Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Для современной металлургической промышленности характерно повышение требований к качеству продукции, экономичности и эффективности технологических процессов, использованию возможностей основного и вспомогательного оборудования.

Внедрение новых передовых технологий в производственный процесс - одна из необходимых составляющих быстрого развития страны, приближения уровня экономики к мировому.

Металлургия вообще, а конвертерное производство в частности, характеризуются широким сортаментом производимой продукции, неоднородным составом сырья и заготовок, подверженностью технологических процессов различного рода возмущениям. В этих условиях актуальным является обеспечение оптимального управления технологическими процессами и агрегатами, т.к. нерациональное управление, неправильно выбранные режимы работы приводят к большим потерям.

С этой целью создаются и внедряются автоматизированные системы управления всех уровней - от систем управления отраслями производства до систем управления отдельными агрегатами. Важное место занимают автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП). АСУ ТП представляет собой совокупность средств управления в составе автоматизированного технологического комплекса. Система обеспечивает управление и обработку информации с помощью высокоэффективной вычислительной техники.

Темой данной дипломной работы является проектирование информационной вычислительной системы автоматизации установки доводки металла УДМ-4 АСУ ТП «Доводка 4» ОАО “Северсталь”.

В настоящем проекте предлагается реализация автоматической системы регулирования расхода аргона в верхней и донных фурмах по заранее заданным технологическим программам. Данная система разрабатывается на базе программируемого контроллера Симатик-С300 (Simatik-S300) немецкой фирмы СИМЕНС (SIEMENS). Контроллер представляет собой гибкую систему, что, с одной стороны, дает возможность использовать его в различных системах управления, но с другой стороны, требует хороших знаний технологического процесса, а его универсальность повышает требования к квалификации разработчика системы и обслуживающего персонала.

Внедрение в систему УДМ-4 нового, современного цифрового оборудования позволяет использование его в качестве регулятора расхода аргона, использование соответствующих вычислительных сетей повысит быстродействие, надёжность, точность и эффективность работы системы, за счёт сокращения времени на сбор, обработку и передачу информации, программирование и настройку датчиков, кроме того, позволит существенно уменьшить количество приборов, что в свою очередь снизит материальные затраты на эксплуатацию, ремонт и замену приборов в случае необходимости.

Использование в АСУ персонального компьютера и соответствующего программного обеспечения существенно облегчит работу оператора и решение задач визуализации, сигнализации, мониторинга и контроля технологического процесса, учёта расхода аргона на продувку, что даст возможность архивирования и запоминания данных, основных параметров, позволит более быстро делать различные отчеты по производительности и по потребляемому количеству аргона на продувку каждого стальковша.

Применение компьютера даст возможность осуществлять оптимальное управление режимом продувки, что в свою очередь сократит потребление аргона. ЭВМ будет координировать работу соответствующих модулей контроллера, выступающих в качестве регуляторов, просчитывая по математической модели оптимальные значения параметров, выдавая точные данные на дисплей ПК.

Кроме того, при дальнейшей модернизации производства и создании АСУ ТП всего кислородно - конвертерного производства, использования вычислительных сетей и протоколов, ЭВМ - позволит координировать работу всех систем доводки металла, что в свою очередь повысит производительность производства в целом.

После модернизации САР поднимется на более высокий уровень автоматизации, что даст возможность неоднократного усовершенствования и дальнейшего развития системы, согласования её работы с остальными этапами производства стали, и создания АСУТП, что является немаловажным фактором при автоматизации и повышении производительности производства.

Предложенная модернизация потребует больших материальных затрат, в связи с большой стоимостью современных средств автоматизации и программных продуктов для ЭВМ, но несмотря на это, все затраты быстро окупятся, так как эта модернизация будет способствовать повышению производительности, а соответственно повышению качества стали и экономии средств, что является немаловажным при проведении модернизации и управлении предприятием или производством.

Также, использования современной вычислительной техники требуют возросшие требования к качеству продукции, вызванные острой конкуренцией (в связи с мировым кризисом 2001-2003 гг. в отрасли) на рынке металлопроката.



1. ТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Задачи автоматизированных систем и основные и требования к ним

Качество продукции, производительность и затраты на выпуск продукции решающим образом зависят от степени управляемости технологическим процессом. Повышение такой управляемости с помощью автоматизированных систем управления, использующих современные возможности получения и обработки информации, и с технической, и c экономической точек зрения, и привлекательно, и целесообразно.

Первой задачей АСУ является непрерывный контроль за производственной системой. Этот контроль всегда включает в себя одновременное наблюдение за технологическим процессом и работающим оборудованием. Система должна непрерывно собирать параметры, характеризующие качество и производительность процесса, с одной стороны, и состояние оборудования - с другой, прогнозировать их возможные изменения и проверять на допустимость, а также предлагать мероприятия, помогающие преодолевать вредные последствия этих изменений.

Второй задачей АСУ является снабжение специалистов информацией о состоянии оборудования и технологического процесса.

В качестве третьего требования выдвигается постоянная разработка мероприятий для лучшего овладения процессом.

Таким образом, в круг задач системы автоматизированного управления входят:

§ Описание состояния технологического процесса, оборудования и продукции (отнесенное к определенному времени и определенному объему продукции);

§ Прогнозирование состояния технологического процесса, оборудования и продукции;

§ Контроль состояний технологического процесса, оборудования и продукции;

§ Выработка мероприятий, предотвращающих вредные последствия отклонений от заданных параметров;

§ Подготовка всей информации для диагностики причин неполадок, а также само диагностирование;

Требования к современным системам автоматизированного контроля и управления состоят в следующем: система должна распознавать подлежащие контролю ситуации в технологии, положения оборудования и качество выпускаемой продукции. Это одно из наиболее сложных требований, в связи с тем, что процессы могут быть описаны только с помощью большого количества поступающих данных, аналитических моделей, для увязки которых не существует. Поэтому, подобные вопросы могут быть разрешены только путем анализа практических показателей и постоянной подгонки их к возможным изменениям состояния процесса и оборудования.

Эффективное использование современных систем контроля предусматривает их привлечение в технологический процесс производства в значительно большей мере, чем это было раньше. Вследствие этого становятся необходимыми изменения технологии и организации производства.

1.2 Концепции и возможности автоматизированных систем контроля

При сложных и относительно быстрых технологических процессах эффективный контроль возможен только в результате применения современных методов. Под этим подразумевается решение вышеуказанных задач путем использования современных возможностей разветвленных систем электронной обработки информации с применением "интеллектуальных" методов сбора и обработки информации.

Современная техническая концепция автоматизированной системы контроля приведена на рис. 1.1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.1 Современная концепция контроля

Основные части этой концепции можно упрощенно обобщить с учетом системотехнических требований в четырехступенчатую схему контроля для обеспечения качества продукции.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.2 Ступенчатая модель контроля

Ступень 1

Системы с автоматическим получением и обработкой основной информации о состоянии процесса и оборудования. Система непрерывно автоматически собирает, обрабатывает, сохраняет и представляет информацию в нужном виде. Автоматически приспосабливается к режиму работы агрегата. К системе всегда могут обратиться за получением информации все работники, занятые в процессе независимо от квалификации и организационной принадлежности; системы требуют минимального технического обслуживания, просты в использовании и обслуживании.

Ступень 2

Более сложные системы более высокого уровня. Автоматически определяют отклонения в функционировании оборудования и протекании частных технологических операций от заданных параметров. Автоматически составляют и выдают предложения по вмешательству в технологический процесс и мероприятия по инспектированию, техническому обслуживанию и при необходимости вводу в действие. Автоматически вмешиваются в процесс при больших отклонениях в работе оборудования и параметрах технологического процесса.

Ступень 3

Удобная и легко обслуживаемая система для анализа причин и закономерностей протекающих производственных процессов. Анализ производится высококвалифицированными экспертами на основе текущей информации, постоянно подвергающейся обновлению, и "исторической" информации, с использованием всех современных средств анализа.

Ступень 4

В подобных системах результаты контроля и части систем контроля интегрируются систему, регулирующую процесс и систему технического обслуживания оборудования. На сегодняшний день это высшая ступень автоматического управления процессом.

Рассмотренная выше четырехступенчатая концепция автоматизированных систем приводит к логическому выводу о необходимости создания автоматизированной системы, самостоятельно приспосабливающейся к изменениям параметров технологического процесса и состояния оборудования, а также с вмешательством в производственный процесс при угрозе потери производительности или развития аварийной ситуации. Кроме того, эта же система (как универсальная и основная система) должна служить получению информации о взаимосвязях внутри процессов и причинах сбоев, запоминать их и представлять экспертам для рассмотрения.

Развитие этого требования приводит к выводу о необходимости разработки обучаемой модели системы производства, работающей в режиме "он-лайн". Представляется необходимым, чтобы эта модель была полностью интегрирована в информационно-техническое окружение системы производства. (Рис. 1.3)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.3 Система контроля как встроенная система регулирования качества

Таким образом, встроенная в процесс автоматизированная система становится не только контролирующей системой, но и дополняет регулирующий, и управляющий процесс производства продукции и, следовательно, является важным компонентом системы регулирования качества более высокого уровня.

1.3 Краткое описание технологического процесса

Кислородно-конвертерное производство является важным звеном в производственном цикле получения металла. Продуктом конвертерного производства является сталь различных марок, служащая сырьем для машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). В процессе плавки в металле накапливаются водород, азот, кислород и другие газы, ухудшающие механические и физические свойства металла. Согласно[1], наличие в стали водорода уменьшает ее вязкость и способствует образованию флокенов, особенно в крупных поковках.

Азот является причиной склонности нелегированных сталей к старению и повышенной их чувствительности к межкристаллитной коррозии.

Кислород при неблагоприятных условиях образует оксидные включения. Особенно интенсивно газы поглощаются расплавом в процессе плавки.

Источниками газов могут являться: футеровка тигля или ковша, шлаковый покров, влага шихты, горячие газы, контактирующие с расплавом, и влага воздуха.

Так, наряду с другими существует очевидная зависимость между влажностью воздуха во время плавки и флокенообразованием в готовой продукции.

Для удаления вредных примесей и повышения чистоты расплава производится его дегазация аргоном. Дегазирующее действие аргона основывается на том, что вследствие разницы парциальных давлений вредных газов в металле и в пузырях аргона, пронизывающих расплав, пузыри поглощают газ и выносят его на поверхность раслава. Процесс очистки и раскисления расплава производится на установке доводки металла (УДМ).

На установке доводки металла осуществляются следующие технологические операции:

· продувка металла аргоном;

· введение в металл порошковой проволоки и алюминиевой катанки;

· измерение температуры и окисленности металла;

· охлаждение металла;

· отбор проб металла на экспресс-анализ;

На всех плавках независимо от марки стали первоначально производится усреднительная продувка: обработка аргоном в ковше с целью усреднения химического состава и температуры металла. Аргон подается в металл через футерованную фурму сверху или посредством двух донных фурм. После усреднительной продувки производится измерение температуры, отбор пробы металла на химический анализ и измерение толщины слоя шлака в ковше. Результаты первого измерения температуры в стальковше, состояние стальковша и тип его футеровки сталевар по внепечной обработке стали должен сообщить мастеру разливки или старшему разливщику МНЛЗ, получить от них задание на температуру металла в ковше после обработки на УДМ и записать это задание в технологический журнал.

В случае раскисления и легирования металла алюминием применяется алюминиевая проволока.

Установка предназначена для продувки жидкой стали аргоном с целью выравнивания ее температуры и химического состава по объему ковша при помощи верхней и донных фурм, снижения температуры стали до заданной, подачи алюминиевой проволоки.



Технические данные установок:

- среднесуточная масса жидкой стали в ковше, т - 350;

- минимальный интервал подачи ковшей на установку, мин. - 35;

- максимальное количество ковшей, обрабатываемых газом на установке в сутки - 41;

- температура воздуха в цехе, град - -25...+40;

- время продувки металла, мин. - 6-8;

- предельный расход аргона на продувку, нм/час - 120;

- диаметр алюминиевой проволоки, подаваемой в ковш, мм - 10-16;

- рабочая скорость подачи алюминиевой проволоки, м/сек. - 3-8;



2. СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Описание работы АСУ ТП установки доводки металла

АСУ ТП установки доводки металла представляет из себя контур регулирования расхода аргона верхней и двумя нижними фурмами.

Рассмотрим алгоритм работы контура данной АСУ ТП.

На каждом из трех трубопроводов, подходящих к стальковшу установлено по два датчика избыточного давления. Сигнал разности давлений по линиям связи передается в помещение операторной УДМ - 4 на контроллер. Согласно заложенному алгоритму он реализует управление клапаном. Обратная связь по положению осуществляется при помощи датчика аналогового положения, установленного на исполнительном механизме.

2.2 Описание существующей системы

Существующая система управления подачей аргона построена с использованием следующих средств автоматизации:

· в качестве датчиков давления применяются приборы типа Сапфир 22-ДИ;

· в качестве регуляторов применяются ручные задвижки;

· для регистрации и визуального отображения текущих параметров используются приборы Диск-250.

Основные недостатки существующей системы:

· Система КИПиА введена в эксплуатацию в 1975 году. Не отвечает современным требованиям обеспечения безопасности вследствие малой надежности составляющих её элементов;

· Линии связи имеют малое сопротивление изоляции, оболочка кабелей высохла и растрескалась. Невозможен перенос старых кабелей связи;

· Датчики давления невозможно подключить к контроллерам, так как они работают только со специализированными вторичными приборами, давно снятыми с производства.

· Отсутствуют системы визуализации, архивации и протоколирования технологического процесса доводки.

· Отсутствует связь с существующими смежными локальными системами АСУ ТП «Плавка», «Разливка», экспресс-лабораторией, ОТК.

2.3 Основные технические решения модернизируемой АСУ ТП УДМ-4

Система автоматизации установки доводки металла УДМ-4 предназначена для контроля и управления технологическим процессом доводки металла.

Основные функции АСУ ТП “Доводка 4”:

Информационные:

· измерение температуры и окисленности металла;

· измерение расходов аргона;

· измерение давлений аргона;

· измерение температуры аргона;

· измерение длины подаваемой в ковш проволоки и расчет массы алюминия;

· регистрация времени продувки;

· визуализация процесса доводки на видеокадрах;

· архивация и протоколирование технологического процесса доводки;

· обмен информацией со смежными АСУ ТП «Плавка», «Разливка», экспресс-лабораторией, ОТК и другими существующими локальными системами.

Управляющие:

· регулирование расходом аргона в верхней и донных фурмах по заранее заданным технологическим программам

2.4 Структура и функционирование АСУ ТП УДМ-4

Система управления АСУ ТП УДМ-4 представляет собой двухуровневую автоматизированную систему.

Уровень 1 предназначен для связи с объектом и представляет собой аппаратуру управления, клапаны, приборы КИП.

Уровень 2 - уровень программируемых логических контроллеров.

2.5 Описание комплекса технических средств

Система управления УДМ-4 будет реализована на базе программируемых логических контроллеров Симатик (Simatic) S7 - 300.

В состав комплекса входит промышленный компьютер, контроллер Simatic S7, пульт управления сталевара, измеритель окисленности Селокс (Celox), устройство бесперебойного питания, отсечные и регулирующие клапаны фирмы САМСОН (SAMSON), датчики дифференциального давления фирмы ЙОКОГАВА (YOKOGAVA), отечественные импульсные датчики. Контроллер и системный блок рабочей станции находятся в защищенном шкафу фирмы Риталл (Ritall) в специально выделенном помещении. Пульт оператора, дисплей и клавиатура рабочей станции в защищенном шкафу, Celox находятся на посту управления УДМ-4.

Рабочая станция оператора (РСО) выполнена на базе CPU Card ASUS P4P800 Deluxe, P4 - 2,6 ГГц, 512MB RAM, 40GB HDD, FDD 3,5 FDD 5,2, Video 64MB AGP, сетевой адаптер 3Com 3C905B/C-TX-M. В ее состав входят две сетевых платы Фаст Эзернет (Fast Ethernet) 100mb PCI для связи с контроллером и цеховой сетью. Диалог сталевара обеспечивается стандартными компьютерными средствами: 17'' монитор, клавиатура, “мышь” исполнения IP65 или с помощью пульта оператора. Связь с объектом осуществляется при помощи кросса, расположенного в шкафу контроллера. На кроссе шкафа серверов установлены релейные блоки для развязки дискретных сигналов.

В качестве запорно-регулирующей аппаратуры на трубопроводах аргона применены отсечные и регулирующие клапаны фирмы SAMSON. В качестве датчиков для измерения избыточных давлений и перепадов давлений используются датчики фирмы YOKOGAVA. Для измерения длины алюминиевой проволоки, подаваемой в ковш, применены отечественные импульсные датчики.

2.6 Описание программного обеспечения АСУ ТП УДМ-4

Программное обеспечение системы функционирует в двухмашинном комплексе:

· контроллера S7-300;

· ПЭВМ РСО.

В системе предусмотрены следующие режимы функционирования: автоматический, дистанционный и местный.

Автоматический режим

Выбор вида продувки, поддержка заданных расходов аргона автоматическое дозирование алюминиевой проволоки, замер температуры металла в стальковше. Оператор может вмешиваться в управление с учётом технологических ограничений, перейдя в дистанционный режим управления.

Дистанционный режим

Управление всеми механизмами УДМ - 4 осуществляется оператором со своего рабочего места.

Местный режим.

Пуск и останов верней фурмы, подключение нижней продувки, замеры температуры и окисленности металла осуществляется с рабочего поста расположенного в непосредственной близости к объекту.

2.6.1 Программное обеспечение РСО

Общие сведения

Комплекс программ работает в среде SCADA системы фирмы SIEMENS - WinCC v.5.1(Windows Control Center) - это компьютерная система человеко-машинного интерфейса, работающая под управлением операционных систем Windows 95/98/NT/2000. Рекомендуется установить операционную систему Windows 2000 SP4.

Конфигурацию системы и сбор информации осуществить с помощью программных средств пакета WinCC v. 5.1.

В ядре системы для хранения архивов и конфигурации проекта используется стандартная база данных Sybase SQL Anywhere.

Описание комплекса программ

Программы делятся на следующие подсистемы по своему функциональному назначению:

· связь с контроллерами S7-300;

· визуализация параметров, допусковый контроль и аварийная сигнализация состояния основных параметров техпроцесса, диалог с оператором на посту;

· связь с верхним уровнем;

· вспомогательные программы для отладки, контроля и тестирования.

В данной системе необходимо предусмотреть использование дополнительного пакета программного обеспечения WinCC Explorer - WinCC/Server, который обеспечивает поддержку операций клиент - сервер в рамках одного проекта. Для Windows 2000/NT Workstation - до 2-х клиентов, для Windows 2000/NT Server - до 16 клиентов.

Подсистема связи с контроллерами S7-300.

Структура программных средств включает в себя следующие компоненты:

· общая область памяти (“s7mem”);

· “s7man” - сервер общей области “s7mem”;

· “s7master” - программа связи с контроллерами;

· “s72udm” - программа обработки данных принятых с контроллеров;

· “wrdb” - программа записи в базу данных параметров продувки и других технологических операций;

· “partest” - программа для просмотра данных принятых с котроллеров.

Структура общей области.

struct S7Master{

char blok_read[MAX_SLAVE][MAX_BLOK][MAX_DATA_LEN];

//данные, прочитанные из контроллеров

char blok_write[MAX_SLAVE][MAX_BLOK][MAX_DATA_LEN];

//данные для записи в контроллеры

union UDM udm[3];

// Обработанные данные};

Алгоритм работы подсистемы.

Конфигурация сети контроллеров фиксированная.

Программа “s7master” осуществляет обмен данными с контроллерами. Данные из контроллеров записываются в массив “blok_read”. В контроллер передаются данные из массива “blok_write”.

Программа “s72udm” данные из массива “blok_read” переписывает в структуру UDM_DP с необходимыми преобразованиями.

union UDM {

struct UDM_DP udm_dp;

char ch[400]; };

struct UDM_DP{

float P_ArMg; // давление аргона в магистрали

float P_ArPr; // давление аргона на продувку

float P_ArF; // давление аргона на фурме

float P_ArD1; // давление аргона на 1 донной фурме

float P_ArD2; // давление аргона на 2 донной фурме

float P_ArD; // давление аргона на донную продувку

float dP_ArPr; //

float dP_ArD1; //

float dP_ArD2; //

float TAr; // температура аргона

float Q_ArPr; // расход аргона на продувку

float Q_ArD1; // расход аргона на 1 донной фурме

float Q_ArD2; // расход аргона на 2 донной фурме

float QZ_ArPr; // задание на расход аргона на продувку

float QZ_ArD1; // задание на расход аргона на 1 донную фурму

float QZ_ArD2; // задание на расход аргона на 2 донную фурму

long Klap; // состояние клапанов

char countT; //

short T; // температура металла

struct Plavka plavka;

// описание плавки (номер, время начала доводки, время окончания

доводки)

struct DIAGN_S7 diagn_dp; // диагностика связи с контроллерами

short Alarm; // аварии};

Состояние клапанов:

· бит 0 - отсечной клапан 1 донная фурма (1 - открыт);

· бит 1 - отсечной клапан 1 донная фурма байпас;

· бит 2 - отсечной клапан 2 донная фурма;

· бит 3 - отсечной клапан 2 донная фурма байпас;

· бит 4 - отсечной клапан продувка аргоном;

Аварии:

· бит 0 - авария связи с контроллером;

Программа “s7man” инициализирует общую область памяти “s7mem” и служит сервером для программ клиентов для доступа к общей области “s7mem”.

Программа “wrdb” запоминает в базе данных:

· замеры температуры;

· начало и конец обработки ковша;

· начало, конец и параметры продувки;

· длина и вес отгруженной алюминиевой проволоки.

Запуск программ.

S7man

S72udm [-t]

// -t - период запуска.

wrdb [-t]

// -t - период запуска.

Программы “s7man”, “s72udm” и “wrdb” запускаются при старте системы и, работая постоянно, обеспечивают правильное функционирование подсистемы.

Программы связи с АСУ

Структура программных средств включает в себя следующие компоненты:

· общая область памяти (“param”);

· “param_man” - сервер общей области “param”;

· “sock_man” - сервер общей области “param” по протоколу TCP/IP;

· “param” - программа записи данных в общую область;



Структура общей области.

#define MAX_PAR 4000

struct Param{

short par_short[MAX_PAR]; };

Номера параметров описываются в файле “param.h”. Программы “param_man” и “sock_man” для связи с клиентами оперируют короткими целыми аналогично программам на МНЛЗ.

Программы связи с прибором измерения окисленности

Подсистема включает в себя следующие программы:

· “prot” - программа приема сообщений с прибора;

· “celox” - обработка принятых данных и запись в базу.

Программы диалога с оператором на постах управления

Подсистема включает в себя следующие программы:

· “udm_ind” - отображение состояния оборудования на мнемосхеме и диалог с оператором (прием команд оператора и выдача сообщений);

· “him” - отображение данных химанализа проб и замеров температур.

Udm_ind [-t] [-a] [-v]

// -t -период опроса;

// -a -получать данные с сервера;

// -v -работа в режиме просмотра (выдача управляющих команд

запрещена).

Описание логической структуры

Работа системы построена на базе архитектуры "клиент-сервер" и использования разделяемой памяти.

Обмен данными между программами, работающими на одном узле, осуществляется через общую память. Для связи с программами на других узлах сети используются специальные серверы.

Сервер обеспечивает инициализацию именованной общей области и доступ к данным находящимся в ней для программ клиентов. Клиент может быть запущен на любом узле сети.

Логическая структура программно - аппаратных средств АСУ ТП УДМ - 4 представлена на рис.3.1.

Рис. 2.1 Структура программно-аппаратных средств системы УДМ-4

2.6.2 Программное обеспечение контроллера

Общие сведения

Программное обеспечение контроллеров выполнено в системе STEP-7 V5 под управлением Windows. Комплекс программ работает в среде стандартной операционной системы S7-300. Для написания программ использовались языки программирования SCL, LAD, STL (структурированный текст) входящие в пакет программного обеспечения Step 7.

Функциональное назначение

Программное обеспечение контроллера предназначено осуществлять:

· опрос каналов входных сигналов;

· контроль параметров техпроцесса;

· выдачу управляющих воздействий;

· отображение состояния процесса на рабочую станцию оператора;

· выдачу сообщений о нарушениях хода процесса на рабочую станцию оператора.

· измерение и обмен данными с рабочей станцией

· регулирование расходов аргона на донной и верхней продувке

· управление отсечными клапанами

· измерение расхода алюминиевой проволоки.

Структура данных контроллера

Данные в контроллере хранятся во внутренних битах Mi и во внутренних байтах Mbi,словах Mwi,двойных словах Mdi, блоках данных DBi, кроме того, имеются области отображения ввода и вывода.

Внутренние биты Mi используются для хранения промежуточных состояний во время выполнения программы.

Блоки данных DB2, DB3, DB5 используются для обмена данными между контроллером и рабочей станцией.

Ниже представлено описание основных блоков и функций.

Общее описание комплекса программ

Программы делятся на следующие группы по своему функциональному назначению:

· программа главного цикла OB1 осуществляет основную часть вызовов подпрограмм;

· программа прерывания от таймера OB35 используется для запуска регуляторов аргонной продувки;

· программа прерывания от часов реального времени OB10 используется для расчета расхода аргона на продувку

Связь с рабочей станцией оператора осуществляется по сети Ethernet, что обеспечивается операционной системой контроллера без участия каких либо программ пользователя.

Программа организационного блока OB100 (холодный старт)

Этот организационный блок выполняется однократно при включении контроллера. Предназначен для первичной инициализации контроллера, некоторых областей памяти, регуляторов, настроечных коэффициентов в предопределенное состояние.

Программа организационного блока OB1 (главный цикл)

Этот организационный блок выполняется циклически постоянно и в нем обеспечивается запуск всех основных подпрограмм.

В частности:

· MeasureVal() FC21 производит все аналоговые измерения и масштабирование аналоговых переменных;

· FC100 производит измерения импульсных датчиков положения;

· Чтение температуры металла с термопары;

· Опрос кнопок шкафа управления;

· fc30() - вертикальное перемещение аргонной фурмы

· fc31() - управление отсечными клапанами и регуляторами аргона;

· fc32() - горизонтальное перемещение аргонной фурмы;

· fc35() - контроль готовностей;

· fc36() - качание фурмы;

Программа организационного блока OB35 (прерывание таймера)

Этот организационный блок выполняется один раз в секунду и обеспечивает временные метки для запуска программы расчета аргона на продувку.

Формирование блоков данных обмена с рабочей станцией

Обмен информацией с рабочей станцией производится через блоки данных DB2, DB3, DB5. Эти блоки рабочая станция читает из контроллера.

Блок DB9 предназначен для записи информации (команд) поступающих из рабочей станции. В качестве регулятора расхода аргона используются стандартные программы (FC41). Подробнее см. описание библиотек Step7. Все настроечные коэффициенты и переменные могут быть изменены с помощью программатора и программного обеспечения Step7.

2.7 Общий вид видеокадров РСО

Рис. 2.2 Мнемосхема УДМ-4

Рис. 2.3 Общий вид окна параметров расхода аргона (верхняя продувка)

Рис. 2.4 Окно параметров давления аргона

Рис. 2.5 Мнемосхема УДМ-4 с окном выбора типа продувки

2.8 Аппаратная часть системы

В таблице 1 представлена спецификация оборудования используемого в данном проекте. В качестве аппаратных средств была выбрана модульная система Simatic S7-300 фирмы Samsung. Simatic S7-300 - это полноценная цифровая, свободно проектируемая система управления и регулирования. Она пригодна для быстрого регулирования расчета и управления при минимальном времени цикла. Система пригодна для больших и малых установок. В особенности, для всех видов приводов с изменяющимся числом оборотов, для приводов постоянного тока, для приводов трехфазного тока, для логических, регулировочных и расчетных задач. В системе базовой автоматизации Simatic S7-300 является всесторонней регулирующей системой с большими возможностями и с высоким сервисом обслуживания.

Таблица 1

Спецификация оборудования

Наименование и технические характеристики материалов	Тип, марка оборудования	Единица измерения	Количество
Клапан регулирующий Samson Dу=25 Pу=16/40 кгс/см2;	241-1	шт.	3
Датчик избыточного давления ф.YOKOGAWA	EJA 530A- DBS7N-03DF	шт.	6
Профильная шина DIN 530мм.	6ES7 390-1AF30-0AA0	шт.	1
Модуль процессора CPU315-2DP, RAM 64kB, PROFIBUS	6ES7 315-2AG10-0AB0	шт.	1
Коммуникационный процессор CP343-1, Ethernet	6GK7 343-1EX11-0XE0	шт.	1
Скоростной счетчик FM350-1	6ES7 350-1AH03-0AE0	шт.	2
Модуль ввода дискретных сигналов SM321, 32 входа	6ES7 321-1BL00-0AA0	шт.	1
Модуль вывода дискретных сигналов SM322, 32 выхода	6ES7 322-1BL00-0AA0	шт.	1
Модуль ввода аналоговых сигналов SM331, 8 входов	6ES7 331-1KF00-0AB0	шт.	2
Модуль вывода аналоговых сигналов SM332, 4 выхода	6ES7 332-7ND01-0AB0	шт.	1
Блок питания PS 307, 230VAC, 24VDC, 10A	6ES7 307-1KA00-0AA0	шт.	1
Микро карта памяти ММС, 3B NFash, 8Mбайт	6ES7 953-8LP10-0AA0	шт.	1
ПЭВМ оператора		шт.	1

В системе используется модуль процессора CPU315-2DP, RAM 64kB, PROFIBUS. CPU 315-2 DP способен выполнять программы среднего и большого объема и оснащен встроенным интерфейсом PROFIBUS DP. Он находит применение в системах, оснащенных не только локальной, но и распределенной системой ввода-вывода.

В сети PROFIBUS DP CPU 315-2DP способен выполнять функции ведущего или ведомого устройства.

Помимо STEP 7 для программирования CPU 315-2DP могут оптимально использоваться инструментальные средства проектирования:

· S7-SCL

· S7-GRAPH

CPU 315-2DP является идеальной платформой для решения технологических задач:

· Управление движением с помощью пакета Easy Motion Cotrol

· Построение систем регулирования на основе модулей STEP 7 или программноего обеспечения Runtime Standard-/Modular PID Control

Расширенная диагностика процесса может создаваться на основе пакета SIMATIC S7-PDIAG.

PU 315-2DP характеризуется следующими показателями:

· Микропроцессор: около 100нс на выполнение логической инструкции с битами, 4мкс на выполнение арифметической операции с плавающей запятой.

· Запоминающее устройство: скоростное RAM емкостью 128Кбайт (примерно 43 K инструкций) для выполнения программы; микро карта памяти (до 8 Мбайт), выполняющая функции загружаемой памяти и позволяющая сохранять все данные проекта, включая символьные переменные и комментарии к программе.

· Гибкое расширение: подключение до 32 модулей S7-300, (4-рядная конфигурация).

· Встроенный MPI интерфейс: позволяет устанавливать одновременно до 16 соединений с программируемыми контроллерами S7-300/ S7-400/ C7/ WinAC или с программаторами, компьютерами, панелями оператора. Одно соединение зарезервировано для связи с программатором или панелью оператора. MPI может быть использован для построения простейшей сети с подключением до 16 центральных процессоров и поддержкой механизма передачи глобальных данных.

· Встроенный интерфейс ведущего/ ведомого устройства PROFIBUS DP с полной поддержкой функций PROFIBUS DP V1. Построение распределенных структур ввода-вывода. Единые процедуры обслуживания каналов локальной и распределенной систем ввода-вывода.

· Парольная защита: обеспечивает защиту программы от несанкционированного доступа.

· Диагностический буфер: используется для хранения 100 последних сообщений об отказах и прерываниях. Содержимое буфера используется для анализа причин, вызвавших остановку центрального процессора.

· Необслуживаемая защита данных: при перебоях в питании все реманентные данные автоматически записываются центральным процессором в микро карту памяти.

Встроенные коммуникационные функции:

- PG/OP-функции связи.

- Стандартные функции S7-связи.

- S7- функции связи (только сервер).

Блок скоростного счетчика FM350-1 является интеллектуальным 1-канальным модулем счета. Он может быть использован в составе программируемых контроллеров SIMATIC S7-300 и станций распределенного ввода-вывода SIMATIC ET 200M.

Модуль обеспечивает возможность:

Непосредственного подключения инкрементальных датчиков позиционирования.

Непосредственного подключения сигналов управления (фотоэлектронных барьеров и т.д.) через встроенные дискретные входы.

Выполнения функций сравнения с формированием выходных дискретных сигналов через встроенные дискретные выходы.

Подключаемые датчики получают питание от модуля.

Блок ввода дискретных сигналов SM321 предназначен для преобразования входных дискретных сигналов контроллера в его внутренние логические сигналы. Модуль может работать с контактными датчиками, а также бесконтактными датчиками BERO, подключаемыми по 2-проводным схемам.

Модуль вывода дискретных сигналов SM322 выполняет преобразование внутренних логических сигналов контроллера в его выходные дискретные сигналы. Модуль способен управлять задвижками, магнитными пускателями, сигнальными лампами и т.д.

Модуль ввода аналоговых сигналов SM331 применяемый в системе SIMATIC PCS7 является специальным модулем с повышенной точностью для измерения тока, напряжения или температуры.

Отдельные каналы модуля могут быть соответственно запараметрированы группами независимо друг от друга.

Модуль вывода аналоговых сигналов SM332 предназначен для цифро-аналогового преобразования внутренних цифровых величин контроллера S7-300 в его выходные аналоговые сигналы.

Модуль характеризуются следующими показателями:

Разрешающая способность от 12 до 15 бит.

Выходные сигналы напряжения и силы тока: выбор вида аналогового сигнала производится программным способом для каждого выходного канала.

Поддержка прерываний: при возникновении ошибок модули способны формировать прерывания для центрального процессора.

Диагностика: модули способны пересылать в центральный процессор большое количество диагностической информации.

Датчик избыточного давления EJX510A содержит монокристаллический кремниевый резонансный чувствительный элемент и может быть использован для измерения давления жидкости, газа, пара. Его выходной сигнал 4-20 мА постоянного тока соответствует величине измеряемого давления. Датчик обеспечивает быстрый отклик, позволяющий осуществлять дистанционный контроль и установку параметров посредством цифровой связи с BRAIN или HART - коммуникатором, располагает функцией самодиагностики и дополнительным выходом состояния для сигнализации по верхнему/нижнему пределу давления.

Основные характеристики:

· Погрешность измерений +/- 0,01% от шкалы

· Пределы измерения

Капсула	Диапазон измерения, МПа	Диапазон перенастройки шкалы, МПа
А	-100…200 кПа	0…8 / 0…200 кПа
В	-0,1…2	0…0,04 / 0…2
C	-0,1…10	0…0,2 / 0…10
D	-0,1…50	0…1 / 0…50

Допускается полное смещение (подстройка) нуля в пределах диапазона измерения капсулы.

Выходной сигнал 4-20мА с функцией цифровой связи по протоколу BRAIN или HART, Foundation Fieldbus.

Максимальное рабочее давление:

· капсула А: 200,0 кПа

· капсула B: 2 МПа

· капсула C: 10 МПа

· капсула D: 50 МПа

Диапазон допустимых температур

· Измеряемой среды: -40…120°С

· Окружающей среды: -40…85°С (с индикатором -30…80°С)

Конструктивное исполнение

· пылевлагозащищенное (IP67)

· искробезопасное (EExiaIICT4)

· взрывонепроницаемое (EExdIICT6)

Пневматический регулирующий клапан Samson с функцией безопасности тип 241-1 выполняет функции отсечного клапана от превышения предельной температуры или давления в теплотехнических установках. Состоит из клапана тип 241, пневматического исполнительного привода тип 3271-5, позиционера тип 4763, датчика аналогового положения тип 4748. Основные характеристики:

Клапан регулирующий Samson Dу=25 Pу=16/40 кгс/см2;

· фланцевое подсоединение;

· корпус с изолированной частью (короткий, стандартный);

· металлическое уплотнение (IV);

· соединит.часть, изолированная часть - коррозионостойкая кованая сталь WIN 1.4571;

· без делителя потока;

· положение безопасности - нормально закрыт "НЗ";

· коэффициент условной пропускной способности Kv=1.6.

Позиционер Samson 4763:

· Пневмосоединение - NPT 1/4;

· Электрические присоединения - Pg 13.5 черный;

· командный сигнал - 4...20 мА DC;

· присоединение - слева (с манометром);

· направление - (механика-нарастающее, электрика-нарастающее);

Пневмопривод Samson 3271 - 5:

· S мембраны=350 см2;

· Т=35...50С;

· Pупр. (давление)=0.4...2 кгс/см²;

· Pмах=6 кгс/см²;

· номинальный ход штока=90 мм;

· материал штока - WIN 1.4305.

Датчик аналогового положения Samson 4748:

· аналоговый выход 4...20 мА DC

· установка на позиционер 4763

· датчик располагается слева от клапана



3. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ

3.1 Введение

Для эффективной работы АСУТП необходимо наличие достаточно точной математической модели объекта, которая как правило получается в результате обработки экспериментальных или технических данных.

Технические данные установки доводки металла:

- время продувки металла, мин………………………………..6-8;

- предельный расход аргона на продувку, нм/с………………0,2;

- номинальное давление аргона в трубопроводе, атм………..16;

- максимальное давление аргона в трубопроводе, атм……….20

3.2 Расчёт и моделирование контура регулирования расхода аргона на УДМ-4

Контур регулирования расхода аргона на установку доводки металла должен обеспечивать в соответствии с заданием от регулятора определённый расход газа, а также компенсацию возмущений со стороны изменения давления в газовой магистрали. Общая структура модели представлена на рисунке 3.1.

Рис. 3.1 Структурная схема контура регулирования расхода аргона

Система состоит из датчика расхода газа (измерительный преобразователь YOKOGAWA-ДИ, звено №9), регулятора расхода газа (соответствующий модуль ПЛК Simatic S7-300, звенья №1 и №2) и исполнительного устройства (клапан SAMSON, звенья №3, №4 и №5). В данном случае в качестве унифицированных сигналов в системе управления используются сигналы напряжения 0-10 В. Регулятор расхода газа сравнивает задание U_з и выходной сигнал датчиков давления. Выходной управляющий сигнал регулятора расхода газа подаётся на клапан, который в зависимости от уровня сигнала отработает поворот заслонки на определённый угол. Таким образом давление в газовой магистрали Р_г и положение регулирующей заслонки в газовом трубопроводе будут определять расход газа Q_г.

Структурная схема контура регулирования расхода аргона (рисунок 4) состоит из следующих звеньев:

Звено №1 (зона нечувствительности) - моделирует порог чувствительности регулятора газа. Порог чувствительности Н = 0.2, что составляет 2% от максимального уровня входного сигнала задания (U_3max = 10 B).

Звено №2 (ПИ - звено) - моделирует регулятор расхода газа. Для обеспечения астатизма по возмущению (изменению давления в газовой магистрали Р_г) используется ПИ-регулятор. Постоянная времени регулятора принята равной постоянной объекта (=Т_м=0,2 с), а коэффициент рассчитан по формуле:

К_РГ =Т_м / K_o=0,8;

где ;

Т_м = 0,2 с;

В данном звене использовано ограничение выходного сигнала, который теперь может изменяться в диапазоне 0..10 В.

Звено №3 (реле с нечувствительностью) - моделирует работу пускателя. Порог чувствительности Н = 0.1, а выходной параметр К =90/10=9 соответствует скорости перемещения рабочего органа (клапана).

Звено №4 (интегратор) - моделирует переход от скорости перемещения рабочего органа к величине перемещения . Учитывая, что , этот переход моделируется интегратором с ограничением выхода (в данном случае ограничение составляет от 0 до 90⁰). Постоянная интегратора Т = 1.

Звено №5 (безинерционный усилитель) - моделирует аналоговый датчик положения, который осуществляет преобразование параметра X (угол поворота заслонки) в соответствующую силу тока сигнала обратной связи. Датчик промоделирован звеном “безинерционный усилитель”, так как инерционность датчика (Т < 1 с) ничтожно мала по сравнению с инерционностью объекта управления. Величина коэффициента передачи рассчитана по следующей формуле:

К_дп=10/90=0.11

В данном звене также использовано ограничение выходного сигнала, которое составляет от 0⁰ до 90⁰.

Таким образом, с помощью звеньев №3 - 5 моделируется клапан вместе с регулирующей заслонкой. Из модели клапана убрано апериодическое звено с целью упрощения модели.

Давление в газовой магистрали и положение регулирующей заслонки будут определять расход газа . При = 0⁰ заслонка закрыта, а при = 90⁰ заслонка открыта полностью. Известно, что количество подаваемого компрессором газа (подача) пропорционально частоте вращения, а давление в пневмосети пропорционально квадрату частоты вращения. Отсюда следует, что давление и подача (или расход) связаны квадратично, т.е.. Кроме того, расход зависит от положения заслонки . Для простоты примем зависимость линейной. Тогда соотношение для расчета значения расхода газа будет следующим:

,

где - давление газа;

- положение вентиля;

- коэффициент пропорциональности.

Это выражение моделируется с помощью звеньев №6 (множительное устройство), №7 (степенная функция, извлекает корень из давления газа в газовой магистрали ), №8 (безинерционный усилитель с коэффициентом передачи = 0.000556 (расчёт коэффициента приведён выше)).

Звено №9 (безинерционный усилитель) - моделирует датчик расхода (YOKOGAWA-ДИ). Звено осуществляет преобразование значения расхода газа в соответствующий токовый уровень сигнала обратной связи. Величина коэффициента передачи рассчитана по следующей формуле:

К_ДГ =U _max /Q_гmax= 50.

В данном звене также использовано ограничение выходного сигнала, который теперь может принимать значения только в диапазоне от 0 до 10 В.

В результате работы полученной модели контура регулирования расхода подачи аргона на установку доводки металла получили следующие результаты (рисунок 3.2).



Рис. 3.2 Переходные процессы в модели контура регулирования расхода аргона

Моделировалось 3 режима работы контура регулирования расхода аргона с шагом интегрирования 0.1 с. В первом режиме (длительность - 10 с, задание на расход газа - 10В, нагрузка (давление в газовой магистрали) - 16 атм) моделируется отработка максимального расхода аргона на продувку стальковша Q_г = 0.2 м³/с. Во втором режиме (длительность - 10 с, задание на расход газа - 9В, нагрузка (давление в газовой магистрали) - 16 атм) моделируется снижение расхода газа на продувку стальковша до значения Q_г = 0.18 м³/с за счёт снижения задания. В третьем режиме (длительность - 10 с, задание на расход газа - 9В, нагрузка (давление в газовой магистрали) - 20 атм) моделируется отработка возмущения по максимальному давлению в газовой магистрали при постоянном задании на расход газа.

Как видно из полученных результатов (рисунок 3.2) система управления успешно справилась с отработкой заданий, а также смогла компенсировать воздействие возмущений. Небольшая погрешность результатов (в пределах 1 %) обусловлена использованием в модели нелинейных звеньев (в моделях регулятора и клапана используются звенья “зона нечувствительности” и “реле с нечувствительностью”).

4. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

4.1 Введение

Переход народного хозяйства в рыночную экономику требует от предприятий и организаций непрерывной готовности к достижению поставленных и динамически изменяющихся производственных целей.

Эффективность и конкурентоспособность предприятий зависят от множества факторов его внешней и внутренней среды, которые подлежат технико-экономическому анализу.

Повседневная практика свидетельствует о том, что на предприятиях, где к аналитической работе привлекаются непосредственные участники производственного процесса, мобилизуются внутренние резервы производства, значительно улучшается производственная и социальная деятельность коллектива.

Анализ - это расчленение предмета или явления на составные части (признаки, свойства).

Именно такой подход к производственно-хозяйственной деятельности позволяет исследовать экономические явления и процессы в их взаимосвязи и взаимообусловленности.

Экономический анализ - самостоятельная наука, представляющая собой систему специальных знаний по исследованию хозяйственных процессов предприятий и их объединений, складывающихся под воздействием экономических законов.

Главная задача экономического анализа заключается в выявлении возможностей дальнейшего повышения эффективности производства, достижения производственных целей с наилучшими результатами при минимальных затратах.

Важнейшие принципы технико-экономического анализа - создание единой системы учёта, контроля, анализа, использование в качестве источника анализа всей совокупности информации, полученной в системе учёта, познание на основе количественных характеристик качественной природы изучаемых процессов и явлений, конкретность, практическая полезность и оперативность анализа.

Технико-экономический анализ на предприятии носит многосторонний характер и охватывает различные стороны деятельности, в связи, с чем возникают определённые его виды, различающиеся по объектам, субъектам, назначению, периодичности.

Назначение технико-экономического анализа производствено-хозяйственной деятельности весьма широко, его результаты используются для разработки научно обоснованных текущих и перспективных планов и контроля за их выполнением, управления хозяйственной деятельностью и выбора оптимальных управленческих решений, оценки эффективности производственных процессов и выявления внутрипроизводственных резервов и т.д.

При этом по степени охвата объекта анализ может быть сплошным или выборочным, что определяется его задачами и содержанием.

В технико-экономическом анализе в качестве исходных используются данные, полученные по оперативному, статистическому и бухгалтерскому учёту и отчётности, нормативная, плановая и директивная информация.

4.2 Расчёт годового фонда оплаты труда

4.2.1 Расчёт основной заработной платы

Систему УДМ-4 обслуживают 3 человека, имеющие следующие тарифные ставки:

1. Слесарь 6 разряда - 16,1 руб/ч

2. Специалист 1 категории - 22,5 руб/ч

3. Мастер - 34,4 руб/ч

Оплата по тарифу:

Зт = Тср • В,

где З_т - заработная плата одного рабочего в год по тарифу, руб;

Т_ср - среднечасовая тарифная ставка, руб/ч;

В - количество часов работы в год одного рабочего, ч.

Среднечасовую тарифную ставку определяем следующим образом:

Тср = Т•Р₁+Т₂•Р₂+…+Т_п•Р_п/(Р₁+Р₂+…+Р_п),

где Т₁,Т₂,Т₃,…Т_п - часовые тарифные ставки рабочих данного разряда, руб/ч;

Р₁,Р₂,Р₃,…Р_п - количество рабочих имеющих данный разряд.

В=2004 ч;

Зт₁= 16,1•2004=32264,4 руб.

Зт₂= 22,5•2004=45090,0 руб.

Зт₃= 34,4•2004=68937,6 руб.

4.2.2 Расчёт доплаты за особые условия труда

З вред = К • Зт

где Звред - доплата за особые условия труда, руб;

Зт - заработная плата за год по тарифу, руб;

К - коэффициент доплаты за особые условия труда;

К=12% от заработной платы за год по тарифу, руб;

Звред₁= 0,12•32264,4=3871,73 руб.

Звред₁= 0,12•45090,0=5410,80 руб.

Звред₁= 0,12•68937,6=8272,51 руб.



4.2.3 Расчет размера премии

Зпрем = Зт • (Сплан+Стонн)/100

где Зпрем - размер премии, руб;

Зт - заработная плата по тарифу за год, руб;

Сплан - процент премии за выполнение плана, %;

Стонн - процент премии за тоннажность, %;

Сплан=20 % от заработной платы за год по тарифу, руб;

Стонн=12 % от заработной платы за год по тарифу, руб;

Зпрем₁ = 32264,4•(20+12)/100=10324,61 руб.

Зпрем₂ = 45090,0•(20+12)/100=14428,80 руб.