Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

• Введение
• 1. Общая часть
• 1.1 Описание объекта автоматизации и технологического процесса
• 1.2 Назначение и цели создания системы
• 1.3 Требования к системе
• 1.3.1 Требования к структуре и функционированию системы, информационное обеспечение
• 1.3.2 Требования к стандартизации и унификации
• 2. Специальная часть
• 2.1 Обоснование необходимости модернизации существующей системы
• 2.2 Выбор и описание компонентов системы управления
• 2.3 Выбор устройства управления на основе ПЛК
• 2.4 Расчет конфигурации устройства управления и составление заказной спецификации
• 2.5 Выбор программных средств для решения поставленных задач
• 2.5.1 Требования, предъявляемые к программному обеспечению системы
• 2.5.2 Выбор программных средств
• 2.6 Составление функциональной схемы
• 2.7 Разработка и описание мнемосхем визуализации процесса работы системы
• 2.8 Составление принципиальной электрической схемы
• 3. Организация производства и труда
• 3.1 Характеристика СИТ и ее назначение
• 3.2 Структура УЭ АСУТПП и организация работы
• 3.3 Производственная структура производства
• 3.4 Структура СТА и ее функции
• 3.5 Режим работы участка промышленной автоматизации
• 3.6 Операции технического обслуживания, периодичность осмотров и ремонтов элементов САУ, САР участка
• 4. Экономика производства
• 4.1 Расчет затрат на модернизацию системы
• 4.2 Расчет годовой экономии
• 4.3 Расчет годового экономического эффекта и срока окупаемости капитальных вложений
• 4.4 Расчет экономической эффективности
• Заключение
• Список используемых источников

Введение

Металлургический комплекс - это основа индустрии. Он является фундаментом машиностроения, обеспечивающего вместе с электроэнергетикой и химической промышленностью развитие научно-технического прогресса во всех звеньях хозяйства страны. Металлургия относится к числу базовых отраслей и отличается высокой материалоемкостью и капиталоемкостью производства. Спецификой металлургического комплекса являются несопоставимый с другими отраслями масштаб производства и сложность технологического цикла.

Череповецкое Публичное Акционерное Общество "Северсталь" - крупнейшее промышленное предприятие области, а так же является одним из лидеров среди российских производителей чугуна. Сегодня трудно представить производство без автоматических систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) и в то же время использование на предприятии автоматизированных систем управления на основе устаревших контроллеров связано с целым рядом серьезных проблем, среди которых:

· ограниченность вычислительных ресурсов;

· ограниченность средств обработки и предоставления информации.

В связи с этим на предприятии назрела острая необходимость замены устаревших цеховых систем автоматизации и использования современных информационных технологий. Необходимо предоставить оперативную, полную и достоверную производственную информацию специалистам и руководителям предприятия, принимающим производственные решения. Это позволило бы эффективно управлять предприятием, а также снизить аварийные ситуации.

В рамках дипломного проекта была проведена модернизация существующей системы контроля и диагностики производства гранулированного шлака на установках придоменной грануляции.

1. Общая часть

1.1 Описание объекта автоматизации и технологического процесса

Доменная печь оборудована двумя УПГШ (правой и левой), каждая из которых предназначена для приема расплавленного шлака из двух леток. Общими для обеих установок являются конвейера и склад граншлака. В состав каждой установки входят две технологические линии (рабочая и резервная). Общей для обеих линий одной установки является шламовая насосная станция.

Принципиальная технологическая схема одной линии УГШП приведена на рисунке 1.

Жидкий шлак из доменной печи по желобу 6 стекает из струи воды, выходящей из гранулятора 7, где за счет механического воздействия струи воды раздрабливается и в виде трехфазной смеси (пара, воды и частиц расплавленного шлака) поступает в приемный бункер 10, заполненный водой.

При погружении в воду частицы шлака охлаждаются и затвердевают, а образующийся при этом пар по трубе 1 за счет Самотяги выбрасывается в атмосферу. Вода из приемного бункера 10 через окна 8 и 12 поступает в колодец 17 шлакового эрлифта, переливается в камеру 19 осветленной воды, откуда забирается грунтовым насосом 20 и подается по трубе 3 в гранулятор 7 на очередной цикл грануляции.

В колодце 17 установлен шлаковый эрлифт, состоящий из трубы 13 для подвода взмучивающей воды, воздухоподводящей насадки 14, воздуховода 16, подъемной трубы эрлифта, сливной трубы 27, сепаратора 26. Для подачи взмучивающей воды в трубу 13 из камер 19 установлен насос 21 и эрлифт взмучивания 44. Для избежания забивания шлакового эрлифта случайными негабаритными предметами приемный бункер 10 перекрывается решеткой 9 (отметка минус 1500 мм) с ячейками 200х100 мм, над которой размещается барботажное устройство 11.

Под действием вводимого в насадку 14 воздуха смесь воды с граншлаком поднимается сепаратор 26, откуда самотеком по трубе 27 поступает в обезвоживатель 35 карусельного типа, выполненный в виде кольца, разделенного на шестнадцать отсеков. В каждый отсек вставляется отдельная сменная коробка 34 с вертикальной сеткой. Снизу коробки перекрываются перфорированными (сетчатыми) днищами 39, одна сторона которых шарнирно подвешивается радиальной стенке коробки, а другая сторона, снабженная роликом 40, опирается на стационарный рельс-копир 32. Соответствующий профиль укладки этого рельса при вращении обезвоживателя обеспечивает поддержание в закрытом положении днищ, в секторе загрузки и обезвоживания, а также открытие и закрытие их в секторе выгрузки обезвоженного граншлака в бункер 31.

К наружной поверхности обезвоживателя прикован кольцевой рельс 36, посредством которого обезвоживатель опирается на катки 38. Вращение обезвоживателя осуществляется электроприводом 37 через редуктор и зубчатую передачу со скоростью от 1 до 2 об/ч (от1/60 до 1/30 мин^-1). Скорость вращения обезвоживателя регулируется в зависимости от степени наполнения коробок 34 граншлаком. При вращении обезвоживателя каждая коробка последовательно проходитпериоды:

· заполнение пульпой, стекающей из сепаратора 26;

· фильтрование воды от шлака через перфорацию днищ 39;

· выгрузки обезвоженного граншлака в бункер 31 и очистки перфорации.

В случае переполнения, вода из коробки 34 через переливное окно в боковой стенке сливается в водосборник 25. В этот же водосборник стекаетотфильтрованная вода из обезвоживателя через сетчатые днища 39 и по трубе 24 (или 29) поступает обратно в приемный бункер 10.

Пар из обезвоживателя 35 отводится паропроводом 28 в трубу 1.

Компенсация расхода воды на парообразование и механический унос за счет остаточной влажности граншлака осуществляется производной водой гидросмыва водосборника обезвоживателя, осветленной водой, водой из отстойника шламовой насосной станции и водой из резервной линии, расход которой регулируется оператором пульта управления УГШП. В случае аварийного переполнения вода из камеры 19 по трубе 18 переливается в дренажный лоток, далее следуя в отстойник ШНС.

Из бункера 31 граншлак воронкой 41 и трубой 42 направляется на соответствующий конвейер 43 и транспортируется на склад.

Рисунок 1 Принципиальная технологическая схема гранустановок ДП5

1.2 Назначение и цели создания системы

Назначение системы

Установки придоменной грануляции шлака (УПГШ) предназначены для измельчения и охлаждения (грануляции) шлака, а также для гидропневмотранспортировки и обезвоживания гранулированного шлака и уборки его от доменной печи без применения шлаковозных ковшей.

Модернизация УПГШ предназначена для решения следующих задач:

· замены морально устаревших и снятых с производства программируемых контроллеров существующих локальных систем управления;

· создания эффективной АСУТП всего комплекса доменной печи c однотипным оборудованием и программным обеспечением и единой информационной базой.

Цели создания системы

Целями модернизации УПГШ являются:

· создание стабильных условий для конкурентно-способного производства чугуна за счет оптимизации управления процессом, включающей в себя своевременное представление технологическому персоналу достоверной информации о ходе процесса и состоянии оборудования, анализ и выявление тенденции хода процесса, оперативную сигнализацию о возникающих нарушениях и предотвращение аварийных ситуаций;

· гарантированное удержание намеченных показателей производства при дальнейшем сокращении потребления топлива и снижении затрат на исходные сырьевые материалы;

· реализация политики ПАО "Северсталь" по энергосбережению при ведении технологического процесса на всех участках подготовки и производства чугуна на ДП-5.

1.3 Требования к системе

1.3.1 Требования к структуре и функционированию системы, информационное обеспечение

В соответствии с современной концепцией построения АСУТП доменных печей. на передовых металлургических кампаниях за рубежом и в России, в предлагаемой структурной схеме АСУТП собственно доменной печи, блока ВН, УПГШ и ЦВС должны быть выделены 3 (три) иерархических уровня управления:

1-й уровень - Система контрольно-измерительных приборов;

2-й уровень - Система базовой автоматизации;

3-й уровень - Система супервизорного контроля и управления с использованием математических моделей технологических процессов;

На 1-м уровне, посредством Системы контрольно-измерительных приборов, должны решаться задачи получения первичной информации о технологическом процессе и работе оборудования, частичном представлении ее на вторичных приборах и сигнальных устройствах.

На 2-м уровне с помощью системы Базовой автоматизации должны быть реализованы основные функции по управлению доменного процесса.

На 3-м уровне с помощью Системы супервизорного контроля и управления обеспечивается оптимизация технологического режима.

Должна быть обеспечена надежная, круглосуточная, быстродействующая сеть для связи между уровнями управления со скоростью передачи не ниже 100 Мбит/с.

Связь между уровнями осуществляется с помощью сети с протоколом Fast Ethernet, предложенный в 1995 году под именем IEEE 802.3u. Он обеспечивает пропускную способность 100 Мбит/с и использует витую пару или оптоволоконный кабель.

автоматизация доменная печь информационный

Есть возможность модернизации до Gigabit Ethernet (IEEE 802.3z), что позволит увеличить быстродействие сети в десять раз до уровня 1000Мбит/с или 1Гбит/с.

1.3.2 Требования к стандартизации и унификации

АСУТП должна создаваться в соответствии с действующими в РФ стандартами, нормами и правилами, а также стандартами предприятия. Унификация проектных решений должна обеспечиваться единообразным подходом к решению однотипных задач.

Единообразный подход к решению однотипных задач должен достигаться:

· единым программно-техническим способом реализации одинаковых функций системы;

· унификацией компонентов математического, информационного, лингвистического и программного обеспечения;

· унификацией компонентов технического обеспечения.

При проектировании всех входящих в АСУТП автоматизированные подсистемы контроля и управления (АСКУ) должна обеспечиваться унификация интерфейса" человек-машина", предусматривающая унификацию форматов отображения по структуре и составу параметров, по формам их представления, способам доступа к информации.

Унификация компонентов информационного обеспечения должна быть направлена:

· в части внемашинной базы данных - на использование единой системы классификаторов документов и показателей, единых методов и средств подготовки, сбора, контроля, хранения и корректировки всех документированных сведений и сообщений, используемых в системе, а также на рациональное ограничение используемых форм документов;

· в части внутримашинной базы данных - на использование унифицированных сигналов и кодов, единых способов структуризации данных и построения баз данных, управления базами данных, доступа к базам данных и методов связывания машинных программ и данных.

Унификация лингвистического и программного обеспечения должна быть направлена:

· в части лингвистического обеспечения - на использование рационального взаимодействия соответствующих категорий персонала с вычислительной техникой и способов организации этого диалога;

· в части общего программного обеспечения - на максимальное использование стандартных программных средств - пакетов системных и прикладных программ и программных модулей, SQL-серверов, WEB-серверов, SCADA-систем, ОРС-серверов, драйверов;

· в части прикладного программного обеспечения - на использование методов структурного программирования, модульного принципа построения программных компонентов и на единообразные связи между программными модулями на основе единых программных интерфейсов.

Унификация компонентов технического обеспечения должна быть направлена на:

· использование рационально ограниченного количества типов датчиков технологических параметров и показателей, а также вторичных и иных измерительных преобразователей и приборов;

· применение однотипных ПЛК, средств вычислительной техники, обладающих свойствами электрической, конструктивной, логической и информационной совместимости, имеющих единую систему интерфейсов.

· применение единых способов и средств организации межмашинной связи и передачи информации в пределах всей системы;

· использование одинаковых средств и способов конструктивной и эргономической компоновки технических средств операторского интерфейса по всем щитам, постам управления.

Должна быть обеспечена преемственность положительных технических решений, примененных в АСУТП доменных печей ПАО "Северсталь".

2. Специальная часть

2.1 Обоснование необходимости модернизации существующей системы

Средства автоматизации, на которых реализована УПГШ, а именно программируемый логический контроллер ADAM 5000/485 и SCADA-система Трэйс Моуд, морально и физически устарели. Это в первую очередь проявляется в ограниченности вычислительных ресурсов и средств обработки и предоставления информации.

С помощью современных программируемых логических контроллеров становится возможно разрешение этой проблемы, а также создание эффективной АСУТП всего комплекса доменной печи c однотипным оборудованием и программным обеспечением, и единой информационной базой, что позволит предоставлять оперативную, полную и достоверную производственную информацию специалистам и руководителям предприятия, принимающим производственные решения. Это позволило бы эффективно управлять предприятием, а также снизить аварийные ситуации.

2.2 Выбор и описание компонентов системы управления

Средства автоматизации нижнего уровня, а именно датчики и исполнительные механизмы, не претерпели изменений. Сапфир 22М-ДИ, Сапфир 22М-ДД, Механизм исполнительный однооборотный МЭО-250/63-0,25, Термопреобразователь сопротивления ТСМ/ТСП 012-000, Уровнемер магнитострикционный АТ100, Весы конвейерные М8400-8.

Сапфир 22М-ДИ

Рисунок 2. Внешний вид преобразователя Сапфир 22М-ДИ

Преобразователи САПФИР 22М-ДИ предназначены для преобразования избыточного давления жидких и газообразных сред в унифицированный токовый выходной сигнал.

Технические характеристики:

Выходные сигналы: 0…5; 4…20 мА

Питание от внешних источников постоянного тока для преобразователей с выходным сигналом:

· 0.5 мА: 15…42 В;

· 4.20 мА: 36 В.

Исполнения по взрывозащите: 1ExsdllBT4/H2

Относительная влажность воздуха при температуре 35°С: 95 %

Степень защиты: IP54

Виброустойчивость: L3

Габаритные размеры:

модель 2110, 2210, 2310: 125х225х265 мм;

остальные модели: 112х189х262 мм.

Масса;

модель 2110, 2210, 2310: не более 11,9 кг;

остальные модели: не более 6,3 кг.

Сапфир 22М-ДД

Рисунок 3. Внешний вид преобразователя разности давления Сапфир 22М-ДД

Преобразователи разности давлений САПФИР 22М-ДД предназначены для преобразования в унифицированный токовый сигнал:

· разности давлений жидких и газообразных сред, в т. ч. кислорода (перепадомеры);

· уровня жидкости (уровнемеры);

· расхода жидкости, пара, газа, в т. ч. кислорода (расходомеры).

Технические характеристики:

Выходные сигналы: 0…5; 4…20 мА.

Выходные сигналы для преобразователей уровня: 5…0; 20…4 мА.

Питание от внешних источников постоянного тока:

· для преобразователей с сигналом 4…20; 20…4 мА: 15…42 В;

· для преобразователей с сигналом 0…5; 5…0 мА: 6 ± 0,72 В;

Исполнения по взрывозащите: 1ExsdllBT4/H2

Относительная влажность: не более 98 %

Масса:

· модели 2410: не более 11,9 кг;

· остальных моделей: не более 5,8 кг.

Габариты:

· модели 2410: не более 125х223х265 мм;

· остальных моделей: не более 125х220х215 мм

ТСМ / ТСП 012-000

Термопреобразователи сопротивления ТСМ/ТСП 012-000 предназначены для измерения температуры газообразных и жидких химически неагрессивных, а также агрессивных сред, не разрушающих защитную арматуру.

Рисунок 4. Внешний вид термопреобразователя сопротивления ТСМ/ТСП 012-000

Технические характеристики:

Рабочий диапазон температур: - 50. +180°С *

Номинальная статическая характеристика:

· ТСМ - 50М или 100М

· ТСП - 50П, 100П или Pt100

Показатель тепловой инерции: не более 30 с

Условное давление рабочей среды, Py: 0,4 МПа

Материал защитной арматуры: сталь 12Х18Н10Т

Схема соединений: двух, трех или четырехпроводная

Защищенность от воздействия пыли и воды: IP55

Устойчивость к воздействию вибрации: N3

МЭО-250/63-0,25

Рисунок 5. Внешний вид МЭО-250/63-0,25

Технические характеристики:

Наименование: Электропривод

Обозначение: МЭО-250/63-0,25

Исполнение привода: Общего назначения со штепсельным разъемом или сальниковым вводом

Крутящий момент на выходном валу, Н*м: 250

Частота вращения выходного вала, об/мин: 0.25

Полный ход вала, Об: 0.25

Масса, кг: 27

Напряжение, В: 220

Мощность, кВт: 2,4

Время срабатывания, сек: 63

Весы конвейерные М8400-8

Рисунок 6. Конвейерные весы

Конвейерные весы предназначены для определения производительности отгрузки сыпучих материалов. Весы имеют функцию учета массы отгружаемого материала и текущей производительности конвейера, интерфейс связи RS 485, токовый выход с диапазонами значений (уточняется при заказе): 0… 5 мА, 4… 20 мА,

0… 20 мА. Ширина конвейерной ленты - 2000 мм.

Весы состоят из двух основных узлов: грузоприемного устройства (ГПУ) и измерительной системы. ГПУ монтируется на став конвейера (1). ГПУ состоит из двух опорных балок (2) и двух подвесных балок (3). В состав измерительной системы входят 4 тензометрических датчика (4), датчик скорости ленты М4207 (ИДС1) (6), тензоизмеритель конвейерный М0600-К6 и соединительные кабели.

Уровнемер магнитострикционный АТ100

Рисунок 7 Уровнемер магнитострикционный АТ100

Работа АТ100 основана на принципе магнитострикции. Направляющая трубка содержит в себе провод, по которому через фиксированные промежутки времени проходят импульсы тока. Взаимодействие импульса тока с магнитным полем поплавка приводит к возникновению в проводе крутильной деформации в месте нахождения поплавка, которая в виде механической волны распространяется вдоль провода с известной скоростью в оба конца. Запатентованный пьезомагнитный чувствительный элемент, размещённый в корпусе прибора, преобразует полученные механические волны в электрический импульс. С помощью микропроцессорной электроники измеряется интервал времени между отправленным и принятым импульсами, который пропорционален измеряемому уровню.

Технические характеристики:

· Точность: 0,01%

· Повторяемость: 0,005% от полного диапазона

· Нелинейность: 0,01%

· Максимальное давление: 210 кгс/см2

· Минимальная удельная плотность: 0,4

· Диапазон измерений уровня: 1 - 22 м

· Съёмный блок электроники

· Измерение уровня и раздела фаз в одном приборе

· Выходной сигнал: 4 - 20 мА

· Взрывозащита: EEx ia II BT6 EEx d IIC T6

2.3 Выбор устройства управления на основе ПЛК

До модернизации система визуализации базировалась на программируемом логическом контроллере ADAM 5000/485.

Рисунок 8 Схема централизованного контроля и анализа процесса грануляции шлака УПГШ ДП №5

Таблица 1 Наименование компонентов схемы централизованного контроля и анализа процесса грануляции шлака УПГШ ДП №5

Позиция	Наименование	Кол-во
1	Контроллер ADAM-5000 ф. Advantech	1
	В составе на 1 комплект:
	- Базовый конструктив ADAM-5000/E	1
	- Модуль аналогового ввода ADAM5017	3
	- Модуль ввода сигналов термосопротивления ADAM 5013	1
	- Модуль дискретного ввода-вывода ADAM5050	2
	- Источник питания 24В, 4А PRW244	1
2	Контроллер ADAM-5000 ф. Advantech	1
	В составе на 1 комплект:
	- Базовый конструктив ADAM-5000/E	1
	- Модуль аналогового ввода ADAM5017	3
	- Модуль ввода сигналов термосопротивления ADAM 5013	1
Продолжение таблицы 1
Позиция	Наименование	Кол-во
	- Модуль дискретного ввода-вывода ADAM5050	2
	- Источник питания 24В, 4А PRW244	1
3,4	Индустриальная ПЭВМ	2
	В составе на один комплект:
	- Шасси IPC-610P4-260-E	1
	- Процессорная плата PCA6179 VE-00A1+CPU Intel P III 600	1
	- Модуль ОЗУ DIMM 64Mb PC 100 Samsung	1
	- Жесткий диск HDD 20Gb	1
	- Дисковод 3,5" FDD-1.44	1
	- Монитор CTX 17” PR 705F	1
	- Клавиатура Cherry PS/2	1
	- Мышь MS PS/2	1
	- Модуль интерфейса RS485X2 PCL743S	1
5	Рабочая станция ПЭВМ P III 866/128/2Gb/CD-Rom/15”	2
6	Лазерный принтер A4 LJ1100A	1
7,8	Преобразователь среды Fast Ethernet Media Converter 100Base-FX (SC) (MM) AT-MC102XL	2
9	Концентратор Dual-Speed Hub AT-FH708SW	1
10,11	Патч-корд оптический дулексный (Multi Mode) ST-SC-1.5m	2
12	Кабель UTP 5 категории	30м
13	Кабель "Витая пара" Beldem Industrial RS485 3105A	180м
14	Кабель UTP 5 категории, 3 метра	5
15	Кабель оптиковолоконный ОКС М8Т-62,5-0,7-8	350м
16	Розетка RJ 45	4
17	Разьем DB 9F	2
18	Программное обеспечение RTM 50	2
19, 20	Кросс оптический KPC-1U-ST-8MM-8MMC-1-1	2
21	Кросс оптический KPC-1U-ST-16MM-16MMC-1-2	1

Изделия серии ADAM-5000/485 предназначены для создания территориально-распределенных систем сбора данных и управления. Устройство ADAM-5000/485 состоит из двух компонентов: базового блока и модулей ввода-вывода. В базовый блок может быть установлено до 4 модулей ввода-вывода, обеспечивающих до 64 каналов дискретного ввода-вывода или до 32 каналов аналогового ввода. Имеется возможность гибкого конфигурирования системы в зависимости от количества и вида контролируемых параметров, а также от расположения контролируемых объектов.

Характеристики ADAM-5000/485:

Технические данные:

· тип процессора: 16-разрядный;

· объем ОЗУ: 32 кбайт;

· объем флэш-ПЗУ: 128кбайт;

· количество обслуживаемых модулей ввода-вывода: 4;

· сторожевой таймер: встроен;

· мощность, потребляемая блоком процессора: 1,0 Вт;

· дополнительный порт последовательной связи: RS-232.

Гальваническая изоляция:

· напряжение изоляции интерфейса RS-485: 2500 В постоянного тока;

· напряжение изоляции цепей питания: 3000 В постоянного тока;

· напряжение изоляции модулей ввода-вывода: 3000 В постоянного тока.

Средства проверки работоспособности:

· светодиодная индикация состояния подсистем питания, коммуникационной и процессора;

· автоматическая самопроверка при включении питания;

· удаленная программная диагностика.

Подсистема последовательной связи:

· физическая среда: двухпроводная симметричная линия, RS-485;

· скорость обмена: 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200 бит/с;

· максимальная протяженность линии связи: 1200 м;

· сетевой протокол: полудуплексный, символьный ASCII;

· проверка наличия ошибок: с использованием контрольной суммы;

· формат асинхронной передачи данных: 1 старт-бит, 8 бит данных, 1 стоп-бит, без контроля четности;

· максимальное количество устройств ADAM-5000/485, подключаемых к одному последовательному порту: до 256;

· защита портов последовательной связи: подавление импульсных помех в линии связи.

Требования по питанию:

· напряжение питания: от 10 до 30 В постоянного тока, нестабилизированное;

· защита от изменения полярности. напряжения питания.

Механические характеристики:

· материал корпуса: пластик ABS;

· извлекаемые клеммные колодки с винтовой фиксацией: сечение жил проводников от 0,5 до 2,5 мм².

Условия эксплуатации:

· диапазон рабочих температур: от - 10 до +70 ^оС;

· диапазон температур хранения: от - 25 до +85 ^оС;

· относительная влажность воздуха: от 5 до 95% без конденсации влаги.

Технические характеристики контроллера Simatic S7-400:

SIMATIC S7-400 - это модульный программируемый контроллер, предназначенный для построения систем автоматизации средней и высокой степени сложности.

Модульная конструкция, работа с естественным охлаждением, возможность применения структур локального и распределенного ввода-вывода, широкие коммуникационные возможности, множество функций, поддерживаемых на уровне операционной системы, удобство эксплуатации и обслуживания обеспечивают возможность получения рентабельных решений для построения систем автоматического управления в различных областях промышленного производства.

Эффективному применению контроллеров способствует возможность использования нескольких типов центральных процессоров различной производительности, наличие широкой гаммы модулей ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов, функциональных модулей и коммуникационных процессоров.

SIMATIC S7-400 является универсальным контроллером. Он отвечает самым жестким требованиям промышленных стандартов, обладает высокой степенью электромагнитной совместимости, высокой стойкостью к ударным и вибрационным нагрузкам. Установка и замена модулей контроллера может производиться без отключения питания ("горячая замена").

Широкие возможности конфигурирования системы ввода-вывода:

· К базовой стойке может подключаться до 21 стойки расширения по схемам централизованной или распределенной конфигураций.

· Соединение через интерфейсные модули. Базовая стойка может быть укомплектована 6-ю интерфейсными модулями, устройства расширения ввода-вывода - 1. Каждый модуль имеет по два разъема для подключения двух линий связи. Только два из этих модулей могут питать стойки расширения по линиям связи.

· Централизованные конфигурации применяются в тех случаях, когда и базовая стойка, и стойки расширения ввода-вывода размещаются в одном помещении или одном шкафу управления. С помощью каждого интерфейсного модуля к базовой стойке (СС) можно подключить до 4 стоек расширения ввода-вывода (EU). Если необходимо, линия питания =5В одновременно

· может использоваться и для передачи информации. Максимальное расстояние между базовой стойкой и последней стойкой расширения может достигать 1.5м при питании стоек расширения напряжением =5В по кабелю связи и 3м при наличии блоков питания в стойках расширения.

· В децентрализованных системах с интенсивным обменом данными в качестве устройств расширения рекомендуется использовать системы ЕТ 200, подключаемые к базовой стойке по сети PROFIBUS-DP. Через интерфейс PROFIBUS-DP к центральному контроллеру может быть подключено до 125 устройств ЕТ 200. При использовании волоконно-оптической линии связи максимальное расстояние между базовой стойкой и последним устройством ЕТ 200 может достигать 23 км.

Хорошо продуманная конструкция контроллера существенно упрощает его обслуживание:

· Модули легко устанавливаются на посадочные места монтажной стойки и фиксируются винтами.

· Во все монтажные стойки встроена параллельная шина (Р-шина) для скоростного обмена данными с сигнальными и функциональными модулями. Все стойки, за исключением ER1 и ER2 имеют последовательную коммуникационную шину (К-шину) для скоростного обмена большими объемами данных с функциональными модулями и коммуникационными процессорами.

· Возможность замены модулей без демонтажа внешних цепей. Съемные фронтальные соединители с механической кодировкой, исключающей возможность установки соединителяна модуль другого типа.

· Наличие фронтальных соединителей с винтовыми, защелкивающимися и пружинными контактами.

· Более гибкие варианты подключения внешних цепей обеспечивают соединители TOP Connect, позволяющие вынести все точки соединения с фронтальных панелей модулей.

· Наличие защитных крышек, закрывающих терминалы для подключения внешних цепей.

· Возможность установки всех модулей, за исключением блоков питания и интерфейсных модулей, в любой свободный разъём стойки.

Технические характеристики:

1) Степень защиты - IP 20

2) Диапазон рабочих температур:

· для горизонтальной установки - 0 … 60°C

· для вертикальной установки - 0 … 40°C

3) Относительная влажность - 5 … 95%, без конденсата

4) Атмосферное давление - 795 … 1080 гПа

5) Электромагнитная совместимость - Соответствует требованиям German EMC Legislation:

· по EN 50082-2 (устойчивость к шумам), испытания по: IEC 801-2, ENV 50140, IEC 801-4, ENV 50141, IEC 801-5;

· Наводки по EN 50081-2, испытания по EN 55011, класс A, группа 1

6) Механические воздействия:

· Вибрация - IEC 68, часть 2-6/10 … 58 Гц; постоянная амплитуда 0.075 мм; 58 … 150 Гц;

· Постоянное ускорение 1 g;

· Длительность вибраций: 10 частотных циклов по каждой из трех взаимоперпендикулярных осей

7) Ударные нагрузки:

· IEC 68, часть 2-27/ полусинусоидальное:

· Пиковая ударная нагрузка 15 g, длительностью 11мс

Как видно из приведенных сравнительных характеристик, современный аналог контроллера ADAM 5000/485 значительно превосходит его по количеству входных и выходных сигналов, а также по возможности конфигурирования сложных систем, в том числе с их последующей модернизацией и расширением.

В соответствии с политикой предприятия унификация компонентов технического обеспечения должна быть направлена на:

· использование рационально ограниченного количества типов датчиков технологических параметров и показателей, а также вторичных и иных измерительных преобразователей и приборов;

· применение однотипных ПЛК, средств вычислительной техники, обладающих свойствами электрической, конструктивной, логической и информационной совместимости, имеющих единую систему интерфейсов.

· применение единых способов и средств организации межмашинной связи и передачи информации в пределах всей системы;

· использование одинаковых средств и способов конструктивной и эргономической компоновки технических средств операторского интерфейса по всем щитам, постам управления.

Должна быть обеспечена преемственность положительных технических решений, примененных в АСУТП доменных печей ПАО "Северсталь".

В связи с тем, что подавляющее большинство АСУТП доменных печей ПАО "Северсталь" реализовано на базе контроллера Simatic S7-400, принято решение использовать именно его. Что сделает возможным создание эффективной АСУТП всего комплекса доменной печи c однотипным оборудованием и программным обеспечением и единой информационной базой.

2.4 Расчет конфигурации устройства управления и составление заказной спецификации

Компоненты используемые при конфигурации контроллера Simatic S7-400 приведены в таблице 2.

Таблица 2 Компоненты программируемого логического контроллера Simatic S7-400

Компонент	Назначение	Иллюстрация
Стойки (UR: универсальная) (CR: центральная) (ER: для расширения)	… обеспечивают механические и электрические связи между модулями S7-400.
Источники питания (PS) Принадлежности: буферная батарея	… преобразуют сетевое напряжение (120/230 В переем. тока или 24 В пост. тока) в рабочее напряжение 5 В пост. тока и 24 В пост. тока, требуемые для питания S7-400.
Центральные процессоры (CPU)	… выполняют программу пользователя; обмениваются информацией через многоточечный интерфейс (MPI) с другими CPU или с устройством программирования (PG).
Платы памяти	… хранят программц пользователя и параметры.
Сигнальные модули (SM) (цифровые модули ввода, цифровые модули вывода, аналоговые модули ввода, аналоговые модули вывода)	… согласуют различные уровни сигналов от процесса с S7-400. … образуют интерфейс между ПЛК и процессом.
Интерфейсные модули (IM) Принадлежности: соединительный кабель терминатор	… соединяют отдельные стойки S7-400 между собой.
Кабельный канал	… служит для прокладки кабеля и вентиляции.
Шинный кабель SINEC L2	… соединяет между собой различные CPU и PG.
Кабель PG	… соединяет CPU c PG.
Компонент шины SINEC L2, например, шинный терминал SINEC L2.	… для сопряжения S7-400 с другим S7-400 или PG.
Повторитель RS 485	… усиливает информационные сигналы в шинном кабеле и соединяет между собой шинные сегменты.
Устройство программирования (PG) или PC с программным пакетом STEP 7	… конфигурирует, инициализирует, программирует и тестирует S7-400.
Вентиляторный узел (для специального применения)	… для вентиляции модуля в специальных корпусах; может эксплуатироваться с фильтром и без него.

На каждый из двух контроллеров подаются следующие сигналы (приведены для контроллера левой гранустановки, для правой - соответственно заменить индекс 1 на 3, а 2 на 4):

· Температура воды на гранулятор 1

· Температура воды на гранулятор 2

· Температура воздуха на эрлифт 1

· Температура воздуха на эрдифт 2

· Температура сжатого воздуха на обе гранустановки

· Давление воды на гранулятор, линия 1

· Давление воды на гранулятор, линия 2

· Давление воздуха к эрлифту, линия 1

· Давление воздуха к эрлифту, линия 2

· Давление осветленной воды, левая установка

· Расход воды на взмучивание к эрлифту, линия 1

· Расход воды на взмучивание к эрлифту, линия 2

· Расход воды на взмучивание от насоса, линия 1

· Расход воды на взмучивание от насоса, линия 2

· Расход воздуха к эрлифту, линия 1

· Расход воздуха к эрлифту, линия 2

· Расход осветленной воды, левая установка

· Расход воды на уплотнение сальников, левая установка

· Расход сжатого воздуха под решетки, левая установка

· Давление сжатого воздуха на обе гранустановки

· Расход сжатого воздуха на обе установки

· Расход граншлака, линия 1

· Расход граншлака, линия 2

· Уровень граншлака, линия 1

· Уровень граншлака, линия 2

Зная количество входных сигналов, можно сконфигурировать контроллер и составить заказную спецификацию:

Рисунок 9 Шкаф PLC91 (101). Общий вид

Таблица 3 Спецификация

Поз.	Обозначение	Наименование	Кол.	Примечание
		Стандартные изделия
1		Шкаф 2000х800х600 с одностворчатой дверью и принудительной вентиляцией	1	цоколь 100мм
2	PLC91 (101)	Стойка монтажная UR1 6ES7 400-1TA01-0AA0	1	Поставка заказчика
3		Блок питания ~220VAC, 5V.10A, 407-0KA01-0AA0	1
4		Процессор центральный 412-2XG04-0AB0	1
5	UPS	Источник бесперебойного питания 1500VA, 220/220B	1
6	CP443-1	Коммуникационный процессор 6GK7 443-1EX11-0XE0	1
7
8		Модуль ввода аналоговых сигналов 431-7QH00-0AB0	3
9
10		Защитная крышка 490-1АА00-0АА0	11
11
12	1XT4… 1XT9	Фронтальный присоединитель 492-1AL00-0AA0	9
13
14	TU1, TU2	Блок питания =24В, 10А 6ЕР1334-2АА01	2
15
16
17
18	SF1	Выключатель автоматический, двухполюсный 230В, 50Гц, 16А C60N24077	1
19	SF2, SF7	Выключатель автоматический, двухполюсный 230В, 50Гц, 2А C60N24072	2
20	SF3, SF5	Выключатель автоматический, двухполюсный 230В, 50Гц, 10А C60N24076	2
21	SF4, SF6	Выключатель автоматический, двухполюсный =24B, 10А C60N24050	2
22		Профильная шина по типу DIN EN 50 022-35x15/7.5	1
23	1XT4.1…1XT9.1	Клеммник (S=0.2-4мм2)	412
24		Вентилятор Р=20Вт	1
25	HL1	Светильник ~220В	1
26	XS2,3	Евророзетка	2
27		Короб 50х75	9м
28	S1	Выключатель дверной	1
		Материалы
		Провод ПВЗ-0,35	600м
		Провод ПВЗ 2,5	50м

2.5 Выбор программных средств для решения поставленных задач

2.5.1 Требования, предъявляемые к программному обеспечению системы

Под информационным обеспечением понимается в соответствии с ГОСТ 34.003-84 совокупность реализованных решений по объемам, размещению и формам организации представления информации, циркулирующей в АСУТП ДП-5 при ее функционировании. К информационному обеспечению должны относиться перечни входных и выходных сигналов, вводимых данных, информация, содержащаяся в базах данных и в документации, необходимой для эксплуатации системы.

Состав и объем информационного обеспечения АСУТП ДП-5 должны быть достаточными для выполнения всех функций системы, а также для организации и управления всеми процессами в системе.

Вся информация о технологических параметрах, используемая в АСУТП, за исключением нормативно - справочной, должна вводится в систему автоматически.

Информационное обеспечение АСУТП ДП-5 должно быть совместимо с ИО АСУТП ДП-1, АСУТП ДП-2 и АСУП доменного цеха, работающих на платформе "клиент-сервер" с использованием сервера баз данных "ORACLE". Должна быть обеспечена возможность информационного обмена между компонентами системы, запись и получение информации с сервера баз данных информационной системы доменного цеха и корпоративной сетью ПАО "Северсталь" по протоколу TCP/IP.

Должна быть обеспечена единая система кодирования параметров при разработке структуры баз данных базовой системы автоматизации и супервизорной системы.

В состав информационного обеспечения при проектировании должны быть включены:

· таблицы с описанием входных сигналов;

· структура и описания внутримашинных баз данных;

· отчетные документы и экранные формы представления данных.

Требования к защите информации от несанкционированного доступа:

Программное обеспечение (ПО) ПЛК базовой автоматизации и прикладное ПО рабочих станций систем 3-го и 4-го уровней АСУТП должно иметь 2-х уровневую защиту от несанкционированного доступа.

ПО ПЭВМ рабочих станций визуализации должно иметь защиту от несанкционированного прерывания работы с выходом в операционную систему, в том числе в процессе перезагрузки системы.

Требования по сохранности информации при авариях:

Должны быть предусмотрены меры защиты информации от помех и при авариях в системе электроснабженияк для ПЛК, серверов и ПЭВМ-рабочих станций базовой системы автоматизации и системы 3-го уровня. При авариях должна быть обеспечена сохранность:

· операционных систем;

· исполнительных модулей прикладного программного обеспечения;

· систем управления базами данных;

· массивов регистрируемых (архивируемых) параметров;

· массивов нормативно-справочной информации.

2.5.2 Выбор программных средств

До модернизации визуализация системы реализовывалась с помощью SCADA-системы Трейс Моуд.

Trace Mode - это программный комплекс, предназначенный для разработки, настройки и запуска в реальном времени систем управления технологическими процессами. Все программы, входящие в Trace Mode, делятся на 2 группы:

· инструментальная система разработки АСУ;

· исполнительные модули (runtime).

Инструментальная система включает в себя три редактора:

· редактор базы каналов;

· редактор представления данных;

· редактор шаблонов.

В них разрабатываются: база данных реального времени, программы обработки данных и управления, графические экраны для визуализации состояния технологического процесса и управления им, а также шаблоны для генерации отчетов о работе производства.

В зависимости от лицензии инструментальная система позволяет создавать объекты на разное количество каналов. Существуют следующие градации инструментальных систем по количеству точек ввода-вывода в одном узле проекта: 128, 1024, 32000х16, 64000х16.

Исполнительные модули - это программы, под управлением которых запускается АСУ, созданная в инструментальной системе. В группу исполнительных модулей входят следующие программы:

· MPB;

· NetLink MPB;

· Adaptive Control MPB;

· MPB Модем +;

· Double Force MPB;

· Double Force NetLink MPB;

· Adaptive Control Double Force MPB;

· NetLink Light;

· SUPERVISOR;

· Глобальный регистротор;

· Сервер документирования;

· Консоль тревог;

· Микро MPB;

· Микро MPB Модем +;

· Микро MPB GSM +;

· GSM-активатор;

· WEB-активатор.

Первые двенадцать мониторов предназначены для организации работы верхнего и административного уровней АСУ.

Микро MPB, Микро MPB Модем +, Микро MPB GSM + предназначены для работы в контроллерах нижнего уровня систем управления, естественно, при условии наличия в них операционной системы MS DOS.

Системные требования:

· ПК, совместимый с IBM PC;

· процессор не ниже PENTIUM-100 или аналог (рекомендуется PENTIUM-200MMX);

· операционная система - Windows 95 (не ниже 4.00.950В) или Windows NT (не ниже 4.0);

· оперативная память - не менее 32 Мб для Windows NT (рекомендуется 64 Мб);

· объем на жестком диске - 55 Мб;

· объем видеопамяти - не менее 1 Мб;

· разрешение экрана - не менее 800х600.

Унификация лингвистического и программного обеспечения должна быть направлена:

· в части лингвистического обеспечения - на использование рационального взаимодействия соответствующих категорий персонала с вычислительной техникой и способов организации этого диалога;

· в части общего программного обеспечения - на максимальное использование стандартных программных средств - пакетов системных и прикладных программ и программных модулей, SQL-серверов, WEB-серверов, SCADA-систем, ОРС-серверов, драйверов;

· в части прикладного программного обеспечения - на использование методов структурного программирования, модульного принципа построения программных компонентов и на единообразные связи между программными модулями на основе единых программных интерфейсов.

В соответствии с политикой предприятия в области стандартизации и унификации предлагается использовать SCADA-систему WinCC, как наиболее широко применяемую в АСУТП комплекса доменных печей.

WinCC - первый в мире IHMI (Integrated Human Machine Interface - Интегрированный Человеко-Машинный интерфейс) - программная среда, которая полностью интегрирует программное обеспечение для управление установкой в автоматизированный процесс. Его дружественные к пользователю компоненты автоматизации предлагают беспроблемную интеграцию в новые или уже существующие установки.

WinCC комбинирует современную архитектуру приложений Windows NT с простотой использования графической разработки программ. Он предоставляет все необходимые функции для построения полного мониторинга процесса и решения задач управления.

WinCC содержит:

WinCC среда разработчика:

Graphics - создание представления установки на экран;

Archiving - запись со штампом времени данных/событий в базу данных SQL;

Reports - генерация отчетов на основе запрашиваемых данных;

Data Management - определение и сбор данных по всей установке.

WinCC runtime:

предоставляет оператору на уровне установки или в пункте управления интерфейс к приложениям производственного уровня.

Аппаратные требования для WinCC.

WinCC поддерживает все стандартные платформы PC на базе Intel. Хотя достаточно и минимальной конфигурации, для удобной и нормальной работы WinCC следует использовать рекомендованные значения.

Таблица 4 Минимальные и рекомендованные значения для WinCC

	Минимум (конфигурирование)	Рекомендуется (runtime)
Процессор	Intel Pentium 133	Intel Penium
ОЗУ	32 Мб	64 Мб
Графика	VGA	SVGA (2 Мб)
Разрешение	640х480	1024х768
Жесткий диск	100+100 Мб	>500 Мб
CD Диск	2х	>2х

Программные требования для WinCC:

Для запуска WinCC необходима 32 разрядная Операционная Система (ОС) Windows от Microsoft. Можно использовать Windows 95 или Windows NT 4.0 или более высокие версии ОС.

Программирование контроллера осуществляется на языке STEP7.

Аппаратно-программная настройка и обслуживание микропроцессорной техники систем автоматического управления осуществляется с помощью STEP 7.

STEP 7 - это пакет стандартного программного обеспечения, используемый для конфигурирования и программирования программируемых логических контроллеров SIMATIC. Он является частью промышленного программного обеспечения SIMATIC. Имеются следующие версии стандартного пакета STEP 7:

· STEP 7 Micro/DOS и STEP 7 Micro/Win для относительно простых автономных приложений на SIMATIC S7-200;

· STEP 7 Mini для относительно простых автономных приложений на SIMATIC S7-300 и SIMATIC С7-620;

· STEP 7 для приложений на SIMATIC S7-300/S7-400, SIMATIC M7-400 и SIMATIC C7 с более широким набором функций:

может быть расширен по выбору программными продуктами, имеющимися в промышленном программном обеспечении SIMATIC;

возможность назначения параметров функциональными модулями и коммуникационным процессорам;

принудительный и многопроцессорный режим;

связь через глобальные данные;

управляемая событиями передача данных с использованием коммуникационных функциональных блоков;

проектирование соединений.

Основные задачи

При решении задачи автоматизации с помощью STEP 7 появляется ряд основных задач. Следующий рисунок показывает задачи, которые должны быть решены для большинства проектов, и ставит им в соответствие базовые процедуры.

Рисунок 10 Основные задачи при решении задач автоматизации с помощью STEP 7

Альтернативные процедуры.

Как показано на рисунке в распоряжении есть две альтернативы:

· можно сначала сконфигурировать аппаратуру, а затем программировать блоки;

· можно сначала запрограммировать блоки, не конфигурируя аппаратуру. Это рекомендуется для работ, связанных с эксплуатацией и обслуживанием, например, для встраивания программных блоков в существующий проект.

2.6 Составление функциональной схемы

Рисунок 11 УПГШ. Схема функциональная

2.7 Разработка и описание мнемосхем визуализации процесса работы системы

Рисунок 12 Главная мнемосхема левой УПГШ

На главной мнемосхеме УПГШ отображаются основные параметры состояния системы, такие как: расход, давление, температура сжатого воздуха; расход и давление воды; производительность гранустановок.

Рисунок 13 График уровня воды

Также, можно посмотреть изменение требуемого параметра по времени, задав соответствующий интервал.

2.8 Составление принципиальной электрической схемы

Рисунок 14. Принципиальная электрическая схема

3. Организация производства и труда

3.1 Характеристика СИТ и ее назначение

В настоящее время идет повсеместное использование средств автоматики для улучшения производительности труда и контроля качества продукции, в том числе и на "Северстали", что делает цех занимающийся поддержкой, ремонтом, разработкой этих средств ключевой единицей в структуре предприятия.

Служба информационных технологий (СИТ) предназначена для:

· обеспечения бесперебойной работы аппаратного и программного обеспечения АСУП;

· обеспечения оперативной поддержки пользователей АСУП;

· управления ожиданиями пользователя;

· унифицирования методов и подходов в развитии АСУП;

· для сопровождения АСУТП в подразделениях Общества;

· повышения надежности работу АСУТП;

· обеспечения контроля качества сырья.

3.2 Структура УЭ АСУТПП и организация работы

Структуру СИТ составляют два подразделения: Управление эксплуатации автоматических систем управления технологическим процессом (АСУ ТП) и Управление эксплуатации производства, корпоративных информационных систем (УЭ П, КИС).

УЭ АСУ ТП предназначено для обеспечения надежной и безопасной работы ИТ-систем в составе систем промышленной автоматизации, систем автоматизации технологических процессов и систем неразрушающего контроля технологических агрегатов ПАО "Северсталь" с целью достижения высоких показателей производства и качества продукции.

УЭ П, КИС занимается разработкой и сопровождений прикладных программных продуктов, таких как: "Управление продажами", "Управление производством", "Обеспечение технологических процессов", "Управление закупками и запасами", "Управление основными фондами" и др.

Рисунок 15 Структурная схема УЭ АСУТП

Основные задачи:

· сопровождение АСУ ТП в подразделениях Общества;

· обеспечение и проведение контроля качества сырья, материалов, оборудования и выпускаемой продукции средствами и системами неразрушающего контроля;

· метрологическое обеспечение АСУ ТП в рамках действующей системы менеджмента качества;

· повышение надежности работы АСУ ТП;

· обеспечение радиационной безопасности при эксплуатации радиоизотопных приборов (РИП);

· обеспечение нормативных требований по предупреждению чрезвычайных ситуаций (ЧС) при эксплуатации, реконструкции, техническом перевооружении, ремонтах производственных объектов.

3.3 Производственная структура производства

Рисунок 16. Доменный цех в структуре предприятия

3.4 Структура СТА и ее функции

Рисунок 17 Структурная схема СТА участка

Специалисты данного участка занимаются внедрением, наладкой, ремонтом и сопровождением средств автоматизации, в таких цехах комбината как Доменный, Известково-доломитный, Агломерационный.

3.5 Режим работы участка промышленной автоматизации

Начало работы участка промышленной автоматизации в 7.30, окончание в 16.30. Организовано круглосуточное обслуживание участка специалистами по эксплуатации АСУ ТП АГП, ДЦ, ИДЦ.

3.6 Операции технического обслуживания, периодичность осмотров и ремонтов элементов САУ, САР участка

Все устройства, механизмы и сооружения должны подвергаться плановым осмотрам и ремонтам специальными ремонтными бригадами согласно графику, утвержденному начальником доменного цеха. Обслуживающий персонал гранустановок должен следить за исправностью оборудования постоянно.

Каждую технологическую линию выводить из работы для осмотра, очистки от шлаковых отложений и профилактического ремонта не реже, чем через две недели. Сроки между осмотрами и ремонтами не должны превышать указанных в таблице 6.