МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ДОНБАССКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ

ПРОЦЕССАМИ  ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА 
 
 
 
 
 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому  проекту по курсу

”Проектирование систем автоматизации”

на тему:

“Автоматизация  нагревательного колодца.

Разработка  АСР соотношения топливо−воздух” 
 
 
 

       Выполнил: ст.гр. АКТ-04з

Шаховец А.П.

Проверил: ст. преподаватель

Ткачев  Р.Ю. 
 
 
 
 
 
 

Алчевск, 2009

РЕФЕРАТ 
 

     Пояснительная записка содержит 38 с., 4 рис., 4 источника, 5 приложений; графическая часть – 4 листа формата А2.

     Объектом  разработки является система автоматического  контроля и управления нагревательного колодца.

     Цель  работы – разработка проектной документации для создания автоматической системы регулирования (АСР) соотношения топливо−воздух нагревательного колодца на базе микропроцессорной техники.

     На  основании анализа объекта автоматизации  выбрана централизованная структура  управления, составлены перечни параметров, подлежащих автоматическому контролю, регулированию и сигнализации. Выбрана структура и технические средства для реализации АСР. Разработана документация для заказа технических средств, монтажа и наладки АСР.  
 
 

     НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ  КОЛОДЕЦ, ОБЪЕКТ АВТОМАТИЗАЦИИ, СТРУКТУРА УПРАВЛЕНИЯ, ПЕРЕЧНИ ПАРАМЕТРОВ, АСР, ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА,  ЗАКАЗНАЯ СПЕЦИФИКАЦИЯ, СХЕМА. 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…..………………………………………….……………..…………………..5

      1 Характеристика объекта автоматизации и выбор структуры управления…………………….………………………………..………………....…....7

     2 Обоснование выбора приборов и средств автоматизации для            реализации АСР температуры томильной зоны методической печи.………..….....14

      3 Разработка функциональной схемы автоматизации………………………..22

      4 Разработка принципиальной схемы АСР……………..……….………..…...24

      5 Разработка документации на щит АСР………………………...……..…...26

      6 Разработка схемы внешних соединений АСР …………………………..…..27

Заключение ………………………………………………………………….......……28

Перечень ссылок ………….....……………………………………………………..….29

Приложение А.  Спецификация на приборы и средства автоматизации 

АСР соотношения топливо-воздух нагревательного колодца...……………………30

Приложение Б. Перечень составных частей щита АСР соотношения топливо-воздух нагревательного колодца ………………………………………………………..……31

Приложение В. Таблица надписей на табло и в рамках щита АСР ….....................33

Приложение Г. Таблицы соединений и подключений щита АСР ………...……….34

Приложение Д. Перечень элементов схемы внешних соединений АСР     соотношения топливо-воздух нагревательного колодца …………………………...38 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 

     Строительство новых промышленных объектов и реконструкцию  действующих предприятий осуществляется в соответствии с проектно-сметной  документацией, которая представляет собой комплекс технических документов, содержащих технико-экономическое обоснование целесообразности сооружения нового или действующего объекта и чертежи для производства всех видов строительно-монтажных и строительных работ.

     Проектирование  объектов можно выполнять в одну стадию (рабочий проект) или в  две стадии (“проект” и “рабочая документация”[1]). 

     На  стадии “проект” разрабатывается  следующая документация: структурная  схема управления и контроля;  структурная схема комплексов средств  вычислительной техника (СВТ); структурная  схема технических средств автоматизации (ТСА); функциональная схема автоматизации (ФСА); планы расположения щитов, пультов; заявочные ведомости на ТСА, СВТ, электроаппаратуру и т.д.; технические требования на разработку нестандартного оборудования; локальная смета на монтажные работы; пояснительная записка; задания ген проектировщику на разработки, связанные с автоматизацией объекта.

     На  стадии “рабочая документация” с  исправлениями переносятся некоторые  документы со стадии “проект” (структурная  схема управления и контроля;  структурная схема комплексов СВТ; структурная схема ТСА; ФСА) и дополнительно разрабатываются следующие:

• принципиальные схемы контроля, регулирования, сигнализации;
• монтажные схемы щитов и пультов (таблицы для монтажа):
• схемы внешних проводок;
• планы расположения ТСА, электрических и трубных проводок;
• нетиповые чертежи установки ТСА;
• общие виды нестандартного оборудования;
• пояснительная записка;
• расчеты регулирующего органа (РО), параметров настройки регулятора;
• заказные спецификации;
• перечень типовых чертежей на установку ТСА.

      В данном курсовом проекте разработана проектная документация для создания АСР температуры в томильной зоне методической печи.

     1 ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ И ВЫБОР СТРУКТУРЫ УПРАВЛЕНИЯ 
 

     Одной из основных отраслей тяжелой промышленности является черная металлургия. Для дальнейшего увеличения выпуска проката необходима более совершенная эксплуатация существующих и строительство новых прокатных станов, а также обеспечение качественного нагрева предназначенных для прокатки слитков.

     Нагревательные колодцы — основной тип нагревательных устройств, устанавливаемых перед обжимными станами (блюмингами и слябингами), на которых обычно прокатывают слитки весом не менее 2—3 т и толщиной 350 — 400 мм и более. Преимущества нагрева крупных слитков в нагревательных колодцах по сравнению с нагревом их в печах других типов следующие:

     1) вследствие вертикального расположения  слитков в нагревательном колодце  устраняется опасность смещения  усадочной раковины при поступлении  в колодец слитков с незастывшей  сердцевиной;

     2) благодаря вертикальному расположению  слитков большая часть их поверхности  омывается продуктами сгорания  топлива и получает тепло путем  излучения от кладки, что обеспечивает  более равномерный и быстрый  нагрев металла, чем в печах  других типов;

     3) загружают и выгружают тяжеловесные слитки в вертикальном положении сравнительно просто (колодцевыми кранами).

     Как известно, тепла, содержащегося в  только что затвердевшем слитке стали  с температурой поверхности примерно не менее 1000°, достаточно для того, чтобы вся масса металла слитка была доведена до температуры прокатки. Поэтому такой слиток достаточно было бы выдержать некоторое время в неотапливаемой, но хорошо теплоизолированной камере для выравнивания температуры по сечению слитка. Затем слиток без дополнительного подогрева можно было бы выдавать на стан для прокатки. График охлаждения и выдержки такого слитка в неотапливаемом колодце показан на рисунке  

Рисунок 1,1 − График охлаждения и выдержки слитка в неотапливаемом колодце. 

     Однако  существующие сталеплавильные агрегаты являются агрегатами периодического действия, а прокатные станы – непрерывно действующими агрегатами.

     В отдельные периоды, например при  совпадении выпуска плавок из нескольких сталеплавильных агрегатов, остановке, стана по какой-либо причине, а также при прокатке трудоемких профилей, в обжимной цех поступает горячих слитков больше, чем их можно прокатать на стане. При задержке в выпуске плавок в обжимные цехи нельзя подать необходимое для обеспечения их производительности количество горячих слитков.

     Поэтому между сталеплавильным и обжимным целями должно быть предусмотрено буферное устройство, компенсирующее неравномерность  поступления и переработки слитков  на стане. Таким буферным устройством  служит теперь отделение нагревательных колодцев.

     Топливом  для нагрева металла в нагревательных колодцах служит смешанный газ. Используют также смесь с природным газом и предварительно подогретый чистый доменный газ. Нагрев  металла  в  обжимном  цехе осуществляется  в  нагревательных  колодцах  регенеративного  типа. 

     Каждая  ячейка  имеет  индивидуальные перекидные устройства: клапан золотникового  типа  на  газовом  тракте  и  клапан мотылькового  типа на  воздушном  тракте.  Для  удаления  продуктов  сгорания  каждая  группа  имеет  свою дымовую  трубу.  В  каждой  ячейке  тяга регулируется шибером, установленным в дымовом борове.

     Каждая  ячейка  оборудована  системой теплового  контроля и автоматического  регулирования,  состоящей  из следующих узлов:

     а)измерения  и регулирования температуры в рабочем пространстве ячеек;

     б)измерения  расхода  газа  и  воздуха  и  регулирования  соотношения  газ  — воздух;

     в)измерения  разрежения  перед  дымовым шибером;

     г) автоматической  перекидки  клапанов;

     д)измерения  температуры  отходящих газов;

     е)измерения давления смешанного газа в общем коллекторе

  Система автоматизации предназначена для автоматизированного контроля и управления процессом нагрева слитков и получения слитков, соответствующих по качеству нагрева требованиям технологии изготовления слябов. Создание системы призвано снизить себестоимость продукции, обеспечив:

• высокое качество нагрева с учетом исходного температурного состояния слитков;
• максимальную производительность нагревательных колодцев;
• отсутствие при нагреве слитков оплава поверхности;
• минимизацию угара металла и расхода топлива;
• стойкость нагревательных колодцев;
• устойчивую технологию нагрева.

     Работа  нагревательного колодца оценивается по следующим основным параметрам:

         -  температура  нагрева метала;

         -  экономичность  сжигания топлива;

         -  атмосфера в  печи;

         -  давление в  рабочем пространстве;

         -  температура  подогрева газа и воздуха;

         - равномерность подогрева  заготовки, которая оценивается  косвенно по усилиям, возникающим  при прокатке.

     Процесс управления нагревом происходит в условиях изменяющихся возмущающих воздействий:

         -  производительности  нагревательного колодца;

         -  подачи топлива  и воздуха;

         -  калорийности  топлива;

         - теплофизических  параметров заготовок (температуры  посада, размеров, теплопроводности);

         -  подсосов;

         -  неплотности  печи.

     Основные  управляющие воздействия в нагревательных колодцах следующие:

         -  температура  в зонах, которая обеспечивается  расходом топлива;

         -  расход воздуха  к горелкам на зону;

         -  изменение тяги  дымовой трубы или эксгаустера.

     Система контроля, автоматического регулирования и сигнализации нагревательного колодца  предусматривает контроль, регулирование и сигнализацию следующих параметров:

     регулируемые  параметры:

         -   температура в рабочем пространстве;

         -   соотношение  топливо воздух;

         -   давление в рабочем пространстве.

     контролируемые  параметры:

         -  температура в рабочем пространстве;

         -  температура отходящих газов;

         -  температура воздуха после рекуператора;

         -  расход смешанного газа;

• давление в рабочем пространстве;
• разряжение отходящих газов;

     сигнализируемые параметры:

         -  падение давления  газа, идущего на печь;

         -  падение давления  горячего воздуха;

         -  падение давления  охлаждающей воды;

         - падение давления газа и воздуха по зонам.

     Множество контролируемых и регулируемых параметров обусловлено тем, что общая задача управления разделяется на ряд самостоятельных задач управления. Математические модели любого объекта определяется экспериментально по кривой разгона. Это объекты с самовыравниванием.

     В общем случае объект автоматизации  состоит из нескольких связанных между собой участков управления или локальных контуров управления отдельными параметрами одной установки или агрегата. В свою очередь и система управления, в зависимости от решаемых задач, может состоять из нескольких пунктов управления. Поэтому различают одноуровневые и многоуровневые системы управления. Так как в данном случае объект сравнительно прост и сосредоточен на небольшой территории, то применяются одноуровневые централизованные системы управления.

     В данном курсовом проекте разработана АСР соотношения топливо-воздух в нагревательном колодце. Задача управления процессом нагрева металла в методических печах заключается в выборе и поддержании режима работы, обеспечивающего получение металла заданного качества с минимально возможным удельным расходом топлива в условиях переменной производительности агрегата.

     Расходы газа и воздуха измеряют с помощью  расходометров переменного перепада давлений установленных на трубопроводах после регулирующих вентилей.

     Задание регуляторам соотношения топливо-воздух в зонах нагрева устанавливает обслуживающий персонал, изменяя его в зависимости от производительности колодца, марки нагреваемого металла, качества нагрева металла, которое контролируют в процессе нагрева и прокатки.

     Необходимое качество регулирования соотношения топливо-воздух достигается в одноконтурной автоматической системе регулирования, структура которой приведена на рисунке 1.2.

     Рисунок 1.2 — Структурная схема АСР температуры 

     Функциональная  структурная схема регулирования температуры представлена на рисунке 1.3. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Рисунок 1.3 - Функциональная структурная схема регулирования температуры в томильной зоне методической печи

2 ОБОСНОВАНИЕ  ВЫБОРА ПРИБОРОВ И СРЕДСТВ

АВТОМАТИЗАЦИИ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ АСР ТЕМПЕРАТУРЫ

ТОМИЛЬНОЙ ЗОНЫ МЕТОДИЧЕСКОЙ ПЕЧИ 

      В соответствии с выбранной структурой АСР основным информационным сигналом в ней является сигнал, пропорциональный объемному расходу при реальных значениях давления и температуры окружающей среды. Параметры контролируемой среды:

• температура воздуха  - 30 ˚С
• температура топлива  - 30 ˚С
• давление воздуха  - 6 кПа
• давление топлива  - 7 кПа
• расход воздуха  - 8000 м³/с
• расход топлива  - 5000 м³/с

      Место установки датчика подвержено воздействию окружающей среды с параметрами:

• температура, ˚С - 20-50;
• абсолютное давление, кПа - 90-105;
• относительная влажность, % - до 80.

      Расстояние  от датчика до вторичного прибора  около 50 м.

      Контролируемая  и окружающая среды при нормальной работе агрегата взрыво- и пожароопасные.

      В соответствии с требованиями метрологического каталога нагревательного колодца  допустимая погрешность контроля температуры  в сварочной зоне ±1,5%, а допустимое запаздывание информации – 5 с. 

      В соответствии с приведенными условиями для контроля расходов выбран расходомер Метран-350-SFA

      Степень защиты от воздействия пыли и воды IP65 по ГОСТ 14254

     Вид взрывозащиты "взрывонепроницаемая  оболочка" и "специальный" соответствует  требованиям ГОСТ Р 51330.0, ГОСТ Р 51330.1, ГОСТ 22782.3 и выполняется с уровнем взрывозащиты "взрывобезопасный" и маркировкой по взрывозащите ExdsllC5 X.

      Основные  технические характеристики датчика:

• Измеряемые среды: газ, пар, жидкость
• Параметры измеряемой среды:
• температура:

40...400 ^оС - интегральный монтаж,

40...677°С - удаленный  монтаж;

• избыточное   давление  в   трубопроводе 25 МПа
• Диаметр трубопровода, Ду, 50...1820 мм
• Пределы измерений расхода рассчитываются для конкретного применения
• Пределы основной допускаемой относительной погрешности измерений массового (объемного) расхода до ±1%
• Самодиагностика
• Взрывозащищенное исполнение
• Средний срок службы - 10 лет
• Межповерочный интервал - 2 года
• Внесен в Госреестр средств измерений под №25407-04
• Выходной сигнал - унифицированный токовый 4-20 мА пропорционален объемному расходу при реальных значениях давления и температуры измеряемой среды.

      Для питания расходомера применяем  блок питания Метран 602-024-45-DIN монтируемый на шине DIN. Технические данные:

• Количество каналов – 2
• Выходное напряжение – 24 В
• Клас стабилизации – 0,2
• Потребляемая мощность – 6 Вт

      Все остальные технические средства АСР, кроме исполнительного механизма, будут размещены на щитах, в специально подготовленном, отапливаемом помещении  и эксплуатироваться в общепромышленных условиях:

      - температура, 15-30 ˚С;

      - давление, 90-105 кПа;

      - относительная влажность, до 80 %.

     Для регистрации контролируемого параметра  выбран Многоканальный регистратор  Метран-900. Многоканальный регистратор Метран-900 предназначен для сбора, обработки и регистрации информации, поступающей от датчиков с выходным унифицированным сигналом, сигналом взаимной индуктивности и датчиков температуры, измеряющих параметры технологических процессов.

     . Регистратор предназначен для общепромышленных условий эксплуатации и имеет технические характеристики:

• Возможность подключения различных типов первичных датчиков в произвольном сочетании (всего 12 датчиков)
• Одновременный контроль параметров различных процессов
• Встроенный интерфейс RS232/RS485
• Визуализация данных на встроенном дисплее в цифровом и графическом виде
• Наглядность и информативность отображаемой оперативной информации - по всем 12 каналам одновременно
• Возможность получения всей необходимой информации о состоянии параметров на любой момент времени за период регистрации
• Возможность непосредственного вывода информации на печатающее устройство
• Минимальные затраты при монтаже

   Регистратор Метран-900 состоит из блока коммутации и регистратора, выполненных в  независимых корпусах. Выбираем блок коммутации К1203. Пределы допускаемой основной приведенной погрешности измерений: аналоговых сигналов 0-20, 4-20 мА - не более ±0,1%;

      При выбранных технических средствах  погрешность контроля температуры  составит 

      δ_изм =

      δ_изм =

что ниже допустимой.

      Запаздывание  информации определяется, в основном, инерционностью датчика и не превышает  допустимого.

     В качестве регулятора выбираем МИК – 51 –  компактный малоканальный многофункциональный микропроцессорный контроллер, предназначенный для автоматического регулирования и логического управления технологическими процессами. Количество входов-выходов контроллера:

- Аналоговые  входа - 4 (2 универсальных, 2 унифицированных).

- Аналоговые  выхода -4.

- Дискретные  входа  3.

- Дискретные  выхода - 5.  

Таблица 1,1 – Технические данные регулятора