Модернизация автоматизированной системы регулирования расхода воды и воздуха на спрейерное охлаждение отходящих газов шахтной печи №1 ЭСПЦ ЧерМК ПАО "Северсталь"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Аналитический обзор

1.1 Краткое описание технологического процесса производства

1.2 Отличительные особенности объекта управления

1.3 Анализ известных вариантов САУ

2. Постановка задачи

3. Разработка

3.1 Разработка функциональной схемы

3.2 Разработка структурной схемы

3.3 Выбор оборудования АСУ ТП

3.3.1 Датчик температуры

3.3.2 Преобразователь расхода Deltabar S PMD 235

3.3.3 Выбор исполнительного механизма

3.3.4 Выбор автоматического УУ - на основе контроллера

3.3.5 Расчёт конфигурации устройства управления и составление заказной спецификации

3.4 Подключение оборудования АСУ ТП

3.5 Настройка оборудования КИП и А

4. Тестирование системы

4.1 Описание математической модели объекта

4.2 Выбор закона автоматического управления в общем виде

4.3 Исследование модернизируемой системы на устойчивость

5. Введение в эксплуатацию модернизированной АСУ ТП

5.1 Программное обеспечение ПЛК

5.2 Разработка промышленной сети контроллера

5.3 Визуализация технологического процесса

5.4 Ввод в эксплуатацию модернизированной АСУ П

Заключение

Список использованных источников

Приложение

Введение

В данное время, когда все предприятия металлургической отрасли должны ориентироваться на полное удовлетворение требований клиентов по качеству металла. Для этого в течении последних лет ПАО “Северсталь” вкладывает финансы в проекты по развитию, модернизации, совершенствования и реконструкции основного технологического и вспомогательного оборудования металлургического производства. С увеличением и наращиванием необходимых производственных мощностей и увеличение сортамента и качества отпускаемой продукции появляется необходимость в наращивании ресурсов с целью безостановочной работы оборудования. По той причине, что металлургия является высоко энергоёмким и технологичным производством, в результате появляется нужда в увеличении дополнительных энергетических мощностях.

Автоматизация производственных процессов на основе высокоточной микроэлектронной техники для развития и совершенствования уже существующих и вновь создающихся высокотехнологичных производств, является одним из важнейших направлений модернизации производства. Основной особенностью нынешнего стадии развития автоматизации производства считается возникновение и многочисленное внедрение современных технических средств контроля и управления, производство сетей на основе микроэлектроники. Введение автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) обретает важное значение в связи с возрастанием требований к темпу вычисления, обработки, реакции и выдачи информации, качеству выпускаемой продукции. Следовательно, построение и разработка устройств и систем функционирования АСУ ТП на основе микро ЭВМ является актуальной задачей. Использование микро ЭВМ позволяет на значительно уменьшить затраты в связи с простоями и остановками технологического оборудования, обеспечивает увеличение эффективности. Главной, характеризующей целью регулирования оборудования, технологическими и производственными процессами благодаря АСУ ТП считается увеличение производительности работы, улучшение качества самой продукции и применения материальных и энергоресурсов. Дальнейшее улучшение АСУ ТП связано с увеличением экономичной эффективности через промышленные создания автоматизированных технологических комплексов с АСУ ТП.

В данной выпускной работе предполагается обновление автоматизированной системы регулирования расхода воды и воздуха на спрейерное охлаждение дуговой печи №1 ЭСПЦ ЧерМК ПАО «Северсталь». Данная модернизация системы автоматизированного регулирования позволит обеспечить необходимое качество охлаждения электросталеплавильных агрегатов, улучшить технические и экономичные характеристики работы электропечи при понижении удельного расхода топлива, поднять условия труда для обслуживающего персонала данного объекта (визуализация технологического процесса, удаленное управление печью по средствам персонального компьютера (ПК), запись и учёт всех важных технических параметров), увеличить показатель надёжности и безопасности работы оборудования цеха, снизить трудоёмкость при управлении нагревательной электропечью.

Модернизация представляет собой замену существующей морально и физически устаревшей системы управления спрейерным охлаждением. Замене подлежат текущие датчики, пульты, шкафы автоматики и другие конструктивные узлы, средства ручного ввода и отображения информации. АСУ ТП выплавки стали в большинстве случаев основываются по трехуровневому типу. На верхнем уровне отображаются значения температуры газа и других параметров спрейерного охлаждения. Нижний уровень автоматизации представляет все датчики и исполнительные механизмы (ИМ). Для расчета задач, что находятся в зависимости от марки, выпускаемой стали, температурного режима нагрева и так далее, применяются довольно сложные математические модели.

1. Аналитический обзор

1.1 Краткое описание технологического процесса производства

Электросталеплавильное производство - это выпуск стали в основном шахтных электропечах. Электросталеплавильному способу принадлежит главная роль в производстве высокотехнологичной стали. Вследствие ряда принципиальных особенностей, данный метод приспособлен для изготовления различного по составу качественного сплава с низким содержанием таких элементов как серы, фосфора, кислорода и наиболее высоким содержанием легирующих компонентов, придающих данной стали особенные качества характерные - хрому, никелю, марганцу, кремнию, молибдену, вольфраму, ванадию, титану, цирконию и других. Преимущества метода электроплавки по сравнению с другими типами сталеплавильного производства связаны с применением для подогрева металла электроэнергии. Выделение тепла в электрических печах проистекает или в подогреваемом металле или в прямой близи от его поверхности. Это дает возможность в не очень большом объеме сосредоточить значительную часть мощности и нагревать металл с высокой скоростью до больших температур, включать в печь большее количество легирующих добавок; поддерживать в электропечи восстановительную атмосферу и безокислительные шлаки, что собой подразумевает небольшой угар легирующих элементов; плавно и с высокой точностью корректировать температуру металла; более полно, относительно других печей раскислять металл, получая его с достаточно низким содержанием неметаллических включений; производить с довольно низким содержанием серы сталь. Расход тепла и изменение температуры металла при плавке сравнительно легко поддаются контролю и регулированию, что является немаловажным при автоматизации производства. Плавка металла в электропечи содержит в себе следующие пункты:

· заправка электропечи;

· загрузка шихты;

· плавление металла;

· окислительный период;

· восстановительный период;

· выпуск стали.

Заправка - это починка изношенных и испорченных зон футеровки пода печи. После выпуска плавки с пода устраняют останки металла и шлака. Так же на испорченные подины и откосов закидывают магнезитовый порошок или же смесь магнезитового порошка с каменноугольным пеком (связывающим). Продолжительность заправки составляет примерно 10-15 минут.

Далее более подробно опишем процесс загрузки шихты. При выплавке стали используется шихта, состоящая на 90-100% из стального лома. Для увеличения содержания углерода в составе в шихту добавляют чугун (<10%), а еще кокс или электродный бой. Общее число чугуна и электродного боя или кокса необходимо быть таким, чтоб содержание углерода в шихте превосходило низшую граница его содержания в готовой стали на 0.3% при производстве выплавки высокоуглеродистых сталей, на 0.3 - 0.4 % при производстве выплавки среднеуглеродистых сталей и на 0.5% для плавки низкоуглеродистых сталей. Данный предел несколько снижается при возрастании емкости печи. Для того чтобы возможно было соединить исключение части фосфора с плавлением шихты в завалку рекомендовано подавать 2-3% извести. Загрузку производят бадьями или корзинами. В корзины и бадьи шихту кладут в очереди: на низ кладут часть мелочи, для защиты подины от ударов тяжеловесных фрагментов стального лома, далее в середине кладут большой лом, а по периферии средний и наверху - оставшийся мелкий лом. Наиболее плотная кладка шихты делает лучше ее электропроводимость, обеспечивая более устойчивое горение дуги и ускоряя плавку. Для снижения угара кокса электродный бой кладут под пласт большого лома.

Далее опишем процесс плавления. Позже, после завершения завалки электроды печи опускают почти что до прикосновения с шихтой и подключают ток. Под воздействием высоких температур дуг шихта под электродами начинает плавиться, жидкий металл течет книзу, копясь в центральной части подины. Электроды последовательно спускаются, проплавляя в шихте так называемые "колодцы" и доходя до крайнего нижнего расположения. По мере роста доли жидкого металла электроды приподнимаются. Это достигается при поддержке автоматических регуляторов для поддержания установленной длины электродуги. Плавку проводят при высокой мощности печного трансформатора. Во время плавки проистекает окисление элементов шихты, образовывается шлак, осуществляется неполное удаление в шлак фосфора и серы. Окисление включений происходит за счет кислорода в воздухе, окалины и ржавчины, привнесенных металлической шихтой. Продолжительность периода плавления назначается мощностью трансформатора и продолжается в среднем от одного до трех часов.

Основная задача окислительного периода плавления заключается в следующем:

1) снизить содержание водорода и азота в металле;

2) произвести нагрев металла до температуры близкой к температуре выпуска;

3) снизить содержание в металле фосфора до 0.01-0.015%.

Окислительный период начинается после того как из печи сливают 65-75% образовавшегося в период плавления шлака. Шлак сливают, при этом не выключают печь, наклонив её в сторону рабочего окна на 10-12°. Слив шлака производят для удаления из электропечь перешедший в шлак фосфор. Удалив шлак, в электропечь присаживают шлакообразующие: 1-1.5% извести и при необходимости 0.15-0.25% плавикового шпата, шамотного боя или боксита. После образовании жидкоподвижного шлака в ванну во время всего окислительного периода производят продувку кислородом; печь для слива шлака в течение периода наклонена в сторону рабочего окна. Присадка руды вызывает интенсивное вскипание ванны - окисляется углерод, реагируя с окислами железа руды с выделением большого количества пузырьков оксида углерода (СО). Под действием газов шлак вспенивается, его уровень повышается, и он утекает в шлаковую чашу через порог рабочего окна. Следующую новую порцию руды присаживают, когда интенсивность кипения металла начинает ослабевать. Общий расход руды составляет 3-6.5% от массы металла. Для того, чтобы предотвратить сильное охлаждение металла, единовременная порция руды не должна превышать 0.5-1%. Окислительный период заканчивается, когда углерод окисляется до нижнего предела его содержания в выплавляемой марке стали, а содержание фосфора снижено до 0.010-0.015%. Сливом окислительного шлака заканчивают период. Полное скачивание окислительного шлака необходимо для того, чтобы содержащийся в нем фосфор не перешел обратно в металл во время восстановительного периода. Основными задачами восстановительного периода являются:

1) корректировка температуры;

2) доведение химического состава стали до заданного;

3) удаление серы;

4) раскисление металла.

После удаления окислительного шлака в электропечь присаживают ферромарганец в объеме, необходимом для обеспечения содержания марганца в металле на его нижнем пределе для выплавляемой стали, а также ферросилиций из расчета введения в металл 0.10-0.15% кремния и алюминий в количестве 0.03-0.1%. Данные добавки вводят в печь для обеспечения, осаждающего раскисления металла. Далее наводят шлак, добавляя известь, плавиковый шпат и шамотный бой. Через 10-15 минут шлаковая смесь расплавляется, далее после образования жидкоподвижного шлака приступают к диффузионному раскислению. Сначала, в течение 15-20 минут раскисление ведут смесью, состоящей из извести, плавикового шпата и кокса в соотношении 8:2:1, иногда присаживают только один кокс. Далее начинают раскисление молотым 45 или 75%-ным ферросилицием, который вводят в состав раскислительной смеси, содержащей известь, плавиковый шпат, кокс и ферросилиций в соотношении 4:1:1:1, содержание в данной смеси уменьшают. На некоторых марках стали в окончании восстановительного периода в состав раскислительной смеси добавляют наиболее сильные раскислители - молотый силикокальций и порошкообразный алюминий, а во время выплавки ряда низкоуглеродистых сталей диффузионное раскисление ведут без введения кокса в состав раскислительных смесей. Длительность восстановительного периода составляет 40-100 минут. За 10-20 минут до выпуска проводят корректирование содержания кремния в металле, добавляя в электропечь кусковой ферросилиций. Для конечного раскисления за 2-3 минуты до выпуска в металл присаживают 0.4-1.0 кг алюминия на тонну стали. Выпуск стали из электропечи в ковш производят совместно со шлаком. Интенсивное перемешивание металла со шлаком в ковше обеспечивает дополнительное рафинирование - из металла в белый шлак переходит сера и неметаллические включения.

Во время плавки из печи выделяется большой объем запыленных газов. Температура дымовых газов составляет порядка 900-1400 °С, содержание пыли в период продувки ванны кислородом доходит до 100 г/м³ газа; объем газов, выделяющихся, например, из 100 тонной электропечи в период продувки кислородом достигает 9-10 тыс. м³/ч. Для создания благоприятных условий работы в цехе необходимо улавливание и очистка отходящих дымовых газов. В старых цехах с электропечами малой емкости, для очистки, применяются отсасывающие зонты, установленные над сводом. Однако они громоздкие и не обеспечивают полное сгорание газов. В последнее время повсеместное распространение получает способ отвода газов по средствам отверстия в своде с последующей очисткой от пыли. Самое большое распространение получила мокрая очистка с использованием труб Вентури. Общий вид схемы отвода газов электропечи представлен на рисунке 1.1.



Рисунок 1.1 - Схема отвода печных газов

Печные газы через отверстие в своде по футерованному патрубку 1 поступают в скруббер 2; перед скруббером располагается регулируемый зазор, через который подсасывается воздух, необходимый для дожигания горючих компонентов газа. В скруббере 2 газ охлаждается водой, подаваемой через форсунки из водопроводной сети 3. Отработанная вода собирается в бак 5 и поступает в отстойники шламовой насосной станции, где она очищается и поступает в приёмной камеру для охлаждения до температуры 30 С⁰, и поступает в скруббер охладитель, температуру поступающих в скруббер печных газов измеряют термопарой 4, установленной в вертикальном газопроводе. Далее печные газы через регулирующую заслонку 6 с помощью дымососа 7 подаются в батарею труб Вентури 8 с водяными форсунками, где пыль из газа поглощается водой. После прохождения циклонного каплеуловителя 9 печные газы сбрасываются в атмосферу через выхлопную шахту 10. В новых цехах рекомендуется устанавливать электропечи в герметичных камерах, оборудованных дверями для въезда тележек со шлаковыми и сталеразливочными ковшами и крана для завалки шихты. Камера оборудована системой отсоса газов, что предотвращает их попадание в помещение цеха; так же, камера существенно уменьшает в цехе уровень шума, вызываемого электрическими дугами печи.

1.2 Отличительные особенности объекта управления

Шахтная печь показана на рисунке 1.2. Она является мощным трехфазным агрегатом с соответствующим силовым электрическим оборудованием. Высокотемпературные дуги обеспечивают расплавление шихты и нагрев ванны до необходимой температуры. Шахтная печь состоит из рабочего пространства (собственно электропечи) с электродами и токоподводами и механизмов, необходимых для наклона электропечи, удержания и перемещения электродов и загрузки шихты. Выплавку стали ведут снизу сферическим подом и с боков стенками. Огнеупорная кладка пода и стен заключена в металлический кожух. Съемный свод набран из огнеупорных кирпичей, опирающихся на опорное кольцо. Через три симметрично расположенных в своде отверстия в рабочее пространство введены токопроводящие электроды, которые благодаря специальным механизмам могут перемещаться вверх и вниз. Питание печи происходит трехфазным током.

Рисунок 1.2 - Схема шахтной печи

 На процесс плавки в печи управляющими воздействиями являются:

1) состав шихты, количество и состав присадок;

2) электрическая мощность;

3) электромагнитное перемешивание ванны;

4) напряжение питающего тока (длина дуги).

Возмущающие воздействия, можно разделить на две группы: возмущения электрического режима и возмущения технологического режима. Возмущения электрического режима происходят из-за обвалов шихты во время плавки, кипения металла в периоды с жидкой ванной, обгорания электродов, подъема уровня металла по ходу плавления, колебания сопротивления дугового промежутка, вызванных изменениями температур в зоне дугового разряда. Возмущения теплотехнического характера обусловлены нестабильностью состава шихты, не стационарностью протекания реакций в ванне, вводом присадок, износом кладки, выбиваниями и подсосом газов в электропечь.

1.3 Анализ известных вариантов САУ

В текущей автоматизированной система регулирования расхода воды и воздуха на спрейерное охлаждение печных газов применялся датчик уровня SIEMENS M76900. Сигнал с датчиков поступал на измерительный аналоговый прибор - миллиамперметр и затем сигнал поступал на локальный регулятор SIEMENS R141-45-6. В качестве ИО используется SМ-200-380/3. Недостатками существующей системы являются: неудобство в обслуживании; моральное старение оборудования; недостаточная точность регулирования параметров (расхода воды); периодический выход из строя элементов системы; недостаток числа специалистов по обслуживанию этого оборудования; отсутствие базы подготовки специалистов по устаревшим видам оборудования; большая погрешность приборов; большая инерционность системы; отсутствие возможности диагностики системы; невозможность визуализации технологического процесса. Текущая система уровня воды не отвечает необходимому уровню представлений современной автоматизации. Разрабатываемая система регулирования благодаря установке в ней современного оборудования (ПЛК, ИМ, использование ПК на верхнем уровне автоматизации) даст возможность оператору, с помощью ПО визуализации, оперативно реагировать на изменение параметров технологического процесса и своевременно вносить корректировки в работу системы. Установленные приборы нижнего уровня автоматизации (замена ИМ, замена датчика расхода) позволят увеличить точность измерений. Ниже приведён возможный вариант системы регулирования для данного процесса.

автоматизированный датчик контроллер управление

2. Постановка задачи

Разрабатываемая система должна являться многофункциональной, простой в обслуживании, восстанавливаемой, с многократным восстановлением после отказов, и работать в непрерывном режиме с остановками на плановое обслуживание. Отказы системы системы не должны приводить к простоям и аварийным ситуациям на технологическом оборудовании. Система должна учитывать все действующие приказы, нормы и правила по безопасности, выполнение требований по эргономике и технической эстетике (простота, удобство использования, доступность и наглядность представления информации). Требования к рабочим местам и помещениям АСР нагрева металла должны соответствовать стандартам и санитарным нормам.

В системе должна быть предусмотрена системы защиты информации от действия следующих факторов: аварий в системе питания и резких скачков напряжения с помощью источников бесперебойного питания; несанкционированных действия пользователей путем программной защиты, хранение эталона программного обеспечения и нормативно-справочной информации на резервных носителях, периодического копирования информации на резервных носителях и сверке её с эталоном, оперативной замене эталона и его защите от несанкционированного доступа организационными мерами. Комплекс технических средств должен включать в себя типовые и унифицированные узлы и стандартные устройства, датчики и преобразователи информации должны иметь унифицированные выходные сигналы. В разрабатываемой системе необходимо предусмотреть возможность ручного ввода данных, характеризующих технологический процесс, но не вырабатываемых самой системой управления. САР должна являться открытой и допускать возможность функционального расширения с учетом возможных перспектив развития и адаптации к меняющимся технологическим условиям. САР должна реализовать следующие функции: стабилизацию теплового режима электропечи; управление температурным режимом нагрева заготовок в автоматическом режиме; регистрация, учет, общий контроль и визуализация параметров процесса [1].

Автоматизированная система выплавки стали необходима для выполнения следующих функций:

· расчет кислорода, шихты;

· расчет легирующих и шлакообразующих материалов;

· расчет параметров электротехнического режима работы;

· коррекция и выдача заданий системам управления;

· сигнализацию и регистрацию при отклонении текущих параметров работы от заданных значений,

· контроль и учет основных экономических показателей работы электропечи;

· печать необходимой информации;

· оперативный вывод технической информации обслуживающему персоналу.

САР дуговых электропечей должна обеспечить:

· увеличение производительности печей на 3-5%, сокращение удельного расхода электроэнергии на 2-4% относительно текущих значений,

· увеличение стойкости футеровки на 5-8% за счет оптимизации теплового режима плавления и повышения точности поддержания заданного режима работы;

· снижение стоимости выплавляемого металла примерно на 1.5%.

Разрабатываемая система регулирования должна реагировать на изменения регулируемой величины, превышающий значение больше чем статическая ошибка, которая равна - Х_ст< 0,7 м³/ч. Максимальное динамическое отклонение равно - Х_дин < 6 м³/ч. Время переходного процесса ( время регулирования t_рег = 25 с), коэффициент передачи объекта управления К_о = 0,78м³/ч/% хода РО. Величина максимального возмущения по нагрузке равна У_в = 15 %.

3. Разработка

3.1 Разработка функциональной схемы

Функциональная схема разработанной системы и спецификация к представленной схеме [2]. Функциональная схема разрабатываемой системы представлена в приложении 1.

Поясним данную функциональную схему. Регулирование температуры газа происходит по средствам изменения расхода воды на впрыск. При спрейерном охлаждении происходит охлаждение отходящих газов до температуры 170 - 175 С^о. Для измерения расхода воды используем преобразователь DELTABAR S PMD 235 [3]. В качестве регулирующего органа используется заслонка, которая управляется исполнительным механизмом SCHIEBEL [4]. Исполнительный механизм регулирует расход воды, которая поступает в объект управления по специальным трубам, которые называются змеевиками. Сигналы с датчиков температуры и давления, исполнительных механизмов поступают на контроллер S7 -300. Затем эти сигналы обрабатываются в контроллере и дальше сигналы с контроллера поступает на компьютер оператора, где с помощью установленного пакета программ (SCADA система) оператор может наблюдать ход технологического процесса и вносить необходимые коррективы.

3.2 Разработка структурной схемы

Структурная схема -- это комплекс элементарных звеньев объекта управления и описание взаимосвязей между ними. Под элементарным звеном понимают фрагмент объекта, СУ и т. д., которая реализует элементарную функцию. Элементарные звенья обозначаются прямоугольниками, а отношения между ними -- сплошными линиями со стрелками, указывающими направление действия элементарного звена. Структурная схема модернизируемой системы, которая представлена в нашей ВКР, включает три уровня. Первый уровень датчиков и ИМ, второй уровень - это уровень контроллера. Третий уровень - уровень операторского персонала АСУ ТП. Структурная схема модернизируемой системы представлена в приложении 2.

Поясним данную структурную схему. В представленной модернизируемой системе сигналы с датчиков и ИМ поступают в модули ввода/вывода ПЛК. Контроллер обрабатывает полученные сигналы, которые поступают от технических средств автоматики, затем контроллер формирует сигнал на операторскую станцию. Оператор в реальном времени может наблюдать за технологическим процессом на экране персонального компьютера, при необходимости оператор может вносить изменения в работу оборудования.

3.3 Выбор оборудования АСУ ТП

3.3.1 Датчик температуры

Температура отходящего газа до охлаждения и после измеряется двумя термометрами сопротивления (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 - Внешний вид термометра сопротивления

Выходные сигналы термометров 4-20 мА передаются в ПЛК. Если они превышают предварительно установленный уровень, то выдаётся сигнал тревоги о слишком высокой температуре. Если термометр сгорел, то сигнал, выдаваемый датчиком, повышается до максимального уровня выше 20 мА. В случае неисправности датчика или электрооборудования выходной сигнал устанавливается на 0, и индикация активного нуля также формирует тревогу о неисправности датчика. Для управления снова будет использовано правильное измерение температуры (если устройство выбора термометра в автоматическом режиме).Если оба термометра и/или датчики не работают или поступила тревога о высокой температуре в зоне, то происходит её отключение.

Две температуры представляют - после выбора термометра вследствие ввода оператором или нескольких событий - измеренное значение (вход) контроллера.

3.3.2 Преобразователь расхода Deltabar S PMD 235

Преобразователь расхода Deltabar предназначен для преобразования разности давлений, измерения уровня жидкости, объемного расхода воды и пара, газа в условиях взрывоопасных и агрессивных сред при больших перепадах температуры измеряемой среды, а также окружающего воздуха, и используются для вычисления и индикации уровня, объема, разности давлений. В представленной системе регулирования преобразователем расхода будет использоваться для измерения расхода газа и воздуха подаваемого на зону печи. Выбор данного преобразователя расхода обусловлен наличие у него ряда преимуществ по сравнению с другими датчиками.

· Устойчивый к перегрузке;

· Поддержка передачи данных PROFIBUS-PA, HART, INTENSOR;

· Высокая точность измерений (погрешность измерений не более 0,08%);

· Простота настройки датчика;

· Расширенные функции диагностики;

· Модульность конструкции (взаимозаменяемый дисплей);

· Разнообразие функций: диагностические коды, характеристические кривые;

· Преобразователи Deltabar S PMD 235 имеют прочный керамический сенсор, устойчивый к воздействию любых агрессивных и абразивных сред. Так же, система автоматического контроля датчиков Deltabar S обеспечивает высокую надежность составных элементов от сенсора до сигнального выхода.

Схема электрическая принципиальная подключения представлена в приложении 3. Внешний вид датчика представлен на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 - Внешний вид датчика Deltabar S

Общий вид монтажа датчика представлен на рисунке 3.3



Рисунок 3.3 - монтаж датчика на трубе

3.3.3 Выбор исполнительного механизма

Исполнительный механизм нужен для подачи воды и воздуха на охлаждение отходящих газов. Для корректной работы системы важно чтобы время срабатывания исполнительного механизма должно быть минимальным и для этого нужно использовать надёжный ИМ. Фирма Шибель (Schiebel) сегодня известна во всем мире. Отказоустойчивые приводы от фирмы Schiebel являются важным достижением в производстве сервоприводов. На рисунке 3.4 показан внешний вид ИМ SCHIBEL.

Рисунок 3.4 - Внешний вид исполнительного механизма

Данный исполнительный механизм отличает надёжность, может работать достаточно в широком диапазоне температур, а также удобство монтажа. К недостаткам данного ИМ можно отнести то, что обслуживание данного исполнительного механизма должно производиться высококвалифицированным, прошедшим обучение персоналом. В комплект поставки также входит интеллектуальное управление приводом серии AB - SMARTCON. При разработке SMARTCON важное значение уделялось объединению аспектов безопасности, гибкости, удобства обслуживания и надежности. Сервоприводы с трёхфазными двигателями имеют согласно стандарту вид защиты IP67 (согласно DIN40050). Настройка привода производится с помощью механических или электронных реверсивных контакторов, так же с помощью преобразователей частоты. Чтобы обеспечить контроль и во время запуска двигателя, контроль крутящего момента базируется на регистрации крутящего момента с помощью откалиброванных на заводе изготовителе дисковых пружин.

3.3.4 Выбор автоматического УУ - на основе контроллера

ПЛК SIMATIC S7-300 являются основными компонентами для построения САУ различных сложностей [5]. Широкий выбор центральных процессоров (ЦП), сигнальных, функциональных, коммуникационных модулей дают возможность получать самые оптимальные решения для каждой отдельной задачи. ПЛК S7-300 применяется для автоматизации машин спец назначения, машиностроительного оборудования, и в производстве технических средств управления и электрического оборудования, в СУ судовых установок и систем водоснабжения и водоотведения и так далее.

Программируемые контроллеры SIMATIC S7-300имеют модульную структуру и включают в свой состав: модуль центрального процессора, блоки питания, сигнальные модули, коммуникационные процессоры, функциональные модули, интерфейсные модули.

Модуль центрального процессора (ЦП). В зависимости от сложности поставленной задачи в ПЛК могут быть использованы различные типы ЦП, отличающихся своей производительностью, объемом памяти, наличием или отсутствием встроенных входов/выходов и дополнительных функций [6].

Модули блоков питания (БП), обеспечивают возможность питания ПЛК от сетей переменного тока напряжением 220В или от источника постоянного тока напряжением 24В, 48В,60В или 110В.

Сигнальные модули (СМ), предназначены для подключения дискретных и аналоговых сигналов ввода/вывода с различными электрическими и временными параметрами.

Коммуникационные процессоры (КП) предназначены для подключения к таким сетям как PROFIBUS, Industrial Ethernet, AS-Interface или организации связи по интерфейсу PtP (point to point).

Функциональные модули (ФМ), способны самостоятельно решать поставленные задачи регулирования, позиционирования, обработки сигналов. ФМ снабжены встроенным микропроцессором и способны выполнять отдельные возложенные на них функции даже в случае отказа ЦП контроллера.

Интерфейсные модули (ИМ) необходимы для обеспечения возможности подключения к базовому блоку ПЛК (стойка с CPU) стоек расширения для ввода/вывода.

ПЛК SIMATIC S7-300 фирмы Сименс позволяют использовать в своем устройстве до 32 функциональных и сигнальных модулей, кроме того коммуникационных процессоров, разделенных по четырем монтажным стойкам. ПЛК SIMATIC S7-300 обладает широкими возможностями коммуникации:

· наличие КП для работы в сетях PROFIBUS, Industrial Ethernet и AS-интерфейсу;

· наличие КП для возможности подключения к PPI-интерфейсу;

· наличие в каждом ЦП интегрированного интерфейса MPI (multipoint interface), позволяющего формировать простые и относительно недорогие сетевые решения для связи с программаторами, ПК, устройствами человеко-машинного интерфейса (ЧМИ), другими системами семейства контроллеров SIMATIC.

Все ЦП контроллера SIMATIC S7-300 характеризуются следующими параметрами:

· память, представленная в виде карты памяти типа MMC емкостью до 8 МБ,

· достаточно высокое быстродействие,

· работа ЦП без буферной батареи;

· развитые коммуникационные способности, единовременная поддержка большого числа активных коммуникационных соединений.

Стандартный набор интегрированных функций позволяет выполнять задачи скоростного счета, измерения частоты или длительности периода, ПИД-регулирования, позиционирования, перевод дискретных выходов в импульсный режим. Все ЦП контроллера S7-300 оснащены встроенным интерфейсом MPI, который предназначен для программирования, диагностики и построения простых сетевых структур. В CPU 317 первый интегрированный интерфейс имеет двойственное назначение и может применяться для подключения либо к сети MPI, либо для работы в сети PROFIBUS DP.

Так же ряд ЦП имеет второй встроенный интерфейс, такие как:

· CPU 31…-2 DP есть интерфейс ведущего/ ведомого устройства для PROFIBUS DP

· CPU 31…C-2 PtP есть интерфейс для организации связи по PtP;

· CPU 31…-… PN/DP оснащены интерфейсом Industrial Ethernet, обеспечивающим поддержку стандарта PROFINET;

· CPU 31…T-2 DP снабжены интерфейсом PROFIBUS DP/Drive, предназначенный для обмена информацией и синхронизации работы преобразователей частоты, выполняющих функции ведомых DP приборов.

3.3.5 Расчёт конфигурации устройства управления и составление заказной спецификации

В контроллере SIMATIC S7-300 фирмы Сименс могут использоваться следующие типы ЦП.

Сравнительная характеристика ЦП приведена в таблице 1 [7].

Таблица 1 - Виды CPU

Из представленных типов ЦП выбираем CPU 318-2DP, так как его отличает высокая производительность, большое количество цифровых и аналоговых входов/выходов, поддержка всех типов интерфейсов, быстрое выполнение IP команд. Составление заказной спецификации оборудования приведено в таблице 2 [8].

Так же должны быть учтены мероприятия по защите информации и блокирование к внесению изменений в базовое программное обеспечение без привлечения разработчика. Должна иметься способ задания паролей и установка границ организованного доступа при внесении изменений и правок в прикладные программные обеспечения АСУ ТП.

Таблица 2 - Заказная спецификация оборудования

№ поз	Наименование оборудования	Необходимое кол-во
1	Датчик расхода DELTABAR S PMD 235	1
2	Исполнительный механизм Schiebel	1
3	Контроллер SIMATIC S7-300	1
4	Персональный компьютер	3
5	STEP 7. Программное обеспечение для контроллера	1
6	База данных SQL сервер	1
7	Программа для визуализации WIN CC	1

3.4 Подключение оборудования АСУ ТП

Датчик давления воды DELTABAR устанавливается над точкой измерения, для того чтобы конденсат мог стекать в линию технологической установки. Для облегчения монтажа без прерывания технологического процесса можно использовать трёхходовой клапанный блок. Линии рабочего давления должны быть проложены под углом не менее десяти градусов.

При установке ПЛК в шкаф необходимо соблюдать размеры зазоров, для обеспечения достаточного места для монтажа модулей и отвода выделяемого данными модулями тепла. Для конструкций контроллеров S7-300, размещенных на разных стойках, изображение показывает размеры зазоров между отдельными стойками, и между соседними частями оборудования, кабельными каналами, по отношению к стенам шкафов.

На рисунке 3.5 показан способ крепления ИМ к трубопроводу. Механизм крепят к несущей конструкции основанием или одной из боковых стенок корпуса четырьмя болтами М8X20. Командные провода от магнитных усилителей регуляторов сечением 1.5-4мм² вводят в ИМ 7 через уплотнительное кольцо штуцерного входа. Выходной вал 8 исполнительного механизма соединяют с выходным валом 4 регулирующего органа кривошипом 9 и стальной тягой 6 диаметром 10 мм. Длина тяги ИМ должна быть наименьшей и её выбирают в зависимости от расстояния между исполнительным механизмом и заслонкой. Поворотную регулирующую заслонку 2 встраивают в чугунный литой корпус и закрепляют между фланцами трубопровода 1 болтами, количество и диаметр которых зависит от размера устанавливаемой заслонки.

Рисунок 3.5 - способ крепления ИМ к трубопроводу

3.5 Настройка оборудования КИП и А

План расположения используемых средств автоматизации представлен в приложении 4, монтажная схема контроллера в приложении 5, план расположения электрических и трубных проводок в приложении 6.

Наладка ПЛК средствами ПО осуществляется непосредственно с рабочей станции оператора.

На ПК должна быть установлена операционная система windows 7/8/10 фирмы Microsoft и Internet Explorer версии не ниже 6 [9].

Для работы с ПО ПЛК SIMATIC S7-300 необходимо установить на рабочее место программиста, занимающегося разработкой \системы, следующие необходимые программные продукты:

· CFCv6.0;

· SOFTNETS7;

· пакет программ STEP 7;

· D7-SYSv6.0.

Руководства по установке данных приложений на персональный компьютер поставляются вместе с ПО.

Необходимо так же иметь установленными на ПК следующие программные продукты:

· SIMATIC WinCC Server и WinCC AJserArchiv (опциональные пакеты) с лицензиями на каждый отдельный опциональный пакет;

· SIMATIC WinCC v6.0 SP1 с лицензией на 1024 переменных.

Инструкции по установке приведенных выше приложений поставляются вместе с ПО.

4. Тестирование системы

4.1 Описание математической модели объекта

Нахождение необходимых статических и динамических характеристик теоретическими или экспериментальными способами является первым этапом в разработке системы автоматизированного регулирования. Объектом управления (ОУ) в данной системе является электропечь. Данный объект является статическим, который обладает свойством самовыравнивания и находится в установившемся режиме, так как соблюдается физический и энергетический баланс, то есть приток различных веществ в объект управления равен их выходу из объекта, а объем получаемой энергии равно количеству представленной энергии. ОУ является инерционным, то есть с запаздыванием. Передаточная функция текущего статического объекта с запаздыванием будет следующей:

, (1)

где K_об - коэффициент передачи объекта;

Т_об - постоянная времени объекта, секунды;

ф_об - время запаздывания, секунды.

Внешний вид кривой разгона определяем по справочнику «Автоматизация металлургических процессов» автора Беленький М.А. На рисунке 4.1 показан внешний вид кривой разгона объекта управления.

Из представленной кривой разгона находим необходимые динамические параметры ОУ: ф_об = 0,3 с, Т_об = 4,339 с, К_об = 0,78 м³/ч /хода РО.



Рисунок 4.1 - Кривая разгона ОУ

4.2 Выбор закона автоматического управления в общем виде

Ниже представлены динамические параметры объекта регулирования необходимые для расчёта:

К₀ = 0,78 м³/ч / % хода РО у_в = 15 %,

Т_об = 4,339 с Х_д < 6 м³/ч

t_з = 0,517 с, Х_ст < 0,7 м³/ч,

t_рег <25с

Находим обратную величину относительно времени запаздывания:

; (2)

Находим относительное время регулирования:

 (3)

Находим допустимый динамический коэффициент регулирования:

R_d = ; (4)

Находим допустимое остаточное отклонение регулируемой величины:

(у_ост)_доп = ; (5)

0,06

Выразим эту величину в процентах: 6 %

Большинство существующих автоматизированных металлургических процессов с регулятором непрерывного действия протекают удачно, если в системе применяется один из трех стандартных процессов регулирования:

1) апериодический

2) с 20 % перерегулированием

3) с мин интегральной квадратичной ошибкой

По значению / выбираем непрерывный регулятор. Так как показатель колебательности М расположен в промежутке 1,4<M<1,8, то соответственно выбираем процесс с 20 % перерегулированием. Используя график зависимости от / (рисунок 4.2) при определенном оптимальном процессе для нашей системы, видим, что =0,519 может обеспечить П, ПИ, ПИД-регулятор.

Для разрабатываемой системы подбираем П - регулятор. По предоставленному графику зависимости у_ост = f(z_o) (рисунок 4.3) определим остаточное отклонение при установке П - регулятора.

Рисунок 4.2 - Динамический коэффициент регулирования: 1 - И-регулятор, 2 - П-регулятор, 3 - ПИ-регулятор, 4 - ПИД-регулятор.

Рисунок 4.3 - Остаточное отклонение на статических объектах: (1) - Апериодический; (2) - процесс с 20% перерегулированием; (3) - процесс с 40% перерегулированием

По текущему графику находим, что у_ост = 0,06.

Найдём величину остаточного отклонения возникающие при применении П-регулятора.

Х_ст=У_ост*К_об*У_в (6)

Х_ст = 0,06*0,78*15= 0,702 м³/ч^/

Так как допустимое значение Х_ст < 0,7 м³/ч , то П - регулятор не может быть применён в данной ситуации.

Далее выбираем ПИ-регулятор. Нужно проверить, обеспечит ли данный регулятор заданное допустимое время регулирования t_{рег.доп.}=25с. Для определения воспользуемся представленным графиком зависимости (рисунок 4.4) для процесса с 20% перерегулирования

Рисунок 4.4 - График зависимости процесс с 20% перерегулированием 1 - И-регулятор, 2 - П-регулятор, 3 - ПИ-регулятор, 4 - ПИД-регулятор.

Выбираю t_pег и подставляю значение ф_o:

(7)

t_pег = 6,468 с

t_рег<( t_рег)_доп , следовательно ПИ-регулятор для данной системы подходит.

Примерное определение настроек нашего регулятора произведен по следующим формулам. Коэффициент усиления регулятора найдем по следующей формуле:

% хода ИМ/ м³/ч (8)

Время удвоения (изодрома) найдем по формуле:

Т_и = 3,04 с

4.3 Исследование модернизируемой системы на устойчивость

Исследование автоматической системы управления на устойчивость будем проводить с помощью частотных критериев.

Основанным назначением АСУ является поддержка установленного постоянного значения контролируемого параметра или изменение его по отдельному закону. При отклонении в текущий момент времени регулируемого параметра от установленного значения, что может являться результатом появления возмущающих воздействий на данную систему, или при изменении заданного значения контролируемой величины, автоматический регулятор воздействует на разрабатываемую систему таким образом, что можно было бы ликвидировать это отклонение. При этом в системе возникает переходный процесс, определяемый ее свойствами (динамическими).

Если спустя окончания переходного процесса система вновь приходит в изначальное или в иное равновесное состояние, то такую систему называют устойчивой.

Если при тех же обстоятельствах или появляются со все более возрастающей амплитудой, или происходит однообразное увеличение отклонения регулируемой величины от ее установленного равновесного значения, то такую систему называют неустойчивой.

Чтобы определить, устойчива данная система или нет, необходимо просмотреть ее действия при малых отклонениях от равновесного состояния.

Если в данном случае система пытается вернуться к равновесному состоянию, то она устойчива. Если же в системе возникают силы, которые стараются увеличить отклонение системы от равновесного состояния, то система является неустойчивой.

Благодаря критерию устойчивости можно оценивать устойчивость САР только по коэффициентам характеристического уравнения без проведения вычисления его корней.

Частотные критерии в большинстве своем случаев используется в виде графоаналитических критериев.

Отличительной чертой большого числа частотных критериев является тот факт, что они позволяют судить об устойчивости замкнутой системы по частотным характеристикам разомкнутой системы. Устойчивость модернизируемой системы управления будем определять с помощью критерия Найквиста. Критерий Найквиста позволяют предопределять об устойчивости замкнутой системы автоматического управления по расположению АФХ разомкнутой системы. Если разомкнутая система устойчива, то для устойчивости замкнутой линейной системы необходимо, чтобы её АФХ в разомкнутом состоянии не охватывало критическую точку координаты, которой, являются (-1; j₀), лежащую на действительной оси.

Передаточная функция разомкнутой САУ на основании структурной схемы описывается уравнением:

Заменив в данном уравнении Р на jщ, получим передаточную функцию АФХ разомкнутой системы:

Введём обозначения:

А = Т_сТ_иТ_ощ³; Е = К_оК_рТ_ищcosщф_o; B = щ(Т_с+Т_и);

F = K_oK_pT_ищsinщб_з; C = Т_сТ_ищ²; N = K_oK_psinщб_з;

D = (T_с+Т_и)Т_ощ²; К = К_оК_рcosщб_з;

(23)

где - действительная часть АЧХ разомкнутой системы

- мнимая часть АФХ разомкнутой системы

Подставив значения К_о, К_р, Т_о, Т_и, Т_им, ф_о в формулу определим необходимые значения действительной и мнимой части АФХ разомкнутой системы при различных значениях . Результаты вычислений сведены в таблицу 3.

Т_о = 4,33 с

Т_с = 1 с

К_о = 0,78 м³/ч /% хода РО

б_з = 0,3 с

Т_и = 3,04 с

К_р =7,514 % хода ИМ / м³/ч

Таблица 2 - Результаты вычислений

w, рад/с	Re (w)	Im (w)
0,02	-1,01	-1,313
0,03	-0,796	-0,670
0,05	-0,575	-0,154
0,07	-0,410	0,081
0,08	-0,331	0,151
0,09	-0,254	0,198
0,10	-0,181	0,226
0,2	0,14	0

График АФХ разомкнутой системы представлен на рисунке 4.5.

Если вовремя проектировании системы управления задается степень колебательности М, то для его исполнения необходимо, чтобы АФХ разомкнутой системы не входила в центр окружности, радиус которого R, а центр круга С.



Рисунок 4.5 - график АФХ разомкнутой системы

(9)

(10)

1,2

1,8

По графику АФХ находим запас устойчивости и по модулю, и по фазе. Запас устойчивости по фазе () соответственно должен вписываться в промежуток 40-60^о. Запас устойчивости по модулю (Н) должен находиться в пределах 0,4-0,6.

По графику получаем следующие значения:

=

Н=0,51

Данная САУ с ПИ-регулятором устойчива, потому что АФХ разомкнутой системы не охватывает на комплексной плоскости точку с координатами, соответствующими (-1; j0) и обладает запасом устойчивости как по модулю, так же и по фазе.

5. Введение в эксплуатацию модернизированной АСУ ТП

5.1 Программное обеспечение ПЛК

Необходимое ПО должно основываться на существующих международных стандартах и соответствовать последующим принципам:

1) модульность устройства всех составляющих;

2) иерархия собственно программного обеспечения и данных;

3) высокая эффективность (минимум затрат ресурсов на обслуживание и создание программного обеспечения);

4) легкая интеграция (возможность модификации и расширения);

5) гибкость (возможность перенастройки и внесения изменений);

6) надежность, защита от несанкционированного доступа и разрушения как ПО, так и информации;

7) живучесть (выполнение необходимые функции в частичном или полном объеме при сбоях и отказах, восстановление работы после сбоев);

8) стандартизация решений;

9) простота и очевидность состава, структуры и изначальных текстов программ.

Необходимо предусматривать разделение программного обеспечения на основное (фирменное), поставляемое создателем ПТК, и прикладное (пользовательское), что может разрабатываться, как и поставщиком ПТК, так же и разработчиком автоматизированной системы управления. Для нашей модернизированной системы используется ПО STEP 7, это базовый пакет программ, содержащий в своем составе весь спектр инструментальных средств, требуемых для программирования и работы САУ, построенных на базе ПЛК фирмы Сименс SIMATIC S7/C7, и еще систем компьютерного управления SIMATIC WinAC. STEP 7 поставляется в 3х вариациях:

· STEP 7 Lite - это облегченная версия ПО Сименс, используемая для программирования только контроллеров SIMATIC S7-300 и SIMATIC C7;

· STEP 7 - полноценная версия для приложений, связанных с применением систем всех типов автоматизации SIMATIC;

· STEP 7 Professional - набор программ. В состав данного пакета входят STEP 7, S7-SCL, S7-GRAPH и S7-PLCSIM.

Характерной особенностью пакета STEP 7 является возможность разработки сложных комплексных проектов автоматизации, основанных на использовании большого количества ПЛК, ПК, устройств и систем ЧМИ, устройств распределенного ввода/вывода, а также сетевых структур промышленной связи. Ограничения на разработку подобных проектов накладываются исключительно функциональными возможностями программаторов или ПК, на которых установлен пакет STEP 7. При необходимости STEP 7 может дополняться инструментальными средствами проектирования, значительно упрощающими разработку более сложных проектов. Пакет STEP 7 входит в комплект поставки программатора SIMATIC Field PG. Он имеет возможность поставляться в виде независимого пакета программ для ПК, функционирующих под управлением операционных систем (ОС) Windows XP/7/8/10.

5.2 Разработка промышленной сети контроллера

Во вновь разрабатываемой системе используются 3 основных коммутационных протокола: Ethernet 802.3, TCP/IP, Profibus DP [10].

Ethernet - это наиболее распространенный на данный момент стандарт локальных сетей. В связи с типом физической среды стандарт IEEE 802.3 содержит различные модификации - l0Base-5, l0Base-2, l0Base-T, l0Base-FL, l0Base-FB. Для передачи бинарных данных по линии для всех вариантов физического уровня стандарт Ethernet, которые обеспечивают пропускную способность 10 Мбит/с, применяется манчестерский код. Существующие виды стандартов Ethernet (так же Fast Ethernet и Gigabit Ethernet) используют одинаковый метод разделения среды передачи информации - метод CSMA/CD. Для разрабатываемой САУ применяется стандарт Fast Ethernet. В системе используется модификация 100Base-TX. В качестве среды передачи 100Base-TX используют две витые пары, при этом одна из пар применяется для передачи информации, а вторая -- для их приема. Так как спецификация ANSI TP - PMD имеет описания как экранированных, так и неэкранированных витых пар, то спецификация 100Base-TX содержит поддержку как неэкранированных, также и экранированных витых пар типа 1 и 7. Протяженность сегмента составляет 100 метров и скорость передачи данных равна 100 Мбит/с.

TCP/IP (TransmissionControlProtocol/InternetProtocol) - это базовый протокол интернета TCP, который отвечает за предоставление информации для передаваемых пакетов, и сбора их в пункте назначения. Протокол IP отвечает за доставку пакетов от источника к адресату. Когда TCP и IP встраивают в приложения наиболее высокого уровня, например HTTP, FTP, Telnet и так далее, то данным термином TCP/IP объединяют весь набор этих протоколов. Хоть протокол TCP/IP как правило связывают с сетью Интернет, он может так же использоваться и в локальных вычислительных сетях сетях (ЛВС). В данном случае при низкой загрузки магистрали он обеспечивает необходимую скорость передачи информации. Протокол TCP/IP используется как транспортный протокол для обмена данными между узлами АСУ ТП.