Автоматизированная система управления стекловаренной печи (регулирование уровня стекломассы в бассейне)

Размещено на http://www.allbest.ru

1

Саратовский государственный технический университет

имени Гагарина Ю.А.

Кафедра: «Строительные материалы и технологии»

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ СТЕКЛОВАРЕННОЙ ПЕЧИ (РЕГУЛИРОВАНИЕ УРОВНЯ СТЕКЛОМАССЫ В БАССЕЙНЕ)

Пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине

«Автоматика и автоматизация производственных процессов»

Выполнил: студент гр. ПСК -41

Ибрагимов А.М.

Проверил: к.т.н., ассистент

Зинченко С.М.

Саратов 2014

Содержание

Введение

Общее описание технологического процесса

Описание АСУ в статике

Описание работы АСУ

Техника безопасности

Заключение

Список использованных источников

Введение

Автоматизация производственных процессов - одно из важнейших направлений технического прогресса всех отраслей народного хозяйства. В настоящее время средства автоматизации получают самое широкое применение в различных сферах деятельности человека. Высокая эффективность и широкое внедрение автоматизации производственных процессов могут быть достигнуты лишь в результате совместимых усилий специалистов в области автоматики и в области технологии.

Автоматизация дает возможность получить высокую производительность труда, поскольку практически отсутствует зависимость между производительностью машины и интенсивностью труда человека. Автоматизированные производства повышают социальную и экономическую эффективность труда, а также способствуют охране окружающей среды. К социальной эффективности относится: облегчение труда рабочих, улучшение санитарно-гигиенических условий и повышение общего культурного уровня жизни человека. стекловарение печь автоматизация стекломасса

Под экономической эффективностью понимают улучшение экономических показателей производства: производительности труда, себестоимости, качества продукции, снижение расходов топлива, электроэнергии, сжатого воздуха, сырьевых материалов. Автоматизация - это завершающий этап развития того или иного производства. Она является следствием бурного развития микроэлектроники и микропроцессорной техники. Использование достижений фундаментальных наук, лазерной техники, ядерной физики позволяет создать приборы, обладающие высоким быстродействием, чувствительностью и точностью. В настоящее время на заводах ПСМ применяются различные приборы для контроля давления, температуры, расхода жидкости и газов, уровня материалов и так далее. В ПСМ нашли применение микропроцессорные регуляторы и контроллеры, для управления технологическими процессами используются компьютеры. Применение указанных приборов сыграло большую роль в автоматизации производственных процессов. Автоматизация приняла такие размеры, что в большинстве случаев она стала неотъемлемой частью технологии производства, в будущем она приобретёт еще большие размеры.

Общее описание технологического процесса

Процесс стекловарения является основным технологическим процессом производства стекла и стеклоизделий. Прежде чем сформулировать задачи автоматизации, кратко рассмотрим основные стадии процесса стекловарения в ванных печах и особенности технологического агрегата - ванной стекловаренной печи.

Обычно рассматривают следующие стадии процесса стекловарения.

1) Стадия силикатообразования характеризуется тем, что к концу её основные химические реакции в твердом состоянии между компонентами шихты закончены. В шихте не остаётся отдельных составляющих её компонентов, большинство газообразных включений улетучивается. Для обычных натрий-кальциевых стекол эта стадия завершается при температуре 800 -900 ⁰С и характеризуется плавлением, кипением шихты и постепенным уменьшением объема куч шихты от загрузки в глубину варочной части.

2) Стадия стеклообразования характеризуется тем, что к концу её стекломасса становится прозрачной, в ней отсутствуют непроваренные частицы шихты, однако она пронизана большим количеством пузырей и свилей. Эта стадия завершается при температуре 1150-1200 ⁰С.

3) Стадия дегазации (осветления) характеризуется тем, что в конце её стекломасса освобождается от видимых газовых включений, устанавливается равновесное состояние между стекломассой (жидкой фазой) и газами, остающимися в самой стекломассе (газовая среда). Внешним характерным признаком является наличие варочной пены. Отсутствие пены свидетельствует от завершении процесса осветвления.

4) Стадия гомогенизации характеризуется однородностью и освобождением стекломассы от свилей. Визуально для процесса характерно чистое зеркало стекломассы при более низких температурах.

5) Стадия студки характеризуется снижением температуры на 200-300⁰С, необходимым для достижения рабочей вязкости стекломассы. После прохождения стадии студки стекломасса при определенной температуре и вязкости поступает на формование, где из нее вырабатывается лента стекла или стеклоизделия.

В настоящее время процесс стекловарения на промышлености предприятиях осуществляют в ванных стекловаренных печах, где догрузка шихты, варка стекла и выработка ленты стекла (или стеклоизделий) происходят в течение всей кампаний печи непрерывно и одновременно.

Ванная стекловаренная печь состоит из бассейна, пламенного пространства, регенераторов, переводных клапанов и загрузчиков шихты. Бассейн представляет собой ванну, выложенную из огнеупорных брусьев и расположенную на самостоятельном оснований. Стены бассейна, испытывающие гидростатическое давление стекломассы, обвязывают металлическими креплениями, а варочную часть снабжают дополнительно искусственным охлаждением. Пламенное пространство ограничено стенами и сводом, подвешенными на металлических опорах. Между стенами и бассейном печи оставляют закладываемый огнеупорным кирпичом промежуток (заклинок) высотой до 120 мм для наблюдения за печью и ее обслуживания. Стены и свод выкладывают из динаса и изолируют материалами, стойкими при высоких температурах. Бассейн печи выкладывают из огнеупорных брусьев, например, «Бакор-33», «Бакор-41».

Регенераторы представляют собой камеру прямоугольного сечения, внутри которой расположена насадка, выложенная из шамотного кирпича. Регенераторы служат для использования тепла отходящих газов и нагрева воздуха, подаваемого в горелки ванных печей с поперечным направлением пламени. Они могут быть вертикальными и горизонтальными. Чаще применяют вертикальные регенераторы.

Подачу горючего газа и воздуха, а также отвод отходящих газов в регенеративных печах производят с помощью переводных клапанов.

Топливо (газ, мазут) подают в печь обычно через водоохлаждаемые форсунки, которые вставлены в щечки горелок. Снизу в горелки подается предварительно подогретый в регенераторах воздух. Топливо поступает по раздельным трубопроводам для каждой стороны печи и разводится по горелкам. Подача воздуха на современных стекольных заводах осуществляется принудительно с помощью вентиляторов под насадки регенераторов.

В настоящее время применяют следующие схемы подачи воздуха: от одного вентилятора в боров; индивидуально в каждую секцию регенератора от общего вентилятора; индивидуально в каждую секцию регенераторов при количестве индивидуальных вентиляторов, уменьшенном вдвое.

Для охлаждения огнеупоров стены стекловаренной печи охлаждают сжатым воздухом.

Автоматизация технологического процесса стекловарения является сложной проблемой. Основной технологический агрегат - стекольного производства - ванная стекловаренная регенеративная печь с поперечным направлением пламени представляет собой многозвенный объект с распределенными параметрами, значительной инерционностью и свойством самовыравнивания, воздействующим как на входные, так и на выходные параметры.

В качестве входных параметров объекта регулирования могут быть приняты: расход газа по горелкам, расход воздуха на горение, химический состав шихты, давление в печи, а также ряд дополнительных факторов (температура окружающей среды, атмосферное давление, теплотворная способность газа и пр.).

В качестве выходных параметров могут быть приняты: объем отбираемой из печи стекломассы, ее выработочная характеристика - вязкость, зависящая от химического состава и температуры расплава стекломассы.

Схематически стекловаренная печь представляет собой ванну с расплавом стекла, поверхность которого частично покрыта шихтой и варочной пеной. Сверху к поверхности стекломассы примыкает газовое пространство, в котором расположены газовые горелки, направляющие поток тепла в стекломассу.

Для полного математического описания стекловаренной печи необходимо одновременно моделировать процессы, происходящие в газовом пространстве, факелах горелок, шихте и стекломассе. Это сложная и трудоемкая задача. При моделировании процессов, происходящих в стекломассе, последнюю считают одновременной несжимаемой ньютоновской жидкостью. Каждый элемент объема характеризует следующими параметрами: полностью р, давлением Р, температурой Т и скоростью u.

Основными задачами автоматизации процессов стекловарения являются:

стабилизация основных технологических параметров стекловарения с целью получения стекломассы заданного качества и количества;

оптимизация технологического процесса стекловарения по технико-экономическому критерию.

В настоящее время ванные стекловаренные печи в той или иной степени оборудованы локальными системами автоматического регулирования отдельных технологических параметров, в задачу которых входит поддержание значений этих параметров, найденных при первоначальной настройке режима печи и корректируемых по мере надобности обслуживающим персоналом. К локальным системам относятся системы автоматического регулирования уровня стекломассы, расхода газа по горелкам, давления в пламенном пространстве печи, соотношения топливо - воздух, загрязнения и др. В данном случае выбор режимных значений, которые должны поддерживаться в заданных пределах с помощью локальных систем автоматического регулирования (САР), производится эмпирических путем, т.е. подстройкой значений технологических параметров до первого устойчивого состояния. Рассматриваемые системы автоматического регулирования могут быть реализованы как на базе технических средств локальной автоматики (серийной контрольной, регулирующей аппаратуры), так и с применением управляющих вычислительных машин (УВМ), например, в режиме непосредственного цифрового управления (НЦУ).

Автоматические системы стабилизации технологических режимов процессов стекловарения (первая задача) дают возможность стабилизировать теплотехнические и технологические параметры, обеспечивая тем самым стабильную работу стекловаренных печей и стеклоформующих машин и других агрегатов формования ленты стекла или стеклоизделий.

Применение локальных систем автоматического регулирования повышает качество выпускаемой продукции, уменьшает брак, технологические отходы и улучшает условия труда обслуживающего персонала. Нарушение технологических процессов варки стекла в ванных печах в значительной мере зависит от соблюдения технологической дисциплины в дозировочно - смесительном цехе и главным образом от стабилизаций технологических режимов процесса сварки стекла.

Другая задача автоматизаций технологических параметров является весьма сложной проблемой, т.к. предусматривает создание автоматической системы управления, способной автоматически находить и поддерживать оптимальные технологические режимы в условиях непрерывного изменения внешних факторов. Создание подобной системы автоматического управления технологическими процессами стекловарения позволит выявить резервы повышения производительности и стекловаренных агрегатов, а также экономических и качественных показателей.

Создание таких систем автоматического регулирования требует построения общей математической модели объекта, охватывающей множественные взаимозависимости всех основных технологических параметров, разработки технологических критериев и применения средств вычислительной техники.

Описание АСУ в статике (состав оборудования системы и КИП)

Основное назначение разрабатываемой АСУ ТП - управление протекающими в печи процессами варки стекломассы и подготовки её для дальнейшей обработки на стеклоформовочных машинах.

Конструктивно печь состоит из четырёх частей: регенераторы, варочная часть, рабочая часть, фидерная часть (питательный канал).

Назначение регенераторов заключается в прогреве воздуха перед сгоранием.

Варочная часть представляет собой ванну с расплавленным стеклом, которая подогревается горелками. В функции системы автоматического управления процессом варки стекла входят контроль и управление работой пяти взаимосвязанных контуров варочной части печи, регулирующих расход газа, расход воздуха, давление в печи, уровень стекломассы и перевод направления пламени. Регулирование расхода воздуха на горение реализовано энергосберегающим способом посредством изменения частоты вращения вала нагнетающего вентилятора. Система поддерживает расход воздуха по уставке или на таком уровне, чтобы содержание кислорода в отработанных газах, измеряемое кислородными датчиками, соответствовало заданной величине. Для определения расхода воздуха и газа мы отказались от использования традиционных систем измерения на основе сужающих устройств и применили термоанемометрические расходомеры типа РГА - 100 производства фирмы «Промтехносервис». В результате были сняты проблемы, связанные с использованием сужающих устройств для измерений при малых давлениях порядка 100 - 300 Па, отпала необходимость в соответствую щей регулирующей заслонке, а в составе контура появился полнофункциональный микропроцессорный прибор, выполняющий необходимые вычисления, со встроенным интерфейсом для подключения к основному контроллеру.

Рабочая часть печи представляет собой разветвлённый канал, куда после «грубого» нагрева в варочной части поступает стекло для первичной подготовки, то есть для уменьшения колебаний температуры внутри стекломассы.

В фидерной части производится полная доводка стекломассы до состояния однородности температуры по всем слоям. В рабочей и фидерной частях печи реализовано 19 контуров регулирования температуры. Посредством применения многоканальных пирометров М680L фирмы производится точное регулирование температуры для окончательной гомогенизации стекломассы перед выдачей её на формующие машины, в результате при температурном разрешении пирометра 0,1°С достигается предельная величина отклонения от заданного значения температуры всего ±1°С.

Измерение температуры производится с помощью не только радиационных пирометров, но и термопар. Контролируются 82 точки в печи, не считая точек измерения температур поступающего газа, воздуха, отработанных газов.

Поддержание постоянного уровня стекломассы в бассейне стекловаренной печи в значительной мере влияет на процесс стекловарения и выработки стекла. От стабильности уровня стекломассы зависит качество вырабатываемой продукции и износ огнеупорной укладки, которая наиболее интенсивно разрушается на границе раздела стекломассы и газового пространства печи. При поддержании уровня стекломассы постоянным скорость разрушения огнеупорных брусьев существенно снижается за счет теплового равновесия в брусе между теплом получаемым от бассейна печи, и охлаждением сжатым воздухом наружной стороны бассейна.

Для улучшения технологического режима процесса стекловарения считают целесообразным осуществлять непрерывную загрузку шихты, причем чем длительнее работа загрузчиков, тем равномернее покрытие зеркала стекломассы шихтой. При позиционном регулирований уровня стекломассы в бассейне печи возникает колебательный режим, изменяющий как уровень стекломассы, так и границу шихты и плотной пены. При применении непрерывных регуляторов уменьшается амплитуда колебаний, а потому использование П- и Пи регуляторов повышает эффективность системы автоматического регулирования уровня стекломассы и улучшает качество стекломассы, идущей на выработку.

Для контроля уровня стекломассы применяют поплавковые, электроконтактные, пневмотические, оптичесике и радиационоптические уровнемеры. Наибольшей точностью контроля обладают оптические уровнемеры (например, разработки Киевского филиала ВИАСМ ).

В настоящее время предпочтение отдается системам автоматического регулирования уровня с пропорционально-интегральными (ПИ) законами регулирования. Применение более сложных систем для стабилизации уровня стекломассы является целесообразным, так как в этом случае повышается точность поддержание заданного уровня стекломассы и уменьшается возмущения, вносимые цикличной подачей шихты.

В ходе управления технологическими процессами стекловарения и выработки стекла выявляется необходимость в использовании дополнительной визуальной информации, характеризующей состояние того или иного технологического процесса производства.

На стекольных заводах обычно обслуживающий персонал осуществляет визуальный контроль путем непосредственного наблюдения за технологической ситуацией через смотровые отверстия, например, ванной стекловаренной печи. Естественно, такой контроль является кратковременным, так как производится в условиях сильного теплового излучения от стенок технологического агрегата. На современных же стекловаренных агрегатах непосредственный визуальный контроль в значительной мере еще затруднен из-за герметизации бассейна стекловаренной печи.

Описание работы АСУ

Осветление стекла, т.е. освобождение стекла от мельчайших воздушных пузырьков, лучше всего протекает в ванной печи при нейтральном давлении на уровне поверхности стекломассы. Для поддержания постоянства заданного температурного режима стекломассы нельзя допускать, чтобы в печь проникал воздух из цеха, который неизбежно будет резко охлаждать поверхностные слои стекломассы. Чтобы предотвратить возможность проникновения воздуха в печь через не плотности кладки, следует держать слабоположительное давление в газовом пространстве печи.

С учетом этих двух условий стекловарение стремятся осуществлять при слабо-положительном давлении газового пространства над уровнем стекломассы, которое регулируется изменением тяги при помощи шибера, устанавливаемого перед дымовой трубой. Постоянство давления в печи важно еще и для стабилизации количества тепла, поступающего из варочной зоны печи к ее выработочной зоне. Продолжительное изменение давления в варочной зоне хотя бы на 0,02 мм вод.ст. уже вызывает изменение температура газовой среды над стекломассой в выработочной зоне.

Разность давления в цехе и в газовом пространстве печи измеряют и автоматически регулируют при помощи чувствительного дифференциального микроманометра - регулятора типа ДМР. Его диапазон измерения 0/16 мм вод.ст.

На рис.1 показана принципиальная схема автоматического регулирования технологических параметров стекловарения в ванной печи. Для большей наглядности схемы все основное элементы обозначены парными индексами. Первая цифра обозначает тот или иной параметр, в схему регулирования которого входят данный элемент схемы, а вторая - порядковый номер данного элемента в этой схеме. Пользуясь индексацией, легко и просто проследить регулирование каждого из технологических параметров.

Например, все индексы, начинающиеся с цифры 1 (1-1; 1-2), относятся к схеме автоматического регулирования газа; с цифры 2 (2-1; 2-2) начинаются индексы, относящиеся к схеме автоматического регулирования количества воздуха, идущего в регенераторы. Индексы, начинающиеся с цифрой 3 (3-1;3-2), относятся к схеме автоматического регулирования величины давления в пламенном пространстве ванной печи.

Аналогичную систему индексации применяют в чертежах по автоматическому регулированию в стекольной, цементной и других отраслях промышленности.

При рассмотрении этой принципиальной схемы необходимо помнить следующие положения. По показаниям прибора и записям на диаграммной бумаге можно проследить количественные изменения основных технологических параметров (температуры, расхода газа и т.д. ) по времени, а также их величины в данный момент. Это дает возможность настроить автоматические регуляторы для получения оптимального технологического режима.

Потенциометр 5-3 автоматически корректирует задание регулятору количества газа в соответствий с отклонениями измеряемой температуры.

На прибор 1-7 автоматически подаются показания от датчика 2-2, где они соизмеряются с показаниями датчика 1-2, что и является основанием для автоматического регулирования соотношения газ-воздух. Основным, ведущим параметром, по которому регулирует это соотношение, является количество газа, идущего на ванную печь. При изменений теплотворной способности газа величина заданного соотношения газ-воздух может быть изменена вручную по данным анализа отходящих газов.

Следует обратить внимание на линии, идущие от схемы автоматического управления переводом направления пламени (4-5) к схемам регулирования технологических параметров (1-6, 1-7, 3-3, 5-3, 6-2). Эти линии показывают работу реле отклонения регуляторов РОР. Оно отключает регуляторы на время самого перевода (который длится меньше минуты). Вследствие этого достигаются лучшие результаты в процессе автоматического регулирования.

Контрольно - измерительные приборы, установленные в машинно-ванном цехе, должны обеспечить непрерывный контроль основных и наиболее характерных параметров. В большинстве случаев это показывающие приборы. Там, где динамика изменения параметра может служить основанием для оценки хода технологического процесса, применяет прибора приборы - самописцы. Диаграммные записи приборов, как правило подшивают и хранят в течение всей кампаний печи. Они, в дополнение к ежедневным технологическим записям дают возможность производить углубленный анализ режимов работы агрегатов. Обычно на печах оконного стекла устанавливают от 400 до 500 приборов, реле, регуляторов, специальных устройств и средств автоматизации. Поскольку конструктивные особенности почти каждой стекловаренной печи и здания машинно-ванных цехов различны, места для установки щитов с аппаратурой, датчиков приборов, исполнительных механизмов и регулирующих органов, а также трассы прокладок проводов и труб, решаются проектантами для каждой печи по - разному. Если аппаратурное оформление схем автоматики, компоновка арматуры на щитах и их размещение решаются для каждого конкретного случая, то сами схемы, как правило, сохраняют тот же принцип построения.

Техника безопасности

Природный газ и жидкое топливо подают на завод централизованно. Газопроводы и мазуто проводы на вводе в цех должны иметь отключающие устройства -- задвижки, вентили, краны. Во избежание ожогов пламенем вентили, регулирующие подачу топлива и воздуха к горелкам и форсункам, и приводы для управления ими устанавливают в стороне от горелочных отверстий (на расстоянии не менее 0,5 м).

Для обслуживания главного свода и обвязки ванных печей устанавливают металлические площадки с перилами.

Все элементы систем охлаждения печей, подвод воды, газа и воздуха, а также вентиляционные устройства должны быть герметичны. При водяном охлаждении воду нужно подводить в самую нижнюю часть охлаждающих элементов, а отводить нагретую воду -- от верхней части. Температура воды, выходящей из холодильника, не должна превышать 50° С. Система водо-охлаждения должна исключать возможность соприкосновения воды с расплавом стекломассы и огнеупорными материалами кладки.
В стекловаренных печах, имеющих устройства для бурления стекломассы или электро-обогрев (ввод электродов через дно бассейна), для удобства обслуживания сопл и электродов служат решетчатые площадки с лестницами, расположенные под дном на расстоянии 1,8 м от донных балок печи. Для освещения применяют лампы напряжением до 12 В.

Вблизи ванной печи и машинного канала, а также в подвале печи устанавливают достаточное количество пожарных гидрантов, обеспечивающих бесперебойную подачу воды с давлением не ниже 2 кгс/см².

В инструкциях по обслуживанию стекловаренных печей особое место уделяется способам предупреждения и ликвидации аварий на печах (прогорание участков свода, стен бассейна, разрушение плоских арок, горелок) и действиям обслуживающего персонала по ликвидации аварий. К авариям относятся: утечка стекломассы через стены и дно бассейна печи; падение части секции или целой секции главного свода ванной печи; взрывы в печном пространстве, регенераторах и дымоходах; неисправность переводных устройств, не позволяющая переводить топливо и воздух; остановка вентилятора принудительной подачи в печь воздуха на горение; отключение воздуха обдувания кладки стекловаренной печи; отключение подачи воды к холодильникам у засыпочного кармана, а также к холодильникам для охлаждения узлов кладки печи; отключение топлива и электроэнергии; разрушение сводов регенераторов, падение сводов горелок, мостов на машинном канале, плоских арок загрузочного кармана или экрана и т. д.

При утечке стекломассы через стены бассейна необходимо принять следующие меры: прекратить подачу газа в печь в районе течи, предупредив ГРП (газораспределительный пункт); на место течи положить гребок или лист, направив на него струю воды или компрессорного воздуха; установить внутри печи холодильник в месте течи; засыпать большое количество шихты и направить ее к месту течи.

При падении секции свода следует выключить подачу газа в печь, сообщив об этом в ГРП; фермы и крышу над местом аварии поливать сильными перекрестными струями воды.

При падении плоской арки загрузочного кармана необходимо выключить подачу газа в первую пару горелок и создать разрежение в печи; откатить загрузчики и изолировать асбестом шихтовые бункера со стороны ванной печи; оборвать ленты стекла на 1--2 машинах; перекрыть обвалившиеся участки плоскими холодильниками и асбестовыми ширмами и обеспечить интенсивное охлаждение колонн загрузочного кармана.

Заключение

Описанная АСУ построенная на базе приложений и с доминирующим применением изделий, должна показать достаточно высокую отказоустойчивость программного обеспечения и аппаратуры, а также обладает высокой гибкостью и возможностью внесения изменений. Но самое главное на наш взгляд то, что данная система управления стекловаренной печью позволяет существенно повысить качество выпускаемой продукции.

Список использованных источников

1. Волчкевич Л.И. Автоматизация производственных процессов / Уч. пособие для вузов. - М.: Машиностроение, 2007.

2. Боронихин А.С., Гризак Ю.С. Основы автоматизации производства и контрольно-измерительные приборы на предприятиях промышленности строительных материалов / Учебн. для техн. - М.: Стройиздат, 1974. - 312 с.

3. Автоматизация производственных процессов в промышленности строительных материалов / Под ред. А.А.Ларченко. - М.: Стройиздат, 1975. - 344 с.

4. Нечаев Г.К., Пух А.П., Ружичка В.А. Автоматизация технологических процессов на предприятиях строительной индустрии / Уч. пособие для вузов. - Киев: Вища школа, 1979. - 280 с.

5. Автоматизация производственных процессов и АСУП промышленности строительных материалов: Учебник для техникумов. В.С. Кочетов, А.А. Ларченко, Л.Р. Немировский и др. ; Под.ред. В.С. Кочетова - Изд.2-е. 1981 - 456с.

Размещено на Allbest.ru