САР методичної печі

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВстуП

 

У даній атестаційний роботі бакалавра  розроблена АСР п’ятизонної методичної печі.

Методична піч є піччю для нагріву металічних заготівок перед прокаткою, ковкою або штамповкою. На сьогоднішній день процес нагрівання металу на промислових підприємствах здійснюється в методичних пічках, де завантаження металу та підігрів , підтримка заданих значень витрат природного газу і повітря  проходять на протязі всього процесу безперервно та одночасно. Основними параметрами, що мають дуже важливе значення в процесі нагріву металу, є температура в зонах печі, тиск у робочому просторі печі та співвідношення витрати газу і повітря.  Великі вимоги пред’являються до підтримки температури в зонах  печі. Це пояснюється тим , що навіть невелике відхилення режимів підігріву  від номінальних може призвести до незворотніх процесів в середині робочого тіла. Підтримка заданого співвідношення витрати газу та кисню є запорукою того, що  в процесі нагріву металу не виникне режимів, відмінних від розрахованих, і ,як результат, якість виготовленої продукції буде знаходитись на достатньо високому рівні. А при сучасному положенні ринкових відносин якість продукції має велике значення.

При проектуванні АСР  були використані сучасні рішення  по автоматизації процесів нагріву металу. Вихідні дані для проекту отримані із завдання на атестаційну роботу та з літературних джерел.

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                          РОЗДІЛ 1

ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕХНОЛОГІЧНОГО ОБ'ЄКТУ КЕРУВАННЯ

          Прокаткою або ковкою заготівки металу нагрівають в методичних нагрівальних пічах безперервної дії. В методичні пічи завантажують  холодні  або  гарячі  (600—800°)   заготівки. Заготівки, що завантажують в найбільш холодну частину пічи через вікно посада, поступово переміщюють товкачем по довжині печі в більш гарячу частину — до вікна       видачи.

Методичні печі обогрівають  змішаним  коксо-доміним газом с теплотою згорання 1300—2400 ккал/нм3 або мазутом; використовують також природний газ та заздалегіть підігрітий чистий доміний газ.

Паливо зпалюється в  пальниках окремих зон нагріву  печі,  до яких також поступає  повітря для горіння. Метал в зонах горіння палива нагрівається шляхом радіаційного теплообміну зі стінками печі та продуктами згорання палива (проміневипромінювача), а в неопалювальній частині печі — шляхом радіації та конвективного теплообміну при взаємодії з продуктами згорання. Продукти згорания рухаються по робочому простору печі назутріч руху металу — повз нього зверху та знизу; температура їх поступово знижується. Через рекупіратор для нагріву повітря та димові канали продукти згорання видаляються в атмосферу за рахунок тяги труби (або димососа). Через вікно подачі підігріті заготівки подаються на рольганг, який переміщює їх до прокатного стану.

   Залежно від характеру розподілу температур по довжині печі розрізняють двух-, трьох- і чотирьохзонні методичні печі. У двозонних печах робочий простір розділений на методичну (що підігріває, неопалювальну) і зварювальну (-нагрівальну, опалювальну) зони; у трьохзонних - на методичну неопалювальну, зварювальну і томильну опалювальні; у чотирьохзонних - на методичну, дві зварювальні і томильну.

 Температура в зварювальній  зоні трьох- і четирьохзонних  печей вище за необхідну температуру нагріву металу, тому заготівки виходять з цієї зони з великим перепадом температур по перетину, який вирівнюється в томильной зоні.

 Перевагами методичних  нагрівальних печей є безперервний  і відносно стабільний характер роботи, завдяки цьому тепловий режим - методичний, нагрів є поступовим, що має велике значення для легованих сталей; відносно невелика питома витрата палива на нагрів металу.

  Недоліком цих печей є великий час нагріву крупних заготівок. Внаслідок цього,  метал в печі гріють лише з двох сторін.

 Методичні печі працюють із змінною продуктивністю, що обумовлено змінами темпу роботи (продуктивності) прокатного стану і різними розмірами і вагою заготівок. Внаслідок цього час нагріву металу (час проходження заготівок через піч), а також теплова місткість металу в печі різні.

 Температура металу, що видається з печі, є функцією  продуктивності печі як у момент  видачі, так і в передуючий  йому час нагріву.

 Щоб забезпечити  необхідну температуру нагріву  і перепад температур по перетину  заготівок, необхідно змінювати тепловий і температурний режими печі відповідно її продуктивності. Безперервний характер роботи методичних печей полегшує автоматичне регулювання теплового режиму.

 

 

 

РОЗДІЛ 2

ВИБІР І ОБГРУНТУВАННЯ  ПРИЙНЯТОЇ СТРУКТУРИ КЕРУВАННЯ  ОБ'ЄКТОМ

     Автоматизація технологічних процесів у загальному випадку виконує наступні функції: регулювання параметрів, керування роботою устаткування й агрегатів, захист і блокування устаткування й агрегатів, облік витрати вироблених і споживаних ресурсів, виміру, керування.

        Схема керування п’ятизонної методичної печі передбачає автоматичне керування витратою газу за температурою робочого простору  у томильній зоні печі.

                На малюнку 2.1. зображенна структурна схема:

 

 

 

     

 

 

 

Мал. 2.1. Структурна схема

 

Це звичайна одноконтурна система  регулювання. Сигнал від давача заводиться на регулятор (регулятор підтримує функцію вимірювання вхідного параметру й визначення розбалансу між завданням та входом від давача). Після цього, відповідно до величини сигналу неузгодженості між дійсним значенням температури та сигналом задавача (задавач входить до конструкції регулятора) формується сигнал на виході регулятора і поступає на регулюючий орган, внаслідок чого змінюється витрата газа на вході до відповідного пальника, і внаслідок цього змінюється температура у робочій зоні печі.

   Контур регулювання створений на базі регулятора ТРМ-1(Овен).

Вимірювання темпратури виконується  за допомогою давача(термометра теромоелектричного ТПР-30/6). Сигнал температури подається на регулятор(ТРМ-1). Керуючий вплив подається через блок керування(БРУ-42М) та пускач(ПБР-3А) на виконавчий механізм типу МЕО, який змінює положення РО(регулюючого органу) і тим самим зменшує або збільшує кількість газу, яка подається до відповідного пальника робочої зони.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РОзділ 3

Основні рішення  з автоматизації

3.1. Технологічний контроль

Для нормальної роботи п’ятизонної  методичної печі треба обладнити  її необхідною кількістю контрольно-вимірювальних  приладів. Відхилення вимірюваних величин від заданих значень, виявлені за показами приладів, свідчать про порушення номінальних режимів.

Організація технологічного контролю і вибір приладів зроблені у відповідності з таким принципом:

- параметри, спостереження за якими необхідне, для правильного ведення технологічного процесу, вимірюються показуючими приладами, розміщеними на щиті керування.

Для забезпечення надійної роботи п’ятизонної методичної печі контролюються такі параметри:

- тиск (давачі тиску: поз.15а, 16а, 17а, 18а, 19а);

- температура ( давачі  температури: поз. 1а, 2а, 3а, 4а, 5а, 6а, 7а, 8а, 9а);

- витрата (давачі витрати: поз. 13а, 14а) 

   Прилади вибирались по можливості однотипними для забезпечення уніфікації засобів виміру в межах даного об'єкту. Така уніфікація в значній мірі полегшує обслуговування і експлуатацію приладів, а також їх компоновку на щиті.

3.1.1. Засоби вимірювання температури

        Температура вимірюється за допомогою термоелектричних термометрів.

Вимірювання температури  в робочому просторі методичної печі здійснюється термопарами, які встановлені з торця печі, блище до робочої заготівки, та термопарами, що встановлені в кожній із п’яти зон методичної печі. Також вимірюється температура димових газів на виході з печі, в борові, температура повітря після підігріву у рекуператорі. Термопари типу ТПР, ТХА, що мають гр. ПР30/6, ХА відповідно використовуються у вимірювальних каналах контролю та  регулювання.

У якості вторинного приладу  для первинних приладів обрано прилад реєструючий показуючий одноканальний Метран 901-2 (поз. 2б), і багатоканальний Метран 901-02 (поз. 7б)

3.1.2. Засоби вимірювання  тиску

Тиск є також дуже важливим технологічним параметром, який необхідно вимірювати. Вимірювання  виконується в трубопроводах, борові та робочій зоні. Використовувалися такі перетворювальні прилади :

Метран  150CG4 (діапазон (0…2)кПа, (0…3)кПа,  (0…4)кПа)

Метран 100 ДВ (діапазон (-0,08…0)кПа)

Метран 100 ДИ (діапазон (0…63)Па)

Реєстрація ж значень  тиску виконується на вторинному приладі Метран 901-2(поз. 15б, 16б, 17б, 18б, 19б).

                                              3.1.3. Засоби вимірювання витрати

Вимір витрати природнього газу та повітря виконується методом  змінного перепаду тиску на камерній діафрагмі ДКC 6-225, ДКC 6-400 (поз.13а та 14а)

 Для визначення витрати використаний  вимірюючий перетворювач різниці  тиску Метран-350-SFA (поз. 13б та 14б). Цей дифманометр має високу точність (кл.т. 0,5) і надійність. Вихідний сигнал (4...20) мА. Вторинним приладом служить реєструючий показуючий одноканальний прилад Метран 901-2(поз. 13в, 14в).

При виборі приладів, що монтуються в печі, враховано умови  експлуатації, кваліфікацію персоналу, вимоги точності і надійності до приладів. Також враховано вартість приладів, їхня відповідність сучасним вимогам. У проекті застосовано, по можливості, однотипні прилади, що полегшує їхнє обслуговування, експлуатацію і компонування на щиті.

 

3.2. Автоматичне регулювання

3.2.1. Принцип роботи АСР

АСР температури в  томильній зоні являє собою одноконтурну систему. Регулятор температури одержує сигнал від вимірювального перетворювача давача термоелектричного термометра ПР 30/6 та від задавача й виробляє необхідний керуючий вплив, відповідно сигналу розбалансу. Виробивши сигнал неузгодженості, регулятор дає керуючий сигнал на виконавчий механізм, що повертає заслінку газу в необхідне положення до повної компенсації сигналу неузгодженості. Регулювання здійснюється за рахунок зміни витрати коксо-доменної суміші.

3.2.2. Засоби автоматизації

У проекті використовується регулятор температури ОВЕН ТРМ1 із встроєнним задатчиком. Він має уніфіковані вхідні сигнали -50…+50мВ, використовується разом з блоком управління.

Основний сигнал по розрідженню  подається на вхід регулятора від теромоелектричного термометра ТПР-30/6 у вигляді уніфікованого сигналу -50…+50мВ. Для завдання температури служить задавач, вмонтований в регулятор. Вироблений регулятором керуючий сигнал подається через блок керування БРУ-42М на безконтактний реверсивний пускач ПБР-3А, що керує виконуючим механізмом МЕО-63/100. Далі виконавчий механізм переміщує регулюючий орган у відповідне положення.

При зміні положення  регулюючого органу сигнал поступає на покажчик положення вмонтований  в блок керування БРУ-42М, який показує  ступінь відкриття у відсотках.

З метою запобігання виходу з ладу виконавчого механізму при повному закритті й відкритті регулювального органа керуючі сигнали від регулятора проходять через кінцеві автоматичні вимикачі, вмонтовані у виконавчий механізм.

3.3. Технологічна сигналізація

Сигналізація призначена для того, щоб привернути увагу оператора, коли значення якогось з параметрів наблизиться до небезпечного значення (світлова та звукова сигналізації).

У данній АСР здійснюється сигналізація при виході за межі таких  параметрів: температури в п’яти зонах, витрати палива і повітря,тиск в повітряпроводі та розрідження в борові.

                                 3.4. Щити системи автоматизації

Щити системи автоматизації  призначені для розміщення на них: засобів  автоматизації, органів управління та засобів відображення інформації (діаграми, циферблати, сигнальні лампи, тощо).

В даній системі автоматизації, в якості щита управління використовується щит шафовий нормальних габаритів з задніми дверима, одиночний марки

ЩШ-ЗД.

3.5. Живлення засобів  вимірювання і автоматизації

Живлення електроенергією  засобів вимірювання й автоматизації  здійснюється від мережі змінного струму 220 В, 50 Гц від розподільного щита. У лініях живлення обов'язково встановлюються автоматичні вимикачі або рубильники. Автоматичні вимикачі призначені для захисту електричних установок від перенавантаження та короткого замикання в колах змінного та постійного струмів. Автоматичні вимикачі обираються по номінальному струму і по максимальному струму розмикання, механізм розчеплення яких буває електромагнітним або тепловим. При розробці даної системи було обрано автоматичний вимикач типу А63-ИТ та АВ-400ДО4 для трьохфазного живлення виконавчого механізму. При необхідності на прилади може  подаватись стабілізована або постійна напруга від спеціальних джерел.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РОЗДІЛ 4

РОЗРАХУНКОВА ЧАСТИНА

4.1 Вимоги до метрологічного забезпечення АСР

В замкнених АСР точність регулювання визначається тільки похибкою задавача, так як стабілізація параметра  на заданому значенні впродовж тривалого  часу еквівалентна багатократному вимірюванню. Точність вимірювання впливає тільки на точність перехідних процесів. Тому до вимірювальних каналів регулятора не пред’являють дуже високих вимог по точності. Похибка інформаційних вимірювальних каналів навпаки повинна бути зведена до мінімуму.

На вимірювальний канал  з виходом на вимірювальний блок регулятору встановимо наступні похибки  вимірювання:

4.2 Розрахунок  вимірювальних каналів САР

У складі САР температури п'ятизонної методичної печі виділяється такий вимірювальний канал (ВК):

ВК з виходом на вимірювальний блок регулятора;

ВК з виходом на реєструючим прилад.

Структурні схеми вимірювальних  каналів:

Рисунок 4.1

 

 

 

Для кожного елементу ВК визначаємо клас точності і заносимо відповідні дані до таблиці 4.1

                                                                                                           Таблиця 4.1

Вимірювальний канал	Елемент	Клас точності	Діапазон вимірювання
ВК з виходом на вимірювальний блок регулятора	Термоелектричний термометр  ТПР-30/6	0.5	(700…+1500) °C
	Регулятор ТРМ1	0.5	(700…+1500) °C
ВК з виходом на реєструючий прилад	Термоелектричний термометр  ТПР-30/6	0.5	(700…+1500) °C
	Пристрій реєструючий Метран 901	0.5	(700…+1500) °C

 

Розрахуємо абсолютну  похибку ВК.

Абсолютна похибка ВК визначається за формулою (4.1):

 

                                                                                            (4.1)

де   D_і – абсолютна похибка і-го елемента ВК.

Визначення абсолютних похибок елементів ВК по класу точності робимо за формулою (4.2):

 

                    D_і = e_і(X_max-X_min)/100                            (4.2)

 

де   e_і – клас точності і-го елемента;

(X_max-X_min) – діапазон вимірювання

    Розрахуємо  абсолютні похибки елементів  ВК. 

Розраховані за формулою (6.1.3.1) значення наведені нище.

Давач каналу регулювання  – ТПР-30/6:

 

 

Вимірювальний блок регулятору ТРМ1:

 

Давач каналу реєстрації - ТПР-30/6:

 

 

Реєструючий прилад Метран 901-2:

 

 

Розраховуємо абсолютну та відносну похибку кожного вимірювального каналу, за формулами:

                   ;                                                                   (4.3)

де  –   абсолютна   похибка   ВК;        – абсолютна похибка i-го  елементу ВК; n – кількість елементів ВК.

                        ;                                                                              (4.4) 

де  – відносна похибка ВК; – абсолютна похибка ВК; X – вимірюване значення параметру.

Розраховані за формулами (4.3) та (4.4) значення наведені у  таблиці 4.2

                                                                                               

                                                                                         

 

 

 

                                                                                                                                                 Таблиця 4.2

Вимірювальний канал	Значення параметру, °C	Абсолютна похибка Δк, °C	Відносна похибка , %
ВК з виходом на реєструючий прилад	1250	5,65	0,32
ВК з виходом на вимірювальний блок регулятора	1250	5,65	0,32

При вимірюванні ВК з  виходом на вимірювальний блок регулятора: ,

 

При вимірюванні ВК з  виходом на реєструючий прилад:

ВИСНОВОК: враховуючи те, що максимальні абсолютні похибки для вимірювальних каналів лежать у межах:

< ;

то можна стверджувати, що отримана точність вимірювання по кожному вимірювальному каналу задовольняє вимогам щодо точності вимірювання.

Таким чином комплектація кожного ВК задовільна.

 

                      4.3. Розрахунок надійності функціонування САР.

       4.3.1 Вимоги до надійності реалізації функцій САР.

Розрахунок надійності АСР полягає в розрахунку надійності реалізації інформаційної, регулюючої та захисної функції. Завданням розрахунку є порівняння розрахованого показника надійності із заданим. Якщо розрахований показник надійності менший від заданого, треба зарезервувати найменш надійні елементи АСР.

Показником надійності інформаційної функції є середнє напрацювання на відмову , або ймовірність безвідмовної роботи . Така умова є достатньо жорсткою, так як при відмові інформаційної функції інформація повністю втрачається .

Більш жорсткі вимоги ставляться до регулюючої функції, тому її надійність характеризується , середнім часом відновлення та ймовірністю безвідмовної роботи за час t з урахуванням відновлення відмовляючої функції .

Вимоги до захисної функції  більш жорсткі ніж до інформаційної  та керуючої. При цьому працездатність захисної функції повинна бути забезпечена  в момент аварії, а в проміжках між аваріями її відмови не впливають на працездатність АСР в цілому. Захисна функція характеризується , коефіцієнтом готовності або ймовірністю безвідмовної роботи при виконанні очікуваної задачі .

Рівень надійності виконання функцій АСР повинен відповідати наступним вимогам:- Середнє напрацювання на відмову для усіх функцій ;

    - Середній час відновлення  для керуючої функції  ;

- Коефіцієнт готовності  для захисної функції .

4.3.2. Структурна схема  надійності реалізації функцій  САР.

Структурні схеми надійності для кожної з функцій, виконуючих АСР представлені на рисунку  4.2.

                               Рисунок 4.2

 

ДКМ – деталі кріпильного  монтажу

Захисної функції САР  не виконує.

 

   4.3.3. Розрахунок надійності реалізації функцій АСР.

Кожний елемент структурної  схеми надійності характеризується інтенсивністю відмов або середнім часом напрацювання на відмову . Ці дані наведені в таблиці 4.3.                                                               

                                                                                                   Таблиця 4.3

Елемент	λ·10-6, 1/год	Тсер, год
Термометр термоелектричний ТПР30/6	15	70000
Пристрій реєструючий Метран 901-2	10	100000
Деталі кріпильного  монтажу	0.0015	70000000
Технологічний вимірювач регулятор ТРМ1	10	100000
Блок управління БРУ-42М	10	100000
Виконавчий механізм МЕО	13.5	74000
Вказувач положення  виконавчого механізму, міліамперметр ДУП-М	7	143000

 

 

Розрахуємо загальну інтенсивність відмов, середній час  напрацювання на відмову та ймовірність безвідмовної роботи для кожної функції АСР за формулою (4.4), (4.5) та (4.6). Отримані результати наведені в таблиці 4.4.

                                                                                                    (4.4)

де n – кількість елементів  у структурній схемі надійності; l_i – інтенсивність відмов для i-го елементу схеми; l – загальна інтенсивність відмов.

Звідси для інформаційної  функції:

для керуючої функції: :

                                                                                                     (4.5)

де T_сер – середнє напрацювання на відмову для схеми; l – загальна інтенсивність відмов.

Звідси для інформаційної  функції:

для керуючої функції:

                                                                                 (4.6)

   де P – ймовірність  безвідмовної роботи за час t; l – загальна інтенсивність відмов. Задаємо t = 720 год.

Звідси для інформаційної  функції:

для керуючої функції:

                                                                                                                                   Таблиця 4.4

Функція	λ·106, 1/час	P(t)	Тсер, час
Інформаційна	25	0,9821	40000
Регулююча

 

 

Для регулюючої функції розрахуємо ймовірність безвідмовної роботи за 720 годин з урахуванням відновлення відмовляючої функції. Для цього спочатку розраховуємо ймовірність відновлення працездатності, задавши середній час встановлення працездатності та припустимий час функціонування об’єкту при невиконанні керуючої функції:

 

:

;

 

 

 

ВИСНОВОК: за результатами розрахунку:

        - для інформаційної  функції маємо Т_ср=40000 годин, Р(τ)= 0,9821;

        - для керуючої функції маємо Т_ср=18017 годин, Р(τ)= 0,96, Р_с(τ)= 0,9946;

Бачимо, що показники надійності задовольняють  вимогам.  Більш того, має місце  запас надійності реалізації функції.

З розрахунків бачимо нерівність P_c(t)>P(t). Це значить, що керуюча функція є більш надійною ніж інформаційна, що відповідає формальним вимогам надійності.

 

                 4.4. Розрахунок динаміки САР

4.4.1. Апроксимація перехідної характеристики об’єкту

 

          В роботі розглядається об’єкт управління який зображено на рис. 4.3.

 

 

Рис. 4.3 Об’єкт управління

    Цей об’єкт належить до об’єктів з самовирівнюванням. Такий об’єкт апроксимується послідовним з’єднанням ланки транспортного запізнення та аперіодичної ланки першого порядку, передавальні функції яких W_т(s) та W_ап(s) відповідно.

W_т(s)=

                    W_ап(s)=                                                                 (4.8)

Послідовному з’єднанню  відповідає перемноження передавальних функцій, тому передавальна функція об’єкта управління має вигляд:

                    W_об(s)= W_т(s)×W_ап(s) = ×                            (4.9)

де    s – оператор Лапласа.

Розрізняють криву розгону та перехідну  характеристику об’єкта.

Крива розгону - це реакція об’єкта на ступінчасте збурення  деякої величини.

Перехідна характеристика - реакція об’єкта на одиничне ступінчате збурення.

На практиці, в більшості  випадків отримують криву розгону, а потім її  перераховують у  перехідну характеристику. В результаті ідентифікації об’єкта, як об’єкта з самовирівнюванням,  отримана його модель, параметри якої наведені нижче.

Параметри передавальної  функції моделі:

                                                               (4.10)

Передавальна функція  моделі:

                                                                         (4.11)

 

Перехідна характеристика моделі зображена на рисунку 4.4.

Рис.4.4. Крива розгону 

 

 

                       4.4.2. Розрахунок параметрів регулятора

Аперіодичний процес рекомендований тоді, коли несуттєвим є динамічний викид, а потрібно досягти малого часу регулювання. Процес із 40% - перерегулюванням (мінімумом лінійного інтегрального  критерію) вибирають тоді, коли треба зменшити час регулювання, але при цьому несуттєвими є підвищена коливальність процесу та його динамічний викид. Найбільш поширеним є процес із 20% - перерегулюванням, тому що він забезпечує невеликий динамічний викид, достатньо малу тривалість процесу та всього 2 півперіоди коливання.