Автоматизированная система управления технологическим процессом спекания шихты агломерации в условиях аглофабрики ОАО ММК им. Ильича

Автоматизация управления процессами в спекательном отделении заключается в автоматическом поддержании высоты слоя аглошихты, загружаемой на машину, автоматическом регулировании уровня шихты в промежуточном бункере (промбункере) над агломашиной, контроле и автоматическом управлении процессом зажигания шихты и регулировании законченности процесса спекания в конце активного участка аглоленты. Отдельный узел управления составляют механизмы охлаждения и дозирования возврата.

С целью оперативного управления агломерационным процессом на аглофабрике осуществляют контроль следующих технологических параметров:

скорость движения аглоленты;

объемных расходов природного газа и воздуха на зажигание;

температуры зажигания слоя шихты, отходящих газов в последних вакуум-камерах, коллекторах агломашины, перед эксгаустерами, шихты перед барабанами-окомкователями;

разрежения в вакуум-камерах, коллекторе агломашины перед эксгаустерами;

толщина слоя агломерата на аглоленте.

Скорость движения аглоленты необходимо контролировать, т.к. равномерное распределение шихты по ширине аглоленты является одним из необходимых условий для нормального протекания процесса спекания. Если скорость аглоленты увеличится, то температура шихта к 11-14 вакуум-камерам может быть выше нормы, что ухудшает качество спекаемой шихты.

Контроль объемов расхода природного газа и воздуха на зажигание, т.к. необходимо равномерное зажигание шихты по аглоленте. Высокая температура факела, избыток тепла для зажигания вызывает плавление поверхности слоя и ухудшение его газопроницаемости. При низкой температуре зажигания получается плохо спеченная с малой прочностью верхняя часть «пирога».

Температура регулируется в ходе всего процесса спекания, т.к. от этого зависит качество спекаемой шихты.

АСУ ТП отделения спекания агломерата является подсистемой АСУ ТП агломерационного производства. В целом АСУ ТП должна обеспечивать за счет стабилизации и оптимизации технологического процесса:

повышение производительности агломашин;

повышение выхода годного агломерата;

снижение доли возврата в шихте;

повышение качества агломерационной шихты;

снижение удельного расхода шихты на окомкование и брак по окомкованию и спеканию;

уменьшение числа аварийных режимов работы;

улучшение условий труда обслуживающего персонала;

облегчение управления объектом.

4. СТРУКТУРА АСУТП процессом спекания на аглофабрике

4.1 Обоснование выбора АСУТП

На структурной схеме отображают в общем виде основные решения проекта по функциональной, организационной и технической структурам АСУ ТП с соблюдением иерархии системы и взаимосвязей между технологическим объектом и комплексом технических средств (КТС) системы управления.

Многоуровневая структурная система управления обеспечивает надежность, оперативность, ремонтоспособность системы автоматизации, при этом легко решается оптимальный уровень централизации управления с минимальным количеством технологического контроля, управления и линий связи между ними.

Так как, процесс спекания является сложным технологическим процессом (дозирование и подача сыпучих материалов, режим зажигания, подача шихты системой конвейеров, процесс спекания агломерата, скорость аглоленты и т.д.), то целесообразно применять многоуровневую структуру управления супервизорного типа.

Супервизорная система с использованием средств локальной автоматики обеспечивает достаточно качественное управление для процессов с относительно небольшим количеством параметров и несложными алгоритмами выработки управляющих воздействий, а использование локальной автоматики уменьшает использование машинного времени ЭВМ, что целесообразно с экономических позиций: один компьютер можно использовать для управления несколькими АСУ, также возможно использование машинного времени для иных операций.

Под супервизорным понимается такой режим работы АСУ ТП, когда на нижних уровнях функционируют регуляторы, управляющие локальными контурами (на базе серийных электронных устройств или контроллеров), а на верхнем - ЭВМ, на которой реализованы задачи управления этими контурами через механизм выдачи управляющих воздействий на автоматические задатчики локальных контуров.

В дипломном проекте разработана система супервизорного типа. На высшем уровне ЭВМ, на низшем микроконтроллер. ЭВМ вырабатывает задание для микроконтроллера, а также осуществляет другие функции. Непосредственным управлением занят микроконтроллер. В данном случае ЭВМ может выполнять вычислительные функции АСУ отделения спекания, а также АСУ участка дозирования и даже АСУ ТП всей аглофабрики. Для обеспечения гибкости системы предусмотрены возможности перехода системы в полуавтоматический (ручное определение задания регулятору), а также ручной режим работы (ручное управление исполнительными механизмами).

4.2 Описание, выбранной системы АСУ

Структурная система АСУ ТП представлена в графической части дипломного проекта на листе 2 и представляет собой двухуровневую систему супервизорного типа, состоящую из следующих уровней:

1. Уровень измерительных средств и локальных средств контроля и регулирования. Состоит из датчиков, сигнализаторов значений параметров, источников питания. Он представляет собой уровень, на котором осуществляется контроль и регулирование параметров процесса при помощи средств контроля и регулирования, находящихся на объекте автоматизации. Все эти средства расположены непосредственно на объекте и на щитах участков КИПиА и представляют собой: первичные датчики, вторичные приборы, станции управления, цифровые регулирующие устройства (микроконтроллер). Также на этом уровне расположены средства диспетчерской связи и производственной громкоговорящей связи. На этом уровне система выполняет следующие функции: контроль параметров, измерительное преобразование, контроль и сигнализация измерительных параметров, выбор режимов работы, регистрация параметров, связь с объектом. На верхней ступени этого уровня находится оператор, который непосредственно контролирует и, если необходимо, регулирует определенные параметры процесса. В данном проекте на нижнем уровне находятся средства локальной автоматики - микроконтроллер, который выполняет функции регулятора и аналоговый вторичный прибор для оперативного отображения текущей информации на щите КИПиА. Для обеспечения гибкости системы предусмотрены возможности перехода системы в полуавтоматический (ручное определение задания регулятору), а также ручной режим работы (ручное управление исполнительными механизмами).

2. Уровень централизованных средств контроля и управления. На этом уровне происходит контроли и управление процессом централизованно, т.е. имеется возможность управлять несколькими технологическими объектами одновременно и решать дополнительные задачи связанные с обработкой данных. На этом уровне расположена ЭВМ, выполняющая следующие функции: ручной ввод данных, регистрация параметров на внешних запоминающих устройствах, моделирование работы объекта и выдача заданий на локальные регулирующие устройства, расчет показателей работы за смену на основании поступающих данных в течении смены, расчет технико-экономических показателей. На высшей ступени этого уровня располагается оператор, который и производит контроль за работой ЭВМ и вводит недостающие данные о работе агрегата. На данном уровне нет средств связи с объектом, т.к. всю необходимую информацию ЭВМ получает через модуль интерфейсной связи микроконтроллера в цифровом виде. Уровень АСУ связан с предыдущим уровнем при помощи диспетчерской связи и производственной громкоговорящей связи.

Данная структура позволяет системе гибко реагировать на выход из строя какого-либо элемента, для обеспечения непрерывности технологического процесса. При выходе из строя или нарушении связи с компьютером задание микроконтроллеру будет определено вручную. При выходе из строя или нарушении связи с микроконтроллером управление может осуществляться с помощью блока ручного управления.

Верхний уровень автоматизации

нижний уровень автоматизации

Рисунок 4.1 - Структура системы автоматизации

Таблица 4.1 - Условные обозначения технических средств на структурной схеме контроля и автоматизации

Обозначение	Наименование
1	2
Д С СУ ИЦ ИА	Датчик-преобразователь Сигнализатор значений параметров процесса Станции управления исполнительными механизмами Индикатор цифровой Индикатор аналоговый
Р РА КА ЗД ПР ВЗУ ВВУ УП ВТ ПРВ ДС ПГС УСО	Регуляторы Регистр аналоговый Командо-аппарат Задатчик Процессор Внешнее запоминающее устройство Вводно-выводное устройство Устройство печати Видеотерминал Пульт ручного ввода данных Диспетчерская связь Производственная громкоговорящая связь Устройство связи с объектом

Таблица 4.2 - Условные обозначения функций системы автоматизации

Обозначение	Наименование
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20	Контроль параметров Дистанционное управление исполнительным механизмом Измерения Контроль и сигнализация значений параметров Стабилизация параметров Выбор режима работы регулятора Ручной ввод данных Регистрация параметров Расчет ТЭП Учет производства и составление данных в смену Диагностика технологических линий Распределение технологических линий Оптимизация отдельных техпроцессов Анализ состояния техоборудования Прогнозирование основных показателей производства Оценка работы смены Контроль выполнения плановых заданий Контроль проведения ремонтов Подготовка, выдача информации в АСУ ТП Получение производственных ограничений от АСУ ТП

5. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ

Функциональная схема автоматизации - основная схема проекта и показывает функционально-блочную структуру управления, а также степень оснащения объекта управления устройствами контроля и управления.

На функциональной схеме в дипломном проекте изображена система автоматизации процесса спекания агломерата на агломерационной фабрике ОАО «ММК им. Ильича» (лист 3).

В соответствии с поставленными задачами разработаны контуры:

- автоматического контроля температуры в зажигательном горне;

- автоматического регулирования температуры в зажигательном горне;

- автоматического контроля температуры в коллекторе спекания;

- автоматического контроля температуры в коллекторе охлаждения;

- автоматического контроля температуры природного газа на аглокорпус;

- автоматического контроля температуры в вакуумкамерах №16-21, 31;

- автоматического контроля и регулирования законченности процесса спекания;

- автоматического контроля температуры отходящих газов перед эксгаустером;

- автоматического контроля температуры отходящих газов перед скрубберами;

- автоматического контроля разрежения перед эксгаустером;

- автоматического контроля разрежения в коллекторе спекания;

- автоматического контроля разрежения в коллекторе охлаждения;

- автоматического контроля разрежения в вакуумкамерах №1-17;

- автоматического контроля давления природного газа в горн;

- автоматического контроля давления воздуха в горн;

- автоматического контроля расхода природного газа в горн;

- автоматического контроля расхода природного газа на аглокорпус;

- автоматического контроля расхода воздуха в горн;

- автоматического регулирования соотношения «топливо-воздух»;

- автоматического контроля уровня шихты в промбункере;

- автоматического контроля скорости аглоленты;

- аварийной сигнализации агломашины.

Рассмотрим более подробно разработанные контуры.

Контур автоматического контроля температуры в зажигательном горне: измерение температуры осуществляется первичным пирометрическим преобразователем ППТ121-01 (поз.1-1), с которого сигнал поступает на вторичный измерительный преобразователь ПВ-0 (поз.1-2), который выдает стандартный сигнал 0-5 мА на вторичный регистрирующий прибор Диск-250-1121 (поз.1-3) и на микроконтроллер Symatic S7-300. С микроконтроллера сигнал поступает в ЭВМ.

Контур автоматического контроля температуры в коллекторе спекания: сигнал с термоэлектрического преобразователя ТХК-1087 (поз.4-1) поступает на вторичный регистрирующий прибор Диск-250-1121 (поз.4-2), на микроконтроллер и на ЭВМ.

Расположение приборов в контурах автоматического контроля температуры в коллекторе охлаждения, температуры природного газа на аглокорпус, температуры в вакуумкамерах №16-21, 31, температуры отходящих газов перед эксгаустером и перед скрубберами аналогично контуру контроля температуры в коллекторе спекания.

Контур автоматического контроля разрежения перед эксгаустером, в коллекторе спекания и коллекторе охлаждения, вакуумкамерах №1-17 осуществляется с помощью измерительного преобразователя разряжения «САПФИР-22М-ДВ», сигнал с которых поступает на вторичный регистрирующий прибор Диск-250-1121, на микроконтроллер и на ЭВМ.

Контур автоматического контроля давления природного газа и воздуха в горн: состоит из датчика-реле напора ДН-40 (поз.22-1, 23-1), преобразователь МЕТРАН-45 (поз.22-2, 23-2) и вторичного регистрирующего прибора Диск-250 (поз.22-3, 23-3). Кроме того сигнал поступает на микроконтроллер и на ЭВМ. Здесь работает аварийная сигнализация: при ослаблении давления газа срабатывает звуковая или световая сигнализация, а затем останавливается работа машины.

Контур автоматического контроля расхода воздуха, природного газа в горн и на аглокорпус абсолютно одинаковы по составу приборов: диафрагма (поз. 24-1, 25-1, 26-1), преобразователь измерительный разности давлений «САП-ФИР-22М-ДД-2410» (поз. 24-2, 25-2, 26-2), блок извлечения корня БИК-1,1 (поз.24-3, 25-3, 26-3), вторичный регистрирующий прибор Диск-250-1121 (поз.24-4, 25-4, 26-4), выходной сигнал с которого поступает на микроконтроллер Symatic S7-300 и на ЭВМ.

Контур автоматического контроля скорости агломашины: состоит из тахогенератора постоянного тока ТГМ-30 (поз.28-1), сигнал с которого поступает на микроконтроллер и на ЭВМ.

Контур автоматического контроля уровня шихты в промбункере: состоит из датчика уровня (поз. 27-1), сигнал с которого поступает на измерительный преобразователь ЭП-8007 (поз.27-2), а затем на вторичный регистрирующий прибор Диск-250-1121 (поз. 27-3), выходной сигнал поступает на микроконтролер Symatic S7-300 и на ЭВМ.

Аварийная сигнализация агломашины осуществляется следующим образом: при падении разрежения в коллекторе спекания или давления природного газа, воздуха при подаче в горн ниже допустимого, происходит звуковая сигнализация при переключении кнопочно переключателя КЕ-011 на звонок МЗ-1, либо световая сигнализация, при переключении на световое табло ТСМ.

Далее приводятся основные параметры выбранных модулей микроконтроллера Simatic S7-300.

Блок питания PS 307 1В сконструирован для подключения к линейному напряжению 120/230 В переменного тока и снабжает вторичную сторону напряжением 5 В постоянного тока 4 А и 24 В постоянного тока 0,5 А.

Входное напряжение:

- номинальное значение~120/230 В;

- допустимые диапазоныот 85 до 132 В от 170 до 264 В.

частота питающей сети:

- номинальное значение50/60 Гц;

- допустимый диапазонот 47 до 63 Гц.

- при 120 В перем. тока0,55 А;

- при 230 В перем. тока0,31 А.

Выходные напряжения:

- номинальное значение5,1 В / 24 В;

- допустимые диапазоны5 В: +2% / -0,5%; 24 В: ±5%;

Выходные токи5 В: 4 А; 24 В: 0,5 А.

Блок питания PS 307 1Е сконструирован для подключения к линейному напряжению 120/230 В переменного тока и снабжает вторичную сторону напряжением 5 В постоянного тока 10 А и 24 В постоянного тока 1 А.

Входное напряжение:

- номинальное значение~120/230 В;

- допустимые диапазоныот 85 до 132 В от 170 до 264 В.

частота питающей сети:

- номинальное значение50/60 Гц;

- допустимый диапазонот 47 до 63 Гц.

Номинальный входной ток:

- при 120 В 1,14 А;

- при 230 В 0,57 А.

Выходные напряжения:

- номинальное значение5,1 В / 24 В;

- допустимые диапазоны5 В: +2% / -0,5%; 24 В: ±5%;

Выходные токи5 В: 10 А; 24 В: 1,0 А.

Таблица 5.2 - Технические характеристики CPU 315-2DP

Процессор	Pentium 120 МГц
Возможность расширения памяти	16 Мбайт
Напряжение питания	3,3 В
Кэш второго уровня	250 Кбайт
Номинальное напряжение	5 В пост. тока (от 4,75 до 5,25 В пост.тока)
Типовое потребление тока	3,0 А
Максимально допустимое потребление тока	3,5А
Максимально допустимые потери мощности	17,5 Вт
Максимально допустимые потери мощности с интерфейсными субмодулями	20,5 Вт
Рабочая память	0,8 Мбайт или 1,6 Мбайт (встроенная)
Загрузочная память	16 Кбайт (встроенная)
Размер отображения процесса, входы и выходы	512 байт
Область адресов входов/выходов	16 Кбайт
Цифровые входы/выходы Аналоговые входы/выходы	131072 8192

Таблица 5.3 - Технические характеристики интерфейсных модулей IM 153-1

Потребление тока из шины S7-300 5 В пост.тока IM 153-1	Тип. 100 мА Макс. 120 мА
Потери энергии IM 153-1	Тип. 500 мВт Макс. 600 мВт
Источник питания для устройства расширения	5 В / 5 А на цепь

Повторитель RS 485 усиливает сигналы данных на линиях шины и связывает шинные сегменты между собой.

Таблица 5.4 - Технические данные повторителя R 485

Источник питания: номинальное напряжение пульсация	24 В пост.тока от 18 пост.тока до 30 пост.тока
Потребление тока при номинальном напряжении: без нагрузки в разъеме PG/OP нагрузка в разъеме PG/OP (5В/90мА) нагрузка в разъеме PG/OP (24В/100мА)	100 мА 130 мА 200 мА
Скорость передачи	от 9,6 кбит/с до 12 Мбит/с

Таблица 5.5 - Технические данные памяти

Наименование	Потребление тока при 5 В	Токи при буферизации
МС 952 / 64 Кбайт / RAM	тип. 20 мА макс. 50 мА	тип. 0,5 мкА макс. 20 мкА
MC 952 / 64 Кбайт / 5 В флэш	тип. 15 мА макс. 35 мА	-

Таблица 5.6 - Модуль ввода дискретных сигналов SM 321 (16 входов)

Количество входов, которые могут управляться одновременно	16
Потребление тока и шины S7-400 (5 В пост.тока)	макс. 150 мА тип. 100 мА
Данные для выбора датчика
Входное напряжение Номинальное значение	от 24 до 60 VUC
Для сигнала «1»	от 15 до 72 VDC от -15 до -72 VDC от 15 до 60 VAC
Для сигнала «0»	от -6 до +6 VDC от 0 до 5 VAC
Диапазон частот для сигналов переменного тока	от 47 до 63 Гц
Входной ток при сигнале «1»	от 4 до 10 мА

Таблица 5.7 - Модуль ввода аналоговых сигналов SM 331 (8 входов)

Диапазон измерения напряжения	± 80 мВ,± 250 мВ,± 500 мВ, ± 1 В, ± 2,5 В, ± 5 В, ± 10 В, от 1 до 5 В
Диапазон измерения тока для 4-х проводных преобразователей	от 0 до 20 мА, от 4 до 20 мА, ± 20 мА
Диапазон измерения тока для 2-х проводных преобразователей	от 4 до 20 мА

Модуль аналогового вывода SM 332:

- 4 выходов;

- разрешающая способность 13 бит;

- выходные диапазоны для напряжения;

- выходные диапазоны для тока;

- напряжение питания: 24 В пост.тока.

Таблица 5.8 - Модуль аналогового вывода SM 332

Выходной диапазон (номинальные значения)	± 10 В от 0 до 10 В от 1 до 5 В ± 20 мА от 0 до 20 мА от 4 до 20 мА

Модуль с релейным выходом SM 332:

- 8 выходов;

- номинальное выходное напряжение: до 230 В перем.тока / 125 В пост. тока

Таблица 5.9 - Модуль аналогового вывода SM 332

Номинальное напряжение на L+ Допустимый диапазон	от 5 до 264 В перем. тока от 5 до 125 В пост.тока
Суммарный ток выходов (на группу) до 40?С до 60 ?С	Без вент. / с вентил. 10 А / 10 А 5 А / 10 А
Допустимая разность потенциалов между группами на стороне процесса/стороне управления	500 В перем.тока 1500 перем.тока
Тип контакта	Вид А
Сопротивление контакта	Макс. 100 Ом
Минимальный ток нагрузки	10 мА
Потери мощности модуля	тип. 4,5 Вт, макс. 25 Вт

В качестве ЭВМ выбран Pentium III-650, 17'' SVGA, 128 Mb, который прошел промышленное испытание. Для вывода на печать данных выбран широкоформатный принтер Epson FX-1880.

6. СПЕЦИАльная часть диплома

В специальной части диплома разрабатываются основные контуры по регулированию процессом спекания аглошихты на агломашине. Проектируется контур управления процессом зажигания в горне, так как от температуры в зоне горения зависит качество спекания шихты. При рассмотрении технологии производства было выяснено, что скорость движения ленты на машине оказывает существенное влияние на законченность процесса спекания. Поэтому, разработан контур по регулированию скорости агломашины или законченностью спекания. На горение оказывает влияние также и расход природного газа и воздуха. Учитывая это, разработан контур по регулированию соотношения «топливо-воздух», который также является немаловажным по своей значимости в процессе спекания.

6.1 Разработка контура регулирования температуры в зажигательном горне

Основной контур в системе автоматизации - контур контроля и регулирования температуры в зажигательном горне. Рассмотрим его работу подробнее.

Измерение температуры осуществляется первичным пирометрическим преобразователем ППТ-121 (поз.1-1), с которого сигнал поступает на вторичный измерительный преобразователь ПВ-0 (поз.1-2), который выдает стандартный сигнал 0-5 мА на вторичный регистрирующий прибор Диск-250-1121 (поз.1-3) и на микроконтроллер Symatic S7-300. С микроконтроллера сигнал поступает в ЭВМ. После обработки поступившего сигнала в соответствии с заданным алгоритмом ЭВМ вырабатывает задание для микроконтроллера, при этом в системе предусмотрен переключатель ПМОФ-45 (поз.1-5), позволяющий подавать задание на микроконтроллер либо с ручного задатчика РЗД-22 (поз. 1-4), либо с ЭВМ. Заданное значение индуцируется миллиамперметром М1730 (поз.1-6) и поступает на вход микроконтроллера. На основании полученного задания микроконтроллер вырабатывает управляющее воздействие, которое с выхода микроконтроллера поступает на БРУ-32 (поз.1-7), затем на пускатель ФЦ-0611 (поз.1-8) и на исполнительный механизм МЭО-250/63 (поз.1-9), который управляет клапаном подачи природного газа в горн (поз.1-10). Кроме того на микроконтроллер заводится сигнал о положении регулирующего органа. Регулирование можно осуществлять в трех режимах: автоматическом режиме - когда заданное значение поступает с ЭВМ; режиме локальной автоматики - когда заданное значение поступает с задатчика, если ЭВМ выйдет из строя или с ней будет нарушена связь; режиме ручного управления - когда микроконтроллер выходит из строя и управляющее воздействие подается с помощью блока ручного управления.

6.2 Разработка контура регулирования законченностью процесса спекания

Не менее важным является контур автоматического контроля и регулирования законченностью процесса спекания на агломашине. Он состоит из термоэлектрических преобразователей ТХК-1087 установленных в вакуум-камерах №16-21, 31 (поз.10-1,…13-1), с которых сигнал поступает на 12-ти канальный регистрирующий и показывающий прибор ФЩЛ 501 (поз.7-2) и на микроконтроллер Symatic S7-300. С микроконтроллера сигнал поступает в ЭВМ. После обработки поступившего сигнала в соответствии с заданным алгоритмом ЭВМ вырабатывает задание для микроконтроллера, при этом в системе предусмотрен переключатель ПМОФ-45 (поз.7-4), позволяющий подавать задание на микроконтроллер либо с ручного задатчика РЗД-22 (поз.7-3), либо с ЭВМ. Заданное значение индуцируется миллиамперметром М1730 (поз.7-5) и поступает на вход микроконтроллера. На основании полученного задания микроконтроллер вырабатывает управляющее воздействие, которое с выхода микроконтроллера поступает на БРУ-32 (поз.7-6), затем на тиристорный усилитель ФЦ-0611 (поз.7-7). Дальнейшее управление осуществляется согласно электрическим схемам управления электродвигателем. Регулирование можно осуществлять в трех режимах: автоматическом режиме - когда заданное значение поступает с ЭВМ; режиме локальной автоматики - когда заданное значение поступает с задатчика, если ЭВМ выйдет из строя или с ней будет нарушена связь; режиме ручного управления - когда микроконтроллер выходит из строя и управляющее воздействие подается с помощью блока ручного управления.

6.3 Разработка контура регулирования соотношением «топливо-воздух»

Важным параметром, влияющим на процесс спекания, является расход воздуха и природного газа на горение, поэтому проектируется контур автоматического контроля и регулирования соотношением топливо-воздух. Он состоит из двух стандартных комплектов для измерения расхода методом переменного перепада - диафрагмы, преобразователя разности давлений «САПФИР-22М-ДД» (поз.24-2, 26-2) и блока извлечения корня БИК (поз.24-3, 26-3). Комплекты установлены на трубопроводах воздуха и природного газа. Сигналы поступают на вторичные регистрирующие приборы Диск-250-1121 (поз.24-4, 26-4) и на микроконтроллер Symatic S7-300. С микроконтроллера сигнал поступает в ЭВМ. После обработки поступившего сигнала в соответствии с заданным алгоритмом ЭВМ вырабатывает задание для микроконтроллера, при этом в системе предусмотрен переключатель ПМОФ-45 (поз.26-6), позволяющий подавать задание на микроконтроллер либо с ручного задатчика РЗД-22 (поз.26-5), либо с ЭВМ. Заданное значение индуцируется миллиамперметром М1730 (поз.26-7) и поступает на вход микроконтроллера. На основании полученного задания микроконтроллер вырабатывает управляющее воздействие, которое с выхода микроконтроллера поступает на БРУ-32 (поз.26-8), затем на пускатель ФЦ-0611 (поз.26-9) и на исполнительный механизм МЭО-250/63 (поз.26-10), который управляет клапаном подачи природного газа в горн. Кроме того на микроконтроллер заводится сигнал о положении регулирующего органа. Регулирование можно осуществлять в трех режимах: автоматическом режиме - когда заданное значение поступает с ЭВМ; режиме локальной автоматики - когда заданное значение поступает с задатчика, если ЭВМ выйдет из строя или с ней будет нарушена связь; режиме ручного управления - когда микроконтроллер выходит из строя и управляющее воздействие подается с помощью блока ручного управления.

6.4 Проектирование принципиальной электрической схемы контура регулирования соотношением «топливо-воздух»

Принципиальная электрическая схема - это схемная реализация отдельных контуров функциональной схемы автоматизации. В этой схеме описывается полный состав всех приборов и технических средств, которые входят в данный контур, а также все линии связи между ними.

Принципиальная электрическая схема является одной из наиболее важных схем для работников службы КИПиА, а также других служб связанных с обслуживанием агрегата.

В схеме используются стандартные по ГОСТ приборы, которые работают на стандартных сигналах, что облегчает настройку и ремонт, поверку, наладку и т.д.

Основываясь на функциональной схеме, разработана принципиально-электрическая схема (лист 4 графической части проекта) контура регулирования соотношением «топливо-воздух», основного в управлении качеством процесса спекания аглошихты.

Рассмотрим подключение приборов контура. Расход природного газа и воздуха осуществляется методом переменного перепада с помощью диафрагмы, сигнал с которой преобразователем разности давлений «САПФИР-22М-ДД» (поз.24-2, 26-2) преобразуется в токовый 5 мА. Питание 36 В преобразователям обеспечивает блок питания 22-БП-36. Сигнал 5 мА с САПФИР-22М-ДД поступает на БИК-1,1 (поз.24-3, 26-3), который преобразует и отправляет сигнал 5 мА на регистрирующий прибор Диск-250-1121 (поз.24-4, 26-4) против обрыва цепи на его клеммные колодки устанавливаются стабилитроны VD. С Диск-250 и БИК-1,1 сигнал 5 мА подается на микроконтроллер Symatic S7-300. Задатчик РЗД-22 (поз.26-5) вырабатывает управляющий сигнал, который поступает на пакетный переключатель ПМОФ-45 (поз.26-6). Переключатель в зависимости от сигнала (от задатчика или от УВК) осуществляет переключение сигнала на соответствующие соединения. С помощью ручного задатчика М-1730 (поз.26-7) можно задать необходимое значение регулируемого параметра в ручную. С миллиамперметра и переключателя сигнал 5 мА поступает на блок ввода аналоговых сигналов SM 331 микроконтроллера Symatic S7-300.

Микроконтроллер Symatic S7-300 обрабатывает сигналы полученные с задатчика либо с миллиамперметра сравнивает с текущими значениями и вырабатывает управляющий сигнал, который подается на БРУ-32 (поз.26-8). Блок ручного управления БРУ-32 связан через клеммы 19, 29 с пускателем ФЦ-0510 (поз.26-9). Пускатель осуществляет регулирование исполнительным механизмом МЭО-250/63 (поз.26-10), который активизирует регулирующий орган, в нашем случае заслонку на газопроводе, подающем воздух. Блок питания БПИ-24 обеспечивает питание микроконтроллеру и БРУ-32. Для исполнительного механизма МЭО-250/63 подключен блок питания БП-10.

6.5 Проектирование щита КИП и А контура регулирования соотношением «топливо-воздух»

Щит контроля и управления необходим для оперативного вмешательства персонала в работу системы, а также для выдачи соответствующей информации. На нем располагаются средства контроля, управления и сигнализации.

Исходным чертежом, по которому составляется общий вид щита контроля и управления, является функциональная схема автоматизации. На щите размещается вся аппаратура, которая указана на функциональной схеме.

В дипломном проекте используется щит, состоящий из 6 панелей. В качестве щитов используются стандартные изделия: щиты панельные плоские ЩПП размером 2200х1000 и 2200х600.

В графической части дипломного проекта рассмотрена панель 4, на которой расположены следующие приборы: вторичный регистрирующий прибор Диск-250-1121 (поз.26-4), миллиамперметр М1730 (поз.26-7), ручной задатчик РЗД-22 (поз.26-5), переключатель ПМОФ-45 (поз.26-6), блок ручного управления БРУ-32 (поз.26-8).

6.6 Проектирование монтажно-коммутационной схемы контура регулирования соотношением «топливо-воздух»

Монтажно-коммутационная схема щита проектируется исходя из принципиально-электрической схемы и общего вида щита. На ней отображаются все вторичные приборы и другие средства автоматизации. Связь между приборами производиться как путем соединения напрямую контактов технических средств проводкой, так и при помощи клеммных колодок, что дает преимущество при модернизации щита или замене отдельных технических средств.

Также на монтажно-коммутационной схеме показана связь всех приборов расположенных на щите с приборами и техническими средствами вне щита, т.е. устройства ввода в щиты внешних электрических и трубных проводок, а также их присоединение к внутренней проводке щитов. В частности показана связь с исполнительным механизмом, микроконтроллером, щитом блоков питания и преобразователей.

Чертежи монтажно-коммутационных схем щитов необходимы для выполнения электрической и трубной коммутации приборов и средств автоматизации в пределах щита. Монтажные схемы выполняют в виде отдельных чертежей для каждой панели щита.

В графической части дипломного проекта (лист 7) выполнен чертеж панели №4. На этой схеме отображаются клеммники на десять клемм для соединения приборов между собой и клеммники на 6 клемм для подсоединения питающего напряжения. Приборы на монтажно-коммутационной схеме размещаются так, как они будут размещены на обратной стороне щита. Линии и связи нумеруются так же, как и на принципиально-электрической схеме. Отображается без масштаба.

6.7 Математическая модель

6.7.1 Разработка детерминированной математической модели

Физико-математические модели агломерационного процесса могут быть получены аналитически, путем последовательного описания физических и химических превращений в исходных материалах в процессе производства [21]. Динамическая математическая модель спекания агломерационной шихты, реализуемая на ЭВМ, позволяет быстро и с минимальными затратами исследовать влияние ведущих параметров процесса спекания (высоты слоя шихты, содержания углерода и влаги в шихте, скорости движения спекательных тележек и др.) на его технико-экономические показатели и может быть использована в качестве информационной части в АСУ агломерационным

производством для оптимизации технологического процесса. Алгоритм динамического моделирования в математической форме отражает физико-химические превращения и тепловые явления в спекаемом слое шихты практически в той мере, в какой процесс агломерации в настоящее время может быть описан аналитически.

В алгоритм динамической модели процесса спекания включены зажигание, сушка (переувлажнение) шихты, горение топлива, нагрев и охлаждение слоя шихты, изменение расхода газов, плотности шихты, теплоемкости материалов и газов, коэффициентов тепло- и влагообмена по ходу технологического процесса. Некоторые химические (в том числе минералогические) превращения в настоящее время исследованы и описаны недостаточно полно, поэтому их влияние на процесс можно учесть только приблизительно, путем некоторой коррекции теплофизических свойств шихты и агломерата, материального баланса и других хорошо изученных факторов.

Математическая модель основана на следующих предпосылках. Ввиду малых размеров частиц шихты их температура постоянна по объему; все частицы элементарного объема шихты, расположенные на одном горизонте слоя, имеют одинаковую температуру; тепловые эффекты реакций локализованы в объеме частиц шихты; теплообмен между шихтой и газовым потоком происходит при граничных условиях третьего рода; теплообмен теплопроводностью или излучением между слоями шихты, расположенными на различных горизонтах, отсутствует; теплота плавления и кристаллизации выражена зависимостью теплоемкости материалов от температуры; теплоемкости шихты и агломерата одинаковы; теплота экзо- и эндотермических реакций, а также потери теплоты с механическим недожогом и в окружающую среду определяются путем коррекции тепловыделения при горении коксика (по тепловому балансу); кислород диссоциирующих оксидов рассчитывается по уравнению, в котором содержание кислорода в воздухе корректируют с помощью коэффициентов (по материальному балансу); аккумуляцией теплоты и массы газами в слое можно пренебречь, так как она мала по сравнению с аккумуляцией теплоты и массы материалами; теплоемкость газов не зависит от их состава. Многие из этих допущений не влияют сколько-нибудь существенно на структуру алгоритма моделирования.

В слое спекаемой агломерационной шихты протекают процессы горения топлива, тепло- и влагообмена; изменяются давления водяных паров в газах, насыпная плотность шихты, теплоемкость шихтовых материалов, агломерата и продуктов сгорания. Некоторые из этих физических и химических явлений математически могут быть охарактеризованы системой алгебраических уравнений, не содержащих пространственной координаты и времени. Действительно, зависимости коэффициента теплоотдачи от температуры и состава шихты или теплоемкости газов от температуры сохраняются в любом месте слоя в любой момент времени. Это же относится и к другим подобным зависимостям. Рассмотрим алгебраические уравнения модели.

При горении топлива выделяется теплота:

, (6.7.1)

где - тепловые эффекты экзо- и эндотермических реакций, потери с механическим недожогом и в окружающую среду, выраженные в долях от теплоты сгорания;

- доля углерода, сгорающего до СО₂ и СО;

- теплоты сгорания углерода до СО₂ и СО.

Совместное протекание тепло- и влагообмена в слое характеризуется психрометрическим коэффициентом:

, (6.7.2)

Здесь - объемные коэффициенты теплоотдачи и влагообмена;

r -- теплота парообразования.

Коэффициент теплоотдачи между газами и шихтой зависит от скорости и температуры газов и уменьшается в процессе сушки и спекания шихты, поэтому можно записать:

, (6.7.3)

где v - скорость продуктов сгорания в свободном сечении слоя;

Т_Г - абсолютная температура газа;

С - содержание углерода в шихте;

W - влажность шихты;

- постоянные.

Давление насыщенных водяных паров в продуктах сгорания Р_нас зависит от температуры шихты t_ш и величины нормального давления Р_н:

(6.7.4)

Парциальное давление водяных паров в газах Р_в.п. можно выразить через парциальную скорость и абсолютное давление продуктов сгорания Р:

Р_в.п = Р (6.7.5)

Насыпная плотность шихты зависит от ее абсолютной плотности и пористости П:

(6.7.6)

Если допустимо некоторое уменьшение точности моделирования, то можно принять = const. Для расчетов повышенной точности может быть использована величина усадки шихты, зависящая от разрежения в вакуум-камерах, высоты слоя и других факторов. На теплоемкость шихтовых материалов Сш и газов С влияет температура шихты tш и газов tг:

(6.7.7)

С = Сг.о + C'г fг, (6.7.8)

где , - постоянные.

Продукты сгорания, проходящие через спекаемый слой, состоят из кислорода, водяных паров и других газов, поэтому парциальные скорости связаны соотношением:

(6.7.9)

Физические и химические превращения в спекаемом слое агломерационной шихты протекают во времени ф и в пространстве (по высоте слоя, пространственная координата Z). Эти динамические процессы (сушка, горение углерода, изменение температуры, концентрации кислорода в газах, парциальной скорости водяных паров и кислорода по высоте слоя) характеризуются системой дифференциальных уравнений в частных производных по ф и Z. Скорость сушки шихты (или ее переувлажнения) пропорциональна разности относительных давлений водяных паров: по выражению (6.7.4) -- для насыщенных паров, по уравнению (6.7.5) -- для действительных значений ненасыщенных.

(6.7.10)

В процессе сушки влага мигрирует внутри частиц шихты, поэтому влажность последней необходимо учитывать:

, (6.7.11)

где S, N -- постоянные.

Эксперименты по динамике сушки агломерационной шихты показали, что N = 5,64 и S = 1,13, если W выражена в процентах на сухую массу. Для процесса переувлажнения f(W) = 1, так как в этом случае миграция влаги в частицах шихты на скорости процесса не отражается. Из уравнения материального баланса влаги следует

, (6.7.12)

где - плотность водяных паров.

Исследования горения углерода в слое показали, что градиент концентрации кислорода в газах по высоте слоя сложным образом зависит от параметров процесса -- концентрации кислорода в газе , среднего радиуса частицы топлива Rc, плотности топлива и др.:

 , (6.7.13)

где D, R, E -- постоянные.

Так как текущие значения Rc и С связаны с начальными значениями и соотношением , то

(6.7.14)

На основании уравнения (6.7.14) с учетом материального баланса кислорода и углерода можно записать уравнение скорости горения углерода:

, (6.7.15)

где - стехиометрический коэффициент;

- плотность кислорода.

Из уравнений (6.14) и (6.15) получаем выражение изменения парциальной скорости кислорода по высоте слоя:

(6.7.16)

Составив уравнение теплового баланса газового потока, найдем градиент температуры газов по высоте слоя и скорость изменения температуры шихты :

(6.7.17)

(6.7.18)

При этом

; (6.7.19)

(6.7.20)

Уравнения (6.7.1) - (6.7.18) являются аналитической основой математического динамического моделирования агломерационного процесса на ЭВМ. Расчетная схема модели спекаемого слоя представлена на рисунке 6.7.1.

Рис. 6.7.1 - Расчетная схема модели спекаемого слоя агломерационной шихты

Слой шихты высотой Н разбит на n зон, так что ?Z=H/n. Слои пронумерованы по ходу процесса спекания (сверху вниз): 1, 2, … , j -1 , j , j + 1, … , n - 1, n. Дискретизация процесса моделирования во времени с шагом дискретности ?ф позволяет производить расчеты по шагам, номера которых 1, 2, … , К - 1, К, К + 1, … . В результате квантования процесса во времени и в пространстве ?Z дифференциальные уравнения (6.7.11) - (6.7.18) представлены в конечно-разностной форме. Запишем итерационную схему функционирования динамической модели. Для величин, относящихся к шихте (W, C, t_ш), например, для влажности: , а для величин, относящихся к газовому потоку , например для скорости водяных паров:

(6.7.21)

Для шихты номер j соответствует элементу разбиения; для газового потока номер j - 1 означает вход в элементарный слой с номером j, а номер j - выход из него.

Перейдем в дифференциальных уравнениях (6.7.10) - (6.7.18) к конечным разностям (от к и от к ) и выберем и достаточно малыми. Тогда приращения величин W, C, , , , и можно представить в виде:

; (6.7.22)

; (6.7.23)

; (6.7.24)

; (6.7.25)

; (6.7.26)

; (6.7.27)

, (6.7.28)

Где

; (6.7.29)

(6.7.30)

; (6.7.31)

(6.7.32)

Изменение скорости просасываемого через слой воздуха при моделировании принято таким же, как и в производственных условиях, в которых установлена эмпирическая зависимость (парабола четвертой степени):

, (6.7.33)

где - минимальный расход в момент времени ;

- постоянные.

В процессе программирования расчетов на ЭВМ предусмотрены логические операции по ограничению величин С?0 и W?0 это позволяет обеспечить абсолютную устойчивость процесса вычислений.

6.7.2 Выбор входных и выходных параметров

Моделирование выполняется на ЭВМ при следующих условиях:

; ; кДж/кг; кДж/кг;

; ;; ; К;

кДж/кг; Вт/(мі·К); ; ;

; ; кг/мі; ; ;

кДж/(кг·К); кДж/(кг·КІ);

кДж/(кг·К); КЇІ; °С;

кДж/(мі·К); Дж/(мі·КІ); ;

; ; кг/мі; ;

кг/мі; кг/мі; Па; ;

мм; ; =1мм=0,001м; с.

Это все входные параметры, которые используются для исследования.

Результатом эксперимента является кривая, показывающая изменение температуры в элементарном слое, отстоящем от поверхности на 30 мм, т.е. выходными данными являются температура и время .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В дипломном проекте разработана АСУ ТП процессом спеканния агломерационной шихты в условиях аглофабрики ОАО «ММК им. Ильича» с использованием технических средств на базе программируемых контроллеров и персональных компьютеров (рабочих станций).

В проекте разработана двухуровневая супервизорная система автоматизации на базе персонального компьютера, микроконтроллера, а также средств локальной автоматики. Дано подробное описание структурной и функциональной схем. На их основе разработана приницпиально-электрическая схема контура регулирования соотношением «топливо-воздух», одного из основных контуров управления процессом спекания. Представлен щит КИПиА, состоящий из нескольких панелей. Для одной из панелей отображена монтажно-коммутационная схема расположения и соединения приборов. Все схемы представлены в графической части проекта.

В специальной части диплома разработана математическая модель процесса спекания агломерата на агломашине. На основании математических формул разработана программа, демонстрирующая изменение температуры в спекаемом слое по длине аглоленты.

В дипломе содержатся расчеты по организационно-экономическим вопросам, в результате которых определены экономические показатели проекта. Приведены расчеты по охране труда, по защите производственного персонала при аварии на АЭС.

перечень ССЫЛОК

Пазюк М.Ю. Моделирование работы барабанных окомкователей. Изв. вузов черн. мет. - 1988.-№4.-с.93-97

2. Ищенко А.Д., Моня Г.М., Бенсман Л.Г., Зевин С.П., Греков В.В. Автоматизированная система управления технологическим процессом на агломашине. Сталь.-1989.-№9.-с.13-15

3. Минаков Н.С., Боранбаев Б.М., Кретинин В.И., Купцов В.И. Совершенствование технологии спекания двухслойной шихты при ее агломерации в высоком слое. Сталь.- 1995.- №9.- с.16-18

4. Герасимов Л.К., Викулов Г.С., Кабанов Ю.А., Добряков Г.Г. Результаты освоения установки по утилизации тепла охлаждения агломерата на агломашине АКМ-312. Сталь.- 1998.- №3.- с.8-9

5. Панишев Н.В., Неясов А.Г., Подборных О.Н., Долгополов, Юсупов Р.Б. Регулирование параметров работы удлиненной агломашины. Сталь.- 1988.- №5.- с.5-6

6. Кравцов В.В., Рузин Э.В., Кувшинов В.А., Лебедев А.Н., Демьяненко В.В. К вопросу оптимизации агломерационного процесса. Известия вузов черной металлургии.-1991.- №3.- с.9-12

7. Кравцов В.В. Контроль и стабилизация агломерационного процесса. Известия вузов черной металлургии.-1991.- №1.- с.9-12

8. Автоматизация агломерационного и доменного производства. Сборник.- К.: Техника, 1969.- 206с.

9. Сальников И.М., Гетало В.Д., Гетало А.Т. Практика совершенствования средств автоматизации агломерационного процесса с целью повышения качества агломерата. Сталь.- 1993.- №9. С.3-7

10. Ищенко А.Д., Моня Г.М., Бенсман Л.Г., Зевин С.Л., Греков В.В. Сталь.- 1989.- №9.- с. 13-15

11. Масловский П.М., Авдеев В.П. Прогресс в автоматизации металлургического производства. Известия вузов черной металлургии.- 987.- №11.- с.7-10

12. Гохберг Б.В., Смирнов С.В., Игнатов Н.В., Каплун Л.И., Мачкская Н.Д. К вопросу о механизме вылевыделения при агломерации. Известия вузов черной металлургии.-1988.- №10.- с.7-9

13. Кузнецкий Р.С., Лившиц Э.Я., Грушевский М.А., Гиенко В.В. Апроксимация распределения температуры в слое агломерата, изготовленного на аглоленте. Известия вузов черной металлургии.- 1992.- №5. С.11-13

14. Панишев Н.В., Трейбач О.Н. Совершенствование методики обработки технологических параметров работы агломашины. Известия вузов черной металлургии.- 1992.- №3.- с. 18-21

15. Ищенко А.Д., Фишман М.Л., Бенсман Л.Г., Зевин С.Л., Сакир А.Ф. АСУ агломерационным процессом. Известия вузов черной металлургии.- 1990.- №4.- с. 65

16. Сальников И.М., Гетало В.Д., Гетало А.Т. Система регулирования слоя шихты по откосу на палетах агломашины. Известия вузов черной металлургии.- 1989.- №11.- с.75

17. Глинков Г.М., Маковский В.А. АСУ технологическим процессами в агломерационных и сталеплавильных цехах.- М.: Металлургия, 1981.-360 с.

18. Буров А.И., Штернберг В.Л., Каневский В.Л. Автоматизация агломерационных цехов цветной металлургии.- М.: Металлургия, 1965.-167с.

19. Автоматизация агломерационного и доменного производства. Сборник.- К.: Техника, 1969.- 206с.

20. Маковский В.А., Власюк Ю.Н., Карнышов Ю.В. Оптимальное управление агломерационным процессом.- К.: Высшая школа, 1987.- 117с.

21. Ищенко А.Д. Статические и динамические свойства агломерационного процесса.- М.: Металлургия, 1972.- 319с.

22. Беленький А.М., Бердышев В.Ф., Блинов О.М., Коганов В.Ю. Автоматическое управление металлургическими процессами. Учебник для вузов. - М.: Металлургия, 1989. - 384 с.

23. Цымбал В.П. Математическое моделирование металлургических процессов. - М.: Металлургия, 1986

24. Селезнев А.Е. Оборудование агломерационных фабрик черной металлургии.- М.: Металлургиздат, 1960.- 320 с.

25. Шоботов В.М. Устойчивость работы промышленных объектов при ЧС: Учебное пособие.- М.:Наука, 1974.- 210 с.

26. Демиденко И.П. Гражданская оборона. Учебник для вузов. - М.: Наука, 1983.- 345 с.

27. Волошин В.С. Методические указания к дипломному проекту. Раздел «Охрана труда». Часть 1, 2.- Ж.: ПГТУ, 1988

28. Кнорринг Г.М. Справочная книга по проектированию электрического освещения.- Л.: Энергия, 1976

29. СниП 11-479. Естественное и искусственное освещение. Нормы проектирования.- Светотехника, №10, 1979

30. Бухаров И.И. Методическое руководство к расчету на ЭВМ освещения от люминесцентных источников света.- Ж.: ПГТУ, 1984

31. Бухаров И.И. Методическое руководство к практическим занятиям к проектированию электрического освещения.- Ж.: ПГТУ, 1972

32. Полтев М.К. Охрана труда в машиностроении.- М.:Высшая школа, 1980

33. Бухаров И.И. Методическое руководство к расчету на ЭВМ защитного зануления.- Ж.: ПГТУ, 1986

34. СНиП 2.01.02-85. Противопожарные нормы.- Светотехника, №10, 1979