Процесс автоматизации в щелевой печи

ВВЕДЕНИЕ

Промышленность строительной керамики за прошедшее десятилетие развивалась  в направлении интенсификации производственных процессов на основе внедрения более  совершенной технологии и новых, технически передовых видов оборудования. Прогрессивные изменения в технологии производства керамических плиток привели к созданию автоматизированных конвейерных линий, объединяющих в общий поток процессы приготовления пресс - порошка, прессования, сушки, утельного обжига, глазурован политого обжига.

Переход на конвейерно-поточный способ изготовления керамических плиток позволил значительно сократить длительность процесса производства, ликвидировать большинство тяжелых ручных операций, повысить производительность труда, улучшить качество продукции, поднять культуру производства. Внедрение новых технологических процессов и оборудования потребовало создания аппаратуры для непрерывного автоматического контроля за ходом этих процессов и систем регулирования, обеспечивающих автоматическое управление технологическими режимами.

В новых условиях производства неэффективно управлять технологическими процессами только с помощью человека. Поэтому уровень автоматизации отечественных заводов с каждым годом возрастает.

Основой автоматизации технологических  процессов является автоматический контроль, обеспечивающий получение информации, достаточной для ручного или автоматического управления ходом этих процессов.

Современные средства автоматизации  выпускаются с учетом требований государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации ГСП ГОСТ 1299 и ряда других ГОСТов, конкретизирующих и развивающих положения ГОСТа 1299. Этими требованиями обеспечивается информационное, энергетическое и конструктивное сопряжение изделий в автоматических системах управления с учетом экономически целесообразной точности, надежности и долговечности этих изделий. Так, ГОСТом 13033 регламентируются требования, предъявляемые к электрическим аналоговым приборам и устройствам ГСП, предназначенным для автоматического контроля, управления и регулирования параметров промышленных технологических процессов: расхода, уровня, температуры и т.д.

Для контроля технологических параметров применяются различные первичные  преобразователи, выходные сигналы  которых отличаются как по способу  представления информации, так и по величине. Для использования вычислительных машин ГСП предусмотрены унифицированные входные и выходные сигналы постоянного и переменного токов, которые относятся к числу основных параметров, характеризующих преобразователь.

Рассматриваемые ниже приборы и средства автоматизации выполнены с учетом требований ГСП, что позволяет использовать первичные измерительные преобразователи-датчики этих приборов совместно с серийными сигнальными, показывающими и регистрирующими приборами и дополнять их при необходимости другими средствами обработки и хранения информации.

1. Автоматическое управление тепловыми процессами в щелевых печах.

В конвейерных роликовых печах  происходит завершающий технологический процесс производства керамических плиток. Из конвейерной сушилки плитки попадают в щелевые печи с роликовым транспортером и последовательно проходят в них зоны подогрева, обжига и охлаждения.

Конструкции этих печей, их длина, способы  подачи и сжигания топлива и т.д. зависят от назначения плиток. Для производства плиток для полов используются печи с увеличенными по длине зонами подогрева, обжига и охлаждения, для облицовочных плиток - две щелевые печи утельного и политового обжига.  Фасадные керамические плитки выпускаются с применением как однократного, так и двукратного обжига.

Скоростной процесс обжига, происходящий в щелевых роликовых печах, затрудняет ручное управление процессом и предъявляет дополнитель-

ные требования к автоматическому  контролю и управлению режимом  обжига. Система автоматического регулирования должна обеспечить необходимое качество выпускаемой плитки при более высоких по сравнению с ручным управлением технико-экономических показателях работы агрегата: производительности, удельного расхода топлива, себестоимости.

Эти задачи могут быть решены в  два этапа: на первом этапе следует  стабилизировать заданный температурный  режим, т.е. обеспечить заданное распределение  температур по длине печи; на втором этапе необходимо стабилизировать качество  готовой плитки с использованием в системе показателей качества (деформации, водопоглощения и т.д.).

Институтом ВИАСМ на различных  заводах и для различных по назначению и  конструкций печей созданы системы автоматического управления процессом обжига керамических плиток, стабилизирующие температурный режим. При всем своем различии созданные на базе экспериментально-исследовательских работ системы регулирования имеют и общие черты.

Так, каждая из систем предусматривает  автоматический контроль аэродинамических и температурных параметров процесса и имеет ряд независимых контуров управления этими параметрами.

Ниже описывается система автоматического  контроля и регулирования температурного режима в щелевых роликовых печах  для производства облицовочных плиток.

В конвейерной линии применен двухкратный обжиг керамических плиток. Высушенные плитки поступают на роликовый транспортер щелевой печи для утельного обжига. Печь состоит из семи секций. Разработанная

ВИАСМом система автоматического  контроля и регулирования процесса обжига утельной печи работает устойчиво при любых возмущениях в печи,включая длительные перерывы в подаче плитки.

Контроль аэродинамических параметров необходим для обеспечения  нормального отбора дымовых газов  и подачи воздуха для охлаждения пли-

ток. Аэродинамический контроль сводится к определению величин разряжения и давления в отсасывающем и нагнетающем трубопроводах печи с помощью щитовых тягонапорометров. Контроль и регулирование аэродинамики внутри печного канала становится ненужным ввиду наличия большого количества отверстий для роликов в кладке печи. Регулировать разрежение с помощью дымососа можно только на первых 3-4 метрах печного канала.

Контроль температурного режима обжига обеспечивается измерением температур в каждой секции печи над и под  роликами. Наиболее важные для процесса температуры фиксируются на самопишущих потенциометрах, а остальные отражаются показывающими приборами. Для измерения температур в печи применены термопары градуировок хромель-алюмель (ХА) в зонах подогрева и охлаждения и платино-платинородий (ПП) в зоне обжига. Во избежание деформации и поломки чехлов в зоне высоких температур термопары установлены вертикально.

На процесс обжига в  печи оказывает воздействие ряд  возмущающих факторов, основными  из которых являются: перерывы в подаче плитки в печь, изменение влажности плитки после сушки (перед печью), изменение температуры окружающей среды, изменение давления и теплоты сгорания газа. Возмущения сказываются прежде всего на температурном режиме печи и приводят к выпуску плиток ухудшенного качества или к выходу брака.

В целях обеспечения  требуемого качества обжига особое влияние  уделено автономности управления основными зонами печи и возможности регулирования температурного режима отдельно над и под роликами. Решение первой задачи позволяет управлять отдельно зонами печи, поддерживая в них необходимую температуру. Решение второй задачи позволят уменьшить деформацию плитки и тем самым предупреждает возможность появления брака и снижения скорости по этому показателю.

Особо ответственной задачей при создании системы регулирования для щелевой печи является правильное  секционирование газопровода. Ввиду разной реакции отдельных зон печи на возмущающие воздействия и специфичные динамические свойства этих зон разделению газопровода на секции должно предшествовать экспериментальное изучение печи.

Чтобы обеспечить возможность  управления подачей топлива к  группе горелок, на каждой секции газопровода  устанавливаются свои регулирующие органы, с помощью которых осуществляется автоматическое управление температурными режимами в зонах печи.

Применение для роликовых  печей инжекционных горелок с  диаметром сопел 1,2-1,5 мм, обеспечивающих оптимальное  сжигание газа при давлении 0,003-0,05 МПа, остро поставило вопрос о выборе регулирующего органа

подачи и регулирования газа. Значительное давление газа при небольшом  его 

расходе сделали невозможным использование  обычных заслонок малого сопротивления (ЗМС-30). Апробирование различных типов регулирующих органов для малых расходов газа показало, что наилучшими показателями обладают регулирующие краны типа КР. Предназначенные для использования в системах регулирования жидкого топлива, они с успехом применяются для регулирования расхода газа.

2. Анализ технологического процесса и его аппаратурного оформления с точки зрения задач автоматизации.

В строительной индустрии  к тепловым процессам относят  процессы сушки, пропаривания и прогрева железобетонных изделий, подогрев заполнителей, обжига керамзита и керамических изделий, процессы в котельных агрегатах и варочных котлах и др., а так же процессы охлаждения заполнителей бетонной смеси.

Системы автоматического  управления процессов нагрева и  сушки можно разделить по регулируемым величинам на две основные категории:          1) САР параметров теплоносителя или сушильного агента; 2) САР параметров нагреваемого и высушиваемого материала. САР параметров первой категории предназначены для автоматического регулирования температуры и влажности теплоносителя или агента сушки. Измерение средней влажности нагреваемых и высушиваемых материалов часто затруднено и связано с техническими трудностями, в связи, с чем этот класс САР в чистом виде имеет несколько ограниченное распространение.

Автоматическое управление процессом сушки и нагрева  сводится к проведению процесса в оптимальном режиме при максимальной производительности и экономичности, при обеспечении технологических свойств нагреваемого и высушиваемого материала.

В основе математического  описания тепловых процессов лежит  уравнение теплового баланса. Объекты строительной индустрии, в которых протекают тепловые процессы, как правило, обладают тепловой емкостью, оказывающей существенное влияние на динамику переходных процессов и, следовательно, на выбор системы автоматического управления и регулирования.

Подогреватели различных  типов и сушилки конвективного  типа являются весьма инерционными, их постоянные времени измеряются десятками минут.

Подогреватели и сушилки  токами высокой частоты, в кипящем  слое и другие являются сравнительно малоинерционными и характеризуются длительностью сушки от секунд до минуты. При подогреве, сушке и обжиге в зависимости от технологического процесса и схемы автоматизации автоматически контролируются и регулируются: температура нагрева материала, его влажность, разность температур входящего и выходящего теплоносителя или агента сушки, а так же количество теплоносителя.

Измерительные устройства, служащие для измерения указанных  параметров, так же являются инерционными, хотя их постоянная времени, как правило значительно меньше, чем регулируемый объект.

Применяемые для контроля температур термобаллоны, динамометры  и термопары описываются дифференциальным уравнением:

Т(dy/dt)+y=K·G,                                                                                          (1.1)

где: Т- постоянная времени чувствительного элемента;

К - коэффициент усиления;

G - температура, ^°К или ^°С.

Уравнение измерительного устройства (например, термопары с пневмопреобразователем) имеет вид:

Т_з (dP₁/dt)+P₁=K·G,                                                                                    (1.2)

где: Т_з - постоянная времени измерительного устройства;

Р₁ - давление воздуха на выходе измерительного устройства;

К - коэффициент усиления;

G - температура нагреваемого материала на выходе из установки.

Технологический прочес обжига строительных изделий и конструкций в туннельных печах происходит следующим образом: щелевая печь представляет собой туннель, оснащенный регистрами и трубопроводами для подачи пара во внутреннюю полость туннеля, гидравлическими затворами и вентиляторами для подачи атмосферного воздуха внутрь туннеля и выпуск его в период охлаждения изделия. Температура во внутреннем пространстве туннеля зависит от расхода газо-воздушной смеси в единицу времени. Чем больше расход газо-воздушной смеси в единицу времени, тем выше температура в туннельной печи. Поэтому для контроля и управления параметра температуры на линии подачи газо-воздушной смеси в печь в периоды подъема температуры и изотермической выдержки устанавливают соответствующий регулирующий орган, приводимый в движение исполнительным механизмом, получающего управляющие сигналы от программного регулятора температуры. В период охлаждения прекращается подача газо-воздушной смеси в туннель печи. Начинается подача газо-воздушной смеси к гидравлическим затворам печи, которые в результате этого открываются и происходит сообщение внутреннего пространства туннеля печи с атмосферным воздухом. Для создания потока воздуха, омывающего изделие, включают вентилятор. В процессе эксплуатации системы автоматизации возможен выход из строя регулирующего устройства контроля температуры. Поэтому необходимо предусмотреть возможность перехода системы управления и регулирование с автоматического режима управления на ручной режим управления.

3. Описание принципиальной схемы автоматического контроля и регулирования процесса обжига для конвейерной линии производства облицовочных плиток.

Целью автоматизации процессов, проходящих в щелевой печи, является программное регулирование температуры в туннеле печи. Программное регулирование осуществляется комплектом приборов. Датчик температуры воспринимает температуру и преобразует ее в сигнал изменения активного сопротивления чувствительного элемента. Этот чувствительный элемент включается в мостовую измерительную схему температур регулятора температуры. Регулятор температуры сравнивает полученное значение текущей  температуры с имеющимся значением заданной температуры. Затем определяется отклонение значения текущей температуры от значения заданной температуры, то есть определяется разница между этими значениями.

После определения отклонения текущего значения температуры от заданного значения температуры возможно протекание трех вариантов регулирования этих значений:

1. текущее значение температуры равно заданному значению температуры. В этом случае мостовая измерительная схема регулятора находится в равновесии. Состоянию равновесия соответствует значение выходного напряжения равное нулю. В таком случае никаких сигналов на исполнительные приборы не поступает.
2. текущее значение температуры больше заданного значения температуры. В таком случае мостовая схема регулятора выходит из состояния равновесия. При выходе мостовой схемы регулятора из состояния равновесия появляется выходное напряжение некоторой величины и определенной полярности. Далее это напряжение усиливается и формируется в сигнал, сигнал должен быть сформирован в соответствии с требованиями закона, которым описывается данный процесс. Такой сигнал поступает на исполнительный механизм. После того, как сигнал поступил на исполнительный механизм, данный исполнительный механизм начинает перемещение регулирующего органа, располагающегося на линии подачи газо-воздушной смеси в сторону закрытия. После таких действий наблюдается снижение расхода газо-воздушной смеси в туннель, в связи, с чем текущее значение температуры начинает понижаться. Этот процесс продолжается до тех пор, пока текущее значение температуры не станет равным заданному значению температуры. Как только эти два значения станут равными друг другу, действие исполнительного прибора прекращается. Таким образом, после ряда проведенных преобразований мостовая измерительная схема регулятора приходит в равновесие, выходное напряжение приобретает значение равное нулю, чему соответствует равенство значений текущей и заданной температуры. 

3. Текущее значение температуры  меньше, чем заданное значение температуры. В этом случае мостовая измерительная  схема регулятора выходит из состояния равновесия. Выходу мостовой измерительной схемы из равновесия соответствует появление выходного напряжения определенного значения противоположной полярности. Далее это напряжение усиливается и формируется в сигнал, сигнал должен быть сформирован в соответствии с требованиями закона, которым описывается данный процесс. Такой сигнал поступает на исполнительный механизм. После того, как сигнал поступил на исполнительный механизм, данный исполнительный механизм начинает перемещение регулирующего органа, располагающегося на линии подачи пара в сторону открытия. После таких действий наблюдается увеличение расхода газо-воздушной смеси, поступающего в щелевую печь, в связи, с чем текущее значение температуры начинает повышаться. Этот процесс продолжается до тех пор, пока текущее значение температуры не станет равным заданному значению температуры. Как только эти два значения стану равными друг другу, действие исполнительного прибора прекращается. Таким образом, после ряда проведенных преобразований мостовая измерительная схема регулятора приходит в равновесие, выходное напряжение приобретает значение равное нулю, чему соответствует равенство значений текущей и заданной температуры.

Таких постов устанавливается такое  количество, которое обеспечивает поддержание  функционирования системы автоматизации  на должном уровне. Количество постов определяется, исходя из длины туннеля печи.

Так организован процесс периода  подъема температуры и процесс  изотермической выдержки. В момент, когда заканчивается время изотермической выдержки, регулятор прекращает воздействие на регулирующие клапана (исполнительный прибор). После прекращения воздействия на исполнительный механизм клапана он закрывается. После закрытия этого клапана начинается воздействие на исполнительный механизм клапана. Как только начинается это воздействие, клапан открывается, и начинается поступление газо-воздушной смеси на гидрозатворы. Гидрозатворы открываются, и внутреннее пространство туннеля печи сообщается с атмосферой. Далее при помощи магнитного пускателя начинается запуск двигателя вентилятора. В результате, атмосферный воздух поступает в полость туннельной печи, он омывает и тем самым охлаждает изделия, находящиеся внутри туннеля печи. По средствам вентилятора и системы отчистки отработанного газа, имеющийся в полости туннельной печи, газ отсасывается и выбрасывается в атмосферу. По истечении времени, отведенного на охлаждение внутреннего пространства туннельной печи, система автоматически выключается.

Для обеспечения возможности перевода системы с автоматического управления на ручное управление и обратно используется избиратель управления, и для перевода системы с дистанционного управления на местное управление применяется другой избиратель управления. В этом случае для ручного и местного управления используются кнопки, которые выполняют функции управления и регулирования идентичные автоматическому управлению, описанному ранее.

На графической части формата  А1 представлена схема, где система  регулирования состоит из ряда независимых контуров регулирования температуры, воздействующих на подачу топлива в зоны подогрева и обжига, а также воздуха в зону охлаждения. Датчиками во всех контурах регулирования являются термопары (поз ТЕ 1-1 – 1-7, 5-1 – 5-4, 6-1 – 6-7). С целью повышения надежности работы системы контроля и регулирования применена принципиальная схема подключения термопар к приборам контроля и регулирования, иными словами, сигнал с одной термопары по двум парам компенсационных проводов одновременно подается на потенциометр и регулятор.

Использование для регулирования  температуры в зоне обжига сигнала  от обычной платинородиевой – платиновый термопары не обеспечивает необходимого качества регулирования, поскольку зона нечувствительности изготовленных регуляторов по постоянному току лежит в пределах 0,1 мВ. В градуировке ПП только эта зона нечувствительности составляет 10⁰С, в то время как процесс требует поддержания с такой точностью температуры в зоне обжига. Для увеличения чувствительности температурного датчика необходимо либо применять гипертермопару из последовательно соединенных термопар, ЭДС которой равна удвоенной ЭДС стандартной термопары, либо ставить термопару ХА в специальных чехлах из жаростойкой стали или фарфора.

Характерной особенностью схемы является ввод упреждающего сигнала о перерыве в подаче плитки в регулятор температуры зоны охлаждения утельной печи. С этой целью используется сигнал термопары, установленной в зоне подогрева печи. При перерыве в подаче плитки температура в этой зоне растет и ко времени подхода этого перерыва к зоне охлаждения достигает определенной величины, соответствующей установленному значению. При превышении температуры относительно заданной в зоне подогрева величины задания поворотная заслонка на трубопроводе подачи холодного воздуха в зону охлаждения автоматически закрывается независимо от значения температуры в зоне охлаждения. Тем самым обеспечивается требуемое качество регулирования температуры в этой зоне.

Применение описанной системы  автоматического регулирования  для управления процессом обжига позволяет поддерживать температурный  режим в зоне подогрева с точностью до 10⁰С, а в зоне обжига до 5⁰С.

Сравнительные испытания ручного  и автоматического управления процессом  обжига в роликовой печи показали, что стабилизация температурных режимов в печи способствует уменьшению выхода брака и повышению сортности продукции. Кроме того, наличие системы автоматического регулирования значительно облегчает труд обжигальщиков по управлению скоростным режимом обжига, сводя его к наблюдению за приборами контроля и регулирования, находящимися в щитовом помещении цеха. Из этого же помещения обжигальщик может дистанционно управлять механизмами печи и регулирующими органами на газо- и воздуховодах.

4. Спецификация оборудования

Таблица 1.

Список использованной литературы.

1. Г.Г. Зеличенок; «Автоматизация технологических процессов и учета на предприятиях строительной индустрии»; М.; «Высшая школа»; 1975.
2. Ю.Н. Тахциди, Ю.В. Никитин; «Проектирование систем автоматизации технологических процессов»; Казань; КГАСУ; 2006.

Содержание.

стр.

Введение…………………………………………………………………………..3

1. Автоматическое управление тепловыми

процессами в щелевых печах………………………………………………5

2. Анализ технологического процесса и его аппаратурного

оформления с точки зрения задач автоматизации……………………..8

3. Описание принципиальной схемы автоматического контроля

и регулирования процесса обжига для конвейерной линии

производства облицовочных плиток.……………………………………..10

Список использованной литературы…………………..……………………15

Перечень графического материала:

Функцианальная схема  автоматизации туннельной печи (лист А1).