Využití cepstrální informace pro diagnostiku technologie plynulého odlévání oceli

Transkript

1 Automatizace technologických procesů, počítačová simulace, výpočetní metody Hutnické listy č.2/2008 Využití cepstrální informace pro diagnostiku technologie plynulého odlévání oceli Prof. Ing. Longin Tomis, CSc., Doc. Ing. Jiří David, Ph.D., VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu 15, Ostrava- Poruba Příspěvek se zabývá problematikou analýzy vibračních spekter a rezonančních vlastností technických systémů, která reprezentuje diagnostický proces, při kterém jsou zpracovávány a hodnoceny signály, které daný technický systém vysílá do svého okolí. Využití této metody je zvláště efektivní u systémů s periodickým principem činnosti, neboť u těchto systémů je signál bohatý na informace. Výhoda spočívá ve skutečnosti, že diagnostický signál je vybuzen pracovní činností výrobního zařízení. Cepstrální informace je jednou z diagnostických veličin, které poskytují možnost pro hodnocení technického stavu složitých mechanických soustav. V příspěvku je využití této techniky ukázáno na zařízení plynulého odlévání oceli, tzn. na stanovení simplexového modelu, který by poskytoval informaci využitelnou k identifikaci poměru kapalné a tuhé fáze v plynule litém předlitku resp. určení tzv. metalurgické délky, která je dále využitelná k řízení a optimalizaci technologického procesu plynulého odlévání oceli. Úvod Problematika aplikace diagnostických metod v různých technických odvětvích je do určité míry společná, má ovšem i své specifické zvláštnosti a požadavky formulované provozními podmínkami, při nichž výrobní zařízení pracují. Společným znakem při aplikaci diagnostických metod v provozních podmínkách je především ekonomické kritérium, doplněné kritériem bezpečnosti provozu, dále pak požadavek úzké vazby k ostatním údržbářským operacím a požadavek unifikace přístrojového vybavení. Specifickým hlediskem v metalurgické výrobě je vznik časově proměnného rizika vzniku poruchy a dále potřeba členění diagnostických postupů nejen z obsahového hlediska jednotlivých úkonů, ale rovněž z hlediska optimálního vykonání diagnostických úkonů z důvodu prostorového rozmístění výrobních zařízení na relativně velkém území. Z výše uvedených důvodů vzniká potřeba při diagnostických prohlídkách resp. monitorování technického stavu metalurgických výrobních zařízení uplatňovat moderní přístupy a metody. Přitom diagnostiku výrobních zařízení nelze chápat jako módní záležitost, ale se vší důsledností je třeba veškerá opatření, zejména diagnostický postup, výběr metod a přístrojů ekonomicky zdůvodnit a nespoléhat na intuici. Základní otázkou tedy je s jakou pracností, přesností a s jakými z toho plynoucími důsledky lze určitou metodu a přístroj aplikovat a především jaké je třeba vytvořit pro aplikaci technicko-organizační podmínky. Funkcionální diagnostika v praxi Technická diagnostika využívá obecně známé měřící metody z různých oblastí techniky a mimoto je stále vyvíjeno mnoho speciálních metod, vyplývajících z konkrétních provozních požadavků. V řadě technických oborů je nutno výsledky diagnostických metod a měření posuzovat shovívavě. [6] Je nutné si uvědomit, že v řadě 76 provozních situací není cílem pouze určitou fyzikální veličinu, obecně diagnostický signál přesně změřit, ale že toto měření je prostředkem pro stanovení diagnózy a prognózy vývoje technického stavu výrobního zařízení. Technický stav výrobního zařízení můžeme definovat jako souhrn vlastností objektu, které vystihují jeho schopnost vykonávat požadované funkce v daný okamžik. Stav objektu lze určit pomocí pozorování různých příznaků stavu objektu. Za příznaky můžeme považovat fyzikální veličiny, funkce těchto veličin měřené na objektu ve statickém nebo dynamickém režimu jeho práce nebo fyzikální veličiny, které nenáleží k objektu, ale jsou dány jeho činností. Velmi mnoho provozních příznaků a parametrů lze výhodně využít přímo jako diagnostické signály. Výhoda spočívá ve skutečnosti, že diagnostický signál je vybuzen pracovní činností výrobního zařízení. Při vývoji a sestavování diagnostických postupů je sice účelné vycházet z osvědčených schémat, avšak neustále je třeba hledat a ověřovat netradiční aplikace měřící techniky. V současné době jsou v provozní praxi nejvíce rozšířeny diagnostické metody založené na měření neelektrických veličin. Základní soubor neelektrických veličin, které přicházejí v bezdemontážní diagnostice v úvahu vzhledem k dostupné měřící technice je poměrně omezený, patří sem točivý moment, otáčky, teploty, tlaky, vibrace a emise ultrazvukového vlnění. Nejvýznamnější bezdemontážní diagnostická metoda pro hodnocení technického stavu složitých mechanických soustav, mezi které může zařadit i zařízení plynulého odlévání oceli se opírá o výsledky měření charakteristických parametrů vibrací (zrychlení, rychlosti výchylky) emitované jednotlivými prvky resp. uzly soustavy během její činnosti. Jeden z možných způsobů detekce poruchových stavů spočívá ve srovnání celkové úrovně vibrací se standardními, předem zvolenými kritérii. Nevýhodou uvedené metody je skutečnost, že nemůže podchytit počínající poruchy,

2 Hutnické listy č.2/2008 Automatizace technologických procesů, počítačová simulace, výpočetní metody které budí signály, jejichž doba trvání je poměrně velmi krátká, a proto se neprojeví na vzrůstu celkové úrovně vibrací. Mimoto změna celkové hladiny vibrací indikuje, že se něco změnilo, ale neposkytuje žádnou informaci o lokalizaci poruchy. Tyto nedostatky odstraňuje v současnosti metoda spektrální analýzy. Spektrální rozklad neboli spektrální analýza spočívá v rozkladu složitého průběhu signálů na jeho základní složky pomocí Fourierovy transformace. Cepstrální analýza Při spektrální analýze mechanických soustav má zvláštní význam výkonové spektrum logaritmického výkonového spektra, pro něž byl zaveden zjednodušený název cepstrum. Podstata spočívá v následujícím: mějme periodický signál y(t) snímaný na měřeném objektu (viz. obr. 1a), výkonové spektrum pak bude [4] 2 W ( ϖ ) = F{ y( t)} (1) kde symbol F označuje Fourierovu transformaci. Průběh výkonového spektra signálu y(t) je na obr. 1b, potom je cepstrum C(τ) definováno vztahem 2 C ( τ ) = F{logW ( ϖ )} (2) Nezávislá proměnná τ cepstra C(τ) označená jako quefrence má rozměr času a je analogická proměnné τ autokorelační funkce R(τ), která je zpětnou Fourierovou transformací spektrální hustoty, jak vyplývá z následující rovnice [4] = 1 R τ W ϖ e j ϖ τ ( ) ( ) d 2 π ϖ (3) Průběh cepstrální charakteristiky signálu C(τ) je na obr. 1c. Jelikož je výkonové spektrum běžně udáváno v db, neboť má rozměr výkonu na jednotku frekvenčního pásma, používá se obvykle pro stupnici cepstra jednotka (db) 2. Obr. 1 Časový průběh, logaritmické výkonové spektrum a cepstrum periodického signálu [4] Fig. 1 Time course, logarithmic output spectrum and cepstrum of periodic signal [4] V současné době existuje celá řada metod měření cepstrálních charakteristik, nejjednodušší metoda využívá dvojité frekvenční analýzy. Základní sestava přístrojů obsahuje magnetofon pro záznam signálu, úzkopásmový frekvenční analyzátor s logaritmickým a lineárním výstupem a číslicový zapisovač k záznamu a reprodukci okamžitých hodnot logaritmu výkonového spektra. Výhoda cepstrální analýzy spočívá především ve skutečnosti, že umožňuje rozlišit skupiny postranních pásem, která se ve skutečnosti prolínají kolem nosné frekvence a jejich vizuální oddělení ve spektru je obtížné. Na obrázku 2 je uveden příklad cepstrální charakteristiky objektu změřené před opravou a po opravě a srovnání se spektrální charakteristikou stejného objektu. Obr. 2 Srovnání cepstrální a spektrální analýzy technického objektu a) před opravou b) po opravě [4] Fig. 2 Comparison of cepstral and spectral analysis of technical object a) before repair b) after repair [4] Cepstrální charakteristika se získá stejným způsobem jako spektrální charakteristika, s tím rozdílem, že na vstup úzkopásmového analyzátoru je přivedena posloupnost okamžitých hodnot logaritmu spektrální 77

3 Automatizace technologických procesů, počítačová simulace, výpočetní metody Hutnické listy č.2/2008 charakteristiky místo signálu snímaného na měřeném objektu a výstup z analyzátoru je lineární. Blokové schéma zapojení přístrojů pro získání cepstrální charakteristiky je na obrázku 3. Použije-li se pro získání spektrální charakteristiky signál z počítače zahrnující program pro rychlou Fourierovu transformaci, získá se cepstrální charakteristika průběhu snímaného na měřeném objektu tím, že se program rychlé Fourierovy transformace aplikuje dvakrát. Cepstrální analýza přináší řadu výhod, jako je například možnost detekce postranních pásem kolem nosných frekvencí a tím i identifikaci určitých typů poruch složitých mechanických soustav. Při její aplikaci je však třeba věnovat pozornost vhodné filtraci pro odstranění periodicit ve frekvenčním spektru. Tyto frekvence se také objeví v cepstru a jsou obvykle mnohem nižší než frekvence nosné, kolem nichž jsou postranní pásma rozložena a lze je vyloučit užitím dolnofrekvenčních a hornofrekvenčních filtrů v rozsahu 1/2 až troj 1/2násobku nosné frekvence, jejíž postranní pásma jsou předmětem zájmu. [4] Vstup (snímaný signál) Měřící magnetofon Úzkopásmový analyzátor logaritmický výstup log W(ω) lineární výstup C(τ) Číslicový zapisovač Zapisovač Obr. 3 Zapojení základních přístrojů pro snímání cepstrální charakteristiky [4] Fig. 3 Mounting of basic apparatuses for cepstral characteristics scanning [4] Diagnostika procesu plynulého odlévání Proces plynulého odlévání oceli je moderní a progresivní technologií zpracování oceli, avšak ani zde se není možné zcela vyhnout výskytu některých poruch zařízení plynulého odlévání a z nich plynoucích vad plynule litých předlitků. Druhy vad jsou dány specifikou samotného procesu plynulého odlévání, při kterém probíhá tuhnutí oceli v krystalizátoru. Jednou z nejčastějších příčin odstavení licího proudu je průval neboli protržení licí kůry v krystalizátoru nebo v segmentech. Příčin průvalů existuje celá řada, ale stále velké procento z nich zatím stále není vysvětlena a tedy není možnost jim předcházet. Na obrázku 4 je uveden přehled nejčastějších příčin vzniku průvalu [2]. Z těchto důvodů a na základě dříve provedených laboratorních experimentů byla provedena provozně-experimentální analýza vibračních spekter s využitím výše popsané metody cepstrální analýzy, které vznikají třením kontislitku o stěny krystalizátoru s postižením vlivu výšky hladiny oceli v krystalizátoru, jakosti zásypu (strusky), teploty oceli v mezipánvi a chemického složení odlévané oceli, jako jedné z možnosti stanovení příčin resp. predikce průvalu. 78

4 Hutnické listy č.2/2008 Automatizace technologických procesů, počítačová simulace, výpočetní metody 2% 8% 5% 5% 6% 41% 2% 19% 3% 6% 1% 2% Příčina nezjištěna Zatečení za startovací nebo spojovací koš Přelití a následné tažení Vysoké přehřátí oceli Teplotně nehomogenní tavba Chemicky nehomogenní tavba Vysoká licí rychlost Velký rozkmit hladiny oceli v krystalizátoru Vtažení rámku do krystalizátoru Průval v důsledku chyb obsluhy Průval v důsledku poruchy stroje Další příčiny Obr. 4 Procentuální podíl jednotlivých příčin vzniku průvalů Fig. 4 Percentage rate of particular reasons of rush creation Vlastní měření byla provedena na zařízení plynulého odlévání s následujícími technickými parametry: Výrobce MANNESMANN DEMAG, VÍTKOVICE Typ radiální s plynulým rovnáním Poloměr zakřivení 10,5 m Kapacita 1100 kt/rok Počet licích proudů 6 Vzdálenost mezi proudy [mm] 1100, 1100, 1600, 1100, 1100 Doba lití tavby 72,5 minut Odlévané průřezy 130 x 130 mm 180 x 180 mm 210 mm Maximální rychlost lití 2,0 m/min Délky kontislitků 4,3-12,0 m Technické parametry krystalizátorů: Typ trubkový Délka trubkové vložky 700 mm Materiál CuAg, pracovní plochy pochromovány Pohon oscilačního mechanismu elektromechanický s řízením otáček frekvenčními měniči Výška oscilačního zdvihu ± 3 mm Rozsah regulace oscilací zdvihů.min -1 Měření byla provedena na všech licích proudech a pro různé provozní stavy, především šlo o porovnání výsledků při odlévání oceli s nízkým a vysokým obsahem uhlíku, které má vliv na kontrakci oceli při tuhnutí. Dále byla zohledněna výška hladiny oceli v krystalizátoru (70% a 80% výšky hladiny v oceli), změna množství zásypu. Z provozních důvodů bylo sledování vlivu teploty prováděno pouze v malém teplotním rozsahu a tedy dosažené výsledky vlivu teploty nebyly průkazné. Důvodem byla viskozita oceli, která má rozhodující vliv na způsob proudění při lití a která je exponenciální funkcí teploty a její vliv by se projevil až při teplotách blížících se teplotě likvidu. Při měření byly použity následující měřící přístroje: měřící magnetofon firmy Bruel-Kjaer se záznamovou rychlostí 381 mm/s, snímač B&K 4370 Acc rozsah 2 Hz - 30kHz, který byl umístěn na výstupním potrubí chladící vody, analyzátor B&K 2034, plotter 2319, oscilograf Honeywell 30, Vibrovid 494, budič síly, elektronický digitální taho-tlakoměr Siemens s rozsahem do 5 kpa. Výsledkem měření (viz. obr. 5 a 6) a následným zpracování s využitím cepstrální analýzy bylo vytvoření kriteriálního modelu. Důvodem byla skutečnost, že kriteriální model má zcela univerzální charakter, i když změna resonance fyzikální objektu, v našem případě soustavy krystalizátor - plynule litý předlitek může ovlivnit nejen velikost amplitudy, ale i posuv na frekvenční ose. Prvním kritériem je podíl amplitud na frekvencích charakterizující resonanční vlastnosti krystalizátoru (A kr ) a fyzikální stav plynule litého předlitku, který zahrnuje jakost oceli, teplotu oceli, viskozitu oceli, délku tekutého klínu a mazací vlastnosti zásypu (A PLP ) [1] 79

5 Automatizace technologických procesů, počítačová simulace, výpočetní metody Hutnické listy č.2/2008 A kr KM 1 = (4) APLP Druhým kritériem je podíl amplitud na frekvencích charakterizující resonanční vlastnosti krystalizátoru (A kr ) a okolí krystalizátoru včetně konstrukce (A kon ). Toto kritérium má doplňkových charakter. [1] A kr 2 (5) Akon KM = Podíl těchto dvou amplitud vytváří čísla, které komplexně hodnotí stav technologického procesu a spolu derivací časového vývoje těchto kritérií a s ostatními parametry vytváří předpoklad pro hodnocení stavu procesu plynulého odlévání oceli. Obr. 5 Ukázka výsledků provozních měření [1] Fig. 5 Demonstration of operational measurements results [1] Obr. 6 Ukázka výsledků provozních měření [1] Fig. 6 Demonstration of operational measurements results [1] 80

6 Hutnické listy č.2/2008 Automatizace technologických procesů, počítačová simulace, výpočetní metody Závěr Literatura: Na základě analýzy vibračních spekter a resonančních vlastností soustavy krystalizátor plynule litý ocelový předlitek s nízkým resp. vysokým obsahem uhlíku, s využitím cepstrální analýzy byl vytvořen spektrální kriteriální model pro komplexní hodnocení stavu technologického procesu plynulého odlévání oceli. Tento model umožňuje nejen sledování nebezpečných vibrací krystalizátoru, které mohou být i příčinou průvalů, nýbrž i zvyšuje informační úroveň o technologii plynulého odlévání oceli. Tyto modely byly ověřeny při provozních měření při reálných podmínkách při odlévání ocelí s nízkým resp. vysokým obsahem uhlíku. Při měření byly rovněž sledovány vlivy dalších parametrů procesu, které mohou odlévání oceli výrazně ovlivnit jako např. změna výšky hladiny oceli v krystalizátoru, změna množství zásypu, rychlost lití resp. změna teploty oceli. Výsledky hodnocení kriteriálního modelu potvrdily tyto závislosti a jsou zcela objektivní. Závěrem lze tedy konstatovat, že metoda cepstrální analýzy se jeví jako využitelná diagnostická metoda pro technologii plynulého odlévání oceli a může výrazně zvýšit znalostní bázi o daném procesu. [1] TOMIS, L., PÝCHA, B. Zpráva o řešení úkolu týkajícího se oblasti optimalizace procesu kontinuálního lití oceli zaměřeného na analýzu vibrací a resonančních vlastností krystalizátoru včetně okolí modelovými kriteriálními vztahy. Ostrava, [2] TOMIS, L., PÝCHA, B. Analýza technického stavu oscilačních zařízení na ZPO. Závěrečná zpráva výzkumného úkolu, Ostrava, [3] TOMIS, L. aj. Utilization of Special Information Technologies for Identifikation of Continuous Casting Proces State. In ASRTP 98, TU Košice, Poprad, [4] ZNAMIROVSKÝ, K. aj. Provozní spolehlivost strojů a agregátů. SNTL, Praha, [5] PEJŠA, L. aj. Technická diagnostika. Česká zemědělská univerzita Praha, Praha, [6] JANOUŠEK, I., KOZÁK, J., TARABA, O. Technická diagnostika. SNTL, Praha, Recenze: Prof. RNDr. Dr. Lubomír Smutný Severgal v roce 2008 zhruba zdvojnásobil prodej žárově pozinkovaných automobilových plechů Steel Business Briefing V roce 2008 by měly provozy pro žárové pozinkování (HDG) ruského Severgalu vyrobit tun, což je méně než loňská výroba tun při plném využití kapacity. Andrej Kuzněcov, technický ředitel závodu, který je 100% vlastněn Severstalem vysvětluje, že je to způsobeno tím, že linka bude vyrábět tenčí materiál o tloušťce 0,6 mm. Jako jediný domácí výrobce žárově pozinkovaných plechů pro exponované automobilové díly, rozšiřuje společnost své obchody s ruským automobilovým průmyslem. Dodává také, podobně jako MMK a NLMK, žárově pozinkované plechy pro vnitřní díly. Vloni dodal Severgalu do automobilového průmyslu méně než 5% své výroby. Letos by tento podíl měl narůst až k 10%. Přibližně 50% se dodává na lakovací linky Severstalu. Vloni v listopadu dodal Severstal svou první 200 t dodávku do moskevského závodu AvtoFramos, který patří Renaultu. Druhá 200 t dodávka pro exponované díly byla uskutečněna v únoru letošního roku. Plech bude použit na karoseriové střechy a kapoty. Pravidelný obchod s 200 tunami měsíčně začíná již v jarních měsících a bude pokračovat po celý rok Pozinkovací linka testuje také své první zákazníky v západní Evropě. V prosinci roku 2007 poslala dodávku 60 tun do lisovny dodávající Mercedesu a v letošním lednu dodala 500 tun do servisního centra Volkswagenu. Ve stadiu jednání jsou další obchody s automobilovým průmyslem. V současné době jsou však ceny obchodovaných ocelí v Rusku vyšší, což ztěžuje prodej do západní Evropy. Dodávky do EU jsou tak omezeny. Do roku 2011 se očekává, že poptávka domácího automobilového průmyslu po žárově pozinkovaném plechu poroste ročně o tun až 1 mil. tun. Hlavním zákazníkem Severgalu je AvtoVaz, který vyrábí Lady v samarském regionu Ruska. 81