Автоматизация ДСП - 180

Содержание

Введение 4

1. Дуговая электросталеплавильная печь как объект автоматического контроля и регулирования 5

2 . Анализ применяемой системы управления 11

3. Описание функциональной схемы автоматического контроля, регулирования и сигнализации дуговой сталеплавильной печи 12

4. Математическое моделирование объекта управления 14

4.1. Статическая характеристика объекта управления 14

4.2. Описание структурной схемы контура регулирования 18

5. Расчет параметров настройки регулятора и получение переходных процессов 19

5.1. Расчет параметров настройки регулятора 19

5.2. Переходные процессы при различных К_р и Т_и 20

5.3. Ручной расчет нескольких точек переходного процесса 27

Заключение 30

Список используемых источников 31

Введение

На сегодняшний день создание современных  высокопроизводительных агрегатов  и процессов невозможно без автоматизации. Особую роль автоматизация играет в  черной металлургии, характеризующейся  большой единичной мощностью  агрегатов, высокой степенью интенсификации производства и повышенными требованиями к качеству продукции, существенно  возрастающими по мере совершенствования  производства во всех отраслях промышленности, потребляющих металлопродукцию. Автоматизированные системы управления призваны также  сыграть главную роль в резком увеличении производительности и увеличении условий труда металлургов, существенном повышении качества металлопродукции, создание безотходных и экологически безопасных производств в черной металлургии.

В последние годы существенные результаты были получены в области автоматизации  процессов плавки – разработаны  системы управления дуговых сталеплавильных  печей.

Основная задача автоматизации  дуговой сталеплавильной печи –  получить сталь заданного химического  состава и требуемой температуры, а также максимальную производительность печи

1 Дуговая электросталеплавильная  печь как объект автоматического  контроля и регулирования

Дуговая электросталеплавильная печь является мощным трехфазным агрегатом  с соответствующим силовым электрическим  оборудованием. Высокотемпературные  дуги обеспечивают расплавление шихты  и нагрев ванны до нужной температуры. Каждая плавка может быть подразделена на три основных периода:

1. расплавление загруженной в печь твердой шихты;
2. окисление (кипение) жидкой ванны;
3. раскисление ванны (восстановительный период).

Периоды плавки обуславливаются особенностями  протекания физико-химических процессов  и определяют различия задач системы  автоматического контроля.

Управляющими  воздействиями на процесс плавки в дуговой печи являются:

1. электрическая мощность;
2. напряжение питающего тока (длина дуги);
3. состав шихты, количество и состав присадок;
4. расход кислорода на продувку металла;
5. электромагнитное перемешивание ванны;
6. расход воды на панели.

Возмущающие воздействия, прежде всего можно  подразделить на две группы: а) возмущения электрического режима и б) возмущения технологического и теплотехнического  режима.

Возмущения  электрического режима возникают из-за обвалов шихты в период плавления, кипения металла в периоды  с жидкой ванной, обгорания электродов, подъема уровня металла по мере плавления, колебаний сопротивления дугового промежутка, вызванных изменениями  температурных условий в зоне дугового разряда. Возмущения технологического и теплотехнического характера  связаны с нестабильностью состава  шихты, нестационарностью протекания физико-химических реакций в ванне, введением присадок, износом кладки, выбиваниями и подсосом газов  в печь.

К основным задачам автоматизированного  управления процессом плавки в ДСП  можно отнести следующие:

1. Централизованный контроль за ходом технологического процесса с сигнализацией и регистрацией отклонений от заданных параметров.
2. Управление металлургическим процессом:

• расчет оптимального состава шихты, исходя из планируемых заданий и наличия исходных сырьевых материалов;

• управление загрузкой печи в соответствии с рассчитанным составом шихты;
• расчет кислорода, легирующих и шлакообразующих, обеспечивающих получение металла заданного состава и качества и экономию материалов;
• прогнозирование момента окончания технологических периодов с обеспечением заданных значений температуры и химического состава металла.

3. Управление энергетическим режимом, обеспечивающее:

• введение электроэнергии с учетом теплового состояния печи и тепловой энергии, вводимой в печь другими источниками;
• максимальное использование мощности печи;
• минимальные удельные расходы энергоносителей;
• нормальную эксплуатацию электрического и другого печного оборудования.

4. Управление вспомогательными операциями (отбором проб, замером температуры металла и др.).

5. Сбор и обработку информации с выдачей необходимой документации, в том числе учет и регистрацию расходов шихтовых материалов, электроэнергии, кислорода и других энергоносителей, распечатка протоколов плавки.
6. Контроль за работой оборудования с сигнализацией и регистрацией неисправностей и непредвиденных остановок.

Предусматриваемый на ДСП объем  средств автоматического контроля и управления должен обеспечивать поддержание  с требуемой точностью заданных технологией режимов и параметров процесса электроплавки, а также  безопасность эксплуатации агрегата.

Рациональный объем автоматизации  новых и реконструируемых печей  определяется с учетом технологически требований к управлению процессом  выплавки различных марок сталей, развития электросталеплавильного  производства в направлении повышения  удельной мощности трансформаторов, использования  данных о передовом зарубежном опыте  и научных разработок в области  автоматизации процесса электроплавки.

ДСП необходимо оснащать современными быстродействующими регуляторами мощности, обеспечивающими высокие технико-экономические  показатели и имеющими высокую надежность. Автоматический регулятор должен поддерживать заданное соотношение между силой  тока и напряжением дуги в данной фазе печи при наименьших дисперсиях, обеспечить скорость перемещения электрода  не менее 5-6 м/мин. Системы управления весовым дозированием компонентов  металлошихты и дозированием ферросплавов и шлакообразующих материалов должны обеспечить подачу металлошихты в бадью и ферросплавов для загрузки в печь с погрешностью не долее 0.3%.

Система управления электрической  мощностью должна обеспечить программное  изменение мощности и ступени  напряжения трансформатора в соответствии с заданным электрическим режимом  плавки, поддержание заданной мощности трех фаз с погрешностью не более 2.0% и заданного температурного графика  металла по ходу плавки с отклонениями, не превышающими 15 °С. Система управления химическим составом металла должна обеспечить получение заданного состава стали в соответствии с требованиями ГОСТ или ТУ.

Группа печей емкостью 50-200 т  должна оснащаться АСУ ТП плавки с  использованием УВМ (рисунок 1.1).

АСУ ТП выплавки стали в ДСП выполняет  следующие функции:

1. расчет шихты, кислорода, легирующих и шлакообразующих материалов;
2. расчет параметров электрического режима;
3. выдачу и коррекцию заданий локальным системам управления;
4. регистрацию и сигнализацию отклонения текущих параметров от заданных значений, регистрацию неисправностей оборудования и нарушений технологического режима;
5. централизованный контроль основных технико-экономических показателей работы печи;
6. выдачу информации на печь;
7. выдачу оперативной технологической информации оператору.

Автоматизация дуговых сталеплавильных  печей в рациональном объеме должна обеспечить:

1. увеличение производительности электропечей на 3-5%, сокращение расхода электроэнергии на 2-4%, повышение стойкости футеровки на 5-8% за счет оптимизации энергетического режима плавки и повышения точности поддержания заданного режима;
2. снижение затрат на металлошихту, легирующие и шлакообразующие материалы на 1-2% за счет рационального их использования;
3. снижение себестоимости выплавляемого металла не менее, чем на 1.5%.

Рис. 1 -  Рациональный объем автоматизации ДСП.

1 — устройство для измерения расхода активной энергии; 2 — устройство для измерения среднеквадратичных токов; 3 — устройства для измерения расхода, температуры и состава отходящих газов; 4 — устройство для измерения положения кислородной фурмы; 5 — устройство для определения состава стали и шлака; 6 — устройство дли измерения расхода газа и кислорода на горелки; 7 — устройство для измерения температуры футеровки; 8 — устройство для измерения температуры металла в ванне печи; 9 — устройства для измерения расхода, давления и температуры воды; 10 - устройство для измерения положения электродов; 11 — устройство для измерения расхода реактивной энергии; 12 — устройство для измерения коэффициента мощности; 13 — устройства для измерения активной и реактивной мощности; 14 — устройства для измерения расхода, давления и количества кислорода; 15 — устройство для взвешивания ферросплавов; 16 — устройство для измерения перепада температур воды на входе и выходе охлаждаемых элементов; 17 — устройство для измерения давления и расхода газа; 18 — устройство для взвешивания металлизованных окатышей; 19 — весы для взвешивания скрапа; 20 — устройство для взвешивания шлакообразующих и заправочных материалов; 21 — устройство для взвешивания жидкого металла в ковше; 22 — система автоматического управления (САУ) электрическим режимом; 23 — регулятор мощности; 24 — САУ весовым дозированием металлизованных окатышей; 25 — САУ весовым дозированном ферросплавов и шлакообразующих; 26 — САУ продувкой ванны кислородом; 27 — система регулирования давления газов под сводом печи; 28 — САУ весовым дотированием компонентов металлошихты; 29 — САУ химическим составом металла и шлака; 30 — система измерения времени плавки и технологических интервалов; 31 — система сбора и обработки информации; 32 — УВМ.

В последние годы производство электростали характеризуется увеличением емкости  печей, повышением мощности печных трансформаторов, совершенствованием технологии и методов  управления рабочим процессом, причем для управления процессом электроплавки  все шире применяют автоматизированные системы управления технологическим  процессом (АСУ ТП) с применением  электронно-вычислительных машин (ЭВМ). Эти системы выполняют следующие  функции:

1. расчет оптимального состава шихты, исходя из планируемых заданий и наличия исходных сырьевых материалов;
2. расчет количества электроэнергии, кислорода, воды, легирующих и шлакообразующих материалов;
3. выбор оптимального режима процесса плавки и выдача управляющих сигналов в локальные системы автоматического управления;
4. контроль запасов лома, легирующих отходов, ферросплавов и других материалов;
5. выдача оперативной технологической информации оператору печи и на печать;
6. контроль за работой оборудования, сигнализацию и регистрацию неисправностей;
7. автоматизированный централизованный контроль основных технико-экономических показателей работы печи.

В состав АСУ ТП выплавки стали  в ДСП входят локальные системы  управления электрической мощностью, продувкой ванны кислородом, давлением  под сводом печи, дозированием шихты  и легирующих материалов, присаживаемых  в печь. АСУ ТП снабжена устройствами контроля массы металлошихты, ферросплавов, жидкого металла; электрических  и теплотехнических параметров (мощности, расхода электроэнергии, тока и напряжения печи, расхода и давления кислорода  и др.); физико-химических параметров процесса плавки; температуры металла  и футеровки печи и контроля состояния  и работы оборудования.

Информация о виде и массе  шихты поступает в ЭВМ УВК  и хранится в памяти машины, которая  рассчитывает основные компоненты шихты. Задание на загрузку корзины металлошихтой  по видам и массе вводится в  САУ взвешиванием металлической  шихты мастером с пульта или от УВК. После окончания загрузки всех компонентов шихты в корзину  ЭВМ УВК сообщает мастеру печи о готовности корзины с шихтой. Затем тележка подается в печное отделение для выгрузки в печь.

В ЭВМ УВК хранится программа  всех марок сталей, выплавляемых в  ЭСПЦ. Перед началом плавки ЭВМ  находит в базе данных выбранную  марку стали и выдает общую  программу её выплавки.

ЭВМ рассчитывает количество электроэнергии, необходимой для расплавления шихты, с учетом экзотермических реакций  при вдувании в печь кислорода  и тепловых и электрических потерь печи, рассчитывает и выдает в САУ  электрическим режимом оптимальные  параметры энергетического режима.

Начинается плавление металлической  шихты. Система измерения положения  электродов определяет моменты начала технологических интервалов периода  плавления шихты и передает эту  информацию в ЭВМ, которая через  САУ электрического режима ЭР изменяет ступень печного трансформатора Т устанавливает оптимальную величину тока дуги.

Если температура футеровки  достигает значения, влияющего на её износ, то САУ ЭР переключает печной трансформатор на ближайшую низшую ступень напряжения. Перед началом  продувки ЭВМ УВК выдает задание  в САУ продувкой кислорода  – режим продувки. САУ осуществляет перемещение кислородной фурмы, устанавливает её в заданную позицию, производит управление подачей кислорода  и при заданном количестве введенного в печь кислорода отключает подачу кислорода и поднимает кислородную  фурму.

Экспресс-лаборатория соединена  с системой передачи результатов  химического анализа. ЭВМ УВК  дает команду на отбор пробы металла. При поступлении в экспресс-лабораторию  проба отрабатывается и устанавливается  в квантометр и в течение 40-60 с  анализируется в соответствии с  заданной программой. По результатам  этого анализа ЭВМ вычисляет, какие материалы (легирующие, шлакообразующие  и раскислители) и в каком количестве необходимо ввести в печь. При этом ЭВМ учитывает количество и стоимость  материалов, хранящихся в бункерах, вычисляет оптимальный по себестоимости  вариант наборов материалов.

САУ дозированием сыпучих и ферросплавов посылает команду на включение вибропитателей под соответствующими расходными бункерами, из которых должны отбираться требуемые  материалы. После набора полной дозы материала питатель отключается. Заданная и фактическая массы каждого  из дозируемых материалов инициируются на цифровых табло, установленных на пульте управления. При выгрузке материалов их масса регистрируется и передается в ЭВМ.

Для сталей каждой марки в базе данных ЭВМ хранится оптимальный  закон изменения температуры  металла. УВК в наперед заданные интервалы плавки периодически информирует  сталевара о необходимости произвести замер температуры металла. Измеренные величины температур передаются в ЭВМ  УВК, которая, сопоставив фактические  и заданные температуры металла, определяет их разность и вычисляет  требуемое количество электроэнергии. САУ ЭР устанавливает новый электрический  режим с учетом того, что следующий  замер температуры должен соответствовать  заданной температуре металла.

Непрерывно получая информацию о текущих значениях мощности тепловых потерь, напряжения сети, температуры  подины и футеровки и других показателях, ЭВМ УВК вычисляет электрический  и тепловой режимы, отвечающие условиям минимальных удельных расходов электроэнергии, длительности плавления или себестоимости 1т стали.

2 Анализ применяемой системы управления

Представленная система автоматизации  предназначена для больших электродуговых печей с заменой воды на жидкометаллический теплоноситель. Система работает с различными аналоговыми и цифровыми вычислительными устройствами совместно с электронной, электрогидравлической и пневматической аппаратурой регулирования.

В опытных системах комплексного управления представленную выше систему автоматической стабилизации параметров теплового режима стремятся дополнить контурами автоматической коррекции заданий регуляторам стабилизации по некоторым технологическим показателям плавки, ее теплотехническим показателям и ограничивающим факторам с целью возможно более оптимального ведения всего процесса плавки или отдельных ее периодов. При этом велики трудности, вызванные недостатком объективной информации о процессе, о связях производительности и экономичности работы печи с параметрами процесса, и прежде всего такими как теплоусвоение ванны и скорость выгорания углерода.

Использование вычислительных устройств  позволяет несколько компенсировать недостаток информации о процессе, вызванный невозможностью прямого измерения ряда параметров, а также косвенной их оценкой в результате вычислений по ряду других непосредственно измеряемых величин.

В данной системе предусматривают  автоматическое регулирование тепловой нагрузки печи (расхода теплоносителя). Для управления тепловой нагрузкой предусмотрены индивидуальные регуляторы расхода теплоносителя (жидкометаллического, например сплав С - 13). Необходимую тепловую нагрузку устанавливают изменяя расход теплоносителя. Регулирование расхода необходимо для того, чтобы на выходе из печи получить температуру заданного значения (например, 540°С) и дальнейшего применения теплоносителя заданной температуры для выработки перегретого пара и электроэнергии. Также регулирование расхода позволит предотвратить прогар футеровки печи, что может привести  к серьезной аварии. 

Задание регулятору тепловой нагрузки в этой системе автоматически  корректируется в зависимости от изменений температуры свода и панелей, а также ограничивают вручную (в случае перегрева шихты или металла).

Заданное значение температуры  свода и панелей , при котором вводится коррекция, может устанавливаться с целью предохранения кладки от перегрева, а также может быть снижено персоналом в зависимости от особенностей технологического режима (задержки завалки или доводки).

Для регулирования процесса изменением подачи теплоносителя используют простейшее вычислительное устройство, определяющее по тепловому потоку печи. С целью максимально использовать тепловыделения в процессе плавки, задание регулятору pacxoдa  теплоносителя автоматически корректируют по результатам непрерывного анализа перепада температур. При предельно возможной подаче теплоносителя по результатам анализа перепада температур ограничивают, в случае необходимости, тепловую нагрузку печи, автоматически снижая задание регулятору расхода теплоносителя.

Дальнейшее развитие опытных систем комплексного управления предусматривает коррекцию заданий регулятором стабилизации теплового режима по объективным показателям хода процесса плавки - теплоусвоению ванны и скорости выгорания углерода. Эти величины вычисляют либо по алгебраическим уравнениям мгновенного обратного теплового баланса и баланса плавки по углероду либо по дифференциальным уравнениям, описывающим процесс изменения этих величин во времени.

3 Описание функциональной  схемы автоматического контроля, регулирования и сигнализации  дуговой сталеплавильной печи

Все подлежащие автоматическому контролю параметры можно разделить на четыре группы:

1. параметры процесса – температура и состав металла;
2. теплотехнические параметры агрегата – расход и давление кислорода и газа на горелку, температура футеровки, температура воды в системе охлаждения оборудования печи и т.п.;
3. электрические параметры агрегата – сила тока и напряжение по фазам печи, нагрузка и напряжение печного трансформатора;
4. положение печи, свода и электродов.

3.1 Контур автоматического  контроля, регулирования и сигнализации  расхода теплоносителя на панели ДСП.

Функциональной схемой автоматизации контура предусматривается измерение, индикация  и регистрация текущего расхода теплоносителя на панели , а так же регулирование этого расхода.

Измерение расхода производится по перепаду температур ТР -100 (позиция 15а) установленной в трубопроводе (диаметр трубопровода составляет 80 мм). Измерительный преобразователь объемного расхода Proline Prowirl – 72 T26 (позиция 17б) преобразует пневматический сигнал (перепад теплоносителя) в электрический сигнал. Далее этот электрический сигнал линеаризуется блоком корнеизвлечения ЭП2715 (позиция 1в). Выходной сигнал этого блока изменяется линейно при изменении расхода теплоносителя. Блок корнеизвлечения содержит также блок питания.

Электрический сигнал с ЭП2715 поступает на регистрирующий прибор Диск-250-1221(позиция 1г). Этот прибор позволяет производить индикацию текущего расхода теплоносителя , а также регистрацию этого расхода(на круговой диаграмме). Далее электрический сигнал поступает на аналоговый вход устройства связи с объектом(УСО) микропроцессорного контроллера Simatic S7-400(позиция РК). На следующий аналоговый вход УСО Simatic S7-400 приходит токовый сигнал с ручного задатчика РЗД-22(позиция 1д). Микропроцессорный контроллер формирует управляющий электрический сигнал в зависимости от программы, написанной для него. В нашем случае сигнал с ручного задатчика сравнивается с текущим расходом теплоносителя, и если существует рассогласование  контроллер по ПИ-закону регулирования формирует импульсный управляющий сигнал. Этот сигнал усиливается бесконтактным пускателем ПБР-2М(позиция 1е) до 220 В. Электрический сигнал с пускателя поступает на исполнительный механизм постоянной скорости МЭО-250/63-0,63(позиция 1ж). Этот исполнительный механизм предназначен для открытия либо закрытия регулирующего органа(поворотной заслонки). Исполнительный механизм имеет встроенный указатель положения его вала БСПТ-10.

 Ось поворотной заслонки, которая служит для изменения расхода теплоносителя сочленена с валом исполнительного механизма. Угол поворота заслонки (90°) задается концевыми выключателями исполнительного механизма.

Переключение контура регулирования  расхода теплоносителя с автоматического режима работы на ручной и обратно, а также дистанционное управление исполнительным механизмом осуществляется блоком ручного управления БРУ-32 (позиция к). Блок ручного управления содержит кнопки «больше», «меньше», для управления положением вала исполнительного механизма. Так же БРУ – 32 содержит указатель положения вала исполнительного механизма. Токовый сигнал положения вала ИМ с БСПТ-10 для дополнительного контроля приходит на БРУ-32, и далее поступает на аналоговый вход УСО Simatic S7-400.

4.Математическое моделирование  объекта управления

4.1. Статическая характеристика объекта управления

Зависимость выходной (регулируемой) величины Y от входной (регулирующее воздействие) X в установившемся режиме называется статической характеристикой объекта. Исходной информацией математического  описания статической характеристики оптимизируемого процесса являются полученные экспериментальные данные об установившихся значениях выходного  параметра процесса при фиксированных  значениях входного параметра.

Функциональная зависимость Y=f(X), определяющая статистическую связь между X и Y, называется теоретической линией регрессии. Статическая  характеристика позволяет оценить  границы управляемости объекта, т. е. интервал или границы, в пределах которого может меняться регулируемый параметр при изменениях X от Xmin  до Xmax.Методом наименьших квадратов называется способ расчета коэффициентов линии регрессии, основанный на соблюдении условия:

где   Yi – экспериментальное значение при X=Xi

         Y(Xi) – ордината линии регрессии при X=Xi

         n – число экспериментальных точек n=1,2,3…

Точки экспериментально полученной характеристики занесены в таблицу 1. Входным воздействием является % хода вала исполнительного  механизма, выходным – расход жидкометаллического теплоносителя на панели.

Таблица 1- Точки экспериментальной  статической характеристики

Для получения линии регрессии  используем многочлен, вида:

 Так как статическая характеристика нелинейная, то для получения уравнения статической характеристики используется многочлен четвёртой степени вида:

 Коэффициенты полинома  определяются  из решения системы уравнений,  полученных с использованием  метода наименьших квадратов:

Для нахождения коэффициентов уравнений  этой системы составим таблицу 2. Получаем следующую систему уравнений:

Решая, эту систему в программном  математическом пакете Matcad находим  коэффициенты линии регрессии:

Таблица 2- Данные для нахождения коэффициентов  уравнений системы