Энергосберегающая система управления нагревом заготовок в проходных печах с использованием технологии цифрового двойника тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Нужин Дмитрий Викторович

• Нужин Дмитрий Викторович
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Нужин Дмитрий Викторович

Введение

1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ СТРАТЕГИЙ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ НАГРЕВОМ МЕТАЛЛА В МЕТОДИЧЕСКИХ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПЕЧАХ

1.1 Технология нагрева заготовок в методических и кольцевых печах в металлургическом производстве

1.2 Эволюция систем управление нагревом в проходных печах. Классические системы управления

1.3 Адаптивные и оптимальные системы управления

1.4 Анализ математических моделей адаптивных систему управления нагрева заготовок в прогнозируемых системах

1.5 Интеллектуальные системы на базе машинного обучения

1.6 Системы оптимизации нагревом заготовок на основе технологии

цифрового двойника

Выводы по первой главе

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ НАГРЕВОМ ЗАГОТОВОК В МЕТОДИЧЕСКОЙ ПЕЧИ

2.1. Математическое описание процесса нагрева заготовок в методической печи47

2.2. Методика определения значимости и нахождения значений коэффициентов математической модели

2.3. Методика нахождения оптимальных траектории с использованием комплексной математической модели

2.4. Сохранение и выбор рассчитанных уставок в режиме реального времени

Выводы по второй главе

3. РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ НАГРЕВОМ ЗАГОТОВОК В МЕТОДИЧЕСКОЙ ПЕЧИ НА ОСНОВЕ ЦИФРОВОГО

ДВОЙНИКА

3.1. Разработка структурной схемы системы оптимального управления нагревом заготовок в методической печи

3.2. Реализация цифровой модели процесса нагрева заготовок в проходной печи71

3.3. Алгоритм адаптации математической модели

3.4. Алгоритм нахождения оптимального топливосберегающего

распределения тепловых нагрузок печи

3.5 Реализация алгоритма формирования температурных уставок

Выводы по третьей главе

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ НАГРЕВОМ ЗАГОТОВОК

4.1. Разработка технического комплекса для имитации и исследования системы управления нагревом заготовок

4.1.1. Структура блока имитации проходной печи

4.1.2 Структура системы управления нагревом заготовок

4.2. Валидация разработанной модели температуры печи с помощью СГЭ моделирования

4.3. Исследование работы разработанной системы управления нагревом заготовок

4.4. Расчет экономической эффективности внедрения системы управления

цифрового двойника и расчет срока окупаемости разработанной системы

Список используемой литературы

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Энергосберегающая система управления нагревом заготовок в проходных печах с использованием технологии цифрового двойника»

Введение

Российская металлургия - один из ключевых потребителей энергоресурсов, на долю которых приходится свыше 30% себестоимости выпускаемой продукции. Основными энергозатратными направлениями остаются доменное и прокатное производства, потребляющие до 67% общего объема энергопотребления отрасли. Нагревательные печи представляют собой важнейшее и неотъемлемое звено прокатного производства одновременно являющиеся высокопроизводительными и энергоемким оборудованием. В этой связи даже незначительное энергосбережение расхода топлива в методических печах прокатных станов сохраняет свою актуальность, поскольку позволяет существенно повысить эффективность металлургического производства в целом. Основным мероприятием по снижению топливных затрат, не затрагивающих конструктивные особенности проходных нагревательных печей, является использование автоматизированных систем.

Организация эффективного управления нагревом каждой заготовки в проходной нагревательной печи сталкивается с рядом трудностей. К основным причинам их возникновения следует отнести, во-первых, бессистемное влияние внешних возмущений, таких как переменная производительность печи, непрерывное поступление посада с различными тепловыми характеристиками, тепловые потери через окна подачи и выпуска заготовок. Второй, не менее важной причиной является отсутствие полного математического описания объекта управления, учитывающего внутренний и внешний теплообмен с учетом сложной многозонной конструкции печи. Разработкам и исследованиям систем, алгоритмов, моделей и методик применяемых в управлении нагревом заготовок посвящено множество работ предложенных начиная от заслуженных ученых А.Г. Бутковским, В.М. Рябковым , М.Д. Климовицким, С.А. Маловым, В.А.Маковским, Б.Н. Парсункиным, В.И. Панферовым, С.М. Андреевым и заканчивая перспективными отечественными М.Ю. Рябчиковым, А.В. Фоминым, М.Ж. Богатовой и зарубежными Zanoli S.M., Mayr B., Han S.H. исследователями.

Анализ работ показывает, что предложенные системы, во-первых,

направлены на исследование и решение отдельных локальных подзадач: учет переменной производительности, анализ влияния тепловых потерь на температуру греющей среды, поступления новых заготовок и т.д. Во-вторых, для поиска оптимальных режимов нагрева заготовок, применяются методики требующие большие временные ресурсы, что не позволяет им вести управление нагревом заготовок в режиме реального времени. Таким образом разработка системы, обеспечивающей комплексное решение задач, включая разработку отдельных математических моделей внешнего и внутреннего теплообмена с учетом перемещения заготовок с дальнейшей их адаптацией и расчета энергосберегающих режимов для всех заготовок, находящихся в печи, является актуальной задачей. Решение данной задачи требует специальных методик, базирующихся на инновационных принципах машинного обучения управления способных работать с большим объемом данных в режиме реального времени.

Цель работы - повышение эффективности энергосбережения расхода топлива заготовок в проходных печах за счет внедрения технологии цифрового двойника, обеспечивающей гарантированный нагрев заготовок с минимальными топливными затратами

Для достижения цели в диссертационной работе решены следующие задачи:

1) выполнен аналитический обзор текущего состояния современных систем и средств автоматизации, применения инновационных технологий математического моделирования и цифровых двойников в области управления нагревом заготовок в проходных нагревательных печах;

2) разработано математическое и информационное обеспечение, включающее комплексную математическую модель нагрева заготовок, учитывающую взаимовлияние соседних зон, модель адаптации, модель расчета температурных уставок и формирования режимных карт нагрева в реальном времени;

3) разработано алгоритмическое обеспечение системы, обеспечивающей формирование режимных карт для текущего состояния печи, гарантирующих нагрев заготовок до заданного температурного состояния и разработана структур-

но-функциональная организация её отдельных блоков и их синхронизация между собой;

4) разработан алгоритм функционирования цифрового двойника процесса нагрева заготовок в проходной нагревательной печи, выполнена его программная реализация и проведен вычислительный эксперимент, в результате:

- получены энергосберегающие режимные карты нагрева заготовок с учетом влияния смежных зон, текущего темпа и значения среднемассовой температуры заготовок в зонах печи;

- проверена способность разработанной математической модели адаптироваться к изменениям параметров объекта управления: влияния расхода топлива, темпа перемещения заготовок и среднемассовой температуры заготовок в текущей зоне;

- подтверждено, что разработанная система формирует режимные карты нагрева, гарантирующие нагрев заготовок в режиме реального времени.

Предмет исследования - алгоритмическое, информационное, математическое и программное обеспечение системы управления нагревом металла на основе технологии цифрового двойника.

Методы исследования. Решение поставленных задач выполнено с использованием теории автоматического управления и основ теплопроводности, теории статистической проверки и обработки результатов, а также метода оптимизации функций, машинного обучения и математического моделирования.

Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту:

1) комплексная математическая модель теплообмена в проходных печах, отличающаяся от известных моделей особым набором значимых параметров (расход топлива, поданный в зоны печи, производительность печи и температура заготовок), позволяющего учитывать влияние смежных зон друг на друга, скорости транспортировки заготовок и текущего среднемассового температурного состояния заготовок в зонах печи.

2) метод формирования режимных карт, отличающегося применением технологии машинного обучения, позволяющего обеспечить выбор режимных карт

нагрева заготовок на основе выборки ранее рассчитанных значений в режиме реального времени.

3) алгоритм адаптации цифрового двойника, отличающегося особым порядком операций и позволяющим производить непрерывный поиск и статистическую проверку корректировочных коэффициентов для комплексного учета влияния внешних параметров печи на выходные показатели модели.

Практическая значимость работы определяется тем, что разработанный программный комплекс позволяет производить исследования функционирования цифрового двойника. Программный комплекс, состоит из программы имитирующий работу реальной нагревательной печи и цифрового двойника. Программное обеспечение комплекса включает в себя комплексную математическую модель нагрева, методику адаптации математической модели и методику выбора режимных карт в режиме реального времени. Программный комплекс позволяет исследовать процесс управления нагревав заготовок по оптимальным режимным картам для печей с различными тепловыми параметрами и может быть использован как для проектирования новых печей, так и для модернизации систем управления существующих печных агрегатов проходного типа.

Достоверность научных результатов. Научные положения, теоретические выводы и практические рекомендации, включенные в диссертацию, обоснованы и подтверждены математическими доказательствами и сопоставлением результатов вычислительного эксперимента с результатами промышленного исследования.

Реализация результатов диссертационной работы. Разработанная система опробована подразделениями ЗАО «КонсОМ СКС» в составе научно-исследовательских проектов и исполнения опытно-конструкторских работ, а также в учебном процессе ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». Значимость разработанных технических решений подтверждена свидетельством о регистрации программы для ЭВМ. Результаты научного исследования рекомендованы для промышленных испытаний в системе управления нагревом для реконструкции и вновь проектируемых проходных и кольцевых печей.

Соответствие паспорту специальности. Проблематика, рассмотренная в диссертации, соответствует научной специальности 2.3.3 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами 9 по областям исследования: Методология, научные основы и формализованные методы построения автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) и производствами (АСУП), а также технологической подготовкой производства (АСТПП) и т. д. (п.2); математическое моделирование, оптимизация и оптимальное управление техническими системами, технологическими процессами и производствами в промышленности (п. 18)

Степень достоверности и апробация результатов.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: VI Всероссийской научно-практической конференции с международным участием "Современные информационные технологии в науке, образовании и практике" (г. Магнитогорск, МГТУ, 2007 г.), VI Всероссийской научно-практической конференции "Системы автоматизации в образовании, науке и производстве" (г. Новокузнецк, СибГИУ, 2007 г.), конференции "Мавлютовские чтения" (г. Уфа, УГАТУ, 2007 г.), конференции "Пичугинские чтения" (г. Казань, КГТУ, 2009 г.), VI Всероссийской научно-практической конференции "Современные информационные технологии. Теория и практика" (г. Череповец, ЧГУ, 2024 г.), VII Всероссийской научной конференции с международным участием "Информационные технологии в моделировании и управлении: подходы, методы, решения" (г. Тольятти, ТГУ, 2024 г.), 83-й международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы современной науки, техники и образования" (г. Магнитогорск, МГТУ, 2025 г.), а также на международных конференциях, индексируемых в Web of Science и Scopus: International Russian Automation Conference (г. Сочи, 2023 г.), International Russian Smart Industry Conference (г. Сочи, 2024 г.), International Conference on Industrial Engineering (г. Сочи, 2024 г.), Russian Workshop on Power Engineering and Automation of Metallurgy Industry (г. Москва, 2023 г.).

Личный вклад автора.

Результаты исследовательской работы получены автором лично. Автором выполнены следующие решения: разработана методика и алгоритм расчета оптимальной траектории с учетом эффективности верхних и нижних зон, был произведен поиск оптимальных уставок с использованием метода Нелдера-Мида, предложена разработка информационного обеспечения системы оптимального управления, разработана структурная схема системы управления с учетом распределения верхних и нижних зон печи, описана методика статической обработки данных в рамках задачи адаптации, выполнено построение комплексной математической модели внешнего теплообмена исследовании, рассмотрена структурная схема цифрового двойника и проведен анализ его реакции на изменение темпа, произведен выбор оптимального объема выборки для расчета коэффициента математической модели, предложен алгоритм поиска значимых коэффициентов математической модели, произведен поиск оптимальных уставок с использованием цифрового двойника, разработана CFD модель проходной печи, предложено построение блока формирования режимных карт с использованием машинного обучения.

Публикации по теме работы. По материалам диссертации опубликованы 26 работ, в том числе 5 статей в журналах из «Перечня...» ВАК, 4 статьи, индексируемая в наукометрических системах Web of Science и Scopus, 1 свидетельство о регистрации программных продуктов.

1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ СТРАТЕГИЙ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ НАГРЕВОМ МЕТАЛЛА В МЕТОДИЧЕСКИХ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ

ПЕЧАХ

1.1 Технология нагрева заготовок в методических и кольцевых печах в

металлургическом производстве

В настоящее время металлургическая промышленность является одним из основных поставщиков металлопроката в РФ. В целом за 2023г. металлургический комплекс отгрузил свою продукцию на сумму 16,3 трлн. рублей, что составляет 23% от общего объема продукции обрабатывающей промышленности [1]. Металлургическое производство служит основой материально-технического обеспечения основных промышленных направлений РФ включая машиностроение, военно-промышленный комплекс, гражданская строительство и ресурсодобывающая отрасль. Металлургические печи в технологической цепочке получения металла занимают одну из самых затратных топливосберегающих статей, достигающих 60% [2].

Нагревательные печи в прокатном производстве являются одним из основных звеньев в технологической цепочке «МНЛЗ - проходная печь -прокатный стан». Схема технологической цепочки получения горячекатанной продукции приведена на рисунке 1.1.

Прокатный

стан 1

О о

и и

Рисунок 1.1 - Технологическая цепочка МНЛЗ - нагревательные печи

прокатный стан

К основным типам печей прокатных и кузнечных цехов, работающим в методическом режиме нагрева являются методические печи толкательного типа, методические печи с шагающими балками и кольцевые печи. Независимо от типа печи основной принцип заключается в нагреве заготовок за счет плавного методического перемещения заготовок через отапливаемые зоны от входа к выходу печи.

На рисунке 1.2 приведены упрощённые схемы проходной и кольцевой печи.

Методическая зона _А_

Сварочные зоны _А_

Томильная зона

Верхние зоны

0 зона

1 зона

Вход печи

3 зона

Движение отходящих газов

Движение заготовок

5 зона

7 зона

9 зона

Выход печи

0 зона

2 зона

V

Методическая

4 зона

6 зона

Нижние зоны

V

Сварочные зоны

8 зона

10 зона

Томильная зона

а)

&_1

б)

Рисунок 1.2 - Схема проходной (а) и кольцевой (б)

Методические печи предназначены для нагрева перед прокаткой заготовок толщиной 40—350, шириной 40— 1850 и длиной 1000— 12000 мм с массой 50— 40000 кг.

Вся печь по длине разделяется на несколько зон. Металл (заготовки) поступает в зону наименьших температур. Продвигаясь навстречу дымовым газам, он попадает в зону с более высокой температурой и постепенно нагревается. Печи работают таким образом, что когда нагретая заготовка выдается из печи, то холодная заготовка загружается с противоположного конца. Таким образом, по поду печи по всей ее длине находится металл, продвигающийся к окну выдачи.

Основными зонами печи являются методическая, сварочная и томильная.

Первая по ходу зона является методическая. Зона имеет двойное назначение. Во-первых, она служит для постепенного (методического) нагрева в интервале 0 - 600°С в металле. При его быстром нагреве возникают термические напряжения, которые могут привести к образованию рванин и трещин. Во-вторых, эта зона выполняет функции утилизатора тепла. В методической зоне топливо не сжигается. Оно подается в сварочную и томильную зоны, а в методическую поступают только продукты сгорания. Горячие продукты сгорания, двигаясь навстречу холодному металлу, отдают ему часть своего тепла, т. е. металл утилизирует тепло дымовых газов, выходящих из зоны высокой температуры. В результате этого температура дымовых газов понижается с 1350— 1400°С в сварочной зоне до 800— 1000°С в конце методической зоны.

Основное назначение сварочной зоны — быстрый нагрев поверхности металла до заданной конечной температуры. Для быстрого нагрева необходимо, чтобы температура газов в сварочной зоне превышала конечную температуру поверхности на 150—250°С. [3].

Основное назначение томильной зоны в выдержке с целью выравнивания температуры по сечению. Топливо в томильную зону подается в таком количестве, чтобы температура в томильной зоне превышала конечную температуру нагрева металла на 50—70°С. При этом температура поверхности

металла не меняется, а температура середины подтягивается к температуре поверхности.

Процесс нагрева заготовок в печи с шагающими балками аналогичен печи с толкательного типа. Главным отличием является система транспортировки заготовок в печи. В толкательной печи заготовки перемещаться с помощью толкателя и заготовки располагаются в печи вплотную друг к другу. В печах с шагающими балками перемещения заготовок происходит с помощью шагающих балок.

Третьим типом печей, в которой ведется нагрев заготовки по методическому режиму, являются печи с кольцевым подом. Заготовки, лежащие неподвижно на вращающемся поду, вместе с подом проходят все необходимые зоны нагрева и выдаются через окно выдачи, расположенное рядом с окном загрузки. Загрузку и выдачу заготовок осуществляют одновременно двумя кранами. Угол между осями окна загрузки и окна выдачи обычно составляет 28°. Следовательно, заготовка, пройдя 332° полного оборота пода, будет нагреваться до необходимой температуры, т.е. время полного оборота пода, соответствующее 332°, равно продолжительности нагрева. В отличие от методических печей во все зоны подается топливо. Распределение топлива по зонам обеспечивается следующими пропорциями: на подогревательную зону приходится 25-27%, на нагревательную 60 - 54% и на зону выдержки 15 - 19% [4].

Ключевой конструктивной особенностью проходных и кольцевых печей является противоточное движение отходящих газов относительно нагреваемых заготовок. Такая организация тепловых потоков обеспечивает повышение энергоэффективности за счет предварительного нагрева заготовок в методической зоне и утилизации тепла выхлопных газов, которые передают остаточную энергию холодным заготовкам на входе в печь. Равномерность нагрева обеспечивается благодаря постепенному повышению температуры заготовок по мере их движения навстречу горячим газам и отсутствию резких температурных градиентов, характерных для прямоточных систем.

1.2 Эволюция систем управление нагревом в проходных печах. Классические

системы управления

Основным мероприятием по снижению топливных затрат, не затрагивающих конструктивные особенности проходных нагревательных печей, является использование автоматизированных систем. Автоматизация теплового режима работы печи позволяет сократить удельный расход топлива до 15% [5].

Главная задача системы управления нагревом в методических проходных печах для термической обработки стальных заготовок заключается в точном поддержании и автоматическом регулировании температурного режима с целью обеспечения оптимального топливосберегающего нагрева металла.

Анализ систем управления нагревом позволяет выделить четыре ключевых типа систем управления температурными режимами в проходных печах:

1. Классические ПИД-регуляторы (1960-1990 гг.) с корректировкой параметров, которые представляют собой проверенное решение, основанное на пропорционально-интегрально-дифференциальных алгоритмах. Эти системы дополнительно учитывают такие производственные параметры, как темп прокатки, геометрические характеристики заготовок и марку стали, что обеспечивает их надежность и простоту настройки. Однако следует отметить, что данные системы демонстрируют ограниченную адаптивность при резких изменениях технологических параметров.

2. Адаптивные оптимальные системы управления (1995-2015 гг.), использующие современные математические методы для поиска наилучших температурных профилей. Применение динамического программирования, принципа максимума Понтрягина и градиентных алгоритмов позволяет существенно повысить энергоэффективность и равномерность прогрева. Особенно важно подчеркнуть, что такие системы наиболее эффективны при работе с печами, имеющими переменную нагрузку.

3. Интеллектуальные системы на базе машинного обучения (2015 - н.в.) реализующие передовые алгоритмы обработки данных, включая нейросетевые

модели и обучение с подкреплением. Практический опыт показывает, что их применение позволяет достичь снижения энергопотребления на 8-12% при одновременном повышении точности контроля температурных режимов. Важно отметить, что эти системы способны автоматически адаптироваться к изменениям химического состава металла.

4. К последним типам систем управления можно отнести цифровые двойники технологических процессов (2020 - н.в.), которые создают комплексные виртуальные модели реальных печей, объединяя физико-математические расчеты с системами онлайн-мониторинга. Следует особо подчеркнуть, что такая технология позволяет проводить виртуальное тестирование режимов, осуществлять оперативную диагностику и оптимизировать графики технического обслуживания без остановки производства.

Первыми автоматическими системам управления нагревом заготовок в проходных печах являются классические системы, построенные на базе локальных регуляторов (САР). К ним можно отнести вышеописанные САР с добавлением блоков адаптации, корректирующими уставки локальных регуляторов, по внешним возмущающим сигналам (неравномерность темпа прокатки, поступление заготовок с различным тепловым состоянием и геометрическими размерами и т.д.).

Сотрудниками ВНИИИАчерметом и Ново-Липецкого металлургического завода [6] была предложена система автоматического управления нагревом металла в методической печи с шагающими балками корректирующая задание локальных зонных регуляторов в соответствии с изменением времени нагрева, текущей скорости перемещения металла и толщины слябов. Схема, разработанная ГПИ «Автоматпром» (г. Рустави) и Стальпроектом [7] производит коррекцию тепловой нагрузки по темпу выдачи и температуре поверхности заготовок. Определение темпа движения основано на фиксации выдачи из печи нагретых слябов посредством фотореле, вырабатывающего корректирующий сигнал задатчикам регуляторов температуры в зонах.

На печах стана горячей прокатки в Дортмунте [8] была внедрена система управления нагревом заготовок в сочетании с локальными системами регулиро-

вания, для которых локальные уставки выполняются вычислительным методом, основанным на теории невозмущенных температурных полей. Для уставки каждой зоны регулирования составляются сглаживающий полином, который в точке расположения регулирующей термопары дает результирующую уставку соответствующего контура регулирования.

К преимуществам классических систем управления проходными печами можно отнести: Простота и надежность, низкая стоимость внедрения, легкость настройки, ремонтопригодность. Основные недостатками является ограниченная точность, низкая адаптивность, отсутствие прогнозирования, ограниченный мониторинг.

1.3 Адаптивные и оптимальные системы управления

Развитие адаптивных и оптимальных систем управления напрямую связано с прогрессом вычислительной техники - переходом от специализированных промышленных контроллеров к мощным промышленным компьютерам и серверам. Рост производительности ЭВМ позволил реализовать сложные математические модели в реальном времени: к 2000-м годам стали возможны численные решения дифференциальных уравнений теплопередачи, а к 2010-м -онлайн-оптимизация с использованием методов динамического программирования. Именно развитие вычислительных мощностей обеспечило точность ±5-10°С за счет обработки данных с десятков датчиков и оперативной коррекции режимов нагрева.

Следует заметить, что впервые в мировой практике вычислительная машина для управления процессом нагрева заготовок была применена А.Г. Бутковским в 1961 г. на трех зонной методической печи листопрокатного стана [9]. Задача системы управления состояла в том, чтобы при всех режимах работы печи обеспечить такое управление температурой в печи, чтобы минимизировать среднеквадратичное отклонение средней температуры сляба на выходе из печи от заданного значения температуры.

Структурная схема и описание построения и развития трехуровневых АСУТП нагревом металла предложены В.Г. Лисиенко [10,11]. Стабилизирующие

контуры, обеспечивающие управление температурой и сжиганием топлива составляют первый уровень. Реализация оптимального управления нагревом производится на втором уровне по принятым критериям выбранными на третьем уровне.

Авторами была проделана работа [12] по разработке системы автоматического управления нагревом заготовок в нагревательных методических печах, реализующей энергосберегающий режим, схема которой приведена на рисунке 1.3. Используемый алгоритм расчета оптимальной энергосберегающей траектории нагрева металла совместно с алгоритмами прогноза общего времени нагрева и определения начального теплового состояния заготовки позволяет осуществлять расчет энергосберегающей траектории изменения и определять температуру поверхности, которую должна иметь нагреваемая заготовка при конкретной текущей координате по положению в печи. В работе [13] описывается система АСУ ТП на Магнитогорском Металлургическом Комбинате (ММК) для печей стана 2000 горячей прокатки в созданной на базе современной ЭВМ. Схема управления тепловым режимом методических печей содержит следующие подсистемы, обеспечивающие информационное сопровождение движения металла на участке нагревательных печей, прогнозирование предполагаемого времени нагрева и скорости продвижения металла в печи, расчет заданий на регуляторе с целью обеспечения рационального управления тепловым режимом.

Внедрение данной системы привело к значительному уменьшению ошибок технологического персонала, и как следствие к снижению простоев и затрат на ремонт оборудования. Кроме того, существенно уменьшился расход топлива (расход газа). Удельный расход природного газа на нагрев металла сократился с 64 кг.у.т./т проката до 61 кг.т./т проката, что составило 4%.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Нужин Дмитрий Викторович, 2025 год

Список используемой литературы

1. Металлургия в цифрах: итоги 2023 года [Электронный ресурс]. URL: https://properm.ru/news/2024-02-28/metallurgiya-v-tsifrah-itogi-2023-goda-5011804 (дата обращения: 24.05.2025).

2. Скляр, В.А. Инновационные и ресурсосберегающие технологии в металлургии / В.А. Скляр. - Донецк: ДонНТУ, 2014. - 224 с.

3. Вагин, А.А. Топливо, огнеупоры и металлические печи / А.А. Вагин, В.А. Кривандин [и др.]. - М.: Металлургия, 1978. - 432 с.

4. Кривандин, В.А. Металлургическая теплотехника. В 2 т. Т. 2. Конструкция и работа печей: учебник для вузов / В.А. Кривандин, И.Н. Неведомская [и др.]. - М.: Металлургия, 1986. - 592 с.

5. Шипко, А.А. Топливосбережение при нагреве металла в печах машиностроительных предприятий / А.А. Шипко, И.А. Трусова [и др.] // Литье и металлургия. - 2010. - № 53. - С. 53-58.

6. Сегаль, А.М. Автоматическое управление нагревом металла в методических печах с шагающими балками / А.М. Сегаль, М.Д. Климовицкий [и др.] //

Черная металлургия. Бюллетень научно-технической информации. - 20_. -

№ 7 (795). - С. 49.

7. Воловик, И.С. Локальные системы автоматического управления тепловым режимом в увязке с АСУТП нагревательных печей стана 2000 Новолипецкого металлургического завода / И.С. Воловик, Ю.С. Ефремов [и др.] // Проектирование металлургических печей: сб. № 4. - М.: Металлургия, 1974. -С. 68-78.

8. Меринг, Г.Г. Система управления толкательными печами, работающая в замкнутом контуре / Г.Г. Меринг // Черные металлы. - 1982. - № 6/7. - С. 19-27.

9. Бутковский, А.Г. Теория оптимального управления системами с распределенными параметрами / А.Г. Бутковский. - М.: Наука, 1965. - 476 с.

10. Parsunkin, B.N. Optimal energy-efficient combustion process control in heating furnaces of rolling mills / B.N. Parsunkin, S.M. Andreev, T.U. Akhmetov, E.Y.

Mukhina // Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University. - 2013. -№ 5. - P. 58-62.

11. Parsunkin, B.N. Energy-saving optimal control over heating of continuous cast billets / B.N. Parsunkin, S.M. Andreev, O.S. Logunova, T.U. Akhmetov // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. - 2015. - Vol. 79, № 9-12. - P. 1797-1803.

12. Андреев, С.М. Оптимизация режима нагрева металла в методических печах: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.16.02 / С.М. Андреев. - Магнитогорск: МГТУ, 2001. - 152 с.

13. Сеничев, В.С. Создание АСУ ТП нагрева заготовок в печах стана «2000» горячей прокатки / В.С. Сеничев, С.А. Косарев [и др.] // Сборник трудов Научно-технической конференции ОАО «ММК». - 2001. - 186 с.

14. Грабовский, Г.Г. Автоматизированное энергосберегающее управление нагревательными печами прокатных станов / Г.Г. Грабовский, Б.И. Бойчук // Северсталь - пути к совершенствованию: материалы конф. - Череповец, 2002. - С. 139-141.

15. Кламмер, Г. Горячая загрузка балочных заготовок в методическую печь толкательного типа на комбинированном прокатном стане / Г. Кламмер, Х. Хайдемюллер // Черные металлы. - 1998. - № 4. - С. 42-48.

16. Ботхен, С. Повышение производительности и качества нагрева в результате модернизации системы автоматических печей с шагающими балками / С. Ботхен, К. Нолте, А. Пфанненшмидт // Черные металлы. - 2004. - № 11. - С. 32-35.

17. Ольшанский, В.М. Опыт модернизации системы управления нагревом металла в печи с шагающими балками / В.М. Ольшанский, В.Я. Гринберг, Н.О. Демидович // Северсталь - пути к совершенствованию: материалы конф. - Череповец, 2002. - С. 234-235.

18. Шатохин, К.С. Микропроцессорная система для контроля температурных полей слябов в методических печах / К.С. Шатохин, Р.Э. Найденов // Северсталь - пути к совершенствованию: материалы конф. - Череповец, 2002. -С. 312-313.

19. Бердышев, В.Ф. Компьютерная система отображения температурных полей нагреваемого металла / В.Ф. Бердышев, К.С. Шатохин // Известия вузов. Черная металлургия. - 1999. - № 4. - С. 29-32.

20. Соколов, А.С. Автоматизированная подсистема для расчета и оптимизации проходной нагревательной печи (первая очередь) / А.С. Соколов // Известия вузов. Черная металлургия. - 2002. - № 7. - С. 48-50.

21. Соколов, А.К. К расчету нагрева материала до заданных температур / А.К. Соколов // Известия вузов. Черная металлургия. - 2000. - № 2. - С. 37-42.

22. Зайцев, В.С. Динамическое управление нагревательными печами широкополосного стана / В.С. Зайцев, В.А. Третьяков // Известия вузов. Черная металлургия. - 2004. - № 1. - С. 62-64.

23. Бердышев, В.Ф. Программное обеспечение теплотехнических исследований методической печи / В.Ф. Бердышев, Р.Э. Найденов [и др.] // Известия вузов. Черная металлургия. - 2001. - № 3. - С. 61-65.

24. Парсункин, Б.Н. Система автоматического энергосберегающего управления на основе математической модели газодинамического режима нагревательной методической печи / Б.Н. Парсункин, И.Г. Самарина // Электротехнические системы и комплексы. - 2017. - № 2 (35). - С. 55-60. DOI: 10.18503/2311-8318-2017-2(35)-55-60.

25. Андреев, С.М. Автоматизированная система управления топливосберегаю-щим несимметричным нагревом непрерывнолитых заготовок перед прокаткой / С.М. Андреев, Т.У. Ахметов, Д.В. Нужин // Электротехнические системы и комплексы. - 2016. - № 3(32). - С. 60-66.

26. Рябчиков, М.Ю. Управление нагревом металла в методических печах с учетом распределения внешних тепловых потерь по длине печи / М.Ю. Рябчиков, Д.С.-Х. Барков, Е.С. Рябчикова // Обработка металлов давления. -2016. - № 6(96). - С. 38-49.

27. Zanoli, S.M. Two-Layer Linear MPC Approach Aimed at Walking Beam Billets Reheating Furnace Optimization / S.M. Zanoli, C. Pepe // Journal of Control Science and Engineering. - 2017. - Vol. 2017. - Article ID 5401616. - 15 p. DOI: 10.1155/2017/5401616.

28. Парсункин, Б.Н. Оптимизация управления тепловым режимом нагревательных печей / Б.Н. Парсункин, Т.У. Ахметов, А.Р. Бондарева // Электротехнические системы и комплексы. - 2013. - № 21. -URL: https://cyberleninka.m/article/n/optimizatsiya-upravleniya-teplovym-rezhimom-nagrevatelnyh-pechey-1 (дата обращения: 24.05.2025).

29. Панферов, В.И. К решению задачи контроля температуры металла в АСУ ТП методических печей / В.И. Панферов, С.В. Панферов // Вестник ЮУр-ГУ. Серия "Металлургия". - 2021. - Т. 21, № 4. - С. 63-75. DOI: 10.14529/met210408.

30. Arkhazloo, N.B. A numerical thermal analysis of the heating process of large size forged ingots / N.B. Arkhazloo, F. Bazdidi-Tehrani, M. Jean-Benoit, M. Jahazi // Materials Science Forum. - 2018. - Vol. 941. - Pp. 2278-2283. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.941.2278.

31. Kim, J.G. Prediction of transient slab temperature distribution in the re-heating furnace of a walking-beam type for rolling of steel slabs / J.G. Kim, K.Y. Huh // ISIJ International. - 2000. - Vol. 40, No. 11. - Pp. 1115-1123. DOI: 10.2355/isijinternational.40.1115.

32. Landfahrer, M. Development and application of a numerically efficient model describing a rotary hearth furnace using CFD / M. Landfahrer, N. B., C. Schlukner [et al.] // Energy. - 2019. - Vol. 180. - Pp. 79-89. DOI: 10.1016/j.energy.2019.04.091.

33. Mayr, B. CFD analysis of a pusher type reheating furnace and the billet heating characteristic / B. Mayr, R. Prieler, M. Demuth [et al.] // Applied Thermal Engineering. - 2017. - Vol. 115. - Pp. 986-994. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2016.12.125.

34. Mayr, B. CFD modelling and performance increase of a pusher type reheating furnace using oxy-fuel burners / B. Mayr, R. Prieler, M. Demuth [et al.] // Energy Procedia. - 2017. - Vol. 120. - Pp. 462-468. DOI: 10.1016/j.egypro.2017.07.177.

35. Prieler, R. Prediction of the heating characteristic of billets in a walking hearth type reheating furnace using CFD / R. Prieler, B. Mayr, M. Demuth [et al.] // In-

ternational Journal of Heat and Mass Transfer. - 2016. - Vol. 92. - Pp. 675-688. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.09.017.

36. Ahmed, Z. Steady State model of a Reheating Furnace for determining slab boundary conditions / Z. Ahmed, S. Lecompte, T. De Raad, M. De Paepe // Energy Procedia. - 2019. - Vol. 158. - Pp. 5844-5849. DOI: 10.1016/j.egypro.2019.01.542.

37. Chang, J.H. Development of a roller hearth furnace simulation model and performance investigation / J.H. Chang, J. Oh, H. Lee // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2020. - Vol. 160. - 120222. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120222.

38. Garcia, A.M. Effect of the burner position on an austenitizing process in a walking-beam type reheating furnace / A.M. Garcia, A.F. Colorado, J.E. Obando [et al.] // Applied Thermal Engineering. - 2019. - Vol. 153. - Pp. 633-645. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2019.02.116.

39. Han, S.H. Numerical analysis of heating characteristics of a slab in a bench scale reheating furnace / S.H. Han, S.W. Baek, S.H. Kang, C.Y. Kim // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2007. - Vol. 50. - Pp. 2019-2023. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2006.09.034.

40. Han, S.H. Transient radiative heating characteristics of slabs in a walking beam type reheating furnace / S.H. Han, S.W. Baek, M.Y. Kim // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2009. - Vol. 52. - Pp. 1005-1011. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2008.08.007.

41. Kim, M.Y. A heat transfer model for the analysis of transient heating of the slab in a direct-fired walking beam type reheating furnace / M.Y. Kim // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2007. - Vol. 50. - Pp. 3740-3748. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2007.01.048.

42. Lee, D.E. Optimum residence time for steel productivity and energy saving in a hot rolled reheating furnace / D.E. Lee, M.Y. Kim // Journal of Mechanical Science and Technology. - 2013. - Vol. 27, No. 9. - Pp. 2869-2877. DOI: 10.1007/s12206-013-0736-0.

43. Lee, G.W. On the Thermal Behavior of the Slab in a Reheating Furnace with Radiation / G.W. Lee, M.Y. Kim // International Journal of Scientific & Engineering Research. - 2014. - Vol. 8, No. 5. - Pp. 922-927.

44. Mure§an, V. The control of the billets heating process in a furnace with rotary hearth / V. Mure§an, M. Abrudean // IFAC Proceedings Volumes. - 2012. - Vol. 45, No. 8. - Pp. 735-740. DOI: 10.3182/20120902-4-FR-2032.00128.

45. Dubey, S.K. Steel billet reheat simulation with growth of oxide layer and investigation on zone temperature sensitivity / S.K. Dubey, P. Srinivasan // Journal of Mechanical Science and Technology. - 2014. - Vol. 28, No. 3. - Pp. 1113-1124. DOI: 10.1007/s12206-014-0114-6.

46. Emadi, A. Heating characteristics of billet in a walking hearth type reheating furnace / A. Emadi, A. Saboonchi, M. Taheri, S. Hassanpour // Applied Thermal Engineering. - 2014. - Vol. 63. - Pp. 396-405. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2013.11.024.

47. Grote, M. Impact of Solid Body Emissivity on Radiative Heat Transfer Efficiency in Furnaces - a Numerical Study / M. Grote, E. Pohl, P.H. Saptogino, D. Diarra // Energy Procedia. - 2017. - Vol. 120. - Pp. 628-634. DOI: 10.1016/j.egypro.2017.07.178.

48. Han, S.H. Efficiency analysis of radiative slab heating in a walking-beam-type reheating furnace / S.H. Han, D. Chang, C. Huh // Energy. - 2011. - Vol. 36. -Pp. 1265-1272. DOI: 10.1016/j.energy.2010.11.027.

49. Hu, Y. Development of a first-principles hybrid model for large-scale reheating furnaces / Y. Hu, C.K. Tan, J. Broughton, P.A. Roach // Applied Energy. - 2016.

- Vol. 173. - Pp. 555-566. DOI: 10.1016/j.apenergy.2016.04.054.

50. Jang, J.H. Investigation of the slab heating characteristics in a reheating furnace with the formation and growth of scale on the slab surface / J.H. Jang, D.E. Lee, M.Y. Kim, H.G. Kim // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2010.

- Vol. 53. - Pp. 4326-4332. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2010.06.006.

51. Парсункин, Б.Н. Оптимальные топливосберегающие режимы непрерывно-литых заготовок в методических печах / Б.Н. Парсункин, С.М. Андреев, Д.Ю. Жадинский, А.У. Ахметова // Вестник Магнитогорского государ-

ственного технического университета им. Г.И. Носова. - 2015. - № 3. - С. 89-96.

52. Андреев, С.М. Автоматизированная система управления топливосберегаю-щим несимметричным нагревом непрерывнолитых заготовок перед прокаткой / С.М. Андреев, Т.У. Ахметов, Д.В. Нужин, Б.Н. Парсункин // Электротехнические системы и комплексы. - 2016. - № 3(32). - С. 60-65.

53. Рябчиков, М.Ю. Управление нагревом металла в методических печах с учетом распределения внешних тепловых потерь по длине печи / М.Ю. Рябчиков, Д.С.-Х. Барков, Е.С. Рябчикова // Обработка металлов давления. -2016. - № 6(96). - С. 38-47.

54. Рябчиков, М.Ю. Сравнение вариантов детерминированных моделей для прогноза температуры стальной полосы на выходе из нагревательной печи при оцинковании / М.Ю. Рябчиков, И.Д. Кокорин // Известия ТулГУ. Технические науки. - 2021. - Вып. 6. - С. 335-345.

55. Фомин, А.В. Математическая модель зависимости расхода газа в зонах печи от производительности прокатного стана / А.В. Фомин // Металлург. - 2023. - № 2. - С. 111-116.

56. Богатова, М.Ж. Статистическое моделирование температурных режимов нагревательных печей листовых станов горячей прокатки / М.Ж. Богатова, С.И. Чибизова // Известия вузов. Черная металлургия. - 2021. - № 5(64). -С. 374-381.

57. Парсункин, Б.Н. Система автоматического энергосберегающего управления на основе математической модели газодинамического режима нагревательной методической печи / Б.Н. Парсункин, И.Г. Самарина // Промышленная электроника, автоматика и системы управления. - 2017. - № 2(35). - С. 5560.

58. Andreev, S.M. Mathematical Model of Temperature Distribution over the Length of the Furnace Taking into Account the Mutual Influence of its Zones / S.M. Andreev, D.V. Nuzhin // Proc. - 2023 Int. Russ. Autom. Conf. RusAutoCon 2023. -С. 1115-1120.

59. Барбасова, Т.А. Применение методов машинного обучения для прогнозирования производительности доменной печи / Т.А. Барбасова // Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами. - 2023.

- № 9. - С. 48-51.

60. Фомин, А.В. Применение регрессионного анализа в задаче построения математической модели давления в пространстве нагревательной печи / А.В. Фомин, П.И. Жуков // Современные проблемы горно-металлургического комплекса. Наука и производство: материалы восемнадцатой Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. -Старый Оскол, 2022. - Том I. - С. 635-642.

61. Полетаева, Н.Г. Классификация систем машинного обучения / Н.Г. Полетаева // Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. Серия: Физико-математические и технические науки. - 2020. - № 1. - С. 5-22.

62. Шнайдер, Д.А. Повышение производительности дробильно-обогатительной фабрики на основе оптимизационной модели / Д.А. Шнайдер, Е.А. Калинина // Вестник ЮУрГУ. Серия "Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника". - 2019. - Т. 19, № 3. - С. 156-164. DOI: 10.14529/ctcr190315.

63. Иванова, Т.А. Оптимизация технологических параметров процесса производства железорудного сырья: сравнительный анализ математико-статистических моделей / Т.А. Иванова, В.Ш. Трофимова, Д.А. Шнайдер, Е.А. Калинина // Приложение математики в экономических и технических исследованиях. - 2019. - № 1(9). - С. 90-101.

64. Li, J. Prediction of the cohesive zone in a blast furnace by integrating CFD and SVM modelling / J. Li, R. Zhu, P. Zhou [et al.] // Ironmaking & Steelmaking. -2020. - Vol. 48. - Pp. 1-8. DOI: 10.1080/03019233.2020.1771893.

65. Яхья, А.А. Байесовский классификатор как средство повышения эффективности распознавания дефектов в силовых трансформаторах / А.А. Яхья, В.М. Левин // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики.

- 2019. - Т. 21, № 6. - С. 11-18. DOI: 10.30724/1998-9903-2019-21-6-11-18.

66. Матвеев, А.В. Метод оценки достоверности количественного анализа риска на объектах нефтегазовой отрасли / А.В. Матвеев, А.В. Максимов, О.В. Щербаков, А.С. Смирнов // Пожаровзрывобезопасность. - 2018. - Т. 27, № 1. - С. 35-49. 001: 10.18322/РУБ.2018.27.01.35-49.

67. Фомин, А.В. Математическая модель зависимости расхода газа в зонах печи от производительности прокатного стана / А.В. Фомин // Металлург. - 2023. - № 2. - С. 111-116.

68. Ганул, А.О. Математическая модель нагрева металла в методической печи с учетом подогрева воздуха / А.О. Ганул, В.И. Дождиков // Бюллетень "Черная металлургия". - 2018. - № 1. - С. 102-105.

69. Биктимирова, Р.М. Кластеризация скважинных данных с применением машинного обучения с целью повышения точности адаптации на примере пласта ПК1 нефтегазоконденсатного месторождения / Р.М. Биктимирова, А.А. Горланов // Инженер-нефтяник. - 2019. - № 4. - С. 34-38.

70. Дмитриев, Е.А. Сравнение алгоритмов описания комплекснозначного поля градиента цифровых изображений с использованием линейных методов снижения размерности / Е.А. Дмитриев, В.В. Мясников // Компьютерная оптика. - 2018. - Т. 42, № 5. - С. 822-828. Б01: 10.18287/2412-6179-201842-5-822-828.

71. Бежитская, Е.А. Применение ассоциативных правил в медицине / Е.А. Бе-житская, А.О. Торопынина, В.Л. Сычугова // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. - 2022. - Т. 2. - С. 376-379.

72. Толкачева, Е.В. Автоматизация синтеза технологических решений и их документирования на основе извлечения инженерных знаний / Е.В. Толкачева, И.И. Семенова // Вестник ВГТУ. - 2011. - № 4. - С. 76-80.

73. Григорьев, Л.И. Анализ и обработка архивных данных в системах диспетчерского управления в целях построения информационных моделей нештатных ситуаций / Л.И. Григорьев, Н.Е. Елов, И.В. Абдуллин // Проблемы управления. - 2012. - № 1. - С. 55-61.

74. Салихов, М.Р. Алгоритм прогнозирования состояния оборудования на основе машинного обучения / М.Р. Салихов, Р.А. Юрьева // Известия вузов.

Приборостроение. - 2022. - Т. 65, № 9. - С. 648-655. DOI: 10.17586/00213454-2022-65-9-648-655.

75. Шинкевич, А.И. Диагностика зависимости основного производства от производственной инфраструктуры на основе ансамблевого метода машинного обучения / А.И. Шинкевич, Т.В. Малышева // Общество: политика, экономика, право. - 2023. - № 8. - С. 114-120. DOI: 10.24158/pep.2023.8.14.

76. Сидоренко, А.В. Обучение с подкреплением при навигации мобильных роботов / А.В. Сидоренко // Вестник Полоцкого государственного университета. Серия C. - 2021. - № 12. - С. 21-24.

77. Журба, Я.С. Алгоритмы непрерывного управления для маршрутизации конвейера на основе мультиагентного глубокого обучения с подкреплением / Я.С. Журба, А.А. Фильченков, А.А. Азаров, А.А. Шалыто // Информационно-управляющие системы. - 2022. - № 6. - С. 10-19. DOI: 10.31799/16848853-2022-6-10-19.

78. Гисара Пратхап Кулатхунга Кулатхунга Мудийанселаге. Вычисление оптимальной траектории в трехмерном пространстве с применением обучения с подкреплением / Гисара Пратхап Кулатхунга Кулатхунга Мудийанселаге, Д.В. Трихлеб, И.Е. Севостьянов // Science Time. - 2021. - № 6(90). - С. 3437.

79. Зайцев, В.С. Экспертная система на основе искусственной нейронной сети для контроля режима нагрева металла в методической печи / В.С. Зайцев, П.А. Устенко, Л.А. Добровольская // Теория и практика металлургии. -2003. - № 5-6. - С. 38-42.

80. Еременко, Ю.И. Нейронная модель зонного управления печью нагрева / Ю.И. Еременко // Известия вузов. Черная металлургия. - 2003. - № 7. - С. 71-74.

81. Царев, М.В. Цифровые двойники в промышленности: история развития, классификация, технологии, сценарии использования / М.В. Царев, Ю.С. Андреев // Известия вузов. Приборостроение. — 2021. — Т. 64, № 7. — С. 517-531.

82. Grieves, M. Digital Twin: Mitigating Unpredictable, Undesirable Emergent Behavior in Complex Systems (Excerpt) / M. Grieves, J. Vickers. — Florida Institute of Technology / NASA, 2016. — 7 p.

83. Боровков, А.И. Цифровой двойник — опыт CompMechLab® / А.И. Боровков [Электронный ресурс]. — URL: https://nticenter.spbstu.ru/news/8023 (дата обращения: 27.09.2024).

84. Kireev, V.S. Deriving Cognitive Map Concepts on the Basis of Social Media Data Clustering / V.S. Kireev // 2017 5th International Conference on Future Internet of Things and Cloud Workshops (FiCloudW). — IEEE, 2017. — С. 37-40.

85. Зырянов, Д.А. Цифровые двойники в управление жизненным циклом изделий и технологий / Д.А. Зырянов, Е.М. Бадика, С.Г. Бабчинецкий // "CHRONOS": мультидисциплинарные науки. — 2022. — Т. 6, № 5(67). — С. 28-32.

86. Liu, Z. The role of data fusion in predictive maintenance using digital twin / Z. Liu, N. Meyendorf, N. Mrad // AIP Conference Proceedings. — 2018. — Vol. 37. — DOI: 10.1063/1.5031520.

87. Цифровой двойник как инструмент оптимизации производственных процессов // Инновации и инвестиции. — 2023. — № 5. — С. 149-153.

88. ГОСТ Р 57700.37-2021. Компьютерные модели и моделирование. Цифровые двойники изделий промышленного производства. Общие положения. — М.: Стандартинформ, 2021. — 11 с.

89. Салов, И.В. Разработка цифрового двойника туннельной печи / И.В. Салов, И.А. Щербатов, Ю.А. Салова [и др.] // International Journal of Open Information Technologies. — 2022. — Vol. 10, No. 12. — С. [указать страницы]. — ISSN: 2307-8162.

90. Головко, Н.А. Оценка архитектуры искусственных нейронных сетей для моделирования процесса нагрева стальной полосы на агрегате непрерывного горячего цинкования / Н.А. Головко, О.С. Логунова // Вестник НТУ "ХПИ". — 2012. — № 62(968). — С. 33-39. — ISSN 2079-0031.

91. Анцев, А.В. Управление качеством специального процесса плавки в электродуговой печи на основе цифровых двойников / А.В. Анцев, А.А. Арсень-

ева // Известия ТулГУ. Технические науки. — 2024. — Вып. 12. — С. 545548. — DOI: 10.24412/2071-6168-2024-12-545-546.

92. Fu, X. Digital twin-driven vibration amplitude simulation for condition monitoring of axial blowers in blast furnace ironmaking / X. Fu, J. Han, M. Castleband [и др.] // Systems Science & Control Engineering: An Open Access Journal. — 2023. — Vol. 11, No. 1. — Article 2152400. — DOI: 10.1080/21642583.2022.2152400.

93. Nistala, S.H. METAFUR: Digital twin system of a blast furnace / S.H. Nistala, R. Kumar, M.S. Parihar [и др.] // [Название журнала]. — [Год]. — Vol. [том]. — Pp. [страницы]. — DOI: [указать DOI при наличии].

94. Тайц, Н.Ю. Технология нагрева стали / Н.Ю. Тайц. — М.: Металлургиздат, 1962. — 296 с.

95. Тимофеев, В.Н. Теплообмен излучением между твердыми телами / В.Н. Тимофеев // Известия Всесоюзного теплотехнического института им. Дзержинского. — 1947. — № 1. — С. 42-48.

96. Bukhmirov, V.V. Modifications of the zonal method for solving problems of radiation heat transfer: basic provisions / V.V. Bukhmirov, S.A. Krupennikov // Vestnik IGEHU. — 2009. — № 2. — Pp. 1-3.

97. Andreev, S. Determination of coefficients of analytical dependences of thermo-physical properties of steel on temperature / S. Andreev, M. Galdin // Automation of technological and production processes in metallurgy. — 2012. — Vol. 4. — Pp. 118 - 126.

98. Arutyunov, V. Mathematical modeling of thermal operation of industrial furnaces / V. Arutyunov, V. Bukhmirov, S. Krupennikov. — Moscow: Metallurgy, 1990. — 239 p.

99. Koroluk, V.S. Handbook of Probability Theory and Mathematical Statistics / V.S. Koroluk. — Moscow: Nauka, 1985. — 640 p.

100. Fisher, R.A. Static Methods for Research / R.A. Fisher. — Moscow: Gosstatiz-dat, 1958. — 266 p.

101. Сизова, Т.М. Статистика: учебное пособие / Т.М. Сизова. - Санкт-Петербург: СПб НИУ ИТМО, 2013. - 176 с.

102. Линник, Ю.В. Метод наименьших квадратов и основы теории обработки наблюдений / Ю.В. Линник. - Москва: Гос. изд-во физико-математической литературы, 1958. - 336 с.

103. Stephen, J. Coordinate descent algorithms / J. Stephen // Mathematical Programming. - 2015. - Vol. 151. - Pp. 3-34. DOI: 10.1007/s10107-015-0892-3.

104. Банди, Б. Методы оптимизации. Вводный курс / Б. Банди; пер. с англ. -Москва: Радио и связь, 1988. - 128 с.

105. Хамдамов, М.М. Математическое моделирование процессов в цилиндрической камере сгорания в программном пакете ANSYS FLUENT / М.М. Хамдамов, Д.Й. Эргашев // Journal of Integrated Education and Research. -2022. - № 1(4). - С. 1-13.

106. Хитрый, Д. Моделирование процессов горения в ANSYS CFX / Д. Хитрый // САПР и графика. - 2006. - № 1. - С. 1-6.

107. Kozubkova, M. Mathematical modeling of methane combustion / M. Kozubko-va, J. Krutil, M. Bojko, V. Nevrly // Transactions of the VSB - Technical University of Ostrava. - 2012. - Vol. VII, No. 1. - Pp. 21-26.

108. Цены на газ, реализуемый населению и жилищно-строительным кооперативам в Республике Татарстан с 1 июля 2025 г. [Электронный ресурс] : утв. Региональной службой Татарстана по тарифам. - URL: https://regiongaz.ru/content/Шes/Цены%20с%201.07.2025.pdf (дата обращения: 15.10.2024).

109. Логунова, О. С. Об одном способе оценки экономической эффективности внедрения программного продукта в систему управления / О. С. Логунова, Е. А. Ильина, И. И. Мацко // Математическое и программное обеспечение систем в промышленной и социальной сферах. - 2016. - Т. 4, № 1. -С. 42-47. - EDN XHUVFD.

Приложение А

Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Цифровой двойник технологического процесса нагрева заготовок в проходной 10 зонной методической печи.

Приложение Б

«АКТ Об использовании результатов научных исследований»

УТВЕРЖДАЮ: 11роректор по научной и инновационной работе ЬОУ ВО «Магнитогорский ^дарственный технический $ 5|?*3"иверситет им. Г .И. Носова»

Тулупов О.Н. сентября 2025 г.

АКТ

Об использовании результатов научных исследований Комиссия в составе: председатель В.Р. Храмшин, профессор, д-р техн. наук, члены комиссии: Савинов A.C., д-р техн. наук, Андреев С.М., докт. техн. наук составили настоящий акт о том, что результаты научных исследований Нужина Дмитрия Викторовича, представленные в диссертационной работе на соискание ученой степени кандидата технических наук на тему «Энергосберегающая система управления нагревом заготовок в проходных печах с использованием технологии цифровою двойника», использованы в научной и учебной деятельности при обучении студентов направлений уровня магистратуры: 27.04.04 - Управления в технических системах и 22.04.02 - Металлургия, а также подготовки кадров высшей квалификации по научной специальности 2.3.3 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами.

Теоретические и практические результаты работы в виде специального математического и программного обеспечения по использованию цифровых двойников в системах управления процессом нагрева заготовок перед прокаткой, используются в качестве учебных и демонстрационных материалов при изучении дисциплин:

- магистратуры: математическое моделирование объектов и систем управления, искусственный интеллект и машинное обучение, разработка цифровых двойников металлургических процессов, современные проблемы теории управления;

- аспирантуры: интеллекту альные автоматизированные системы, математическое и программное обеспечение АСУП, АСУТП и АСУТПП; структура АСУ11, АСУТП и АСУТПП.

С использованием научных результатов диссертационной работы подготовлены методические указания к практическим и лабораторным работам. Использование научных результатов, полученных Нужиным Д.В, повышают наглядность и демонстрируют практическую значимость излагаемых в курсах материалов, что позволяет стимулировать желание обучающихся участвовать в научной деятельности.

Председатель комиссии: директор института энергетики и автоматизированных систем,

профессор, д-р техн. наук

Члены комиссии:

заведующий кафедрой автоматизированных систем управления, докт. техн. наук

Андреев С.М.

директор института металлургии.

машиностроения и металлообработки

д-р техн. наук

Приложение В

Справка об опробовании результатов исследования полученных в диссертационной работе Д.В. Нужина «Энергосберегающая система управления нагревом заготовок в проходных печах с использованием технологии

цифрового двойника»

об опробовании результатов исследования полученных в диссертационной работе Д.В. Нужина «Энергосберегающая система управления нагревом заготовок в проходных печах с использованием технологии цифрового двойника»

Рассмотренные на заседании технического совета ЗАО «КонсОМ СКС» результаты, полученные Нужиным Дмитрием Викторовичем в рамках диссертационной работы «Энергосберегающая система управления нагревом заготовок в проходных печах с использованием технологии цифрового двойника», имеют научную новизну и практическую ценность в области управления разработкой специализированного информационного и программного обеспечения для систем управления технологическими и производственными процессами, а именно при разработке программного обеспечения для средств автоматизации системы. Работа Д.В. Нужина была начата еще в аспирантуре и завершена к настоящему моменту.

Нагревательные печи представляют собой важнейшее и неотъемлемое звено прокатного производства одновременно являющиеся высокопроизводительными и энергоемким оборудованием. В этой связи даже незначительное энергосбережение расхода топлива в методических печах прокатных станов сохраняет свою актуальность, поскольку позволяет существенно повысить эффективность металлургического производства в целом. Основным мероприятием по снижению топливных затрат, не затрагивающих конструктивные особенности проходных нагревательных печей, является использование автоматизированных систем

Анализ работ показывает, что предложенные системы, во-первых, направлены на исследование и решение отдельных локальных подзадач: учет переменной производительности, анализ влияния тепловых потерь на температуру греющей среды, поступления новых заготовок и т.д. Во-вторых, для поиска оптимальных режимов нагрева заготовок, применяются методики требующие большие временные ресурсы, что не позволяет им вести управление нагревом заготовок в режиме реального времени. Таким образом разработка системы, обеспечивающей комплексное решение задач, включая разработку отдельных математических моделей внешнего и внутреннего теплообмена с учетом перемещения заготовок с дальнейшей их адаптацией и расчета энергосберегающих режимов для всех заготовок, находящихся в

В диссертационной работе решены следующие задачи:

1) выполнен аналитический обзор текущего состояния современных систем и средств автоматизации, применения инновационных технологий математического моделирования и цифровых двойников в области управления нафевом заготовок в проходных нагревательных печах;

2) разработано математическое и информационное обеспечение, включающее комплексную математическую модель нагрева заготовок, учитывающую взаимовлияние соседних зон, модель адаптации, модель расчета температурных уставок и формирования режимных карт нафева в реальном времени;

3) разработано алгоритмическое обеспечение, обеспечивающее для текущего состояния печи формирование режимных карт, гарантирующих нафев заготовок до заданного температурного состояния и разработана ее структурно-функциональная организация отдельных блоков и их синхронизацию между собой;

4) разработан алгоритм функционирования цифрового двойника проходной нагревательной печи, выполнена его нрофаммная реализация и проведен вычислительный эксперимент для получения режимных карт нагрева заготовок, для проведения проверки способности модели адаптироваться к изменениям параметров объекта и для подтверждения формирования режимных карт нагрева, гарантирующих нафев заготовок в режиме реального времени.

Апробирование блоков алгоритмического обеспечения, проведенное ЗАО «КонсОМ СКС» в ходе научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, позволяет рекомендовать их для промышленного использования. Применение данного ПО в системе управления нафевом проходных печей обеспечит энергосберегающий режим с гарантированным качеством нагрева заготовок.

Разработанные алгоритмы блока, обеспечивающие энергосберегающий нафев заготовок в проходных печах, рекомендуются для промышленных испытаний в системах управления объектами, обладающими непрерывным изменением статической характер!

Начальник отдела промышленных киберфизических систем и решена

ЗАО «КонсОМ СКС»

ЕЛО. Васильев

Е.А. Хренов