Вернуться в библиотеку

ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СКОРОСТЬЮ ВЫТЯГИВАНИЯ СЛИТКА НА МАШИНЕ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ЗАГОТОВОК 

 

Задание

Необходимо разработать систему автоматического регулирования уровня металла в кристаллизаторе машины непрерывного литья заготовок с использованием информационно-вычислительного комплекса.  

Система должна предусматривать переключение с автоматического управления на ручное и обратно, предупреждать аварийные ситуации и иметь в своём составе систему сбора, переработки и выдачи информации.

Необходимо разработать информационное и математическое обеспечение. Для разработки программного обеспечения системы необходимо получить математическую модель кристаллизации заготовки. Определиться с технической базой - согласно требованиям условий эксплуатации в запылённой среде с повышенной влажностью.

Содержание

Введение

Выводы

Перечень ссылок

 

Введение

Металлургическое производство характеризуется высокой степенью концентрации механизмов. Процессы осуществляются с помощью агрегатов большой мощности с разнообразным и сложным оборудованием. Одновременно перерабатываются большие массы сырья; потребляется большое количество топлива и энергии; выпускаются большие объемы готовой продукции и все операции выполняются значительным числом работников разнообразного профессионального состава.

Черная металлургия нуждается в комплексной механизации и автоматизации вследствие больших масштабов производства, а также потому, что многие вспомогательные операции все еще требуют применения тяжелого ручного труда и выполняются в условиях значительных тепловыделений, повышенной запыленности, а в ряде случаев и загазованности воздуха.

В условиях современной экономики автоматизация производственных процессов является одним из главных направлений технического прогресса и сочетается с их усовершенствованием и интенсификацией.

В развитии техники автоматического регулирования производственных процессов черной металлургии осуществляется постепенный переход от регулирования отдельных параметров к связанному регулированию нескольких параметров, а в последние годы − к использованию информационных, вычислительных и управляющих машин.

Установки непрерывной разливки стали работают в стационарном режиме и требуют для поддержания такого режима совершенной си­стемы автоматизированного контроля и регулирования. Отклонения от наилучшего режима разливки, вызываемые различными возмущениями, могут приводить к уменьшению производительности, ухудшению ка­чества металла и возникновению аварийных ситуаций. Системы ав­томатического контроля и регулирования МНЛЗ способствуют уст­ранению возмущений и обеспечивают наиболее рациональный режим разливки и безопасную работу агрегата.

 

1 Постановка задачи 

В работе МНЛЗ можно выделить три режима: гид­равлический, тепловой и энергосиловой.

Наиболее важная задача управления гидрав­лическим режимом состоит в поддержании постоянного уровня металла в кристаллизаторе. Этот уровень в про­цессе разливки должен  находиться  в довольно узких заданных пределах, что обусловлено следующими при­чинами: превышение уровня может привести к переливу металла через верх кристаллизатора; понижение уровня ниже допустимого предела приводит к получению тонкой корочки слитка, ее разрыву и прорыву жидкого металла под кристаллизатором. Значительные колебания уровня металла   нарушают   также   стабильность   охлаждения слитка в кристаллизаторе, изменяют условия кристал­лизации и сказываются на качестве слитка.

Автоматизация процесса наиболее эффективна по каналу регулирования скорости вытягивания слитка, так как управление по температуре металла и перепаду температур охлаждающей во­ды   обладает   большой   инертностью, т. е. изменение контролируемого пара­метра происходит с некоторым запаз­дыванием.  Канал регулирования ско­рости  наименее инерционен и  позво­ляет оперативно влиять  на  сложные физические процессы, протекающие в кристаллизаторе.

Система автоматического управления скоростью вытягивания слитка в припуске МНЛЗ  должна  предупреждать аварийные ситуации, такие как превышение уровня металла в кристаллизаторе выше заданного значения, и как следствие, переливу стали; порыв слитка – при недостаточном охлаждении, при уменьшении уровня металла ниже заданного или  при повышенной скорости вытягивания.

Многие МНЛЗ имеют существенный  недостаток, заключающийся в том, что возможное несоответствие между дей­ствительной подачей металла в кристаллизатор и наперед зада­ваемыми конечной скоростью вытягивания, до которой разгоняются тянущие клети, или выбранным ускорением клетей приводит, как правило, к  переполнению  кристаллизатора.  Это в основном происходит тогда, когда интенсивность подачи металла превышает задавае­мые тянущим клетям скорость или ускорение разгона, или если действительная подача металла в кристаллизатор ниже заданных значений. Это обстоятельство объясняется тем, что вследствие весьма малых сечений кристаллизатора и небольшой его высоты даже незначи­тельное несоответствие между действительной подачей металла в кристаллизатор и параметрами режима разгона клетей приводит к настолько интенсивному движению уровня металла, при ко­тором автоматический регулятор, включаемый в момент оконча­ния разгона клетей, не успевает остановить  уровень в пределах кристаллизатора. Таким образом, в машине возникает аварийная ситуация, при­водящая в большинстве случаев к срыву разливки и выходу МНЛЗ из строя.

Известно, что нарушение условий формирования твердой корочки в кристаллизаторе приводит к увеличению опасности прорыва металла, что в конечном счете, снижает выход годного металла и понижает производительность МНЛЗ.

Для МНЛЗ, работающих в составе высокопроизводительных производственных комплексов, необходимо предусматривать автоматизированную систему управления техно­логическим режимом работы (АСУ МНЛЗ), в состав которой вхо­дят ЭВМ, система сбора, переработки и выдачи информации. Выходной поток, который образуется в результате обработки поступающих в систему данных, разделяется на ряд подпотоков информации, которая поступает на мнемосхемы диспетчера цеха и оператора МНЛЗ.

 

Рисунок 2.1 – Структурная схема информационной системы МНЛЗ

 Различные узлы МНЛЗ содержат автономные системы управления на базе МК отдельными параметрами. В данной же работе рассматривается только система стабилизации уровня в кристаллизаторе путём воздействия на скорость вытягивания слитка. 

Совокупность датчиков, расположенных по технологической оси  слитка с блоками согласования представляют собой устройства сбора и переработки информации. Это датчики, измеряющие уровень металла в кристаллизаторе – Lk, расход охлаждающей воды -  Fk, расход смазки на кристаллизатор Fcм, температура металла после кристаллизатора – Δtк, скорость вытягивания слитка – V. Блок согласования БС предназначен для согласования сигналов, поступающих в МК, по уровню. В МК происходит обработка и передача данных как от первичных устройств в ЭВМ, так и от ЭВМ к устройству управления, которое, в свою очередь, воздействуя на исполнительный орган, стабилизирует процесс вытягивания слитка. Блок АЦП, встроенный в МК, преобразует поступающий аналоговый сигнал от датчиков в цифровую форму.  Адаптер передачи данных согласовывает сигналы между устройствами сбора и переработки информации и ЭВМ. В ЭВМ по определённому алгоритму на основании поступивших данных рассчитывается температурное поле слитка в каждый момент времени и выводится на экран наглядное представление  о процессе кристализации.  Постоянные коэффициенты, характеризующие определённый режим разливки, форму кристаллизатора и марку стали, необходимые для расчёта температурного поля слитка, берутся из базы данных БД.

 

 3 Разработка информационного обеспечения.

  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.

Сигналы от датчиков преобразуются в напряжение и поступают на встроенный  в микроконтроллер АЦП, в котором происходит кодирование измеряемого сигнала в двоичный код. Кодированные сигналы анализируется в МК, и в зависимости от программы (для различных режимов разливки), формируется управляющий сигнал на устройство управления исполнительным механизмом.

 Определение расчётной скорости вытягивания происходит на основании данных, полученных с поста оператора ДСП (дуговой сталеплавильной печи): марка стали, температура и вес металла в сталеразливочном ковше; а также  на основании данных от диспетчера цеха: шифр кристаллизатора, назначение плавки. МК предназначены для обработки информации, сравнения полученных данных о протекании процесса кристаллизации заготовки  со значением, соответствующим текущему условию разливки. Выработка управляющего сигнала может осуществляться, как заданием с пульта диспетчера, так и автоматически. Коррекция скорости вытягивания происходит исходя из условия максимальной производительности МНЛЗ на основании данных  о протекании технологического процесса: уровня металла в кристаллизаторе, расходов смазки и охлаждающей воды на кристаллизатор, температуры металла после кристаллизатора, скорости вытягивания слитка. В ЭВМ происходит обработка данных по  заданному алгоритму математической модели, результатом которой является наглядное представление процесса формирования твёрдой оболочки слитка. Эти значения поступают в базу данных. В БД происходит выбор необходимой скорости вытягивания слитка, поступает в МК, в котором происходит сравнение заданной и фактической скорости. В случае их несоответствия вырабатывается сигнал рассогласования, который направлен непосредственно на стабилизацию скорости вытягивания слитка. В случае превышения (снижения) уровня металла в кристаллизаторе выше (ниже) граничного значения на экран диспетчеру выводится соответствующее сообщение. В случае возникновения аварийной ситуации диспетчеру предлагается возможный вариант её решения.

В базе данных хранятся значения всех коэффициентов, характеризующих свойства различных марок стали, теплопередачу в стенках кристаллизатора,  таблицы расхода воды  – эти данные используются для расчёта математической модели в ЭВМ.

 

 4 Разработка математического обеспечения

Построение системы автоматизированного управления процессом вытягивания слитка необходимо осуществлять с учётом продвижения фронта кристаллизации.

Следовательно, необходимым является исследование зависимости процесса теплопередачи и затвердевания слитка от режимных, конструктивных и технологических параметров. 

Теоретическая основа математической модели - общепринятые уравнения теории теплопереноса.  Задача определения параметров твердожидкой зоны, а также решение вопросов, связанных с формированием заготовки сводится к нахождению температурного поля в затвердевающем слитке и описывается данной зависимостью:

где температура разливки, ˚С;

      скорость разливки, м/мин;

      сечение заготовки, м;

     соответственно теплопроводность [Вт/м˚С], теплоёмкость [кДж/кг˚С] и плотность [кг/м3] определённой марки стали;

     расходы первичной и вторичной охлаждающей воды, м3/с.

        При установившемся режиме разливки процесс теплопередачи можно разделить на несколько этапов (рис.1): передача тепла от жидкого металла к поверхности образовавшейся твёрдой корочки, через корочку слитка, от поверхности слитка к стенке кристаллизатора, через медную стенку кристаллизатора, и от последней к охлаждающей воде. На основании этого составлена следующая система уравнений, каждое из которых определяет плотность теплового потока на соответствующем этапе теплопередачи: где коэффициенты теплоотдачи и теплопроводности выбираются по справочнику.

Рисунок 1 –  Процесс теплопередачи от жидкой сердцевины металла к охлаждающей воде

 

В основу математической модели положено дифференциальное уравнение теплопроводности с учётом скрытой теплоты кристаллизации,  а так же соотношение твёрдой и жидкой фаз. Принимается, что выделение теплоты плавления происходит по линейному закону.

Дифференциальное уравнение теплопроводности:

Для упрощения методики решения задач затвердевания теплоту кристаллизации учитывают введением эффективной теплоёмкости Сэ(Т), величина которой задаётся в интервале температур ликвидус-солидус в виде данной системы:

Для учёта конвективного переноса вводится коэффициент теплопроводности (Т), при этом вводится величина относительного количества твёрдой фазы, равное нулю для жидкой и единице – для полностью затвердевшей части слитка.

Плотность стали определяется в зависимости от температуры и задаётся в виде системы:

Решение этой системы позволяет определить температурное поле непрерывного слитка в любой момент времени от начала формирования оболочки слитка на уровне металла в кристаллизаторе, а также исследовать влияние внешних условий на тепловой режим формирования слитка.

 

Для управления технологическим процессом непрерывного литья заготовок необходимо предусмотреть возможность переключения режимов управления с автоматического режима на ручной и обратно. 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.

SCADA – это система супервизорного управления и сбора информации (Supervisory Control And Data Acquisition), 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.

SCADA-система WinCC фирмы Siemens применяется для визуализации и управления технологическими процессами. 

WinCC представляет собой систему управления и наблюдения класса SCADA с мощными функциями управления автоматизированными процессами. WinCC отличается своей абсолютной открытостью. Она легко взаимодействует со стандартными и пользовательскими программами, в результате чего возникают решения по визуализации, которые точно удовлетворяют практическим требованиям. С помощью WinCC имеется возможность проектировать визуализацию нейтрально не только по отношению к технологии, но и по отношению к отрасли, т.е. объединить в одной системе автоматизацию производства и процессов. Эта  мощная универсальная SCADA-система, предназначенная для работы с контроллерами любых производителей.

      Основные возможности WinCC:

Такая система должна иметь средства сетевой поддержки. Для эффективного функционирования в промышленной среде SCADA – система должна обеспечивать высокий уровень сетевого сервиса, поэтому она поддерживает работу в стандартных сетях (Ethernet, ArcNet) и протоколах (TCP/IP, NETBIOS).

Значительное большинство SCADA – систем реализованы на платформе Microsoft Windows.

Windows 2000 Professional — базовая операционная система для настольных и мобильных компьютеров, способная поддерживать до двух процессоров, самая быстрая клиентская система из семейства Windows.

Windows 2000 Professional наследует традиционные достоинства Windows NT:

Для организации взаимодействия пользователя с базой данных  выбран  достаточно мощный и в то же время относительно легкий для изучения язык MySQL. Который является относительно небольшой и быстрой реляционной СУБД, основанной на традициях Hughes Technologies Mini SQL (mSQL).

Язык MySQL является важным звеном в архитектуре систем управления базами данных, выпускаемых всеми ведущими поставщиками программных продуктов, и служит стратегическим направлением разработок компании Microsoft в области баз данных.

Основные достоинства пакета MySQL:

На рис. 5.1 изображена схема работы  MySQL.

Согласно схеме, в вычислительной системе имеется база данных, в которой хранится важная информация.

Несмотря на то, что чтение данных по-прежнему остается одной из наиболее важных функций MySQL, сейчас этот язык используется для реализации всех функциональных возможностей, которые СУБД предоставляет пользователю, а именно:

Для выполнения различных математических расчетов обработки данных и визуализации результатов используется мощное средство Matlab.

MATLAB содержит инструменты для:

Основные функции:

Большую роль в визуализации решения математических задач играет графическое представление результатов, причем как конечных, так и промежуточных.
       Визуализация постановки задачи в Matlab решается применением приложения Notebook и назначением именам функций достаточно ясных имен (идентификаторов). А визуализация результатов вычислений достигается применением обширных средств графики, в том числе анимационной, а также использованием (там, где это нужно) средств символьной математики.

Для оформления отчётов используется текстовый процессор Microsoft Word - компьютерная программа, используемая для подготовки печатной документации.

          Для измерения уровня металла в кристаллизаторе машин непрерывного литья при разливке открытой нтруей применяется фотоэлектрический датчик уровня жидкого металла.

Техническая характеристика

    Поле зрения, мм, не более
    200
    Точность измерения, мм
    ±2,5
    Расстояние датчика до мениска, мм, не более
    1800
    Угол наклона датчика к вертикали, град, не более
    45
    Электрическое питание:
             напряжение, В   
            потребляемая мощность, Вт
     
    220
    150

    Выход в систему регулирования скорости:
           напряжение, В 

           ток, мА
     
    0-10
    10

 

По сравнению с известными аналогами фотоэлектрический уровнемер сохраняет работоспособность при образовании в кристаллизаторе шлака, закрывающего до 70 % поверхности мениска; не реагирует на изучение струи металла, заполняющей кристаллизатор.
       Расход воды на кристаллизатор измеряется индукционным датчиком расхода жидкости ДРЖИ-50-50, который преобразует объемный расход жидкости в последовательность электрических импульсов, поступающих на вход преобразователя частотного сигнала (микропроцессорного) типа ПЧС1, выполняющего следующие функции:

Линия связи между ДРЖИ и ПЧС1 4-х проводная, длиной до100 м, выполняется обычным неэкранированным кабелем с сечением жил до 1.5 мм2 и наружным диаметром до14 мм.

 Технические характеристики:

    Диапазон измерения расхода:
    ДРЖИ-50-50
    0 - 250 м3/час
    Питающая сеть
    220 В, 50 Гц
    Погрешность измерения объема
    < 0.5%
    Погрешность измерения расхода
    < 0.5%
    Выходные сигналы:
    кодовый цифровой
    по стандарту ИРПС 20 мА
    релейный, с коммутируемой нагрузкой
    переменного тока 220 В,7А
    постоянного тока 24 В,7А

Расход смазки на кристаллизатор измеряется посредством стационарного инфракрасного пирометра MIKRON's QUANTUM II серии MQ3600, который состоит из двух блоков: это измерительный блок и блок питания. Измерительный блок состоит из: инфракрасной оптики, чувствительного элемента и встроенного компьютера. Блок питания может располагаться на значительном расстоянии, обеспечивая питание через кабель. Высокая вязкость, твердые включения, неоднородные смеси и наличие небольших воздушных включений не оказывают значительного влияния на точность и качество измерения.

Особенности:

Датчик MD-36 предназначен для измерения скорости вытягивания слитка. Он передает сигнал на интегратор, который вычисляет скорость транспортируемого материала. Датчик непосредственно подсоединяется к валу электродвигателя или поворотного ролика для точного определения скорости слитка, устраняя проблемы, связанные с его проскальзыванием.

MD-36 преобразует вращательное движение вала в серию импульсов - 36 импульсов на оборот, используя высокоточный сдвоенный оптрон. Датчик скорости, имеющий высокую разрешающую способность, выдает частотный сигнал пропорциональный скорости вала, обеспечивая точное измерение при малой или изменяющейся скорости. Импульсный датчик положения вала предотвращает появление ошибочных сигналов величины скорости вследствие вибрации или колебания вала.

Технические характеристики

Питание

+15 В пост. тока, 25 мА - от интегратора

Вход

вращение вала от 0 до 2 об/мин, в двух направлениях

Выход

понижающий выход с открытым коллектором, макс. 25 мА при 15 В пост.тока. 36 импульсов на оборот от 0 до 2 об/мин = от 0 до 1200Гц

Вход:

Выход 1:1 (отношение токов быстрого и медленного плавдения

 

Преобразователь электрических величин (ток, напряжение, мощность, ...) SIMEAS T предназначен для использования в системах управления. Он выдает стандартный аналоговый сигнал, пропорциональный измеряемой электрической величине.

Для связи с системой базовой автоматизации, технологической базой данных и, при необходимости, непосредственно с датчиками,  исполнительными устройствами и механизмами используется:

1. Сеть Ethernet (Arcnet) (протокол TCP/IP).

2. Последовательное  соединение посредством RS-232);

3.Аналоговый сигнал ±20,±10,±5,0-5, 0-10, 0-20, 0-5в или 0-20, 4-20, 0-5 ma;

Так как необходимо получать информацию с любого информационного узла в любой момент времени, то выбрана магистраль с сетью Ethernet.

Для передачи информации в заводскую вычислительную сеть использовался преобразователь RS232 типа ADAM-4570. Благодаря использованию такого преобразователя была значительно облегчена разработка программного обеспечения для компьютера-концентратора. Существующая автоматика МНЛЗ базируется на контроллерах типа SIMATIC.

 В качестве приводных машин используются синхронные двигатели типа СТМ-1500 и СТД-1600 номинальной мощностью 1,5 МВт и 1,6 МВт соответственно и напряжением статора 6 кВ.

Плавный пуск машин осуществляется от высоковольтного тиристорного преобразователя напряжения типа ПСД-В-200-6к. Выбор запускаемого двигателя обеспечивается специализированными ячейками выбора двигателей типа ЯВД-400-10к на основе вакуумных контакторов.

Применяется естественное охлаждение тиристоров, что также увеличивает надёжность преобразователя при эксплуатации в запылённых и влажных средах.

Основные технические характеристики системы:
Номинальное напряжение силовой питающей сети, В: 6000
Номинальный ток электродвигателя, А: 200
Максимальная кратность пускового тока: 4

Программируемые контроллеры SIMATIC S7-200 предназначены для построения систем автоматического управления и регулирования, как отдельных машин, так и отдельных частей производственного процесса. Основные характеристики программируемых контроллеров SIMATIC S7-200:

Минимальные системные требования для запуска Windows 2000 Professional:

7 Рекомендации по эксплуатации

 Разработанная информационная система предназначена для эксплуатации на заводах и комбинатах с дозаторными МНЛЗ при следующих условиях:

    Температура воздуха:
    - 45oС ... +50oС
    Относительная влажность:
    до 80 % (при 35oС)
    Предельное рабочее давление:
    1.6 МПа
    Степень защиты оболочек приборов:
    IP67, IP54

 

Выводы

В ходе работы проведено ознакомление с объектом управления и спроектирована информационная система контроля и регулирования уровня металла в кристаллизаторе МНЛЗ. Для разработанной системы определен состав задач контроля и управления, структура информационных потоков. Кроме информационного разработано и программное обеспечение на основании математической модели кристаллизации слитка, а также техническая поддержка с  полным описанием базы используемых средств сбора, обработка и передачи информации.

Данная система полностью отвечает предъявляемым требованиям и предусматривает управление как в нормальном (переход с плавки на плавку, поддержание работы установки в заданном режиме, регулирование и коррекция параметров, прогнозирование ситуаций, управление исполнительными механизмами)  так и в аварийном режимах (устранение аварийной ситуации, аварийная остановка, переключение исполнительных механизмов).

 

Перечень ссылок

1. Климовицкий М.Д., Кипелович А.П. Автоматический контроль в черной металлургии, 1967.-393с.

2. Пирожников Е.С. Автоматизация электросталеплавильного производства. – М, Металлургия, 1985.

3. Марголин Ш.М. Электропривод машин непрерывного литья заготовок. – М, Металлургия, 1987.

4. Беленький А.М. Автоматическое управление металлургическими процессами.  – М, Металлургия, 1989.

5. Дюдкин Д.А. Современные машины НРС. – К, Наукова думка, 1989.

6. Глинков Г.М. Контроль и автоматизация металлургических процессов. –М, Металлургия, 1989.

7. Краснов Б.И. Оптимальное управлениережимами непрерывной разливки стали, 1975.-310с.

8. Тепловая работа непрерывного литья заготовок. Емельянов В.А. Учебное пособие для ВУЗов. М.: Металлургия, 1988, 143с.

9. Самойлович Ю.А. Микрокомпьютер в решении задач кристаллизации

слитка. — М.: Металлургия, 1988. — 182 с.

10. Евтеев Д.П., Колыбалов И.Н. Непрерывное литьё стали. — М.: Металлургия, 1984. — 200 с.

 

Вернуться в библиотеку


© 2008 Бобита Татьяна Юрьевна
© 2008 ДонНТУ