Модернизация автоматизированной системы регулирования уровня воды в барабане-сепараторе в системе испарительного охлаждения подвижных балок нагревательной печи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Модернизация автоматизированной системы регулирования уровня воды в барабане-сепараторе в системе испарительного охлаждения подвижных балок нагревательной печи



Содержание

Введение

1. Общая часть

1.1 Описание технологического процесса объекта и существующей АСУ

1.2 Описание автоматизированного объекта и его технические характеристики

1.3 Технические требования к САР

1.4 Анализ известных вариантов САР и ее недостатков АСУ

2. Модернизация системы

2.1 Разработка структурной схемы проектируемой АСУ ТП

2.2 Разработка функциональной схемы

2.3 Обзор и выбор оборудования

3. Расчетная часть

3.1 Математические описания САР и выбор автоматического управляющего устройства

3.2 Выбор закона регулирования. Определение параметров настройки регулятора

3.3 Определение передаточной функции измерительно- преобразовательных и исполнительных устройств

3.4 Исследование автоматической системы управления на устойчивость частотными критериями

3.5 Расчет конфигурации устройства управления и составление заказной спецификации

4. Требования предъявляемые к по асутпип

4.1 Требования к базовому (фирменному) программному обеспечению. Требования и характеристика используемого системного ПО. Требования и характеристика используемой операционной системы верхнего уровня и нижнего уровня АСУ ТПиП

4.2 Требования и характеристика используемых пакетов

4.3 Требования и характеристика используемой системы управления локальными и распределенными базами данных

4.4 Требование и характеристика используемого программного обеспечение инструментальных средств разработки, отладки и документирования. Выбор SCADAсистемы

Заключение

Список используемой литературы

Введение

До недавнего времени вопросам охлаждения металлургических печей не уделяли должного внимания.

Надежная работа металлургической печи зависит от качества огнеупорных материалов, конструкции и стойкости охлаждаемых элементов и осуществима только при правильном охлаждении. Система охлаждения существенно влияет на конструкцию печи, ее фундаментальность и надежность.

Нагревательные печи для обеспечения нижнего подогрева слитков оборудованы подовыми трубами, охлаждаемыми водой. Вследствие перерыва в подаче охлаждающей воды происходит подогрев труб, что требует остановки печи на ремонт.

Можно с уверенностью сказать, что охлаждение конструкций для современной металлургической печи так же необходимо, как применение кислорода, природного газа и других иитенсификаторов, так как интенсификация процесса и .охлаждение конструкций агрегата неразрывно связаны.

Современное качество огнеупоров не может обеспечить длительную стойкость передней стенки печи, а ремонт ее - операция весьма трудоемкая.

Однако благодаря установке перед столбиками вертикальных охлаждаемых экранов, покрытых гарниссажем, защищающих кладку, проблема была решена. В настоящее время передняя стенка в течение кампании не требует ремонта. Роль охлаждения непрерывно увеличивается.

Подача охлаждающей воды в излишнем количестве приводит к бесцельной затрате электроэнергии.

Большая плотность тепловых потоков и тепловые нагрузки на охлаждаемые детали мартеновских печей при неправильных конструкциях этих деталей независимо от количества охлаждающей воды привели к быстрому прогоранию деталей вследствие отложения накипи на стенках и выпадения шлама.

Вследствие неудовлетворяющего уровня охлаждения деталей металлургических печей часто требовалась смена охлаждаемых элементов. Так на металлургических заводах срок службы охлаждаемых детален мартеновских печей при водяном охлаждении в среднем не превышал 50--60 суток. У печей с Хромогнезитовыми сводами охлаждаемые детали иногда приходилось заменять три-четыре раза в течение кампании На металлургических заводах Урала срок службы охлаждаемых деталей при водяном охлаждении, как правило, составлял 6--12 мес; при испарительном охлаждении срок этот увеличился в 10--15 раз и исчисляется годами.

Испарительное охлаждение металлургических печей в настоящее время является наиболее совершенным и экономичным. Применение его увеличивает срок службы металлургических печей и повышает надежность их работы, устраняет прогар деталей, сокращает расход охлаждающей воды и дает возможность использовать тепло. [6].

Целью данного дипломного проекта является - Модернизация автоматизированной системы регулирования уровня воды в барабане-сепараторе №4 в системе испарительного охлаждения подвижных балок нагревательной печи №2 Стана 2000 ПГП ЧерМК ПАО " Северсталь".

Существующая АСУ реализована с применением устаревших механических самопишущих и показывающих приборов, что не позволяют оперативно осуществлять просмотр и анализ действий оперативного персонала, получать точные данные о реальных удельных нормах потребления энергоносителей, а также затрудняет контроль ведения и контроля таких параметров как потребление химически очищенной воды, количество произведённого пара. Функционирование существующей АСУ связано с большими эксплуатационными затратами на проведение ремонтов поверку приборов КИП, покупку расходных материалов и комплектующих, которые уже давно сняты с производства.[5]

Модернизация АСУ уровня воды в барабане-сепараторе позволяет решить следующие вопросы.

- Значительно улучшить качество регулирования технологическим процессом.

- Возможность учёта в реальном времени основных производственных показателей

- Снизить затраты в результате модернизации контура управления.

В данной ВКР решаются следующие задачи:

- Выявлены основные недостатки существующей АСУ

- Раззработка и описание структурной и функциональной схемы АСУ

- Выбор технических средств автоматизации;

- Разработка алгоритмов программного обеспечения для микропроцессорных средств.



1. Общая часть

1.1 Описание технологического процесса объекта и существующей АСУ

Непрерывный широкополосный стан 2000 горячей прокатки был пущен в 1976 году и представляет собой поточную линию от склада слябов до отгрузки рулонов и горячекатаного листа. Он предназначен для производства горячекатаных полос свёрнутых в рулоны, шириной до 1835мм. Расчётная производительность стана - до 5,6 млн. тонн проката в год.

Исходным материалом для прокатки служат слябы шириной 900 - 1880 мм, толщиной 150 - 250мм и длиной от 4,5 до 10,5 м. Вес заготовки - до 36 тонн. Слябы изготавливаются из углеродистых, низкоуглеродистых, электротехнических и коррозионостойких марок сталей, поступают с установок непрерывной разливки стали конверторного и электросталеплавильного цехов, так же возможно поступление катаных слябов с блюминга 1150.

Стан прокатывает сталь следующих марок:

а) углеродистую горячекатаную обыкновенного качества, марок 1 - 4 всех степеней раскисления, ст5 спокойную и полуспокойную;

б) углеродистую горячекатаную качественную легированную конструкционную марок 08, 10, 15, 20 всех степеней раскисления;

в) низколегированную конструкционную;

г) электротехническую;

д) углеродистую для мостостроения;

Сортамент по ширине прокатываемых полос приведён в таблице 1.



Таблица 1.-Сортамент прокатываемых полос.

Толщина полосы, мм	Максимальная ширина полосы, мм
1,2	1000
1,4	1250
1,5	1400
1,8	1500
2 - 2,5	1600
2,6 - 3,9	1700
4 - 16	до 1835

На рисунке 1 представлен технологический процесс в печи

Рисунок 1.-Технологический процесс в Нагревательной печи

1-печь; 2-продольные трубы; 3- поперечные трубы; 4- коллектор опускных труб; 5- коллектор подъемных труб; 6- барабан-сепаратор; 7- циркуляционный насос; 8- питательный насос; 9- водонапорный бак.

Технологический процесс начинается с того, что горячекатаные полосы в отделении отделки режутся на листы и узкие полосы. После этого слябы поступают в четыре нагревательные печи, где идёт их нагрев до температуры начала прокатки (1200 - 1300оС). Передача слябов со склада слябов на загрузочную линию печей осуществляется электромостовыми кранами и самоходными тележками с консольными лагами. Все четыре печи - с шагающими балками. В зависимости от длины слябы загружают в печи в два ряда, либо в один ряд. Продолжительность равномерного нагрева одного сляба составляет 2,5 - 3 часа. Расчётная производительность одной печи - 400-420 тонн в час. Из печей слябы при помощи шагающих балок поступают на линию прокатки, и по рольгангам доставляются к клетям, которые разделены на две группы - черновую и чистовую.

В черновой группе клетей сляб в первую очередь прокатывается в вертикальной клети с диаметром валков 1200мм, где производится боковое обжатие сляба с целью разрушения первичной окалины, обеспечивается частичная калибровка сляба по ширине. Основная масса печной окалины на слябе удаляется водой с помощью гидравлического устройства, расположенного непосредственно за клетью. Затем сляб поступает в клеть № 1 Дуо с диаметром горизонтальных валков 1400мм, после которой прокатывается в четырёх универсальных клетях № 2 - 5 с вертикальными валками и рабочими горизонтальными валками диаметром 1180мм и опорными валками диаметром 1600мм. Прокатка в этой подгруппе ведётся с ускорением. Максимальная скорость прокатки в последней пятой клети черновой группы - 5м/с. Длина черновой группы клетей составляет 90,5м. Применение черновой непрерывной подгруппы сокращает общее время прокатки, что позволяет поддерживать температуру подката, а, следовательно, и повышение качества прокатываемых полос. За последней черновой клетью расположен промежуточный рольганг со сбрасывателем раскатов в карман, рольганг перед летучими ножницами. Общая длина этого рольганга составляет 131,9м.

По рольгангу полоса металла поступает к летучим ножницам, которыми обрезаются полоса металла с обоих сторон. За ножницами перед чистовой группой клетей находится установка гидросбива окалины. Она представляет собой две пары валков, за которыми расположены коллекторы гидросбива окалины водой под давлением 17 МПа.

Окончательная прокатка полос до заданной толщины производится в клетях чистовой группы. Она представляет собой группу из 7 клетей кварто. Клети оборудованы системой противоизгиба рабочих валков. В межклетьевых промежутках установлены петледержатели с электромеханическим безредукторным приводом от электродвигателей постоянного тока. Клети № 6 - 12 оборудованы механическими нажимными устройствами. Клети № 9 - 12 для повышения точности обжатия оборудованы также гидравлическими нажимными устройствами. Кроме того, в межклетьевых промежутках перед каждой клетью находятся направляющие линейки, обеспечивающие точный вход полосы в валки по толщине.

Прокатка в чистовой группе ведётся с ускорением. Диапазон обычно применяемого ускорения стана составляет 0,01 - 0,08 м/с. Максимально допустимая расчётная скорость прокатки - 21 м/с. Длина чистовой группы клетей составляет 36 м.

Охлаждение полосы на отводящем рольганге осуществляется ламинарной установкой, нижняя же поверхность полосы охлаждается водой под давлением. Ламинарная система отличается как равномерностью, так и высокой интенсивностью охлаждения, простотой в эксплуатации.

По отводящему рольгангу полоса поступает на моталки, которые разделены на две группы: 3 моталки тонкой полосы (толщиной 1,2 - 4 мм) и 3 моталки толстой полосы (толщиной 4 - 16 мм). Перед каждой моталкой находится заправочное устройство, тянущие ролики. Свёртывание полос в рулоны ведётся с ускорением. Максимальная скорость свёртывания - 21 м/с.

Конвейеры от моталок первой и второй группы связаны с конвейером выдачирулонов из цеха подвижным столом для поочерёдной укладки рулонов.

Рисунок 2.- Принципиальная схема установки испарительного охлаждения.

Охлаждаемые детали присоединены двумя трубами к барабану-сепаратору. По опускной трубе вода из барабана - сепаратора подводится к детали. По подъемной трубе пароводяная смесь отводится в барабан-сепаратор, где пар отделяется от воды и отводится по паропроводу.

Вода в системе циркулирует непрерывно, при этом возможно применение естественной циркуляции, основанной на разности удельных весов воды в опускной трубе и пароводяной смеси в подъемной трубе, и принудительной, осуществляемой циркуляционными насосами. Вода отводимая в виде пара восполняется питательной водой, подаваемой в барабан-сепаратор. Когда используется пар потери воды в общем балансе

завода составляют примерно 10% [6].



1.2 Описание автоматизированного объекта и его технические характеристики

Замеры расхода питательной волы на цех и общецеховой выход пара со всех установок нужны для определения экономической эффективности работы установок; поэтому применяемые для них приборы должны быть показывающими, самопишущими и интегрирующими.

Измерение уровня воды в барабане-сепараторе необходимо потому, что выброс котловой воды в паропровод может привести к разрушению его гидравлическими ударами, уменьшение парового пространства ухудшает качество пара, а утечка воды из бака приводит к прогару деталей. Поэтому нарушение верхнего и нижнего предельных уровней предупреждается световой и звуковой сигнализацией. Эти приборы должны быть также показывающими для удобства наблюдения за уровнем и самопишущими для ведения контроля. Помимо указанных приборов, для непосредственного наблюдения за уровнем воды на барабане-сепараторе ставят водоуказательную колонку.

Замер давления питательной воды в общецеховом водоводе необходим для сигнализации о бесперебойной подаче питательной воды. Поэтому падение давления ниже допустимого также должно предупреждаться световой и звуковой сигнализацией. Эти приборы для удобства обслуживания установки должны быть также показывающими.

Замер давления производственной (технической) воды необходим для определения возможности перевода установки на охлаждение проточной водой.

Замер давления пара в общецеховом паропроводе и в барабане-сепараторе при помощи показывающих и самопишущих приборов используют для согласования этих давлений при переводе установки на выдачу пара потребителям и наблюдения за давлением в барабане.

Замер циркуляционных расходов нужен как для исследовательских целей на новых установках, так и для регулирования питания отдельных контуров нагревательных печей при коллекторных схемах. Приборы должны быть показывающими и самопишущими.

Контроль качества питательной воды необходим для обеспечения безнакипного охлаждения деталей.

Контроль качества котловой воды применяют для безнакипного охлаждения и определения течи в охлаждающих элементах. Качество котловой воды регулируется непрерывной и периодической продувками.

Для увеличения надежности и облегчения обслуживания установок в галереях барабанов-сепараторов, в условиях высокой температуры и загазованности, используют автоматическое регулирование уровня воды в барабане и дистанционное управление электроприводами запорных устройств, установленных у барабана.

К этим устройствам относятся: задвижка на выдаче пара из барабана в общецеховый паропровод; задвижка на выдаче пара из барабана в атмосферу ("свечу"); вентиль на прямом вводе питательной воды в барабан и вентиль на периодической продувке (сливе) из барабана.

Все это дает возможность со щита КИП установки испарительного охлаждения осуществлять переключение установки с одного вида охлаждения на другой и корректировать уровень воды в барабане-сепараторе. При этом отпадает надобность в посменных дежурствах в галереях барабанов-сепараторов.

Барабан-сепаратор предназначен для сепарации пара и обеспечения запаса водой установок испарительного охлаждения металлургических печей на случай кратковременного прекращения подачи питательной воды. [5].

Рисунок 3.- Барабан-сепаратор.

1 - корпус;2 - люки;3 - коллектор паросборный;4 - трубы подъемные;5 - труба переливная;6 - труба подпитки;7 - труба непрерывной продувки;8 - лист сепарационный;9 - поворотные устройства.

Таблица 2.-Технические характеристика барабана-сепаратора.

Диаметр корпуса, мм	1400
Объем, м	11,8
Давление рабочее, МПА	1,8
Масса, кг	6477
Длина корпуса, мм	8000
Ширина аппарата, мм	1600
Высота аппарата, мм	1910

Основными задачами системы являются:

- регулирование и поддержание требуемого уровня воды в барабане;

- регулирование и поддержание требуемой температуры в печи;

- регулирование и поддержание требуемого давления пара.

ВХОДНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

На входе имеется следующая информация:

- давление (атм.) и расход (Т/ч) питающей воды;

- давление (атм.) и расход (Т/ч) пара в контуре;

- температура печи в контуре

- состояние клапанов ("открыт", "закрыт") и регуляторов (степень открытия).

1.3 Технические требования к САР

Система должна учитывать все действующие нормы и правила по безопасности на средства ВТ, электротехнические изделия установки, пожарной безопасности и санитарно-технические нормы, выполнение требований по эргономике и технической эстетике (простота, удобство, доступность им наглядность представления информации).

В системе должна быть предусмотрена зашита информации от воздействия следующих факторов: аварий в системе электропитания; несанкционированных действий пользователя путем программной защиты, хранения ПО, периодического копирования информации на дополнительных носителях и сверке её с эталоном, своевременной замене эталона. Комплекс технических средств должен состоять из типовых и унифицированных узлов и стандартных устройств.

В системе должна быть предусмотрена возможность ручного ввода данных.

САР должна реагировать на изменения регулируемой величины, превышающий на значение больше чем статическая ошибка, которая равна - Х ст = 4мм. Максимальное динамическое отклонение равно - Х дин= 20 мм. Время переходного процесса ( время регулирования tрег = 380 с), коэффициент передачи объекта управления Ко = 10. Величина максимального возмущения по нагрузке равна Ув = 15%.

1.4 Анализ известных вариантов САР и ее недостатков АСУ

На основании анализа существующей АСУ можно сформулировать следующие недостатки:

- Отсутствие централизованного управления и контроля параметров с верхнего уровня АСУП: невозможность получения данных о параметрах протекания процессов.

- Большое количество устаревших преобразовательных, показывающих и регистрирующих приборов, что ведёт к большим эксплуатационным затратам на обслуживание и ремонт приборов, сложности с поддержанием резерва;

- Моральная и физическая изношенность технических средств АСУТП, устаревшая элементная база составных частей нижнего уровня системы;

- Низкая ремонтопригодность.

В существующей АСУ ТП сигнал с датчиков давления( Манометр электрический дифференциальный с токовым выходом поступал на вторичный прибор ( КЗД 2-прибор вторичный самопишущий).Также туда поступал сигнал с датчика перепада давления ДМ(дифманометр) и датчика уровня ДМ(дифманометр).На месте регулирующего клапана стоял запорный вентиль 1д1. Сигнал с термопары шел на автоматический многоканальныей регистрирующий прибор КСП 3. Сигнал с КСП 3 уходил на регулирующий клапан (поступательный) с пневматическим позиционером (masonailan 4700)1в1. Сигнал с датчика давления по пару уходил на КСД 3. Сигнал с КСД 3 уходил на регулирующий клапан (поступательный) с пневматическим позиционером (masonailan 4700) 1е1. Данная АСУ ТП не удобна в обслуживании, часто происходит отказ оборудования, данная система имеет достаточно большое время регулирования. Функциональная схема до модернизации показана в приложении 1.



2. Модернизация системы

2.1 Разработка структурной схемы проектируемой АСУ ТП

Модернизация АСУ ТП позволит решить следующие задачи

- Установка в систему АСУ ТП программируемого контроллера позволяет производить автоматическое регулирование параметров технологического процесса. С помощью контроллера (далее ПЛК) осуществляется передача показаний на верхний уровень АСУ ТП.

- Внедрение в систему ПЛК позволяет регулировать подачу воды в барабан. Это позволит более экономично ее расходовать.

- Ведение контроля за технологическим процессом и состоянием технологического оборудования, а также вносить изменения в технологический процесс теперь можно с помощью ПК. Обеспечивается возможность дистанционного управления исполнительными механизмами, а также ведение истории их состояния

- В модернизируемой системе реализована визуализация технологического процесса на экране ПК, ведётся архивация событий и ведётся учёт технико-экономических показателей

- В модернизируемой системе реализована передача показаний в общезаводскую сеть. Это позволяет вести контроль за технологическим процессом и другому персоналу цеха.

- Усовершенствание парка приборов АСУ ТП позволит снизить эксплуатационные затраты на обслуживание системы, повысит надёжность и ремонтопригодность системы управления;

Структурная схема представлена на рисунке 4.

Рисунок 4. - Структурная схема АСУ ТП.

Поясним данную структурную схему. В данной модернизируемой системе сигналы с аналоговых датчиков и датчиков температуры поступают в шкаф в шкаф аналоговых сигналов (А78). Так же с него уходит аналоговый сигнал на ИМ. Сигналы от конечников ИМ поступают в шкаф дискретных сигналов (Д78).С этого шкафа они уходят и на соленоиды ИМ.

Далее с шкафов управления сигнал поступает на контроллер. Контроллер обрабатывает полученные сигналы от технических средств автоматики, с контроллера формируется сигнал на операторскую станцию. Оператор в реальном времени может наблюдать за технологическим процессом с помощью программного терминала или при помощи ПК, при необходимости оператор может вносить необходимые изменения в технологический процесс.

Для того что бы за технологическим процессом в реальном времени мог наблюдать другой персонал цеха в линии между контроллером и операторской станции предусмотрен коммутатор, коммутатор служит для соединения нескольких ПК в единую сеть. [1]

2.2 Разработка функциональной схемы

Для того чтобы поддерживать экономичный и устойчивый режим САР, надо, нужно выделить технологические основные параметры объекта управления, которые нуждаются в регулировании.

Первый контур регулирования, который мы будем рассматривать - это поддержание температуры нагревательной печи. Автоматическое регулирование процесса включает поступление воды в элементы охлаждения. Вода поступает через регулирующий клапан, который начинает открываться больше при увеличении температуры.

Второй контур регулирования это, регулирование уровня воды в барабане, вода должна поддерживаться на заданном уровне, при ее уменьшении открывается регулирующий клапан и химически очищенная вода поступает в барабан.

Третий контур регулирования это. Регулирование давления в барабане,при превышении заданного давления клапан открывается ,давление сбрасывается и пар идет к потребителям.

Вода поступает вниз в контур охлаждения, в котором происходит процесс парообразования за счет отделения тепла от печи. Перегретый пар возвращается в барабан - сепаратор, где происходит конденсация. За счет подъема давления в системе до 1,3 МПА. точка кипения воды поднимается до 140 градусов Цельсия. Эффективность работы системы достигается за счет высокой скорости циркуляции пароводяной смеси в системе охлаждения.

Функциональная схема после модернизации показана в приложении 2.

2.3 Обзор и выбор оборудования

Датчики являются важной частью системы управления. Их стоимость иногда очень значительна. Они также определяют точность и скорость определения параметров, а значит и качество управления. При выборе измерительных преобразователей технологических параметров необходимо учитывать такие факторы как: класс точности датчика; инерционность; пределы измерения физических величин; расстояние, на которое может быть передана информация.

В ходе модернизации АСУ ТП с переходом на управление с помощью ПЛК произойдёт замена большей части измерительных преобразователей. В ходе модернизации будут заменены датчики давления, расхода и уровня. Датчики, которые используются в существующей АСУ, не удовлетворяют нашим требованиям, а именно они не имеют унифицированного токового сигнала, отличаются низкой ремонтопригодностью, не отличаются высокой надёжностью.

Измерение температуры нагрева печи сплав платина-родий ( ТПП13) R. С помощью термопар можно измерять достаточно высокие значения температуры. Сигнал с термопары будет поступать в аналогово-цифровой преобразователь и далее сигнал температуры, преобразованный в цифровую форму, поступает в ПЛК. В существующей АСУ были использованы вторичные приборы.

Для измерения теплотехнических параметров, таких как давление, выбираем датчик Yokogawa EJA 530A.[3]

Приборы для измерения давления компании Yokogawa (Япония) серии EJA обладают всеми функциями современных интеллектуальных датчиков. Датчики давления фирмы Yokogawa характеризуются высокой надежностью и стабильностью, низкой погрешностью показаний, а также достаточно широким функциональным рядом приборов по сравнению с конкурентами. Отличительной особенностью преобразователей, является "частотно- резонансный" принцип преобразования давления в частотный сигнал на базе кремниевого кристалла (технология DPHarp). В качестве чувствительного элемента в них используется кремниевый механический резонатор - уникальная разработка фирмы Yokogawa, благодаря чему значительно уменьшилось время отклика прибора. Кремниевый резонатор представляет собой параллелепипед плоской формы, защищенный герметичной капсулой и интегрированный в плоскость кремниевой мембраны. При изготовлении чувствительных элементов применяются самые современные технологи роста кристаллов, благодаря чему вся эта сложная структура получается с единой монокристаллической решеткой. Датчики давления Yokogawa имеют выходной сигнал 4 - 20 мА постоянного тока соответствует величине измеренного давления. Датчик позволяет осуществлять дистанционный контроль и установку параметров посредством цифровой связи с BRAIN или HART 275 коммуникатором.

Для измерения уровня в барабане-сепараторе выбираем Rosemaund 5300 (радарный). Измеряемые среды: жидкие, сыпучие. Диапазон измерений: от 0,1 до 50 м Выходные сигналы: 4-20 мА с цифровым сигналом на базе протокола HART. Наличие взрывозащищенного исполнения, межповерочный интервал: 4 года. Уровнемеры 5300 применяются во многих отраслях промышленности: химической и нефтехимической, нефтегазовой и т.д. Индикатор уровня в барабане Rosemaund.

Для измерения расхода выбираем Электромагнитный расходомер ADMAG AXF.

Серия электромагнитных расходомеров AXF представляет собой суперсовременный прибор, в котором сочетаются чрезвычайно высокая надежность и широкая функциональность, обеспечивающая простоту работы и обслуживания. В этой модели воплотился весь многолетний опыт по разработке и серийному выпуску электромагнитных расходомеров.

Уникальная комбинация функции оценки загрязнения электрода и возможности снятия электрода без снятия расходомера с рабочей линии (заказывается как опция) делает этот прибор гораздо более удобным для обслуживания на сложных позициях.

Серия AXF продолжает использовать уникальную методику двухчастотного возбуждения электромагнитным полем. Более того, в этой серии добавляется опция "Расширенного двухчастотного возбуждения", в которой высокая частота возбуждения еще выше. Тем самым вы получаете совершенный инструмент для измерения расхода на самых сложных "зашумленных" (с очень большим процентом механических включений) средах или на жидкостях с очень малой проводимостью (начиная от 1 мкС/см).

Основные характеристики

- Измеряемая среда: жидкость.

- Параметры измеряемой среды:

· минимальная электропроводность: от 1 мкСм/см;

· температура рабочей среды: -40... 180°С (уточняется при выборе футеровки);

· температура окружающей среды: -40...60°С;

· давление: от -0,1 до 4 МПа изб.;

· скорость потока: до 10 м/с.

- Условный проход трубопровода: 2,5...400 мм.

- Точность: стандартно ± 0,35% от показания, ± 0,2% от показания как опция.

Регулирующим органом будет Камфлекс - это универсальный поворотный сегментный клапан с эксцентричным плунжером, сочетающий лучшие свойства подъемных и поворотных регулирующих устройств и обладающий: высокой пропускной способностью

устойчивостью к кавитации широким диапазоном и точностью регулирования.[2]

Управление клапаном осуществляется с попощью Электропневматического позиционера модели 4700Е - это прибор для комплектации регулирующих клапанов с прецизионным кулачком обратной связи, обеспечивающий надежность, точное позиционирование, высокую чувствительность и возможность настройки на месте характеристики регулирования.

Так же имеются конечные выключатели. Приборы серии 496 предназначены для указания положения по ходу плунжера регулирующей арматуры, на которой они установлены Индикация может быть как в крайних положениях (при помощи микровыключателей или детекторов), так и непрерывной (электронно-оптическим устройством). Обе функции, индикация крайних положений и непрерывная могут быть совмещены. Металлический корпус, уплотнительные кольца круглого сечения между корпусом и крышкой, а также на оси делают приборы взрывозащищенными и устойчивыми к воздействию пыли и влаги .Низкое рабочее трение .Коррозионно-стойкая конструкция, без деталей из меди и медных сплавов в контакте с атмосферой.

Электромагнитный запорный клапан DANFOSS EV220B. Предназначается для применения в качестве регулирующего и запорного устройства при осуществлении быстрого дистанционного управления (отключения или включения) потоками жидкости, пара, воздуха или газа любой трубопроводной системы.

Основой модернизации АСУ ТП управления является внедрение в систему контроллера. ПЛК это устройства, осуществляющие преобразование, обработку, хранение информации и выработку команд управления или управляющих регулирующих воздействий, реализованные на базе микропроцессорной техники. В нашей модернизируемой системе будем использовать контроллер фирмы OMRON CS1. Исходя из представленной сравнительной характеристики моделей ПЛК можно сделать вывод, что контроллер данной фирмы обладает большими коммуникационными возможностями, и позволяют строить системы автоматизации практически любой сложности. Наряду с достаточно мощным и удобным программированием контроллеры CS1 могут брать на себя дополнительные, не свойственные контроллерам предыдущего поколения, функции, выполнять расширенную обработку данных и архивирование. В качестве базовой концепции предложено структурное многозадачное программирование.



3. Расчетная часть

3.1 Математические описания САР и выбор автоматического управляющего устройства

Описание математической модели объекта - статистические характеристики, кривая разгона, частотная характеристика.

Построение кривой разгона.

Кривой разгона ОР называется кривая изменения во времени выходной величины в переходном процессе вызванным однократным изменением выходной величины Динамические параметры объекта определяются по кривой разгона которая дана в данных, взятых на ОАО "Северсталь".

Кривая разгона взята на основании теоретических данных из технической литературы [1].

Рисунок 5.-Кривая разгона

Динамические характеристики Коб, Тоб и фоб находятся по графику

Кривой разгона(рисунок 5). Из этого графика находим что

tоб = 14,87с

Tоб = 119,07с

Kоб = 10 мм% хода РО

Технологические требования:

- Величина максимального возможного возмущения по нагрузке в процессе эксплуатации объекта управления

Ув=15%

- Максимально допустимое динамическое отклонение регулируемой величины

Хд< 20 мм

- Максимально допустимое статическое отклонение регулируемой величины

Xс< 4 мм

- Допустимое время регулирования

tрег380 c

3.2 Выбор закона регулирования. Определение параметров настройки регулятора

Чтобы выбрать регулятор и рассчитать параметры его настройки, необходимо знать следующее [7]:

Динамические параметры объекта регулирования.

Максимальный, в условиях эксплуатации коэффициент передачи объекта управления.

К0=10 ((мм)/%хода РО)

Постоянную времени объекта управления

Т0=119,7с

Запаздывание

ф3=14,87 с

Величину максимально возможного возмущения по нагрузке в процессе эксплуатации объекта управления

Ув=15%

Основные показатели качества переходного процесса

Максимально допустимое динамическое отклонение регулируемой величины

Хд<20 мм

Максимально допустимое статическое отклонение регулируемой величины

Хст<4 мм

Допустимое время регулирования

tрег380 c

По этим известным величинам рассчитываем следующее

Величину, обратную относительному времени запаздывания находим по формуле

(1)

подставив значения, получим

14,87/119,07=0,125

Допустимое относительное время регулирования находим по формуле

(2)

Допустимый динамический коэффициент регулирования находим по формуле

(3)

подставив в эту формулу значения, получим

=0,13

Допустимое остаточное отклонение регулируемой величины находим по формуле

0,026

(4)

выразим эту величину в процентах

2,6%

Большинство автоматизированных металлургических процессов САУ с регулятором непрерывного действия протекают успешно, если в системе имеет место один из трех типовых процессов регулирования:

-Апериодический

-с 20 % перерегулированием

-с мин интегральной квадратичной ошибкой

По значению

выбираем непрерывный регулятор.

Так как показатель колебательности М принадлежит промежутку M<1,2, то выбираем апериодический процесс.

По графикам (Рисунок №6)

Rд = f(ф/Т)

выбираем простейшие законы регулирования ( П, ПИ, ПИД), которые обеспечивают необходимое значение динамического коэффициента регулирования Rд.

Рисунок 6.- График зависимости Rд от фз/Т0

1-И- регулятор; 2- П- регулятор; 3-ПИ- регулятор; 4-ПИД- регулятор

Rд=0,13 при 1/zo =0,125 могут обеспечить П, ПИ, ПИД регуляторы

Выбираю П регулятор

По графику зависимости уост=f(zo)(рисунок2), определяем остаточное отклонение при установке П-регулятора; уост=0,25

Рисунок 7.- Остаточное отклонение на статических объектах:

где 1 -Апериодический процесс; 2-процесс с 20% перерегулированием; 3-процесс с 40% перерегулированием

Xст=yост*ko*yв; (5)

Xст=0,25*10*15=37,5 мм

т.к допустимое значение Хст <4мм то П-регулятор не может быть применён.

Выбираю ПИ регулятор

Для определения tp воспользуемся графиком зависимости

tрег/ф=f(ф/t)

(рисунок 4) для апериодического процесса; [=8

Рисунок 8.- Относительное время регулирования на статических объектах:

где 1-И регулятор; 2-П регулятор; 3-ПИ регулятор; 4-ПИД регулятор.

(6)

=118,96 с

tрег<tрег (доп) ; 118,96c< 380c, следовательно апериодический процесс может быть реализован ПИ регулятором

Приближенное определение настроек регулятора произведем по следующим формулам (Таблица 2):

Таблица 2.- формулы для настроек регулятора

Коэффициент усиления регулятора найдём по формуле

Kp==0,48 (7)

Время удвоения (изодрома) найдём по формуле

Tи=0,6*To=71,442 (8)

3.3 Определение передаточной функции измерительно- преобразовательных и исполнительных устройств

Объект управления на структурной схеме САУ представляется виде соединения двух звеньев[4]:

Апериодического и звена чистого запаздывания (рисунок 9)

Рисунок 9. Структурная схема объекта управления

Автоматический регулятор на структурной схеме САУ представляется в виде соединения трех звеньев (рисунок 10)

Рисунок 10.-Структурная схема автоматического регулятора.

Система автоматического управления представляет собой совокупность объекта управления и автоматического регулятора определенным образом взаимодействующих друг с другом.

Структурная схема САУ изображена на рисунке 11.

Рисунок 11.-Структурная схема САУ

Передаточная функция разомкнутой системы имеет следующий вид

(9)

Подставим числа

(10)

Характеристическое уравнение разомкнутой системы будет иметь вид

Подставим значения

Передаточная функция замкнутой системы имеет вид

(11)

Подставим значения

То=119,07 с

Тс=1 с

Коб=10((мм)/%хода РО)

=14,87 с

Ти=71,422 с

Кр=0,48(% хода ИМ/(мм)

Характеристическое уравнение замкнутой системы будет иметь вид

(12)

подставим значения

3.4 Исследование автоматической системы управления на устойчивость частотными критериями

Главным назначением автоматической системы регулирования является поддержание заданного постоянного значения регулируемого параметра или изменение его по определенному закону.

Для того, чтобы определить, устойчива или неустойчива система, необходимо изучить ее поведение при малых отклонениях от равновесного состояния.

Математически устойчивость системы можно записать следующим образом:

Хвых(t)=Хс(t)+Хв(t);

где Хвых(t) - переходный процесс системы;

Хс(t) - собственные колебания системы;

Хв(t) - вынужденные колебания системы. Система будет устойчива, если после снятия возмущающего воздействия собственные колебания системы стремятся к нулю, т.е.

limXc(t)=0;

С помощью критерия устойчивости можно судить об устойчивости системы непосредственно по коэффициентам характеристического уравнения без вычисления его корней.

Определение устойчивости системы по Михайлову

Для того, чтобы автоматическая система управления была устойчива, необходимо и достаточно, чтобы годограф Михайлова, начинаясь на положительной части действительной оси, при изменении частоты w от 0 до +, обходил против часовой стрелки n-квадрантов, поворачиваясь на угол n* не обращаясь в нуль, где n-степень характеристического уравнения .

Для того, чтобы построить годограф Михайлова, нужно определить действительную и мнимую части характеристического уравнения (10) при изменении частоты w от 0 до +.

(13)

Характеристическое уравнение замкнутой системы автоматического уравнения:

(14)

Заменив в левой части характеристического уравнения на и выделив действительную и мнимую части, получим для комплексной частотной характеристической функции Михайлова (годографа Михайлова) следующее выражение:

(15)

(16)

(17)

(18)

После приведения подобных членов получим:

(19)

(20)

Расчет действительной и мнимой части производится на компьютере. Результаты расчета сведены в таблицу 3.

В компьютер подставляем следующие значения

Тоб=119,07 с

Тс=1 с

Коб=10((мм)/%хода РО)

=14,87 с

Ти=71,422 с

Кр=0,48(% хода ИМ/(мм))

Таблица 3.- Результаты вычислений

w,рад/с	Re(w)	Im(w)
0,0001	4,8	0,034
0,006	4,651	2,054
0,008	4,535	2,729
0,01	4,385	3,395
0,012	4,202	4,051
0,013	4,097	4,374
0,017	3,592	5,632
0,038	-1,526	10,78
0,042	-3,024	11,286
0,053	-8,156	11,982
0,076	-24,608	8,543
0,082	-30,417	6,421
0,089	-38,113	3,267
0,095	-45,552	-0,022
0,099	-50,969	-2,515

Годограф Михайлова изображен на рисунке 12.

Рисунок 12.-Гадограф Михайлова

Вывод: Данная система автоматического регулирования уровня воды в баробане-сепараторе №4 в системе испарительного охлаждения подвижных балок нагревательной печи №2 стана 2000 будет устойчива, так как годограф Михайлова, начинаясь в точке на положительной части действительной оси при изменении частоты щ от 0 до + ?, обходит против часовой стрелки 3 квадранта, поворачиваясь на угол 3р/2 не обращаясь в нуль.

Критерий Найквиста

Этот критерий позволяет судить об устойчивости замкнутой автоматической системы управления по расположению АФХ разомкнутой системы.

Устойчивость системы по Найквисту определяется на основании АФХ разомкнутой системы .

Если разомкнутая системы система устойчива, то для ее устойчивости в замкнутом состоянии необходимо и достаточно, чтобы АФХ разомкнутой системы не охватывало критическую точку с координатами [-1;j0].

Если разомкнутая системы система не устойчива, то для ее устойчивости в замкнутом состоянии необходимо и достаточно, чтобы АФХ разомкнутой системы охватывало критическую точку с координатами [-1;j0] против часовой стрелки К/2 раза, где К-число корней правой полуплоскости. Устойчивость разомкнутой системы определяется на основании характеристического уравнения разомкнутой системы Ляпунова или Рауса-Гурвица.

(21)

заменив в уравнении (19) на , получим передаточную АФХ разомкнутой системы:

(22)

Введем обозначения:

тогда:

(23)

где:

-действительная часть АФХ разомкнутой системы;

-мнимая часть АФХ разомкнутой системы.

Расчет действительной Re(w) и миной Im(w) части для построения АФХ производил на компьютере. Результаты вычислений сведены в таблицу 4.

Тоб=119,07с

Тс=1 с

Коб=10 ((м3/ч)/%хода РО)

=14,87 с

Ти=71,422 с

Кр=0,48 (% хода ИМ/())

Таблица 4.- Результаты вычислений

w,рад/с	Re(w)	Im(w)
0,012	-1,783	-3,77
0,015	-1,456	-2,808
0,02	-1,131	-1,93
0,03	-0,84	-1,13
0,05	-0,637	-0,506
0,07	-0,532	-0,214
0,09	-0,442	-0,037
0,1	-0,397	0,028
0,15	-0,175	0,196
0,2	0,011	0,195
0,25	0,115	0,103
0,29	0,131	0,013

График АФХ разомкнутой системы изображения на рисунке

Рисунок 13.-График АФХ разомкнутой системы

Определим частотные показатели. На основании этих показателей уточняют параметры настройки регулятора.

Если при проектировании системы задается показатель колебательности М, то для его выполнения необходимо, чтобы АФХ разомкнутой системы не заходила внутрь окружности, радиус которого R, а центр окружности С.

(24)

1.2/(1.22-1) 2,72

(25)

1.22/(1.22-1) 3,27

По графику АФХ определяем запас устойчивости по модулю и по фазе. Запас устойчивости по фазе () должен укладываться в промежуток 40-60о. Запас устойчивости по модулю (Н) должен находиться в рамках 0,4-0,6.

По графику получаем следующие значения

=44o ;Н=0,6

Вывод: Система автоматического управления с ПИ регулятором устойчива, так как АФХ разомкнутой системы не охватывает на комплексной плоскости точку с координатами (-1;j0) и имеет запас устойчивости как по модулю, так и по фазе [5].

3.5 Расчет конфигурации устройства управления и составление заказной спецификации

Основой модернизации АСУ ТП управления является внедрение в систему контроллера. ПЛК это устройства, осуществляющие преобразование, обработку, хранение информации и выработку команд управления или управляющих регулирующих воздействий, реализованные на базе микропроцессорной техники. Так как ПЛК предназначены для решения широкого круга задач, поэтому в ходе модернизации АСУ ТП важно выбрать ПЛК который максимально подходит для данного объекта управления по технико-экономическим характеристикам. В настоящее время на российском рынке представлен большой ассортимент современных микроконтроллеров зарубежных и отечественных производителей. По своим характеристикам многие контроллеры очень схожи друг с другом, поэтому при выборе контроллера были выдвинуты следующие критерии:

- быстродействие центрального процессора;

- номенклатура поддерживаемых модулей ввода - вывода сигналов;

- поддержка максимально возможного количества существующих типов;

входных и выходных сигналов датчиков объекта управления;

- поддержка современных сетевых протоколов промышленных сетей;

- опыт внедрения сравниваемых контроллеров на предприятиях химической промышленности.

Сравнительная характеристика ПЛК представлена на рисунке.

Рисунок 14. - Сравнительная характеристика моделей ПЛК.

Для нашей модернизируемой системы мы будем использовать контроллер фирмы OMRON CS1. Исходя из представленной сравнительной характеристики моделей ПЛК можно сделать вывод, что контроллер данной фирмы обладает большими коммуникационными возможностями, и позволяют строить системы автоматизации практически любой сложности. Наряду с достаточно мощным и удобным программированием контроллеры CS1 могут брать на себя дополнительные, не свойственные контроллерам предыдущего поколения, функции, а также выполнять расширенную обработку данных и архивирование. В качестве базовой концепции предложено структурное многозадачное программирование (Task Programming). Все типы процессоров имеют разъем для установки карты Flash-памяти, периферийный и RS232C порты, а также место для установки дополнительных коммуникационных плат. Отличительными особенностями модулей контроллера Omron являются:

- Низкая (0,025%) погрешность преобразования аналоговых и дискретных сигналов;

- Наличие выносных модулей ввода-вывода позволяет сэкономить на дорогой кабельной проводке, устанавливая блоки вблизи датчиков и исполнительных механизмов. Особенно это важно для датчиков температуры. Устанавливая выносные блоки для подключения термоэлектрических преобразователей можно избежать прокладки дополнительной компенсационной линии, учитывающей влияние длинны проводов;

- Совместимость с более дешёвыми модулями контроллеров семействаC200H.

Входные и выходные электрические сигналы контроллера можно разделить на 2 группы:

- аналоговые;

- дискретные.

В модуль ввода дискретных сигналов поступает информация о состоянии положения ИМ (открыто/закрыто). Модули вывода дискретных сигналов предназначены для подачи управляющих сигналов 24 В на открытие или закрытие ИМ. В модуль ввода аналоговых сигналов поступает информация с датчиков.

В модуль ввода дискретных сигналов поступает информация о состоянии положения ИМ (открыто/закрыто). Также в модуль дискретных сигналов поступает сигнал с дискретных датчиков.

Модули ввода дискретных сигналов в нашей системе будут установлены в шкафах: Д(78). Модули ввода/вывода дискретных сигналов будут соединяться с главным модулем контроллера с помощью протокола Compubus/s. С каждого клапана на модуль будет приходить информация о его состоянии (открытие/закрытие) а также о состоянии автомата, который запитан в схему этого клапана. Один клапан будет занимать 3 ячейки модуля контроллера. огнеупорный металлургический печь программный

Модуль вывода дискретных сигналов

Модули вывода дискретных сигналов предназначен для подачи управляющих сигналов 24 В на открытие или закрытие ИМ.

Модули ввода аналоговых сигналов нашей системе будут установлены в шкафах: А(78).

Модули ввода аналоговых сигналов предназначены для приёма сигналов с датчиков с унифицированным сигналом. На модуль ввода аналоговых сигналов подаётся сигнал 4-20 ма с датчиков измерения давления, расхода, уровня, а также с датчиков положения ИМ.[1]

Программное обеспечение для контроллеров Omron разрабатывается в среде программирования CX-Programmer. Система относится к классу систем типа CASE(Computer Aided Software Engeneering). Она обеспечивает полную поддержку всех пяти языков стандарта IEC 61131-3 и позволяет разрабатывать программное обеспечение для интеллектуальных PLC. CX-Programmer предназначен для разработки прикладных задач, исполняемых контроллером, устанавливается на компьютере IBM PC (или совместимом) под управлением Windows 9х, WindowsNT. CX-Programmer компилирует проект в код контроллера, который впоследствии загружается в память контроллера для исполнения через канал связи.



4. Требования предъявляемые к по асутпип

4.1 Требования к базовому (фирменному) программному обеспечению. Требования и характеристика используемого системного ПО. Требования и характеристика используемой операционной системы верхнего уровня и нижнего уровня АСУ ТПиП

Операционные системы устройств верхнего уровня ПТК должны быть: высокопроизводительными, устойчивыми, поддерживать обмен информацией, с понятным интерфейсом, должна быть возможность стыковки с техническими средствами.

На рисунке 14 изображена схема уровней автоматизации

Рисунок 15. - Уровни автоматизации

ОС верхнего уровня должна обеспечивать: хорошее быстродействие, должна быть надежной, с защитой от ошибок и различных сбоев, с возможностью расширения, должна быть гибкой и осуществлять возможность использования прикладных программ. Средства ОС должны быть простыми и гибкими, а логика ее работы ясна пользователю.

ОС нижнего уровня должны обеспечивать: многозадачный режим, модульность, малое время реакции, поддержка сетей, возможность стыковки со средствами сторонних разработчиков. ОС нижнего уровня осуществляет управление оборудованием а также обеспечивают первичную обработку информации, которая поступает с оборудования, и отслеживают нарушение параметров технологических процессов или их соответствие заданным величинам. Производит контроль производственных процессов и параметров. Сигналы от датчиков поступают в соответствующие контроллеры, в которых происходит сравнение параметров сигнала датчика с запрограммированными параметрами.

ПО верхнего уровня

- операционная система (MS Windows 10);

- коммуникационные протоколы (Ethernet 802.3, TCP/IP, Profibus/S);

- интерфейсы с СУБД (ODBC, SQL);

- интерфейсы динамического обмена данными DDE, NetDDE.

- Программное обеспечение информационного сервера:

- операционная система MS Windows 10;

- "мастер" приложение на базе SCADA-системы WinCC v6.0

- Сервер базы данных Industrial SQL Server 2000.

ПО нижнего уровня

Программное обеспечение автоматизированных рабочих мест, входящих в АСУ ЦППН, основывается на следующих базовых средствах:

- Операционная система MS Windows 10;

- FactoryFocus для АРМ наблюдения за технологическим процессом;

- ActiveFocus для осуществления связи с базой данных Industrial SQL Server.

В данной САР компьютеры имеют следующую конфигурацию

- Оперативная память - 16384 МБ (DDR2-800 DDR2 SDRAM)

- Системная плата MSI P35 Neo (MS-7360) (2 PCI, 3 PCI-E x1, 1 PCI-E x16, 4 DDR2 DIMM, Audio, Gigabit LAN)ип ЦП - Тип ЦП DualCore Intel Core 2 Duo E4400, 2000 MHz (10 x 200)

- Видеоадаптер NVIDIA GeForce 12600 GT (2048 Мб)

- Звуковой адаптер Realtek ALC888/1200 @ Intel 82801IB ICH9 - High Definition Audio Controller [A-2]

- Сетевой адаптер Сетевая карта Realtek RTL8168B/8111B Family PCI-E Gigabit Ethernet NIC (NDIS 6.20) (192.168.1.3)

- Объём жёсткого диска - 2048ГБ.

4.2 Требования и характеристика используемых пакетов

Контроллеры Omron имеют несколько стандартных сетевых интерфейсов для построения промышленных сетей: Ethernet, Copmobus, DeviceNet, RS 485. Важнымвопросом при построении АСУТП является выбор интерфейса для построения высокоскоростной и надежной промышленной сети. Существует более полусотни коммуникационных технологий, относящихся к классу промышленных сетей или полевых шин, предоставляющих возможность создания распределенных систем, в состав которых входят программируемые логические контроллеры, датчики и исполнительные устройства. Значительная

часть этих технологий основана на собственных протоколах и аппаратных средствах компаний-производителей. В данной модернизируемой системе используются 4 протокола передачи данных:, Compobus/S, Ethernet,DeviceNet,RS 422.

Протокол CompoBus/S - это разработка фирмы OMRON. Сеть представляет собой двух или четырех - проводную линию с ответвлениями и терминалами ввода/вывода. Время опроса 32 узлов происходит менее 0.5 сек.С помощью данного протокола соединены модули дискретных входов/выходов установленных в шкафах ШРГ и ШС. В качестве соединения модулей дискретного ввода/вывода в одну сеть используем мастер модульC200HW-SRM21-V1.