Автоматизация системы управления технологическим процессом высокотемпературного отжига анизотропной стали в печах сопротивления типа СГВ (СГН) ПТС НЛМК

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Развитие современного металлургического производства сопровождается интенсификацией технологических и производственных процессов. Создание крупных металлургических агрегатов и их комплексов позволяет более эффективно использовать сырье, топливо, капиталовложения. Однако осуществлять управление интенсифицированными металлургическими процессами в больших и сложных технологических объектах (ТО) без использования новейших методов и средств управления неэффективно или вообще невозможно.

Наиболее эффективным средством управления ТО являются системы централизованного управления, создаваемые на основе теории управления, использующие экономико-математические методы, вычислительную и управляющую технику. Такие системы управления получили наименование автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП). В эти системы включена большая область систем управления ТО с разной степенью освобождения человека (оператора) от функций контроля, управления и передачи их автоматическим устройствам.

В процессе развития и технического перевооружения черной металлургии осуществляется комплексная механизация и автоматизация всех производственных процессов и операций, создаются полностью автоматизированные металлургические производства, "безлюдные" технологии. АСУ ТП представляют собой качественно новую ступень развития средств и методов управления ТО, так как в них используются технологические и технико-экономические параметры и критерии, а не только технические (физические), как это имело место ранее. В АСУ ТП воплощены достижения локальной автоматики, систем централизованного контроля, электронной и вычислительной техники. Кроме того, АСУ ТП проводят общую централизованную обработку первичной информации в темпе протекания технологического процесса, после чего информация используется не только для управления этим процессом, но и преобразуется в форму, пригодную для использования на вышестоящих уровнях управления для решения оперативных и организационно-экономических задач. Таким образом, АСУ ТП является также источником объективной и своевременной информации для АСУ вышестоящих уровней, как на металлургическом предприятии, так и в отрасли в целом.

Современный металлургический агрегат представляет собой совокупность технологического оборудования и средств управления, образующих автоматизированный технологический комплекс. Автоматизированное технологическое оборудование и сам технологический процесс являются технологическим объектом управления (ОУ). Совокупность средств управления в составе автоматизированного технологического комплекса образует систему управления АСУ ТП. Следовательно, АСУ ТП есть система, реализуемая на базе вычислительной и управляющей техники, обеспечивающая управление ОУ по технологическим и технико-экономическим критериям на основе централизованно обработанной информации, подготавливающая информацию для решения организационно-экономических задач на вышестоящих ступенях управления. Современное листопрокатное производство представляет собой совокупность энергоемких и высокопроизводительных агрегатов, автоматизация и оптимизация режимов работы которых позволяют не только существенно улучшить условия труда технологического персонала, снизить психологическую и физическую нагрузку на него, но и значительно повысить производительность оборудования и качество листового проката. В настоящее время для управления производством применяются многомашинные системы, решающие комплексы задач по управлению производством (планирование и контроль оптимальной загрузки всего цеха, участков, отдельных его агрегатов, сопровождение продукции, сбор и хранение производственно-экономической информации, составление и выдача протоколов и т.п.) и технологическим процессом (расчет оптимальных технологических режимов, их отработка, регулирование технологических параметров в процессе работы, диагностика состояния оборудования и т.п.).

1. СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

1.1 Описание объекта автоматизации

Производство трансформаторной стали (ПТС) специализировано на выпуске проката электротехнической анизотропной стали с электроизоляционным покрытием [1]. Технологическая схема обработки металла на производстве приведена на рис. 1.

Рассмотрим кратко технологический процесс в пределах отделений производства. Поступающий горячекатаный прокат из производства горячего проката (ПГП) складируется на складе входящего металла. Далее металл поступает в травильный комплекс ПТС на линию травления для очистки поверхности полосы от ржавчины и посторонних загрязнений. Затем очищенные рулоны поступают на четырехклетевой стан холодной прокатки ПДС с шириной рабочего валка 1400 мм, где металл прокатывается согласно программы прокатки до толщины 0,75 - 0,8 мм.

Прокатанные рулоны поступают на термические агрегаты ПТС для непрерывного обезуглероживающего отжига полосы, затем на вторую холодную прокатку. Прокатку проводят на реверсивном стане 1200 с шириной рабочего валка 1200 мм и 20-ти валковых станах №№ 2, 3, с критическими обжатиями металла до получения конечной толщины 0,17 0,27, 0,3, 0,35, 0,5 мм.

Прокатанные рулоны поступают на участок нанесения защитного покрытия для обезжиривания, выпрямляющего отжига и нанесения термостойкого покрытия перед высокотемпературным отжигом (ВТО). ВТО проводится в колпаковых печах в нейтральной атмосфере при температуре 1150 0C и служит для восстановления структуры кристаллической решетки и придания металлу ферромагнитных свойств. Отожженные рулоны поступают на агрегаты электроизоляционного покрытия (АЭИП) для окончательной обработки поверхности листа.

Готовые рулоны поступают на агрегаты резки для механической обработки и затем на склад готовой продукции.

Дипломный проект посвящен автоматизации участка высокотемпературного отжига, поэтому рассмотрим подробнее технологический процесс на данном участке. Для отжига электротехнической стали в ПТС используются электрические печи типа СГВ-16.20 и СГН-16.25 (С - печь сопротивления, Г - герметичное колпаковое исполнение, В - используемая среда вакуум, Н - используемая среда водород, 16.20, 16.25 - диаметр и высота рабочего пространства печи в дециметрах). Технические и эксплуатационные характеристики печи приведены в табл. 1 [2].

Таблица 1. Технические и эксплуатационные характеристики печи СГВ (СГН)

Наименование	Единицы измерения	Количество
Установленная мощность нагревателей Первая зона Вторая зона Третья зона	кВт	650
		150
		250
		250
Номинальная температура	0С	1150
Время цикла отжига	час	180195
Номинальное напряжение питающей сети	В	380
Размеры рабочего пространства: диаметр высота длина	мм	1600 2000 (2500) 4880
Масса одного рулона	т	7,2 (7,8)
Количество рулонов	шт.	6
Размеры рулонов: диаметр наружный диаметр внутренний высота	мм	1300 500 1040
Количество стоп	шт.	3
Производительность, не более	т/час	0,2
Расход охлаждающей воды	м3/час	5
Удельный расход электроэнергии	(кВт·ч)/т	857
Расход газа: водород, не более азот, не более	м3/час	60 60
Полный средний ресурс нагревателей	час	3000
Полный средний срок службы электропечи	лет	6

Печь СГВ (СГН) позволяет работать как под вакуумом, так и под давлением с азотно - водородной атмосферой. По технологии, используемой в ПТС, отжиг на печах ВТО проводится в атмосфере электролитического водорода с предварительной проверкой на герметичность вакуумированием.

Печи, как объекты автоматизации, состоят из элементов:

· нагревательный колпак;

· нагревательный стенд;

· вакуумная система;

· газовая система;

· аппаратура КИП и А.

Нагревательный колпак состоит из каркаса, футеровки и нагревателей. Каркас выполнен из листового сортового проката. Кожух колпака выполняется сварным, что обеспечивает его газоплотность. Футеровка колпака выполнена из корундового легковеса марок КЛ-3, КЛ-4, КЛ-6, КЛ-7.

Нижняя часть каркаса заканчивается "ножом", посредством которого колпак опирается на резиновое уплотнение стенда. Уплотнения электрических выводов, свода колпака и рубашек термопар производятся муллитокремнеземистым рулонным материалом.

Нагреватели колпака и стенда выполнены из сплава высокого омического сопротивления марки X23Ю5Т диаметром 10 мм и навешиваются с помощью штырей. Колпак оборудован второй и третьей электрическими зонами, схемы соединения нагревателей - "треугольник". Напряжение на колпак подаётся через разъёмные контактные соединения. Подвижные контакты устанавливаются на колпаке, неподвижные - на стенде.

Стендовый каркас выполнен из листового сортового проката. По периметру каркаса располагается водоохлаждающий желоб, в который укладывается резиновая прокладка для герметичного уплотнения разъёма между колпаком и стендом. Для уплотнения рабочего пространства предусмотрен двойной песочный затвор. Футеровка стенда выполнена из легковесного корунда марки КЛ-1,3 и имеет три опоры из жаропрочной стали. На эти опоры устанавливаются в два яруса шесть рулонов трансформаторной стали для высокотемпературного отжига. Для направления посадки колпака на стенде имеются две направляющие стойки. Стенд оборудован первой электрической зоной, схема соединения нагревателей - “звезда”.

Вакуумная система состоит из вакуумных насосов, вакуумных вентилей, трубопроводов. Включение вакуумных насосов осуществляется с помощью кнопочных постов, расположенных возле насосов. Контроль за величиной вакуума в печи и проверка герметичности осуществляется по показаниям вакуумметров или мановакуумметров.

Газовая система включает в себя панель подвода и систему отвода водорода и азота. На панели размещены вентили, датчики и исполнительные механизмы регуляторов давления и расхода газов. Управление газовой системой включает в себя регулирование в подколпаковом пространстве электропечи расхода и давления защитной атмосферы, компонентами которой являются водород и азот.

Аппаратура КИП и А представляет собой измерительные преобразователи расхода газов и давления, подсоединённые с помощью импульсных трубок к сужающим устройствам, расположенным на трубопроводах водорода и азота.

Технологический процесс отжига на участке ВТО следующий. После нанесения термостойкого покрытия на агрегатах покрытия, рулоны поступают в термическое отделение, где упаковываются на подготовленную к работе колпаковую печь.

Упаковка рулонов на стенды печей СГВ (СГН) производится в два яруса. Сначала на жаропрочную подставку из хромоникелевой жаропрочной стали устанавливают плоское кольцо из углеродистой стали толщиной 40 мм. На кольцо насыпается равномерный слой молотого талька. На слой талька укладываются два полукольца, изготовленные из трансформаторной стали, прошедшей высокотемпературный отжиг. Затем ставится рулон. Рулоны верхнего ряда устанавливают аналогично.

В ПТС применяются два температурных режима отжига [3, 4]:

- Режим №1 для стали толщиной 0,27 мм:

· нагрев с произвольной скоростью до 400 0С;

· нагрев со скоростью не более 25 0С в час от 400 0С до 600 0С;

· выдержка 10 часов при 600 0С;

· нагрев со скоростью не более 25 0С в час от 600 0С до 950 0С;

· нагрев со скоростью 25 0С в 2 часа от 950 0С до 1150 0С;

· выдержка 30 часов при температуре 1150 0С;

· охлаждение под колпаком с произвольной скоростью до температуры 220 0С по отстающей зоне.

- Режим №2 для стали толщиной 0,30 мм, 0,35 мм, 0,50 мм:

· нагрев с произвольной скоростью до 400 0С;

· нагрев со скоростью не более 25 0С в час от 400 0С до 600 0С;

· выдержка 10 часов при 600 0С;

· нагрев со скоростью не более 25 0С в час от 600 0С до 850 0С;

· нагрев со скоростью 25 0С в 2 часа от 850 0С до 1000 0С;

· нагрев с произвольной скоростью от 1000 0С до 1150 0С;

· выдержка 30 часов при температуре 1150 0С;

· охлаждение под колпаком с произвольной скоростью до температуры 220 0С для металла толщиной 0,30 мм и 150 0С для металла толщиной 0,35 мм и 0,50 мм по отстающей зоне.

Перед пуском печь продувается азотом. Затем включаются нагреватели и производится высокотемпературный отжиг до температуры 1150 0С. При температуре 400 0C в печь осуществляется подача водорода. В процессе отжига при нагреве до 1000 0С состав атмосферы поддерживается согласно табл. 2, а расход атмосферы - в пределах 3050 м3/ч. При нагреве от 1000 0С до 1150 0С и выдержке при данной температуре производится плавный переход на 100 % водород и уменьшение суммарного расхода атмосферы до 2030 м3/ч. Охлаждение также производится в атмосфере водорода. При данных режимах избыточное давление атмосферы в печи, которое должно составлять не менее 100 Па, задаётся автоматически прикрытием выходной заслонки, либо вручную прикрытием основной свечи.

Таблица 2. Состав рабочей атмосферы при отжиге.

Толщина металла, мм	Содержание водорода, %	Содержание азота, %
0,27	40 - 60	60 - 40
0,30	60 -80	40 - 20
0,350,5	100	-

После охлаждения, с печи мостовым краном снимают колпак и рулоны. Отожженный металл складируется на склад для дальнейшего охлаждения и передачи на следующий передел.

Участок ВТО ПТС включает 76 печей типа СГВ-16.20 и 24 печи типа СГН-16.25. Все печи по зонам обслуживания распределены на четыре участка. Управляющая аппаратура тепловым и газовым режимами печей смонтирована на тепловых щитах и пультах, расположенных в контрольно-распределительных постах (КРП). Количество печей по каждому КРП следующее:

§ КРП-1 - 34 печи типа СГВ-16.20;

§ КРП-2 - 24 печи типа СГВ-16.20;

§ КРП-3 - 18 печей типа СГВ-16.20;

§ КРП-4 - 24 печи типа СГН-16.25.

1.2 Обоснование необходимой автоматизации объекта

Процесс создания автоматизированной системы управления (АСУ) представляет собой совокупность упорядоченных во времени, взаимосвязанных, объединённых в стадии и этапы работ, выполнение которых необходимо и достаточно для создания АСУ, соответствующей заданным требованиям [2]. Техническое обследование объекта и обоснование необходимости его автоматизации являются первым этапом создания АСУ. На данном этапе необходимо провести сбор данных об объекте автоматизации и осуществляемых им видах деятельности, оценку качества функционирования объекта, выявление проблем, решение которых возможно средствами автоматизации и технико-экономическую оценку целесообразности создания АСУ.

В технологии производства анизотропной электротехнической стали (АЭС) высокотемпературный отжиг в колпаковых печах является последней технологической операцией, оказывающей влияние на качество готовой стали, как в части магнитных свойств, так и в части достижения требуемого качества поверхности.

В настоящее время основной объем АЭС отжигается в колпаковых печах типа СГВ (СГН) в атмосфере сухого электролитического водорода, а также водорода, получаемого методом реформинга природного газа. Существующая конструкция газовой разводки не позволяет одновременно подавать в печи азот и водород. Управление отжигом электротехнической анизотропной стали в колпаковых печах ВТО производится следующим образом:

- 68 печей управляются локальными системами управления, введенными в эксплуатацию в 1979 г. Приборы многоканального регулирования КС-4 с дискретными выходами на релейный блок осуществляют управление температурным режимом. Управление газовым режимом осуществляется в ручном режиме воздействием на исполнительные механизмы типа МЭО (механизм электрический однооборотный);

- 24 печи управляются с использованием автоматизированной системы управления, введённой в эксплуатацию в 1991 г. Функциями системы управления являются управление температурным и газовым режимами согласно заданному графику отжига. Система управления реализована на двух вычислительных терминалах связи с объектом ТВСО СМ-1634 и восьми многоканальных измерительных преобразователях Ш-711. Аналоговые сигналы с термопар и датчиков расхода и давления поступают в многоканальный измерительный преобразователь Ш711. Обработанные и преобразованные сигналы поступают в вычислительный комплекс ТВСО СМ-1634, который в соответствии с программой отжига осуществляет дистанционное управление нагревателями через промежуточные реле и управление газовыми заслонками воздействием на исполнительные механизмы (МЭО). Визуализация процесса высокотемпературного отжига осуществляется на экране дисплеев и мониторов персональных компьютеров, подключенных к вычислительному комплексу ТВСО СМ-1634;

- Автоматизированная система управления опытного блока из 8-ми колпаковых печей построена на базе программируемых контроллеров ЭК-2000 и введена в эксплуатацию в 1996 г. Этот участок предназначен для проведения экспериментальных отжигов, для отладки новых режимов. Программируемые контроллеры осуществляют дистанционное управление нагревателями через промежуточные реле. Регулирование газового режима отжига осуществляется выдачей управляющих воздействий на исполнительные механизмы (МЭО), которые связаны с заслонками типа ЗМС-35 (заслонка малого сопротивления) с помощью системы тяг. На данном блоке из 8 стендов колпаковых печей газовая разводка модернизирована. Это позволяет вести отжиг с изменением процентного содержания водорода и азота и дает положительные результаты по выходу высших марок (3408-3409) и качеству поверхности АЭС.

Структурная схема существующей системы управления приведена на рис. 3. Опыт эксплуатации этих систем, контролирующих датчиков и исполнительных механизмов позволил выявить их многочисленные недостатки:

- используемые исполнительные механизмы типа МЭО с приводом заслонок ЗМС-35 не позволяют обеспечить плавное регулирование подачи газа в печь, существенными недостатками эксплуатации заслонок данного типа являются: недозакрытие газового тракта и заклинивание;

- используемые в управлении газовым режимом датчики расхода и давления “САПФИР-22Д” имеют низкий уровень выходного сигнала (0-5 mA), обладают дрейфом нуля, содержат дополнительный модуль в составе расходомера (блок извлечения корня) и в результате, высокую погрешность;

- приборы КИП и А контроля и учета температуры и расхода газа, кабельно-проводниковая арматура эксплуатируются более тридцати лет, физически и морально устарели;

- техническое несовершенство запорных вентилей с электромагнитным приводом ЭВ-3, работающих в цепях блокировки подачи водорода и азота, не позволяет гибко осуществлять управление газовым режимом и не позволяет обеспечить безопасную работу водородных печей в аварийных ситуациях;

- отсутствует ручное управление газовым режимом отжига, что приводит, в случае выхода вычислительного комплекса из строя, к неработоспособности этого блока печей на длительное время;

- используемые вычислительные комплексы эксплуатируются без резерва модулей центрального процессора, запасные части отсутствуют и сняты с производства;

- отсутствует контроль исправности нагревательных элементов печи, выход из строя одного из них в процессе работы делает невозможным контроль и поддержание заданных технологических параметров отжига;



Вышеперечисленные недостатки свидетельствуют о том, что замена только одной локальной системы управления отжигом не даст необходимого положительного результата, т. к. 92% колпаковых печей нуждаются в замене системы управления отжигом.

На данный момент состояние измерительных датчиков, регулирующей, запорной аппаратуры, кабельно-проводниковой продукции требует комплексного подхода к замене системы управления технологическим процессом высокотемпературного отжига и только масштабно-интегрированная автоматизированная система управления отжигом позволит обеспечить качественную работу всех печей ВТО и чёткое соблюдение технологии. Это позволит повысить выход высших марок и использовать преимущества автоматизированного управления отжигом для гибкости и рациональности проведения технологического процесса.

1.3 Разработка АСУ ВТО

1.3.1 Цели и критерии эффективности создания САУ

Для устранения недостатков существующих систем управления ВТО необходимо создание новой единой автоматизированной системы управления, которая должна не только устранить их недостатки, но и повысить эффективность решения основных производственных задач:

- улучшение качества выпускаемой продукции;

- расширение сортамента выпускаемого проката;

- снижение расхода материальных и энергетических ресурсов;

- сокращение трудовых ресурсов, обслуживающих ВТО;

- замена изношенного оборудования;

- оптимизация проведения ремонтов;

- улучшение информативности, контроля, управления технологическим процессом ВТО в колпаковых печах и диагностики работоспособности оборудования.

Внедрение автоматизированной системы управления ВТО преследует основные технические цели и задачи:

· обеспечение возможности гибкого управления температурным и газовым режимами отжига;

· обеспечение возможности контроля и управления нагрузками силовых групповых трансформаторов питания печей;

· обеспечение контроля соответствия фактических параметров отжига заданным параметрам;

· обеспечение контроля взрывозащищённости стендов;

· обеспечение возможности коррекции по скорости температурного и газового режимов;

· обеспечение возможности контроля процесса отжига с любой рабочей станции локальной сети цеха;

· обеспечение возможности отображения процесса отжига на экране монитора и дистанционного контроля;

· обеспечение возможности контроля состояния нагревательных элементов стендов и колпаков, их параметров и режимов работы;

· обеспечение возможности графического представления изменений параметров печной атмосферы и температуры во время отжига от требуемых.

Основные экономические цели и задачи внедрения АСУ ВТО:

· внедрение АСУ ВТО позволит отказаться от использования огромного числа вторичных регистрирующих и показывающих приборов, процедур их обслуживания, ремонта и поверки, сократить численность обслуживаемого технологического персонала и, следовательно, сократить время ремонтных интервалов;

· обеспечение возможности ведения архивов отжига с возможностью статистической обработки данных и хранения информации по садкам в корреляционных целях для анализа работы комплекса и создания гибких технологических графиков и планов работы ВТО;

· обеспечение возможности представлять полные статистические данные отжига по экономической калькуляции (расход электроэнергии, газа, регистрация технологических отклонений и нарушений и т.д.) в автоматизированную систему энергоучета ПТС и систему планирования выпуска продукции дирекции главного инженера;

Реализация перечисленных целей и задач позволит организовать на выкотехнологичном уровне производство выпускаемого ПТС проката и повысить его конкурентоспособность на внешнем и внутреннем рынках.

1.3.2 Требования, предъявляемые к техническому обеспечению вычислительной системы

Согласно [5] технические средства должны удовлетворять следующим требованиям:

возможность выполнения всех заявленных функций;

наличие в составе развитых средств поддержки;

наличие достаточных возможностей по быстродействию, производительности и объёмам хранимой информации.

Технические средства вычислительного комплекса системы должны быть серийного производства.

На нулевом базовом уровне необходимо использовать датчики. На первом базовом уровне необходимо использовать программируемые контроллеры.

Любой компонент из технических средств системы должен допускать замену его средством аналогичного функционального назначения без каких-либо конструктивных изменений или регулировки в остальных технических средствах системы, кроме случаев, специально оговоренных в технической документации на систему.

В системе должны быть использованы технические средства, соответствующие стандартам [3, 4] для промышленных приборов, средств автоматизации и вычислительной техники по устойчивости к внешним воздействующим факторам, помехоустойчивости, параметрам питания и категории исполнения.

1.3.3 Требования, предъявляемые к программному обеспечению вычислительной системы

Согласно [6] система управления должна обслуживаться операционной средой. Операционная среда является вторым базовым уровнем. Рекомендованной на ОАО “ НЛМК” сегодня в качестве операционной среды является “Windows XP”. Систему второго уровня для визуализации и диагностики (SCADA) рекомендуется реализовывать на базе программного обеспечения “WINCC V5.1SP1” c обеспечением двухсторонней передачи данных СУРБД ORACLE10i. Программное обеспечение должно допускать его функциональную наладку. Структура программного обеспечения должна позволять:

- модернизацию и расширение функций системы,

- автономное функционирование отдельных подсистем, а также их совместную работу в составе всей системы.

В программном обеспечении системы должны быть реализованы меры по защите от ошибок при вводе и обработке информации, обеспечивающие заданное качество выполнения функций системы и защите от несанкционированного доступа.

1.3.4 Требования к информационному обеспечению

Состав, структура, способы и режимы обмена данными в системе должны обеспечить выполнение функций АСУ ТП ВТО и допускать возможность модернизации и развития системы [7].

Информационный обмен между компонентами системы должен осуществляться с применением локальных коммуникационных сетей по шине последовательного обмена.

Технологический процесс сбора, обработки, передачи и представления данных в АСУ ТП ВТО должен обеспечивать:

· необходимую скорость обработки данных для обеспечения необходимой реакции системы на внешние возмущения;

· удобство работы с системой для операторов поста управления;

· минимум ручного ввода данных.

В системе должны быть предусмотрены необходимые меры по контролю и обновлению данных в информационных массивах, восстановлению массивов после отказа каких-либо технических средств системы, а также контролю идентичности одноимённой информации в базе данных ORACLE 10i.

1.3.5 Требования к организационному обеспечению

Структура организационного обеспечения согласно [8] должна обеспечивать:

· непрерывное круглосуточное оперативное обслуживание системы;

· обслуживание и ремонт комплекса технических средств ВТО;

· сопровождение программного обеспечения.

Инструкции по эксплуатации системы должны четко определять действия персонала, необходимые для выполнения каждой автоматизированной функции, во всех режимах функционирования системы. Должны содержать конкретные указания о действиях в случае возникновения аварийной ситуации или нарушения нормальных условий функционирования.

1.4 Разработка общей концепции и алгоритмов работы вычислительной системы

1.4.1 Общие принципы работы вычислительной системы

Проект предполагает замену трех разнородных систем управления отжигом на единую автоматизированную систему управления для 100 печей (рис. 4). АСУ ТП ВТО представляет собой совокупность средств вычислительной техники, коммутационной аппаратуры, пультов управления, приводов исполнительных механизмов и аппаратуры КИП и А. Разрабатываемая структура АСУ исходя из требований (п.1.3.2.) определена как трёхуровневая. Рассмотрим проектируемую структуру комплекса подробнее.

Уровень 0 - базовый уровень непосредственного управления и сбора данных предполагает использование датчиков и исполнительных механизмов (приводов), приведенных в табл. 3.

Уровень 1 - базовый уровень автоматизированного управления и регулирования предполагает применение программируемых логических контроллеров (ПЛК) технологического процесса, приведенных в табл. 4 для сбора, обработки информации и выдачи управляющих воздействий.

Первые два уровня не требуют технологического обслуживания и служат только для сбора, обработки информации и реализации заданий уровня 2. Обслуживание уровня 0 осуществляется службой КИП и А, уровня 1 - службой программной наладки АСУТП в ремонтные интервалы.

Поскольку процесс высокотемпературного отжига предполагает раздельное управление электронагревателями и защитной атмосферой печи, то и структура нулевого и первого уровней АСУ ТП ВТО разделяется на две части:

- комплекс, управляющий температурой печи;

- комплекс, управляющий защитной атмосферой.

Уровень 2 - уровень оперативного технологического персонала, предназначенный для визуализации управления технологическим процессом, сбора информации о его прохождении и контроля состояния оборудования.

На этом уровне находятся:

- четыре сервера агрегатного уровня SCADA системы, расположенных по одному на каждом КРП. Каждый из серверов агрегатного уровня объединяет в себе функции аварийного сервера, сервера архивации, сервера сообщений и сервера обработки информации;

- семь мультиклиентских станций, которые могут контролировать работу всех серверов агрегатного уровня. По своему функциональному назначению мультиклиентские станции делятся следующим образом:

· четыре автоматизированных рабочих места (АРМ) оператора - технолога, располагаемых на каждом КРП;

· АРМ сменного электромеханика;

· АРМ мастера ВТО;

· АРМ мастера КИП и А.

Таблица 3. Перечень датчиков уровня 0.

Контрольно- распределительный пункт	Количество, шт.
	термо-преобразователи	датчики тока	датчики расхода	датчики давления
КРП-1	136	306	68	34
КРП-2	96	216	48	24
КРП-3	72	162	36	18
КРП-4	96	216	48	24



Таблица 4. Перечень контроллеров уровня 1.

Контрольно- распределительный пункт	Количество печей по блокам	Количество трансформаторов на КРП	Количество, шт.
			Газовые контроллеры	Температурные контроллеры
КРП-1	10	8	8	8	4	2	4
КРП-2	8	8	8	-	3	2	3
КРП-3	10	8	-	-	2	2	2
КРП-4	8	8	8	-	3	3	4

На каждом КРП организованы серверные части WINCC® агрегатного уровня. Операторские станции и контроллеры расположены в отдельных помещениях на постах управления. АРМ сменного электромеханика находится в помещении ВЦ ПТС. АРМ мастера КИП и А находится в помещении центральной мастерской участка ПТС. АРМ мастера ВТО находится в помещении старшего мастера термического отделения. Следовательно, второй уровень АСУ ТП ВТО является распределённой многопользовательской и многозадачной системой визуализации и управления технологическим процессом.

Принцип работы вычислительной системы следующий. Система информационного обеспечения АСУ ТП ВТО имеет двухуровневую схему построения. Уровни, по информационному назначению, распределяются следующим образом: первый информационный уровень - уровень локальной автоматики, второй информационный уровень - агрегатный уровень.

Информация, собираемая автоматически от аналоговых датчиков, установленных на объектах управления (трубопроводах, в электрических цепях и внутри печи) поступает на модули локальных ПЛК и проходит в них цифровую обработку. Отработанные задания программами контроллеров выдаются на выходы ПЛК и передаются на исполнительные механизмы (рис. 5).

Одновременно выходная информация с локальных контроллеров поступает на отслеживающие агрегатные серверы для программной обработки и осуществления коррекции технологического процесса отжига. Серверы второго уровня передают текущую обработанную информацию в виде цифровых сигналов, различных экранных форм, экранных отчетов и печатных документов на локальные АРМ.

Рис. 5. Структурная схема вычислительной системы

Таким образом, вычислительный комплекс АСУ ТП ВТО представляет собой распределённую структуру, включающую четыре сервера агрегатного уровня, семь мультиклиентских станций и сеть программируемых контроллеров.

1.4.2 Описание автоматизируемых функций и комплекса решаемых задач

Нулевой уровень автоматизации служит для сбора информации с ОУ датчиками, передачи ее на второй уровень и выполнения команд управления, поступающих от контроллеров первого уровня. Реализацию нулевого уровня рассмотрим подробнее.

Система регулирования температуры печи построена на принципе непосредственного управления, т.е. сигналы с датчиков - термопреобразователей подключаются к входам платы аналоговых сигналов на входе контроллера, минуя промежуточные преобразования. В новой системе управления на нулевом уровне отсутствуют вторичные приборы и локальные регуляторы КИП и А.Для измерения температуры факела используются хромель - алюмелевые термопреобразователи ТХА-0192К (рис. 6) [9].

Рис. 6. Датчик температуры ТХА-0192К

а) - чувствительный элемент, б) - внешний вид датчика

Технические характеристики датчиков температуры ТХА-0192К:

· диапазон измерения: -40 1100 0C;

· измеряемые среды: газообразные, нейтральные и окислительные среды, инертные газы;

· статическая градуировочная характеристика: «К»;

· класс допуска чувствительного элемента: 2;

· основная погрешность измерения: ±2,7 0С;

· ресурс работы при 1000 0С: 6000 часов;

· материал защитной арматуры: сталь 10Х23Н18;

· длина монтажной части: 500 мм;

· инерционность: 200 c.

Для измерения температуры печной атмосферы используются платинородий - платиновые термопреобразователи ТПП-0192S (рис. 7) [9].

Рис. 7. Датчик температуры ТПП-0192S

а) - чувствительный элемент, б) - внешний вид датчика

Технические характеристики термопреобразователей ТПП-0192S:

· измеряемые среды: газообразные, нейтральные и окислительные среды, инертные газы;

· диапазон измерения: -0 1600 0C;

· статическая гардуировочная характеристика: «S»;

· класс допуска чувствительного элемента: 2;

· основная погрешность измерения: ±2,4 0С;

· ресурс работы при 1000 0С: 10000 часов;

· материал защитной арматуры: корунд КТВП или керамика МРКЦ;

· диаметр электрода: 0,5 мм;

· длина монтажной части: 1000 мм;

· инерционность: 40 с .

Выходные сигналы температурных контроллеров управляют работой контакторов нагревательных элементов. Для управления электрическими нагрузками печи применяем трехфазные элегазовые контакторы ЭКМ1КФ с датчиками тока типа ДТП (датчик тока преобразовательный) [10]. Применение элегазовых контакторов обуславливается взрывоопасными условиями эксплуатации оборудования. На одной печи применяется девять датчиков тока: 3 датчика ДТП-300 для стенда и 6 датчиков ДТП-500 для колпака.

Контактор ЭКМ1КФ имеет технические характеристики:

- Номинальное рабочее напряжение: 0,66 кВ;

- Номинальный ток выключателя: 600 А;

- Оперативный ток: =24В;

- Минимальное число циклов “В - О”: 1000000;

- Габаритные размеры одной фазы: 190х50х40 мм.

Датчик переменного тока ДТП имеет технические характеристики:

- Номинальный ток: 300 (500) А;

- Выходной сигнал: 4 - 20мА;

- Напряжение питания: =24В;

- Нагрузочное сопротивление: не более 1,0кОм;

- Класс точности: 0,5.

Система управления газовым режимом идентична системе управления температурным режимом. Электроприводы заслонок и клапанов установлены непосредственно на трубопроводы и соединяются с дисками затворов, минуя рычажную систему. Измерение расхода и давления атмосферы осуществляется - измерительными преобразователями “Метран-150CD” [11].

Технические характеристики преобразователя “Метран-150CD”:

- Предельно допустимое избыточное давление: 25 МПа;

- Перепад давления: 250 кПа;

- Предел допускаемой основной погрешности: ± 0,075%;

- Выходной сигнал: 4 - 20мА;

- Напряжение питания: 24В;

- Нагрузочное сопротивление: не более 1,0кОм;

- Потребляемая мощность: не более 0,8 В·А;

- Встроенное индикаторное устройство: ЖКИ.

Для реализации команд управления газового контроллера применяются следующие исполнительные механизмы: дисковый затвор для регулирования расхода и давления печной атмосферы и отсечной моторный клапан типа VR80F10NSF93SF (рис. 9) для аварийного перекрытия трубопроводов [12]. Выбор типа, пропускной мощности и исполнения затвора производится на основании расчета нагрузочной характеристики газовой системы и будет рассмотрен в последующих главах.

Отсечной моторный клапан типа VR80F10NSF93SF имеет технические характеристики:

- Материал корпуса: силумин;

- Максимальное входное давление: 1 бар;

- Уплотнение запорной тарели: пербунан;

- Время открытия: 8 с;

- Время закрытия: 0,8 с;

- Напряжение питания: 220±15, 50Hz В;

- Потребляемая мощность открытие/удержание: 90/9 ВА;

- ПВ: 100%.

Во избежание нарушения технологического процесса из-за отказа искусственного интеллекта предусмотрена возможность непосредственного управления механизмами газового режима минуя систему АСУ ТП ВТО. Управление ведётся оператором-технологом с теплового щита на каждом КРП от коммутационной панели ручного управления. Эта мера является обязательной при эксплуатации объектов газового хозяйства и продиктована требованием повышенной безопасности печи и снижением потерь готовой продукции в случае отказа отдельных компонентов системы управления.

Первый уровень автоматизации служит для выполнения локального управления одной или несколькими печами одного КРП. Как уже было сказано ранее, за основу системы управления принят принцип раздельного управления температурным и газовым режимами исключительно исходя из критерия повышенной надёжности АСУ ТП ВТО. Первый уровень АСУ ТП ВТО реализует следующие функции:

- Управление зонами нагрева печи. В соответствии с температурным режимом отжига для данной садки, контроллер рассчитывает продолжительность включения/отключения зон. Значение сигнала термоэлектрического преобразователя каждой зоны считывается с аналогового выхода соответствующим входом модуля ввода аналоговых сигналов температурного контроллера. Управление контакторами нагревателей осуществляется от соответствующих выходов модулей вывода дискретных сигналов;

- Управление расходом водорода. В соответствии с технологической инструкцией, в печах СГВ (СГН) рабочая атмосфера состоит из водорода. На всём протяжении отжига концентрация водорода не изменяется, меняется только расход газа в зависимости от стадии и режима отжига. Данные соответствующего датчика расхода считываются соответствующим входом модуля ввода аналоговых сигналов газового контроллера. Управление заслонкой регулирующей расход водорода осуществляется посредством модулей вывода дискретных сигналов;

- Управление расходом азота. В соответствии с технологической инструкцией, в печах СГВ (СГН) азот подаётся перед началом отжига, для снятия вакуума печи, и в конце отжига, перед снятием колпака. Соответствующие значения расхода газов рассчитываются системой управления индивидуально для каждого газового режима работающей печи. Управление заслонкой регулирующей расход азота осуществляется посредством модулей вывода дискретных сигналов. Также для определенных сортов проката отжиг может проводиться в азотно-водородной атмосфере;

- Управление давлением газов в печном пространстве. В соответствии с технологической инструкцией давление газов в печи поддерживается за счёт управления заслонкой на "выхлопе" печи. Данные соответствующего датчика давления считываются соответствующим входом модуля ввода аналоговых сигналов контроллера. Управление заслонкой, регулирующей давление газов, осуществляется посредством модулей вывода дискретных сигналов;

- Управление загрузкой трансформаторов. Из-за ограничения перегрузочной способности по мощности силовых трансформаторов, питающих силовые цепи нагревателей, необходимо отслеживать загрузку трансформаторов печей. Система управления автоматически рассчитывает циклическую последовательность включения и отключения печей и зон каждой печи, подключенных к каждому силовому трансформатору;

- Регистрация и контроль параметров отжига рулонов. При отжиге необходимо обеспечить контроль следующих параметров: измерение температуры по зонам нагревательной печи, измерение нагрузок нагревателей по каждой фазе, измерение расхода азота и водорода, измерение давления защитной атмосферы в печи, измерение расхода азота и водорода по группам печей.

Разделение АСУ ТП ВТО на четыре независимых подсистемы по числу КРП произведено на первом уровне автоматизации и продиктовано существующей схемой независимого энергоснабжения этих участков, а также существующим разделением термического отделения ПТС на технологические участки. Количество контроллеров каждой подсистемы определяется мощностью процессорного модуля, т.е. количеством обрабатываемых дискретных и аналоговых сигналов. Однако с учетом того, что управление температурным режимом отжига связано с загрузкой силовых трансформаторов, конфигурирование контроллеров должно быть основано на целостности блоков печей, "привязанных" к одному трансформатору.

Наиболее подробное рассмотрение работы аппаратуры первого уровня будет рассмотрено в последующих главах.

Второй уровень автоматизации служит для выполнения агрегатного управления одним КРП и всем комплексом ВТО в целом. Предлагаемая система второго уровня АСУ ТП ВТО на агрегатных серверах реализует следующие функции:

- Визуализация и регистрация информации о готовности печей к работе или сбоях при подготовке. Данная функция выполняется в виде соответствующих сообщений на мониторах АРМ технологов;

- Визуализация и регистрация текущего состояния технологического процесса ВТО. Данная функция выполняется в виде соответствующих сообщений на мониторах АРМ технологов: задание на отжиг, разбиение задания по температурному и газовому режимам, текущее состояние техпроцесса и газового оборудования;

- Выдача предупредительных сигналов и сообщений оператору-технологу в случае обнаружения отклонений технологического процесса или неисправности оборудования. Данная функция выполняется в виде соответствующих световых и звуковых сигналов и соответствующих надписей на мониторах всех АРМ;

- Визуализация текущего состояния технологического процесса на данном КРП в целом. Данная функция выполняется на мониторах всех АРМ в виде видеокадром состояния отделения;

- Формирование аварийных сообщений. Функция выполняется на мониторах всех АРМ в виде видеокадра состояния печей с инициализацией конкретной причины;

- Архивирование диагностических, рабочих, предупредительных и аварийных сообщений. Функция выполняется для: архивирования сообщений системы диагностики контроллеров, архивирования сообщений системы диагностики управляющих программ, архивирования сообщений по классам (рабочие, предупредительные, аварийные), архивирования сообщений об измеренных параметрах, архивирования данных о садке.

- Формирование текущей и отчётной документации. Функция выполняется выдачей информации в печатном виде и архивированием на сервере.

- Взаимодействие с производственным сервером системы слежения третьего уровня. Функция предусматривает оперативную передачу событий, связанных с процессом отжига, передачу фактических технологических данных процесса отжига, привязанных к данному отжигу, а также организацию буфера временного хранения данных на период неработоспособности до четырёх часов сервера третьего уровня;

- Обработка заданий на отжиг. Включает, получение заданий на отжиг с третьего уровня, ручную коррекцию данных задания оператором - технологом, и преобразование задания в набор уставок для управления технологическим процессом.

АРМ операторов - технологов позволяют оперативно вести процесс подготовки и выбора режимов отжига. Наличие системы визуализации технологического процесса позволило полностью отказаться от вторичных показывающих и регистрирующих приборов.

Интерфейс HMI (“человек - машина”) даёт возможность вести контроль технологического процесса АСУ ТП ВТО с любой из четырёх операторских станций.

АРМ мастера КИП и А, мастера ВТО и электромеханика осуществляют только наблюдение процесса отжига и оперативно предоставляют диагностическую информацию о состоянии технических средств и технологического процесса ВТО своим пользователям.

Взаимосвязь между уровнями АСУ показана на схеме совместного функционирования (рис 10). Датчики и механизмы нулевого уровня и контроллеры первого уровня осуществляют информационный обмен посредством дискретных сигналов для релейно-контакторной аппаратуры и аналоговых сигналов преобразователей по проводной связи.

Первый и второй уровни объединены сетью «Modbus Plus» (табл. 5). Реализация сети «Modbus Plus» со стороны модулей процессоров ПЛК посредством PCMCIA карт модели «TSX MBP 100», а со стороны ПК агрегатного сервера SCADA системы WINCC® - картой модели 416NHM30030. Данная плата устанавливается в специальный слот на процессорах или сопроцессорах.

Сеть Modbus Plus является высокоэффективной промышленной локальной сетью, которая может работать с расширенными архитектурами типа «клиент-сервер», обладает высокой скоростью передачи данных (1Мбит/с), простыми и экономическими функциями передачи и несколькими сервисами обработки сообщений. К основным функциям обмена данными между всеми подключенными к сети устройствами относятся:

- функция обмена сообщениями по протоколу Modbus;

- функция глобальной базы данных (сервис совместно используемой таблицы, периодический, управляемый приложением: станция, захватившая маркер, может направить 32 слова 63 другим станциям, подсоединенным к сети).

Таблица 5. Характеристики сети Modbus Plus

Структура	Тип	Промышленная шина
	Физический интерфейс	RS 485
	Способ доступа	Шина с передачей маркера
Передача	Режим	Синхронный протокол HDLC
	Скорость передачи	1Мбит/с
	Среда	Витая пара, волоконно-оптический кабель
Конфигурация	Количество устройств	Не более 64 на 1800м витой пары 32 на сегмент
	Количество адресов	Не более 64 устройств на сегмент
	Длина шины	Не более 450м на сегмент, не более 1800м с 3 повторителями
	Количество сегментов	В каскаде: не более 5 с применением мостов Modbus Plus ВР85
Сервис	Глобальная база данных	- общая база данных 4096 байт - циклический обмен с широковещательной передачей 32 слов
	Одноранговый диалог	Сервисы чтения/записи (объем запросов: 100 регистров на транзакцию)
	Peer Cop	Сервис циклического обмена: 500 слов на станцию при широковещании или «точка-точка»

Структура программного обеспечения АСУ ТП ВТО (рис.10) предполагает использование на различных информационных уровнях свои операционные системы, которые объединяются в единую информационную сеть, используя для этой цели сетевой протокол Ethernet TCP/IP. Для реализации АСУ ТП ВТО используется типовое для ОАО “НЛМК” программное обеспечение:

- OS "Windows 2000" Server;

- OS "Windows 2000 Рrofessional" workstation.

АРМ АСУ ТП ВТО объединены сетью Ethernet посредством двухскоростных сетевых карт модели «Fast Ethernet-3Com-905C-TX-NM-PCI 10/100Мb». Поскольку протяжённость сети Ethernet между АРМ значительная (более сотни метров) и подвержена сильному влиянию электромагнитных полей, то реализация её выполнена волоконно-оптической магистралью.

Ethernet TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol-протокол управления передачей/межсетевой протокол) - коммуникационная сеть использующая для работы протокол управления передачей с расширением RFC 1006, соответствующему 4 уровню модели ISO. RFC 1006 расширяет протокол TCP возможностью передачи блоков данных (сообщений). Передача особенно надежна благодаря автоматическому повторению и дополнительному механизму проверки блоков. Коммуникационный партнер подтверждает прием данных а передающий принимает значение по интерфейсу. Обоснованность выбора сети Ethernet определялась сравнением характеристик существующих сетей на сегодняшний день (табл. 6).

Стандарт Fast Ethernet появился позже стандарта Ethernet - в 1995 году. Его разработка в первую очередь была связана с требованием повышения скорости передачи информации. Однако переход с Ethernet на Fast Ethernet позволяет не только повысить скорость передачи, но и существенно отодвинуть границу перегрузки сети (что обычно гораздо важнее). Поэтому популярность Fast Ethernet постоянно растет.

Вместе с тем надо учитывать, что стандартные сегменты Fast Ethernet имеют свои особенности и недостатки, которые далеко не очевидны, но которые обязательно надо учитывать. Создатели Fast Ethernet сделали все возможное для облегчения перехода на новую скорость, однако, в каком-то смысле Fast Ethernet - это уже другая, новая сеть.

Если сравнивать набор стандартных сегментов Ethernet и Fast Ethernet, то главное отличие - полный отказ в Fast Ethernet от шинных сегментов и коаксиального кабеля. Остаются только сегменты на витой паре и оптоволоконные сегменты.

Стандарт 100BASE-TX определяет сеть с топологией пассивная звезда и использованием сдвоенной витой пары. Однако, в этом случае необходимо применение кабелей с неэкранированными витыми парами (UTP) категории 5 или выше, что связано с требуемой пропускной способностью кабеля. В настоящее время это самый популярный тип сети Fast Ethernet.

Для присоединения кабелей так же, как и в случае 10BASE-T используются 8-контактные разъемы типа RJ-45. Длина кабеля так же не может превышать 100 метров (стандарт, правда, рекомендует ограничиваться длиной сегмента в 90 метров, чтобы иметь 10-процентный запас).Так же используется топология пассивная звезда с концентратором в центре.

Применение оптоволоконного кабеля в сегменте 100BASE-FX позволяет существенно увеличить протяженность сети, а также избавиться от электрических наводок и повысить секретность передаваемой информации.

Аппаратура 100BASE-FX очень близка к аппаратуре 10BASE-FL. Точно так же здесь используется топология пассивная звезда с подключением компьютеров к концентратору с помощью двух разнонаправленных оптоволоконных кабелей.

Максимальная длина кабеля между компьютером и концентратором составляет 412 метров, причем это ограничение определяется не качеством кабеля, а установленными временными соотношениями. Согласно стандарту, применяется мультимодовый или одномодовый кабель с длиной волны света 1,35 мкм. В последнем случае потери мощности сигнала в сегменте (в кабеле и разъемах) не должны превышать 11 дБ. При этом надо учитывать, что потери в кабеле составляют 1--2 дБ на километр длины, а потери в разъеме - от 0,5 до 2 дБ (при условии, что разъем установлен качественно).

Как и в других сегментах Fast Ethernet, в 100BASE-FX предусмотрен контроль целостности сети, для чего в промежутках между сетевыми пакетами по кабелю передается специальный сигнал. Целостность сети индицируется светодиодами "Link".

Используемый метод кодирования - 4В/5В (как и в сегменте 100BASE-TX), что позволяет довольно просто осуществлять сопряжение этих двух сегментов (иногда они даже объединяются в единый стандарт 100BASE-X). Дополнительное кодирование - NRZI.

Функция автоматического определения типа сети (или скорости передачи), предусмотренная стандартом Ethernet, не является обязательной. Однако ее реализация в сетевых адаптерах и концентраторах позволяет существенно облегчить жизнь пользователям сети. Особенно это важно на современном этапе, когда широко применяются как ранняя версия Ethernet со скоростью обмена 10 Мбит/с, так и более поздняя версия Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с.

Таблица 6. Сравнительные характеристики применяемых на сегодняшний день протоколов связи

1.4.3 Разработка общего алгоритма функционирования системы

Механизм работы, порядок операций и их последовательность по подготовке всего комплекса технологического оборудования печи к отжигу, а также запуск отжига, изложены в инструкциях, действующих на ОАО "НЛМК".

Рассмотрим механизм проведения отжига в ВТО [2, 3, 4]. Все необходимые подготовительные операции к пуску в работу, а также особенности пускового режима КТС АСУ ТП ВТО, изложены в соответствующих инструкциях по эксплуатации на отдельные средства и оборудование, разработанных предприятиями-изготовителями. Эти документы имеют очень большой объем информации и по этой причине не могут быть приведены в проекте. Общий механизм функционирования системы в нормальном режиме приведен на рис. 11.