Размещено на http://www.allbest.ru/

1. ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБЪЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ (УПРАВЛЕНИЯ)

Автоматизация процессов металлургического производства осуществляется с помощью, разнообразных технических средств, объединенных в системы управления.

Основным элементом системы является объект, в котором протекает управляемый процесс. Такой объект называется объектом управления. Объектами управления могут быть отдельные параметры или весь технологический процесс, металлургические агрегаты или цехи, отдельные предприятия или целые отрасли промышленности.

Создание условий, обеспечивающих требуемое направление протекания процесса на основании анализа поступающей с объекта информации, называется управлением.

Процесс управления состоит из следующих основных элементов:

получение информации о задачах и целях управления; получение информации о текущем состоянии и поведении объекта управления;

проведение анализа полученной информации, принятие решения на управление;

реализация принятого решения и контроль прохождения управляющего воздействия на объект.

Для обеспечения эффективного управления очень важно иметь информацию о характерных особенностях объекта управления.

На объект управления действуют различные факторы (рис. 1): входные параметры , внешние возмущающие факторы , управляющие воздействия .

Входные параметры могут быть определены заранее. Зная особенности (характеристику) объекта, можно по известным входным параметрам рассчитать управляющие воздействия , обеспечивающие получение заданных значений выходных параметров .

При, создании автоматических систем управления необходимо знать статические и динамические характеристики объекта.

Зависимость выходной величины Y от входной X в установившемся режиме, называется статической характеристикой. Установившимся режимом называется такое состояние объекта управления или системы, при котором все переходные процессы закончены.

Статические характеристики могут быть линейными и нелинейными (рис. 2). По статическим характеристикам можно определить коэффициент усиления K и линейность объекта. Объект считается линейным, если у него коэффициент усиления, характеризующий отношение изменения выходной величины к изменению входной , будет постоянным во всем диапазоне изменения входной величины.

Линейную зависимость можно выразить следующим уравнением

Y =Y0+K X

Где Y0 - начальное значение параметра.

Объект считается нелинейным, если коэффициент усиления является величиной переменной, зависящей от входного параметра, т. с. К = ф (X).

Рис. 2. Статические характеристики объекта управления: а -- линейная; 6 -- нелинейная

В качестве примера нелинейной статической характеристики можно привести характеристику процесса горения природного газа (рис. 3).

Рис. 3. Экстремальная статическая характеристика процесса горения природного газа

В сложных системах автоматического управления локальные объекты могут быть соединены между собой разными способами. Основными являются три способа соединения: последовательное, параллельное, противовключением. В этом случае необходимо найти результирующую статистическую характеристику. При последовательном соединении выходная величина предыдущего объекта является входной для последующего и т.д. (рис 4, а). Результирующая статическая характеристика определяется графически (рис. 4, б). Максимальное число последовательно соединенных объектов ограничивается надежностью, т.е. свойством системы управления действовать безотказно. При параллельном соединении локальных объектов управления входная величина одновременно подается на вход всех объектов, а выходные величины алгебраически суммируются (рис.5,а). Результирующая статическая характеристика определяется графически (рис. 5, б). При противовключении или охвате локального объекта обратной связью выходная величина объекта, включенного в обратную связь, воздействует на входную величину первого (основного) объекта. Если в результате воздействия входная величина основного звена увеличивается, то такая связь называется положительной (ПОС), если уменьшается, то отрицательной (ООС). В системах автоматического управления в основном применяется ООС. Структурная схема и графическое построение результиру- льтирующей статической характеристики приведены на рис.6

Рис. 4. Последовательное соединение объектов - или элементов в САУ (а) и графическое построение результирующей статической характеристики (б)

Рис. 5 Параллельное соединение объектов или элементов в САУ (а) и построение результирующей статической характеристики (б)

Рис.6 Соединение объектов противовключением (а) и построение результирующей статической характеристики (б).

Состояние объектов управления в неустановившихся переходных режимах определяется их динамическими свойствами. Обычно объекты при незначительном отклонении входных и выходных истин и в процессе правления могут с достаточной степенью рассматриваться как линейные. Динамические свойства объектов управления в этих условиях могут быть определены линейными дифференциальными уравнениями, выражающими функциональную связь между входными и выходными величинами. Исходными данными для составления дифференциальных уравнении являются математические выражения физических законов, определяющих неустановившийся процесс в объекте управления.

На практике динамические свойства систем и объектов управления, определяются по динамическим характеристикам, представляющим собой реакцию системы или объекта управления на некоторые стандартные возмещающие воздействия.

Наиболее просто и наглядно дает представление о характере переходных процессов в объекте кривая разгона, представляющая собой траекторию изменения выходного параметра во времени при однократном скачкообразном возмущении на входе.

По виду кривых разгона объекты можно разделить на три группы (рис. 7): с самовыравниванием, без самовыравнивания, с запаздыванием.

Большинство объектов металлургического производства относится к первой группе. Изменение выходной величины после возмущения происходит с постоянно уменьшающейся скоростью до момента достижения нового установившегося значения. Это свойство объекта восстанавливать нарушенное равновесие называется самовыравниванием.

В объектах без самовыравнивания изменение выходной величины происходит с постоянной скоростью и беспредельно (до возникновения аварийной ситуации).

Рис. 7. Примеры объектов и кривые их разгона:

а -- с самовыравниванием; б -- без самовыравнивания; в -- с запаздыванием.

В объектах с запаздыванием регулируемая величина начинает изменяться не одновременно с изменением выходной, а через некоторое время t₀ = Llv_L, называемое временем запаздывания (L--длина пути; v_L --скорость движения).

Реальные кривые разгона (рис. 8), снятые на промышленных объектах, несколько отличаются от рассмотренных.

При определении параметров, характеризующих динамические свойства объектов, используются следующие динамические параметры:

время запаздывания t₀ (отрезок на оси абсцисс от момента начала возмущения до момента пересечения касательной с осью абсцисс);

постоянная времени Т, характеризующая инерционные свойства объекта управления, -- это время, в течение которого выходная величина переходит из одного установившегося состояния в другое, если изменение этой величины будет проходить с постоянной максимальной скоростью;

коэффициент передачи объекта, Коб= ?Y/?Х, число единиц измерения выходной величины, приходящихся на единицу входной величины

В производственных условиях часто невозможно снять кривые разгона, поскольку условия технологического процесса налагают

Рис. 8. Реальная кривая разгона Рис. 9. Импульсные характеристики объектов: а -- с самовыравниванием; б -- без-самовыравнивания

ограничения на предельные отклонения регулируемой величины.В этом случае для определения параметров, характеризующих динамические свойства объекта, используется импульсная характеристика, представляющая собой траекторию изменения выходного параметра при кратковременном изменении входного пара-метра (рис. 9). .

По импульсной характеристике определяют следующие параметры объекта:

e=Ymax имп / Fx ,

r= Fx /Fy ,

Fx= ? X dt--------Fy= ? Y dt--------

Время запаздывания т₀ определяется отрезком оси абсцисс от начала импульсного возмущения до вертикали, отсекающей на импульсной характеристике равные площадиF₁ и F₂.

В теории автоматического управления вместо кривой разгона используется переходная функция, представляющая собой траекторию изменения выходной величины во времени, вызванного единичным входным ступенчатым воздействием (?Х_ВХ = 1) при условии, что до момента приложения этого воздействия система находилась в покое. Эта характеристика обозначается h (t) и представляет из себя кривую разгона при единичном возмущении. Зная переходную функцию h (t), можно определить реакцию системы или объекта управления на входной сигнал любой произвольной формы. Такая возможность базируется на применимости к линейным системам принципа наложения (суперпозиции), заключающегося в следующем.

Реакция линейной системы на сумму входных воздействий равна сумме реакций на каждое из этих воздействий в отдельности.

Любое физически реализуемое входное воздействие может быть приближенно с какой угодно точностью заменено «лестничной» функцией (рис. 10). Возмущающее воздействие можно представить в виде суммы ступенчатых функций Х₀, ?X1, ?X, ..., ..., ?X_к, сдвинутых относительно друг друга на время ?t. Каждое из полученных таким образом элементарных ступенчатых воздействий X_k вызовет изменение выходной величины, которое от временной характеристики будет отличаться только множителем ?X_к и будет сдвинуто относительно начала отсчета времени t=0 на время t_k:

Y_k = ?X_кh (t-k?t),

где k = 1, 2, 3, ..., п.

Рис. 10. Представление произвольного входного воздействия «лестничной» функцией

Для оценки динамических свойств систем и объектов управлении чисто наряду с временными характеристиками используются чистотные характеристики, определяющие поведение систем и объектов управления при действии на вход гармонических колебаний. При синусоидальном изменении входного сигнала выходная величина также изменяется по синусоиде.

Очень редко динамические параметры системы или объекта управления определяются по волновым импульсные характеристикам, представляющим реакцию исследуемого объекта на два импульсных возмущения противоположного знака (рис. 11). Обычно волновые характеристики, снятые для различных значений ?t, являются исходными данными при построении частотных характеристик.

Всякую систему или объект автоматического управления, с точки зрения протекающих в них динамических процессов, можно представить как совокупность отдельных элементов. Такие элементы, называемые звеньями, обладают автономностью заключающейся в том, что изменение динамических свойств одного звена не отражается на динамических свойствах других звеньев, и однонаправленностью в передаче воздействий, т. е. входные величины влияют на выходные, но обратное воздействие отсутствует.

Рис. 11. Волновые импульсные характеристики

Отдельные различающиеся по физическим свойствам звенья в динамическом отношении оказываются подобными. В зависимости от порядка и вида дифференциального уравнения, определяющего зависимость Y от X_вх звенья "подразделяются на несколько типов. Характеристики различных типовых объектов управления приведены в табл. 1.

Зная динамические свойства отдельных элементарных типовых звеньев, можно достаточно просто определить динамические свойства сложного объекта управления или системы.

Таблица 1

Типовые звенья САУ

Статические и динамические характеристики объектов управления так же, как и других элементов систем автоматического упраления, являются исходными данными для аналитических и графоаналитических расчетов переходных процессов в проектируемой системе управления. Это позволяет осуществить качественный и количественный анализ показателей, характеризующих эффективность работы системы управления, и своевременно принять меры для корректировки значений некоторых параметров системы в нужном направлении.

2. Автоматизация процесса разливки на МНЛЗ

МНЛЗ является высокомеханизированным объектом управления. На МНЛЗ автоматизировано выполнение следующих операций:

регулирование уровня металла в промежуточном ковше и кристаллизаторе;

регулирование скорости- охлаждения слитка;

резка слитка на заготовки мерной длины с заданными допусками;

контроль длины и скорости вытягивания слитка;

контроль температуры и давления охлаждающей воды;

контроль уровня металла в промежуточном ковше и кристаллизаторе;

регулирование расхода и давления кислорода и газа на резку.

Структурная схема контроля и регулирования приведена на рис. 12

Рис. 12Структурная схема управления МНЛЗ с помощью УВМ! / -- УВМ; 2 -- выходное печатающее устройство; 3 -- сматывающее устройство; 4 -- сигнализация; ЛСАК и ЛСАР -- локальные системы контроля н регулирования; Ш-У--ЗПУ -- пульты управления

Управление МНЛЗ осуществляется с пультов управления:

1. Главного поста ГПУ, размещенного на разливочной площадке, на котором находится аппаратура управления:

исполнительными механизмами (электродвигателями);

тележками горизонтального перемещения, подъема, а также и центрирования промежуточных ковшей;

стопорами сталеразливочного и промежуточных ковшей; механизмом качания кристалли- ;

затора и прижима его водяных коллекторов; приводной роликовой станцией вторичного охлаждения^

механизмом центрирования затравки;

-- воздуходувками для подачи струй воздуха на поверхность охлаждаемого водой слитка и сдува воды;

станцией жидкой смазки кристаллизатора; вентиляторами продувки двигателей и аэраторов и др.

Кроме того, на главном посту управления находятся телевизоры, приемники, телеинформации которых размещены на всех элементах МНЛЗ.

2. Пост управления 2ПУ, размещенный на участке газовой
резки С 2ПУ, управляет механизмами и машинами:

газовой резки слитка;

расцепления затравки;

передачи заготовок на рольганг и др.

3. Пульт управления ЗЛУ, установленный в зоне вторичного охлаждения, на который выведено управление:

механизацией настройки величины хода секций;

гидроцилиндрами перемещения секций;

водяными задвижками отдельных секций.

Кроме этого, имеются индивидуальные пульты управления второстепенными механизмами: насосами, задвижками и т.п.

В случае применения ЭВМ для управления МНЛЗ посты| управления сохраняются (см. рис. 12), но их функции распределяются. При этом управление работой локальных систем контроля ЛСАК и регулирования ЛСАР передается ЭВМ, с помощью которой оптимизируются тепловые режимы кристаллизатора, работа системы охлаждения, а также резка слитка на слябы в зависимости от величины входных параметров.

Регулирование уровня стали в промежуточном ковше и кристаллизаторе является одной из основных операций, определяющих качество слитка и эффективность работы МНЛЗ.

Повышение уровня стали, например в промежуточном ковше, приводит к переполнению кристаллизатора и к нарушению теплового режима его в сторону избытка тепла, в результате чего оказывается необходимым уменьшить скорость вытягивания слитка, а это приводит к понижению производительности установки, что, конечно, недопустимо.

Наоборот, внезапное уменьшение уровня металла приведет к понижению уровня стали в кристаллизаторе, смещению теплового баланса зоны кристаллизации металла и ухудшению работы механизмов вытягивания, особенно в случае применения радиальных МНЛЗ, не говоря уже о прорыве металла вниз. Поэтому этой САР всегда уделялось и уделяется большое внимание.

Разработаны и испытаны разнообразные конструкции датчиков уровня металла в промежуточном ковше, кристаллизаторе и сталеразливочном ковше (тензометрические, индукционные, радиоактивные, фотоэлектрические и т. п.), регулирующих органов струи жидкого металла (стопоров, шиберов, квантователей и т. п.), а также способы регулирования:

изменением расхода металла из сталеразливочного ковша, из промежуточного, из обоих одновременно;

изменением скорости вытягивания слитка;

изменением расхода металла и скорости вытягивания одновременно.

В результате наиболее эффективней оказалась схема регулирования, показанная на рис. 13

\Рис. 13. Схема контроля и управления процессом разливки на МНЛЗ: МП -- местные приборы пуска--остановки; 1ПУ -- главный пульт управления; ГЩ ~ главный щит контроля и управле-. ния; К -- ковш; ШС -- шиберные стопоры; ИМ -- исполнительные механизмы

Рис. 14. Принципиальная схема контроля и управления МНЛЗ:

1, 2 -- ковш; 3 -- секции вторичного ' охлаждения; 4-- тянущая клеть; 5 --. приемная корзина; 6 -- кристаллизатор; 7 -- газорезка; 8 -- газораспределительный щит

Ведущими являются показания галогенных счетчиков гаммаизлучения Dp радиоактивного изотопа (0_о, Z_z и др.), установленных в верхней части кристаллизатора K_р. В зависимости от интенсивности излучения регулятор уровня металла в кристаллизаторе воздействует на исполнительный механизм промежуточногоковша ПК, увеличивая или уменьшая подачу металла к кристаллизатору.

Одновременно сигнал передается и на регулятор уровня металла в промежуточном ковше ПК, который, если это необходимо, изменяет подачу металла из сталеразливочного ковша К воздействуя соответствующим исполнительным механизмом на шиберный стопор ШС.

САР допускает прямое воздействие оператора на процесс, для чего на 1ПУ, а также на местном щите предусмотрены соответствующие кнопки.

Контроль и регулирование теплового режима кристаллизатора и секций вторичного охлаждения осуществляются установкой датчиков (обычно медных термометров сопротивления типа ТСМ) до и после контрольной точки.

Управляющий сигнал -- разность температур, которая не должна превышать 10--15°. Вторичные приборы -- обычно автоматические уравновешивающие мосты переменного тока многоточечные регистрирующие. Регулирующие органы -- заслонки типа ПРЗ и клапаны. Расход воды измеряется с помощью сужающих стройств -- дисковых или камерных диафрагм типа ДДН или ДКН и дифманометров ДМ. Применяются также и другие, более компактные типы расходомеров: ротационные, «индукционные и т. п. (рис. 14).

Структурная схема АСУ МНЛЗ приведена на рис. 15. Система работает следующим образом. На основании вводимых в УВМ диспетчерских и технологических данных о марке стали, сечении кристаллизатора, массе поданной плавки и ее температуре УВМ рассчитывает скорость разливки, расходы воды на кристаллизатор и систему вторичного охлаждения, а также расход смазки, подаваемой в кристаллизатор. Полученные расчетные данные выводятся на экран станции индикации в форме технологических рекомендаций и одновременно (при работе УВМ в замкнутом режиме) вводятся в узлы задания локальных систем управления. В их число входят следующие системы управления: расходом воды на кристаллизатор, расходом воды на зоны вторичного охлаждения, подачей смазки, раскроем слитка, электроприводом тянущих клетей.

Рис. 15. АСУТП разливки стали на МНЛЗ

металлургия сталь разливка горение

В процессе разливки в систему сбора и переработки информации АСУ МНЛЗ поступает информация от перечисленных локальных систем и после необходимой обработки (проверка на достоверность, усреднения, введения поправок и т. д.) используется для динамического управления режимом разливки: коррекции скорости разливки, расхода воды в систему, вторичного охлаждения, расхода смазки, а также для оптимизации раскроя слитка на мерные длины в процессе перехода от одной плавки к другой или в период окончания разливки. Одновременно в системе peaлизуется алгоритм слежения за плавкой от конверторного отделения до линии отделки, куда передаются данные о плавке, разлитой на МНЛЗ: номер плавки, продолжительность разливки, мерная длина, число отлитых длин, шифр кристаллизатора и т.д.

После окончания разливки печатается паспорт, содержащий номер плавки, шифр кристаллизатора, время начала и конца разливки, заданную мерную длину и число мерных длин с каждого ручья. Кроме того, в системе формируются данные о технико-экономических показателях работы МНЛЗ, которые выдаются в конце месяца в виде отчетного документа.

Размещено на Allbest.ru