Описание существующего уровня автоматизации

СОДЕРЖАНИЕ

Задание………………………………….………………………………....... 

Введение……………………………………………………………………… 

1. Описание объекта автоматизации……………………………………………

     1.1. Назначение стенда разогрева промежуточных ковшей………………

 

     1.2. Конструкция и описание работы стенда разогрева промежуточного

       ковша……………………………………………………………………..

 

     1.3. Техническая характеристика стенда разогрева промежуточных

          ковшей……………………………………………………………………

 

      1.3.1. Характеристика стенда и основного оборудования………………...

      1.3.2. Топливо…………………………………………………….

          1.3.3. Воздух на горение………………………………………………

          1.3.4. Тепловой режим стенда……………………………………...

     1.4. Режимы работы  стенда разогрева промежуточных  ковшей………………………………………………………………………….

     1.5. Порядок ввода  в работу стенда разогрева  промежуточных  ковшей….

 

2. Описание существующего уровня  автоматизации………………………..

 

3. Описание недостатков   …………………………………………………

 

4. Постановка задачи на модернизацию  системы…………………………...

 

5. Математическое обеспечение………………………………………………

 

6. Техническое обеспечение   ……………………………………………..

 

7. Система противоаварийной защиты…………………………………… 

 

8. Информационное обеспечение……………………..………………..

9. Алгоритмическое обеспечение……………………………………………… 

Заключение…………………………………………………………….………..

Список использованной литературы    ……………………………………...

Задание

Автоматизированная система  стенда разогрева промежуточных  ковшей должна обеспечивать рациональное использование энергоресурсов, поддержание  высокопроизводительной работы технологического оборудования, оптимизацию технологических  параметров процесса нагрева.

Разрабатываемая система  автоматизации стенда разогрева  промежуточных ковшей предназначена  для решения следующих задач:

• оптимального регулирования технологических параметров процесса;
• снижение износа и повышения надёжной работы основного технологического оборудования;
• улучшение условий труда технологического персонала и повышения эффективности их труда.

Для успешного решения  вышепоставленных задач необходимо:

• в автоматическом режиме, в зависимости от температуры кожуха промежуточного ковша регулировать подачу газа и воздуха на горелки и обеспечивать в автоматическом режиме соотношение горючего к окислителю с постоянным коэффициентом;
• отходящие газы должны отводиться в общий дымоход и быть использованы для подогрева воздуха горения;
• в магистрали воздуха горения должно быть обеспечено постоянство давления и температуры;
• система розжига должна позволять подачу газа на запальник в автоматическом режиме, посредством контроля наличия пламени;
• Моделированием на ЭВМ (в пакете программы Matlab) убедиться, что предлагаемое качество управления отвечает требованиям высокого качества управления температурой.

 

 

 

 

 

Введение.

Автоматизация технологических процессов  и производств является одним  из основных направлений повышения  эффективности, безопасности и безаварийности производств. Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) обеспечивают снижение удельных затрат сырья и энергии,  повышение ресурса технологического оборудования за счет оптимизации производственных режимов,  предупреждения аварийных ситуаций, рациональной загрузки агрегатов.[1]

Ускоренное  развитие автомобильной, авиационной, судостроительной, оборонной отраслей промышленности, сельскохозяйственного  машиностроения, транспорта, а также  новых отраслей - атомной, космической, техники высоких давлений и температур требуется, наряду с созданием и  производством новых марок легированных сталей и сплавов, повышения требований к их качеству.

В настоящее  время потребности в легированных сталях удовлетворяются не полностью, устойчивый дефицит имеется практически  во всем виде проката из легированных сталей - конструкционной, сортовой и  листовой, в т.ч. подшипниковой, трансформаторной, нержавеющей, сортового проката  из электростали, трубной заготовки  и т.д. Кроме того, значительная часть  легированных сталей поставляется потребителями  без требуемой термообработки, необработанной, плохо выправленной.

Снижение  роста производства легированных сталей в стране в последние годы является результатом того, что новые заводы спецстали не строились, а реконструкции действующих предприятий и цехов качественной металлургии осуществляется медленно и не комплексно.

Реализация  проекта ОЭМК решит задачи долгосрочного  развития отечественной качественной металлургии, ее технического перевооружения и выхода на передовые в мире рубежи по выпуску высококачественной металлургической продукции.[2]

 

1. Описание объекта автоматизации

1.1. Назначение стенда разогрева промежуточных ковшей

 

Необходимость постоянного улучшения  качества стали и уменьшения её себестоимости предъявляет всё более жесткие требования к футеровке стали разливочных и промежуточных ковшей МНЛЗ.

В производстве высококачественных сталей необходимо использовать основную футеровку  на основе доломита и хромомагнезита – весьма дорогих материалов. Чтобы  не допускать повышения себестоимости  конечной продукции, предусматривают  дополнительные меры по увеличению стойкости  футеровки. В первую очередь стремятся  уменьшить интенсивность термоудара, возникающего при выпуске расплава из сталеразливочного ковша в промежуточный ковш. Термоудар тем сильнее, чем больше разница температуры расплава и футеровки. При использовании обычных стендов нагрева ковша разность температуры расплава и футеровки может достигать 800 – 1000^оС. Это приводит к сильному термоудару по футеровке, а также к интенсивной отдаче тепла от расплава в футеровку и через неё в окружающее пространство. Расплав может охлаждаться на 70 – 80^оС в первые 15 – 20 мин. после разливки из стальковша в промежуточный ковш и по 2 – 3^оС в минуту в течении дальнейшего пребывания в ковше. Опыт показал, что футеровку ковшей необходимо нагревать до температуры не менее 1100^оС и не допускать её снижения до 1000^оС.

Другой способ повышения стойкости  футеровки – поддержания оптимальных  режимов сушки и нагрева вновь  зафутерованного ковша. Они должны строго соответствовать графику, рекомендованному фирмой изготовителем футеровки.

Стенд разогрева промежуточного ковша  предназначен для нагрева вновь  зафутерованного промежуточного ковша, а также для предварительного нагрева футеровки перед установкой под выпуск плавки.[3]

 

1.2. Конструкция и описание работы стенда разогрева промежуточного                                    ковша

1 - промковш с огнеупорным материалом; 2 -стойка сварной конструкции; 3 - отвод продуктов горения; 4 - подвод газа и воздуха к горелкам; 5 - крышка промковша; 6 - стойка сварной конструкции; 7 - поворотная рама рычажного типа

Рисунок 1 - Схема сушки промковша

Промежуточный ковш предназначен для  приёма жидкого металла, распределения  его по кристаллизаторам организованной дозированной струёй с защитой от окисления.

Промежуточный ковш состоит из сварного корпуса, шиберных механизмов, механизмов для смены стаканов и крышек.

Корпус в плане имеет трапецеидальную  форму для смещения места подачи металла из стальковша от линии шиберов. С узких торцов корпуса предусмотрены два переливных желоба, ограничивающие уровень жидкого металла до 750 мм.

Шиберные механизмы, необходимы для  дозирования металла, поступающего в кристаллизатор.

Крышки служат для уменьшения тепловых потерь и окисления жидкого металла, имеют отверстия для разогрева  футеровки и подачи металла из стальковша.

По длинным сторонам корпуса  имеются четыре цапфы для транспортировки  промежуточного ковша цеховым краном с помощью специальной траверсы.

После футеровки и сушки промежуточного ковша в футеровочном отделении, промежуточный ковш автотранспортом транспортируется в цех в разливочный пролёт. Из разливочного пролёта при помощи мостового крана, промежуточный ковш транспортируется на разливочную площадку, на стенд для навески шиберов. После подготовки промежуточный ковш транспортируется мостовым краном на стенд разогрева промежуточных ковшей.

Стенд разогрева промежуточных  ковшей находится на разливочной  площадке МНЛЗ на  отметке + 13150. Конструкция  стенда состоит из:  

- cтойки, представляющую собой сварную металлоконструкцию;

- горелочного устройства;

- гидроцилиндра подъёма – опускания  горелочного устройства.

Горелочное устройство состоит  из трубчатого газового коллектора, распределяющего газ на пять горелок типа ГНП – 5Б1 и аналогичного воздушного коллектора. Горелки равномерно распределены по нагреваемой площади промежуточного ковша.

С помощью гидроцилиндра подъёма  – опускания горелочное устройство может опускаться над промежуточным  ковшом перед нагревом или подниматься вверх и фиксироваться в вертикальном положении, давая возможность убрать промежуточный ковш со стенда по окончанию разогрева. Угол поворота горелочного устройства составляет 100 ^о.

Цилиндр гидравлический типа III-100´560-1-2, имеет рабочее давление в системе 40 кгс/см², усилие на штоке: тяга – 2000 кг,

толкание – 2800 кг.

В конечной позиции установка поворачиваемого  горелочного устройства осуществляется с помощью конечного выключателя  ВК300ГСУ2.

После разогрева, непосредственно  перед разливкой, разогретый промежуточный  ковш перемещается в положение над  кристаллизаторами при помощи тележки  для промежуточных ковшей.

Тележка предназначена для перемещения  промежуточного ковша из резервной  позиции в положение над кристаллизаторами, подъёма и опускания промежуточного ковша с целью проведения необходимых  технологических операций, возврата промежуточного ковша в резервную  позицию, совмещения выпускных отверстий  промежуточного ковша с полостями  кристаллизатора, непрерывного измерения  массы жидкого металла в промежуточном  ковше.

Рама тележки, установленная на попарносмонтированных в балансирах колёсах, перемещается по рельсовым путям, установленным над разливочной площадкой на отметке +13.150. Перемещение тележки производится от двух приводов, каждый из которых состоит из редуктора, асинхронного двигателя с фазным ротором и тормоза. Механизм подъёма выполнен в виде рычажного механизма, обеспечивающего плоско-параллельное перемещение траверсы, на которой установлен промежуточный ковш.

Траверса шарнирно подвешена на рычаге и, кроме того, опирается роликами на профилированные по дуге окружности направляющие. Подъём и опускание  рычага осуществляется с помощью  двух гидроцилиндров, питаемых от маслостанции, установленной на раме.

Место опирания промежуточного ковша выполнено в виде четырехзвенника, горизонтально расположенный спарник которого является опорной балкой для ковша.

Измерение массы жидкого металла  в промежуточном ковше производится с помощью четырёх месдоз.

При включении привода перемещения  тележки, предусмотрена звуковая и  световая сигнализация.[3]

 

 

 

1.3. Техническая характеристика  стенда разогрева промежуточных  ковшей.

 

1.3.1. Характеристика стенда и  основного оборудования.

Газовая горелка: тип – двухпроводная, улучшенного смешения ГНП-5Б1. Количество на стенде – 5 шт.

Вентилятор – Ц-10-28 (2шт., эксплуатируются  параллельно), производительность – 6840 нм³/ч, полный напор – 450 кгс/м².

 

1.3.2. Топливо.

Природный газ состава: СН₄ - 98,53%, С₂Н₆ – 0,38%, С₃Н₈ – 0,09%, С₄Н₁₀ – 0,01%, С₅Н₁₂ – 0,02%, СО₂ – 0,08%, N₂ – 0,89%, плотность 0,678 кг/м³.

Теплота сгорания низшая – 7950 ккал/нм³ при давлении 760 мм.рт.ст. и температуре – 20^оС.

Давление в цеховом газопроводе 2000 мм.вод.ст.

Давление газа перед горелкой:

• максимальное – 750 мм.вод.ст.
• номинальное (рабочее) – 550 мм.вод.ст.

 

     1.3.3. Воздух на горение.

Давление воздуха в печном воздухопроводе – 300 мм.вод.ст.

Давление воздуха перед горелкой:

• максимальное – 250 мм.вод.ст.
• номинальное (рабочее) – 200 мм.вод.ст. 

 

      1.3.4. Тепловой режим стенда.

Технологическое время разогрева  – 4 часа.

Температура разогрева футеровки 1100^оС ( контроль температуры кожуха промежуточного ковша 90 – 100^оС )

Расход природного газа (расчётный) на одну горелку:

• максимальный – 71 нм³/ч при давлении газа перед горелкой 750 мм.вод.ст.
• номинальный (рабочий) – 59 нм³/ч при давлении газа перед горелкой 550 мм.вод.ст.
• дежурный режим – 15 нм³/ч

Продолжительность дежурного режима – 1-4 часа.

Температура продуктов сгорания вверху ковша под крышкой– 1180^оС.  

Количество продуктов сгорания при номинальном расходе газа – 335 нм³/ч.

Расчетный к.п.д. при расходе 295 нм³/ч природного газа составляет 7,5%.

Характеристика продуктов сгорания представлена в таблице 1.

                                                                                                               Таблица 1.

                                     Характеристика продуктов сгорания

Характеристика продуктов сгорания	Зона горения
	Торец ковша	Центр ковша
Состав продуктов сгорания СО2 % О2 % СО %	10,9 0,4 -	7,8 4,3 -
Коэффициент расхода воздуха	1,04	1,15

 

 

Рис.2. График разогрева промежуточного ковша.

 

1.4. Режимы работы стенда разогрева  промежуточных ковшей

 

Работа стенда разогрева промежуточных ковшей происходит в двух режимах: номинальный (рабочий) режим и дежурный режим.

Номинальный режим – это  основной режим работы стенда. В  этом режиме происходит разогрев футеровки  промежуточного ковша до необходимой  температуры. Расход газа в этом режиме повышенный. Технологическое время  работы стенда разогрева в номинальном  режиме – 4 часа.

Если промежуточный ковш перед разливкой металла не востребован, то стенд разогрева переводят  на дежурный режим работы. Этот режим  характеризуется минимальным потреблением газа и предназначен для поддержания температуры разогретого промежуточного ковша до тех пор, пока он не будет востребован.

 

1.5. Порядок ввода  в работу стенда разогрева  промежуточных ковшей

 

Для того чтобы ввести стенда разогрева в работу, непосредственно  перед зажиганием горелок проверяют  наличие достаточного давления газа в газопроводе перед стендом  разогрева, а перед подачей воздуха  от дутьевых устройств и давление воздуха.

Задвижки на газопроводе  перед горелками открывают только после поднесения к горелке запальника, воспламеняющего газ.

Подачу газа без поднесения запальника производят, если температура  футеровки в разогретой зоне превышает 800ºС.

При зажигании горелок  подают минимальное количество воздуха, обеспечивающего полное сгорание газа и исключающего отрыв пламени  от горелки.

Газ и воздух при зажигании  и регулировании горелок подают постепенно и только при установившемся давлении.

При увеличении нагрузки на горелочное устройство, сначала увеличивают  подачу газа, затем воздуха, а при  уменьшении нагрузки, сначала сокращают  подачу воздуха, а затем газа.

 

2. Описание существующего уровня автоматизации объекта

 

В настоящее время уровень  автоматизации стенда разогрева  промежуточных ковшей не обеспечивает необходимого, оптимального регулирования  технологических параметров.

Регулирование подачи газа и воздуха к горелкам стенда происходит в ручном режиме, путём открывания и закрывания задвижек на подводных  трубопроводах газа и воздуха. Это влечёт за собой бесконтрольное, неуправляемое горение. Контроль пламени горелок происходит визуально.

Для контроля давления газа и воздуха на подводных трубопроводах  предусмотрены напоромеры типа НМП 52.На трубопроводе воздуха установлен датчик реле напора типа ДН 2.5, который контролирует давление воздуха, и в случае понижения давления ниже критического, выдаст сигнал на электропневматический клапан ЭПК 1/4, который находится в газовой магистрали. Электропневматический клапан  выдает сигнал на отсечной клапан типа ПКН-50, который перекрывает подачу газа из цеховой газовой магистрали, к горелкам стенда разогрева. В случае понижения давления газа ниже критического в подающем газопроводе из межцеховой газовой магистрали к горелкам стенда разогрева, срабатывает электропневматический клапан ЭПК 1/4, который установлен на подающем газопроводе. Электропневматический клапан  выдает сигнал на отсечной клапан ПКН-50, который перекрывает подачу газа.

Промежуточный ковш считается  разогретым при температуре кожуха 90-100ºС.

3. Описание недостатков

 

Уровень автоматизации недостаточен для постоянного контроля регулирования  процесса разогрева промежуточного ковша. Целью курсового проекта  является разработка системы автоматизации процесса разогрева промежуточных ковшей в непрерывном режиме.

4. Постановка задачи на модернизацию системы

Новая система должна более четко выдерживать  технологические параметры разогрева  промежуточного ковша, таких как температура и время разогрева. Система должна поддерживать оптимальное соотношение расхода газа и воздуха. Это позволит уменьшить затраты энергии, уменьшить перерасход природного газа, увеличить производительность. Система также должна приобрести более удобный интерфейс пользователя, расширенные функции регистрации, оповещения и управления технологическими параметрами.

 

5. Математическое  обеспечение

Для анализа совместной работы контура регулирования расхода газа и контура регулирования расхода воздуха давления   рассмотрим математическую модель  системы, представленную на рисунке 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Математическая модель контура регулирования расхода газа и расхода воздуха.

Где: W₁ – передаточная функция датчика расхода газа;

W₂ – передаточная функция регулятора расхода  природного газа;

W₃ – передаточная функция исполнительного механизма в контуре газа;

W₄ – передаточная функция регулятора расхода воздуха;

W₅ – передаточная функция исполнительного механизма в контуре воздуха;(W=K/TS)

W₆ – передаточная функция датчика расхода воздуха;

W₇ – передаточная функция объекта управления (стенда разогрева)(W=K/TS+1);

W₈ – передаточная функция регулятора  температуры промковша;

К_с  - коэффициент соотношения газ -  воздух.

6. Техническое обеспечение

 

Верхний уровень:

 

Важной  составляющей аппаратных средств является операторская станция. Для обеспечения  реализации алгоритма верхнего уровня предусмотренного в системе, необходимо выбрать надёжную программную систему  сбора информации, которая будет  требовать ПК, достаточно производительный для полноценной своей работы.

Для реализации визуализации процесса необходимо выбрать  персональный компьютер, обладающий следующими характеристиками:

 

Параметры
Процессор	Pentium 4
Тактовая частота	3.0 ГГц
Оперативная память	2048 МБ
Флоппи-диск	3.5 дюйм
Жесткий диск	1 ТБ
Видеокарта	2 ГБ
Цветной монитор	21 дюйм
Класс защиты	IP-65

Таблица2. Характеристика ПК.

 

Средний уровень:

 

Контроллер  – надежное средство для решения задач децентрализованного управления. Кроме того, при выходе из строя рабочей станции, его автономность позволит по графику завершить технологический процесс, с потерей при этом функций учета и архивирования параметров технологического процесса. Если же рабочая станция вышла из строя не на долго, то резерв оперативной памяти CPU контроллера позволяет программно реализовать буфер параметров, при прекращении квитирования,  для важнейших передаваемых данных.

SIMATIC S7-400 – это мощный программируемый  контроллер для решения задач  автоматизации средней и высокой  сложности. [8]

 

 

 

Наименование	Siemens S7-400
Центральный процессор	CPU 416С-2DP
Память	96 КБ
Загружаемая память	64 КБ – 8 МБ
Время выполнения операций, мкс:
логических	0.1
с фиксированной точкой	2.0
с плавающей точкой	3.0
Количество дискретных входов/ выходов	140/70; SM321/322
Количество аналоговых входов	52; SM331
Сетевые средства	PROFIBUS-DP

Таблица 3. Характеристика контроллера.[8]

 

SIMATIC S7-400F – система безопасного управления, в которой возникновение отказов приводит к переводу технологического оборудования в безопасные состояния и остановке производственного процесса.[9]

 

Наименование	Siemens S7-400F
Центральный процессор	CPU 414- 4H
Сетевые средства	PROFIBUS-DP

Таблица 4. Характеристика контроллера.[9]

 

 

Нижний  уровень:

 

Датчики для измерения температуры.

В качестве первичных преобразователей температуры буду применять термопару типа ТПП с платинородий-платиновыми термоэлектродами  для диапазона температур от —20 до + 1300 °С (допускается до 1600 °С при кратковременных измерениях).

 

 

 

Датчики для измерения расхода.

Для измерения  расхода газа и воздуха предлагается использовать датчики давления Сапфир22МТ-2440-01-У2-0.25-63кПа/10-42, которые предназначены для непрерывного, пропорционального преобразования значения избыточного давления, разряжения и разности давлений жидкостей и газов в унифицированный токовый выходной сигнал.[5]

 

Параметры, ед. изм.	Сапфир-22МТ-2440- 01-У2-0.25-63кПа/10-42
Рmax, кПа	63
Fmax, м3/ч	5200
Отн. погрешность измерения, %	±0.25
Цена, $ USA	230

Таблица 5. Характеристика датчика расхода газа и воздуха.[5]

 

Выбор исполнительных механизмов.

Исполнительные механизмы (ИМ) обеспечивают перемещение регулирующего органа в соответствии с поступающими от пульта управления или от оператора сигналами. Перемещение регулирующего органа в зависимости от его конструкции может быть поступательным или вращательным.

В разрабатываемой  системе в качестве ИМ можно использовать  МЭО-100/25-0.25-91, который  зарекомендовал себя при работе в качестве исполнительного  механизма контуров регулирования  соотношения газ-воздух и соответствует  требованиям, предъявляемым к нашей системе и имеет оптимальное соотношение цена - технические характеристики.[5]

 

 

 

 

Параметры,  ед. изм.	ОАО «ЗЭиМ», МЭО 100/25-0,25-91
Мн на выходном валу, Н·м	100
Ти полного хода выходного вала, сек.	25
Полный ход выходного  вала, оборот	0,25
Потребляемая мощность, Вт	380
Цена, $ USA	250

Таблица 6. Характеристика исполнительного механизма.

 

Датчики для измерения  давления.

Для измерения давления газа и воздуха перед подачей в  горелку используется датчик давления Autonics PSB1P.  Датчик имеет дискретный выход.[9]

Модель	PSB1P
Номинальный диапазон давления	0-1 кПа
Потребление тока	50 мА
Выход	PNP выход открытый коллектор
Время срабатывания	2,5 мс, 5 мс, 100 мс (регулируется)

Таблица 7.

Датчик наличия пламени.

Датчик-реле контроля пламени предназначен для  индикации наличия или отсутствия пламени и формирования сигнала  для автоматики защиты от аварийных ситуаций.

АДП-01.2 - фотодиодный датчик-реле пламени с релейным выходом.[8]

 

Диапазон  длин волн пламени, нм	400…1000
Диапазон  частот пульсаций пламени, Гц	5-30
Время задержки срабатывания при появлении  пламени, не более, сек	0,4
Время задержки срабатывания при погасании  пламени, не более, сек	2
Степень защиты по ГОСТ 14254-80	IP40
Выходной  сигнал	дискретный

Таблица 8.

 

 

 

7. Система противоаварийной защиты (ПАЗ)

Система противоаварийной защиты (ПАЗ) предназначена для предупреждения и предотвращения аварийных ситуаций, которые могут возникнуть во время технологических процессов как в результате влияния человеческого фактора, так и из-за сбоев в работе оборудования.

Система противоаварийной защиты строится на программируемых контроллерах Siemens s7-400F. Контроллеры имеют дублированную архитектуру, что в несколько раз повышает отказоустойчивость оборудования отвечающее за предотвращение аварийных ситуаций.

В случае возникновения опасности  развития аварийной ситуации контроллеры  ПАЗ реализуют алгоритмы по предотвращению аварийных ситуаций в соответствии с Правилами Локализации Аварийных  Ситуаций (ПЛАС) принятыми на предприятии.

Система противоаварийной защиты параллельно с основной системой автоматизированного управления следит за состояниями аварийных сигнальных датчиков. В случае срабатывания которых система ПАЗ разрывает управление задвижками и двигателями от основной АСУ в результате чего они останавливаются или закрываются.

Технические средства для противоаварийной защиты выбраны с учетом требуемых условий безопасной работы оборудования и описаны в разделе «Техническое обеспечение».

 

 

 

8. Информационное обеспечение

Разрабатываемая система автоматического  управления температурным режимом  будет использовать для своей  работы сигналы, вырабатываемые контроллером Simatic S7-400, который будет управлять работой технологического оборудования. Контроллер (PLC) опрашивает состояние приборов измерения через распределенные станции ввода-вывода ЕТ-200М, проводит все стадии предварительной обработки сигналов, выполняет необходимые расчеты. Система визуализации запрашивает PLC о необходимой для архивирования и визуализации информации, записывает данные для длительного хранения, выводит информацию о состоянии технологического объекта на экран, сообщает в особой форме о выходе технологического параметра за рамки допустимого. Кроме этого, система визуализации позволяет пользователю осуществлять оперативное управление технологическими механизмами непосредственно с операторской станции. При этом управляющие воздействия, команды, заданные значения и т.п. передаются в PLC.