Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Содержание

Введение

В огнеупорной промышленности большое значение имеют высокотемпературные производственные агрегаты. Использование подобных производственных объектов связано с потреблением большого количества электрической энергии или топлива для генерации тепла. Среди необходимых производственных задач, которые начали решать уже с момента изобретения первых промышленных печей, можно выделить снижение потребления электрической энергии или расхода топлива.

В технических системах постоянно расширяется применение систем автоматического управления (САУ). К процессу разработки САУ предъявляются требования увеличения гибкости и динамичности, снижения потребления временных, материальных и интеллектуальных ресурсов.

Вращающиеся печи имеют широкое применение в различных сферах промышленности. Принадлежащие к числу промышленных печей непрерывного действия с движением вокруг продольной оси вращающиеся печи имеют различное назначение – плавильные, сушильные, термические, обжиговые и т. д.

Первичный материал, помещаемый во вращающиеся печи, должен перемещается вдоль печи, с постепенным повышением температуры благодаря теплу, которое выделяется при сжигании газа. По длине печи наблюдается переменный тепловой режим. Основным достоинством вращающейся печи можно назвать ее довольно высокую эффективность. Вращающаяся печь способна полностью обеспечить поточное производство в качестве промежуточного технологического звена.

Продуктивность работы трубчатой вращающейся печи прежде всего зависит от длины, диаметра, а также наклона и скорости вращающейся печи, материала, из которого выполнена внутренняя поверхность, от других характеристик обжигаемого материала.

1. Актуальность темы

Усовершенствование системы автоматического управления трубчатой вращающейся печи дает возможность решить ряд задач, таких как:

1. Максимальное использование тепла горения топлива на обжиг шамота;

2. Точное соблюдение технологических параметров вращающейся печи с целью получения шамота высокого качества;

3. Предотвращение пылевыделения из печи с целью обеспечить экологически более чистую среду вокруг предприятия;

4. Увеличение службы работы всех механизмов и теплообменных устройств.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Поскольку вращающаяся печь потребляет топливо в больших объемах (10–30% от массы шихты, что составляет 2000–2200 м3/час), то целесообразно за счет совершенствования системы управления оптимизировать расход топлива.

Основная цель создания системы – стабилизировать температурный режим трубчатой вращающейся печи за счет регулирования подачи газа и воздуха, что существенно повлияет на технико‐экономические показатели производства.

pic1

Рисунок 2.1 – Общий вид вращающейся трубчатой печи

На основании уже проведенных исследований и изученных проблем, был поставлен ряд задач проектирования системы автоматического управления.

  1. Задача проектирования – подобрать необходимые датчики, исполнительные механизмы и контроллер с требуемым классом точности;
  2. Задача для управления – добиться уменьшения расхода топлива при сохранении качества и объема продукции;
  3. Информационная задача – обеспечить непрерывную двухстороннюю связь объекта с диспетчерским пунктом.

При оптимизации режима работы вращающейся печи решаются следующие основные задачи:

3. Обзор существующих разработок

В настоящее время в мире на самых различных предприятиях применяют комплексы автоматического управления вращающимися печами.

Электропривод и система автоматизированного управления главным приводом (ЭиСАУ ГП).

Система обеспечивает плавное регулирование скорости вращения печи обжига и предназначена также для обеспечения плавного безударного разгона и торможения печи и обеспечения высокой надёжности работы.

В этом комплексе имеют место следующие основные технические решения:

а) автоматическая система управления вращающейся печи

В основу системы положен частотный преобразователь Altivar 71 фирмы Schneider Electric. Вращающаяся печь обжига приводится в движение асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором через редуктор. Скорость вращения печи, а также ускорение разгона и замедления обеспечиваются с помощью частотного управления электродвигателем посредством частотного преобразователя ПЧ1. Система автоматизированного управления реализована на основе контроллера Premium Фирмы Schneider Electric. Визуализация организована на графическом терминале XBT Фирмы Schneider Electric. Данная автоматическая система позволяет включить её в общую систему контроля и управления производством.

Спроектированная система предусматривает непрерывный режим эксплуатации. Система имеет удобную диагностику, которая позволяет определить работоспособность каждого элемента системы.

На главный привод вращающейся печи обжига устанавливается асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Для обеспечения высокой надёжности в системе используются два частотных преобразователя: главный и резервный.

ЭиСАУ ГП имеет два режима управления: местный и дистанционный. В режиме дистанционного управления система управляется с пульта ПУ в операторской. Пульт дистанционного управления ПУ оборудован графическим терминалом.

На его панель выводится следующая информация:

С терминала вводятся следующие задания:

б) МЛ 515 Система автоматизированного контроля и управления для вращающихся печей обжига.

Комплекс технических средств (КТС) предназначен для оперативного контроля и управления процессами обжига глинозема с целью получения исходных материалов для производства огнеупоров, а также для управления процессами хранения, транспортирования и сжигания в качестве дополнительного источника энергии твердого топлива (размолотая шелуха семян подсолнечника).

Она обеспечивает поддержание заданных температурных режимов печи, аэродинамических характеристик процесса, безопасных режимов сжигания природного газа и твердого топлива, контроль и управление функционированием технологического оборудования в автоматическом и ручном режимах.

При разработке архитектуры комплекса был принят за основу распределенный принцип управления отдельными относительно обособленными стадиями технологического процесса, выделенными по функциональному признаку. Такой подход обеспечивает высокую надежность комплекса, независимую отладку и ввод в эксплуатацию отдельных подсистем, существенно упрощает выполнение пусконаладочных, профилактических и ремонтных работ. Выделены следующие подсистемы, связанные между собой посредством программируемого интерфейса:

1. Подсистема контроля и управления вращающейся печью.

2. Подсистема контроля и управления пневмотранспортом для подачи твердого топлива со щитом местного управления на удаленном участке подготовки твердого топлива.

3. АРМ технолога/обжигальщика на базе ПК.

Проанализировав функциональные возможности существующих систем автоматического управления вращающейся печью, можно сделать вывод о том, что предложенные решения тем не менее не решают задачи оптимального управления технологическим процессом обжига сыпучих материалов.

4 Синтез САУ трубчатой вращающейся печью

4.1 Разработка структурной схемы САУ

С помощью полученных результатов при анализе трубчатой вращающейся печи как объекта управления, рассмотренного в первом пункте, принимая во внимание концепцию построения САУ, разработаем структурную схему САУ вращающейся печью .

pic2

Рисунок 4.1 – Структурная схема САУ вращающейся печью

Работа САУ заключается в поддержании температуры в зоне обжига равной 1720 °С, для этого необходимо оптимальное соотношение подачи газа и воздуха.

При наличии возмущающего воздействия температура начинает изменятся, это приведет к тому, что ошибка начнет расти и, в следствии чего, вызовет рост напряжения, подаваемого на исполнительный механизм. Исполнительный механизм начнет вращаться, поворачивая заслонку, что приведет к изменению подачи газа. Зная изменения в подаче газа, сигнал подается на регулятор подачи воздуха. Напряжение, подаваемое на исполнительный механизм, возрастет, заслонка повернется, что повлияет на изменение подачи воздуха.

4.2 Модель трубчатой вращающейся печи

Из анализа литературных источников следует, что в первом приближении преобразование расхода газа и воздуха в температуру в зоне обжига представлено следующим уравнением:

pic3

где – Qв – расход воздуха [м3/час];

Qв0 – номинальное значение расхода воздуха [м3/час];

Qг – расход газа [кг/час];

k1, k2 – коэффициенты, определенные с учетом габаритов трубчатой печи и объема зоны обжига.

График, описывающий зависимость температуры от соотношения газ‐воздух, приведен на рис. 4.2.

pic4

Рисунок 4.2 – График зависимости температуры от соотношения газ воздух

Зона обжига как крупногабаритный тепловой объект является инерционным объектом, для учета его инерционности требуется добавить апериодическое звено первого порядка с постоянной времени τ=20 с, так как требуется время для того, что бы температура достигла необходимого значения.

Возмущающие воздействие реализовано с помощью генератора белого шума, который имитирует возмущающие воздействие определенной мощности с определенным интервалом дискретизации. Из опыта эксплуатации вращающихся печей могут быть оценены интенсивность возмущений и продолжительность их действия. В работе возмущения моделирует генератор БШ с последовательно включенным аппередическим звеном с постоянной времени τ=250 с, и коэффициентом усиления k=500.

Гипотетическая модель зоны обжига трубчатой вращающейся печи имеет вид:

pic5

Рисунок 4.3 – Структурная схема модели зоны обжига трубчатой вращающейся печи
(анимация:6 кадров,5 циклов, 112 килобайт)

Выводы

Был проведен анализ объекта управления – вращающаяся печь, и были определены особенности рассматриваемого объекта. В ходе анализа были сформулированы цели создания системы автоматизации, описаны функции и задачи будущей системы автоматизации.

Разработана модель вращающейся печи. Показано, что необходимая эффективность управления трубчатой вращающейся печью для поддержания оптимальной температуры в зоне обжига за счет поддержания оптимального соотношения подачи газа и воздуха достигается при использовании построенной САУ.

Список источников

  1. Теплотехника металлургического производства. Т. 2. Конструкция и работа печей: Учебное пособие для вузов/Кривандин В. А., Белоусов В. В., Сборщиков Г. С. и др. – М.: МИСИС, 2001. – 736 с.
  2. Лисиенко, В. Г. Вращающиеся печи: теплотехника, управление и экология Кн. 1: Справ. изд.: В 2 кн. / В. Г. Лисиенко, Я. М. Щелоков, М. Г. Ладыгичев; Под ред. В. Г. Лисиенко. – М.: Теплотехник, 2004. – 690 с.
  3. Бельский В. И., Б. В. Сергеев Б. В. Промышленные печи и трубы. Учеб. Пособие для техникумов. Изд.2–е, испр. и доп. М., Стройиздат, 1974. 301 с.
  4. Компания Липецкстальпроект. Автоматическая ситема управления вращающейся печи обжига [Электронный ресурс] URL:http://lsp48.ru/proekty/razrabotki
  5. Научно–производственное предприятие «Микролог. МЛ 515 Система автоматизированного контроля и управления для вращающихся печей обжига [Электронный ресурс] URL:http://microlog.km.u...
  6. К. Марута . Особенности горения газа в узком нагретом канале//Физика горения и взрыва. / Дж. К. Парк, К. С. Ох, Т. Фуджимори, С. С.  Минаев, Р. В. Фурсенко – 2004. №5 128 с.
  7. Голдсуорт Б. Проектирование цифровых логических устройств / Б. Голдсуорт. М.: Машиностроение, 1985. – 288 с.