- подсистема прогноза содержания серы в огарке и содержания SO₂ в обжиговых газах.

Каждая из перечисленных подсистем может работать в трех режимах:

- автоматического управления с корректировкой задания подсистем от координирующей программы;

- автономного автоматического управления по заданию, вводимого оператором-технологом в ПЭВМ с клавиатуры;

- дистанционного управления с пульта АСУ оператором-технологом.

В состав АСУТП обжигового комплекса также входит ряд информационных подсистем:

- подсистема представления на мониторе текущей информации по запросу оператора-технолога с автоматической коррекцией выдаваемых значений по результатам очередного цикла опроса датчиков и расчета показателей;

- подсистема автоматического контроля достоверности показаний датчиков содержания SO₂ перед дымососом и перед сернокислотным цехом (СКЦ) с помощью адаптивной модели;

- подсистема контроля и регистрации сообщений по инициативе ПЭВМ об отклонениях от нормы аналоговых сигналов и расчетных показателей, а также при переключении агрегатов, механизмов, изменений режимов управления;

- подсистема ввода данных химанализов и результатов ручных изменений грансостава огарка и др.;

- подсистема диагностики неисправностей ПЭВМ и внешних устройств и восстановления работоспособности системы.

Для реализации указанных функций необходима технологическая информация, источниками которой служат физико-химические анализы, показания датчиков. Информация о значениях всех управляемых и контролируемых параметрах передается через блоки ввода-вывода устройства связи с объектом ТВСО СМI6З4 непосредственно в ПЭВМ. Оператор-технолог по мере необходимости с помощью клавиатуры вводит в ПЭВМ результаты анализов, а также данные об изменении режимных параметров и настроечных коэффициентов.

ПЭВМ совместно с устройством связи с объектом реализует следующие функции:

- опрос источников информации;

- обработку полученной информации (масштабирование, усреднение, проверку на достоверность) и обновление информационной базы АСУТП;

- расчет управляющих воздействий в соответствии с алгоритмами управления;

- вывод информации на экран монитора в виде мнемосхем, таблиц и графиков, а также вывода информации на печатающее устройство;

- вывод управляющих дискретных сигналов на задатчики регуляторов. [7]

2.3 Назначение и функциональная структура АСУТП обжига

Целью создания АСУТП обжига является решение задач оптимального управления технологическим режимом для улучшения технико-экономических показателей процесса обжига. Критерием качества работы АСУТП является обеспечение заданной точности управления, определяемой величиной дисперсии колебания показателей качества, и поддержанием их на заданных условиях.

АСУТП обжигового комплекса предназначена для автоматического управления и контроля технологического процесса обжига и решает следующие задачи:

- автоматизированное управление процессом с корректировкой ПЭВМ заданий отдельным контурам стабилизации;

- автоматическое управление отдельными технологическими параметрами;

- автоматический сбор, обработку и представление информации на экране монитора и пульте АСУ.

АСУТП реализует информационные и управляющие функции по управлению процессом обжига.

К информационным функциям АСУТП обжига относятся функции, содержанием которых является получение и преобразование информации о состоянии технологического объекта управления или АСУТП и ее представление технологическому персоналу, и в системы управления. К этим функциям относятся:

-автоматический контроль сигналов АСУТП (температура в кипящем слое и под сводом, расход дутья, подаваемого в слой; давление в воздушной коробке печи; давление (разряжение) под сводом печи; расход и качество исходной шихты; количество и качество получаемого огарка; содержание SО₂ в отходящих газах);

- представление технологических параметров в натуральных единицах;

- оценивание достоверности и формирование информационной базы АСУТП;

- контроль состояния оборудования технологического объекта управления;

- определение показателей, характеризующих качество функционирования АСУТП и ее частей.

К управляющим функциям АСУ ТП относятся функции, содержанием которых является выработка и реализация управляющих воздействий на технологический объект управления и АСУТП или их частей:

- автоматическое управление основных технологических параметров (заданным расходом шихты в печь КС; расходом дутьевого воздуха в подину; расходом пыли, подаваемой в печь КС);

- стабилизация основных технологических параметров (расхода дутьевого воздуха в форкамеру; расхода дутьевого воздуха в течку; давления (разряжения) под сводом печи; стабилизация веса материала в ванне печи);

- переключение комплекса технических средств на аварийные источники питания.

2.4 Характеристика комплекса технических средств (КТС) АСУТП

2.4.1 Структура КТС АСУ ТП

В состав КТС, предназначенных для функционирования АСУТП, кроме средств получения, преобразования, передачи и отображения информации входят управляющие, вычислительные и исполнительные устройства. Сбор, обработка, хранение и выдача управляющих сигналов осуществляется с помощью ПЭВМ промышленного исполнения совместно с устройством связи с объектом ТВСО СМ1634.

Структура АСУ ТП - иерархическая, имеет два уровня управления.

Нижний уровень представлен различными датчиками аналоговых и дискретных сигналов, регуляторами, нормирующими преобразователями сигналов и др. Верхний уровень, как уже было сказано выше, представлен ПЭВМ IBM РС(386) и устройством связи с объектом ТВСО СМI6З4.

Таким образом, техническое обеспечение АСУТП включает в себя полный набор средств автоматизации и вычислительной техники, достаточный для выполнения всех функций системы.

На центральном пункте системы постоянно работает оператор-технолог, который наблюдает за функционированием системы, а также организует работу системы в дистанционном режиме в случае неисправности микропроцессорного устройства или другого оборудования АСУТП. На местном посту управления размещены щиты с контрольно-измерительными приборами и регуляторами. В случае аварии предусмотрена возможность управления всеми регулирующими органами по инструкции.

2.4.2 Назначение и функции КТС

КТС обжигового отделения предназначен для выполнения следующих функций:

- сбор информации и первичная обработка сигналов (динамический анализ дискретных сигналов, определение действующих значений технологических параметров);

- обслуживание систем автоматического контроля и регулирования (выявления сбоев в работе аппаратуры контроля и управления, проверка достоверности информации, формирование сообщений об отказах, формирование управляющих воздействий);

- обслуживание оператора-технолога: представление сообщений о работе основного оборудования аппаратуры АСУТП, работа с базой данных;

- блокировка энергоемких видов оборудования независимыми от АСУТП системами безопасности и отключения в аварийных ситуациях;

- обеспечение затворов, задвижек и управляемых заслонок указателями крайних положений с передачей показаний в АСУ ТП;

- снабжение необходимого оборудования датчиками контроля и органами управления гальванической развязки цепей.

Для обеспечения простоты эксплуатации компоновка КТС АСУ ТП производится из блоков-модулей.

На нижнем уровне находится шкаф управления агрегатами, в котором собраны преобразователи, средства контроля, кнопочные станции, магнитные пускатели, средства электрической защиты. Этот уровень обеспечивает:

- оперативное наблюдение за технологическим процессом;

- автоматическое регулирование основных технологических параметров;

- блокировку и ручное управление агрегатами передела в случае отказа средств автоматизации.

ПЭВМ, соединенная через УСО ТВСО СМ1634 с нижним уровнем управления, обеспечивает:

- обработку технологической информации;

- оптимальное управление технологическим процессом;

- оперативное представление информации технологическому персоналу для принятия решений по поддержанию заданных оптимальных режимов работы печи.

Проектируемая АСУТП обжига реализует управление процессом обжига в супервизорном режиме. Главное достоинство супервизорного режима заключается в том, что в нем вычислительный комплекс не только непрерывно контролирует процесс, но и автоматически удерживает оптимальный тепловой режим в печи. Кроме того, данный режим управления повышает надежность всей системы в целом, так как, например, при отказе одного микроконтроллера его функциональные возможности и задачи автоматически перераспределяются между другими микроконтроллерами под общим контролем ЭВМ.

Для управления процессом обжига применяется трехуровневая система управления:

- первый уровень обеспечивает стабилизацию основных технологических параметров процесса;

- второй уровень обеспечивает сбор и обработку технологической информации о процессе и расчет управляющих воздействий;

- третий уровень решает оптимизационные задачи управления локальными системами стабилизации нижнего уровня.

Назначение КТС АСУТП нижнего уровня:

1. опрос датчиков исходной информации.

2. обработка информации по заданным алгоритмам;

3. расчет и выполнение управляющих воздействий;

4. подготовка данных для задач анализа технологии, состояния объектов управления.

На верхнем уровне управления реализуются следующие задачи:

1. обслуживание функций обмена информацией с микропроцессорными устройствами нижнего уровня и обновление информации в базе данных;

2. проверка соблюдения технологических границ для основных технологических параметров;

3. формирование и выдача документов и сообщений;

4. обслуживание диалога оператора-технолога с УВК и протокола работы АСУ ТП;

5. автоматический рестарт задач АСУ ТП.

Разделение этих задач на отдельные операции и группировка их по динамическому признаку позволяет организовать два цикла работы УВК, которые реализуют все перечисленные функции в реальном времени. Первый цикл (оперативный) обусловлен необходимостью своевременного обнаружения событий, сообщений и запросов и адекватной реакции на них. Второй цикл (полуоперативный) обусловлен необходимостью разгрузки оперативного цикла за счет задач, не требующих высокой частоты обращения к процессу. [8]

В данном проекте модернизация КТС действующей АСУТП предусматривается на базе программируемого логического микроконтроллера типа АL2000S (Autolog 2000S фирмы FF-ELEKTRONIKA FREDRIKSSON) и современных технических средств, имеющих унифицированный токовый сигнал 0....20 mА.

Перечень аналоговых сигналов для одной печи обжига.

1. Контроль расхода воздуха на подину, форкамеру

2. Контроль расхода кислорода на подину и форкамеру

3. Контроль давления воздуха на подину, форкамеру

4. Контроль давления кислорода на подину и форкамеру

5. Контроль разрежения газов под сводом и в газоходе

6. Контроль расхода концентрата и оборотной пыли

7. Контроль температуры в слое, под сводом и в газоходе

8. Контроль концентрации влаги в концентрате

9. Контроль концентрации SO₂ в отходящих газах

10. Контроль содержания серы в концентрате и огарке

Перечень дискретных сигналов и их характеристики.

1.Контроль уровня кипящего слоя

2. Контроль положения заслонок

3. Контроль режима работы эл. двигателей

4. Контроль режима работы разгрузочного устройства

5. Контроль режима работы шнекового питателя

6. Контроль режима работы ленточного транспортера

Выбор модулей ввода-вывода для контроллеров АСУТП.

Выбор типа и количества контроллеров, реализующих средний уровень в системе управления, определяется:

- функциональным назначением контроллеров,

- распределением между контроллерами функций управления по аппаратурно-технологическому признаку.

Функциональные возможности контроллеров -- количество задач, обеспечивающих сбор, обработку информации и формирование командных сигналов -- зависят от двух показателей:

- от количества входных и выходных сигналов (количество модулей УСО);

- от мощности стандартного математического обеспечения, поставляемого с контроллером.

Варианты выбора типа контроллеров и их количества, учитывающие два названных показателя, должны сочетаться с распределением между контроллерами задач управления по технологическому признаку. Для обеспечения унификации программных средств и облегчения условий эксплуатации, целесообразно загружать отдельные контроллеры типовыми задачами, относящимися к однородному классу технологических объектов.

В проектируемой АСУТП в качестве контроллера среднего уровня управления используется программируемый микроконтроллер “Autolog-2000”, в котором программно реализованы все управляющие алгоритмы.

АL 2000 построен по модульному принципу. Благодаря этому, его конфигурация может компоноваться оптимально для решения самых разнообразных задач автоматизированного управления или сбора данных.

В состав комплекса АL 2000 входит широкий набор модулей ввода-вывода, сопроцессорные модули, пользовательские терминалы, а так же модули, обеспечивающие дополнительные каналы связи по последовательным интерфейсам или локальной сети ETHERNET.

Несколько комплексов АL 2000 могут быть связаны друг с другом с помощью последовательного интерфейса. Центральный процессорный модуль оборудован двумя портами RS-232С и одним портом RS-422/485. Протоколом обмена информацией для АL 2000 служит стандартный протокол MODICON MODBUS для последовательного обмена. Протокол MODBUS позволяет подключить к одному последовательному каналу до 247 периферийных устройств.

ЭВМ (ПК) в качестве рабочей станции может подключаться к AL 2000 с использованием локальной сети ETHERNET или MODBUS. В последнем случае ЭВМ работает по отношению к АL 2000 в режиме ведущего устройства.

Комплексы АL, соединенные с одной или несколькими рабочими станциями, образуют систему автоматизации АL.

Системы АL -- современный, высокоэффективный путь создания систем автоматизации и сбора данных любой степени сложности.

Компоновка АL 2000 заключается в выборе модулей ввода-вывода. При этом если необходимое количество модулей ввода-вывода не помещается в одном монтажном каркасе, можно использовать дополнительный. Гнездо для установки центрального процессорного модуля в дополнительном монтажном каркасе остается пустым.

Монтажные каркасы могут быть следующими:

- МR 2: вмещает 2 модуля ввода-вывода (до 64 входов-выходов);

- МR 5: вмещает 5 модулей ввода-вывода (до 160 входов-выходов),

- МR 11: вмещает 11 модулей ввода-вывода (до 352 входов-выходов);

- МR 16: вмещает 16 модулей ввода-вывода (до 512 входов-выходов).

Возможные комбинации:

MR 5+MR 5 MR 5+MR 11 MR 5+MR 16

MR 11+MR 11 MR 11+MR 16 MR 16+ MR 16

Дополнительный монтажный каркас подключается к основному с помощью плоского кабеля FС 50 или FС 100.

Модули ввода-вывода контроллера AL 2000.

Центральный процессорный модуль СРU 2000М:

- 16-32К программы пользователя;

-2 последовательных порта RS 232;

- 1 последовательный порт RS 485;

- 1 шина 1²С;

-часы и календарь;

- математический сопроцессор.

Модуль аналогового ввода АIС16:

-16 входов Рf100, либо токовых входов

(стандартные диапазоны: 0.. .20 mА или 4... 20 mА)

или входов напряжения

(стандартные диапазоны: 0... 5 В или 0... 10 В);

- модуль имеет встроенный процессор;

- входы изолированы по группам;

- предусмотрена возможность расширения посредством применения модулей ввода АМС 16.

Модуль дискретного ввода DIC32DC:

-32 входа 24 В постоянного тока (не более 8 mА/вход);

- входы изолированы группами по 8.

Модуль дискретного вывода DOC32EP:

- электронная система защиты от перенапряжения;

- 32 выхода 20 В постоянного/переменного тока 1 А;

- выходы изолированы группами по 16.

С учетом контролируемых и регулируемых параметров компоновка контроллера для одной печи будет включать:

3 модуляАIС16

1 модуль DIC 32DC модули ввода-вывода

1 модуль DOC 32EP

1 модуль POWAC (модуль источников питания)

1 модуль PCON 230 (модуль подключения питания)

1 модуль CPU 2000S (центральный процессорный модуль)

1 модуль SSD (модуль расширения памяти)

1 модуль MOD (модуль управления модемом)

1 каркас MR 5

2.4.3 Методы контроля и метрологическое обеспечение

Во всех случаях обжиг в кипящем слое можно успешно вести только при условии правильного соблюдения нормального технологического режима. Для этого необходим точный и непрерывный контроль параметров процесса. Основные объекты контроля при обжиге в кипящем слое цинковых сульфидных материалов следующие: температура в кипящем слое и под сводом; расход воздуха, подаваемого в слой; давление в воздушной коробке печи (тяговый режим); расход и качество исходной шихты; содержание серы в полученном огарке; содержание сернистого ангидрида в отходящих газах; количество и качество получаемого огарка.

Один из главных контролируемых и регулируемых параметров процесса -- температура. Вместе с тем, температура кипящего слоя -- труднейший параметр для контроля.

Для того, чтобы определить температуру обжига, в печи устанавливают термопары ТХА, являющиеся первичными приборами. Вторичными приборами служат потенциометры. В области кипящего слоя устанавливают четырёхзонную термопару в различных точках по периметру кипящего слоя. Такая система позволяет вовремя обнаружить нарушение процесса. При начавшемся местном залегании слоя доступ сульфидного материала в это место затрудняется или прекращается совсем. Поэтому температура в области залегания резко падает, хотя в остальной части слоя процесс обжига еще может идти долгое время. Наличие термопары в месте расстройства процесса позволяет быстро обнаружить ненормальное явление и принять меры для ликвидации его. Чрезмерное повышение температуры процесса может привести к оплавлению материала с последующим настылеобразованием и аварийной остановке печи. Поэтому, весьма важно непрерывно и точно контролировать температуру.

Трудность температурного контроля заключается в плохой стойкости защитных чехлов термопар из-за весьма тяжелых условий, в которых должны работать чехлы. Защитный чехол горячего спая термопары в условиях обжига цинкового концентрата в кипящем слое должен отвечать следующим требованиям:

- чехол должен иметь низкую теплоизоляционную способность, т.е. высокую теплопроводность и сравнительно малую толщину, что обеспечивает его малую тепловую инерцию;

- чехол должен быть термостойким;

- материал чехла должен быть стойким против высокотемпературного воздействия кислорода и сернистого газа и инертным при его химическом воздействии с сульфидными и кислородными соединениями цинка;

- чехол должен обладать высокой газонепроницаемостью при температурах до 1100°С;

- чехол должен обладать высокой абразивной стойкостью и прочностью на динамические удары при температурах до 1100 °С.

Все термопары на печах КС установлены в стальные блоки. Эти блоки могут стоять несколько месяцев. После четырех месяцев непрерывной работы печи блоки с наружной стороны обгорают на 5 - 15 мм. Занижение показаний температуры в слое тем значительней, чем (при прочих одинаковых условиях) более нестационарнее тепловой режим.

Расход воздуха, поступающего в печь на обжиг, определяется с помощью расходомеров. В качестве вторичных приборов устанавливают дифференцированные

манометры. При наличии в печи загрузочной камеры обычно устанавливают два расходомера: один на загрузочную камеру, другой - на рабочую.

Для контроля давления дутья устанавливают манометрические датчики в каждую секцию дутьевой камеры. На щитах пульта оператора устанавливают самописцы давления в дутьевой секции загрузочной камеры и одной из секций основной части подины. По месту устанавливают показывающий прибор давления во всех секциях дутьевой камеры.

Для контроля за концентрацией сернистого ангидрида в газоходе устанавливают трубчатое заборное устройство. Анализатор -- автоматический с записью на вторичном приборе. Недостатком схемы является частое забивание заборного устройства и по этой причине искажение истинной динамики изменения концентрации сернистого газа.

Расход загружаемого сульфидного материала контролируется тензометрическими весоизмерителями в комплекте с вторичным самописцем.

Все сигналы поступают на ЭВМ, где происходит их обработка и архивация в течение заданного промежутка времени. [8]

Все технические средства, разработанные в последние года, но отвечающие изложенным выше требованиям, представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 Автоматизация и КИП печи обжига

№ прибора

Позиц. обознач. по проекту

Наимен. параметра или механизма

Функция устройства

Предел изм. или перепад датчика

Среда и место установки

Тип датчика аппаратуры и место установки

Вид сигнала

Контроллер

Количество

По месту

На панели

ввод

вывод

ПА

П

1

19а

ТХА(К)

измерение

-200… +1300С

Температура отх. газов после котла-утилизатора

+

КСП4

Аналоговый 0-100мВ

AIC16

1

2

18а

ТХА(К)

измерение

-200… +1300С

Температура отх. газов перед котлом-утилизатор.

+

КСП4

Аналоговый 0-100мВ

AIC16

1

3

16а

ТХА(К)

измерение

-200… +1300С

Температура под сводом печи

+

КСП4

КСП2

Аналоговый 0-100мВ

AIC16

1

4

15а

ТХА(К)

измерение

-200… +1300С

Температура в слое

+

КСП4

КСП2

Аналоговый 0-100мВ

AIC16

1

5

12а

Сапфир-22-ВН

измерение

0,4-0,55 кгс/см2

Давление воздуха на подину

+

КСМ3

Аналоговый 0..5, 4-20 мА

AIC16

1

12'

МЭО-87

регулирование, положение ИМ

+

Дискретный 0-24 В

DIC32DC

DOC32EP

1

6

8а

Сапфир-22-ВН

измерение

0,4-0,55 кгс/см2

Давление воздуха на форкамеру

+

КСМ3

КСМ2

Аналоговый 0-20 мА

AIC16

1

8'

МЭО-87

регулирование, положение ИМ

+

Дискретный 0-24 В

DIC32DC

DOC32EP

1

7

17а

Сапфир-22-ДВ

измерение

10-25 кгс-см2

Разрежение под сводом

+

КСД3

Аналоговый 0-20мА

AIC16

1

8

6а

ЛТМ-1

измерение

10-40 т/час

Расход шихты в форкамеру

+

КСП2

КСП2

Аналоговый 0 -24В

AIC16

1

6'

МЭО-87

регулирование, положение ИМ

+

Дискретный 0-24 В

DIC32DC

DOC32EP

1

9

11а

Сапфир22М-ДД

измерение

13-18 тыс.нм3/час

Расход воздуха на подину

+

КСУ2

КСУ2

Аналоговый 0-20мА

AIC16

1

11'

МЭО-87

регулирование, положение ИМ

+

Дискретный 0-24 В

DIC32DC

DOC32EP

1

10

7а

Сапфир22М-ДД

измерение

2,5-5,0 тыс.нм3/час

Расход воздуха на форкамеру

+

КСУ2

КСУ2

Аналоговый 0-20мА

AIC16

1

7'

МЭО-87

регулирование, положение ИМ

+

Дискретный 0-24 В

DIC32DC

DOC32EP

1

11

20а

ДИСК-108

измерение

8-16%

Содержание SO2 в газах перед циклоном

+

KCT4

KCT4

Аналоговый 0-20мА

AIC16

1

12

24а

Сапфир22М-ДД

измерение

1,5-3,0 тыс.нм3/час

Расход отходящих газов

+

КСУ2

Аналоговый 0-20мА

AIC16

1

13

3а

Гамма-реле

сигнализация

Уровень верхний в бункере концентрата

+

Дискретный 0-24В

DIC32DC

1

14

4а

Гамма-реле

сигнализация

Уровень нижний в бункере концентрата

+

Дискретный 0-24В

DIC32DC

1

15

22а 26а

Гамма-реле

сигнализация

Уровень верхний в бункере пыли

+

Дискретный 0-24В

DIC32DC

2

16

23а 27а

Гамма-реле

сигнализация

Уровень нижний в бункере пыли

+

Дискретный 0-24В

DIC32DC

2

17

21а

ТСМУ-205

измерение

0..100?С

Температура пыли в бункере

+

TCM

КСП2

Аналоговый 0-20мА

AIC16

1

18

1а

ЛТМ-1

измерение

0-30 т/час

Расход концентрата в бункер

+

Аналоговый 0-20мА

AIC16

1

19

5а

измерение

0-100%

Задание скорости питателю

+

Аналоговый 0-20мА

AIC16

1

20

2а

ПР-1024МВ

измерение

5-12%

Влажность концентрата

+

KCM 2

Аналоговый 0-20мА

AIC16

1

21

10а 14а

Сапфир-22-ВН

измерение

0-0,4 кгс/см2

Давление кислорода на подину и форкамеру

+

КСМ3

КСМ2

Аналоговый 0-20мА

AIC16

2

10' 14'

МЭО-87

регулирование, положение ИМ

+

Дискретный 0-24 В

DIC32DC

DOC32EP

2

22

9а 13а

Сапфир-22М-ДД

измерение

0-4,0 тыс.нм3/час

Расход кислорода на подину и форкамеру

+

КСУ2

Аналоговый 0-20мА

AIC16

2

9' 13'

МЭО-87

регулирование, положение ИМ

+

Дискретный 0-24 В

DIC32DC

DOC32EP

2

23

25а

ТХА(К)

измерение

-200… +1300С

Температура огарка

+

КСП4

КСП2

Аналоговый 0-100мВ

AIC16

1

2.5 Информационное обеспечение АСУ ТП

2.5.1 База данных АСУ ТП

База данных с информацией АСУ ТП разбивается на главную информационную базу верхнего уровня и архив данных АСУ ТП.

Главная информационная база (ИБ) ПЭВМ содержит информацию системы, получаемую посредством обработки действующих значений технологических параметров и кодов состояния оборудования и аппаратуры управления.

ИБ верхнего уровня содержит массивы первичной обработки сигналов, массивы действующих значений технологических параметров и массивы нормативно-справочной информации (НСИ) для системы автоматического контроля и регулирования технологических параметров. ИБ ПЭВМ содержит действующие значения следующих технологических параметров: расход воздуха на подину и форкамеру, расход кислорода на подину и форкамеру, давление воздуха на подину и форкамеру, давление кислорода на подину и форкамеру, расход концентрата, разряжение под сводом печи, содержание 0₂ в газах, температура в слое и под сводом печи, разряжение и температура до и после циклона.

Содержание НСИ представлено двумя разделами:

- данные для проверки сигналов на достоверность и технологические границы для вычисления действующих значений параметров по достоверным сигналам;

- параметры законов регулирования температурных процессов на участке обжига.

Проверка исходных сигналов на достоверность осуществляется периодически посредством сравнения кода АЦП, соответствующего мгновенному значению параметра, с заданным значением кода АЦП, соответствующим ограничению снизу на реальные численные значения этого параметра.

Вычисление действующих значений технологических параметров по кодам АЦП выполняется по формулам масштабирования за период времени усреднения (время, использованное для регулирования).

Главная ИБ ПЭВМ содержит информацию, необходимую для проверки эффективности протекания процесса обжига. Таким образом, она содержит информацию, необходимую для формирования промежуточных документов АСУ ТП обжига.

Технологическая информация с файлами численных значений технологических параметров содержит:

- действующие значения технологических параметров;

- значения показателей работы оборудования: положение исполнительных механизмов, режим работы регуляторов, исправность первичных приборов (датчиков) и т.д.

Сменная информация с файлами значений отчетных технологических параметров содержит:

- средние значения технологических параметров за период времени 6-8 часов;

- среднеквадратичные значения регулируемых значений;

- длительность отклонения каждого регулируемого параметра, каждого контура автоматического контроля датчиков.

Суточная информация с файлами численных значений отчетных технологических параметров и показателей за сутки содержит:

- средние значения технологических параметров за период времени 24 часа;

- длительность отклонения за 24 часа каждого регулирующего параметра, каждого контура автоматического контроля датчиков.

Обработка информации в главной ИБ начинается с опроса датчиков, в режиме реального времени с периодом опроса, необходимым для обновления информации.

Обработка информации файла, полученного в результате обращения, состоит из следующих последовательных операций:

- определение класса параметра по месту его в файле;

- определение вида обработки по классу параметра;

- собственная обработка численного значения параметра;

- запись полученных величин в информационную базу данных.

Архив данных АСУТП содержит информацию главной ИБ и документацию АСУТП за фиксированный период времени хранения.

2.5.2 Перечень документов, мнемосхем и файлов промежуточной информации

Выходные документы формируются в ПЭВМ специальной подсистемой формирования документов и сообщений о работе АСУТП с помощью информации, хранящейся и обновляющейся в главной базе данных АСУТП. Пользователями документов АСУТП является технологический персонал участка обжига, лица, осуществляющие технологическое управление печами обжига и участком в целом, оператор-технолог АСУТП и служба эксплуатации АСУТП, а так же технические службы комбината.

Выходные документы представлены несколькими способами:

- в виде таблиц;

- в виде графиков изменения параметров;

- в виде мнемосхем.

Документы представляются на экранах мониторов или на бумажном носителе.

Информация в табличном виде включает в себя следующие документы:

- текущие технологические параметры процесса обжига;

- сводка технологических параметров за смену;

- сводка технологических показателей за сутки;

- сведения о длительности отказов узлов АСУ ТП;

- сводка показателей работы оборудования за сутки;

- план-график работы печи по сменам и за сутки.

Информация в графическом виде включает в себя графики изменения температурного режима в печи обжига, содержания SO₂ в отходящих газах, расхода дутья и огарка.

Информация в виде мнемосхем включает в себя мнемосхему технологического оборудования печи с элементами аппаратуры контроля и управления.

Также имеется информация в виде файлов:

- файлы корректировки установок;

- файл корректировки НСИ;

- файл корректировки сообщений;

- файлы технологических замеров и заданий;

- протокол работы АСУТП.

Промежуточная информация:

- величина последнего управляющего воздействия регулятора температуры;

- величина последнего управляющего воздействия регуляторов расходов;

- длительность работы оборудования за последнюю смену;

- время последнего отключения ПЭВМ.

Описание выходных данных АСУТП для управляющих сигналов:

- величина последнего управляющего воздействия;

- длительность регулирующего воздействия;

- периодичность регулирующего воздействия.

Архивация данных АСУ ТП производится для надежного рестарта задач АСУТП при сбоях операционной системы или ПЭВМ, и для технологического обеспечения анализа эффективности работы печей обжига на длительных промежутках времени. Для выполнения задач в ПЭВМ архивируются массивы:

- текущая информация за три смены;

- отчетно-сменная информация за десять суток;

- отчетно-суточная информация за месяц;

- протокол работы АСУТП за десять суток.

Каждый документ программируется в соответствии с его характеристиками, которые представляются в виде таблиц:

- наименование видеокадра и частоты формирования;

- реквизиты параметров (наименование, код, формат). [8]

2.6 Математическое обеспечение АСУ ТП обжига

Математическое обеспечение системы реализует алгоритмы координирующей подсистемы верхнего уровня и всех локальных следящих систем НЦУ нижнего уровня, сбор, обработку и представление работоспособности системы в режиме реального времени с циклом 0,1 сек для диалога с ПЭВМ и управления исполнительными механизмами, с циклом 3 сек для локальных следящих систем НЦУ нижнего уровня, с циклом 15 сек для опроса остальных автоматических датчиков, с циклом 1 мин для программ координирующей подсистемы верхнего уровня и др.

Математическое обеспечение разработано с использованием модульного принципа и может быть применено для автоматического управления сложными технологическими комплексами при замене лишь модуля, формирующего в координирующей подсистеме верхнего уровня законы управления, связанные с конкретным технологическим процессом.

Математическое обеспечение включает в себя алгоритмы управления разными технологическими параметрами, которые включены в подсистему поддержания заданных значений регулируемых технологических параметров для участка обжига.

Подсистема предназначена для:

- оперативной проверки соблюдения регламента для регулируемых технологических параметров;

- контроля выдерживания заданного значения параметра;

- вычисления величины регулирующего воздействия на приводы регулирующих органов;

- выдачи управляющего воздействия и проверки его исполнения;

- оперативной проверки правильности функционирования контрольной и регулирующей аппаратуры АСУТП.

Организационно-техническая сущность задач подсистемы заключается в повышении оперативности проверки технологического регламента, стабилизации технологических параметров, повышении оперативности обнаружения отказов КИПиА, повышении эффективности использования информации о режимах работы печи обжига, поддержании заданного состава конечного продукта.

Функции персонала АСУ ТП при решении задач подсистемы сводятся к начальному запуску загрузочного модуля и реакции на сообщения системы. Обмен

информации с другими задачами АСУ ТП осуществляется через информационную базу (ИБ) ПЭВМ. Обмен информацией с оператором-технологом осуществляется через программу формирования сообщений.

2.7 Алгоритмическое обеспечение

Управление технологическими аппаратами осуществляется программно с помощью микроконтроллера и ЭВМ. Примеры алгоритмов управления приведены ниже.

2.7.1 Алгоритм управления системами стабилизации потоков

Для запуска задачи на выполнение в реальном времени в начале цикла необходимо задать:

1.Режим работы каждого i-го регулятора; i=1, 2, 3, 4;

К2_i= О - i-ый регулятор отключен (неисправность аппаратуры);

К2_i =1 - i - ый регулятор подключен (режим «автомат»);

2. Время подключения i -го регулятора в режиме «автомат»;

3. Численное значение коэффициентов ПИ -- закона К1, К2 ;

4. Величину зоны нечувствительности каждого регулятора:

5. Величину ограничения на одностороннее перемещение регулирующего органа:

6. Величину ограничения на СКО (среднеквадратичное отклонение): .

Закон регулирования определяется по следующим формулам:

1. - величина рассогласований;

2. - сравнение величины рассогласования с заданной величиной;

;

Алгоритм реализует для каждой i - ой задачи стандартную последовательность операций:

1. Проверка подключения i - го контура регулирования в режим «автомат»: ;

2. Проверка достоверности действующего значения регулируемого параметра анализом его СКО ;

3. Проверка значимости отклонения регулируемого параметра от заданного значения ;

4. Проверка состояния РО контура стабилизации ;

5. Формирование управляющего воздействия ;

6. Выдача управляющего воздействия и отслеживания его выполнения с проверкой включения/отключения привода;

7. Подготовка промежуточных данных для цикла .

2.7.2 Алгоритм управления для оптимизационных задач АСУТП и особенности их реализации

Оптимизационной задачей АСУТП печи обжига является поддержание оптимального температурного режима печи.

Автоматическая стабилизация температурного режима аппарата посредством изменения заданного значения системе автоматической стабилизации расхода кислорода, воздуха, а также разряжения в печи заключается в проверке стабильности показателей датчиков температуры газа в печи и отходящих газов с их заданными значениями и ликвидацией рассогласования между ними, изменением заданных значений регулирующих параметров.

В качестве действующего значения температуры аппарата используется достоверное значение температуры в печи и температуры отходящих газов, полученное в выполненном цикле автоматического контроля этих параметров.

Проверка достоверности действующих значений температур печи обжига производится посредством сравнения СКО температур, отклонением температур от среднечасового значения с заданным пороговым значением температур.

Регулирование изменения задания на расход концентрата, воздуха и разряжения в печи, производится в тех случаях, когда действующее значение температуры превышает заданное значение температуры на величину большую зоны нечувствительности регулятора температуры. При этом новое значение для задания регулирующих параметров проверяется с граничными значениями этих параметров. Если оно выходит за границы, то регулирующее воздействие не выполняется. Зона нечувствительности регулятора температуры не должна быть меньше величины погрешности контроля температур (1% от измеренного значения). [9]

3. Спецчасть. Синтез и исследование системы управления температурой слоя

Одно из основных направлений технологического процесса в промышленности - интенсификация технологических процессов.

Необходимость интенсификации химико-металлургических процессов способствовала широкому внедрению метода кипящего слоя. В цветной металлургии процессы, проводимые в кипящем слое, применяются в производстве цинка, меди, никеля, ртути, сурьмы и других металлов.

Интенсивность протекания процессов обжига в кипящем слое определяет необходимость внедрения САР (системы автоматического регулирования). В условиях промышленной эксплуатации при воздействии глубоких возмущений только автоматическое управление дает возможность вести процессы при технологически оптимальных режимах.

Основным вопросом автоматизации процессов обжига в кипящем слое является управление температурным режимом.

3.1 Постановка задачи моделирования

Требования к составу и содержанию любой модели определяются ее назначением. Имитационная модель, которую предлагается построить для печи КС окислительного обжига сульфидов, позволит оценить качество работы системы управления температурным режимом печи. В большинстве случаев такое управление требует стабилизации температуры в рабочем пространстве печи на уровне, заданном технологическим регламентом. Поэтому нужна математическая модель объекта управления для оценки его динамических и статических характеристик по возможным каналам управления температурой, а также по каналам вероятных возмущающих воздействий на него. Необходимо, чтобы параметры этих характеристик можно было использовать в известных инженерных методах синтеза алгоритмов управления. При синтезе классических линейных алгоритмов (законов) автоматического регулирования, необходимо предварительно аппроксимировать объект по каждому каналу управления и возмущения звеньями первого порядка с запаздываниями и определить коэффициенты передачи объекта К_об (статический параметр), постоянные времени Т_об и время запаздывания (динамические параметры) по соответствующим каналам объекта управления.

Указанная аппроксимация обычно осуществляется совмещением кривых раз тона объекта с кривыми разгона звена первого порядка с запаздыванием. Математическая модель объекта должна обеспечить получение кривых разгона по выбранным каналам управлений и возмущений. Её нужно составлять в форме дифференциальных операторов, фиксирующих соответствие временных функций регулируемого параметра временным функциям управлений и возмущений. Модель объекта управления может представлять собой систему обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка. Тогда задача нахождения кривых разгона сводится к решению известной задачи Коши, т. е. к решению системы дифференциальных уравнений первого порядка при заданных условиях.

Система уравнений должна быть замкнутой, иначе её решения могут оказаться неопредёленными. Замкнутость модели означает, что число уравнений в ней должно быть достаточным для определения всех временных функций, кроме запаздываемых. К числу последних относятся временные функции внешних для объекта воздействий (управлений и возмущений).

Для описания теплового режима любой печи, в том числе печи КС, основным должно быть уравнение теплового баланса. Необходимость получения других уравнений не является столь важной и зависит от степени детализации теплового баланса. Следует предварительно определиться со стратегией управления, и лишь затем принимать решение по замыканию модели. [9]

Тип системы управления: комбинированная система. Критерий качества оценки работы системы управления: время регулирования, .

Аппаратурно-технологические характеристики печи КС:

1) в печь загружаем шихту с содержанием в ней металла --50 %;

2) остаточное содержание после обжига шихты МеS-- 1 %;

3) содержание кислорода в дутье () --21 %;

4) обжиг ведем при температуре () - 950°С.

3.2 Расчет номинального режима работы печи по материальным потокам

Основная реакция данного процесса:

где - экзотермическое тепло химической реакции.

Массовый поток шихты:

Массовый поток влаги в шихте:

Находим массовый поток металла в шихте:

Определяем, какое количество MeS находится в шихте, для этого составим пропорцию:

Тогда, решив систему, получим:

Процентное содержание MeS_ш найдем по формуле:

Определяем соотношение масс веществ, участвующих в реакции. Согласно химическим законам эти соотношения зависят только от молекулярных масс веществ, входящих в химическое уравнение реакции в его традиционной записи. В частности, для реакции (3.1) стехиометрически вполне определены и постоянны следующие величины:

- масса кислорода, необходимого для окисления единицы массы окисляющегося сульфида, кг/кг;

- масса образующегося оксида металла, кг/кг;

- масса диоксида серы, кг/кг.

Рассчитаем эти величины:

где: M_O2, M_MeO, M_SO2- молекулярные массы соответствующих веществ в реакции.

Рассчитаем поток окисляющегося сульфида по формуле:

Тогда потоки веществ запишутся через стехиометрические коэффициенты , , следующим образом:

1) поток необходимого кислорода:

2) поток образующегося оксида металла:

3) поток образующегося диоксида серы:

Будем считать, что дутьевая смесь -- воздух обогащенный кислородом, причем содержание кислорода в смеси известно (, % по массе). С дутьем в печь подается некоторый избыток кислорода против необходимого, что учитывается коэффициентом избытка , который задается априори. Принимаем , тогда поток дутьевой смеси равен:

Потоки газовых составляющих:

1) избыточного кислорода:

2) азота:

3) диоксида серы

Принимаем, что сульфидная шихта для обжига содержит известное количество сульфида металла -- , % по массе. Все другие вещества шихты нейтральны в окислительной атмосфере печи и переходят в твердый продукт обжига (огарок плюс пыль) без изменений. В этом случае описание потока твердого продукта будет следующим:

Определим материальный поток суммы газов, образующихся в результате обжига:

где - поток пара, принимаем равным .

Общий статический материальный баланс процесса с учетом обозначений, введенных выше для массовых потоков, будет следующим:

+--=0

19821+40515,98 - 16298,34 - 44038,64

Материальный баланс сошёлся.

3.3 Постановка задачи управления

Требуется разработать систему регулирования температурного режима процесса обжига, а точнее - систему стабилизации температуры в рабочем пространстве печи, которая должна поддерживать температуру на заданных оптимальных значениях, а в случае ее отклонения - выводить на заданное значение за кротчайшие сроки (минимум времени регулирования).

Наибольшее влияние на температурный режим процесса оказывает количество загружаемого в печь материала, из чего следует, что регулирование температуры лучше всего производить путем изменения подачи в печь концентрата.

3.4 Математическая модель объекта управления

1. Составим модель теплового баланса процесса обжига:

где Q_кон - физическое тепло концентрата;

Q_возд - физическое тепло воздуха;

Q_хим.р. - тепло экзотермических реакций;

с_i - средняя удельная теплоемкость;

m_i - масса i-го вещества;

t_i - температура вещества;

V - объем вещества;

М_i - молекулярная масса вещества;

- количество тепла, выделяемого в ходе реакции.

где Q_ог - тепло, уносимое огарком и пылью;

Q_газ - тепло, уносимое отходящими газами;

Q_вл - тепло на нагрев и испарение влаги;

Q_окр.ср. - тепло, теряемое во внешнюю среду;

Q_тепл - тепло, отнимаемое теплообменниками;

л - теплота испарения воды;

q - удельные потери тепла через стенки печи;

F - суммарная поверхность стен и свода печи;

ф - время переработки концентрата.

2. Приравняем статьи прихода и расхода и запишем уравнение в развернутом виде:

Примем: , , , .

Обобщённую модель объекта можно описать следующим уравнением:

, (3.12.)

, (3.13.)

где - теплоемкость кипящего слоя, ;

- масса кипящего слоя, кг;

- температура кипящего слоя, равная 950.

Следовательно:

,(3.14.)

, (3.15.)

Обозначим: ,

Следовательно:

, (3.16.)

Проведем линеаризацию, считая постоянными:

, (3.17.)

, (3.18.)

поделим обе части уравнения на :

, (3.19.)

, (3.20.);

, (3.21.);

, (3.22.).

В результате получили уравнение первого порядка вида:

, (3.23.)

Для определения коэффициентов уравнения необходимо найти следующие величины:

1) массовый поток влажной шихты: ,

где А - суточная производительность печи, кг/сутки;

2) средняя удельная теплоёмкость газа при температуре 930:

;

3)теплоемкость твердого (огарок + пыль):

;

4) теплоемкость воздуха - 1,29 ;

5) теплоёмкость кипящего слоя:

;

6) масса кипящего слоя (по данным практики);

7) массовый поток воздуха .

Уравнения (3.20.) - (3.23.) решаем в программной среде Matlab (приложение 4) и применяем для построения кривой разгона (рис. 3).

Рис.3. Кривая разгона

3.5 Синтез регулятора температуры

Передаточная функция объекта управления имеет вид:

, (3.24.)

где k - коэффициент усиления;

Т - постоянная времени.

Для данной модели в качестве регулятора выбираем линейный регулятор с пропорционально-интегральным (ПИ) законом регулирования, так как он обеспечивает быстродействие и отсутствие статической ошибки, а также легко реализуем на практике.

ПИ-закон имеет вид:

, (3.25)

Передаточная функция ПИ-регулятора определяется выражением:

, (3.26)

Передаточная функция замкнутой системы по ошибке е(р) с отрицательной обратной связью имеет вид:

, (3.27.)

Подставим (4.24.) и (4.26.) в выражение (3.27.):

, (3.28.)

Упростив выражение (3.28.) и умножив числитель и знаменатель на Т_и·р получим:

Для разомкнутой системы передаточная функция имеет следующий вид:

, (3.30.)

Перейдем к частотной области и получим частотную функцию для объекта управления (формальная замена оператора Лапласа р на ):

, (3.31.)

ПИ - регулятор характеризуется следующими параметрами настройки: пропорциональная настройка - коэффициент пропорциональности k_р =0,35 и интегральная настройка - постоянная времени Т_и=0,75.

С помощью библиотеки Simulink создадим модель объекта управления (рис.4):

Рис.4. Модель объекта управления

При 10%-ом перерегулировании по каналу подачи концентрата получим следующий переходный процесс (рис.5):

Рис.5. Переходный процесс при 10%-ом перерегулировании по каналу подачи концентрата

Как видно из графика, заданное значение температуры (950?С) при 10% перерегулировании по каналу подачи концентрата устанавливается примерно за 7 секунд.

При 10%-ом перерегулировании по каналу подачи воздуха получим следующий переходный процесс (рис.6):

Рис.6. Переходный процесс при 10%-ом перерегулировании по каналу подачи воздуха

Полученная характеристика позволяет определить качество работы системы управления. ПИ-регулятор с полученными настройками позволяет стабилизировать температуру в печи на уровне заданного значения, которое составляет 950.

4. Охрана окружающей среды

4.1 Климатическая характеристика территории

Проектируемый обжиговый цех входит в состав цинкового производства ЧЦЗ. Площадка завода расположена в северной части города Челябинска, находящегося на севере Южного Урала Европейской части России.

Термический режим воздуха и почвы на территории г. Челябинска формируется под влиянием климатообразующих факторов, таких как атмосферная циркуляция, радиационный режим и подстилающая поверхность, в той мере, в какой они определяются географической широтой, степенью континентальности и общим характером рельефа местности.

Данная часть территории является бессточной равниной с наличием невысоких (6-8 м) пологих возвышенностей, вытянутых на северо-восток. Между пологими возвышенностями расположены впадины, занятые пресными и солеными неглубокими озерами.

Самыми холодными месяцами являются январь и февраль, для которых среднесуточная температура составляет -15,7. В летнее время среднемесячная температура не поднимается выше +19 в июле. Однако даже летом возможно понижение температуры воздуха ниже 0 во все месяцы, кроме июля.

Ветровой режим формируется под влиянием основных климатических центров действия атмосферы (циклонов и антициклонов), стационирующих над Северной Атлантикой и континентом Евразии.

Географическое распределение различных направлений ветра и его скоростей определяется сезонным режимом барических образований. Зимой под влиянием западного отрога азиатского антициклона наблюдается увеличение южных и юго-западных ветров. Летом режим ветра связан преимущественно с воздействием отрога азорского антициклона. Распределение повторяемости направлений ветра в летний период имеет очень сложный характер. Преобладающими направлениями ветра являются северное и северо-западное [10].

4.2 Характеристика пылегазовых выбросов

Основными выбросами в атмосферу являются: диоксид серы и пыль. Промышленные выбросы в атмосферу обычно поступают через газоотводящие трубы, поднимающиеся на значительную высоту. Этим достигается рассеивание газов в относительно большом объеме воздуха. Дальнейшее распространение атмосферных загрязнений определяется горизонтальными и вертикальными воздушными течениями. К...