Синтез автоматизированной системы регулирования давления под колошником

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Украины

Донбасский государственный технический университет

Кафедра АУТП

Курсовой проект

по курсу «Автоматизация технологических процессов и производства»

Синтез АСР давления под колошником

Выполнил:

ст. гр. АКТ-10

Котляров Е.Ю.

Принял:

доц. Коцемир И.А.

Алчевск, 2014



Содержание

доменный печь дистанционный управление

Введение

1. Характеристика объекта управления

2. Общие сведения об АСР давления под колошником

3. Определение передаточной функции объекта

4. Выбор критериев оптимальности и законов управления

4.1 Общие положения

4.2 Определение закона регулирования

5. Расчет параметров настройки системы регулирования

Выводы

Перечень ссылок



Введение

Непрерывный рост мощности доменных печей и внедрение новых методов интенсификации технологического процесса существенно повысили производительность доменного производства и увеличили потоки сырья, энергии и продуктов плавки, участвующих в производственном процессе. Современный доменный цех ежесуточно потребляет свыше 50 тыс. т различных материалов, 100 млн. м³ воздуха, примерно 2 млн. т воды и расходует более 20 тыс. кВтч электроэнергии. Значительно усложнилось управление доменным производством, возросло количество информации, которое необходимо освоить и использовать для управления процессом. Увеличилось также число управляющих воздействий и усложнился выбор управлений, наиболее рациональных для данных условий. Анализ поступающей информации и выбор оптимальных управляющих воздействий требуют высокой квалификации персонала, обслуживающего печь. В этих условиях возрастает необходимость внедрения систем автоматического контроля и управления.

Системы контроля и управления работой доменных печей постепенно усложнялись - от простейших систем стабилизации отдельных параметров до локальных систем управления отдельными режимами работы печи и, наконец, до комплексных систем управления всем доменным процессом.

Автоматический контроль и стабилизация некоторых параметров доменного процесса сыграли в свое время большую роль в деле повышения производительности и экономичности работы доменных печей. Внедрение локальных систем стабилизации расхода, температуры и влажности горячего дутья, давления колошникового газа, нагрева воздухонагревателей позволило повысить производительность доменных печей на 5-9% и получить экономию кокса 6-7%. Кроме того, локальные системы стабилизации облегчили труд металлургов и повысили общую культуру производства.

Внедрение локальных систем управления, таких, например, как системы автоматического управления шихтоподачей, регулирования давления под колошником, распределения горячего дутья и природного газа по фурмам доменной печи, автоматический перевод и управление нагревом воздухонагревателей и т.д., дало дополнительный экономический эффект: производительность доменных печей увеличилась еще на 4-5%, а расход кокса снизился на 2-3%.

В настоящее время в Украине разрабатывается и внедряется комплексная система автоматического управления с применением УВМ. В состав комплексной системы входят подсистемы управления шихтовкой и шихтоподачей, управления тепловым и газодинамическим режимами и управления ходом печи. По предварительным расчетам, внедрение комплексной системы повысит производительность печей на 9-11% и снизит расход кокса на 12-14%. Несмотря на высокую стоимость комплексной системы управления, срок ее окупаемости менее двух лет.



1. Характеристика объекта управления

Доменная печь, домна - большая металлургическая, вертикально расположенная плавильная печь шахтного типа для выплавки чугуна и ферросплавов из железорудного сырья. Важнейшей особенностью доменного процесса является его непрерывность в течение всей кампании печи (от строительства печи до её «капитального» ремонта) и противоток поднимающихся вверх фурменных газов с непрерывно опускающимся и наращиваемым сверху новыми порциями шихты столбом материалов.

Рисунок 1. Устройство доменной печи: 1 - горячее дутьё; 2 - зона плавления (заплечики и горн); 3 - зона восстановления FeO (распар); 4 - зона восстановления Fe₂O₃ (шахта); 5 - зона предварительного нагрева (колошник); 6 - загрузка железорудных материалов, известняка и кокса; 7 - доменный газ; 8 - Столб железорудных материалов, известняка и кокса; 9 - выпуск шлака; 10 - Выпуск жидкого чугуна; 11 - сбор отходящих газов

Доменная печь состоит из пяти конструктивных элементов: верхней цилиндрической части -- колошника, необходимого для загрузки и эффективного распределения шихты в печи; самой большой по высоте расширяющейся конической части -- шахты, в которой происходят процессы нагрева материалов и восстановления железа из оксидов; самой широкой цилиндрической части -- распара, в котором происходят процессы размягчения и плавления восстановленного железа; суживающейся конической части -- заплечиков, где образуется восстановительный газ -- монооксид углерода; цилиндрической части -- горна, служащего для накопления жидких продуктов доменного процесса -- чугуна и шлака.

В верхней части горна располагаются фурмы -- отверстия для подачи нагретого до высокой температуры дутья -- сжатого воздуха, обогащенного кислородом и углеводородным топливом.

На уровне фурм развивается температура около 2000°C. По мере удаления вверх температура снижается, и у колошников доходит до 270°C. Таким образом, в печи на разной высоте устанавливается разная температура, благодаря чему протекают различные химические процессы перехода руды в металл. В верхней части горна, где приток кислорода достаточно велик, кокс сгорает, образуя диоксид углерода и выделяя большое количество тепла.

Диоксид углерода, покидая зону, обогащенную кислородом, вступает в реакцию с коксом и образует монооксид углерода -- главный восстановитель доменного процесса.

Поднимаясь вверх, монооксид углерода взаимодействует с оксидами железа, отнимая у них кислород и восстанавливая до металла.

Полученное в результате реакции железо каплями стекает по раскаленному коксу вниз, насыщаясь углеродом, в результате чего получается сплав, содержащий 2,14--6,67 % углерода. Такой сплав называется чугуном. Кроме углерода в него входят небольшая доля кремния и марганца. В количестве десятых долей процента в состав чугуна входят также вредные примеси -- сера и фосфор. Кроме чугуна в горне образуется и накапливается шлак, в котором собираются все вредные примеси.

Ранее шлак выпускался через отдельную шлаковую лётку. Отделенный от шлака чугун поступает в чугуновозные ковши, либо в ковши миксерного типа (миксеры) либо в чугуновозные ковши и вывозится либо в сталеплавильный цех, либо в разливочные машины.

Доменная печь вместе со всеми сооружениями и металлоконструкциями, футеровкой (огнеупорной кладкой) и находящимися в ней шихтовыми материалами и продуктами плавки может иметь массу свыше 30 тыс. т. Эта масса должна быть равномерно передана грунту. Нижнюю часть фундамента (подошву) делают в виде массивной бетонной плиты толщиной до 4 м. На подошву опираются колонны, поддерживающие металлические конструкции печи (кожух). Верхняя часть фундамента (пень) представляет собой монолитный цилиндр из жароупорного бетона, на котором находится горн печи.

Горн доменной печи - нижняя часть доменной печи, цилиндрическая по внутреннему очертанию и коническая (иногда цилиндрическая) по наружной форме. Горн оснащен устройствами для выпуска чугуна и шлака (чугунными и шлаковыми летками) и приборами (фурмами) для вдувания нагретого (на кауперах) до 1100-1400 °С, обогащенного кислородом до 23-25%, воздуха. Горн доменной печи - наиболее ответственная часть её конструкции. Здесь скапливается до 1000 т. и больше расплавленных продуктов плавки - чугуна и шлака. На дно горна оказывает давление весь столб шихты массой 9-12 тыс. т. Давление горновых газов составляет 0.4-0.5 МПа, а их температура в очагах горения кокса достигает 1700-2100 °С. Внутри горна непрерывно движутся и обновляются кокс, жидкие чугун и шлак, горновые газы. По сути это мощный непрерывно движущийся реактор. В связи с этим к конструкциям горна предъявляются жесткие требования по прочности, герметичности и огнеупорности. Основные конструктивные элементы горна - кожух, холодильники, чугунная и шлаковая летка, фурменные приборы.

Это канал прямоугольной формы шириной 250-300 мм с высотой 450-500 мм. Канал делают в огнеупорной кладке горна на высоте 600-1700 мм от поверхности лещади. Каналы для шлаковых лёток выкладывают на высоте 2000-3600 мм. Канал чугунной летки закрыт огнеупорной массой. Открывают чугунную лётку путём высверливания бурильной машиной отверстия диаметром 50-60 мм. После выпуска чугуна и шлака (на современных больших доменных печах выпуск чугуна и шлака осуществляется через чугунные лётки) отверстия забивают с помощью электрической пушки. Носок пушки входит и в неё из пушки под давлением подают лёточную огнеупорную массу. Шлаковая лётка на доменной печи защищена водоохлаждаемыми элементами, которые в совокупности называют шлаковыми стопорами и рычажной конструкции с пневматическим приводом, управляемым дистанционно. Доменные печи большого объёма (3200-5500 м³) оборудованы четырьмя чугунными лётками, работающими попеременно, и одной шлаковой лёткой. Выпуск чугуна и шлака из доменной печи включает в себя следующие операции: 1) открытие чугунной лётки (в необходимых случаях в шлаковой); 2) обслуживание, связанное непосредственно с вытеканием чугуна и шлака; 3) закрытие чугунной лётки (если шлак выпускали через шлаковую, то и шлаковой); 4) ремонт лётки и желобов.



2. Общие сведения об АСР давления под колошником

На рисунке 2 представлена функциональная группа АСР.

Рисунок 2. Функциональная группа АСР

Для контроля давления под колошником доменной печи выбран преобразователь давления измерительный типа МТМ 700ДИ (1а).

Для питания дифманометра выбран блок питания МТМ-141.

Для регистрации контролируемых параметров выбран регистратор электронный МТМ-РЭ-160 (1в), обеспечивающий накопление, хранение и отображение информации о состоянии технологического параметра, заданного сигналами постоянного тока 0-5; 0(4)-20 мА по двум каналам.

Регулятор АСР должен работать с унифицированным токовым входным сигналом и обеспечивать реализацию ПИ-закона регулирования совместно с исполнительным механизмом постоянной скорости. Для этого выбран ПИД-регулятор одноканальный МТМ-620 (1г).

Для выбора режимов управления «автомат» - «дистанционное» и для управления исполнительным механизмом в дистанционном режиме, выбран блок ручного управления БРУ-32 (1д).

В соответствии с величиной крутящего момента, необходимого для перестановки регулирующего органа, выбран механизм электрический однооборотный типа МЭО-630/25-0,25-92К (1г).



3. Определение передаточной функции объекта

Одной из первоочередных задач при синтезе АСР является получение точной математической модели объекта управления. Часто его математическое описание получают, исходя из вида переходного процесса.

Переходная характеристика объекта управления представлена на рисунке 3.

Рисунок 3. Переходная характеристика объекта управления

Как видно из приведенного рисунка, она имеет вид переходной функции апериодического звена n-го порядка. На начальном отрезке времени выходной сигнал практически не меняет своей величины по амплитуде, т.е. отстает или опаздывает относительно входного сигнала. Поэтому в качестве передаточной функции модели объекта можно выбрать передаточную функцию следующего вида:

где К - коэффициент усиления объекта;

Т - постоянная времени;

ф (Т1) - величина запаздывания;

n - порядок объекта.

Исходя из сказанного выше, предоставляется возможность проведения процесса идентификации, который состоит из четырех этапов:

а) экспериментальное определение переходной функции объекта управления (в данном случае - это переходная функция, представленная на рисунке 3);

б) выбор структуры модели;

в) определение числовых значений коэффициентов, входящих в выбранную структуру;

г) проверка адекватности.

Процесс идентификации считается оконченным, если переходные процессы модели и объекта с необходимой точностью совпадают во всем временном диапазоне, в каждый момент времени.

В ходе процесса моделирования была получена переходная функция модели, представленная на рисунке 4.

Рисунок 4. Переходная характеристика модели объекта

Были получены следующие значения коэффициентов:

- коэффициент усиления К = 1;

- постоянная времени Т = 18;

- величина запаздывания ф (Т1) - 8;

- порядок объекта n - 1.

Т.к. переходные функции объекта и модели совпали во всем временном диапазоне, т.е. проверка адекватности прошла успешно, то процесс идентификации можно считать завершенным.

Передаточная функция объекта управления будет иметь вид:



4. Выбор критериев оптимальности и законов управления

4.1 Общие положения

Как было отмечено выше, оптимально настроенная замкнутая САУ должна обеспечивать минимум среднеквадратичной ошибки при заданном запасе устойчивости и отсутствие статической ошибки.

Разумеется, эти же требования можно выдвинуть и для АСР давления под колошником.

На рисунке 5 представлена структурная схема замкнутой САУ. Из нее видно, что обеспечить выдвинутые требования можно лишь за счет выбора соответствующего закона регулирования и установки в регуляторе соответствующих (оптимальных) значений параметров настройки регулятора.

Рисунок 5. Структурная схема системы управления

Таким образом, синтез АСР включает в себя следующие этапы:

- формулировка требований, предъявляемых к замкнутой системе;

- определяется математической модели объекта управления (пункт 1 данной работы);

- в соответствии с математической моделью выбирается закон регулирования, обеспечивающий отсутствие статической ошибки;

- расчет максимума отношения К_р/Т_и при заданном показателе колебательности для обеспечения минимума средневадратичной ошибки;

- построение комплексно-частотной характеристики разомкнутой системы, определение запаса устойчивости по модулю и по фазе;

- построение амплитудно-частотной характеристики, проверка показателя колебательности на условие М ? M_доп..

4.2 Определение закона регулирования

По своим динамическим характеристикам рассматриваемый объект относится к объектам с самовыравниванием, то есть без интегрирующих свойств. Переходную функцию такого объекта можно представить в виде апериодического звена второго порядка.

Из курса ТАУ известно, что для обеспечения отсутствия статической ошибки в прямом канале системы регулирования должен присутствовать астатизм хотя бы первого порядка, то есть необходимо наличие интегратора. Следовательно, для того, чтобы статическая ошибка отсутствовала, необходимо, чтобы объект или регулятор обладали интегрирующими свойствами.

Как было отмечено, рассматриваемый объект относится к объектам с самовыравниванием. Следовательно, в данном случае для отсутствия статической ошибки необходимо воспользоваться ПИ-регулятором.



5. Расчет параметров настройки системы регулирования

В качестве исходных данных для определения оптимальных параметров настройки регулятора используются передаточная функция (2.1) и показатель колебательности М. Обычно на практике для обеспечения запаса устойчивости величину показателя колебательности М выбирают в пределах 1,05-1,09. Для наглядности в рамках моделирования зададимся показателем колебательности М = 1,3. Для проведения расчетов воспользуемся программой PIR.

В ходе выполнения научно-исследовательской работы были получены следующие значения настроек регулятора:

щ = 4.908545E-02, K_p= 1.153137, T_и= 27.59792

Также были рассчитаны значения частоты, модуля и фазы разомкнутой и замкнутой систем, представленные в таблице 1. По представленным значениям были построены графики амлитудно-частотной характеристики замкнутой системы и комплексно-частотной характеристики разомкнутой системы; были построены графики переходных процессов по управлению и возмущению.

Таблица 1. Значения параметров

щ	Азс(щ)	цзс(щ)	Арс(щ)	црс(щ)
9.81709E-04	42.56432	-90.92945	1.000102	-1.346288
0.0107988	3.890455	-100.3616	1.01343	-14.84872
2.061589E-02	2.049602	-110.5382	1.05654	-28.86704
3.043298E-02	1.37913	-121.3592	1.138664	-44.84077
4.025007E-02	1.017489	-132.2092	1.244585	-64.98389
5.006716E-02	0.785489	-142.8133	1.299055	-91.05574
5.988425E-02	0.6234316	-152.841	1.179459	-120.2513
6.970134E-02	0.5048974	-162.224	0.9321212	-145.6785
7.951844E-02	0.4156555	-170.9874	0.7008355	-164.6751
8.933553E-02	0.3470308	-179.195	0.5314218	-178.7601
9.915262E-02	0.2933405	-186.9211	0.4133502	-189.7707

Рисунок 6. Комплексно-частотная характеристика разомкнутой системы

Рисунок 7. График амплитудно-частотной характеристики замкнутой системы



Рисунок 8. График переходного процесса по управлению

Рисунок 9. График переходного процесса по возмущению

Как видно из рисунка 6, график КЧХ разомкнутой системы не охватывает указанную точку, следовательно, система управления является устойчивой.

Запас устойчивости по модулю в этом случае равен 0,74, по фазе - 51 град.

Из графика амплитудно-частотной характеристики, представленного на рисунке 7, видно, что показатель колебательности М меньше М_доп, то есть выполняется условие М<M_доп., что также говорит об устойчивости системы.

Из графика переходного процесса по управлению, представленного на рисунке 8 видно, что время регулирования t_р ? 140 с; величина перерегулирования д равняется:

По графику переходного процесса по возмущению (рис. 9) было определено значение динамической ошибка, которое составило 0,48.

Исходя из критерия Найквиста, замкнутой система управления считается устойчивой, если комплексно-частотная характеристики разомкнутой системы не охватывает точку (-1;j0).

Таким образом, синтез АСР давления под колошником можно считать завершенным, так как система соответствует всем выдвинутым требованиям, а именно обеспечивает минимум среднеквадратичной ошибки при заданном запасе устойчивости при заданном запасе устойчивости; статическая ошибка равняется 0.



Выводы

В ходе курсового проекта был проведен синтез АСР давления под колошником.

Вначале был проведен процесс идентификации, в ходе которого была определена математическая модель объекта управления, то есть получена его передаточная функция.

Так как математическая модель объекта управления была получена, то появилась возможность определить математическую модель регулятора.

В ходе этого процесса были определены оптимальные параметры настройки регулятора, которые составили:

щ = 4.908545E-02, K_p = 1.153137, T_и = 27.59792.

По результатам, представленным в таблице 3.1, были построены комплексно-частотная характеристика разомкнутой системы и амплитудно-частотная характеристика замкнутой системы. По КЧХ разомкнутой системы был определен запас устойчивости по модулю и по фазе. По АЧХ замкнутой системы - показатель колебательности. Так как КЧХ разомкнутой системы не пересек и не охватил точку (-1;j0), а показатель колебательности М не превысил допустимого значения, то можно говорить о том, что система устойчива и обладает требуемым запасом устойчивости.

Из переходного процесса по управлению были определены время регулирования и величина перерегулирования; из переходного процесса по возмущению - значение динамической ошибки.

Разработанная АСР будет обеспечивать оптимальную работу по регулированию давления газа под колошником, тем самым обеспечивая качественный ход всего доменного процесса в совокупности с другими системами автоматического регулирования в целом.



Перечень ссылок

1. Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу «Автоматизація технологічних процесів та виробництв» (для студ. спец. 6.050202 «Автоматизація та комп'ютерно-інтегрованні технології» 4-го курсу денної та заочної форм навчання) / Укл.: І.А. Коцемир. - Алчевськ: ДонДТУ, 2012. - 11 с.

2. Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу «Ідентифікація об'єктів управління» (для студ. спец. 7.092051 3-го курсу денної та заочної форм навчання) / Укл.: І.А. Коцемир. - Алчевськ: ДонДТУ, 2006. - 39 с.

Размещено на Allbest.ru

...