Расчет комплекса печи для плавки медного сульфидного концентрата во взвешенном состоянии

Таблица 1.13. Количественный состав флюса, непосредственно участвующего в плавке, кг

SiO2	Всего	SiO2	Fe	O	H2O	Прочие
Al2O3*2SiO2*2H2O	16,268	16,268	-	-	-	-
CaO*SiO2	4,072	1,895	-	-	0,569	1,608
Fe2O3*2H2O	1,057	0,546	-	-	-	0,511
Прочие	4,066	-	2,320	0,998	0,748	-
SiO2	0,064	-	-	-	-	0,064
Итого	25,527	18,709	2,320	0,998	1,317	2,183

Таблица 1.14. Количественный состав пыли флюса, безвозвратных потерь флюса и оборотной пыли флюса, кг

Составная часть флюса	Всего	SiO2	Fe2O3	Al2O3	CaO	Прочие	H2O
Пыль	2,05	1,585	0,281	0,136	0,043	0,005	-
			Fe 0,197
			O 0,084
Безвозвратные	0,101	0,074	0,013	0,007	0,002	-	0,005
потери			Fe 0,009
			O 0,004
Оборотная пыль	1,953	1,51	0,268	0,129	0,041	0,005	-
			Fe 0,188
			O 0,080

Таблица 1.15. Количественный состав флюса, загружаемого в печь, кг

Соединения	Всего	SiO2	Fe	O	H2O	Прочие
SiO2	16,333	16,333	-	-	-	-
Al2O3*2SiO2*2H2O	4,088	1,902	-	-	0,571	1,615
CaO*SiO2	1,061	0,548	-	-	-	0,513
Fe2O3*2H2O	4,082	-	2,329	1,002	0,751	-
Прочие	0,064	-	-	-	-	0,064
Итого	25,628	18,783	2,329	1,002	1,322	2,192

Таблица 1.16. Количество и состав уходящей пыли

Соединения	Всего	Металлы	S и O	Остальное
	кг	%	кг	%	кг	%	кг	%
Cu2S	1,648	14,91	1,316	11,91	0,332	3	-	-
Cu2O	0,889	8,05	0,789	7,14	0,1	0,9	-	-
FeS	1,557	14,09	0,989	8,95	0,568	5,14	-	-
Fe3O4	2,479	22,43	1,794	16,24	0,685	6,2	-	-
Fe2O3	1,307	11,83	0,915	8,28	0,392	3,55	-	-
SiO2	2,194	19,86	-	-	-	-	2,194	19,86
Al2O3	0,779	7,05	-	-	-	-	0,779	7,05
CaO	0,098	0,89	-	-	-	-	0,098	0,89
Прочие	0,099	0,9	-	-	-	-	0,099	0,9
Итого	11,05	100	5,803	52,52	2,077	18,8	3,17	28,69

Таблица 1.17. Количественный состав оборотной пыли, кг

Соединения	Всего	Металлы	S и O	Остальное
	кг	%	кг	%	кг	%	кг	%
Cu2S	1,566	14,91	1,250	11,90	0,316	3,01	-	-
Cu2O	0,845	8,04	0,750	7,14	0,095	0,90	-	-
FeS	1,479	14,08	0,939	8,94	0,540	5,14	-	-
Fe3O4	2,355	22,42	1,704	16,22	0,651	6,20	-	-
Fe2O3	1,243	11,83	0,870	8,28	0,373	3,55	-	-
SiO2	2,089	19,89	-	-	-	-	2,089	19,89
Al2O3	0,740	7,04	-	-	-	-	0,740	7,04
CaO	0,093	0,89	-	-	-	-	0,093	0,89
Прочие	0,094	0,89	-	-	-		0,094	0,89
Итого	10,504	100,00	5,513	52,48	1,975	18,80	3,016	28,71

1.14 Методика расчёта теплового баланса автогенной плавки во взвешенном состоянии на подогретом дутье

Составим модель расчета теплового баланса для переработки медного концентрата. Основными статьями приходной части баланса является тепло экзотермических реакций окисления диссоциирующей серы и сульфида железа.

Аппаратурным оформлением тепла обуславливаются потери тепла печью во внешнюю среду за счет теплопередачи через футеровку, излучения через открытые отверстия и отвода тепла системой охлаждения конструктивных узлов агрегата.

Перейдем к расчету статей баланса.

Теплота реакций процесса

Из сопоставления вещественных составов исходных материалов и продуктов следует, что подлежащими учету при расчете технологии являются следующие результирующие реакции:



Из перечисленных реакций все, кроме реакции (III), являются бесспорными по своим конечным результатам, то есть из исходных компонентов обязательно получаются конечные соединения. Реакция же (III) может и не иметь места, если в исходных материалах имеется большое количество и количество магнетита , образующегося из этого по реакции (IV), равно всему магнетиту, содержащемуся в продуктах (штейне и шлаке). При этом может быть избыточное (сверх необходимого для образования ) количество , которое должно восстанавливаться по реакции:

Таким образом, вместо реакции (III) в приведенном перечне появляется реакция (VI).

Указанная неопределенность в реакциях не имеет, однако, в данном случае значения, поскольку конечные количества и в продуктах плавки однозначно определены.

Приведенными выше реакциями (I) ч (VI) не исчерпываются все реакции процесса автогенной плавки. Ранее мы не учитывали шлакование образующихся оксидов, поскольку эти превращения не влияют на количество и состав дутья и газов. В тепловом балансе эти реакции следует учитывать.

В нашем примере единственной реакцией шлакообразования, которая может внести заметный вклад тепловой баланс, является взаимодействие с кремнеземом шихты с образованием фаялита:



Известно, что в шлаках типа конвертерного количество образующегося фаялита определяется количеством имеющегося , так как имеется в избытке по отношению к . Поэтому реакцию (VII) рассчитываем по .

Рассчитываем реакции.

(I) Количество образующихся:

(IV) Всего поступает в процесс с исходными материалами:

Образуется : .

На это требуется :

(III) Всего образуется при плавке и переходит в штейн и шлак:

.

Образуется по реакции (IV) , а по реакции (III) образуется:

.

При этом окисляется ; требуется кислорода ; образуется SO₂ .

Количество в шлаке: .

где Fe = Fe в FeS, Fe = Fe в Fe₃O₄.

Расходуется по реакции (IV) ; всего образуется при плавке по реакции (II): . При этом окисляется ; требуется кислорода ; образуется SO₂ .

(V) В результате диссоциации высших сульфидов по реакции (I) выделяется элементарной серы ; требуется кислорода на ее окисление . Образуется SO₂ .

Обозначим тепловые эффекты (Дж/моль) учитываемых нами реакций буквой q с индексом, отвечающим номеру реакции, а количество тепла (кДж), выделяемого или поглощаемого в процессе автогенной плавки по этим реакциям, - соответственно Q₁, Q₂ и так далее.

Тепло реакции (I) подсчитаем по количеству, содержащемуся в , меди:

Остальные реакции просчитываем по количествам участвующих в них соединений:

Общее количество теплоты Q_р, выделяющееся в результате реакций процесса равно

(18)

Энтальпия материалов и продуктов плавки

Материалами рассчитываемой автогенной плавки являются концентрат, флюс и дутье. Концентрат и флюс поступают в плавку без предварительного подогрева, вследствие чего их энтальпия весьма незначительна, так что ей можно пренебречь. Дутье в реализованном в заводских условиях процессе взвешенной плавки подается ненагретым. Не исключена, однако, возможность его предварительного подогрева в рекуператоре для снижения расхода технического кислорода на плавку - увеличения доли воздуха в дутье. В случае подогрева энтальпия дутья будет значительной, и она должна быть учтена в балансе. Однако и без целенаправленного подогрева дутья энтальпия дутья в тепловом балансе процесса может быть заметной вследствие того, что в процессе сжатия в нагнетателях или компрессорах дутье может разогреваться до значительной температуры. Степень разогрева зависит от типа газоподающей машины, температуры засасываемого ею газа, степени его сжатия и др. На температуре дутья при входе его в печь существенно сказывается также охлаждение его на трассе от газоподающей станции до печи. Поскольку в общем случае подаваемое в процесс дутье может вносить заметное количество теплоты, учитываем его в балансе.

Зная объемы технического кислорода дутья, найденные в материальном балансе, найдем теплоту, вносимую техническим кислородом дутья:

,

где , кДж/(м³·єС) - средняя объемная теплоемкость технического кислорода и интервале температур от 0 єС до .

Продуктами плавки являются штейн, шлак и технологические отходящие газы. Теплоту, уносимую штейном и шлаком, выражаем через энтальпии и , которые находим из справочной литературы для определенных температур и непосредственно для тех составов этих продуктов, которые получены в результате числового расчета технологии. При этом необходимо принять температуру штейна и шлака на выходе из печи. Теплота штейна и шлака:

Теплоту технологических газов рассчитываем по отдельным газовым составляющим. Теплота, уносимая технологическими газами (за исключением паров воды) равна:

где , и - соответствующие средние объемные теплоемкости газовых составляющих от 0 до t_г.

Теплота, затрачиваемая на нагрев и испарение внешней влаги концентрата и флюса и нагрев паров воды:

где 2674 - теплота, затрачиваемая на нагрев 1 кг воды от 0 до 100 єС и испарение влаги при этой температуре и нормальном атмосферном давлении, кДж / кг

- средняя теплоемкость паров воды в интервале температур от 100 до t_г, кДж / (м³·єС)

Расчёт теплового баланса печи взвешенной плавки на подогретом дутье

Тепловой баланс печи взвешенной плавки после произведенных расчетов будет выглядеть следующим образом:

На этом тепловой баланс печи взвешенной плавки является завершенным.

Прежде всего, подсчитаем тепловые эффекты реакций. Справочные данные дают следующие значения теплот образования (энтальпий) соединений, участвующих в реакциях:

Таблица 1.19. Теплоты образования некоторых соединений

Соединение					FeO
	190,37	100,42	128,66	79,50	264,44	1116,74	821,34	296,81	1473,64	910,46

Пользуясь данными таблицы 1.19., подсчитываем теплоты образования приведенных выше реакций по формуле:



Тепловой баланс печи взвешенной плавки после произведенных расчетов будет выглядеть следующим образом:

Рассмотрим статьи прихода

Значит, тепловые эффекты реакций q_i, МДж / кмоль будут равны :

Тепло реакции (I) подсчитаем по количеству, содержащемуся в , меди:

Остальные реакции просчитываем по количествам участвующих в них соединений:



Общее количество теплоты Q_р, выделяющееся в результате реакций процесса равно

Q1=-0,2839*19=-5,3941 МДж

Q2=6,4148*24,588=157,727 МДж

Q3=7б3695*0,888=6,544 МДж

Q4=0,1337*5,369=0,718 МДж

Q5=14,5021*4,7937=69,519 МДж

Q7=0,2387*22,922=5,471 МДж

Qр=234585 кДж.

Зная объемы технического кислорода дутья, найденные в материальном балансе, найдем теплоту, вносимую техническим кислородом дутья:

,

где , кДж/(м³·єС) - средняя объемная теплоемкость технического кислорода и интервале температур от 0 єС до .

Масса и объем технического кислорода в дутье равны m_ткз, V_тк

Примем V_тк в качестве промежуточных переменных:



Объем собственно кислорода и азота в техническом кислороде соответственно составят:

Объемы кислорода и азота в техническом кислороде и воздухе (содержание кислорода в воздухе 21% по объему):

Промежуточная система уравнений:

Решив эту систему получим:

Так как то мы получим, что =25,334-0,221s

Зная объемы технического кислорода дутья, найденные в материальном балансе, найдем теплоту, вносимую техническим кислородом дутья:

,

где , кДж/(м³·єС) - средняя объемная теплоемкость технического кислорода и интервале температур от 0 єС до .

Q_тк =1,339*200*(25,334-0,221*s)

Таким образом, Q_{прихода} = 234585 +6673,805-59,091*s.

Рассмотрим статьи расхода тепла.

Продуктами плавки являются штейн, шлак и технологические отходящие газы. Теплоту, уносимую штейном и шлаком, выражаем через энтальпии и , которые находим из справочной литературы для определенных температур и непосредственно для тех составов этих продуктов, которые получены в результате числового расчета технологии. При этом необходимо принять температуру штейна и шлака на выходе из печи. Теплота штейна и шлака:

где i_шт = 960, i_ш = 1460.

Q_шт = 34990,08 кДж, Q_ш = 97729,48 кДж.

Теплоту технологических газов рассчитываем по отдельным газовым составляющим. Теплота, уносимая технологическими газами (за исключением паров воды) равна:



где , и - соответствующие средние объемные теплоемкости газовых составляющих от 0 до t_г.

Теплота, затрачиваемая на нагрев и испарение внешней влаги концентрата и флюса и нагрев паров воды:

=9461,71 кДж.

где 2674 - теплота, затрачиваемая на нагрев 1 кг воды от 0 до 100 єС и испарение влаги при этой температуре и нормальном атмосферном давлении, кДж / кг,

- средняя теплоемкость паров воды в интервале температур от 100 до t_г, кДж / (м³·єС).

Рассчитываем потери в окружающую среду.

Запишем уравнения теплопроводности для данной стенки:

где - тепловое сопротивление стенки.

Принимаем значение tн=275єС,

огнеупор - шамот,

Теплоизоляционный материал-шлакобетон

кожух - стальной

Затем находим среднюю температуру:

=(275+25)/2=150єС

При полученной температуре из справочной литературы ищем значение критерия Прандтля (Pr = 0,684).

Теперь необходимо рассчитать критерий Грасгофа:

Gr=

Находим произведение полученных критериев

Gr*Pr=6,698*10⁹

и в справочной литературе находим вспомогательные коэффициенты c=0.135 и n=0.33

Теплоотдача при естественном движении газа в свободном пространстве печи можно рассчитать по формуле Михеева:

Nu = c (Gr*Pr)ⁿ=235,99

С другой стороны, критерий Нуссельта равен:

Nu =

Следовательно, коэффициент теплоотдачи равен:

=(235,99*0,336)/1=8,432

q = 8,432*(275-25)=2108 кДж.

Находим t1= t₂+єС

Q_пот = q*l = 213,309Дж

Q_{расхода}= Q_{прихода}

234585 +6673,805-59,091*s = 34990,08+ 97729,48 +54498,75+1416,25*s +9461,71+0,213

Таблица 1.20. Тепловой баланс взвешенной плавки

Q реакции	Q техн. кислорода				Приход
234585	4888,324628				239473,3
Q штейна	Q шлака	Q O2	Q H20	Q потерь	Расход
34990,08	97729,48	97291,84163	9461,71	0,213	239473,3

1.15 Выбор размеров печи

Для расчёта теплового баланса принимаем предварительные размеры печи взвешенной плавки.

Шахта реакционная:

Диаметр шахты принимаем равным, м 10,3

Высоту факела исходя из длины факела горения

(по опытным данным), м 20,5

высота кессонированной части стен, м 13,7

высота некессонированной части стен, м 6,8

толщина футеровки кессонированных стен, м 0,79

толщина футеровки некессонированных стен, м 1,18

толщина футеровки свода, м 1,18

объем шахты, м³ 579,9

Отстойная часть:

Площадь пода, м² 259,1

Ширину отстойной части принимаем

по диаметру реакционной шахты, м 10,3

длина пода, м 25,25

высота пода, м 4,5

толщина футеровки подины, м 1,57

толщина футеровки верхних стен свода, м 0,59

толщина футеровки стен на уровне расплава, м 0,79

Аптейк

Высоту аптейка принимаем по высоте

установленного за печью котла-утилизатора, м 24,00

длина аптейка, м 10,3

ширина аптейка равна ширине отстойной части печи, м 10,3

толщина футеровки стен, м 0,79

толщина футеровки свода, м 0,59

площадь сечения на входе в аптейк, м² 79,71

объем шахты, м³ 1209,2

2. Автоматизация

Важной задачей научно-технического прогресса в цветной металлургии является разработка и внедрение высококачественных и компактных технологических процессов, обеспечивающих комплексное использование сырья и снижение вредных выбросов в атмосферу. К таким процессам можно отнести плавку во взвешенном состоянии на подогретом дутье.

2.1 Печь взвешенной плавки как объект управления

Печь взвешенной плавки предназначена для перерабатывания сульфидного медного концентрата на штейн и шлак с заданными извлечениями цветных металлов и железа. В печи выделяют две зоны: зону теплогенерации и зону технологическую. Каждая из зон имеет своё назначение, которое определяет во многом построение и особенности узлов автоматического контроля и управления.

Для автоматического управления теплогенерацией и технологическими реакциями необходимо контролировать целый ряд теплотехнических и технологических параметров: расходы и давление топлива, воздуха, состав и температуру продуктов сгорания, покидающих печь, массу исходных материалов, температуру и состав шлака и штейна.

Для обеспечения высокопроизводительной работы печи взвешенной плавки необходимо непрерывно контролировать ряд величин, характеризующих состояние конструктивных элементов и узлов агрегата, например температуру свода реакционной шахты, газоходов, температуру пода, температуру кладки аптейка и прочее.

Управление процессом плавки может осуществляться изменением входных параметров:

· расхода и состава загружаемой шихты;

· расхода дутья, при этом удаётся регулировать температуру, однако одновременно изменяется и состав штейна.

Состав штейна регулируют поддержанием на определенном уровне соотношения загрузка шихты - расход дутья; нарушение этого соотношения может привести к переокислению шлака. При первых признаках переокисления шлака с помощью корректировки дутьевого режима печь выводится на нормальный режим.

Правильность хода процесса плавки и условий работы печи оценивается плавильщиком, а также системой автоматики по измеренным значениям контролируемых параметров. Однако при современном развитии вычислительной техники есть возможность получить расчётные показатели плавки.

Отклонения от расчётных показателей плавки вносят следующие возмущения:

· колебание состава шихты и оборотных продуктов, поступающих в плавку,

· колебания состава и давления дутья и другие возмущения.

Параметрами, определяющими ход технологического процесса в отстойной части печи, являются температура и состав штейна и шлака. В штейне контролируется содержание меди, железа и других элементов.

Температура штейна и содержание извлекаемых металлов в нём - это главные параметры плавки. Определяющими характеристиками шлака служат содержание в нем флюсующих элементов и содержание закиси железа.

Параметрами, определяющими теплообменные процессы в печи и состояние агрегата, являются температура свода, газоходов, давление в рабочем пространстве и разрежение в котле-утилизаторе, состав продуктов сгорания.

2.2 Структура АСУ ТП ПВП

Цветная металлургия относится к крупным отраслям сферы промышленности народного хозяйства Российской Федерации. По характеру производства предприятия цветной металлургии относятся к непрерывным производствам с тяжелыми условиями труда, так как включают в себя горячие цехи и переделы с выделениями паров, пыли и токсичных газов. Эти заводы оснащены агрегатами большой единичной мощности, обычно выпускают химически чистую продукцию в больших объемах и являются энергоемкими производствами, так как потребляют значительную долю топливно-энергетических ресурсов, вырабатываемых в народном хозяйстве. Все эти обстоятельства делают проблемы механизации и автоматизации производственных процессов особенно актуальными для цветной металлургии.

Управление вообще и управление металлургическим производством, в частности, это информационный по своей природе процесс, обеспечивающий реализацию материального процесса при условии достижения сформулированной заранее цели функционирования производства и системы управления им. Управление технологическим процессом это комплекс мероприятий, обеспечивающих стабильное протекание процесса, повышение эффективности производства в соответствии с выбранным критерием или критериями оптимальности при заданных экономических и технологических условиях. Основными критериями эффективности управления являются повышение технологической дисциплины и производительности труда, улучшение качества продукции, экономия материальных ресурсов, снижение себестоимости продукции, улучшение условий труда и культуры производства.

АСУТП - это человеко-машинная система, предназначенная для обеспечения эффективного функционирования технологического объекта управления (ТОУ) путем автоматизированного выполнения функций управления.

Состав АСУ ТП ПВП приведен на рис. 2.1.

Состав АСУТП печи взвешенной плавки представляет собой:

1. входная информация (потоки сырья и материалов);

2. выходная информация (качество и количество продукции);

3. оперативный персонал (технологи, инженеры);

4. техническое обеспечение (комплекс технических средств);

5. Организационное обеспечение (технологические инструкции, описания и инструкции по эксплуатации системы).

Комплекс ПВП включает в себя следующие системы контроля и управления, обеспечивающие функционирование комплекса в заданном технологическом режиме:

· автоматическая система подачи шихтовоздушной смеси в горелки;

· автоматическая система охлаждения печи;

· система контроля отходящих газов.

Также имеется система промышленного телевидения и система аварийной сигнализации.

Структура АСУТП трехуровневая:

1. Нижний уровень. Обеспечивает выдачу информации о состоянии технологических параметров технологического оборудования (датчиков), запорно-регулирующей арматуры и электропровода, а также прием управляющих сигналов;

2. Средний уровень. Обеспечивает сбор и первичную обработку информации от измерительных преобразователей и датчиков, выдачу управляющих воздействий и передачу на верхний уровень системы параметров сигнализации и измерения;

3. Верхний уровень - автоматизированное рабочее место (АРМ). Обеспечивает взаимодействие с оператором, передачу управляющих команд на нижний уровень, накопление данных, их архивирование, формирование отчётов, передачу и прием потоков информации с уровня предприятия.

Сигналы нижнего уровня системы поступают по линиям связи на контроллер, который преобразует средний уровень системы. В контроллере поступающая информация обрабатывается и далее по скоростной шине передачи данных передается на АРМы оператора. Информация на операторских АРМах используется для формирования видеоинтерфейса, обеспечивающего возможность наблюдения за технологическими процессами управления протеканием этих процессов.

При необходимости эта связь с другими системами может быть организована стандартными техническими средствами (модемная связь, радиоканал и др.) с использованием стандартных протоколов обмена.

Для повышения «живучести» системы контроллер и АРМы оператора комплектуются источниками бесперебойного питания.

Управление регулирующими, запорными органами и электроприводами в местном пусконаладочном режиме осуществляется от кнопок, расположенных непосредственно у приводов.

В основном режиме работы управление регулирующей, запорной арматурой и электроприводами осуществляется автоматически от контроллеров, в соответствии с заданными алгоритмами, либо дистанционно с клавиатуры рабочей станции оператора-технолога. Режимы управления выбираются оператором-технологом.

Перечень средств низовой автоматики приведён в таблице 2.4., обусловлен их надежностью, высоким метрологическими характеристиками, быстродействием, наличием систем диагностики и мониторинга, а также имеющимся опытом их эксплуатации на металлургических предприятиях в условиях действующего производства.

Средний уровень базируется на серии контроллеров RSLogix 5000 фирмы Allen-Bradley (США), объединенных сетью Control Net. Контроллерные шасси и шасси устройств связи с объектом (УСО) размещены в шкафах напольного типа (шкафы управления).

Верхний уровень базируется на АРМ, установленных в помещениях операторов и объединенных сетью Ethernet. Для повышения оперативности управления в операторной предусмотрены 3 станции операторов-технологов, 5 видеомониторов промышленного телевидения.

Повышение стабильности и высокой надежности системы в тяжелых промышленных условиях достигается использованием дублированной сети и «горячим» резервированием процессов, а также степенью защиты оборудования.

2.3 Цели создания АСУТП

Автоматизированная система предназначена для контроля и управления технологическим процессом взвешенной плавки медного сырья и производственно-хозяйственной деятельностью плавильного на основе применения современных программно-технических средств и технологий сбора, обработки, хранения и передачи информации.

Целью создания АСУ ТП ПВП является разработка человеко-машинного интерфейса обеспечивающего управление, как технологическим процессом, так и основным и вспомогательным оборудованием печи во всех режимах ее работы. Так же должна обеспечиваться выработка и реализация управляющих воздействий на основное и вспомогательное оборудование на основе анализа информации о ходе технологического процесса и о состоянии оборудования.

Внедрение автоматизированной системы позволит повысить технико-экономические показатели производственного процесса взвешенной плавки, улучшить условия труда за счет оперативности получения информации о техническом состоянии технологического оборудования и технологических параметрах, повышения качества управления и принятия соответствующих организационно технических мер.

2.4 Функции АСУТП

Функции АСУ ТП ПВП разделяются на информационные и управляющие.

Информационные функции АСУ ТП:

- контроль за основными параметрами процесса, т.е. непрерывная проверка соответствия параметров допустимым значениям;

- измерение и регистрация по вызову оператора тех параметров процесса, которые его интересуют в ходе управления процессом;

- вычисление некоторых комплексных показателей, неподдающихся непосредственному измерению;

- вычисление технико-экономических показателей работы объекта.

Управляющие функции АСУ ТП:

- стабилизация управляемых величин технологического процесса на некоторых постоянных значениях;

- программное изменение режимов процесса;

- формирование и реализация управляющих воздействий, обеспечивающих оптимальное течение технологического процесса;

- защита оборудования от аварий;

- управление пусками и остановками агрегатов.

2.5 Аппаратурный синтез

Структурная схема АСУТП ПВП представлена на рис. 2.2.

Технические характеристики системы

АСУТП ПВП представляет собой специализированную систему, что позволяет обеспечить максимальный учет специфики реального объекта управления и условий эксплуатации при минимальной стоимости системы и габаритно-массовых характеристиках аппаратуры за счет отсутствия избыточности.

Аппаратура системы разработана с учетом требований максимальной внутри- и межприборной унификации на уровне конструктивных элементов, функциональных электронных узлов и модулей, требований ремонтопригодности и эргономики и имеет единый дизайн и конструктивный стиль.

Аппаратура системы не требует специальных помещений и может быть установлена в помещении операторских или щитовых. Аппаратура системы (шкафы автоматизации и местные пульты управления) имеет исполнение IP65 (6 - полная защита против пыли, 5 - защита от брызг воды всех направлений) и предназначена для круглосуточной работы в условиях плавильного цеха. Исключением являются случаи плановых профилактических остановок.

За счёт небольших габаритных и весовых характеристик контроллеров восстановление работоспособности аппаратуры в условиях помещений плавильного цеха в случае отказа осуществляется путем замены неисправного прибора исправным из состава ЗИП (запасное имущество и принадлежности) в течение 10 мин, при этом работоспособность исправной части системы сохраняется за счет соответствующих алгоритмов живучести.

В аппаратуре системы применена периодическая автоматическая калибровка измерительных трактов контроллеров, парирующая технологические, временные и температурные воздействия на их точностные характеристики.

Выбор контроллерной аппаратуры, подбор персональных компьютеров и настройка сетевого подключения

В качестве основы комплекса технических средств применена серия контроллеров RSLogix (Allen-Bradley). Серия контроллеров представляет собой 6-, 8-, 10-, 12- и 17-местные шасси, в каждом из которых устанавливаются модули питания, процессорные модули и (или) модули сопряжения, модули ввода / вывода (Input/Output (I/O) модули). Эффективному применению контроллеров способствует возможность использования нескольких типов центральных процессоров различной производительности, наличие широкой гаммы модулей ввода - дискретных и аналоговых сигналов, функциональных моделей и коммуникационных процессоров.

В зависимости от степени сложности решаемой задачи в контроллерах могут быть использованы различные типа центральных процессоров, отличающиеся производительностью, объемом памяти, наличием или отсутствием встроенных входов / выходов и специальных функций, наличием или отсутствием коммуникационных интерфейсов.

Принцип действия контроллеров базируется на взаимодействии процессора с памятью программ. В памяти программ хранится программа пользователя. Процессор обеспечивает управление технологическим процессом в соответствии с этой программой.

Процессор работает циклически. Каждый цикл начинается со считывания входных сигналов и записи их значений в область памяти отображения входных сигналов. Затем шаг за шагом выполняется программа пользователя. Расчетные значения выходных сигналов записывают в область памяти отображения выходных сигналов, откуда передаются на выходы контроллера.

Для сбора и обработки сигналов, а также формирования и выдачи управляющих воздействий будем использовать программно-логический контроллер (ПЛК) RSLogix5OOO.

Процессоры RSLogix имеют память до 7,5 мбайт и способны обрабатывать до 4000 аналоговых или 128000 дискретных сигналов. Быстродействие процессоров 0,08 мсек/1К битовых инструкций. Процессоры имеют многозадачную операционную систему, позволяющую выполнять 32 задачи по 32 программы каждая. Модули ввода / вывода и сетевые адаптеры, и процессоры имеют встроенные средства самодиагностики.

Контроллер позволяет:

- устанавливать процессоры, модули ввода / вывода, сетевые адаптеры в любое место шасси;

- устанавливать процессоры в любом шасси;

- нет разделения на шасси вводов / выводов и процессорные;

- создавать многопроцессорные системы управления, путем установки в одно или разные шасси нескольких процессоров;

- создавать на базе сети ControlNet распределенные системы управления протяженностью до 6 км (до 30 км на оптоволокне), причем скорость работы сети не зависит от длины линии;

- организовать МОСТ между двумя сетями, например между двумя локальными сетями ControlNet, Ethernet, DeviceNet.

- заменять модули под напряжением;

- задавать индивидуально для каждого модуля ввода / вывода требуемую периодичность отправки данных и гарантировать ее выполнение.

Принцип организации программируемого контроллера RSLogix: Шасси контроллера представляет собой сегмент сети ControlNet; каждый модуль в шасси является станцией. Модули ввода / вывода, процессоры и другие модули могут быть установлены на любое место в шасси. Обмен данными между модулями в шасси контроллера ControlLogix осуществляется по принципу источник-потребитель, как в сети ControlNet. Подключения к «внешним» сетям ControlNet, Ethernet и др. осуществляется через специальные модули - коммуникационные процессоры, обеспечивающие передачу данных между внешней сетью и сетью шасси контроллера. Каждый коммуникационный

процессор является узлом сети, и может самостоятельно передавать и принимать информацию. Их количество в шасси не ограничено.

Все шасси ControlLogix в системе управления на базе сети ControINet являются участками сети, а каждый модуль в такой системе является самостоятельным узлом сети, это в частности, позволяет свободно распределять процессоры по разным шасси системы управления.

Модули входов / выходов контроллера ControlLogix отличаются высокой точностью и перегрузочной способностью, развитыми диагностическими и защитными функциями. Аналоговые входы 16 или 8 каналов, 16 битные, точность 0,1…0,3%, с контролем обрыва датчика, защита от перегрузки 30 Vdc для входов по напряжению, 8 Vdc для входов по току, оптическая развязка с шиной обеспечивает защиту по напряжению 2550 Vdc в течение 1 с.

Аналоговые модули входов обеспечивают:

- задание реального диапазона изменения входного сигнала;

- масштабирование значения входного сигнала в инженерные единицы;

- фильтрацию входного сигнала по выбираемой частоте;

- контроль выхода сигнала за пределы заданного диапазона;

- контроль выхода сигнала за пределы допустимого диапазона;

- контроль превышения допустимой скорости изменения сигнала;

- обнаружение обрыва провода; простую калибровку с помощью стандартного пакета программирования.
Аналоговые выходы 8, 6, или 4 канала, 15 битные, точность 0,15…0, 3%, с контролем обрыва датчика, защита от перегрузки 24 Vdc, электронное ограничение выходного тока до 21 mА, оптическая развязка с шиной обеспечивает защиту по напряжению 2550 Vdc в течение 1 с.

Аналоговые модули выходов обеспечивают:

- задание реального диапазона изменения выходного сигнала;

- масштабирование из инженерных единиц в значения выходного сигнала;

- эхо данных, измерение реального значения сигнала на выходных клеммах;

- ограничение скорости изменения выходного сигнала;

- ограничение допустимого диапазона выходного сигнала;

- обнаружение обрыва провода;

- переход в заданное «безопасное состояние» в случае потери связи с процессором;

- может быть задан переход в «О», максимум, среднее значение, точное значение, замораживание выхода;

- простую калибровку с помощью стандартного пакета программирования.

Дискретные модули входов имеют исполнения: стандартное, с изолированными каналами, с диагностикой обрыва линии. Модули имеют оптическую развязку между каналами / группами и шиной, обеспечивающую защиту по напряжению 2550 Vdc в течение 1 с.

Модули с электронной защитой обеспечивают защиту от короткого замыкания, модули с диагностикой обеспечивают определение обрыва линии, определение короткого замыкания и электронную защиту от него. Модули выходов с диагностикой обеспечивают контроль срабатывания выходного каскада. Выходы модулей могут быть программированы на переход в «безопасное состояние» в случае потери связи с процессором.

В системах управления на базе контроллеров RSLogix предусмотрено аппаратное резервирование:

- процессоров;

- блоков питания шасси контроллеров;

- линий связи сети ControlNet.

Программирование контроллера осуществляется с помощью пакета RSLogix5OOO, реализованного в соответствии со стандартом IEC 61131-3. Программирование осуществляется на языках релейно-контактных символов, структурированного текста, функциональных блоков, языке графов. Дружественный интерфейс, включает все стандартные функции редактирования Microsoft Windows. Языки программирования поддерживают символьную адресацию, что позволяет создавать программы с последующей привязкой к реальным объектам.

В составе языка имеются инструкции по работе с массивами (вплоть до трёхмерных) и структурами (в том числе создаваемыми пользователем), математические и логические функции, а также специальные функции для программирования управления процессами.

Программирование всех функций контроллера (включая контуры регулирования ПИД), а также конфигурирование модулей ввода / вывода и сетевых адаптеров осуществляется стандартными средствами RSLogix5OOO. Количество внутренних переменных, контуров регулирования и других инструкции в рабочей программе ограничено только объёмом памяти процессора. В пакет встроена функция графического отображения состояния до 16 переменных в виде трендов. Программа может быть документирована на русском языке.

На верхнем уровне выбрано сетевое оборудование, которое обеспечивает интеграцию системы в общезаводскую ЛВС. Компьютеры и мониторы, встроенные в секционированные столы, образуют АРМ операторов. Для выхода в общезаводскую ЛВС используется оптоволоконный кабель и устанавливается коммуникационный шкаф.

АРМ - оператора представляет собой персональный компьютер, выполненный на базе процессора Intel Pentium IV. Для данной схемы управления достаточным количеством персональных компьютеров будет наличие одного сервера, трех клиентов (АРМы операторов) и одного ПК программиста. Архитектура используемых ПК приведена в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Технические характеристики персональных компьютеров

Принадлежность	CPU	RAM	Hard Drive
Сервер	Intel, 3200 MHz	512 Mb	200 Gb
Клиент	Intel, 1600 MHz	128 Mb	20 Gb
ПК программиста	Intel, 2400 MHz	256 Mb	40 Gb

Так же в комплекте каждого ПК имеется настольный монитор (не менее 17»), клавиатура и манипулятор типа «мышь» для ввода команд, громкоговорители акустической системы и установлена операционная система MS Windows 2000. Питание системных блоков осуществляется от устройств бесперебойного питания.

Конфигурация контроллеров представлена в таблицах 2.2. и 2.3.

Таблица 2.2. Конфигурация контроллера АСУ подачи шихтовоздушной смеси

	Наименование	Количество
1	Программируемый контроллер RSLogix5OOO 1.5 МВ памяти	1
2	Блок питания контроллерной корзины, 220 В	1
3	Контроллерная корзина, 10 мест для установки модулей ввода-вывода	1
4	Модуль ввода дискретных сигналов, 24 В, 32 канала	1
5	Модуль вывода дискретных сигналов 24 В, 16 каналов с электронными предохранителями	2
6	Модуль ввода аналоговых сигналов 4-20 мА, 16 каналов	2
7	Модуль вывода аналоговых сигналов, 4-20 мА, 8 каналов	1
8	Модуль связи по сети Control Net	1
9	Модуль связи по сети EtherNet	1

Таблица 2.3. Конфигурация контроллера АСУ охлаждения печи

	Наименование	Количество
1	Программируемый контроллер RSLogix5OOO 1.5 МВ памяти	1
2	Блок питания контроллерной корзины, 220 В	1
3	Контроллерная корзина, 18 мест для установки модулей ввода-вывода	1
4	Модуль ввода дискретных сигналов, 24 В, 32 канала	2
5	Модуль вывода дискретных сигналов 24 В, 16 каналов с электронными предохранителями	3
6	Модуль ввода аналоговых сигналов 4-20 мА, 16 каналов	7
7	Модуль вывода аналоговых сигналов, 4-20 мА, 8 каналов	1
8	Модуль связи по сети Control Net	1
9	Модуль связи по сети EtherNet	1

Сигналы системы контроля отходящих газов поступают на корзину удаленного ввода-вывода Flex IO. По сети Control Net корзина удаленного ввода-вывода соединена с контроллером.

Конфигурирование контроллера происходит в среде RSLogix5OOO. После того как определено количество необходимых модулей и подобрано шасси, производим конфигурирование контроллерной корзины. Первый шаг - устанавливаем 10 слотовое шасси и указываем выбранный процессорный модуль. Далее поочередно набираем корзину:

1. устанавливаем модуль ввода дискретных сигналов;

2. устанавливаем два модуля вывода дискретных сигналов;

3. устанавливаем два модуля вывода аналоговых сигналов. Для каждого канала (их восемь) указывается тип входного сигнала, и выполняется градуировка (задается шкала и диапазон сигналов);

4. устанавливаем модуль вывода аналоговых сигналов;

5. устанавливаем модуль сети Ethernet и выполняем конфигурирование;

6. устанавливаем модуль сети Control Net.

Далее производим аналогичным образом конфигурацию второго контроллера (АСУ охлаждения) и корзины удаленного ввода-вывода.

Система управления реализована в виде распределенной контроллерной системы. Все контроллеры объединены посредством технологической сети, построенной с использованием двух протоколов обмена данных.

На базе индустриального стандарта Ethernet реализована связь для информационного обмена между компонентами системы и верхним уровнем. Связь осуществляется по стандартному кабелю категории 5. Сеть предназначена для передачи информации о состоянии технологического оборудования и технологического процесса с контроллеров на сервер данных верхнего уровня, и получения команд и параметров управления с системы верхнего уровня.

На базе стандарта ControlNet реализована связь между компонентами системы. Связь осуществляется по коаксиальному кабелю. Сеть предназначена для осуществления связи между контроллерами и связи контроллеров с блоками распределенной периферии.

Сеть ControlNet основана на топологии общей шины, однако её можно сконфигурировать как в виде звезды, так и в виде древовидной структуры.

Сеть ControlNet - управляющая сеть, удовлетворяющая требованиям приложений реального времени с высокой пропускной способностью. Сеть объединяет функциональность сети ввода-вывода и сети обмена точка-точка, обеспечивая высокую производительность для обеих функций.

Сеть ControlNet обеспечивает детерминированные, периодические пересылки всех критических управляющих данных в дополнение к пересылке некритичных по времени данных. Фирменный метод доступа к носителю, используемый в сети ControlNet,

приводит к детерминированной доставке критичных ко времени данных запланированных, назначая им более высокий приоритет, чем для некритичных незапланированных. В результате обновления входов-выходов и взаимные блокировки контроллеров всегда имеют приоритет перед загрузкой-сохранением программ и обменом сообщениями.

Все устройства ControlNet имеют прямой доступ к данным в сети Foundation Fieldbus. Сеть ControlNet обеспечивает избыточность носителя, что позволяет поддерживать функционирование системы при повреждении кабеля и взрывобезопасность при обеспечении оптоволоконного канала передачи.

К сети могут быть подключены программируемые логические контроллеры (ПЛК), датчики, исполнительные механизмы (ИМ), частотные привода (ЧП) и др. Запланированные данные передаются со скоростью 5 Мбит/с, что улучшает как производительность ввода-вывода, так и связи процессор-процессор. Гибкая архитектура системы может работать с несколькими процессорами, в любом месте кабеля шины сегмента сети можно установить до 99 адресуемых узлов (через ответвители).

На сегменте ControlNet можно осуществить как дискретные, так и недискретные посылки данных входов-выходов. Дискретная передача данных ввода-вывода происходит, когда единственный блок данных ввода-вывода (8, 16 или 32 бита, соответствующие образу модуля ввода-вывода) передается и принимается одновременно от всех модулей в шасси. Таким образом, за одну дискретную пересылку обновляется образ ввода-вывода для всех дискретных модулей, установленных в шасси. Недискретная передача данных происходит, когда блок данных (до 64 слов в пакете) пересылается в один или из одного иска ввода-вывода.

Каждая таблица отображения входов-выходов процессора ControlNet может содержать ограниченное число данных. Каждое вхождение в сеть соответствует одной запланированной пересылке данных входов-выходов между процессором ControlNet и шасси ввода-вывода или же сообщение другому процессору ControlNet. Поскольку добавления вхождения к таблице отображения входов-выходов создает запланированную пересылку данных входов-выходов на периодической основе, которую определяет пользователь, то для запланированных пересылок данных не требуется программная логика. Для не дискретных передач ввода-вывода существует возможность программирования их как незапланированных пересылок, чтобы сделать их пересылками по событию.

После того как корзина собрана, подключаем по сети ControlNet корзину удаленного ввода-вывода Flex IO. Конфигурирование происходит аналогично (8 слотовое шасси и два модуля ввода аналоговых сигналов).

Контрольно-измерительные приборы

Для измерения температуры расплава по ходу плавки служат пирометры спектрального отношения, которые относятся к бесконтактным средствам измерения, т. е. при измерении отсутствует непосредственное соприкосновение исследуемой среды и датчика. Пирометры спектрального отношения предназначены для определения цветовой температуры путем измерения отношения спектральных энергетических яркостей, соответствующим двум длинам волн.

Температура в печи, котле-утилизаторе, газоходах.

Температура кладки реакционной шахты в районе факела горения шихтововоздушной смеси должна сохраняться в пределах от 1200 ⁰С до 1350 ⁰С, измеряется радиационным пирометром, измерение температуры которым основано на улавливании теплового излучения и концентрировании его на термочувствительном элементе с помощью собирательной линзы, установленном в специальной арматуре в реакционной шахте печи после горелки. Для контроля температуры кладки котла-утилизатора радиационный пирометр в защитной арматуре через визирную трубу, установленную в кладке стены котла-утилизатора, визируется на переднюю стенку котла-утилизатора. Температура отходящих газов в газоходе после котла-утилизатора составляет 310 - 400 ⁰С. Измерение данной температуры производится стандартной хромель-алюмелевой термопарой в металлической чехле.

Давление в шихтовоздушных горелках, разрежение в газоходе.

Отбор давления в шихтовоздушных горелках осуществляется импульсной трубкой со свода печи в центральной его части. Давление в этой точке зависит от конструкции и режима работы печи и составляет в среднем 0,1 МПа. Для контроля разрежения в газоходной системе импульсную трубку устанавливают в газоходе после котла-утилизатора и соединяют трассой с показывающим тягомером на щите автоматики печи.

Система охлаждения конструкций печи.

Для обеспечения оптимальной температуры нагрева кладки реакционной шахты печи используют систему испарительного охлаждения с применением кессонов.

2.6 Программное обеспечение АСУТП

Современные распределительные системы управления (РСУ) характеризуются территориальной и функциональной распределенностью систем сбора данных и управления. Контроль хода технологического процесса и управление низовой автоматикой осуществляется оператором автоматизированного рабочего места оператора (АРМ-оператора).

Представление данных в реальном масштабе времени в ходе технологического процесса, визуализации процесса в виде мнемосхем, составление отчетов и графиков, сигнализация отклонений параметров и др. функции осуществляются с помощью специального программного обеспечения SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) - система сбора данных и оперативного диспетчерского управления, разрабатывалась как универсальное многофункциональное программное обеспечение систем верхнего уровня, позволяющее оперативному персоналу наиболее эффективно управлять технологическим процессом.

Основные функции, выполняемые практически любой из многих представленных на рынке промышленной автоматизации SCADA - систем:

· сбор данных о параметрах процесса, поступающих от контроллеров или непосредственного от датчиков и исполнительных устройств (значения температуры, давление и других параметров, положение клапан или вала исполнительного механизма);

· обработка и хранение полученной информации. Под обработкой информации понимается выполнение функций фильтрации, нормализации, масштабирования и др.;

· графическое представление в цифровой, символьной и иной форме информации о ходе технологического процесса;

· сигнализация изменений хода технологического процесса, особенного в предаварийных и аварийных ситуациях в виде системы алармов. При этом может осуществляться регистрация действий обслуживающего персонала в аварийной ситуации;

· формирование сводок, журналов и других отчётных документов о ходе технологического процесса на основе информации, собранной в архивах;

· формирование команд оператора по изменению параметров настройки и режима работы контроллера, исполнительных устройств (пуск-останов, открытие - закрытие).

Автоматическое управление ходом технологического процесса в соответствии с имеющимся в SCADA - системах алгоритмами управления (ПИ-, ПИД-регулирование, позиционное, нечеткое регулирование и др.). Данные функции рекомендуется использовать для решения задач невысокого быстродействия.

Таким образом, SCADA - системы являются мощным инструментом для разработки ПО верхнего уровня АСУ ТП. При этом от разработчика не требуется больших знаний в области программирования на языках высокого уровня.

Необходимо подвести итог:

в качестве программного обеспечения выбраны следующие программы фирмы Allen-Bradley:

· Программа связи RSLinx

· Пакет RSView32 (SCADA - система)
Дополнения к RSView32:

RSActive Display System

RSSql

RSView32 Historian

RSLoop Optimaizer.

Программные продукты Rockwell Automation позволяют создавать системы человеко-машинного интерфейса различной сложности, решать задачи по сбору и архивированию данных, обмену информацией между системами управления и с программами верхнего уровня. Внедрение в программные продукты стандартов Microsoft делает их простыми в освоении, удобными в использовании и эффективными в работе.

Программа связи RSLinx организует через ОРС -, DDE -, Advance DDE серверы связь программ верхнего уровня (пакеты программирования, SCADA, и др.) с программируемыми контроллерами. Обмен информацией с контроллерами осуществляется по сетям. RSLinx выполняет оптимизацию трафика путем группировки передаваемой информации в пакеты.

Пакет RSView32 позволяет реализовать полнофункциональную SCADA, включая отображение графиков, «тревог», архивацию данных и вывод отчетов, обработку «рецептов» и т.п. Создание проекта не требует программирования. Пакет позволяет работать с векторными и битовыми графическими изображениями созданными в других программах.

Дополнения к RSView32.

RSView32 SPC (поставляется бесплатно) обеспечивает возможность статистического контроля за отдельными тегами.

RSView32 Messenger (поставляется бесплатно) позволяет организовать передачу сигналов тревоги и коротких отчетов по электронной почте, на пейджер, на факс, а также синтезировать звуковое сообщение через звуковую карту.

RSView Trend (поставляется бесплатно) обеспечивает отображение исторических данных, полученных из различных источников. Может рисоваться до 100 графиков.

RSView32 RecipPro (поставляется бесплатно) позволяет создавать и редактировать файлы «рецептов», которые могут содержать до 5000 ингредиентов, 1000 наборов данных, 500 тегов в виде электронной таблицы.

RSView32 Webserver позволят обеспечить доступ через интернет с помощью любого стандартного web-браузера к технологической информации. RSView32.

RSActive Display System позволяет организовать SCADA на базе клиент-серверной структуры. Поддерживается до 20 клиентов.

RSSql обеспечивает обмен данными между тегами программируемого контроллера и базами данных, соответствующих стандартам ODBC 2.0, Oracle OCI, SAP и др. Пакет позволяет выполнять транзакции по заданным условиям, таким как событие (изменение значение тега), периодически и т.п. Допускает двунаправленный обмен.

RSView32 Historian предназначен для проведения статистического анализа данных и подготовки отчетов. Позволяет создавать архивы и сохранять данные на CD, магнитных лентах и т.п.

RSLoop Optimaizer анализирует процесс, автоматически создает модель для всех контуров регулирования и позволяет на основании этой модели подбирать и тестировать параметры PID регуляторов. Программа позволяет определять взаимное влияние контуров регулирования, настраивать каскадированные регуляторы, выбирать параметры исходя из необходимости более «спокойной» или более «агрессивной» работы регуляторов и многое другое.