, снижение расхода тепловой и электрической энергии, увеличение степени загрузки оборудования).

-    проводить оптимизацию и рационализацию действующих и проектируемых технологических процессов по критериям: быстродействия и экономии материально-энергетических ресурсов;

-    определять установочные межвалковые зазоры в рабочих клетях при прокатке заданного профиля по запроектированным технологическим режимам.

Структурная схема ЭС технологии сортовой прокатки приведена на рисунке 1. В ее состав входят 13 основных модулей.

Функционирование системы начинается с формирования исходной информации в модуле 1. При этом необходимые для решения задачи параметры вызываются из соответствующих баз данных (БД) и записываются в специальные файлы-таблицы. В разработанную ЭС включены следующие БД:

·     по составу прокатных станов, работающих на отечественных металлургических заводах, и сортаменту прокатываемых на них профилей (БД «Заводы, станы, сортамент»);

·     по технической характеристике прокатных станов (БД «Техническая характеристика стана»);

·     по калибровкам валков и режимам деформации при прокатке характерных профилей (БД «Калибровка валков»);

·     по требованиям стандартов к точности прокатываемых профилей (БД «Требования к точности»);

·     по коэффициентам для определения сопротивления деформации различных сталей и сплавов (БД «Сопротивление деформации»).

Если анализируемый прокатный стан и технологический режим в БД отсутствуют, то информация о технической характеристике этого стана, калибровке валков и технологических режимах прокатки предварительно вводится в соответствующие БД. Таким образом идет постепенное накопление информации в БД, что создает возможность для проектирования технологии прокатки новых профилей по аналогам.

Сформированная исходная информация подвергается диагностике на предмет выявления ошибок (см. модуль 2). Предусмотрено графическое изображение анализируемых или проектируемых калибров и задаваемых в них полос на экране монитора (модуль «Графическое отображение»).

На основе сформированной исходной информации в блоке 4 производится расчет полного комплекса технологических и энергосиловых параметров моделируемого процесса.

Используемая в ЭС математическая модель формоизменения и энергосиловых параметров базируется на применении вариационных принципов теории пластичности и позволяет наиболее точно определять деформации и усилия при прокатке в калибрах различной формы [7]. Модель содержит формулы, позволяющие для всех практически применяемых систем калибров определять коэффициент уширения металла b, степень заполнения калибра d1, площадь поперечного сечения полосы w, коэффициент напряженного состояния ns , контактное давление р, усилие Р и крутящий момент Мвал прокатки, мощность деформации N в зависимости от следующих параметров процесса (рис. 2): приведенного диаметра валков А=, коэффициента обжатия 1/h=, отношения осей калибра ак= и сторон задаваемой полосы а0=, степени заполнения предыдущего калибра d0=, выпуска калибра tgj, показателя контактного трения y, контактной площади Fк, коэффициента вытяжки l и сопротивления металла деформации ss, которое рассчитывается с использованием современных методов термомеханических коэффициентов [8,9]. Указанные формулы для всех систем калибров имеют одинаковую структуру и выражают следующие функциональные зависимости:

b =¦(A, 1/h, ak, a0, d0, y, ss),

; ;

p=1.15ss ns , ns =¦(1/h, A, ak, y),

P=pFк, f,

Mвал=¦(A, 1/h, l, y,h1),

Скорости прокатки Vi в каждой клети непрерывного и последовательного стана рассчитываются с учетом условия постоянства секундных объемов: Vi= Vi-1*li, где i – порядковый номер клети по ходу прокатки (i=1,2,3,..., n). Одновременно рассчитываются минимально и максимально допустимые скорости прокатки Vmin и Vmax в зависимости от предельной частоты вращения и катающего диаметра валков каждой клети.

Для расчета температуры раската по проходам в системе предусмотрены две математические модели:

*    с учетом потерь тепла за счет лучеиспускания и разогрева металла от деформации (две статьи теплового баланса);

*    с учетом потерь тепла за счет лучеиспускания, конвекции, теплопроводности и разогрева металла от деформации (четыре статьи теплового баланса).

В результате расчетов формируются таблицы расчетных данных (модуль «Таблицы результатов»). Предусмотрена возможность представления расчетных параметров в виде графиков изменения их по проходам. С этой целью в состав системы включен модуль «Графики».

Полученная расчетная информация подвергается экспертной оценке с проверкой всех ограничений и c расчетом критериев качества проектируемого процесса (блоки 7 и 8).

В ЭС предусмотрены следующие ограничения режимов прокатки в каждом проходе:

-    по степени заполнения калибров 0.6< < d1<1.0;

-    по условиям захвата металла валками a<[a];

-    по условиям устойчивости полос в калибрах [a]min

-    по прочности оборудования рабочих клетей Rmax

-    по степени загрузки электродвигателей привода стана (с учетом типа электродвигателя) Nпр < Nдв или Mпрi < Mдв.

Здесь a и [a] – расчетный и максимально допустимый угол захвата металла валками; a, [a]min и [a]max – фактическое, минимально и максимально допустимое отношение осей поперечного сечения полос; Rmax и Pдоп – наибольшее расчетное и максимально допустимое усилие на шейке валков; Mпр и Mдоп – наибольший момент прокатки и максимально допустимый крутящий момент на приводных концах рабочих клетей; Nпр и Mпрi – мощность прокатки и крутящий момент прокатки, приведенный к валу электродвигателя; Nдв и Mдв – мощность и крутящий момент, развиваемые электродвигателем привода рабочих клетей.

Для оценки качества и оптимизации анализируемых и проектируемых технологических процессов в системе предусмотрено использование следующих критериев:

·     производительность прокатного стана, рассчитываемая в зависимости от такта Тт или скорости прокатки V;

·     расход электроэнергии на прокатку Qэ;

·     расход топлива, контролируемый по температуре нагрева металла t0;

·     степень заполнения калибров d1, влияющая на качество формоизменения металла;

·     степень нагруженности оборудования рабочих клетей стана:

; ; ;

Результаты оценки системы ограничений приводятся к безразмерному виду и формируются в виде алфавита (см. табл.).

База знаний (блок 9) содержит набор правил, обобщающих опыт специалистов-экспертов по улучшению качества технологических процессов.

Знания хранятся с использованием таблиц целей, выводов, правил, условий и фактов (рис. 3). В зависимости от решаемой задачи (поставленной цели) предусмотрено несколько наборов (таблиц) правил, представляющих собой цепочку логических рассуждений, основанных на применении продукций вида [2,3] «ЕСЛИ... ТО» (условие Þ действие). В указанной конструкции правил между условием и действием располагаются факты, в качестве которых используются полученные расчетные данные и их экспертные оценки (см. табл.). Например:

¨   «ЕСЛИ >1,05, ТО необходимо уменьшить коэффициент обжатия 1/h»;

¨   «ЕСЛИ степень загрузки электродвигателя кдв равна или меньше 0.4, ТО рекомендуется увеличить коэффициент вытяжки l»;

¨   «ЕСЛИ кр > 1, ТО возможна поломка оборудования клети, необходимо перераспределить обжатия» и т.п.

Наряду с этим используются правила Де Моргана [3] типа AÚBÛА&В.

Применяя соответствующий набор правил последовательно для каждого прохода, система определяет резервы улучшения технологического процесса и формирует в блоке 10 (Машине вывода) решение по изменению режима деформации металла, выдавая его в виде сообщения на экран монитора. Пользователю предоставляется возможность согласиться с этим решением или внести в него коррективы, изменить соответствующим образом исходные данные и произвести повторные расчеты. Путем такого диалога с компьютером пользователь добивается получения оптимального решения поставленной задачи. Параметры рассчитанного технологического процесса заносят в БД с целью накопления информации.

Программное обеспечение описанной ЭС разработано для операционной системы Windows с использованием среды визуального программирования Borland C++ Builder [10], БД основаны на использовании таблиц Paradox.

Для эксплуатации ЭС необходим компьютер не ниже Pentium-100 с оперативной памятью не менее 16 Мб и с объемом свободного дискового пространства не менее 100 Мб.

Указанные программные и технические средства обеспечивают достаточно простой и удобный интерфейс пользователя с компьютером посредством раскрывающихся на экране монитора окон, меню, списков, полей ввода, кнопок и т.п.

Разработанная ЭС может быть использована в НИИ и на металлургических заводах при совершенствовании действующих и проектировании новых технологических процессов сортовой прокатки, а также в виде советчика при определении настроечных межвалковых зазоров.

Список литературы

1.     Убейко В.М., Убейко В.В. Экспертные системы в СССР. - М.: 1991 (Обзорн. информ. маш. пр-во. /Сер. Автоматизированные системы проектирования и управления. - Вып.5). - 67с.

2.     Статистические и динамические экспертные системы/ Э.В. Попов, И.В. Фоминых, Е.В. Кисель и др. - М.: Финансы и статистика, 1996. - 320с.

3.     Герман О.В. Введение в теорию экспертных систем и обработки знаний. - Минск: ДизайнПРО, 1995.-255с.

4.     Сойер Б., Фостер Д.Л. Программирование экспертных систем на паскале: /Пер. с англ. - М.: Финансы и статистика, 1990.-191 с., ил.

5.     Прокатное производство / П.И. Палухин, Н.М. Федосов, А.А. Королев и др. - М.: Металлургия, 1982. - 696 с.

6.     Сортовые профили проката: Справочник /В.В. Лемпицкий, И.П. Шулаев, И.С. Тришевский и др. - М.: Металлургия, 1981. - 624с.

7.     Смирнов В.К., Шилов В.А., Инатович Ю.В. Калибровка прокатных валков. - М.: Металлургия, 1987. - 368 с.

8.     Зюзин В.И., Третьяков А.В. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением: Справочник. - Челябинск: Металл, 1993. - 368 с.

9.     Андреюк Л.В., Телюнев Г.Г. Сопротивление деформации сталей и сплавов //Теория и практика металлургии: Тр. НИИМ. - Челябинск: Южно-Уральское кн. изд-во, 1970. - Сб. №11. - С.101-123.

10.  Вальвачев А., Сурков Д., Сурков К. Программирование в среде C++ Builder. -Минск: ООО «Попурри», 1998. -576 с.