Development of Digital Twins and Digital Control Systems for Electric Drives at Industrial Units predetermines the virtual models creation that must ensure an optimal combination of result accuracy and high-speed data exchange between the control device and the object. Similar tasks arise during the digitalization of rolling mill units, which has been announced in recent years by all leading metallurgical companies. This requires the verification of models for rolling stand electrical complexes, which would ensure the fulfillment of these conflicting requirements. Such a task arose during the electric drive virtual model development of the 5000 heavy-plate rolling mill stand, which is equipped with high-power synchronous motors with variable frequency speed control. Two digital models have been developed, their difference being the degree of the closed-loop stator current control system detail. The first, the more complex model, is built based on Simscape library modules; it provides for the control of current components along the d and q axes. In the second version, the closed current control loop is represented by the first-order lag element. The characteristic feature of the individual electric drives at rolling mill stands is the nonlinearity caused by the saturation (limitation) of the speed controller output and angular backlashes in the spindle connections. These factors must be considered when creating the models and an analysis of their impact on dynamic performance in transient conditions is also necessary. In the presented paper, the verification of the above models for the 5000 mill stand electric drives is carried out. For this purpose, a comparison of the transient processes that occur during the workpiece bite by the rolls with simultaneous closure of the angular backlash was made. The simulation results are compared with the experiments result obtained at the mill and validation of the processes obtained using the studied models was also carried out. Simulations of modes occurring during the rolling cycle have been performed, namely: impact load application with simultaneous angular backlash closure and no-load reversal of the electric drive. They allow for the assessment of the backlash closure influence on the elastic torque amplitude on the spindle. The integrated implementation of simulation and experimental studies ensures the developed model verification, allows for the evaluation of the their advantages and provides recommendations for their application in the digital control systems development.
Разработка цифровых двойников (ЦД) и цифровых систем управления электроприводов промышленных установок предопределяет создание виртуальных моделей, которые должны обеспечить оптимальное сочетание точности воспроизведения результатов и высокой скорости обмена данными между устройством управления и объектом. Подобные задачи возникают при цифровизации агрегатов прокатного производства, о которой в последние годы заявляют все ведущие металлургические компании. Это требует верификации моделей электротехнических комплексов прокатных клетей, которые (модели) обеспечивали бы выполнение указанных противоречивых требований. Такая задача возникла при разработке виртуальной модели электропривода клети толстолистового прокатного стана 5000, которая оснащена мощными синхронными двигателями с частотным регулированием скорости. Разработаны две цифровые модели, их отличием является степень детализации замкнутой системы (контура) регулирования тока статора. Первая, более сложная модель, построена на основе модулей библиотеки Simscape, в ней предусмотрено регулирование составляющих тока по осям d, q. Во втором варианте замкнутый контур регулирования тока представлен инерционным звеном первого порядка. Характерной особенностью индивидуальных электроприводов клетей прокатных станов является нелинейность, обусловленная ограничением выхода регулятора скорости и угловыми зазорами в шпиндельных соединениях. Эти факторы должны быть учтены при создании моделей, также необходим анализ их влияния на динамические показатели в переходных режимах. В представленной публикации выполняется верификация названных моделей электроприводов клети стана 5000. С этой целью проводится сопоставление переходных процессов, возникающих при захвате раската валками при одновременном замыкании углового зазора. Сравниваются результаты моделирования с результатами экспериментов, выполненных на стане, также выполняется валидация процессов, полученных при применении исследуемых моделей. Выполнено моделирование режимов, возникающих за цикл прокатки, это ударное приложение нагрузки при одновременном замыкании угловых зазоров и реверс электропривода без нагрузки. Они позволяют оценить влияние замыкания зазора на амплитуду упругого момента на шпинделе. Комплексное проведение моделирования и экспериментальных исследований обеспечивает верификацию разработанных моделей, позволяет оценить преимущества каждой из них и дать рекомендации по их применению при разработке цифровых систем управления.