Автоматизация проволочного стана 150

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное  образовательное  учреждение высшего  профессионального  образования

НАЦИОНАЛЬНЫЙ  ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ  ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСТИТЕТ «МИСиС»

ИНСТИТУТ ЭКОТЕХНОЛОГИЙ  И ИНЖИНИРИНГА

КАФЕДРА ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЯ ТРУБНОГО ПРОИЗВОДСТВА 
 
 
 
 
 
 
 
 

ДОМАШНЕЕ  ЗАДАНИЕ

на тему: Автоматизация проволочного стана 150 
 
 
 
 
 
 

Студентка                                                                                        

Преподаватель                                                                             
 
 
 
 
 
 
 

Москва 2011 
 

Содержание 

    1 Описание  объекта управления. Постановка  задачи автоматизации

    2 Постановка задачи для систем автоматизации прокатных станов

    3 Датчики  петли

    4 Список использованных источников 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    1 Описание объекта управления. Постановка  задачи автоматизации

     Проволочный стан 150 предназначен для прокатки катанки и проката круглого сечения O4,5-22 мм с точностью ±0,05 мм из углеродистых и высоколегированных (в том числе труднодеформируемых) марок сталей и сплавов. На стане могут быть реализованы режимы контролируемой, нормализующей прокатки и термомеханической обработки. Температура конца прокатки может регулироваться в пределах 750-1 050 °С.

      Стан снабжен линиями для регулируемого двухстадийного охлаждения проката, механизированной линией уборки и пакетировки готовой продукции, оснащен автоматизированными системами управления прокатки и слежения за раскатом, а также локальными системами автоматического регулирования и управления технологическими агрегатами и механизмами. Максимальная скорость прокатки – 120 м/с, расчетная рабочая – от 23 до 110 м/с в зависимости от прокатываемого профиля.

      Непрерывный проволочный стан состоит из 13 горизонтальных клетей дуо, 4-х горизонтальных и 4-х вертикальных клетей дуо консольного типа, 2-х десятиклетьевых проволочных и 2-х двухклетьевых блоков низкотемпературной прокатки. Клети установлены последовательно в пять групп: черновую, 1 промежуточную, 2 промежуточную, чистовую с общим приводом (чистовой блок) и дополнительные две клети с общим приводом для осуществления низкотемпературной контролируемой прокатки. Прокатка ведется в две нитки в черновой и 1 промежуточной группах клетей и в одну нитку – в клетях 2 промежуточной группы, проволочного и низкотемпературного блоков. Схема расположения основного технологического оборудования стана показана на рисунке 1. 

     Рисунок 1 - Схема расположения технологического оборудования непрерывного проволочного стана 150 ММЗ

     1-загрузочые устройства, 2-загрузочный рольганг, 3-рольганговые весы, 4-печь для нагрева заготовок, 5-сталкиватель, 6-приемный рольганг с решеткой для заготовок, 7-родводящий рольганг, 8-усройство для гидросбива окалины, 9-трайбаппарат, 10-промежуточные разрывные ножницы, 11-стрелка, 12-черновая группа, 13-клети дуо 560, 14-клети дуо 500, 15-кривошипно-рычажные ножницы, 16-1-я промежуточная группа, клети дуо 360, 17-скрапные ножницы, 18-2-я промежуточная группа, 19-консольные клети дуо 280, 20-вертикальный петлерегулятор, 21-подводящая проводка с устройством для охлаждения раската, 22-трехручьевые универсальные ножницы, 23-горизонтальный петлерегулятор, 24-обрывные ножницы, 25-10-кл. чистовой блок 170/150, 26-линия водяного охлаждения проката, 27-трайбаппарат №1, 28-2-кл. низкотемпературный блок 190, 29-трайбаппарат, 30-виткоукладчик, 31-роликовый транспортер, 31-вентиляторная система охлаждения раската, 33-рольганг уборки витков, 34-устройство для сбора витков в моток, 35-загрузочная тележка, 36-крюковый конвейер, 37-инспекционный участок, 38-устройство для подпрессовки и увязки мотков, 39-весы, 40-разгрузочная тележка, 41-устройство для накопления и пакетирования мотков, 42-склад готовой продукции. Рабочая клеть дуо с горизонтальным расположением валков типоразмера 500*550 мм (клеть 9). Привод – от регулируемого двигателя постоянного тока через шестеренно-цилиндрический редуктор, универсальные шпиндели и муфты. Диаметр бочки валка – 590 мм; Длина бочки валка – 550 мм.

     Целью автоматизации является контроль провиса петли и регулирование скорости вращения валков. 
 
 
 
 
 
 
 

     2 Постановка задачи для систем автоматизации прокатных станов

     К прокатке металла мелкого сортамента в последнее время предъявляются  повышенные требования к точности размеров проката . Это обьясняется требованием к конкурентноспособности продукции на внутреннем и мировом рынках. Исследованиями установлено, что наибольшее влияние оказывает натяжение металла в петлевом промежутке. Таким образом, ставятся повышенные требования к скоростному режиму прокатки.

     Наиболее  эффективно задача решается использованием прокатки с малым натяжением или  без натяжения.

     Прокатка  без натяжения вызывает проблему регулирования петель в межклетевых  промежутках.

    Основные  методы регулирования приведены  на рис.1.1 и 1.2 

Рисунок 1.1 - Регулирование петель в одно- и многониточных станах

Рисунок 1.2 - Один из возможных вариантов регулирования  петель в многониточных прокатных  станах

     При прокатке металла в некоторые  периоды естественного процесса изменения скоростей вращения двигателей относительная скорость вращения валков последующей клети может оказаться меньше скорости вращения последующих валков. вследствие этого возникает вероятность образования избытка свободного металла, то есть петли. Во всех случаях птля при прокатке не должна превосходить некоторой наибольшей величины, которую назовем предельно допустимой.

     По  эксплутационным соображениям петлю  желательно иметь достаточно малой, в частности и потому, что тогда  она более устойчива и уменьшаются  возможные удары хвостовой части металла, которые могут повлечь провреждения.

     При индивидуальном приводе валков предоставляется  возможность более гибкой и точной регулировкисоотношения скоростей  вращения валков смежных клетей, благодаря  чему облегчается возможность получения  более ограниченных размеров петли. Однако даже небольшое рассогласование скоростей вращения валков приводит к быстрому нарастанию петли и к значительному увеличению стрелы ее провиса или выгиба.

     При прокатке профилей с большой гибкостью (например плоского и круглого сечений), увеличение петли не приводит к появлению сколько-нибудь значительных сил сжатия свободного металла. В этом случае величина предельной петли определяется исходя из выбора практически рациональных размеров петледержателей или других приспособлений, служащих для накапивания петли. при этом необходимо принимать во внимание, что большая петля имеет собственную массу, которая может вызывать некоторое натяжение.

     Система регулирования петли является частью системы регулирования скоростного режима прокатки.

     Системы регулирования главных электроприводов  непрерывных и полунепрерывных  станов горячей прокатки различаются по двум признакам:

а) по способу  электрического воздействия на прокатный  двигатель;

б) по характеру  величин, подлежащих регулированию.

     Системы регулирования по способу электрического воздействия на прокатные электродвигатели можно свести к двум группам схем:

а) схемы с  регулированием напряжения источников питания;

б) схемы с  регулированием силы тока возбуждения прокатных двигателей;

в) схемы совместного  регулирования напряжения источника  питания и силы тока возбуждения прокатных двигателей.

     К первой группе относятся:

- системы поддержания  постоянства напряжения на шинах  параллельно включенных источников питания двигателей;

- устройства регулирования по схеме генератор-двигатель;

- системы с регулируемыми выпрямителями.

     Ко  второй группе принадлежат:

- системы с  непосредственным возбуждением  двигателей от регулируемых возбудителей;

- системы с  применением вспомагательных возбудителей в цепи возбуждения двигателей;

     По  характеру величин, подлежащих регулированию:

- системы автоматического  регулирования скорости валков  САРС;

- системы автоматического  регулирования величины петли  САРП;

- системы комбинированного  автоматического регулирования скорости вращения валков и величины петли САРСП;

- системы автоматического  регулирования размеров прокатываемого  металла;  

- системы полной  автоматизации. 

     Далее будем рассматривать только контур САРСП - комбинированной системы  автоматического регулирования скорости вращения валков и величины петли.

      Рисунок 1.3 - Блок-схема системы регулирования  скорости и петли (САРСП)

      Принцип действия системы в общем случае выглядит следующим образом: определенная величина угловой скорости w двигателя 2 задается либо величиной эталонного напряжения Uэ, либо уставкой выходного напряжения Uдс датчика скорости 3. Напряжения Uдс и Uэ сопоставляются в суммирующем блоке 4 и их разность Uу усиливается с помощью электронного усилителя мощности 7. Выходной ток Iр усилителя 7 подается в устройство управления 8. Последнее изменяет фазу включения a управляемого выпрямителя (таким образом, что приращение выпрямленного напряжения Uв, а следовательно и угловой скорости w двигателя 2 приводит к уменьшению величины разности Uу напряжений датчика скорости и эталонного.

      Размер  петли определяется напряжением Uдп, поступающим с датчика величины петли 6, изменяющего длину l петли  металла 5. Это напряжение в блоке 4 сравнивается с эталонным напряжением Uэ, которым задается необходимый размер петли. Разность этих напряжений Uу поступает на усилитель 7 и после усиления воздействует на устройство управления выпрямителем 8, заставляя выпрямитель 1 изменить выпрямленное напряжение Uв, а следовательно и угловую скорость w двигателя 2 в нужную сторону и на нужную величину. При этом абсолютная величина разности напряжений эталонного Uэ и датчика петли Uдп уменьшается.

      В системе регулирования скоростным режимом прокатки проволочного прокатного стана 150 выделим контур регулирования скорости и петли. Таким образом обобщенная схема (рисунок 1.3) примет вид (рисунок 1.4). 

Рисунок 1.4 - Структурная  схема контура автоматического  регулирования скорости и петли (САРСП).

На структурной  схеме (рисунок 1.4) приняты следующие  обозначения:

В - выпрямитель (тиристорный преобразователь);

Д - двигатель;

ДС - датчик скорости;

СН - сумматор напряжения;

ЭР - электронный  регулятор;

УУ - устройство управления выпрямителем;

П - петля;

ИП - измеритель петли;

ДП - датчик петли.

      Электронный регулятор ЭР и устройство управления выпрямителем УУ при этом можно объеденить в устройство управления выпрямителем. 

     Датчики петли 

     Для фиксации положения петли используются контактные, емкостные, индуктивные  и фотоэлектрические датчики (оптические с механической разверткой и без развертки).

     Практика  применения различных конструкций  датчиков провиса петли показала, что для этой цели наиболее подходят емкостные и фотоэлектрические  датчики.

     Наиболее  технологичными являются датчики, вмонтированные в петлевые столы, из них наиболее стабильно работают емкостные датчики петли. Большое влияние на них оказывает загрязнение окружающей среды. Существующие емкостные датчики мостового типа с двумя пластинами частично компенсируют загрязнение окружающей среды, однако не позволяет эффективно поддерживать величину петли заданных размеров. Точность поддержания в лучшем случае оказывается на уровне 10%.

     Фотоэлектрические датчики позволяют наиболее точно  поддерживать размеры петли в  заданных пределах, однако также подвержены влиянию загрязнения окружающей среды. Датчики этого типа также требуют точной установки поля зрения.

     С учетом приведенного выше предлагается устройство контроля провиса петли  проката мелкосортного стана (см. рис. 1),

где:

Д.Стр. - датчик строба;

Изм.Д. - измерительный датчик;

ТЭО - термоэлектрический охладитель;

У1, У2, У3 - усилители сигналов;

Т.Д. - температурный  датчик;

УПС1, УПС2, УПС3, УПС4 - устройства преобразования сигналов;

МП - микропроцессор;

ЦАП - цифроаналоговый  преобразователь;

УПТ - усилитель  постоянного тока;

Инд. - индикатор. 

Рисунок 1.5 - Структурная схема устройства

     Устройство  работает следующим образом. На измерительный  датчик периодически попадает инфракрасное излучение от разогретого проката  через оптическую систему, в состав которой входит вращающееся зеркало. Сигнал с измерительного датчика усиливается и поступает через устройство преобразования сигнала на микропроцессор. Для понижения уровня шумов измерительного датчика используется термоэлектрический охладитель.

     Для контроля температурного режима используется бинарный датчик температуры, реагирующий на превышение максимально допустимой температуры. Так как данное устройство работает в составе системы управления скоростным режимом прокатки, то цифровая величина провиса петли посредством цифроаналогового преобразователя и усилителя постоянного тока преобразуется в унифицированный сигнал, необходимый для работы следующего блока системы.

     В процессе работы микропроцессор циклически диагностирует свое состояние. Соответствующие бинарные сигналы выдаются в систему управления, а также дублируются на индикаторе. 

Емкостные датчики 

     Принцип действия емкостной измерительной  системы основан – на том, что  с измерением размера контролируемой детали изменяется емкость конденсатора датчика. Измеряя тем или иным путем эту емкость, можно судить о размере изделия.

     Емкостный метод контроля может быть как  контактным, так и бесконтактным. При бесконтактном методе одной  из пластин конденсатора служит само контролируемое изделие; при контактном методе емкостный датчик представляет собой плоский или цилиндрический конденсатор, одна из пластин которого связана с измерительным стержнем. Бесконтактный метод находит ограниченное применение. 

     Емкостные датчики работают только с преобразующими электросхемами. Применяются в основном два типа схем: преобразующая схема, работающая как прецизионный измеритель емкости по методу моста, в одно из плеч которого включен датчик, и схема с включением емкостного датчика в контур задающего генератора. В первом типе схем при изменении емкости датчика в диагонали моста возникает напряжение разбаланса, которое может быть использовано непосредственно для отсчета или как напряжение, приводящее в действие сервосистему, осушествляющую нулевой баланс моста. Во втором типе схем при изменении емкости меняется частота генератора. По величине изменения частоты можно судить о размере изделия. Эта схема значительно чувствительнее мостовой, но более подвержена всевозможным влияниям извне.

Рис. 1.6. Емкостные датчики: а- схема включения; г- датчик с поворотными пластинами; д- датчики с пластинами в виде выдвижных цилиндров.

     Емкостные датчики имеют ряд преимуществ  перед другими датчиками; линейное изменение параметра (емкости) в  довольно широких пределах рабочего хода, обеспечивающее при этом очень высокую точность измерения (до долей микрона); измерительное усилие датчика может быть столь незначительным (несколько грамм), что датчик может конкурировать с бесконтактными методами измерения; при включении в соответствующую схему емкости датчика могут быть использованы для дифференциальных измерений.

     На  рис.1.6,а приведена типовая схема включения емкостного датчика. На неподвижные электроды датчика подается переменное напряжение с частотой 50 гц от трансформатора Тр с заземленной средней точкой. При смещении подвижного электрода В относительно нейтрального положения на сетке лампы появляется напряжение, которое после усиления подается к электродвигателю Д.

     При работе электродвигателя щетка реохорда Р перемещается до тех пор, пока напряжение на катоде лампы не станет равным напряжению на сетке. На одной оси с реохордом находится шкала, проградуированная в единицах измеряемой величины. На диске шкалы смонтирован упор. При предельных размерах детали он воздействует на концевые выключатели; при этом подается импульс на исполнительное реле.Такого рода емкостный датчик является дифференциальным, так как в нем имеется одна подвижная В и две неподвижные А и С пластины, что увеличивает чувствительность датчика.

     Технические характеристики емкостного датчика CSN EC50S8-31P-25-LZS4-H 

       Способ установки   невстраиваемый

       Тип выхода датчика   нормально разомкнутый

       Структура выхода   PNP

       Номинальное напряжение питания   24 В

       Диапазон напряжения питания  постоянного тока   10…30 В

       Уровень пульсации питающего напряжения   ≤ 15%

       Максимальный рабочий ток  

       - при температуре ≤ 75о C   250 мА

       - при температуре более 75о  С   150 мА

       Падение напряжения при максимальном  рабочем токе   ≤ 2,5 В

       Регулировка уровня срабатывания   есть

       Диапазон регулировки уровня срабатывания  

       Заводская настройка уровня срабатывания   HR = 0 мм

       Задержка срабатывания   1±0,2 с

       Защита от переплюсовки напряжения  питания и превышения тока  нагрузки   есть

       Индикация срабатывания   есть

       Индикация напряжения питания   есть

       Степень защиты по ГОСТ 14254-96  

       - cо стороны чувствительной поверхности   IP68

       - остальное    P65

       Материал корпуса    Сталь 12Х18H10T

       Материал чувствительной поверхности   фторопласт-4

       Диапазон рабочих температур   Минус 15о С … плюс 105о С 

Фотоэлектрические датчики 

     Фотоэлектрические датчики размера с промежуточным  преобразованием осуществляют непосредственное преобразование изменения размера  изделия в изменение лучистой энергии светового потока с помощью  оптической системы; затем лучистая энергия света преобразовывается фотоэлементами в электрический сигнал.

     Оптические  системы фотоэлектрических датчиков размера основаны на свойстве изделия  отражать световой поток или диафрагмировать  его. Оптические схемы с отражением светового потока строятся на отражении светового луча непосредственно контролируемым изделием или специальным отражательным зеркалом.

Рис. 81.7. схемы фотоэлектрических методов измерения.

     Непосредственное  отражение светового потока от поверхности  детали (рис.1.7,а) используется, например, в автомате для контроля чистоты поверхности шариков. Световой поток Ф0 падает на поверхность шарика и, отражаясь от нее, направляется на фотоэлемент ФЭ. Отраженный световой ноток Ф1 преобразуется фотоэлементом в пропорциональный ему ток.

     Оптические  системы с диафрагмированием  светового потока строятся на принципе преграждения пути следования светового  луча контуром контролируемого изделия. Такие схемы можно построить  как для контроля наружных размеров деталей (рис.1.7,б), так и для контроля размеров отверстий (рис.1.7,в). Подобная схема применена в автомате для контроля поршневых колец (рис.1.7,г). Кольцо 2 закладывается в калибр обоймы 1 и плотно прижимается. к ней с одной стороны. С противоположной стороны расположен источник света 3, посылавший световой поток через зазор между кольцом и обоймой на фотоэлемент 4. Во время контроля обойма с кольцом вращается от привода.

     При контроле отверстия методом непосредственного  пропускания светового луча контролируется, строго говоря, не диаметр отверстия, а его контур. В оптических схемах диафрагмирования световой поток за изделием изменяется не только за счет изменения контролируемого размера, но и за счет рассеивания света. При этом степень рассеивания будет зависеть от качества поверхности и габаритных размеров изделий, которые не контролируются. Так, например, при контроле отверстия колебание толщины изделия (длины отверстия) будет искажать результаты контроля размера отверстия.

     Оптическая  схема с отражением светового  потока для измерения размера детали, например диаметра цилиндра или шарика, требует наличия отражающего зеркала, положение которого определяется размером контролируемой детали (рис. 1.7, д). В этом случае отраженный поток Ф1 практически не изменяет своей величины, но изменяет свое направление и возбуждает один из нескольких фотоэлементов. Это приводит к релейной харакеристике датчика.

     В последнее время начинают применять  датчики на полупроводниковых сопротивлениях. Чувствительность ряда новых фото- сопротивлений превышает в тысячи раз чувствительность обычных вакуумных и газонаполненных фотоэлементов. Применяя фотосопротивления, можно получать сигналы, по мощности достаточные для срабатывания высокоомного телефонного реле. Схема такого датчика приведена на рис.1.7,е.

     Свет  от лампы 5 через конденсор 4, диафрагму 3 и объектив 6 падает на поворотное зеркало 8 и, отразившись от него, а затем от неподвижных зеркал 2 и 7, попадает на блок фотосопротивлений 1. Зеркало 8 закреплено на рычаге держателя 9, который опирается на длинное плечо рычага 10; последний может вращаться относительно оси 11. Рычаг 10 через шарик опирается на измерительный стержень 12. Когда выполняется измерение, стержень 12 через рычаг 10 воздействует на зеркало 8, и в зависимости от измеряемого размера луч света попадает на то или иное фотосопротивление, резко уменьшая при этом его омическое сопротивление. Ток, протекающий через фотосопротивление, возрастает и достигает значения, обеспечивающего срабатывание высокоомного телефонного реле, включенного последовательно с сопротивлением.

     В датчиках, выпускаемых Ленинградским  инструментальным заводом, принята  ширина фотосопротивлений 3 мм; такое  же смещение светового пятна соответствует  изменению размера на 1 мк. Так  как измерительные реле срабатывают  при засвечивании половины сопротивления, то порог чувствительности датчика составляет 0,5 мк. Погрешность датчика также не превышает 0,5 мк. Сопротивления собраны в блоке уступом, что обеспечивает хорошую электрическую изоляцию. Световое пятно имеет также ширину 3 мм, поэтому оно может осветить только одно фотосопротивление. Всего в датчике 59 фотосопротивлений, что позволяет производить сортировку деталей на 59 групп через 1 мк. Можно также объединять фотосопротивления любыми группами.

     На  Ленинградском инструментальном заводе на базе пружинного прибора – оптикатора – разработаны и применяются электромеханические датчики с фотосопротивлениями. Как показывает опыт, эти датчики обеспечивают высокую точность контроля и необходимое быстродействие. Датчики изготовляются в двух модификациях: двухкомандные – для разбраковки на размерные группы.

     В зависимости от размера детали луч  света попадает на то или иное сопротивление, резко уменьшая его омическое  сопротивление. Ток, протекающий через  фотосопротивление и составляющий 0,1 ма, возрастает и достигает значения, обеспечивающего срабатывание высокоомного телефонного реле типа РНК, включенного последовательно с фотосопротивлениями. Таким образом, подается команда для сортировки деталей в соответствии с результатами их измерения. Номинальный интервал сортировки от 0,5 до 5 мк.

     Основные  технические характеристики фотодачиков  серии Autonics BUP