Донецкий Национальный Технический Университет
Мурашов Евгений Александрович

ФКИТА группа АТ-01а

e-mail: falling__angel@mail.ru

Тема магистерской работы:

"Координирующая SCADA-система управления МНЛЗ"

Руководитель:

доц. Суков Сергей Феликсович

Просмотр сайта на украинском языке Просмотр сайта на английском языке Просмотр сайта на русском языке
Автобиография Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальное задание
.
.
Посетить сайт ДонНТУ
Портал магистров ДонНТУ
Поисковая система ДонНТУ

Автореферат

Содержание

Введение

Развитие автоматизации в народном хозяйстве и во всех сферах людской деятельности идет по пути постепенного увеличения комплекса машин и агрегатов, связанных одной или несколькими взаимозависимыми системами управления. В основе любой системы управления лежат информационные процессы, связанные со сбором информации, ее первичной обработкой, передачей на разные уровни системы, хранением, распределением и отображением, а также выполнение команд управления. Создание информационной системы контроля и управления МНЛЗ, позволяет: увеличить производительность установки, повысить выход годного металла, улучшить качество слитка, уменьшить число аварийных режимов работы и повысить работоспособность всего объекта.

Критической точкой системы непрерывной разливки является зона кристаллизатора. Дело в том, что жидкая сталь должна сформировать прочную оболочку, прежде чем она поступит в МНЛЗ. Во время формирования оболочки могут возникнуть такие проблемы, как прилипание к стенке кристаллизатора или возникновение воздушной прослойки, что приводит к прорыву жидкой стали при выходе дефектной части из зоны кристаллизатора. Последствием является остановка производства и дорогостоящие ремонты. С помощью системы прогнозирования прорыва можно избежать этих проблем, так как система своевременно обнаруживает прилипание и воздушные включения, обеспечивая снижение скорости разливки и восстановление дефектной зоны.

Описание технологического объекта

1. Технологическая схема объекта

Технологическая схема объекта представлена на рисунке 1.

рис1 Технологическая схема объекта
Рисунок 1 Технологическая схема объекта

Принцип работы МНЛЗ состоит в следующем:

Сталеразливочный ковш емкостью 140 тонн подается на МНЛЗ. Разлив осуществляется через промежуточный ковш, предварительно разогретый до температуры 1000-1100 градусов цельсия в кристаллизатор. Перед началом разливания в полость кристаллизатора вводится сложенная затравка. Затравка представляет собой пустую коробку, из листовой стали, поперечный разрез которой соответствует профилю кристаллизатора. В начале процесса литья затравка образует дно кристаллизатора. Нижний конец кристаллизатора находиться в роликах тянущей клети. Поступающий металл, затвердевает у стенок кристаллизатора и затравки. При достижении установленного уровня металла в кристаллизаторе, происходит включение тянущей клети, которая вытягивает затравку вместе со слитком, который кристаллизуется. Вышедший из кристаллизатора слиток имеет вязкую, практически жидкую сердцевину, поэтому слиток помещается в зону вторичного охлаждения (ЗВО). Для устранения возможного налипания и обрыва застывшего металла на рабочую поверхность кристаллизатора подается смазка (шлакообразующие смеси), а сам кристаллизатор приводиться в движение. После зоны ЗВО, сляб который остыл по всему параметру, перемещается к газовому резаку. Порезанные слябы принимаются подхватами и передаются на рольганг.

2. Управление МНЛЗ

Система управления МНЛЗ распределена на 6 подсистем управления. Краткая характеристика каждой:

  1. Регулирование уровня металла в промежуточном ковше. Управление сводиться к управле- нию стопором на сталеразливочном ковше.
  2. Регулирование уровня металла в кристаллизаторе и теплового режима кристаллизатора. Для управления охлаждением используется соотношение “ перепад температуры - расход воды”.
  3. Система качания кристаллизатора.
  4. Управление тепловым режимом секций зоны вторичного охлаждения.
  5. Регулирование скорости тянущей клети.
  6. Регулирование расхода газа для системы деления слитка на мерные длины.

Информационные потоки при управлении МНЛЗ

1. Состав задач управления

Состав задач для управления и контроля МНЛЗ разделяется на две группы: информационные задачи и задачи управления.

Задачи управления делятся на задачи управления установкой в нормальном режиме и в аварийном режиме. Управление в нормальном режиме подразумевает: пуск установки, остановка установки, поддержание работы установки в заданном режиме, регулирование параметров, коррекция параметров, прогнозирование ситуаций, управление исполнительными механизмами. Управление в аварийном режиме включает в себя: устранение аварийной ситуации, аварийная остановка, переключение исполнительных механизмов.

Информационные задачи можно разделить на три подгруппы:

  • задачи, которые обеспечивают информацией алгоритмы управления технологической установкой;
  • задачи, которые обеспечивают информацией оператора установки, диспетчера и алгоритмы верхнего уровня системы управления;
  • задачи, которые обеспечивают функционирование комплекса технических средств.

Основные функции управления АСУТП непрерывного литья заготовок:

Управление величинами

Управление процессами
  • пусковым режимом МНЛЗ;
  • режимом вторичного охлаждения слитка;
  • приводом тянущей клети;
  • деления слитка на мерные длины;
  • оптимальным режимом окончания разливки с целью уменьшения отходов.

2. Информационные и управляющие функции

Для управления технологическим процессом непрерывного литья заготовок необходимо предусмотреть возможность переключения режимов управления в зависимости от ситуации, а именно: автоматический режим и ручной режим. При автоматическом режиме ходом процесса управляет промышленный контроллер в соответствии с алгоритмом, который в нем запрограммирован. В ручном режиме процессом управляет оператор с операторского пульта с использованием SCADA - системы. Для управления установкой необходима информация о состоянии объекта. При этом между первым уровнем управления и верхним циркулируют такие потоки информации:

  • температура жидкой стали в сталеразливочном ковше;
  • температура жидкой стали в промежуточном ковше;
  • масса стали в промежуточном ковше;
  • масса стали в сталеразливочном ковше;
  • уровень металла в кристаллизаторе;
  • усилие вытягивания слитка из кристаллизатора;
  • скорость вытягивания слитка;
  • расход и давление охлаждающей воды на кристаллизатор;
  • перепад температур охлаждающей воды на кристаллизаторе;
  • расход технологической смазки на кристаллизаторе;
  • расход и давление воды на секции вторичного охлаждения;
  • температура поверхности слитка.

Рассмотрение существующих SCADA систем

SCADA-система – это система супервизорного управления и сбора информации (Supervisory Control And Data Acquisition). Это совокупность устройств управления и мониторинга, а также способ взаимодействия с технологическим объектом. На сегодняшний день под этим термином понимают набор программных и аппаратных средств, для реализации операторских рабочих мест.

При создании информационной системы объединяются в один функциональный узел большое количество локальных подсистем, которые зачастую имеют различные программные интерфейсы. Это значительно усложняет задачу согласования таких подсистем и уменьшает быстродействие системы в целом. Поэтому целесообразно подсоединение локальных функциональных узлов с одинаковой программной платформой. SCADA – система реализует этот подход, поэтому ее применение в настоящее время повсеместно и актуально. Также разрабатывается аппаратная часть непосредственно для программного пакета, что позволяет создать информационную систему более дешево и с минимальными затратами времени.

На сегодняшнем рынке программного обеспечения представлено большое количество SCADA – систем. Наиболее популярные из них представлены в таблице.

SCADA- системы Фирма производитель Страна
LabVIEW National Instruments США
WinCC Siemens Германия
Trace Mode AdAstra Россия
RSView Rockwell Software Inc США

Любая SCADA – система должна той или иной мерой обеспечивать ряд функциональных возможностей. Перечислим основные возможности и средства, которые присущи всем системам и отличаются только техническими особенностями реализации:

  • Автоматическая разработка, которая дает возможность создания программного обеспечения без реального программирования;
  • Средства сбора первичной информации от устройств нижнего уровня;
  • Средства управления и регистрации сигналов о аварийных ситуациях;
  • Средства хранения информации с возможностью ее последующей обработки;
  • Средства обработки первичной информации;
  • Средства визуализации процессов.

Перечисленные возможности таких систем в значительной степени определяют стоимость и термины создания программного обеспечения, а также сроки окупаемости.

Одним из факторов, который влияет на выбор подобной системы - это программно – аппаратная платформа, на которой реализована SCADA – система. Анализ перечисления таких платформ необходим, потому что от него зависит ответ на вопрос распространения SCADA – систем на существующие численные средства. Это означает, что прикладная программа, разработанная в одной операционной среде, может выполняться в любой другой операционной среде, которая поддерживает данный SCADA – пакет. Значительное большинство SCADA – систем реализованы на платформе Microsoft Windows.

Такая система должна иметь средства сетевой поддержки. Очевидно, что для эффективного функционирования в разной промышленной среде SCADA – система должна обеспечивать высокий уровень сетевого сервиса, то есть она должна поддерживать работу в стандартных сетях (Ethernet, ArcNet) и протоколах (TCP/IP, NETBIOS).

Для проектирования систем автоматизации немаловажны возможности графического интерфейса. В каждой такой системе есть графический объектно–ориентированный редактор с набором анимационных функций.

Одним из факторов определяющих выбор SCADA-системы есть техническая поддержка фирмы производителя. На сегодняшний день ведущие фирмы производители данных систем обеспечивают достаточно разнообразную поддержку своих пользователей. Она состоит в проведении регулярных учебных курсов, обеспечение сервисного обслуживания, организация “горячей” линии и помощь в решении проблем, связанных с индивидуальными требованиями заказчика системы, а также информационная поддержка с помощью глобальной сети Internet.

Самые популярные SCADA – системы владеют перечисленными функциональными возможностями. Технология программирования близка к интуитивному пониманию автоматизируемого процесса, что делает эти продукты легкими в освоении и доступными для широкого круга пользователей. Все системы можно считать открытыми, которые имеют открытый протокол для разработки собственных драйверов. Все они имеют развитую сетевую поддержку, возможность включения Active-X объектов.

Также следует отметить, что построение системы на основе SCADA – пакета резко уменьшает набор необходимых знаний в области классического программирования, позволяя концентрировать усилия по освоению знаний в прикладной области. Таким образом, выбор такой системы производится из критерия качества технической поддержки, качества обучения пользователей и качества дополнительных услуг по освоению и внедрению конечной системы управления.

Выбор SCADA - пакета

К SCADA – системе выдвигаются следующие требования:

  • Качество документации;
  • Техническая поддержка;
  • Масштабность – возможность создания проектов разного масштаба;
  • Открытость систем - возможность согласования данной системы с аппаратурой других фирм производителей;
  • Полная функциональность и надежность;
  • Эффективность системы. Это означает, что функции ввода-вывода, архивирования и визуализации должны иметь необходимую функциональность и скорость;
  • Цена.

Так как актуальной проблемой является разработка АСУТП МНЛЗ на отечественной аппаратной базе, то была выбрана SCADA – система российской фирмы AdAstra Trace Mode. Реализация информационной системы на базе Trace Mode позволяет снизить затраты средств по проектированию, сборке и диагностике системы. Этот пакет отвечает выше перечисленным требованиям и имеет ряд удобных функциональных возможностей.

Выбор топологии и интерфейса сети

Для проектируемой информационной системы необходимо выбрать топологию и интерфейс сети. Так как необходимо получать информацию с любого информационного узла в любой момент времени, то выбрана магистраль с сетью Ethernet. На рисунке 2 представлена структура сети.

рис2 Структура сети
Рисунок 2 Структура сети

Скорость передачи выбранного интерфейса 10 мб/с. Так как работа сети в агрессивной среде, то в качестве соединительных кабелей на нижнем уровне управления выбирается экранированная витая пара. На втором и выше уровнях управления можно применить простую витую пару.

Система прогнозирования прорывов

Самой большой проблемой в кристаллизаторе является прилипание, обусловленное локальным повышенным трения между поверхностью ручья и стенкой кристаллизатора. Оболочка сляба прилипает к медной стенке кристаллизатора и в процессе вытягивания заготовки разрушается, вследствие чего жидкая сталь выливается на стенку. Еще одной причиной прорыва могут стать воздушные прослойки (разрывы) между оболочкой заготовки и стенкой кристаллизатора, которые часто возникают у стенки в разрыве между узкой и широкой частью ручья. Из-за низкой теплопроводности воздуха оболочка охлаждается там недостаточно и остается слишком тонкой. На анимированном рисунке 3 ( разработал магистр ДонНТУ ­ Мурашов Е.А., 15 кадров, 110кб) представлен процесс прорыва жидкого металла на стенку кристаллизатора и соответствующее ему динамика изменения температуры.

рис3 Аварийная ситуация прорыва жидкого металла
Рисунок 3 Аварийная ситуация прорыва жидкого металла

Оценка температурных кривых и прогнозирование прорывов выполняется современным ПЛК, использующим открытую систему визуализации. Термопары измеряют температуры в верхней части кристаллизатора и передают их значения в систему прогнозирования, которая создает температурные кривые как для прилипаний, так и для воздушных включений. Значения температуры и их изменения для каждого датчика служат основой для оценки нечеткой логикой возможности прорыва. Простой интеллектуальный алгоритм обеспечивает при этом очень короткое время реакции системы. В силу того, что система должна выявлять прорывы с высокой степенью надежности, избегая дорогостоящие ложные тревоги, она имеет следующие ограничения:

  • Точное регулирование скорости разливки;
  • Уровень металла в кристаллизаторе;
  • Автоматическое отключение дефектных термопар без влияния на оценку.

Заключение

Проведено ознакомление с объектом управления и спроектирована информационная система контроля и управления МНЛЗ. Для разработанной системы определен состав задач контроля и управления, структура информационных потоков. Проведен анализ существующих SCADA – систем и выбрана Trace Mode, так как она имеет все необходимые функциональные возможности и значительно дешевле в реализации и диагностике чем зарубежные аналоги. Ряду поставленных к ней требований она успешно отвечает. Спроектирована локальная сеть для АСУ ТП МНЛЗ. Топология сети представляет собой магистраль, что более эффективно и надежно, так как опрос датчиков может проводиться в случайные моменты времени. В качестве интерфейса сети выбран Ethernet со скоростью передачи 10 Мб/с. Для разработки программного обеспечения системы необходимо получить математическую модель объекта. После этого будет проведено имитационное моделирование.

Список литературы

  1. Анюхин М.Н., Полюляшный А.С., Новиков О.И., Яршин Ю.В. Журнал "Сталь". Автоматическое поддержание уровня металла в кристаллизаторе МНЛЗ. № 9, 1995 г., стр. 24-25.
  2. Каганов В.Ю. Машина непрерывного литья заготовок. М., 1990 г., 250 стр.
  3. Нисковских В.М., Карлинский С.Е., Беренов А.Д. Машины непрерывного литья слябовых заготовок. М., 1991 г., 271 стр.
  4. Чумаков С.М., Делекторский Б.А., Сорокин А.Н., Евтеев А.П. Журнал "Сталь". Возможности автоматического предупреждения о прорывах на выходе кристаллизатора. № 5, 1998 г., стр. 22-26.
  5. Haers Ir. F., Thornton S.G. The application of mould thermal monitoring in the two-strand slab caster at Sidmar, Belgium// Steelmaking conference proceedings, 1993. p 425-436.

в начало к содержанию

автобиография библиотека ссылки отчет о поиске

индивидуальное задание