Некорректный подбор количества основных составляющих шихты ведет к ухудшению качества, получаемых при проведении процесса окомкования, готовых окатышей, что влечет за собой сложности при их транспортировке к обжиговой машине. Таким образом, определение необходимого и достаточного количества бентонита и уменьшение всех видов затрат при производстве окатышей представляет собой актуальную и сложную народнохозяйственную проблему.

Широкое внедрение окомкования сыпучих материалов, рост объемов перерабатываемого сырья требуют улучшения существующих режимов указанного технологического процесса. В этой связи создание и внедрение эффективных алгоритмов и устройств контроля основных параметров процесса окомкования и энергосбережения, а также материалов следует считать перспективным направлением научных исследований в металлургии. При этом устройства контроля основных параметров окомкования должны отвечать требованиям технологов по точности, надежности, простоте обслуживания.

Из всего сказанного выше следует, что АСУТП дозирования компонентов шихты должна увеличить надежность работы технологического оборудования, повысить КИО, снизить энергозатраты на единицу выпускаемой продукции, увеличить производительность чашевого окомкователя, увеличить продолжительность срока эксплуатации оборудования, улучшить качество готовой продукции, увеличить оперативность управления процессом, улучшить условия труда технологического персонала.

Модернизация средств КИПиА и технических средств АСУТП должна включать в себя:

замена морально устаревшего и изношенного электрооборудования;

установка станций визуализации управления технологическим процессом с цветными мониторами и принтерами.

Требование к функциональной части системы

АСУТП должна обеспечить выполнение следующих задач:

оперативный контроль технологических параметров дозировки (расход и влажность концентрата, расход бентонита, расход известняка, расход воды и т.п.);

управление технологическими параметрами дозировки;

передача информации в сеть ФОК.

Подсистема оперативного контроля технологических параметров должна обеспечивать автоматизированный сбор, хранение, регистрацию и мгновенное отображение всех технологических значений, и дальнейшую передачу их в сеть ФОК.

Подсистема должна предусматривать:

программную защиту от несанкционированного вмешательства;

систему оповещения (со звуковым и речевым сопровождением), которая информирует оператора и обслуживающий персонал о неисправностях установки, событиях и состояниях процессов с фиксацией реального времени возникновения нештатной ситуации;

архивизацию значений технологических параметров за последние 72 часа (для рабочей записи параметра, с дискретностью - от 1 секунды до 1 минуты в зависимости от параметра);

вывод на печать фрагмента архива и рапортов (в табличном и графическом виде) по требованию оператора или пользователя.

Подсистема управления должна реализовывать следующие локальные контура:

расхода бентонита;

расхода известняка;

расхода воды.

Требования к сети ФОК

Она должна объединять все основные участки ФОК: обжиг №1, шихтоподготовка, участок обожённых окатышей, АБК ФОК).

Должно быть осуществлено подключение к сети ЛГОКа.

Сеть должна иметь возможность наращивания.

С любого персонального компьютера подключенного к сети должен осуществляться доступ к любой требующейся информации (архивы, рапорта, мгновенные значения).

Требования к системе визуализации

Система визуализации должна обеспечивать:

возможность осуществления поиска неисправностей, с использованием истории процесса;

возможность оперативного вмешательства в работу технологического оборудования;

возможность использования архивной информации;

возможность распечатки сообщений об изменении протекания технологического процесса.

Система визуализации должна реализовывать следующие функции:

Управляющие и информационные функции:

управление запуском и остановкой технологического оборудования с мнемосхемы на дисплее операторской станции.

отображение текущей информации о технологическом процессе в режиме монитора реального времени;

отображение состояния технологического оборудования (механизм избран, готов к запуску, нормальная работа, механизм разобран, готов к остановке, выключен) и режимов управления (местный/дистанционный);

выдача оперативной информации оперативно-дежурному персоналу ФОК;

выборка и передача показателей работы участка диспетчерской службе ФОК, в соответствии со структурой информационных потоков;

обработка и преобразование текущих данных в соответствии с разработанным функциональным и информационным обеспечением;

отслеживание аварийных ситуаций и включение сигнализации (остановка механизма без участия оператора, превышение номинальных токов электродвигателей);

отслеживание действий оператора;

отображение состояния элементов системы управления.

Советующая функция:

вывод на дисплей операторской станции рекомендаций для оперативно-дежурного персонала по управлению оборудованием, в соответствии со сложившейся технологической ситуацией.

Подсистема должна обеспечивать необходимую надежность работы и достоверность отображения данных.

Видеограмма работы технологического оборудования участка должна быть организована с учетом эргономических требований по цветовым сочетаниям и размерам объектов на дисплее, диалог оператора с персональной ЭВМ должен быть разработан с минимизацией действий оператора по выполнению той или иной функции.

Рапорта на сервере должны формироваться за смену, сутки, месяц и с начала года.

На сервере ФОК рапорта и архивы должны храниться в течение года.

1.5 Разработка математической модели

Модель разрабатываемой системы

Как показывает практика окомкования, количество увлажняющей жидкости в материале, поступающем на переработку, имеет первостепенное значение на течение процесса окомкования. Практически снижение влажности до оптимального уровня на большинстве железорудных фабрик окомкования осуществляется добавлением бентонита, что приводит к уменьшению качества окатышей за счет снижения в них содержания железа. В связи с высокой стоимостью бентонита, применение его в больших количествах для компенсации избыточной влаги нерационально. Проблема может быть решена путем определения минимально достаточного расхода бентонита, при добавке которого процесс окомкования происходит с достаточной эффективностью. Это может быть осуществлено путем разработки математической модели процесса формирования окатышей кондиционного размера, включающей определение минимального расхода бентонита.

Будем считать, что процесс окомкования характеризуется определенным набором параметров и условиями протекания этого процесса, совокупность которых может быть выражена в виде некоторого функционала , имеющего вид

,

где - разность между влажностью концентрата, определяемой измерителем влажности и расчетным значением ;

- расход концентрата, тонн/час;

- угловая скорость вращения чашевого окомкователя, м/с;

- тонина помола концентрата, т.е содержание класса минус 0,044 мм;

- содержание и в концентрате и шихте, и в бентоните и известняке;

- влажность шихты, определенная измерителем влажности при поступлении в чашевый окомкователь.

является функцией от многих переменных, и имеет вид

,

где - влажность концентрата поступающего на окомкование;

- влажность, необходимая и достаточная для формирования окатышей кондиционного размера наибольшей прочности;

- основность шихты;

- бентонит, упрочняющая добавка;

- известняк, флюсующая добавка;

- вода, добавляемая в окомкователь.

Рис. 1.2. Структурная схема получения сырых окатышей кондиционного размера

Рассмотрим факторы процесса окомкования и характеристики используемых материалов, которые имеют наибольшее влияние на величину Wш, в частности: Fcц.max - максимальное сцепление между двумя частицами сферической формы, объединенными жидкостной прослойкой в области контакта; Wсц - количество воды, необходимое для максимального сцепления частиц без учета пористости; Wпор - количество воды, поглощаемое микротрещинами и порами, расположенными на поверхности частиц исходного материала. С использованием этих данных определим минимальный расход бентонита. В работе [4] описана ситуация, при которой частицы соединяются плотно, т.е. имеют точку механического контакта. По мнению специалистов, в процессе окомкования с большей вероятностью частицы соединяются посредством водной прослойки. Будем считать, что равновесный краевой угол смачивания не зависит от расстояния b между двумя сферическими частицами (рис.1.3).



Рис.1.3. Схема взаимодействия комкуемой и комкующей частиц радиусами и соответственно

На рис. 1.3 показана трехфазная система: две частицы сферической формы радиусами и соответственно, прослойка жидкостной кольцевой манжеты и воздух. С учетом равновесия трехфазной системы:

где Fсц -- сила сцепления между сферическими частицами; п -- поверхность жидкостной манжеты; р(х,у) -- давление на элементарную площадку. Сила Fсц является суммой двух компонентов: силы F1 действующей благодаря двойной кривизне, и силы F2, обусловленной периметром смачивания частицы.

Сумму этих сил можно представить как силу, стягивающую частицы. Направление ее перпендикулярно к плоскости периметра смачивания [4]. Для нашего случая (рис.1.3.)



где -- радиус комкуемой частицы; 1 -- равновесный краевой угол смачивания поверхности меньшей твердой частицы жидкостью при контакте двух сферических частиц радиусами и ;

Аналогичным образом определяем соответствующие выражения для большего нижнего кольца (рис. 1.3.) водной манжеты:

Учитывая сумму всех проекций сил, компенсирующих внешнее давление (т.е. равнодействующую, стягивающую частицы) от кривизны жидкостной манжеты F1, а также силу F2, определяемую поверхностью натяжения жидкой фазы [2], получили силу сцепления двух частиц сферической формы разного диаметра:

где С=sin; E=sin; D=(1-sin2)0.5; G=(1-sin2)0.5; 1 -- краевой угол смачивания твердой частицы меньшего размера радиусом , 2 - краевой угол смачивания твердой частицы меньшего размера радиусом R2.

Поскольку процесс окомкования эффективен при незначительном угле смачивания 0 будем считать, что 1= 2=.

Анализ уравнения (1.8) показал, что наибольшая сила сцепления между двумя различными частицами наблюдается в диапазоне b=(00,1)R1, поэтому в дальнейшем примем, что b = 0,1R1.

Таким образом, получены аналитические выражения силы взаимодействия (сцепления) частиц как функции их размеров, расстояния между частицами, количества жидкости в точке контакта и смачивающей способности жидкости (краевого угла смачивания) для участвующих в окомковании частиц.

Согласно уравнению (1.8) с увеличением объема жидкости в области контакта комкуемой и комкующей частиц возрастает сила их сцепления, но до определенного предела.

Полученные выводы при рассмотрении данного вопроса показывают, что наилучшим вариантом увлажненности является состояние, когда жидкость начинает перетекать между частицами и обеспечивает необходимые и достаточные усилия при проведении процесса окомкования, в результате чего получаются окатыши наибольшей прочности. При определении влажности, оптимальной для процесса окомкования сыпучих материалов, состоящих из частиц размером от 5 до 150 мкм, для расчета объема воды V между двумя частицами принимаем радиус водной манжеты r1=0,55R1.

Для дальнейшего рассмотрения механизма взаимодействия необходимо определить объем воды при контакте сферических частиц комкующей и комкуемой фракций. Согласно схеме на рис. 1.3. общий объем воды соответствует объему тел вращения вокруг осей за вычетом объемов сегментов сфер радиусом R1 и R2 [3]:

V=V1+V2+V1c+V2c,

где V1 ,V2 -- объемы тел вращения.

С учетом уравнения окружности, объема тела вращения и объема сегмента как для комкуемой, так и для комкующей частиц объем жидкости при контакте этих частиц в функции их размеров, радиуса манжеты и угла смачивания равен:

Согласно принятой модели процесс окомкования характеризуется наслаиванием исходных частиц (комкуемой фракции) на комкующую частицу. Определяем общий монослой на ее поверхности. При этом указанное количество частиц определяется суммированием их числа в нечетных (N1) и четных (N2) сечениях при тетраэдрической укладке:

,

где

(здесь к - общее число слоев:



Оптимальная влажность шихты Wш -- это необходимое и достаточное количество влаги для свободного перемещения одной частицы без больших усилий относительно другой по поверхности комкующей частицы. Дальнейшее увеличение влажности может привести к улучшению взаимного перемещения данных частиц, но сцепление между ними резко ухудшится. И в этом случае наряду с фазой присоединения частиц появляется фаза разрыва связей между ними, что приводит к увеличению времени получения окатышей кондиционного размера [2].

Расчет достаточной увлажненности сыпучего материала

Влажность, необходимая для оптимизации процесса окомкования, определяется из соотношения:

Wтеор = Wcц + Wпор

Величина Wсц определяется известными способами [4], a Wпор -- по методике моделирования пористости частиц сыпучего материала (см. ниже).

Удельная поверхность характеризует дисперсное состояние твердого тела и определяется как площадь поверхности единицы массы твердого тела. Использование удельной поверхности необходимо для оценки правильности форм частиц, шероховатости их поверхности, наличия пор и т.д. Для определения теоретической пористости использовано понятие удельной поверхности сыпучего тонкоизмельченного материала, достаточно легко определяемой известными методами.

Допустим, что поры в исходной частице представляют собой конусы высотой h и радиусом основания rk. Так как наличие пор и трещин на поверхности частицы зависит от степени раскрытия зерен при измельчении комкуемого сыпучего материала, считаем, что наличие шероховатости и микропор на поверхности частицы является функцией размера полученных частиц после обогащения. Примем, что конусы на поверхности частицы расположены тетраэдрическим способом (каждый конус контактирует с шестью соседними конусами)[2] и направлены вершиной к центру частицы. Тогда общее число конусов на поверхности исходной частицы:

где Н=0, если k нечетное; =2arcsin[rk /(R1+rk)].

Объем конуса представляется в виде:

Vk1= 1/3Sh,

где S -- площадь основания конуса.

Таким образом получаем объем конусов, которые заполняются водой, т.е. объем воды, поглощаемой порами и трещинами, расположенными на поверхности частицы сыпучего материала:

Для определения зависимости высоты конуса h от удельной поверхности комкуемых материалов использованы данные ситового состава железорудных концентратов Полтавского, Соколовско-Сарбайского, Михайловского и Центрального (Кривой Рог) горно-обогатительных комбинатов[2].

Расчеты показывают, что зависимость высоты конуса h от удельной поверхности у имеет форму прямой с уравнением, разрешенным относительно ординаты, вида у=ах+b (рис.1.4.):

Рис.1. 4. Зависимость высоты конусов от тонины помола концентрата

Таким образом, получена зависимость между удельной поверхностью реальных материалов и высотой конусов h, которая по сути представляет собой степень раскрытия зерен и отражает условия измельчения этих материалов при подготовке последних к окомкованию.

Величину высоты конусов h, полученную при решении уравнения (1.18), подставим в (1.17) и определим объем воды, поглощаемый исходной частицей на стадии обогащения руды. Влажность исходных частиц концентрата, составляющих кондиционный окатыш, за счет адсорбирования воды в конусы равна:

где -- насыпная масса материала, -- объем твердого вещества в комкуемой частице радиусом R:

Vтв1 = 4/3R3

Определение влаги - оптимальной для окомкования (без учета пористости исходных частиц) по формуле:

,

где - объем воды, определяется по формуле:

,

где - объем водной прослойки в области объединения двух равных комкуемых частиц;

- число частиц, составляющих окатыш кондиционного размера;

4 - число контактов одной исходной частицы с соседними частицами.

Объем твердого вещества , содержащегося в полученном агрегате, определяется по формуле

,

где - радиус кондиционного окатыша;

- насыпной вес материала.

Расчетные значения , полученные с использованием изложенной выше теории, хорошо подтверждаются практикой окомкования рассмотренных материалов.

Определение количества флюсующих добавок

Так как прочность сырых окатышей имеет большое значение при их транспортировании до обжигового агрегата и для интенсификации последующего обжига, то применение упрочняющих добавок в практике окомкования обязательно.

В качестве связующих и упрочняющих добавок используют влагоемкие гидрофильные материалы, способные образовывать с водой устойчивые суспензии. Наиболее распространенная из них - бентонит, небольшие добавки которого повышают прочность сырых, высушенных окатышей и, кроме того, предотвращают разрушение их при быстром подъеме температуры во время обжига. Эффективное действие бентонита как связующей добавки достигается лишь при его тщательном смешивании с концентратом. Качество бентонитов влияет на прочность сырых и подсушенных окатышей.

Высококачественные набухающие бентониты обладают большой вязкостью и большой удельной поверхностью и характеризуются способностью удерживать большое количество кристаллизационной воды при температуре до 10730 К. Помимо своего основного назначения бентонит служит для поглощения излишней влаги, содержащейся в концентрате.

В связи со сравнительно высокой стоимостью бентонита изыскиваются новые связующие вещества для упрочнения окатышей. Исследован ряд органических и неорганических веществ. Органические вещества выгорают прежде, чем окатыши упрочняются при обжиге, что может привести к разрушению окатышей или их оплавлению. Следует отметить положительное влияние на прочность окатышей таких веществ, как железный купорос, гашенная или негашеная известь, известняк, доломит и др. Несмотря на большой объем проведенных исследований, материала равноценного по качеству бентониту не найдено. Поэтому в России в качестве упрочняющей добавки при окомковании применяется в широких масштабах бентонит. Вторым, наиболее используемым материалом является известняк. За рубежом в качестве упрочняющих добавок применяется гашеная известь и в процессе окомкования сыпучих железорудных материалов получают неофлюсованные окатыши.

Таким образом, шихта для производства окатышей представляет собой железорудный концентрат с добавками связующих веществ (бентонит), флюса (известняк) и других добавок.

Степень офлюсования характеризуется основностью, которая определяется отношением содержащегося в шихте известняка и кремнезема . Офлюсованные окатыши - это окатыши, полученные из смеси концентрата, бентонита и флюсующей добавки для достижения оптимального соотношения . Для окатышей эта величина колеблется в пределах от 0,15 до 1,27.

Целесообразность производства офлюсованных окатышей в первую очередь характеризуется необходимостью более эффективного использования объема доменной печи, благодаря исключению сырого известняка из состава шихты.

Зависимость химического состава шихты от ее основности определяется зависимостью:

,

где , , - содержание в концентрате, флюсующей добавке, бентоните соответственно, %;

, , - содержание в концентрате, известняке, бентоните соответственно, %;

- расход концентрата, %;

- расход известняка, %;

- расход бентонита, %.

Таким образом на основании задаваемой оператором величины основности шихты и используя (1.24) определяем, какое количество известняка необходимо ввести в концентрат при добавлении бентонита в качестве связующей добавки.

Влияние применения упрочняющих и флюсующих добавок

После нахождения оптимальной влажности определяем объем воды, поглощаемой бентонитом, и соответствующего ему объема известняка с учетом основности шихты. Данная добавка связующих веществ необходима для повышения термической устойчивости окатышей в процессе сушки и улучшения пластических свойств комкуемого материала при гранулировании.

Используя один из важнейших параметров качества бентонитовых глин - набухаемость, возможно определить какое количество воды впитывает в себя добавка этого вещества. Набухаемость показывает, во сколько раз масса и объем бентонита после поглощения воды больше массы и объема сухого вещества. Используя способность бентонитов поглощать воду и на основе справочного материала о набухаемости бентонитовых глин, имеем следующую формулу

,

где - набухаемость;

- объем добавки сухого бентонита.

Так как наряду с использованием бентонитовых глин имеет место добавление в комкующий материал такого связующего вещества как известняк, который также впитывает в себя воду, то необходимо произвести аналогичный расчет объема поглощаемой воды данной добавкой. Используя отношение между бентонитом и известняком и зная, что известняк поглощает в три раза меньше воды по отношению к бентонитовым глинам, имеем:

,

где - отношение соответствующего количества известняка к бентониту, добавляемого в концентрат для упрочнения окатышей;

- объем добавки известняка.

Следовательно, объем воды, поглощенный данными веществами, добавленными в концентрат, поступающий на окомкование из технологических соображений, будет составлять:

.

Так как бентонит и известняк являются водопоглощающими веществами, то возникает необходимость определить избыточную влагу в шихте, если таковая имеется после добавления бентонита и соответствующего количества известняка.

Определяем оптимальный объем воды в расчете на 1 тонну концентрата:

,

где - оптимальная влажность процесса окомкования сыпучих железорудных материалов, определенная по выражению (1.14).

Используя показания измерителя влажности после анализа концентрата, поступающего на окомкование, можем рассчитать количество воды, содержащейся в последнем:

,

где - влажность концентрата определенная измерителем влажности.

Таким образом, используя выражения (1.23), (1.28) и (1.29), определяем избыточный объем воды

Если полученный объем воды , то более в шихту никаких добавок делать не требуется и процесс окомкования сыпучих железорудных материалов будет оптимальным.

Если же полученный объем воды , то для достижения оптимальности процесса грануляции в шихту необходимо добавить недостающий объем воды, равный .

При в шихту должно быть добавлено определенное количество связующих веществ, таких как бентонит и известняк, которые находятся в соответствующих этим материалам пропорциях. Этот расчет производится по вышеуказанной методике определения объема воды, поглощаемой данными веществами. При постановке промышленных экспериментов в режиме нормальной эксплуатации объекта, связывающих параметры Qk, Qб, Wk, Wш, , выход окатышей кондиционного класса от 816 мм и обработки опытных данных, можно получить уравнение регрессии вида:

Qб = -К1 - К2*Wk + К3*Qk + К4*Wш - К5*Wk*Wш +К6*Wk2 - К7*Wш2

20<=Qk<=60; 9.1<=Wk<=10.5; 9.4<=Wш<=10.1,

где коэффициенты К1, К2,К3, К4,К5,К6,К7 определяются путем обработки результатов экспериментальных данных

Для нахождения неизвестных коэффициентов регулятора воспользуемся методом структурного моделирования. Программа нахождения коэффициентов регулятора приведена в приложении 4.

Оптимальными настройками для контуров бентонита (известняка) являются Кп=7.95, Ки=11.4; для контура расхода воды Кп=9.5, Кд=0.144, Тд=0.2. Рассмотрим работу системы дозирования компонентов шихты, которая представлена на рис. 1.6.

При поступления концентрата на дозирование происходит его взвешивание и осуществляется измерение его влажности. Если значение влажности попадает в диапазон M1 < Wк < M2 (значения M1,M2 задаются оператором), то значения расхода концентрата и его влажности поступают в блок формирования заданий. В противном случае оператору выдается сообщение о том, что влажность либо превышена, либо меньше допустимого и управление процессом будет осуществляться в ручном режиме.

В блоке формирования заданий по измеренным расходу концентрата (Qk) и влажности (Wk) в соответствии с зависимостью Qб = f(Wk,Wш,Qk) осуществляется вычисление необходимого расхода бентонита Qб. По полученному расходу бентонита и измеренному расходу концентрата, исходя из необходимой основности шихты вычисляется требуемый расход известняка Qи. Также в блоке формирования заданий вычисляется необходимая влажность шихты Wшзад для данных показателей концентрата, бентонита и известняка. После этого задания по расходам поступают в контуры регулирования расходов бентонита, известняка. Непосредственно перед подачей шихты в чашевый окомкователь происходит измерение ее влажности Wштек. Если Wшзад > Wштек, то осуществляется формирование необходимого количества воды, которое необходимо подать в окомкователь. В противном случае, при Wшзад < Wштек необходимо добавить в шихту определенное количество связующих веществ (минимальное).

Рис. 1.6. Математическая модель разрабатываемой системы

1.6 Выбор и обоснование технического обеспечения

Выбор контроллера

Исходя из требований к системе автоматизации дозирования компонентов шихты, необходимо выбрать контроллер, способный справится с поставленной задачей, обладающий при этом значительным потенциалом для расширения системы. Часть функций контроллера может взять на себя программное обеспечение для разработки систем автоматического управления в реальном масштабе времени - Scada-системы. Кроме того, при выходе из строя рабочей станции, его автономность позволит по графику завершить технологический процесс, с потерей при этом функций учета и архивирования параметров технологического процесса. Если же рабочая станция вышла из строя не на долго, то резерв оперативной памяти CPU контроллера позволяет программно реализовать буфер параметров, при прекращении квитирования, для важнейших передаваемых данных.

В настоящее время рядом зарубежных фирм, таких как Siemens, Allen Bradley, Honeywell, ABB и др., освоен выпуск большой номенклатуры контроллеров. Из отечественных контроллеров наибольший интерес представляет контроллер ЭК-2000 фирмы "Эмикон". Следовательно, существует проблема выбора контроллера для решения задачи управления. Основными требованиями к контроллеру должны быть его надежность, возможность работы в определенных температурных режимах, достаточное количество аналоговых и цифровых входов и выходов, возможность подключения системы визуализации, возможность объединения контроллеров в локальную сеть. Сравнительные характеристики по разным фирмам - изготовителям с основными показателями приведены в таблице 1.2.

Технологический процесс позволяет использовать любой из признанных полностью приемлемыми контроллеров, поэтому решающую роль в выборе программируемого контроллера в связи с вышеперечисленными условиями нормального функционирования системы играет цена, надежность, возможность быстрого обучения персонала или наличия готовых специалистов, доступность и качество сервиса.

Таблица 1.2.

Контроллер (изготовитель)	ОЗУ	Время обработки, мс	Количество входов-выходов(д/а)	Сетевые средства	Цена, у.е.
PLS-5 (Allen-Bradley)	40	0.5	512	DH+ Ethern.	15540
Advant-Controller 410 (ABB)	4	10	900/2300	MOBD Ethern.	15000
S9000 (Honeywell)	32	0.5	960	Ethern.	15200
ЭК-2000 (Эмикон)	32	20	256	MOBD Ethern.	5000
Simatic S7-300 (Siemens)	64	0.5	1024/128	Ethern. Profibus-DP MPI	3500

Исходя из оптимального соответствия поставленным задачам, выбираем контроллер фирмы «Siemens» - S7-300, хотя контроллер фирмы «Эмикон» ЭК-2000 составляет конкуренцию, обладая преимуществом в легкости программирования, возможностями для обучения персонала, упрощения заключения договоров на поставку оборудования отечественного производителя. ЭК-2000 уступает S7-300 в сетевых возможностях, не обеспечивает использования продукции одного производителя, т.е. панель оператора будет итальянского производства, система диспетчерского управления и контроля (Scada) будет совершенно другого производителя (в зависимости от сделанного выбора). Также необходимо добавить, что с фирмой Siemens ЛГОК тесно сотрудничает посредством фирмы Систем-сервис, что в свою очередь упрощает заключение договоров на поставку оборудования. Технические характеристики контроллера фирмы «Siemens» - S7-300 удовлетворяют требованиям разрабатываемой системы управления и достаточны для ее нормального функционирования.

Система автоматизации Simatic S7-300 построена модульно. В распоряжении стоит целый спектр модулей, к которым относятся:

центральные модули (CPU) различной производительности;

сигнальные модули (SM) для дискретных и аналоговых входов/выходов;

функциональные модули (FM) для быстрого счета и позиционирования;

блоки питания (PS) для подключения к сети 115/230 V;

интерфейсные модули (IM) для связи модульных шин, при многошинном построении.

Контроллеры отличаются высокой стойкостью к ударным и вибрационным нагрузкам и имеют два исполнения :

ь Стандартные системы с диапазоном рабочих температур от 0 до 60°С .

ь Системы с расширенным температурным диапазоном ( -25 до 60°С ) и повышенной стойкостью к воздействию влажности , конденсата и мороза. Могут устанавливаться вне помещений в шкафах со степенью защиты IP 20.

Для обработки входных и выходных аналоговых сигналов используем два модуля аналогового ввода/вывода SM335 (8 входов). Дискретные входные и выходные сигналы принимаются модулем дискретного ввода/вывода SM323 (16 входов). Также нам потребуется функциональный модуль FM355С (8 дискретных входов, 4 аналоговых входа и выхода), который применяется для решения широкого круга задач автоматического регулирования. Для взвешивания концентрата и шихты нам потребуется модуль взвешивания SIWAREX U (2-х канальное исполнение). В качестве центрального модуля выберем CPU - 315 DP, который предназначен для решения задач автоматизации и оснащен памятью программ большего объема. Выберем блок питания PS 3071B.

Выбор датчиков и исполнительных механизмов

Для измерения влажности поступающего концентрата и шихты выберем влагомеры LB 350 фирмы Berthold, которые устанавливаются под конвейерной лентой. Принцип основан на ядерном методе измерения влажности на основе замедления быстрых нейтронов атомами водорода. Источник быстрых нейтронов установлен вместе со счетной трубкой 3Не, которая чувствительна к медленным нейтронам, и является частью плоского зонда. Быстрые нейтроны, испускаемые источником нейтронного излучения, замедляются под воздействием содержащегося водорода в материале, т.е. они преобразуются в медленные, так называемые тепловые нейтроны. Нейтронное облако (тепловых нейтронов) формируется вокруг источника, плотность облака зависит от содержания водорода. В 3Не счетной трубке эти тепловые нейтроны приводят к появлению импульса. Выходные импульсы от 3Не счетной трубки усиливаются в цепи усилителя и подаются на вход интегрального шифратора, который преобразовывает поступающие импульсы, амплитуда которых превышает определенное значение в нормальные цифровые импульсы. По количеству импульсов в секунду определяется влажность материала.

В качестве датчика расхода воды в окомкователь выберем ультразвуковой расходомер SITRANS F фирмы Siemens. Принцип действия заключается в том, что скорость распространения ультразвуковых волн в измеряемом материале зависит от скорости звука в этом материале и от скорости его потока. Это используется в ультразвуковом расходомере. Для этого два ультразвуковых преобразователя посылают попеременно ультразвуковые сигналы. Время прохождения сигналов замеряется. При наличии течения скорость прохождения звука становится быстрее, а против течения медленнее. Получаемая при этом разница в скоростях прохождения является величиной скорости течения.

В качестве исполнительного механизма для контура расхода воды выберем SIPART PS2 фирмы Siemens, который устанавливается непосредственно на шток.

Датчики веса концентрата и шихты представляют собой силоизмерительные тензорезисторные датчики 9035 ДСТ, сигнал с которых поступает на выбранный функциональный модуль взвешивания Siwarex U, который устанавливается в контроллере Simatic S7-300. Siwarex U - это взвешивающая система для измерения нагрузки и силы. В добавление к взвешивающим функциям, Siwarex U контролирует два граничных значения, устанавливаемых пользователем (например, выбор Mин./Mакс.) и быстро сообщает по прерыванию Simatic S7 о любых значениях, выходящих за пределы. Siwarex U снабжен двумя серийными интерфейсами. Интерфейс TTY используется для связи с выносными табло, количество которых может достигать четырех. В дополнение к двум значениям, полученным по каналам 1 и 2, другие два значения могут устанавливаться через Simatic и отображаться на выносных табло. Для параметрирования Siwarex U по интерфейсу RS 232C может подключаться персональный компьютер. Два цифровых фильтра в Siwarex U фильтруют любые шумы (например, из-за вибрации или нестандартных движений нагрузки). Эти фильтры рекомендуются использовать с различными приводами, смесителями, вибрирующими платформами.

На данный момент на дозировании бентонита и известняка используются двигатели постоянного тока ПБС-33 (N=1кВт, n=1000 об/мин, U=220 В, преобразователь ЭТ1 Е2). Однако, как показывает практика, физически и морально устаревшее оборудование часто выходит из строя и приводит к простою ленточного питателя. Таким образом возникает необходимость в выборе нового оборудования. В качестве новых выбираем двигатели 1LA7 090-4AA10 (N=1,1 кВт, n=1410 об/мин) фирмы Siemens и преобразователи Micromaster Vector MMV110 (перегрузка 150 % в течении 60 сек., 200 % в течении 3 сек., температурный режим 0-50 о С, степень защиты IP-20, вес 2.5 кг.) фирмы Siemens, которые отличаются легкостью установки, программирования и ввода в эксплуатацию, высоким стартовым моментом и высокой точностью регулирования скорости двигателя.

При выборе технических средств в целях унификации и упрощения обслуживания, внимание уделялось продукции фирмы Siemens, т.к. она является основным поставщиком оборудования для автоматизации ЛГОКа.

Выбор рабочей станции и принтера.

Основное требование, выдвигаемое к рабочим станциям, это обеспечивание пользователю удобного интерфейса (Windows 95), достаточная скорость обработки данных, и небольшая стоимость. В настоящее время наибольшее распространение получили рабочие станции на базе процессоров Intel. Оптимальное сочетание вышеприведенных факторов наблюдается у процессора с тактовой частотой 333 Mhz. Поэтому рабочие станции целесообразно комплектовать этими процессорами. Объем жесткого диска должен быть достаточен для хранения программ пользователя и текущей информации.

Таким образом, рабочие станции целесообразно строить на базе процессоров Intel Pentium с частотой 333Mhz, RAM 128Mb и размером жесткого диска 4.3 Gb. Более высокая конфигурация для решения подобных задач здесь не требуется. Устаревшие модели 486 и ранних Pentium, применять не целесообразно из-за их невысокой производительности.

Так как различного рода системные и технологические сообщения, а также графики расхода материалов будут выводиться не только на экран, но и на печатающее устройство в цветном виде для наглядности, то необходимо выбрать принтер. Поэтому в качестве печатающего устройства можно выбрать недорогой цветной струйный принтер формата А4 Hewlett Packard DCJet 640C.

1.7 Выбор системного обеспечения

Step 7 - это пакет стандартного программного обеспечения, используемый для конфигурирования и программирования контроллеров Simatic. Он является частью промышленного программного обеспечения Simatic. Отличительными особенностями языка " Step 7" является текстовое и символьное написание команд. Большая гибкость при написании программ обеспечивается за счет возможности работы с условными переходами, подпрограммами, аппаратными и программными прерываниями. Всем переменным, которые используются в программе кроме цифровых кодов могут быть присвоены символьные имена, что значительно упрощает отладку программы. В качестве переменных в языке " Step 7" используются разряды дискретного ввода/вывода, флаги, регистры, счетчики, таймеры, параметры технологического процесса.

Язык программирования " Step 7" является открытым, т.е. в исходный текст программы можно включать подпрограммы, написанные на программаторе и загружаются в память контроллера при помощи интерфейса RS-232. В качестве таких подпрограмм могут быть использованы библиотечные функции (например "Арифметика с плавающей запятой", "Передача массива" и др.). Функции имеют входные и выходные параметры, в качестве которых используются переменные, указанные пользователем.

Для написания и отладки программ используется интегрированная среда " Step 7", работающая в операционной среде Windows 9x/NT на IBM-совместимом персональном компьютере. При отладке программы контроллер подключается к персональному компьютеру по интерфейсу RS-232. Во время отладки программы пользователь может работать в пошаговом режиме, в режиме с остановом в контрольных точках или в непрерывном режиме. При этом на дисплее компьютера могут отображаться значения интересующих пользователя переменных.

Выбор системы автоматизации и проектирования АСУТП

WinCC - промышленно и технологически нейтральная система, используемая для оперирования графическим отображением и задачами системы управления в средствах автоматизации производства и технологических процессов. Эта система предлагает пригодные для промышленных нужд функциональные модули графического отображения, системы сообщений, архивов и отчетов. Мощный интерфейс драйверов, быстрое обновление кадров и функции защитного архивирования гарантируют ее высокую степень пригодности. Дополнительно к системным функциям, WinCC предлагает открытые интерфейсы для решений пользователя. Эти интерфейсы делают возможным внедрение WinCC в сложные, на уровне целой компании, системы автоматизации. Эти механизмы превращают WinCC в компетентного и коммуникабельного партнера в среде Windows.

WinCC базируется на 32-битовой операционной системе MS_Windows 95 или MS_Windows NT. Обе эти системы обеспечивают многозадачность с приоритетным выполнением, что гарантирует быструю реакцию на различные события процесса и высокую степень защиты от потери данных. Windows NT также предлагает функции, созданные для защиты, и служит в качестве основы для функционирования серверов в многопользовательской системе WinCC. Само программное обеспечение WinCC является 32-битовым приложением, которое было разработано с помощью самых современных, объектно-ориентированных технологий программирования.

Функциональные модули:

Графическая система (Graphics Designer - Графический Дизайнер)- отображает и связывает процесс графически;

Редактор действий (Global Scripts - Глобальные Сценарии) - делает проект динамично реагирующим на Ваши специфические требования;

Система сообщений (Alarm Logging - Регистрация Аварийных Сообщений) - выводит сообщения и подтверждения;

Архивирование и редактирование значений измерений (Tag Logging - Регистрация Тегов) - редактирует значения измерений и осуществляет их долгосрочное хранение; редактирует и осуществляет долгосрочное хранение информации, ориентированной на пользователя;

Система отчетов (Report Designer - Дизайнер Отчетов) - информирует о состояниях системы.

В качестве альтернативного варианта можно использовать систему Trace Mode.

Trace Mode - программный комплекс, являющийся графической инструментальной системой для проектировщиков АСУТП и инженеров служб автоматизации предприятий. Основной частью его применения является разработка верхнего уровня систем промышленной автоматизации. Созданные в Trace Mode проекты состоят из набора файлов, описывающих используемые сигналы, промежуточные переменные, структуру математической обработки данных, документирования и архивирования, а так же файлы, содержащие графические формы представления информации управления, шаблоны генерируемых отчетов, файлы технологических и аварийных сообщений и пр.

Система содержит набор программных средств, позволяющих разрабатывать и отлаживать системы управления не прибегая к использованию языков программирования. Система ориентирована на стандартные, надежные аппаратно-программные средства, а, следовательно, создаваемые с её помощью разработки имеют не высокую стоимость. Данное качество является большим плюсом.

Trace Mode открытая система, поддерживающая практически любые системы контроллеров. Система допускает плавное обновление программных и аппаратных средств.

Разработка АСУТП осуществляется в три этапа:

создание статических мнемосхем технологического объекта;

создание базы каналов при помощи редактора базы каналов;

наложение на статический рисунок отображения информации из базы каналов при помощи редактора форм изображения.

При реализации данного проекта выбираем "родную" для контроллера Simatic систему визуализации WinCC. Это гарантирует безупречную совместимость при любом протоколе обмена. Хотя Trace Mode более привлекательна по цене, однако, WinCC обладает большим потенциалом при разработке рабочего проекта станции оператора. Кроме того, при использовании WinCC упростится гарантийное и сервисное обслуживание, осуществляемое одной фирмой.

Исходя из вышесказанного, Scada - систему установим на Pentium II 333 MHz, RAM 128 Mb.

1.8 Разработка информационного обеспечения

Информационное обеспечение разрабатывается на базе WinCC. Система управления процессом управляется через операторские станции, на которых технологический процесс отображается в виде мнемосхем, графиков, рапортов и сообщений.

Рабочая станция реализует следующие функции:

отображение на мониторе мнемосхемы технологического процесса;

выдачу на экран текущих значений технологических параметров;

сигнализацию о нарушениях технологического регламента;

сигнализацию о нарушениях в работе контроллера и в канале связи ПЭВМ-контроллер;

просмотр истории технологических параметров в графической форме;

дистанционное включение или выключение технологического оборудования;

изменение уставок локальных контуров регулирования;

перевод контуров регулирования в режим ручного управления и изменение положения исполнительного механизма;

ввод значений ручных переменных;

просмотр протокола аварийных ситуаций;

просмотр протокола действий операторов;

анализ состояния системы управления;

получение оперативной помощи по работе оператора в любой момент времени.

Разрабатываемая система устанавливается на сервере (Pentium II 333 MHz, RAM 128 Mb) и ориентирована на использование совместно с контроллером Simatic S7-300 фирмы Siemens.

Контроллер (PLC) опрашивает состояние приборов измерения, проводит все стадии предварительной обработки сигналов, выполняет необходимые расчеты, передает актуальную информацию в выходные блоки. Система визуализации запрашивает PLC о необходимой для архивирования и визуализации информации, записывает данные для длительного хранения, выводит информацию о состоянии технологического объекта на экран, сообщает в особой форме о выходе технологического параметра за рамки допустимого. Кроме этого, система визуализации позволяет пользователю осуществлять оперативное управление технологическими механизмами непосредственно с операторской станции. При этом управляющие воздействия, команды, заданные значения и т.п. передаются в PLC. Обмен данными между PLC и системой визуализации происходит посредством локальной сети Industrial Ethernet.

Представление технологических компонентов, узлов автоматизации, точек измерения приводов механизмов на технологических картинках

На каждой технологической картинке схематично отображается технологическая линия, соответствующая названию картинок. В данной системе делается попытка приблизить символьные изображения агрегатов к реальным агрегатам (дисковый питатель, ленточный дозатор, окомкователь, конвейер). Также применены общепринятые условные обозначения узлов автоматизации (исполнительные механизмы (ИМ), привода и т.п. ). Время актуализации символов составляет 2 секунды.

В таблице 1.3 приведены цвета применённые в разрабатываемой системе для отображения различных переменных, установок, параметров и их состояний. шихта сигнализация флюсующий датчик

Таблица 1.3.

Функция/привод	Не активный	Черный
	Активный	Зеленый
	Неисправный, не квитированный	Красный, мигающий
	Неисправный, квитированный	Красный
Границы измеряемых значений	В рабочей области	Серый
	WL/WH	Желтый, предупреждающий
	AL/AH	Красный, отключение
Состояние движения	Активный	Зеленый
Двоичный сигнал в зависимости от функции Вариант 1	Включено	Зеленый
	Выключено	Черный
Двоичный сигнал в зависимости от функции Вариант 2	Исправный	Зеленый
	Неисправный	Красный
Клапан, задвижка	Открыто	Цвет среды
	Закрыто	Черный
Поле ввода-вывода		Черный на белом фоне
Поле вывода		Черный на сером фоне

В разрабатываемой системе применены специальные символы для отображения:

аналогового значения точки измерения;

контура регулирования;

привода механизма.

Рис.1.7. Специальный символ аналогового значения

В каждом символе аналогового значения отображается имя точки измерения, в данном случае MI2401, действительное значение и размерность. В нижней части символа имеются кнопки для отображения тревог и сообщений, относящихся к этой точки измерения. На рис. 1.8. показан символ контура регулирования.

Рис. 1.8. Специальный символ контура регулирования

В каждом таком символе находится имя контура регулирования, действительное значение регулируемой величины, размерность. В нижней части символа имеются четыре кнопки. Рис. 1.9. поясняет, какую информацию они несут.

Рис. 1.9.

Рис. 1.10. Специальный символ привода механизма

На технологической картинке, где встречается привод, его связь с объектом показана пунктирной линией. В кнопке справа отображается режим работы привода (дистанционный - R Remote, местный - L Lokal). В данном случае привод находится в дистанционном (Remote) режиме.

Каждый символ ИМ в правом нижнем углу имеет кнопку, в которой отображается режим его работы (Remote/Lokal).

Для всех символов узлов автоматизации, а также для специальных символов имеет место полезное свойство динамической подсказки. Воспользоваться подсказкой можно, подводя курсор мышки к данному символу. При этом на экране появляется строка, объясняющая принадлежность механизма технологической группе и его название.

Faceplate. Цели, виды, методы работы, содержание

Основополагающим свойством в концепции представления данных пользователю в разрабатываемой системе является свойство под названием «Faceplate» (Лицевая панель).

Это означает, что на технологической картинке представлена информация об аналоговых значениях, контурах регулирования и приводов в предельно краткой форме, но вполне достаточной для установившегося режима работы технологической линии. Когда возникает необходимость в дополнительной информации или в изменениях режима, то достаточно нажать мышкой на символ желаемого механизма или значения и на экране появится диалоговое окно с полной информацией и всеми функциями, которые соответствуют выбранному символу. Это диалоговое окно называется «Faceplate».

Для каждого типа специальных символов различают свой тип Faceplate. Таким образом, существует три типа Faceplate, некоторые типы имеют подтипы. Классификация Faceplate представлена на рисунке 1.11.

Не существует ограничений по количеству открытых Faceplate, также можно открыть Faceplate и перейти на другую технологическую картинку, при этом Faceplate останется на экране и готов обрабатывать вводимую информацию.

Все Faceplate имеют общие элементы. Их можно разделить на вкладки, поля ввода значений, поля отображения значений и состояний, кнопки управления. На рис. 1.12. показаны примеры таких элементов.

Рис. 1.11. Классификация Faceplate



Рис. 1.12. Пример лицевой панели

Система сообщений

Сообщения выводятся на монитор системы сообщений и параллельно выдаются на принтер. Структура строки сообщений на мониторе и принтере одинаковые.

Вновь возникающие / прибывшие сообщения окрашиваются в цвета:

авария/аlarm: красный фон;

предупреждение: желтый фон;

системное сообщение: синий фон;

больше не возникающие/ушедшие сообщения серый фон.

Сообщения являются указаниями для оператора о том, что на установке произошли изменения, которые могут привести к критическому или аварийному состоянию. Сообщения могут быть определены как приводные, так и быть свободными сообщениями. Сообщения, поступающие от приводов, квитируются. Квитирование производится из технологического окна, относящегося к сообщению, это означает, что они могут быть сквитированы из обзорных и детальных картинок. Системные сообщения образуются для компонентов, которые подключены к системам шин, кабельным системам и основной автоматизации и подразделяются на:

сообщения отказа (сбоя) для: сервера, станции оператора (OS), инженерной станции;

сообщения отказа (сбоя) S-7 управления, а также вспомогательных подсистем, которые размещены на Profibus базовой автоматизации;

Символы используемые в системе

В системе приняты различные графические обозначения. Это символы приводов, датчиков и т.п. Если вы подведете курсор мышки к какому либо символу, то рядом с курсором через некоторое время появится название символа. Рассмотрим их.

Таблица 1.4.

	Пример символа аналогового значения уровня. Индикация с буквами AH означает, что превышен верхний предел тревоги по данному датчику, если AL - то значение ниже нижнего предела тревоги
	. Индикация с буквами WH означает, что превышен верхний предел предупреждения по данному датчику, если WL, то значение ниже нижнего предела предупреждения
	Пример символа аналогового значения. Кроме тревоги и предупреждения регулятор имеет дополнительную индикацию. Буква M означает что регулятор в ручном режиме, а буква A - регулятор в автоматическом режиме
	Пример символа регулятора по влаге. Буква на зеленом фоне может изменяться с I на E, где I - внутреннее задание уставки на регулятор, а Е - внешнее задание уставки
	Символ привода. В данном случае привод выключен. R - дистанционное управление, L - ручное управление
	Символ привода. В данном случае привод включен и работает в нормальном режиме, с управлением от регулятора.
	Символ привода. Привод поврежден, если символ привода мигает, то это означает, что нужно квитировать сообщение об ошибке
	Символ привода. В данном случае привод включен, но нет управления от регулятора.

Подобные документы

• Повышение качества выплавляемой стали путем повышения точности дозирования легирующих добавок в печь

  Основные требования автоматизированных систем управления взвешиванием и дозированием. Выбор и техническая характеристика исполнительных механизмов. Разработка структурной схемы системы управления и электрических схем подключения средств автоматизации.
  
  курсовая работа [6,0 M], добавлен 15.04.2015
  

• Расчет доменной шихты

  Химический состав компонентов шихты. Определение состава доменной шихты. Составление уравнений баланса железа и основности. Состав доменного шлака, его выход и химический состав. Анализ состава чугуна и его соответствие требованиям доменной плавки.
  
  контрольная работа [88,4 K], добавлен 17.05.2015
  

• Автоматизация системы водоснабжения

  Элементы системы водоснабжения. Технологический процесс прямоточного водоснабжения. Разработка функциональной схемы автоматизации процесса. Подбор датчиков, исполнительных механизмов, контроллеров. Алгоритмы контроля и управления функционированием ТП.
  
  курсовая работа [2,0 M], добавлен 14.07.2012
  

• Неорганические и органические связующие добавки

  Применение бентонитовых глин при производстве железорудных окатышей, входящие в их состав минералы. Исследование влияния органических добавок на свойства сырых окатышей. Физические и химические характеристики связующих добавок, их реологические свойства.
  
  реферат [3,2 M], добавлен 03.03.2014
  

• Автоматизация процесса доменного дутья

  Распределение компонентов шихты по сечению печи. Подача и нагрев дутья. Последовательность технологических операций воздухонагревателей. Разрез воздухонагревателя. Выбор закона регулирования и предварительный расчет настроек регулятора температуры.
  
  курсовая работа [1,3 M], добавлен 13.04.2014
  

• Автоматизация процесса подготовки шихты

  Описание технологического процесса подготовки шихты, основные компоненты ее состава, требования к сырьевым материалам. Выбор технических средств автоматизации и разработка принципиальной электрической схемы. Сравнение качества переходных процессов.
  
  дипломная работа [393,9 K], добавлен 25.08.2010
  

• Функциональная схема системы автоматического контроля и сигнализации

  Создание схемы парового котла типа ПК-41: система подачи топлива и технологические параметры. Анализ выпускаемых измерительных устройств температуры и давления. Разработка системы автоматического контроля и сигнализации. Расчет погрешностей измерения.
  
  дипломная работа [1,7 M], добавлен 09.05.2014
  

• Автоматизация процесса смешивания

  Технологии пищевых производств и разработка систем автоматизации химических процессов. Математическая модель материалов и аппаратов, применяемых для смешивания. Описание функциональной схемы регулирования количества подаваемых на смеситель компонентов.
  
  курсовая работа [26,8 K], добавлен 12.07.2010
  

• Автоматизация процессов смешивания

  Разработка и анализ схем автоматизации технологических процессов в хлебопекарном производстве. Схема системы управления смешивания. Регулирование расходов жидких и сыпучих компонентов (ингредиентов) при их дозировании. Выпечка хлебобулочных изделий.
  
  курсовая работа [231,8 K], добавлен 10.04.2014
  

• Оптимальная технология плавки, раскисления и разливки стали марки 40Л в дуговой сталеплавильной печи с кислой футеровкой

  Выбор плавильного агрегата. Подготовка шихтовых материалов. Исследование порядка загрузки шихты. Анализ состава неметаллической части шихты и кладки. Расчет количества шлака без присадок извести, чугуна в шихте, остаточной концентрации кремния и магния.
  
  практическая работа [164,0 K], добавлен 11.12.2012
  

• главная
• рубрики
• по алфавиту
• вернуться в начало страницы
• вернуться к началу текста
• вернуться к подобным работам