DOKTORI (PhD) ÉRTEKEZÉS TÉZISEI ELEKTROHIDRAULIKUS RÉSÁLLÍTÓ RENDSZER MODELLEZÉSE ÉS A BEAVATKOZÓ SZERV SZIVÁRGÁSÁNAK DETEKTÁLÁSA A MELEGHENGERMŰI ÁLLVÁNYOKON Kővári Attila főiskolai adjunktus okleveles villamosmérnök hidraulika-pneumatika szakmérnök Témavezető: Dr. Fodor Dénes egyetemi docens Pannon Egyetem Vegyészmérnöki- és Anyagtudományok Doktori Iskola Veszprém, 2013 1
ELŐZMÉNYEK ÉS CÉLKITŰZÉS A meleghengerművek hengerállványaiban alkalmazott hengerlési résállítás megvalósítása és annak szabályozási tulajdonságai a hengerelt szalag minősége szempontjából meghatározó jelentőségű. A szalaghengerlés vizsgálatára számos matematikai modell létezik. Mindegyik modell mozgásegyenletre, termikus egyensúlyra, anyagi jellemzőkre, az állvány és a hengerek deformációjának figyelembe vételére épül, melyből a mechanikai feszültségek, erők, sebesség, nyomaték, és az anyag hőmérséklet változása számítható. Meleghnegerműi hengerállvány felépítése A szakirodalmi feldolgoztás alapján megállapítható, hogy bár mind a hengerállványokra, mind a hidraulikus hengerlési résállító rendszerekre többen is dolgoztak ki modelleket, de a nemlineáris viselkedését leíró matematikai modellt csak részben alkalmaznak. A megvizsgált szakirodalom alapján a kutatómunka célkitűzései arra irányultak, hogy a hengerlési rés állítását végző hidraulikus szervo rendszer beavatkozójának belső szivárgása milyen hatással van a hidraulikus résállító rendszer dinamikus viselkedésére, ezen keresztül pedig a hengerelt szalag minőségére. Másrészt pedig a kapott eredmények felhasználásával egy olyan megfigyelő eljárás matematikai módszerének meghatározása, mely segítségével következtetni lehet a hidraulikus beavatkozó belső szivárgásának megváltozására és a beavatkozó felújításának szükségessége előre jelezhető. A hengerlési résállítás igen komplex rendszerrel írható le, ezért a kutatás első fázisában a hidraulikus pozicionáló rendszer került részletes vizsgálatra a hidraulikus beavatkozó belső szivárgásának a dinamikus viselkedésre gyakorolt hatásának tanulmányozása céljából. Majd az így kapott eredmények felhasználásával a hengerlési résállítás komplex modellje került elemzésre, és a szivárgás hatásai szempontjából részletes analizálásra. 2
Résszabályozó rendszer (AGC: Automatikus Rés Szab., HGC: Hidraulikus Rés Szab.) Továbbá a kutatási célok között meghatározásra került egy a komplex matematikai modell felhasználásával további valósidejű vizsgálatok és tesztek elvégzéséhez alapot adó valósidejű tesztkörnyezet, mellyel a hidraulikus résállító rendszert is magába foglaló valósidejű dinamikai vizsgálatok végezhetők, monitorozhatók. KÍSÉRLETI MÓDSZEREK A kutatás első lépéseként egy általános, a hidraulikus pozicionáló rendszereket leíró, megfelelő részletességű matematikai modell került kidolgozásra, mely a beavatkozó belső szivárgásának leírását is tartalmazza. Majd a felírt összefüggések felhasználásával és állapotváltozók bevezetésével felírásra került a dinamikus rendszer időtartománybeli állapottér modellje. A matematikai modell alapján a szivárgás hatásával kapcsolatosan levonható következtetések az Óbudai Egyetem Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Karának Hidraulika laborjában található szervo pozicionáló rendszeren végzett mérésekkel kerültek megerősítésre. Mérések során hidraulikus szervo pozícionáló egység dinamikus viselkedése a hidraulikus beavatkozó szivárgását szimuláló fojtás hidraulikus ellenállásának eltérő értékei mellett került kiértékelésre. Vizsgált laboratóriumi hidraulikus pozicionáló egység blokkvázlata 3
Laboratóriumi hidraulikus pozicionáló egység A kutatás második lépésében a meleghengerműi hengerállvány résállító rendszerének komplex matematikai modellje került felírásra, és annak szimulációs vizsgálata történt meg MATLAB Simulink segítségével. Az eredmények felhasználásával egy ARX paraméterbecslő algoritmuson alapuló paramétermegfigyelő eljárás került kidolgozásra és felhasználásra az ISD Dunaferr Zrt. Meleghengerműjében található automatikus résállító rendszerének valós mérési adatainak kiértékeléséhez. e[k] u[k-n k ] y[k] ARX modell blokkvázlata 4
EREDMÉNYEK A kutatás eredményeként egy hidraulikus szervo pozícionáló rendszerre a valóságot jobban közelítő, belső szivárgás leírásával kiegészített matematikai modell került megalkotásra, valamint a hidraulikus beavatkozó szivárgásának dinamikus viselkedésre gyakorolt hatásának vizsgálatára. Ezt követően a hidraulikus résállítás dinamikus viselkedésének az elemzésére egy olyan komplex, a valóságot jól közelítő matematikai modell került megalkotásra, mely a hidraulikus szervo rendszer, a hengerállvány és a hengerlési résben lezajló folyamatok leírásán túl a hidraulikus rendszer belső szivárgásának modelljét is tartalmazza. E komplex modell felhasználásával a hidraulikus résállítás dinamikus tulajdonságai és a hidraulikus beavatkozó belső szivárgása közötti összefüggés került megállapításra. Az elvégzett vizsgálatok alapján kidolgozásra került egy módszer a hidraulikus kapszula belső szivárgás mértékének a megfigyelésére, melynek felhasználásával a hidraulikus kapszula karbantartásának szükségessége jelezhető. Végül pedig kidolgozásra került egy meleghengerműi hengerállvány résállító rendszerének valósidejű implementációja, amelyen az üzemi körülmények között nehezen, vagy nem előállítható hatások is valós időben vizsgálhatóak. HIL alapú tesztkörnyezet 5
ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK 1. Egy hidraulikus pozíciószabályozó rendszerre felírt dinamikus, nemlineáris, az általánosságban alkalmazott modellekhez képest a valóságot jobban közelítő matematikai modell felhasználásával megmutattam, hogy a hidraulikus beavatkozó belső szivárgásának növekedése a pozíciószabályozó rendszer dinamikai viselkedését rontja. 1.1. Vizsgálatok alapján megmutattam, hogy a meleghengerműi hengerállványokban alkalmazott hidraulikus résállító rendszer dinamikus tulajdonságai nem elhanyagolhatóan függenek a hidraulikus kapszula tömítettségétől. Továbbá, hogy a hidraulikus kapszula belső szivárgási ellenállásának csökkenése a hidraulikus résállító rendszer dinamikus viselkedését rontja, mely a hengerelt szalag vastagságát meghatározó hengerlési AGC résszabályozó rendszer szabályozási gyorsaságát lassítja. 2. A meleghengerműi hengerállványok résállításának vizsgálatára kidolgoztam egy, a hidraulikus szervo rendszert, a hengerállványt, valamint a hengerlési résben lezajló folyamatokat együttesen tartalmazó komplex matematikai modellt, amely alkalmas a hidraulikus beavatkozó szivárgásának a résállító rendszerre gyakorolt hatásának a modellezésére is. 2.1. A meleghengerműi hengerállvány résállító rendszerére felírt komplex matematikai modell felhasználásával megadtam a meleghengerműi hengerállvány résállító rendszerének valósidejű implementációját, melynek segítségével a hengerállvány dinamikus viselkedése, és az üzemi körülmények között nehezen vagy nem előállítható hatások is valós időben vizsgálhatóak. E tesztrendszerben a meghatároztam azt a maximális mintavételi időt, mely lehetővé teszi a dinamikus rendszerben létrejövő lengések megfelelő vizsgálatát. 6
3. A meleghengerműi hengerállványokban alkalmazott hidraulikus résállítás esetére kidolgoztam egy paraméterbecslő algoritmuson alapuló paramétermegfigyelő eljárást, melynek felhasználásával a hidraulikus rendszer mérhető paraméterei alapján következtetni lehet a hidraulikus kapszula belső szivárgásának megváltozására. Az eredmények felhasználhatóak a hidraulikus kapszula felújítási szükségességének előrejelzésére. 7
PUBLIKÁCIÓK Értekezés témájához kapcsolódó publikációk Folyóirat közlemények A. Kővári, Observer Based Leakage Detection of Hydraulic Cylinder Applied in Rolling Mills Electro-Hydraulic Gap Adjustment System, Materials Science, Testing and Informatics VI, Materials Science Forum, Vol. 729, pp. 424-429, trans tech publications inc., 2012, impact factor: 0,399 (2005), Cites per Doc. (2 years): 0,348 (2012) A. Kővári, Dynamic Model of Rolling Mill s Electro-Hydraulic Gap Adjustment System, Materials Science Forum, Vol. 659, Materials Science, Testing and Informatics V, pp. 411-416, trans tech publications inc., 2010, impact factor: 0,399 (2005), Cites per Doc. (2 years): 0,365 (2010) A. Kővári, Real-Time HIL Closed Loop System of Rolling Mill s Electro-Hydraulic Gap Adjustment, Materials Science, Testing and Informatics V, Materials Science Forum, Vol. 659, Print pp. 417-422, trans tech publications inc., 2010, impact factor: 0,399 (2005), Cites per Doc. (2 years): 0,365 (2010) A. Kővári, Real-Time Modeling of an Electro-Hydraulic Servo System, Computational Intelligence in Engineering, Studies in Computational Intelligence, Vol. 313, pp. 301-311, Springer, 2010 Konferencia előadások A. Kővári, D. Fodor, Meleghengerműi hengerállvány hidraulikus résállító rendszer belső szivárgásának identifikáció alapú detektálása, IX. Országos Anyagtudományi Konferencia (OATK 2013), Balatonkenese, Hungary, 13-15 October, 2013 (elfogadva) A. Kővári, D. Fodor, Tesztkörnyezet meleghengerműi hengerállvány résállításának valósidejű vizsgálatához, IX. Országos Anyagtudományi Konferencia (OATK 2013), Balatonkenese, Hungary, 13-15 October, 2013 (elfogadva) A. Kővári, D. Fodor, Identification Based Leakage Detection of Hydraulic Capsules, 14 th IEEE International Symposium of Hungarian Researchers on Computational Intelligence and Informatics (CINTI 2013), Budapest, Hungary, 19-21 November, 2013 (elfogadva) A. Kővári, D. Fodor, Elektrohidraulikus szervo rendszer szimulációja, Informatika Korszerű Technikái 2012 (IKT 2012), Dunaújváros, Hungary, 16-17 November, 2012 8
A. Kővári, D. Fodor, Simulation of Rolling Mill s Electro-Hydraulic Gap Adjustment System, 13 th IEEE International Symposium of Hungarian Researchers on Computational Intelligence and Informatics (CINTI 2012), Budapest, Hungary, 20-22 November, pp. 377-380, 2012 A. Kővári, D. Fodor, ARMAX based model estimator for Electro-Hydraulic Servo System, 8 th International PhD & DLA Symposium, Architectural, Engineering and Information Science, Pécs, Hungary, 29-30 October, pp. 90, 2012 A. Kővári, D. Fodor, ARX model based Fault Detection of Rolling Mill s Automatic Gauge Control System, 15 th IEEE International Power Electronics and Motion Control Conference, EPE-PEMC 2012 ECCE Europe, Novi Sad, Serbia, 4-6 September, pp. DS1d.6-1-DS1d.6-6, 2012 A. Kővári, Elektrohidraulikus szervo rendszer tömítetlenségeinek hatása a hidraulikus henger dinamikus viselkedésére, Tudomány Hete a Dunaújvárosi Főiskolán, Informatikai Konferencia, Dunaújváros, Hungary, 7-11 November, 2011 A. Kővári, Meleghengerlés során a hengerlési rést állító hidraulikus kapszula szivárgásának detektálása, VIII. Országos Anyagtudományi Konferencia (OATK 2011), Balatonkenese, Hungary, 9-11 October, published on CD, 2011 A. Kővári, Hardwer-in-the-Loop Testing of an Electrohydraulic Servo System, 10 th International Symposium of Hungarian Researchers on Computational Intelligence and Informatics (CINTI 2009), Budapest, Hungary, 12-14 November, pp. 631-642, 2009 A. Kővári, Mathematical Model and Simulation of Electro-Hydraulic Servo Systems, Tudomány Hete a Dunaújvárosi Főiskolán, Informatikai Konferencia, Dunaújváros, Hungary, 13 November, 2009 A. Kővári, Meleghengerlés hidraulikus résállításának dinamikus vizsgálata a berendezés valósidejű modelljének segítségével, VII. Országos Anyagtudományi Konferencia (OATK 2009), Balatonkenese, Hungary, 11-13 October, published on CD, 2009 A. Kővári, Meleghengerlés hidraulikus résállításának dinamikai modellje, VII. Országos Anyagtudományi Konferencia (OATK 2009), Balatonkenese, Hungary, 11-13 October, published on CD, 2009 A. Kővári, Influence of cylinder leakage on dynamic behavior of electrohydraulic servo system, 7 th IEEE International Symposium on Intelligent Systems and Informatics (SISY 2009), Subotica, Serbia, 25-26 September, pp. 375-379, 2009 9
Könyvek, jegyzetek A. Kővári, Acélhengerész szakmai ismeretek jegyzet szakképesítő tanfolyam hallgatói számára (Automatizálás fejezet), Dunaferr Zrt, Dunaújváros, Hungary, 2006 Értekezés témájához közvetetten kapcsolódó közlemények Folyóirat közlemények A. Kővári, I. Kádár, Reduction Possibilities of Electrical Losses in Plastic Working Equipments, Materials Science, Testing and Informatics V, Materials Science Forum, Vol. 659, pp. 505-510, trans tech publications inc., 2010, impact factor: 0,399 (2005), Cites per Doc. (2 years): 0,365 (2010) A. Kővári, S. Halász, I. Kádár, Frekvenciaváltóról táplált aszinkron motor hibrid áramszabályozása, A Dunaújvárosi Főiskola Közleményei, XXVII/II., Dunaújvárosi Főiskola Kiadói Hivatala, Dunaújváros, pp. 349-357, 2006 Konferencia előadások A. Kővári, I. Kádár, Képlékenyalakító berendezések villamos veszteségeinek csökkentési lehetőségei, VII. Országos Anyagtudományi Konferencia (OATK 2009), Balatonkenese, Hungary, 11-13 October, published on CD-n, 2009 A. Kővári, Hybrid Current Control Algorithm for Voltage Source Inverters, 1 st IEEE Eastern European Regional Conference on the Engineering of Computer Based Systems, Novi Sad, Serbia, 7-8 Szeptember, pp. 65-70, 2009 A. Kővári, S. Halász, I. Kádár, Frekvenciaváltóról táplált aszinkron motor hibrid áramszabályozása, Magyar Tudomány Hete konferencia sorozat, Informatika Korszerű technikái, Dunaújváros, Hungary, 24-26 November, published on CD, 2005 A. Kővári, S. Halász, I. Kádár, Hibrid invertervezérlő algoritmus feszültséginverterről táplált aszinkron motorokhoz, Energetika Elektrotechnika Konferencia, Cluj-Napoca, Romania, 7-9 October, pp. 76-82, 2005 A. Kővári, S. Halász, I. Kádár, The Influence of Inverter Control Algorithm and DC Link Voltage on the Inverter Switching Loss, IEEE International Conference on Industrial Technology, Hammamet, Tunisia, 8-10 December, Vol. 2., pp. 590-595, 2004 A. Kővári, S. Halász, I. Kádár, Inverterről táplált mezőorientált szabályozású aszinkron motoros szervo hajtások kapcsolási veszteségeinek vizsgálata, Energetika Elektrotechnika Konferencia 2003, Cluj-Napoca, Romania, 3-5 October, pp. 113-119, 2003 10
A. Kővári, S. Halász, I. Kádár, Inverter switching loss of induction motor drive at different control methods, 8CLEEE 8th Portuguese-Spanish Congress in Electrical Engineering, Vilamoura, Portuguese, 3-5 July, pp. 6.103-6.108, 2003 A. Kővári, I. Schmidt, I. Kádár, Influence of control strategy on the inverter switching loss, Kandó International Conference 2002, Budapest, Hungary, 14-15 November, published on CD, 2002 A. Kővári, I. Schmidt, I. Kádár, Current-control of induction motor drives: comparison of inverter control methods, IEEE Postgraduate Power Conference 02, Budapest, Hungary, 11-14 August, pp. 45-50, 2002 Könyvek, jegyzetek Z. Jeges, J. Haluska, A. Kővári, Villamosságtan, Dunaújvárosi Főiskola Kiadói Hivatala, Dunaújváros, Hungary, 2007 Z. Jeges, J. Haluska, A. Kővári, Tanulási útmutató a Villamosságtan című tárgyhoz (példatár), Dunaújvárosi Főiskola Kiadói Hivatala, Dunaújváros, Hungary, 2007 P. Odry, J. Haluska, A. Kővári, Digitális technika, Dunaújvárosi Főiskola Kiadói Hivatala, Dunaújváros, Hungary, 2007 P. Odry, J. Haluska, A. Kővári, Tanulási útmutató a Digitális technika című tárgyhoz (példatár), Dunaújvárosi Főiskola Kiadói Hivatala, Dunaújváros, Hungary, 2007 Egyéb közlemények Folyóirat közlemények Kővári A., Dukán P., Felhő alapú energiamenedzsment, avagy okos mérők a Weben (Cloudbased Energy Services, Smart Meters in the Web), Elektrotechnika folyóirat, 106. évfolyam, 2013/03 szám, pp. 10-11, Magyar Elektrotechnikai Egyesület, 2013 Konferencia előadások A. Kővári, Elektromos meghajtású szelepek fizikai szimulációs laboratóriumának bemutatása, Kutatási és oktatási terek fejlesztése a Dunaújvárosi Főiskolán, Dunaújváros, Hungary, 25 April, 2013 A. Kővári, D. Péter, Szerverek terheltségének megállapítása Fuzzy logika alkalmazásával, Informatika Korszerű Technikái 2012 (IKT 2012), Dunaújváros, Hungary, 16-17 November, 2012 11
A. Kővári, P. Dukan, Performance Analysis of Allwinner A10 ARM Processor Based MeLE A1000 Mini PC with Linux OS, IEEE 13 th International Symposium of Hungarian Researchers on Computational Intelligence and Informatics (CINTI 2012), Budapest, Hungary, 20-22 November, pp. 381-384, 2012 A. Kővári, P. Dukan, KVM & OpenVZ virtualization based IaaS open source cloud virtualization platforms: OpenNode, Proxmox VE, IEEE 10 th Jubilee International Symposium on Intelligent Systems and Informatics (SISY 2012), Subotica, Serbia, 20-22 September, pp. 335-339, 2012 A. Kővári, Elektromos meghajtású szelepek fizikai szimulációs laboratóriuma, Kutatási és gyakorlati képzési terek fejlesztése a Dunaújvárosi Főiskolán, Dunaújváros, Hungary, 26 March, 2012 A. Kővári, TMS320F2812-es DSP programozása MATLAB Simulink grafikus blokkorientált környezetben, Magyar Tudomány Hete konferencia sorozat, Informatikai Konferencia, Dunaújváros, Hungary, 12-16 November, published on CD, 2007 D. Bakos, A. Kővári, Elektronikus vezérlőegység (ECU) tervezése Suzuki gyártmányú gépkocsi motorhoz, Graduate Conference 2000, Budapest, Hungary, 26 April, pp. 61-66, 2000 A. Kővári, D. Bakos, Designing Electronic Control Unit (ECU) for Suzuki Made Engines, microcad 2000 International Computer Science Conference, Section C, Miskolc, Hungary, 23-24 February, pp. 1-6, 2000 12