Автоматизация процесса плавления алюминия в 20-тонной пла-вильной печи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автоматизация процесса плавления алюминия в 20-тонной плавильной печи

Основными задачам автоматизации 20-тонной печи плавления алюминия являются автоматический контроль процесса плавления, контроль состояния оборудования. К основным целям автоматизации, достигаемым за счет выполнения задач, можно отнести увеличение срока службы оборудования; увеличение качества расплава и производительности печи; уменьшение количества возникновений аварийных ситуаций; вывод работников, работающих вблизи печи, в более благоприятную зону.

Для контроля и регулирования многих параметров печи плавления используются автоматические устройства, с помощью которых при использовании средств вычислительной техники созданы автоматизированные системы управления технологическим процессом. Эффективность таких систем зависит от полноты учета параметров, определяющих процесс плавления, и от адекватности используемой управляющей модели.

Управление с помощью автоматизированных систем превосходит результаты, получаемые человеком, потому что оно осуществляется с помощью устройств, контролирующих большое количество разнообразных переменных, и, что особенно важно, в основе такого управления лежит математическая модель.

Плавильная печь как объект управления

Плавильная печь является сложным технологическим агрегатом. Параметры печи распределены в пространстве и испытывают взаимное влияние друг на друга.

Параметров, в достаточной степени характеризующих процесс, существенно больше, чем управляющих воздействий, а также имеет место транспортное запаздывание по всем каналам управления температурным режимом, который является основным показателем качества ведения технологического процесса.

На рисунке 2.1 показана плавильная печь как объект управления.

Рисунок 2.1 - Плавильная печь как объект управления

К входным параметрам процесса можно отнести следующие показатели: T^З_М - температура металла загружаемого в печь; W^З_М - состав сплава загружаемого в печь; G^З_М - количество загружаемого в печь металла; W^З_Л.Д. - состав легирующих добавок; G^З _Л.Д. - количество легирующих добавок; G_В (P_В) - расход (давление) воздуха для горения, а так же действующие на печь возмущения. промышленная плавильная печь технология

Основным возмущением является G_Т (P_Т) - расход (давление) топлива. Также к возмущениям относят изменение T^З_М, W^З_М, G^З_М, W^З_Л.Д., G^З _Л.Д..

Режимные параметры: T_М - температура расплавленного металла в печи; T_С.П. - температура свода печи; T_О.Г. - температура отходящих газов; P_О.Г. - давление отходящих газов; С_О2 - содержание кислорода в отходящих газах; T_Р - температура рекуператоров горелок.

Выходными параметрами являются T^В_М - температура расплавленного металла при переливе в миксер; W^В_М - состав расплавленного металла при переливе в миксер; G^В_М - количество расплавленного металла при переливе в миксер.

В качестве управляющих воздействий используют G_Т (P_Т) - расход (давление) топлива; G_В (P_В) - расход (давление) воздуха для горения.

Обоснование выбора контролируемых и регулируемых параметров

Контроль и автоматическое регулирование параметров процесса плавления имеют целью стабилизировать процесс таким образом, чтобы достичь требуемого качества готового продукта (температура и состав расплавленного металла при переливе в миксер) при максимальной производительности печи и наименьшем расходе энергоносителей (сжиженный нефтяной газ).

Контролю подлежат параметры, по которым осуществляется оперативное управление процессом, а также регулируемые и регулирующие параметры.

Наиболее сильные возмущающие воздействия поступают в печь при изменении расхода топлива, и изменении расхода воздуха для горения. Данные параметры оказывают влияние на протекание физико-химических реакций в печи.

Основным показателем процесса плавки является температура расплавленного металла. Данный параметр в значительной степени зависит от расходов воздуха и топлива. Для поддержания температурного режима на заданном уровне необходимо регулировать материальные потоки, поступающие в печь: расходы топлива и воздуха.

Расход топлива регулируется непосредственно по температуре расплавленного металла или температуре свода печи (регулирование осуществляется по наименьшему из этих двух значению).

Для более полного сжигания топлива, гарантии отсутствия недожога и большого перерасхода воздуха необходимо контролировать расход воздуха для горения. Регулирование расхода воздуха происходит по расходу топлива.

Воздух необходимый для горения проходит через рекуператор горелки, которая работает на горение, где он нагревается, охлаждая рекуператор. Отходящие газы проходят через рекуператор горелки, которая работает на вытяжку, нагревая его своим теплом. Поэтому необходимо контролировать температуру рекуператоров горелок для того, чтобы своевременно обеспечить переключение режима их работы и не допустить перегрева рекуператоров.

В связи с необходимостью не допустить разрывов или закупорок трубопроводов топлива, воздуха и отходящих газов, осуществляется контроль давления в этих трубопроводах.

Для предотвращения разрушения свода печи и механизма вытяжки от перегрева осуществляется также контроль температуры свода и температуры отходящих газов.

Описание функциональной схемы автоматизации

Функциональная схема является основным техническим документом, определяющим структуру отдельных узлов автоматического контроля, управления и регулирования процесса получения пара и оснащение парового котла приборами и средствами автоматизации.

Основными задачами автоматизированной системы управления технологическим процессом плавильной печи являются автоматический контроль и регулирование следующих параметров:

· температуры расплавленного металла - 730 °С;

· температуры свода печи - 1050 °С;

· расхода топлива (сжиженный нефтяной газ) - 0,44 м³/ч (197 м³/ч - газовой фазы);

· расхода воздуха для горения - 3400 м³/ч;

· контроль температуры рекуператоров - 180°С;

· контроль давления топлива в трубопроводе - 0,05 МПа;

· контроль давления воздуха в трубопроводе - 0,6 МПа;

· контроль давления отходящих газов - 0,15 МПа;

· контроль температуры отходящих газов - 1000°С.

Контроль и регулирование на перечисленных линиях всех перечисленных параметров металла осуществляется определенным набором средств автоматизации.

В качестве датчика для контроля температуры металла выбираем термоэлектрический преобразователь (термопару), который обладает унифицированным сигналом, воспринимаемым вторичным прибором без нормирующего преобразователя. При установке термопары в рабочее пространство она помещается в чугунный чехол, который заменяется по мере износа. Свободные концы термометра через колодку зажимов присоединяются к вторичному прибору или преобразователю. Для диапазона (180ч730) °С подходит термопара ТХА-0179, пределы измерения которой (-50ч900) °С.

В качестве вторичного прибора выберем показывающий и регистрирующий прибор ДИСК-250, предназначенный для измерения и регистрации активного сопротивления, силы и напряжения постоянного тока, а также неэлектрических величин, преобразованных в указанные сигналы. Прибор серии ДИСК-250 может работать с серийно выпускаемыми датчиками, не имеющими собственного источника питания, индуктивности, емкости. Прибор рассчитан на работу с входными сигналами от термопреобразователей сопротивления. Он обладает унифицированным выходным сигналом, что делает возможным его подключение к ЭВМ.

Сигнал с вторичного показывающего прибора ДИСК-250 поступает на модуль аналогового входа микроконтроллера. Здесь и во всех остальных цепях контроля и регулирования роль регулятора выполняет микропроцессорный контроллер. Сигнал от ДИСК-250 поступает также на ЭВМ. ЭВМ исполняет роль главного регистрирующего и показывающего прибора, в то время как ДИСК-250 исполняет роль дублирующего регистрирующего и показывающего прибора.

В качестве датчика для контроля температуры свода печи тоже выбираем термоэлектрический преобразователь. Для диапазона контролируемой температуры (100ч1050) °С подходит термопара ТПП-0679, пределы измерения которой от 0 до 1300 °С. Вторичным прибором в данной цепи также является ДИСК-250. Как и при контроле температуры ванны, сигнал от ДИСК-250 поступает на модуль аналогового входа микроконтроллера и на ЭВМ.

Контроллер получает сигналы от двух термопар, сравнивает их, выбирает меньшее значение, и осуществляет по нему регулирование в соответствии с заложенным законном регулирования, вырабатывая сигнал, который управляет исполнительным механизмом.

В качестве исполнительного механизма выбираем МЭО 40/25-0,63, а в качестве регулирующего органа вентиль 15с997нж, который устанавливается на трубопровод подачи топлива, так как регулирование температур металла и свода печи происходит за счет изменения расхода топлива. Управление исполнительным механизмом (пуск, останов, изменения направления движения) осуществляется бесконтактным устройством, пускателем типа ПБР-2М. Сигнал с контроллера поступает на пускатель через блок ручного управления БРУ-42, который также содержит в своем составе индикатор положения регулирующего органа.

В качестве первичного преобразователя для измерения расхода топлива выбрана диафрагма камерная ДК6. Измерение расхода диафрагмой осуществляется по методу переменного перепада давления. В качестве нормирующего преобразователя (для преобразования пневматического сигнала в электрический) используется датчик давления Метран-22-ДД-2440, предназначенный для непрерывного преобразования разности давлений в унифицированный выходной сигнал. Так как при измерении расхода методом переменного перепада давления происходит сравнение двух сигналов, то на выходе нормирующего преобразователя подключен блок извлечения корня - БИК.

Изменение расхода топлива влечет за собой изменение расхода воздуха для горения. Первичным преобразователем измерения расхода воздуха выбрана диафрагма камерная ДК16. В качестве нормирующего преобразователя используется датчик давления Метран-22-ДД-2450. Далее подключается БИК.

Сигнал с каждого канала попадает на вторичный прибор ДИСК-250, свой для каждого канала. От приборов ДИСК-250 сигналы поступают на микроконтроллер и ЭВМ. Контроллер сравнивает сигналы и вырабатывает сигнал, управляющий исполнительным механизмом, для восстановления заданного соотношения расходов топлива и воздуха, путем изменения расхода воздуха.

В качестве исполнительного механизма выбираем МЭО 40/25-0,63, регулирующего органа - 15с997нж. Линия так же содержит в своем составе БРУ-42 и ПБР-2М.

Для контроля температуры рекуператоров в качестве первичного преобразователя для каждого рекуператора выбираем термоэлектрический преобразователь ТХА-0179. Сигналы с термопар поступают на приборы ДИСК-250, а от них на контроллер и ЭВМ Контроллер вырабатывает управляющий сигнал, когда необходимо переключение режима работы горелок. Сигнал с контроллера поступает на группы исполнительных механизмов, расположенных на индивидуальных для каждой горелки трубопроводах подачи топлива, воздуха и трубопроводе отходящих газов. Он вызывает открытие трубопроводов топлива, воздуха и закрытие трубопровода отходящих газов на одной горелке, и противоположные действия на другой.

В качестве исполнительных механизмов для каналов топлива и воздуха выбираем МЭО 40/10-0,25, а регулирующих органов - вентиль 15с997нж. В качестве исполнительных механизмов для трубопроводов отходящих газов выбираем МЭО 100/10-0,25, регулирующих органов - поворотный клапан 19с941нж. Исполнительные механизмы приводятся в действие пускателями ПБР-2М.

Для контроля давления топлива в качестве первичного преобразователя выбран Метран-22-ДА-2040, для контроля давления воздуха - Метран-22-ДА-2050, для контроля давления отходящих газов - Метран-22-ДА-2050, для контроля температуры отходящих газов - термоэлектрический преобразователь ТХА-0496. Сигналы с этих приборов поступают на соответствующие каждому прибору вторичные приборы ДИСК-250. От приборов ДИСК-250 сигналы поступают на микроконтроллер и ЭВМ. Сигнал, вырабатываемый контроллером в случае отклонения одного из контролируемых параметров от заданного значения, поступает на исполнительный механизм, который связан с регулирующим органом, расположенным на трубопроводе подачи топлива. Сигнал вызывает перекрытие канал и отключение горелок.

Выбор микропроцессорного контроллера и ЭВМ

Проектом предусматривается создание двухуровневой системы управления и контроля технологического процесса.

Первый уровень технических средств включает в себя приборы и аппаратуру контроля и регулирования (датчики дискретных и аналоговых сигналов, преобразователи, регулирующие органы и исполнительные механизмы, пусковая и коммутирующая аппаратура, контроллер для сбора и обработки данных).

Ко второму уровню относится центральная рабочая станция, реализующая функции контроля работы и состояния основного оборудования, выбора режима управления, логической обработки сигналов, вывода информации о состоянии технологических объектов на экран монитора, накопления и передачи данных. Контроллер объединен с центральной рабочей станцией в единую локальную вычислительную сеть и после начальной загрузки функционирует автономно, но может, по требованию, передавать и принимать информацию с верхнего уровня.

В целом система предусматривает следующие виды управления:

· супервизорное (использование центральной рабочей станции для воздействия на регулирующие контроллеры для запуска, останова оборудования, регулирования установок, отображения и хранения информации технологических параметров);

· автоматическое (при использовании контроллера в качестве непосредственного элемента контроля и управления);

· ручное (дистанционное).

В данной системе контроллер занимает очень важное место. Он является центральным звеном системы и выполняет все операции по контролю и регулированию параметров процесса.

В локальных системах автоматического контроля, регулирования и управления широкое применение находит контроллер Simatic S7-400. Программируемый контроллер Simatic S7-400 является свободно программируемой системой управления с памятью для задач малой и средней сложности. Он удовлетворяет всем требованиям, которые предъявляются к современным системам автоматизации.

Контроллер Simatic S7-400 построен по модульному принципу, причем различные функции автоматизации реализованы в нем с помощью различных модулей, то есть собранный S7-400 полностью приспособлен к данному технологическому процессу.

Отдельными компонентами его являются:

· блок питания;

· центральный модуль;

· модули ввода/вывода;

· модули преобразовательной обработки сигналов;

· коммуникационные процессоры.

Блок питания PS 407 преобразует из сетевого напряжения 120/230В переменного тока или 24В постоянного тока в рабочее напряжение для ПК и подпитывает память RAM от батареи при отключенном напряжении питания. Кроме того, выполняет функции контроля напряжения и выдачи сообщений.

Модуль центрального процессора (CPU) считывает информацию о состоянии сигналов на входах, выполняет программу управления и устанавливает сигналы на выходах. Программу управления можно вводить в CPU через программатор или через модуль памяти. CPU является мозгом программируемого контроллера. Он выполняет программу управления. В зависимости от мощности задачи управления, которая стоит перед контроллером Simatic S7-400 выбран центральный процессор СРU 414-1. С помощью процессора CPU 414-1 можно работать с аналоговыми модулями и стандартными пакетами программ регулирования, т.к. в операционную систему этих процессоров встроен алгоритм PID-регуляторов. Возможное время опроса регулируемого контура - от 100 мс.

Модули входов/выходов являются интерфейсами, узлами связи датчиков и исполнительных механизмов с системой управления. Модули входов/выходов в S7-400 дают пользователю возможность удобного управления с помощью быстрого монтажа, механического кодирования и достаточного места для надписи на разъемах модулей.

При должной комплектации и программировании один контроллер типа S7-400 способен контролировать всю линию бесслитковой прокатки, частью которой является 20-тонная печь плавления.

Важное место в системе занимает ЭВМ. Наличие достаточно мощной электронной вычислительной машины позволяет упростить структуру системы контроля и регулирования. Введение ЭВМ в структуру системы позволяет перевести на нее функции регистрирующих и показывающих приборов, что позволит исключить эти приборы из системы. Программируемый интерфейс вывода на экран позволяет довести данные до пользователя в наиболее удобной и благоприятной для восприятия форме. Так же ЭВМ позволяет длительное время хранить данные, полученные в результате работы. Подключение ЭВМ к контроллеру позволит использовать ее в супервизорном режиме, то есть оказывать в случае необходимости непосредственное влияние на систему управления и процесс.

Для данной системы выбираем ЭВМ на базе процессора Intel Pentium 4 с тактовой частотой 2000 МГц. Такая машина является достаточно мощной для того, чтобы при необходимости решать одновременно несколько задач. ЭВМ так же является и программатором для контроллера Simatic S7-400. Машина комплектуется операционной системой Windows 2000, пакетами для программирования контроллера - STEP 7 и STEP 7-Micro/Win-32, пакетом Genesis-32 для разработки SCADA систем.

Программирование микроконтроллера

Язык программирования STEP 7 обеспечивает поддержку всех этапов разработки проекта:

· конфигурирование и параметрирование аппаратуры;

· определение коммуникационных связей;

· программирование;

· тестирование, отладку, запуск и обслуживание системы;

· документирование и архивацию данных.

На рисунке 2.2 представлена блок-схема программы контроллера.

Рисунок 2.2 - Блок-схема программы контроллера

Размещено на Allbest.ru