Geum.ru

Разработка методики анализа надежности автоматизированных электроприводов прокатных станов при реконструкции

Вид материалаАвтореферат

Содержание


Общая характеристика работы
Содержание работы
Вероятностное моделирование
Подобный материал:

На правах рукописи


ШЕМЕТОВА Анастасия Андреевна


РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ АНАЛИЗА НАДЕЖНОСТИ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

ПРОКАТНЫХ СТАНОВ ПРИ РЕКОНСТРУКЦИИ


Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Магнитогорск – 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» на кафедре электротехники и электротехнических систем


Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

КАРАНДАЕВ Александр Сергеевич


Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

УСЫНИН Юрий Семенович


кандидат технических наук, профессор

БАСКОВ Сергей Николаевич


Ведущая организация: ОАО «Магнитогорский

металлургический комбинат»,

г. Магнитогорск


Защита состоится 19 мая 2009 г. в ­­­­9 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.111.04 при ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, Челябинская обл., г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, ауд. 227.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».


Автореферат разослан 17 апреля 2009 г.


Ученый секретарь диссертационного совета

канд. техн. наук, доцент К.Э. Одинцов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Комплектные тиристорные электроприводы (ЭП) постоянного тока в течение длительного времени будут составлять большую часть электроприводов, используемых в основных технологических установках ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ОАО «ММК»). Принципиально новым направлением модернизации, принятым в ОАО «ММК», является перевод электроприводов с устаревшими аналоговыми системами управления на прямое цифровое регулирование без замены силовой части преобразователя. Аналогов подобной реконструкции в мировой практике до настоящего времени не было. Выбор такого решения объясняется следующими причинами:

– основную долю в стоимости ЭП составляет стоимость электродвигателя и силовых полупроводниковых элементов, в тоже время замена только системы управления должна дать быстрый экономический эффект за счет увеличения надежности и улучшения качества регулирования;

– основная часть двигателей постоянного тока и силовых тиристорных блоков не выработала свой ресурс и может находиться в эксплуатации.

Впервые в мировой практике данный подход был применен при модернизации электроприводов чистовых клетей, рольганга и летучих ножниц стана 2500 горячей прокатки. Модернизация систем управления тиристорных преобразователей выполнена на базе цифровых модулей фирмы Siemens, широко применяемых в ОАО «ММК». В настоящее время решается вопрос о проведении аналогичной модернизации главных электроприводов стана 2000. Важным этапом технико-экономического обоснования ее целесообразности является оценка надежности ЭП до и после реконструкции.

Большинство известных методик расчета надежности электротехнических систем основано на статистических методах анализа и требует длительного сбора информации о техническом состоянии объекта. Подобная информация на действующих объектах прокатного производства не всегда объективна и зачастую является конфиденциальной. Кроме того, статистическая информация о предшествующем состоянии объекта не может быть применена для прогнозной оценки надежности электропривода после реконструкции. В этом случае необходимы методы, обеспечивающие возможность прогнозирования надежности электропривода после реконструкции до начала ее проведения. Информация о разработке подобных методов применительно к автоматизированным электроприводам промышленных установок и, в частности, к ЭП прокатных станов в литературных источниках отсутствует.

Целью диссертационной работы являются разработка и практическое применение методики анализа надежности автоматизированных электроприводов прокатных станов при их реконструкции.


Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

1. Обоснованного выбора показателей надежности, применимых для анализа технического состояния автоматизированных электроприводов. Сопоставления известных алгоритмов анализа надежности с целью обоснования возможности их применения в разрабатываемой методике.

2. Разработки методики расчета показателей надежности автоматизированных электроприводов на основе логико-вероятностных методов.

3. Оценки достоверности разработанной методики путем сопоставления расчетных и фактических показателей надежности электроприводов стана 2500 ОАО «ММК» до и после проведения реконструкции.

4. Технико-экономического обоснования принятого варианта реконструкции с заменой системы управления и сохранением силовой части для электроприводов чистовой группы стана 2000 ОАО «ММК».

5. Выбора оптимальной схемы проведения реконструкции с точки зрения минимизации затрат, вызванных простоем стана. Оценки необходимости дополнительного резервирования электроприводов в период реконструкции.

Методика проведения исследований. Теоретические исследования основывались на положениях теории надежности, статистических методах обработки информации, применении математического аппарата алгебры логики, методах построения диагностических моделей, основных положениях логико-вероятностных методов расчета: структурно-логического, вероятностного моделирования, применения аппарата схем функциональной целостности. При разработке программы расчета надежности использовался язык программирования Turbo Pascal 7.0.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Методика анализа надежности автоматизированных электроприводов, основанная на положениях обобщенного логико-вероятностного метода, включающая следующие этапы:

– этап построения структурной схемы отказов;

– этап логического моделирования, на котором по построенной структуре отказов записывается логическая функция работоспособности системы;

– этап вероятностного моделирования, на котором функция работоспособности системы преобразуется в многочлен вероятностной функции, описывающий закон распределения времени безотказной работы системы;

– – этап расчета показателей надежности отдельных элементов системы и структурной схемы в целом.

2. Обоснованное применение для расчета и прогнозирования показателей надежности электроприводов прокатного стана метода экспертных оценок, основанного на анализе информации о количестве и временном распределении отказов отдельных элементов электропривода, данных специально сформированной группой экспертов – специалистов в области наладки и обслуживания электроприводов.

3. Алгоритмы и программа статистической обработки данных об отказах электроприводов клетей прокатного стана, обеспечивающие классификацию отказов по фактору времени и месту возникновения, формирование архива отказов и расчет среднего времени наработки электропривода на отказ.

4. Результаты расчета технико-экономических показателей, подтвердившие техническую эффективность и экономическую целесообразность реконструкции электроприводов чистовых клетей стана 2000 с заменой аналоговой системы управления на цифровую и сохранением силовой части тиристорного преобразователя.

5. Схема проведения реконструкции электроприводов стана 2000, согласно которой на первом этапе модернизируется и вводится в работу резервный преобразователь, а на последующих этапах проводится реконструкция систем управления основных преобразователей без применения устройств дополнительного резервирования на период реконструкции.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается правомерностью принятых исходных положений и предпосылок, корректным применением математического аппарата и методов математического моделирования, адекватностью расчетных и экспериментальных данных, полученных на действующем широкополосном стане горячей прокатки, использованием реальных технических характеристик оборудования.

Научная новизна. В процессе решения поставленных задач получены следующие новые научные результаты:

1. Разработана методика анализа надежности автоматизированных электроприводов, основанная на положениях обобщенного логико-вероятностного метода анализа надежности сложных систем.

2. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность применения для расчета и прогнозирования показателей надежности электропривода метода экспертных оценок.

3. Предложены алгоритмы статистической обработки данных об отказах электроприводов клетей прокатного стана, обеспечивающие классификацию отказов по времени и месту возникновения, формирование архива отказов и расчет среднего времени наработки электропривода на отказ.

4. Впервые подтверждено, что вариант реконструкции электроприводов прокатного стана с заменой аналоговой системы управления на цифровую и сохранением силовой части тиристорного преобразователя является эффективным как с технической, так и с экономической точек зрения.

Практическая ценность и реализация работы состоит в том, что

1. Разработанная методика анализа надежности применена для оценки надежности автоматизированных электроприводов стана 2500 горячей прокатки, в результате чего даны однозначная положительная оценка результатов реконструкции и рекомендации по дальнейшему расширенному промышленному внедрению способа модернизации электроприводов с переводом аналоговой системы управления на цифровую и сохранением силовой части тиристорного преобразователя.

2. Дано технико-экономическое обоснование целесообразности реализации исследуемого способа реконструкции в электроприводах стана 2000 горячей прокатки.

3. Разработанная и официально зарегистрированная программа, осуществляющая формирование архива отказов, статистическую обработку данных и расчет среднего времени наработки электропривода на отказ, рекомендуется для расширенного применения при анализе надежности электроприводов широкого класса промышленных механизмов.

4. Разработанная схема проведения реконструкции электроприводов стана 2000 позволяет осуществить их реконструкцию в максимально сжатые сроки (не более 3-х месяцев) без остановки производства, без применения устройств дополнительного резервирования на период реконструкции.

5. Результаты исследований в виде «Технико-экономического обоснования модернизации электроприводов чистовой группы стана 2000 с переводом аналоговой системы управления на цифровую» и «Технического задания на реконструкцию автоматизированных электроприводов клетей стана 2000» переданы в центральную электротехническую лабораторию, электрослужбу листопрокатного цеха №10 и проектный отдел ОАО «ММК», где используются при разработке проекта реконструкции электроприводов стана 2000. Расчетный экономический эффект за счет сокращения времени простоя в период реконструкции и снижения расходного коэффициента составляет более 1 млн. руб./год.

6. Полученные результаты рекомендуются для использования при реконструкции электроприводов других агрегатов прокатного производства и могут быть использованы при расчете надежности электроприводов других промышленных установок, а также в учебном процессе при курсовом и дипломном проектировании студентами специальности 140604 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на V Международной (XVI Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу (АЭП-2007, Санкт-Петербург, 2007 г.), международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», (г. Томск, 2007 г.), I международной научно-практической конференции «ИНТЕХМЕТ-2008» (Санкт-Петербург, 2008 г.), международной конференции «Электроэнергетика и автоматизация в металлургии и машиностроении» (г. Магнитогорск, 2008 г.), 9-й Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и специалистов «Энергетики и металлурги настоящему будущему России» (г. Магнитогорск, 2008 г.); ежегодных научно-технических конференциях ГОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова» (г. Магнитогорск, 2007– 2009 гг.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 12 печатных трудах, в числе которых две статьи в рецензируемом журнале и одно свидетельство РФ об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 96 наименований. Работа изложена на 144 страницах основного текста, содержит 37 рисунков, 32 таблицы и приложения объемом 7 страниц.


СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрено состояние проблемы, обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные задачи работы, кратко изложено содержание диссертации.

В первой главе рассмотрены основные направления развития электроприводов (ЭП) в ОАО «ММК». Показана тенденция к росту доли ЭП переменного тока, оснащенных преобразователями частоты, и внедрения современных программируемых контроллеров. При этом комплектные тиристорные ЭП постоянного тока с аналоговыми системами управления составляют большую часть всех действующих электроприводов (рис. 1). Перспективным направлением их модернизации, принятым в ОАО «ММК», является замена аналоговых систем управления на микропроцессорные с сохранением существующей силовой части тиристорного преобразователя. Выбор такого направления объясняется следующими причинами:

– основную долю в стоимости электропривода составляет стоимость электродвигателя и силовых полупроводниковых элементов, в то время как замена только системы управления должна дать быстрый экономический эффект за счет увеличения надежности и улучшения качества регулирования;

– двигатели постоянного тока и основная часть силовых тиристорных блоков не выработали свой ресурс и могут находиться в эксплуатации.

Впервые данный подход был применен при реконструкции электроприводов чистовых клетей стана 2500 горячей прокатки. Опыт, накопленный при реконструкции этого стана, предполагается использовать для реконструкции электроприводов стана 2000. В связи с этим возникла необходимость проведения комплексного технико-экономического обоснования реконструкции, включающего анализ надежности электроприводов.

Далее в главе дана краткая характеристика электрооборудования чистовых клетей станов 2000 и 2500. Сравнение функциональных схем и параметров электроприводов позволило сделать вывод о том, что структуры систем управления тиристорным преобразователем, технические характеристики и состав основного электрооборудования идентичны, следовательно, с точки зрения анализа надежности эти объекты не имеют принципиальных отличий.

Рассмотрены основные особенности и результаты реконструкции электроприводов чистовых клетей стана 2500. Функциональные схемы главного ЭП до и после реконструкции приведены на рис. 2. В ходе реконструкции были сохранены существующие силовые тиристорные блоки преобразователя, питающего цепь якоря, релейно-контакторная схема управления двигателем, датчики тока и напряжения, не используемые для нужд САР. Вместо устаревшей системы управления, регулирования и защит электропривода была установлена новая система автоматического регулирования и управления на базе микропроцессорных блоков управления Simoreg СМ производства фирмы Siemens. Тиристорный возбудитель был демонтирован и на его место установлен новый на основе устройства Simoreg DC Master. Для согласования нового оборудования с сохраненной аппаратной частью были выполнены специальные модули стыковки. На втором этапе была произведена интеграция электроприводов в новую АСУ ТП стана.




Далее приведены основные понятия теории надежности, классификация отказов и способов резервирования. Рассмотрены существующие методы расчета надежности. Отмечены недостатки коэффициентного метода, сделан вывод о предпочтительном использовании логико-вероятностных методов расчета при разработке методики анализа надежности электроприводов.

Во второй главе приведены основные положения логико-вероятностных методов и на их основе разработана методика расчета надежности электроприводов чистовых клетей прокатных станов. Данная методика предусматривает выполнение следующих этапов:
  1. Структурно-логическое моделирование:
  • определение функций и аварийных (опасных) ситуаций в исследуемой системе электропривода, выбор показателей надежности системы;
  • определение возможных внешних и внутренних причин отказа исследуемой системы; разделение системы на конечное число подсистем и отдельных элементов, каждый из которых представляется независимым бинарным событием ;
  • построение структурной модели путем графического описания условий комбинаций отказов элементов и подсистем, а также влияния внешних факторов, приводящих к отказу всей системы в виде деревьев отказов и схем функциональной целостности;
  • словесное описание и аналитическое задание логического критерия функционирования системы .
  1. Логическое моделирование: по построенным деревьям отказов и схемам функциональной целостности записывается логическая функция работоспособности системы .
  2. Вероятностное моделирование: функция работоспособности системы преобразуется в многочлен вероятностной функции , описывающий закон распределения времени безотказной работы системы.
  3. Расчет показателей надежности системы:
  • определение показателей надежности отдельных элементов дерева отказов;
  • расчет показателей надежности всей системы электропривода.

Обоснован выбор показателей надежности системы электроприводов клетей прокатных станов, которая характеризуется следующими особенностями: является восстанавливаемой системой, большинство отказавших элементов восстанавливается путем их замены на новые; существует резервный тиристорный преобразователь (один на группу из семи чистовых клетей); технологический процесс прокатки является непрерывным; закон распределения времени безотказной работы элементов носит экспоненциальный характер, причем интенсивность отказов любого элемента является постоянной величиной; конечной задачей расчета надежности является технико-экономический анализ реконструкции электроприводов стана 2000.

В качестве основных показателей надежности выбраны среднее время наработки на отказ и параметр потока отказов , определяемые по зависимости:

(1)

многочлен вероятностной функции:

, (2)

где Toi – среднее время наработки на отказ элементов систем управления.

Далее в главе приведены допущения, принятые при разработке моделей надежности и построены деревья отказов главного электропривода (рис. 3) и тиристорного преобразователя (рис. 4). Схема функциональной целостности электропривода, тождественная дереву отказов (рис. 3), приведена на рис. 5.



Рис. 3.

Аппарат схем функциональной целостности позволяет использовать два выхода: прямой и инверсный , соответствующие отказу и работоспособному состоянию электропривода. Согласно схеме функциональной целостности определен логический критерий функционирования системы: .

Логическая функция работоспособности электропривода имеет вид:

(3)

Эта функция определяет два кратчайших пути успешного функционирования системы: работоспособность основного тиристорного преобразователя или работоспособность резерва. Преобразуя логическую функцию работоспособности (3) получаем многочлен вероятностной функции для электропривода:

(4)

где рi(t) – вероятности безотказной работы отдельных элементов и подсистем.

Для определения собственных показателей надежности элементов систем электроприводов проведено сопоставление статистического метода и метода экспертных оценок. В связи с ограниченным объемом достоверной информации об отказах главных электроприводов чистовых клетей прокатных станов и невозможностью прогнозирования результатов реконструкции до ее начала обосновано применение экспертного метода. В дальнейшем статистический метод рекомендован для проверки адекватности результатов разработанной методики расчета надежности и обоснования принятых допущений. Описана методика проверки согласованности мнений экспертов.



Рис. 4




Рис. 5

Третья глава посвящена проверке достоверности разработанной методики анализа надежности. С этой целью выполнен расчет показателей надежности систем управления электроприводов чистовых клетей стана 2500 до и после реконструкции (деревья отказов представлены на рис. 6, а  и б, соответственно). Далее выполнено сравнение расчетных показателей с реальными, полученными в результате обработки статистической информации об отказах.

Системы управления электроприводов (рис. 6) работоспособны только при условии работоспособности всех выделенных элементов. Определены средние времена наработки на отказ элементов с использованием метода экспертных оценок. С этой целью была сформирована группа экспертов – специалистов в области наладки и эксплуатации электроприводов и применен опросный метод. В качестве примера, в табл. 1 представлены результаты оценки среднего времени наработки на отказ элементов системы электропривода до реконструкции, данные экспертами. Аналогичные показатели получены для элементов системы после реконструкции.



а)



б)

Рис. 6

Таблица 1

Вид отказа
Среднее время наработки на отказ, мес.

1
2
3
4
5
6
Ср. знач.

Неисправность СИФУ
1
1
3
1
2
2
1,7

Неисправность аналогового

преобразователя цепи возбуждения
6
10
8
6
6
4
6,7

Неисправность аналоговой САР
2
1
2
1
2
3
1,8

Отсутствие связи СИФУ 1 с СИФУ 2
12
6
3
8
4
6
6,5

Отсутствие связи СИФУ 1

с аналоговой САР
6
6
3
6
4
6
5,2

Отказ релейно-контакторной схемы
1
1
2
2
3
1
1,7

Отказ датчиков тока и скорости
12
8
10
6
6
12
9,0

Для проверки степени расхождения экспертных оценок, являющихся количественными величинами, применены статистические методы: выполнены расчет коэффициентов конкордации (согласованности) и проверка по «- статистике». Сделан вывод о том, что оценки экспертов согласованы и для дальнейших расчетов можно использовать полученные средние значения показателей надежности элементов систем управления электроприводом чистовых клетей до и после реконструкции.

Для оценки степени обоснованности данных, представленных экспертами, были осуществлены сбор и статистическая обработка информации об отказах электроприводов чистовой группы стана 2500 в течения 3-х лет до реконструкции и аналогичного периода после реконструкции. Гистограмма распределения отказов по годам и месту их возникновения (после реконструкции) представлена на рис. 7.



Рис. 7.

Для автоматизации процесса обработки информации об отказах главных ЭП прокатного стана разработана программа для ЭВМ, которая позволяет формировать архив отказов, выполнять статистическую обработку архивных данных, рассчитывать среднее время наработки на отказ и другие показатели надежности. В качестве примера на рис. 8 представлен алгоритм обработки данных об отказах с распределением по фактору времени и номеру клети, являющийся фрагментом общего алгоритма программы. Разработанная программа официально зарегистрирована в Государственном реестре программ для ЭВМ.

Результаты расчета показателей надежности систем управления электроприводов до и после реконструкции, полученные по предложенной методике, а также их сопоставление с результатами статистического анализа данных представлены в табл. 2. Отклонения расчетных и реальных значений составляют 5–16%, что допустимо при статистическом анализе.

Таким образом, путем сопоставления расчетных и статистических показателей надежности электроприводов стана 2500 до и после реконструкции подтверждено их взаимное соответствие с достаточной для практических целей точностью. В результате подтверждены достоверность разработанной методики и возможность ее применения для прогнозных расчетов показателей надежности электроприводов стана 2000 после реконструкции.




Рис. 8.

Таблица 2

Показатели

надежности
Результат расчета по методике
Результат статистической обработки
Отклонение, %

до реконструкции
ТоF
0,4 мес.
0,38 мес.
5,3

ΛF
30 отказов/год
32 отказов/год
6,3

после реконструкции
ТоF
1,4 мес.
1,2 мес.
16,7

ΛF
9 отказов/год
10 отказов/год
10,0


Из табл. 2 также следует, что показатели надежности: среднее время наработки на отказ ТоF1 и интенсивность отказов ΛF1 в результате реконструкции улучшились более чем в 3 раза, что позволяет сделать однозначный вывод о целесообразности выполненной реконструкции электроприводов стана 2500 с заменой системы управления и сохранением силовой части.

В четвертой главе диссертации выполнен расчет надежности главных электроприводов чистовых клетей стана 2000 по разработанной методике. Поскольку функциональные схемы систем управления электроприводами станов 2000 и 2500 аналогичны, деревья отказов для электропривода клети стана 2000 аналогичны представленным на рис. 6.

Стан 2000 является более новым и современным по сравнению со станом 2500, следовательно, и показатели надежности систем управления электроприводов для этих станов до реконструкции различны. Выполнен статистический анализ имеющихся данных об отказах главных ЭП чистовых клетей стана 2000 за период 2003-2007 гг., подтвердивший, что принятые допущения об экспоненциальном законе распределения вероятности безотказной работы и идентичности клетей правомерны. Подтвержден вывод о том, что система управления является наименее надежным элементом в системе электропривода и подлежит реконструкции в первую очередь.

Выполнено сопоставление трех возможных вариантов реконструкции главных электроприводов чистовых клетей стана 2000 с технической и экономической точек зрения:
  1. Реконструкция с заменой системы управления и сохранением существующей силовой части (предполагаемый вариант, рис. 2).
  2. Реконструкция с полной заменой тиристорного преобразователя (рис. 9, а).
  3. Реконструкция с заменой двигателя постоянного тока на асинхронный двигатель с питанием и управлением от преобразователя частоты (рис. 9, б).



а) б)

Рис. 9.

Показатели надежности главных электроприводов для названных вариантов рассчитывались по разработанной методике с применением метода экспертных оценок. Помимо технических сравнивались следующие экономические показатели: капитальные затраты на проведение реконструкции, ожидаемый экономический эффект, экономическая эффективность, срок окупаемости. Экономический эффект достигается за счет: сокращения времени простоев клети, снижения расходного коэффициента в результате снижения обрези, сокращения объема брака вследствие отказов главного электропривода и сокращения затрат на эксплуатацию (только при внедрении асинхронного двигателя с преобразователем частоты).

Результаты сопоставления технико-экономических показателей представлены в табл. 3. Как видно из таблицы, экономическая эффективность внедрения системы ПЧ-АД примерно в 7 раз ниже, по сравнению с первым вариантом реконструкции, вместе с тем, капитальные затраты по первому варианту в 170 раз ниже. Обоснован вывод о том, что вариант реконструкции с заменой аналоговой системы управления на микропроцессорную при сохранении существующей силовой части в настоящее время является предпочтительным, т.к. позволяет достичь реального повышения надежности в 1,75 раз за наиболее короткий срок при минимальных капиталовложениях.

Таблица 3

Показатели
Вариант 1
Вариант 2
Вариант 3

Время наработки на отказ СУ, мес.
1,4
4,3
9,6

Капитальные вложения, млн. руб.
4,2
20
716

Экономический эффект, тыс. руб.
3,5
8,6
107

Экономическая эффективность
0,85
0,43
0,15

Срок окупаемости, год
1,2
2,3
6,8


В результате проведенного технико-экономического обоснования принято решение о целесообразности реконструкции электроприводов чистовой группы стана 2000 с заменой аналоговой системы управления на цифровую фирмы Siemens и сохранением двигателя и силовой части. Успешная эксплуатация электроприводов стана 2500 после аналогичной реконструкции в течение 3-х лет подтверждает правомерность такого решения.

Принципиальным отличием планируемой реконструкции является то, что она должна происходить без остановки стана и снижения производства (по сути, во время планово-предупредительных ремонтов). В связи с этим в работе выполнен анализ возможных схем проведения реконструкции и дополнительного резервирования электроприводов. Обоснована схема, согласно которой на первом этапе реконструируется резервный преобразователь. Во время планового останова он вводится в работу и остается в работе на срок 5–7 дней. В этот период оцениваются правильность и надежность функционирования систем управления. На втором этапе проводится реконструкция систем управления основных преобразователей. Время, требуемое на реконструкцию главных электроприводов клетей, в таком случае составит порядка 2–3 месяцев.

Проанализированы следующие варианты дополнительного резервирования на период реконструкции (рис. 10):

– установка дополнительного резервного преобразователя (рис. 10, а);

– установка резервной системы управления (рис. 10, б);

– подключение системы управления одной клети в качестве резервной для другой клети (рис. 10, в).




Рис. 10.

Результаты расчета затрат на организацию дополнительного резервирования по данным вариантам представлены в табл. 4. На основании их анализа сделан вывод о том, что временные затраты на организацию резервирования по каждому из вариантов превышают затраты времени непосредственно на реконструкцию электроприводов.

Таблица 4

Вариант

реконструкции
Необходимое оборудование
Сумма, тыс. руб.
Временные затраты

1
Тиристорный преобразователь
1500*
6 мес.

Трансформатор
3000

Затраты на коммутацию резервного преобразователя с двигателями

300

Итого:
3300

2
Система управления тиристорным преобразователем
318,3
6 мес.

Затраты на коммутацию резервной системы управления с двигателями

300

Итого:
618,3

3
Плата усиления мощности (30% от стоимости системы управления)
95,5
3-4 мес.

Коммутационная аппаратура (20% от стоимости системы управления)
63,7

Итого:
477,6

*Преобразователь имеется в наличии

Анализ последствий аварийных остановок стана показал, что более 85% из них ликвидируются в промежуток времени менее 1 часа. Потери в результате простоя стана в течение часа составляют 174 тыс. руб. Затраты на дополнительное резервирование по каждому из вариантов (табл. 4) в несколько раз превосходят возможные потери в случае простоя клетей. С учетом трудоемкости организации резервирования сделан вывод о нецелесообразности мероприятий по дополнительному резервированию преобразователей на период проведения реконструкции.


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Тиристорные электроприводы постоянного тока, составляющие около 65% действующих электроприводов ОАО «ММК», в значительной степени выработали свой ресурс, в связи с чем в настоящее время проводится их модернизация.

2. Перспективным направлением модернизации, принятым в ОАО «ММК», является замена устаревшей аналоговой системы управления электропривода на цифровую с сохранением электродвигателя и силовой части тиристорного преобразователя. Данный способ впервые применен при модернизации электроприводов клетей и вспомогательных механизмов стана 2500 горячей прокатки и до настоящего времени не имеет аналогов в мировой практике.

3. Разработана методика анализа надежности автоматизированных электроприводов, основанная на положениях обобщенного логико-вероятностного метода, включающая следующие этапы:

– этап построения структурной схемы отказов;

– этап логического моделирования, на котором по построенной структуре отказов записывается логическая функция работоспособности системы;

– этап вероятностного моделирования, на котором функция работоспособности системы преобразуется в многочлен вероятностной функции, описывающий закон распределения времени безотказной работы системы;

– этап расчета показателей надежности отдельных элементов системы и структурной схемы в целом.

4. Для определения показателей надежности электроприводов прокатного стана предложено использовать метод экспертных оценок, заключающийся в формировании группы специалистов в области наладки и обслуживания электроприводов и анализе данных ими оценок показателей надежности элементов. Статистические методы рекомендовано применять при проверке адекватности разработанной методики расчета надежности.

5. Предложены алгоритмы обработки данных об отказах электроприводов клетей прокатного стана, обеспечивающие классификацию отказов по фактору времени, номеру клети и месту возникновения. Разработана и официально зарегистрирована программа для ЭВМ, осуществляющая формирование архива отказов, статистическую обработку данных и расчет среднего времени наработки электропривода на отказ.

6. На примере электроприводов стана 2500 подтверждено соответствие расчетных результатов вычисления показателей надежности статистическим данным с достаточной для практических целей точностью. Соответственно подтверждены достоверность разработанной методики и возможность ее применения для прогнозных расчетов показателей надежности электроприводов стана 2000.

7. Определены показатели надежности систем управления главных электроприводов стана 2000 до реконструкции: среднее время наработки на отказ 0,8 мес. (0,56 тыс. час.), интенсивность отказов 15 отказов/год; прогнозируемые показатели после реконструкции 1,4 мес. (0,98 тыс. час.) и 9 отказов/год, соответственно.

8. В результате сопоставления технико-экономических показателей возможных вариантов реконструкции электроприводов чистовых клетей стана 2000 доказано, что вариант реконструкции с заменой аналоговой системы управления на цифровую и сохранением силовой части тиристорного преобразователя является эффективным как с технической, так и с экономической точек зрения.

9. Предложена схема проведения реконструкции электроприводов стана 2000, согласно которой на первом этапе модернизируется и вводится в работу резервный преобразователь, на втором этапе проводится реконструкция систем управления основных преобразователей.

10. Доказано, что дополнительное резервирование электроприводов (установка дополнительного резервного преобразователя либо применение дополнительной резервной системы управления) при принятой схеме реконструкции нецелесообразно.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Шеметова А.А. Методика расчета надежности автоматизированных электроприводов прокатного стана [Текст] / А.А. Шеметова, А.С. Карандаев, О.И. Карандаева // Изв. вузов. Электромеханика. 2009, № 1. С. 48–54.

2. Шеметова А.А. Совершенствование автоматизированных электроприводов и диагностика силового электрооборудования [Текст] / И.А. Селиванов, А.С. Карандаев, С.А. Евдокимов, В.Р. Храмшин, А.А. Шеметова и др. // Изв. вузов. Электромеханика. 2009, № 1. С. 5–11.

3. Шеметова А.А. Технико-экономическое обоснование реконструкции электроприводов стана 2000 с заменой системы управления и сохранением силовой части [Текст] / А.С. Карандаев, А.А. Шеметова, В.Р. Храмшин и др. //Сталь. 2009, № 3. – С. 94–95.

4. Шеметова А.А. Анализ надежности системы управления главным электроприводом чистовой клети стана 2500 [Текст] / А.А. Шеметова, А.С. Карандаев, О.И. Карандаева // Труды V Международной (XVI Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу (АЭП-2007).– Санкт-Петербург, 2007. – С. 414 – 417.

5. Шеметова А.А. Формирование алгоритмов управления режимами электроприводов в АСУ ТП широкополосного стана горячей прокатки [Текст] /П.В. Шиляев, И.Ю. Андрюшин, В.В. Головин, А.С. Карандаев, А.А. Шеметова и др. //Электромеханические преобразователи энергии: Материалы международной науч.-техн. конф. – Томск: ТПУ, 2007. – С.313–318.

6. Шеметова А.А. Применение логико-вероятностного метода для оценки надежности электроприводов при внедрении преобразователей частоты [Текст] / А.А. Шеметова, А.С. Карандаев, А.Ю. Юдин // Электротехнические системы и комплексы: Межвуз. сб. науч. трудов/ Под ред. А.С. Сарварова. – Вып. 14. – Магнитогорск: МГТУ, 2007. – С. 133–138.

7. Шеметова А.А. Статистика отказов главных электроприводов чистовых клетей стана 2000 горячей прокатки [Текст] / А.А. Шеметова // Электротехнические системы и комплексы: Межвуз. сб. науч. трудов. – Вып. 15. – Магнитогорск: МТУ, 2007. – С. 85–90.

8. Шеметова А.А. Расчет надежности преобразователей частоты [Текст] / А.А. Шеметова, А.С. Карандаев // Оптимизация режимов работы электротехнических систем: Межвуз. сб. науч. тр. / Отв. ред. А.Н. Пахомов. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2008. – С. 73–77.

9. Шеметова А.А. Этапы логико-вероятностного метода при оценке надежности автоматизированных электроприводов [Текст] / А.А. Шеметова, А.С. Карандаев // Энергетики и металлурги настоящему будущему России: Материалы 9-й Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и специалистов / Под общ. ред. Б.К. Сеничкина. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. – С. 118–122.

10. Шеметова А.А. Повышение надежности агрегатов прокатного производства путем реконструкции главных электроприводов с заменой системы управления и сохранением силовой части [Текст] / А.С. Карандаев, А.А. Шеметова, В.Р. Храмшин и др. // Сборник докладов I международной научно-практической конференции «ИНТЕХМЕТ-2008». – Санкт-Петербург, 2008. – С. 130–133.

11. Шеметова А.А. Модернизация тиристорных преобразователей и АСУ ТП широкополосного стана 2500 ОАО «ММК» [Текст] / П.В. Шиляев, И.Ю. Андрюшин, В.В. Головин, А.А. Шеметова // Труды международной конференции «Электроэнергетика и автоматизация в металлургии и машиностроении». – Магнитогорск, 2008. – С. 93 – 99.

12. Шеметова А.А. Расчет показателей надежности электротехнического оборудования на основе статистических методов анализа [Текст] / И.Ю. Андрюшин, А.Ю. Юдин, А.А. Шеметова и др. / Свидетельство РФ № 2008614089 об официальной рег. Программ для ЭВМ // Оф. Бюл. «Программы для ЭВМ, БД, ТиМС». – М.: ФИПС. 2008. №4.