Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВСТУП

автоматизація конвертерний плавка

Конвертер (англ. converter, від лат. converto - змінюю, перетворюю), призначений для одержання сталі з розплавленого чавуну продувкою його киснем.

Киснево-конвертерний процес являє собою один із видів перетворення рідкого чавуну в сталь без витрати палива шляхом продувки чавуну в конвертері технічним, чистим киснем, що подається через фурму.

Корпус і днище футерують (облицьовують) вогнетривкими матеріалами. Кисень подають через спеціальну фурму в горловині конвертера під дуже високим тиском - понад 1 МПа (10 кГс/см²). Струмінь кисню енергійно входить в рідкий метал і моментально вступає в контакт із різними домішками чавуну. За перші 5-10 хвилин окисляються кремній (у чавуні його 0,7-0,9%) і марганець (0,4-2%). У результаті цих реакцій температура металу в конвертері піднімається з 1200-1250 до 1400-1450°С. Після цього відбувається швидке й інтенсивне вигоряння вуглецю.

Кисень продовжують вдувати в конвертер доти, поки зміст вуглецю в чавуні не знизиться до заданої межі. При цьому температура металу досягає вже 1600° С. Реакції, що розвиваються в конвертері, дають стільки тепла, що його вистачає не тільки для нагрівання чавуну, але ще й для того, щоб розплавити залізний лом.

Про хід продувки судять по кольору полум'я й багатьом іншим зовнішнім ознакам. Сталевар (його називають ще оператором) управляє процесом із спеціального пульта.

Для безпечної роботи кисневого конвертера необхідні замір і підтримка наступних технологічних параметрів на заданому значенні:

· температура води в трубопроводі 20 °С;

· температура зворотної води в трубопроводі 50-175 °С;

· витрата води через трубопровід 50 т/год;

· витрата кисню 0,3 т/год;

· тиск кисню в трубопроводі 1,4 МПа;

· тиск води в трубопроводі 1,6 МПа;

· температура газов перед охлаждением 800-1200°С;

· температура газов после охлаждения 50-80°С;

1. ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕХНОЛОГІЧНОГО ОБ'ЄКТУ КЕРУВАННЯ

Киснево-конвертерний процес із верхньою продувкою полягає в продувці рідкого чавуну киснем, підведеним до металу зверху через сопла водоохолоджуваної фурми. При цьому вигорають домішки чавуну - вуглець, кремній, марганець, сірка, фосфор і т.д. Кисень подається в конвертер під тиском 1 - 1.5 МПа по водоохолоджуваній фурмі. Вода під тиском 0.6-1 МПа подається в простір між внутрішньою й середньою трубами фурми й віддаляється із простору між зовнішньою й середньою трубою, забезпечуючи охолодження фурми.

Завантаження й заливання. У конвертер завантажують сталевий лом. Потім заливають чавун. При цьому відбувається плавлення лома в конвертері. Маса металошихти повинна забезпечувати масу рідкої сталі не більше 350 тонн. Масу витрати чавуну й металобрухту для плавки визначають по рекомендаціях АСУТП. Масова витрата чавуну й лома повинні забезпечити після закінчення продувки задані значення вмісту вуглецю в металі. При відхиленні цих параметрів від заданих значень, у тому числі при температурі металу більш ніж на 20 град., роблять перешихтовку плавки.

Продувка. Продувку роблять по режимах із частковим або з повним видаленням окису вуглецю. Положення кисневої фурми щодо рівня металу у ванні, при витраті кисню 1100-1300 м³/хв встановлюють виходячи з нормативів, обумовлених вмістом вуглецю у ванні, а також заданою кількістю вуглецю в сталі. Для продувки використовують кисень чистотою не нижче 99.5% з вмістом азоту не більше 0.15%. Тиск кисню в цеховій магістралі перед фурмою повинен бути не менш ніж:

· 2.2 МПа - при витраті кисню 1100 - 1300 м³/хв;

· 2.3 МПа - при витраті кисню 600 - 800 м³/хв.

Після закінчення продувки роблять заимір температури й відбір проб металу й шлаків з обов'язковим спуском шлаків. У пробах шлаків визначають вміст Ca, Mg, Si, Al₂O₃, Pb₃, Cr₂O₃,S, Fe. У пробах металу визначають вміст ІЗ, Mn, S, F, Cu, Ni, Cr, N. Температура металу перед випуском плавки повинна бути в наступних межах: 1580 (З - 1600 (З - при розливанні сталі в сляби товщиною 250 мм; 1575 (З - 1595 (З - при розливанні сталі в сляби товщиною 300 мм. Випуск плавки роблять після одержання аналізу металу на вміст C, S, P і перевірки температури заданого значення. Тривалість випуску плавки повинна становити не менш 6 хв.

Повалка. Встановлення заданої концентрації С у сталі досягається за допомогою проміжної плавки. При цьому фурму піднімають, виключають дуття, переводять конвертер у горизонтальне положення, відбирають проби металу й шлаків і заміряють температуру ванни за допомогою термопари занурення.

Додувка. Коли після продувки вміст S й F у сталі, або його температура не відповідають заданим значенням параметрів, роблять додувку. Додувка металу на сірку й фосфор рекомендується здійснювати по наступному режимі:

· положення фурми вище базового положення на 300-1500 мм;

· інтенсивність продувки в межах від 1000 до 1300 м³/хв;

· витрата перевелися з розрахунку від 3 до 5 т. на кожну хвилину додувки;

Додувка металу на температуру роблять по наступному режимі:

· положення фурми звичайне, або підвищене на 300-1500 мм,

· тривалість додувки визначають по технологічному розрахунку;

· при вмісті С у металі рівному не менш 0.085 роблять присадку HРО₂ і термоантрацити з розрахунку 300 кг на одну хвилину додувки.

Випуск. При випуску сталі конвертер нахиляють. Сталь зливають через випускний отвір у сталеррозливний ковш, шлаки - у чашу.

Доведення. Сталь у ковші піддається обробці вакуумом, аргоном, азотом і т.д. Розкислення й легування металу роблять у сталерозливному ковші. Витрату розкислювачів і легуючих добавок визначають із розрахунку одержання середнього вмісту елементів у готовій сталі. Тривалість усього циклу становить 30-45 хв.

Зовнішня обробка металу. Проведення технологічних операцій поза плавильним агрегатом називають вторинною металургією або зовнішньою обробкою. Вся сталь, виплавлена в конвертерному цеху піддається обробці в ковшах. У конвертерному цеху роблять наступні види зовнішньої обробки сталі:

· обробка аргоном;

· обробка рідкими синтетичними шлаками;

· доведення металу по хімічному складі й температурі;

· мікролегування й рафінування порошкоподібними реагентами;

· порційне вакуумування з уведенням розкислювачів і легуючих.

Процес продувки металу аргоном характеризується зменшенням вмісту газів у металі, інтенсивним перемішуванням розплаву, поліпшенням умов протікання процесів перекладу в шлаки неметалічних включень, усередненням складу металу, поліпшенням умов для окислювання вуглецю, зниженням температури металу. Для забезпечення максимального контакту твердих реагентів, що вдмухують, з металом виконується продувка металу порошкоподібними матеріалами. Обробка металу вакуумом впливає на протікання тих реакцій і процесів, у яких бере участь газова фаза. Основною метою обробки вакуумом є зниження вмісту газів у сталі. При зовнішній обробці металу контролюють наступні параметри:

· температуру синтетичних шлаків,

· масу й склад шихтових матеріалів для синтетичних шлаків,

· температуру сталі в ковші,

· об'ємна витрата аргону при продувці,

· тиск аргону,

· час продувки,

· масу коригувальних присадок,

· масу порошку,

· об'ємну витрату й тиск кисню.

Розливання сталі. Розливання сталі починають по команді майстра або старшого розливальника. Наповнивши проміжний ковш сталлю на висоту від 250 до 300 мм від бортової частини ковша, роблять плавне відкриття стопорів на 1/3-1/4 перетини струменя металу й починають заповнювати металом кристалізатор. Допускається почергове заповнення кристалізаторів. Потім по пуску МНЛЗ включають подачу води й повітря в систему вторинного охолодження.

Заповнивши кристалізатори на висоту від 100 до 150 мм від верхнього краю плит кристалізатора, стопора проміжного ковша відкривають на максимально можливу подачу металу. Потім у кристалізатор засинають шлакоутворюючу суміш. Час наповнення кристалізатора повинне бути 70-90 із для перетину 259х1500 мм; 80-100 із для перетину 250х1850 мм й 100-120 із для перетину 300х1550-1850 мм. Кристалізатор вважають наповненим, якщо рівень металу перебуває на відстані 60±10 мм від верхнього зрізу мідних плит кристалізатора. Для забезпечення нормального розливання необхідно стабільна підтримка металу на вищевказаному рівні. При наповненні металом кристалізатора до заданого рівня по команді старшого розливальника включають привід витягування сляба. Одночасно з пуском машини включають механізм хитання кристалізатора. Регламентований розгін МНЛЗ роблять в автоматичному режимі. Швидкість розливання, рівну 0.6 м/хв для вуглецевою сталі й 0.7 м/хв для низьколегованого металу, підтримують до першого виміру температури в проміжному ковші. Завмер температури роблять у середній частині проміжного ковша. Залежно від температури металу в проміжному ковші й вмісту S й F у розливає металле, що, установлюється робоча швидкість розливання: для вуглецевою сталі 0.6-0.8 м/хв, для низьколегованої сталі 0.7-0.9 м/хв. Зміна робочої швидкості в процесі розливання повинне бути не більше двох разів за плавку. Частота хитань кристалізатора залежно від швидкості розливання виробляється в автоматичному режимі.

Температуру металу в проміжному ковші заміряють термопарою занурення в процесі розливання двічі. Перший вимір роблять після виливки 30-35 т. металу, другий - у середині плавки.

Для захисту металу в кристалізаторі застосовують шлакоутворюючу суміш. Для визначення хімічного складу сталі під час розливання відбирають проби металу з-під сталерозливного ковша. Проби металу відбирають сталевою ложкою при скороченні щільного струменя. З ложки метал безперервним рівним струменем заливають у сталеві пробники. Пробу витягають із пробники після потемніння її головної частини, прохолоджують і маркірують номером плавки, порядковим номером проби. Після маркування контролер ОТК відправляє пробу в експрес-лабораторію конвертерного цеху.

Після виходу запалу з останньої пари роликів горизонтальної ділянки виробляється її відділення. запал, що відокремився, піднімається нагору, де вона перебуває до наступного циклу розливання. У процесі розливання на ділянці газового різання сляб розріжуть на мірні довжини згідно замовлення. Остаточну порізку роблять у транспортно-оздоблювальному відділенні.

2. ДОСЛІДЖЕННЯ ОБ'ЕКТА УПРАВЛІННЯ ЯК ОБ'ЕКТА АВТОМАТИЗАЦІЇ

Основними контрольованими параметрами в ході конвертерної плавки є: концентрація вуглецю у ванні; температура чавуну в чугуновозному ковші; сталі в конвертері, футеровки сталерозливного ковша. У ході технологічного процесу відбувається:

· контроль поточного значення витрати кисню в межах 0-1600 нм³/хв у робочому режимі, і 0-400 нм³/хв при сушінні конвертера після перефутеровки;

· контроль сумарної витрати кисню на плавку;

· контроль тиску кисню на вході в цех і перед фурмою;

· сигналізація, заборона й аварійне припинення продувки плавки при відхиленні тиску кисню від заданих параметрів;

· організація переходу на малу або велику витрату кисню з використанням ключа-бірки, установленого на щиті КІПтА що має два фіксованих положення “1600”-велика витрата й “400”-мала витрата;

· організація двох режимів керування подачею кисню:

· автоматичний режим, при якому подача кисню на фурму відбувається автоматично по досягненню фурмою горловини конвертера;

· дистанційний режим, при якому подача кисню на фурму здійснюється за допомогою ключа керування відсічним клапаном, установленим на пульті керування конвертером що має два положення 'ВІДКРИТО' й 'ЗАКРИТО'.

· контроль поточного значення витрати води на охолодження фурми;

· контроль тиску води;

· контроль температури води;

· сигналізація й видача блокувальних сигналів у схему керування електроприводами фурм при відхиленні витрати води від заданих значень;

· контроль положення кисневої фурми;

· контроль тривалості продувки й тривалості зливу сталі;

· контроль температури рідкої сталі;

· автоматичний контроль складу газів, що відходять;

· контроль поточного значення витрати кисню;

· контроль температури чавуну;

· контроль температури газів, що відходять.

Автоматизація киснево-конвертерного процесу полягає в автоматичному контролі та регулюванні наступними основними параметрами: температура охолоджуючої води на виході з кисневої фурми та газовідводу, контроль поточного значення тиску кисню. Процес охолодження кисневої фурми повинен здійснюватись з мінімальними затримками для запобігання її від псування. Зменшення тиску та витрати води сигналізує про погіршення охолодження і небезпеку прогару фурми. Підвищення температури охолоджуючої води на виході кисневої фурми (при постійному тиску і витраті води) свідчить о перегріві фурми, який трапився внаслідок прогару фурми і втрати охолоджуючої води.

Збурюючими впливами являються температура охолоджуючої води на вході в фурму, та на охолодження димових газів.

Основними вихідними параметрами є температура охолоджуючої води на виході кисневої фурми, температура газовідводу та температура рідкого металлу.

Вхідними параметрами є витрата охолоджуючої води кисневої фурми та газовідводу, а також тиск кисню.

Кисневий конвертер, що розглядається в якості об'єкта регулювання, уявляє собою динамічну систему з декількома взаємозв'язаними вхідними і вихідними величинами. Однак виражена направленість ділянок регулювання по основним каналам регулюючих впливів, таким як витрата охолоджуючої води кисневої фурми - температура охолоджуючої води на виході кисневої фурми, витрата охолоджуючої води газовідводу - температура газовідводу, тиск кисню - температура рідкого металу, дозволяє здійснювати стабілізацію регулюючих величин за допомогою незалежних систем, зв'язаних лише через об'єкт регулювання. При цьому регулюючий вплив тієї чи іншої ділянки (суцільні лінії на рис. 2.1) слугує основним засобом стабілізації його величини, що регулюється, а інші впливи (пунктирні лінії) є до цієї ділянки внутрішніми або зовнішніми збуреннями.

Рис. 2.1. Схема взаємодії між вхідними і вихідними величинами

Gв1 - витрата охолоджуючої води кисневої фурми; Тф - температура охолоджуючої води на виході кисневої фурми;

Gв1 - витрата охолоджуючої води газовідводу; Тг - температура газовідводу;

Pк - тиск кисню;

Тм - температура рідкого металу;

Тв1 - температура охолоджуючої води на вході кисневої фурми;

Тв2 - температура охолоджуючої води на вході газовідводу;

3. НЕОБХІДНІ ІНФОРМАЦІЙНІ І УПРАВЛЯЮЧІ ФУНКЦІЇ, ВИМОГИ ДО РОБОТИ ВИБРАНИХ КАНАЛІВ

3.1 Вимірювальні канали

Витрата води через трубопровід - 50 т/год;

кисню -0,3 т/год;

Тиск кисню в трубопроводі - 1,4 МПа;

тиск води в трубопроводі 1,6 МПа;

Температури температура води в трубопроводі - 20 С;

температура зворотної води в трубопроводі - 70-175 С;

температура газів перед охолодженням 800-1200°С;

температура газів після охолодження 50-80°С;

Канали управління

Тиск кисню в трубопроводі - 1,4 МПа;

Температури температура охолоджуючої води на виході з фурми - 70 С; температура охолоджуючої води на виході з димоходу - 175 С;

3.2 Похибка інформаційних каналів

Визначимо похибку вимірювання для кожної групи каналів:

Витрата води через трубопровід - 2%;

кисню -1,5% ;

Тиск кисню в трубопроводі - 1,5%;

тиск води в трубопроводі 2%;

Температури температура води в трубопроводі - 2%;

температура зворотної води в трубопроводі - 2%;

температура газів перед охолодженням 2,5%;

температура газів після охолодження 2,5%;

3.3 Вимоги до роботи каналів

У відповідності до технічних вимог система автоматичного регулювання повинна забезпечити:

· відхилення тиску кисню в трубопроводі від заданого значення, що не перевищує 10 кПа і тривалість перехідного процесу, що не перевищує 5 с .

· відхилення температури охолоджуючої води на виході з фурми від заданого значення, що не перевищує 3 °С.

· відхилення температури охолоджуючої води на виході з димоходу від заданого значення, що не перевищує 6°С.

4.ОБГРУНТОВАНИЙ ВИБІР СТРУКТУРИ І СИНТЕЗУ СИСТЕМИ УПРАВЛІННЯ ЗГІДНО ЗАДАНИМ ТЕХНОЛОГІЧНИМ ПАРАМЕТРАМ

4.1Характеристика каналу регулювання та вибір системи управління

На даний момент впроваджені або впроваджуються наступні методи безперервного контролю процесом.

Створення пристроїв безперервного контролю температури увесь час плавки. Цю задачу намагаються вирішити створенням термопар з покриттям, витримуючим доге занурення у метал. Термопара встановлюється в отворі у кладці конвертора нижче за рівень спокійного металу. Якісний вимір температури металу залежить від вірного вибору місця встановлення термопари в корпус конверт ера та від того, на скільки вона виступає від внутрішньої поверхні кладки у порожнину конвертера.

Рис 4.1 Конвертор з вимірювальним зондом ( 1 - конвертор; 2 - зонд; 3 - киснева фурма; 4 - привід зонда; 5 - кабель до пристроїв; 6 - підведення та відведення води.)

Створення зондового методу відбору проби. За такого методу термопара вводиться через горловину конвертера у водо охолоджувальному зонді у робочому вертикальному положенні. Зонд спускають крізь камін і горловину в порожнину конвертера і зупиняють над рівнем шлака. Після цього з нього зрушує та занурюється у ванну зменна вимірювальна головка, яка після розрахунку температури здій мається догори. Механізованим способом відпрацьована термопара змінюється на нову і прилад готовий до наступного використання. Такий спосіб контролю дозволяє у момент плавки близький до завершального скорегувати кількість повітря, що повинно бути введено до конвертору відносно початково заданого з урахуванням випадкових розбіжностей реального конвертерного процесу з ідеальним розрахунковим без повалки конвертера.

Балансовий метод контролю зневуглецьовування ванни. Цей спосіб полягає у неперервному розрахунку на ЕОМ за даними аналізу залишаючи конвертор газів, кількості згоряю чого вуглецю, що залишається у металі. Інтегрування миттєвих значень залишаючих конвертор оксидів вуглецю при заданому початковому вмісті вуглецю можна визначити його поточне значення. Надійний, точний, мало інерційний газовий аналіз є необхідною умовою отримання точних результатів контролю процесу зневуглецьовування балансовим методом. Вимірювальна система повинна мати не лише задовільні статистичні показники але й задовільні динамічні характеристики, виходячи з того що різниця між запізненням у ланцюгах виміру складу та кількості залишаючи конвертер газів може внести значну похибку у отриману інформацію. Для запобігання цього намагаються розташовувати давачі на різних ділянках газовивідного тракту так щоб запізнення у дослідженні однієї й той самої порції газу були однакові для обох каналів. Ще одним недоліком цього методу є неможливість забезпечення достатньої для однозначного контролю параметрів точності через похибку у початковій кількості вмісту вуглецю у чавуні та у накопичуванні похибки уздовж процесу. Проте швидкість зневуглевожування може бути розрахована з достатньою точністю.

Непрямі методи контролю за допомогою пірометрів. Шляхом використання пірометрів можливо контролювати як температуру ванни так і параметри зневуглецьовування процесу. Для контролю температури ванни пірометр встановлюється над поверхнею ванни, та вимірює температуру поверхні ванни, що може суттєво відрізнятися від температури всередині ванни. Окрім цього пірометри використовують вимірюючи температуру факелу над конвертором, що утворюється через допалення оксидів вуглецю до диоксидів вуглецю на вуглецю над порожниною конвертора. Кількість оксидів безпосередньо залежна від швидкості зневуглецьовування, а отже можна шукати залежності між цим процесом і даними пірометрів. Пірометр вставляється за декілька метрів до горловини конвертора(рис. 2).

Рис. 4.2 Контроль випромінювання факела конвертора

У спеціалізованій охолоджуваній арматурі, що захищає його від температурного впливу та викидів. Оцінка процесу вигорання вуглецю може здійснюватись за наступними показниками:

1. За інтегральним значенням випромінювання за час продувки. Розраховуючи, що цей параметр характеризує кількість вуглецю, що згорів.

2. За відношенням інтенсивності випромінювання у кінці продувки до максимуму випромінювання Ек/Мах враховуючи, що цей показник пропорційний до відношення швидкостей окислення вуглецю за незмінної величини від плавки до плавки з максимальної швидкості окислення.

3. За тривалістю періоду продувки після максимума на кривій до закінчення продувки.

Окрім неперервного контролю параметрів плавки є й наступні методи автоматизації плавки.

Ступенева подача кисню зі збільшенням інтенсивності продувки на початку і в кінці процесу продувки.

Автоматизація подачі сипучих матеріалів у конвертор. З витратних бункерів матеріали подаються на ваги дозатори, звідки після зважування за допомогою конверторів подаються у проміжний бункер. Послідовність завантаження руди, боксита, вапна визначається оператором виходячи з початкового складу чавуну.

Автоматичне регулювання подачі кисню за схемою типового стабілізаційного вузла витрати газу, та автоматичний відлік сумарної кількості кисню за час продувки з сигналізацією заданої на плавку кількості кисню. Також для цього пункту можна віднести автоматичне відсікання заслонки на фурмі після досягнення нею необхідної висоти над рівнем конверторної ями.

Для задач регулювання кисневого конвертеру були обрані наступні параметри:

- Регулювання температури зворотної води в трубопроводі на виході з фурми;

- Регулювання температури зворотної води в трубопроводі на виході з димоходу;

- Регулювання тиску кисню.

Найбільше розповсюдження для цих каналів набула одно контурна схема з ПІ регулятором. Необхідне значення вибраного параметру встановлюється за допомогою завдання, вказаного на ЕОМ оператору. При появі сигналу неузгодження контролер дає сигнал управління по даному каналу на виконавчий механізм, який в свою чергу змінює положення регулюючого органу. Схема регулювання показана на рисунку.

Рис 4.3. Структурна схема одноконтурної АСР

4.2 Синтез системи управління заданими технологічними параметрами

4.2.1 Математична модель об'єкту регулювання

На об'єкті експериментальним шляхом було знято криву розгону при 10% зміні регулюючого органу на трубопроводі подачі кисню у фурму. Дана крива розгону представлена на рисунку 5. А значення тиску приведені у таблиці 5.

Рис. 4.4 Крива розгону

Таблиця 4.1

0	0,8
0,14	0,8
0,3	0,882629
0,5	0,918734
0,7	0,944605
0,9	0,963143
1,1	0,976425
1,3	0,985943
1,5	0,992762
1,7	0,997649
1,9	1,00115
2,1	1,003659
2,3	1,005456
2,5	1,006744
2,7	1,007667
2,9	1,008328
3,1	1,008802
3,3	1,009142
3,5	1,009385

За допомогою кривої розгону побудуємо перехідну характеристику та визначимо перехідну функцію об'єкту регулювання.

Рис. 4.5 Перехідна характеристика об'єкту керування.

Отримаємо перехідну функцію об'єкту апроксимувавши перехідну характеристику аперіодичною ланкою першого порядку:

4.2.2 Визначення коефіцієнтів настройки регулятора

Для определения настроек ПИ регулятора используем метод РАФХ [8]. Метод РАФХ обеспечивает высокую точность настроек одноконтурных АСР с типовыми законами регулирования. Для расчета используем следующие формулы [7]:

;

.

Зададимся степенью колебательности m=0,4768, что соответствует степени затухания ;[7] С помощью среды MATLAB напишем программу. Для визначення настройок ПІ регулятору використаємо метод РАФХ . Метод РАФХ забезпечує високу точність настройок одно контурних АСР з типовими законами регулювання. Для розрахунку будемо використовувати наступні формули:

;

.

Задамося ступенем коливальності m=0,4768, що відповідає ступеню затухання .

Рис. 4.6 Границя степені коливальності

За допомогою середовища MATLAB напишемо програму:

clc;

clear;

m=0.4768;

w=0:0.006:9.3;

p=-m*w+1i*w;

Ko=0.014;

To=0.6;

tau=0.14;

W=(Ko*exp(-tau*p))./(To*p+1);

Re=real(W);

Im=imag(W);

Kp=-(m*Im+Re)./(Im.^2+Re.^2)

Ki=-w*(m^2+1).*Im./(Im.^2+Re.^2)

plot(Kp,Ki);

ylabel('Kp/Tu');

xlabel('Kp');

grid on;

Обираємо точку, яка відповідає мінімуму квадратичного інтегрального критерію, яка обчислюється за формулою:

, де(4.25)

- АЧХ замкненої системи по каналу «внутрішнє збурення - регульована величина»;

- інтервал квантування частоти при розрахунку І₂;

- частота зрізу.

Параметри, які задовольняють цій умові:

К_р=208 ; К_и=603 .

Таким чином параметри настройки регулятора:

К_р = 208 ; Т_и ==0,34 сек.

Змодулюємо отриману САР у середовищі MATLAB :

Рис.4.7 Одноконтурна САР.

4.2.3 Отримання перехідних характеристик

В результаті моделювання були отримані перехідні характеристики по каналам «завдання - вихід» та «внутрішнє збурення - вихід».

Рис. 4.8. Перехідна характеристика по каналу «завдання-вихід»



Рис. 4.9 Перехідна характеристика по каналу «збурення-вихід»

Таблиця 4.2 Показники якості перехідних процесів в АСР

Показник якості	«завдання - вихід»	«збурення - вихід»
Час регулювання, сек	2,3	2,4
Макс.динам. відхилення	4,1	0,041
Перерегулювання, %	24,3	6,42
Ступінь загасання	0.94	0,94

Як можна бачити, показники якості для даного процесу відповідають нашим вимогам (заданий ступінь загасання ш=0,95).

5. РОЗРОБКА СТРУКТУРИ ПТКЗА

Система регулювання, в нашому випадку, має бути побудована на базі ПЛК з можливістю передачі даних на систему супервізорного збору інформації та керування, модульністю в плані додаткових пристроїв вводу-виводу, наявністю якісного та функціонального ПЗ для швидкого та надійного функціонування та відлагодження.

Таблиця 5.1. Основні технічні характеристики ПЛК.

	Modicon TSX Momentum
Оперативна пам'ять	64 кб
Флеш пам'ять	256 кб
Кількість входів/виходів (AI, AO)	16, 8
Інтерфейсний зв'язок та протокол обміну	RS-485 Modbus
Швидкість передачі інформації	500 кбіт/с
Підтримка мов IEC 611.31-3	FBD, LD, IL, ST, SFC
Наявність тестового ПЗ для відлагодження	+

Параметри, необхідні для контролю і регулювання в обєкті, вимірюються первинними датчиками з уніфікованими вихідними сигналами. Інформація від датчиків йде безпосередньо на модулі вводу АЦП. Контролер сприймає цю інформацію. Він побудован на апаратних засобах у форматі Modicon TSX Momentum фірми Schneider Electric, що використовує процесорний модуль M1E 171CCS70010, модуль аналогового вводу 170AAI03000 модуль аналогового виводу 170AAO12000 , адаптер шини 170INT11000, комунікаційний адаптер 172JNN21032 та модуль живлення 170CPS70000.

Для передачі даних вводу/виводу застосовується мережа InterBus. Інтерфейс передачі даних між модулями - RS485. Для передачі інформації зовні контролера застосовується мережа ModBus. Для передачі даних на робочу станцію використовується комутуючий адаптер, який перетворює RS485/232.

На операторській станції здійснюється оперативне керування установкой, ведення архіву. На інженерній станції - програмування, наладки та діагностування контролерів Modicon TSX Momentum, а також для наладки коефіцієнтів усіх контролерів системи, масштабування вхідних сигналів, завдання.

Опрацьована інформація (керуючі вплив, блокування) від контролера поступає на виконуючі механізми

Рис.5.1. Структура ПТКЗА

Основне завдання ПТКЗА локального рівня полягає в безпосередньому керуванні об'єктом та обміном інформації з верхнім рівнем.

Реалізація керування на цьому рівні містить у собі наступні етапи:

Аналоговий токовий сигнал від датчика поступає на модуль аналогового вводу контролера, який представляє собою АЦП. В АЦП сигнал перетворюється в цифровий. Далі його обробка проходить у процесорному модулі контролера, де реалізується ПІ-закон регулювання.

Цифровий сигнал поступає на модуль аналогового виводу контролера, який представляє собою ЦАП. Аналоговий сигнал 0/10 В з контролера через модуль аналогового виводу подається на виконуючий механізм, який змінює положення регулюючого органу, і в свою чергу змінює витрату теплоносія або сировини.

Керуючий сигнал, що надходить на контролер, в свою чергу, передається за протоколом Modbus на робочу станцію оператора.

Основне завдання супервізорного рівня ПТКЗА полягає у керуванні нижнім рівнем АСУТП, виконанні збору та архівації параметрів, візуального відображення ходу процесу, оповіщення про події та тривоги, реалізацію, так званого, HMI (Human Machine Interface).

Для забезпечення вищенаведених функцій, в найпростішому випадку достатньо використовувати звичайний ПК належної потужності, як апаратне рішення для супроводу виконання усіх функцій SCADA та серверу БД. Також необхідно забезпечити наявність необхідних інтерфейсів для можливості підключення апаратного забезпечення (контролери) АСУ нижнього рівня.

У випадку з відповідальними об'єктами, де, в першу чергу потрібно забезпечити високу надійність систем керування, потрібно використовувати промислові ПК, які мають підвищену надійність та наявність різноманітних промислових інтерфейсів.

Найбільш поширена та універсальна система-SCADA, що має в собі велику кількість драйверів для різного типу контролерів, забезпечує досить широкі можливості для візуалізації, керування та інших основних функцій SCADA є ПЗ Trace Mode. У нашому випадку, її використання є доцільним.

6. ОПИС АЛГОРИТМУ ВИРІШЕННЯ ЗАДАЧІ АВТОМАТИЗАЦІЇ

6.1 Автоматизація температури охолоджуючої води кисневої фурми

Представляє собою одноконтурну систему, яка реалізує ПІ-закон регулювання.

Рис. 6.1 Структура управління температурою охолоджуючої води кисневої фурми

В трубопроводі температура вимірюється за допомогою датчика МЕТРАН ТСМУ-274 (поз. 1а), від якого сигнал поступає на контролер TSX Momentum. В ньому реалізований алгоритм управління температурою за допомогою панелі керування контролером.

Аналоговий токовий сигнал 4…20мА від датчика МЕТРАН ТСМУ-274 (поз. 1а) поступає на модуль аналогового вводу контролера TSX MOMENTUM. В АЦП сигнал перетворюється в цифровий. Далі його обробка проходить у процесорному модулі контролера TSX MOMENTUM, де реалізується ПІ-закон регулювання. Після цього цифровий сигнал йде на модуль дискретного виводу контролера TSX MOMENTUM, який представляє собою ЦАП. . Аналоговий сигнал 0/10 В з контролера через модуль аналогового виводу подається на виконуючий механізм NR24-SR (поз. 4а), який змінює положення регулюючого органу, і в свою чергу змінює витрату охолоджуючої води на вході кисневої фурми.

6.2 Автоматизація температури охолоджуючої води газовідводу

Представляє собою одноконтурну систему, яка реалізує ПІ-закон регулювання.

Рис. 6.2 Структура управління температурою охолоджуючої води газовідводу

В трубопроводі температура вимірюється за допомогою датчика МЕТРАН ТСМУ-274 (поз. 2а), від якого сигнал поступає на контролер TSX MOMENTUM. В ньому реалізований алгоритм управління температурою за допомогою панелі керування контролером.

Аналоговий токовий сигнал 4…20мА від датчика МЕТРАН ТСМУ-274 (поз. 2а) поступає на модуль аналогового вводу контролера TSX MOMENTUM. В АЦП сигнал перетворюється в цифровий. Далі його обробка проходить у процесорному модулі контролера TSX MOMENTUM, де реалізується ПІ-закон регулювання. Після цього цифровий сигнал йде на модуль дискретного виводу контролера TSX MOMENTUM, який представляє собою ЦАП. Аналоговий сигнал 0/10 В з контролера через модуль аналогового виводу подається виконуючий механізм NR24-SR (поз. 5а), який змінює положення регулюючого органу, і в свою чергу змінює витрату охолоджуючої води на вході газовідводу.

6.3 Автоматизація тиску кисню, що проходить через кисневу фурму

Представляє собою одноконтурну систему, яка реалізує ПІ-закон регулювання.

Рис. 6.3 Структура управління тиском кисню, що проходить через кисневу фурму

В трубопроводі тиск вимірюється за допомогою датчика АРТКУР-01 (поз. 3а), від якого сигнал поступає на контролер TSX MOMENTUM. В ньому реалізований алгоритм управління температурою за допомогою панелі керування контролером.

Аналоговий токовий сигнал 4…20мА від датчика АРТКУР-01 (поз. 3а) поступає на модуль аналогового вводу контролера TSX MOMENTUM. В АЦП сигнал перетворюється в цифровий. Далі його обробка проходить у процесорному модулі контролера TSX MOMENTUM, де реалізується ПІ-закон регулювання. Після цього цифровий сигнал йде на модуль дискретного виводу контролера TSX MOMENTUM, який представляє собою ЦАП . Аналоговий сигнал 0/10 В з контролера через модуль аналогового виводу подається на виконуючий механізм NR24-SR (поз. 6а), який змінює положення регулюючого органу, і в свою чергу змінює витрату кисню.

7. РОЗРАХУНОК МЕТРОЛОГІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВИМІРЮВАЛЬНИХ КАНАЛІВ

7.1 Структурна схема вимірювальних каналів АСР тиску кисню в трубопроводі

У складі АСР тиску кисню в трубопроводі в кисневому коверторі розглянемо один вимірювальний канал (ВК) (рис. 7.1):

ВК з виходом на вимірювальний блок контролера.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 7.1. Структурна схема вимірювального каналу АСР тиску кисню в трубопроводі

7.2 Структурні схеми інших вимірювальних каналів

У складі АСР температури води на охолодження фурми розглянемо один вимірювальний канал (ВК) (рис. 7.2.):

ВК з виходом на вимірювальний блок контролера.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 7.2. Структурна схема вимірювального каналу АСР температури води на охолодження фурми

У складі АСР температури води на охолодження димоходу розглянемо один вимірювальний канал (ВК) (рис. 7.3.):

ВК з виходом на вимірювальний блок контролера для виміру температури;

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 7.3. Структурна схема вимірювального каналу АСР температури води на охолодження димоходу

7.3 Розрахунок відносної і абсолютної похибки вимірювальних каналів АСР

Розрахунок проведемо для каналу АСР тиску кисню в трубопроводі.

Для кожного елементу вимірювального каналу визначимо класи точності та діапазони вимірювання і занесемо ці дані до таблиці 7.1.

Таблиця 7.1

Вимірювальний канал	Елемент	Клас точності (допуску)	Діапазон вимірювання
1.	АРТКУР-01	0,1	0...1,6МПа
	170AAO92100	0,5	0... 1,6МПа

Розраховуємо абсолютну похибку кожного елементу, який входить до вимірювального каналу, за формулою:

, (7.1)

де - клас точності елементу; Xmax - максимальна вимірювана величина;

Xmin - мінімальне значення вимірюваної величини.

Розрахуємо абсолютні похибки елементів ВК:

₁= 0,1·(1,6-0)/100 =1,6 кПа;

₂= 0,5·(1,6-0)/100 =8 кПа;

Розрахуємо абсолютну похибку ВК.

Абсолютна похибка ВК визначається за формулою (7.2):

(7.2)

де і - абсолютна похибка і-го елемента ВК.

Канал регулювання:

.

Визначення відносної похибки вимірювальних каналів:

Канал регулювання:

Тоді дійсне значення вимірюваного параметру буде дорівнювати:

X_дій = X_ном ± Д_к ;

Для каналу регулювання: X_дій = 1600 ± 8,1 кПа.

ВИСНОВКИ

Враховуючи те, що максимальні абсолютні похибки для ВК лежать у межах:

Д_рег= 8,1 кПа < Д_max=10 кПа;

можна стверджувати, що отримана точність вимірювального каналу задовольняє вимогам щодо точності вимірювання. Таким чином комплектація ВК задовільна. Прилади, встановлені у вимірювальному каналі, задовольняють умовам точності і придатні для вимірювання технологічних параметрів.

8.Опис СУПЕРВІЗОРНОГО рівня АСУТП

Супервізорний рівень ПТКЗА включає в себе, перш за все, одну чи декілька станцій управління, що являють собою автоматизовані робочі місця (АРМ) диспетчера чи оператора. Тут же розміщується і сервер БД.

В якості робочих станцій використовуються IBM PC сумісні компютери різних конфігурацій.

Станції управління призначені для відображення ходу ТП і оперативного управління процесом. Також до функцій SCADA-системи належить ведення архівів, баз даних, звітів подій і тривог і передача інформації на рівень АСУ П. Загалом SCADA-система реалізує так званий людино-машинний інтерфейс (HMI/MMI)

Ці задачі вирішуються за допомогою спеціальних SCADA-пакетів.

В якості SCADA-системи оберемо систему Trace-Mode версії 6.0. Дане середовище має досить широкі можливості для візуалізації ходу ТП, містить в собі значну кількість OPC-драйверів для великої кількості ПЗО, контролерів та іншого обладнання.

TraceMode - це найпопулярніша в країнах СНД SCADA-система, яка призначена для розробки крупних розподілених АСУТП широкого призначення. TraceMode дає можливість: розробки розподіленої АСУТП як єдиного проекту, автопобудови, оригінальних алгоритмів обробки сигналів і управління, об'ємної векторної графіки мнемосхем, єдиного мережевого часу, унікальної технології playback - графічного перегляду архівів на робочих місцях керівництва. TraceMode - це перша інтегрована SCADA- и softlogic-система, що підтримує наскрізне програмування операторських станцій і контролерів за допомогою єдиного інструмента.

Основні функції: - Модульна структура - від 128 до 64000х16 I/O. Кількість тегів необмежена; - 0.001 с - мінімальний цикл системи; - Відкритий формат драйвера для зв'язку з будь-яким УСО. - Відкритість для програмування (Visual Basic, Visual C++ і т.д.); - Розробка розподіленої АСУТП як єдиного проекту; - Засоби наскрізного програмування АСУТП верхнього (АРМ) і нижнього (ПЛК) рівня; - Встроєні бібліотека з понад 150 алгоритмів обробки даних і управління в т.ч. фільтрація, PID, PDD, нечітке, адаптивне, позиційне регулювання, ШИМ, управління (клапан, задвижка, привід і т.д.), статистичні функції і довільні алгоритми; - Автоматичне гаряче резервування; - Підтримка єдиного мереженого часу; - Засоби програмування контролерів і АРМ на основі міжнародного стандарту IEC 1131-3; - Понад 200 типів форм графічного відображення інформації в т.ч. тренди, мультиплікація на основі растрових і векторних зображень, ActiveX; - Перегляд архівної інформації в реальному часі в т.ч. у вигляді трендів і таблиць; - Мережа на основі Netbios, NetBEUI, IPX/SPX, TCP/IP; - обмін з незалежними програмами з використанням OPC client/server, DDE/NetDDE client/server, SQL/ODBC, DCOM; - Автоматичне резервування архівів і автовідновлення після збою; - Моніторинг и управління через Internet; - Повністю русифікована;

ВИСНОВКИ

Робота присвячена вивченню принципів роботи та проектування систем керування на базі сучасного апаратного та програмного забезпечення. За допомогою них ми заощадили ресурси, збільшили надійність, точність показань, що зробило такий підхід економічно більш вигідним. Крім того використання уніфікованих сигналів розширюють спектр сумісної апаратури.

В даному курсовому проекті була розроблена АСУТП кисневого конвертору, а саме САР регулювання тиску кисню в трубопроводі. Дані були взяті з літературних джерел, які наведені нижче. Система регулювання була спроектована з використанням контролера TSX MOMENTUM від фірми SCHNEIDER ELECTRIC на базі мікропроцесора M1E 171CCS70010.

Вся інформація, яка надходить від обладнання з нижнього рівня АСУТП, аналізується контролером та надходить до операторської станції, яка являє собою ПЕОМ. Тут відбувається обробка отриманих даних, створення архівів та графіків. Тепер інформація про перебіг технологічного процесу збарігається в електронному вигляді, що значно зручніше, ніж діаграмні стрічки реєструючих приладів минулих поколінь. Крім того наявна підтримка передачі інформації в мережі, що дозволяє керувати та контролювати процеси в системі управління не знаходячись безпосередньо біля пульта керування. У якості SCADA програми була вибрана програма Trace Mode.

Результати, отримані після розрахунків роботи каналів, дозволяють стверджувати, що розроблена АСУТП задовольняє заданим вимогам.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Баган Т.Г., Батюк С.Г., Бунь В.П., Ізгорев М.Ю., Олійник С.Ю. Методичні рекомендації щодо оформлення курсових та дипломних проектів.- Київ: Політехніка, 2002.- 40с.

2. Баган Т.Г., Кисельов Ю.Э., Бунь В.П. Методичні вказівки до вивчення дисципліни „Проектування систем автоматизації” для студентів кафедри АТЕП, Київ НТУУ „КПІ” - 2002 рік.

3. Батюк С.Г. Довідковий посібник з комплексного інженерного розрахунку промислових САР в курсовому і дипломному проектуванні.

4. Чуйко Ю.М. Конспект лекцій з основ автоматизациії технологічних процесів, 2008 р.

5. Карлик А.В. Автоматическое производство стали в кислородных конвертерах.- М.: Металлургия, 1963.

6. Глінков Г.М., Маковський В.А., Лотман С.Л. Проектирование систем контроля и автоматического регулирования металлургических процессов. - М.: Металлургия, 1970.

7. Глинков Г.М. АСУ ТП в черной металлургии. - М.: Металлургия, 1999.

8. Методические указания по оформлению курсовых и дипломных проектов. - Киев: КПИ, 1992.

9. Ротач В.Я. Расчет динамики промышленных автоматических систем регулирования. М., «Энергия», 1973.

10. Попель С.И., Сотников А.И., Броненков В.И. Теория металлургических процессов. - М.: Металлургия, 1986.

11. Кудрин В.А. Металлургия стали. - М.: Металлургия, 1989.

Размещено на Allbest.ru