главнаяотчеты по проектамотраслевые решенияметаллургияСистема автоматическ ... АО «Днепроспецсталь» / 2002 г.

Система автоматического управления линией горячего прессования цеха порошковой металлургии ОАО «Днепроспецсталь»

Цех порошковой металлургии ОАО «Днепроспецсталь» (г. Запорожье) изготавливает высокопрочные быстрорежущие стали путем изостатического горячего прессования порошковой легированной стали, находящейся в герметичных капсулах.

Технология производства высокопрочных сталей из порошков включает в себя несколько этапов:
• подготовка шихтовых материалов для получения необходимой марки стали;
• выплавка стали в индукционной печи и распыление жидкой стали газообразным азотом;
• охлаждение и рассев порошка с разделением на рабочую и некондиционную фракции;
• дозирование порошка в капсулы, их герметизация, заполнение капсул с порошком азотом и холодное прессование высоким давлением без нагрева;
• нагрев капсул с металлическим порошком в электрических печах предварительного нагрева и горячее изостатическое прессование высоким давлением в газостате;
• механическая обработка полученных спрессованных заготовок.

 
Шкаф TREI в цеху
 
Разработанная система автоматического управления (САУ) из приведенного технологического цикла охватывает печи предварительного нагрева и газостат, составляющие линию горячего прессования (ЛГП). ЛГП включает в себя семь печей предварительного нагрева и один газостат высокого давления. Перед загрузкой печей производится включение в рабочем режиме систем водяного охлаждения и газоподготовки. Со станции загрузки капсула с металлическим порошком помещается в выбранную оператором печь предварительного нагрева, разогретую до начальной температуры. В течение всего периода нагрева капсулы в печь подается аргон. Нагрев капсулы в печи производится в соответствии с технологической инструкцией изготовления быстрорежущих сталей. С тем, чтобы обеспечить равномерную и непрерывную загрузку газостата, посадка капсул с порошком в печи выполняется через определенные промежутки времени.

После нагрева капсулу перемещают в газостат, где производится процесс горячего изостатического прессования при высоких значениях температуры и давления аргона в течение заданного времени. Затем капсулу со спеченным металлом перемещают из газостата на станцию выгрузки.

Каждая печь предварительного нагрева имеет три зоны нагрева, мощность нагревателей каждой зоны — 25 кВт. Для измерения температуры в каждую зону печей установлены по одной термопаре. Для контроля температуры кожуха печей в каждую печь вмонтированы термопары. Газостат имеет четыре зоны нагрева, мощность нагревателей каждой зоны — 52 кВт. В каждую зону газостата установлены по три термопары.

Существующая до модернизации система управления на базе контроллера РЕМИКОНТ-110 выполняла автоматическое ведение заданных температурно-временных режимов нагрева в печах и газостате. Цифровые регуляторы контроллера РЕМИКОНТ обеспечивали двухпозиционное регулирование, управляя непосредственно тиристорными ключами нагревателей зон печей. Регулирование температуры зон газостата велось ПИ-регулятором и тиристоры управлялись фазовым способом. Обеспечивалась точность поддержания температуры не более ±20 °С.

Учитывая, что диапазон рабочих температур в газостате сопоставим с температурой плавления материала нагревателей, недостаточная точность регулирования приводила к преждевременному износу нагревателей. Контроль температуры осуществлялся с помощью многоточечных самописцев, контроль электрических параметров нагревателей (ток, напряжение) по стрелочным приборам. Контроль потребленной электроэнергии, а также внутреннего сопротивления нагревателей, характеризующих вероятный их износ, не осуществлялся.

Важнейшим параметром, обеспечивающим безопасность работы печей предварительного нагрева и соблюдения технологии спекания порошка в капсулах, является контроль абсолютной величины и скорости вертикального линейного расширения капсулы-заготовки. Расширение капсулы-заготовки определяется суммой значения теплового расширения капсулы и значения выгибания ее торцевых крышек, обусловленных физико-химических процессами внутри капсулы при нагревании. В случаях нарушения технологии подготовки заготовки, превышение допустимого предела скорости расширения капсулы приводит к взрывному разрушению капсулы.

Система до модернизации
В существующей до модернизации системе управления осуществлялся контроль и регистрация самописцами только линейного расширения капсулы, при этом требовалась ручная настройка датчика после каждой посадки капсулы в печь. Скорость расширения определялась оператором по ходу нагрева визуально. Учитывая недостатки прежней системы управления, необходимо было разработать и внедрить новый программно-технический комплекс с возможностями более качественного и безопасного ведения технологического процесса с полным отображением хода процесса, архивированием всех измеряемых параметров, эргономическими средствами управления.

На основании тендерного отбора специалисты ОАО «Днепроспецсталь» выбрали исполнителем работ САУ ЛГП фирму ООО «ТРЕІ-УкраЇна» г. Кривой Рог, являющуюся дочерним предприятием германской фирмы «TREI GmbH» г. Штутгард. Фирма ООО «ТРЕІ-УкраЇна» взяла на себя выполнение данной работы «под ключ», от разработки до сдачи в эксплуатации.
Задачи
Перед разработчиками новой САУ ЛГП стали следующие задачи:
• разработка и внедрение микропроцессорного регулятора мощности, обеспечивающего поддержание заданного значения мощности и измерение электрических параметров нагревателей;
• введение двухконтурного подчиненного регулирования температуры зон для обеспечения повышенной точности регулирования, т.е. применение регулятора температуры зоны (ведущий) и регулятора мощности (ведомый);
• реализация двух способов регулирования потребляемой мощности нагревателями зон: фазовое управление и широтно-импульсное управление;
• замена датчиков контроля линейного расширения капсулы, реализация алгоритмов автоматической юстировки датчиков и расчета скорости линейного расширения капсулы;
• обеспечение автоматического управления и контроля состояния силовой коммутационной аппаратуры;
• реализация алгоритма регулирования температуры, устойчивого к отказу отдельных термопар;
• обеспечение всех режимов нагрева и прессования для различных марок стали, с возможностью оперативной корректировки по ходу технологического процесса и задания новых технологических режимов оперативным персоналом;
• регистрация событий хода процесса и технологических параметров с долговременным хранением;
• реализация технического учета потребляемой электроэнергии по каждой зоне печей и газостата.

Поставленные задачи были решены применением современных сертифицированных микропроцессорных технических средств собственного производства, что позволило расширить функциональные и информационные возможности для обслуживающего персонала.

Система обеспечивает:
• сбор и первичную обработку информации;
• поддержание параметров регулирования с заданной точностью;
• автоматическое управление технологическим процессом;
• аварийную, предупредительную и технологическую сигнализацию трех видов: световую, звуковую и речевые сообщения;
• ввод параметров технологического процесса с пульта управления оператора;
• архивирование хода технологического процесса в виде трендов, печатных документов, протоколов сообщений;
• автоматическое и ручное управление регуляторами мощности с мнемосхем рабочей станции оператора;
• метрологическое сопровождение (для осуществления метрологической поверки измерительных каналов и проверки работоспособности контроллеров);
• инструментальное сопровождение (для настройки контроллера, прикладных программ, информационной базы данных, динамических объектов станции визуализации).
 
 
Уровни САУ
САУ является трехуровневой.
Первый уровень: датчики измеряемых параметров (термопреобразователи, измерительные схемы тока и напряжения на нагревателях, датчики линейного перемещения, датчики давления и расхода), силовые тиристоры нагревателей, дискретные сигналы положения механизмов, состояния пусковых устройств и блокировочных устройств, источники питания +24В для входных и выходных сигналов.

Второй уровень: контроллер TREI-5B-00 фирмы «TREI GmbH», регуляторы мощности нагревателей РМ1-М фирмы ООО «TREI-УкраЇна».

Третий уровень:
• две рабочие станции операторов, обеспечивающие обработку информации, ее регистрацию, архивирование (за последние сутки), отображение, документирование и диалог оператора с системой;
• станция архивирования, обеспечивающая кроме всех функций станции оператора долговременное хранение трендов переменных параметров, печатных документов и протоколов событий;
• станция инжиниринга, обеспечивающая функции сопровождения и диагностики системы (доработка и модернизация системы, удаленная перезагрузка и перезапуск контроллеров, диагностика связи).

Все станции и контроллер объединены локальной вычислительной сетью на базе 10-Мбитной технологии ЕTHERNET (протокол ТCP/IР). Связь между контроллером и регуляторами мощности обеспечивается по последовательному интерфейсу RS-485 (протокол MODBUS RTU).

Система обеспечивает сбор, обработку, хранение и предоставление информации по параметрам:
• аналоговым входным (108 аппаратных входа контроллера и 165 сигналов по RS-485);
• дискретным входным (110 аппаратных входа контроллера и 224 сигналов по RS-485);
• аналоговым выходным (25 аппаратных выхода контроллера и 25 сигналов по RS-485);
• дискретным выходным (65 аппаратных выхода контроллера и 50 сигналов по RS-485);
Ручной ввод (578 переменных контроллера).
Технические характеристики контроллера TREI-5B-00
IBM-совместимый микропроцессорный контроллер TREI-5B-00 имеет следующие технические характеристики:
• процесcор PENTIUM 100, ОЗУ 8 Мбайт, FLASH-диск 8 Mбайт;
• информационная мощность (до 768 дискретных и 192 аналоговых сигналов);
• поддержка всей номенклатуры входных аналоговых сигналов распространенных на территории СНГ (токовые 0-5, 0-20, 4-20 мА, потенциальные, частотные, сигналы от термопар ХА, ХК, ПП, ПР, ЖК, МК, НН, ВР и термосопротивлений 50М, 100М, 50П, 100П);
• полное гальваническое разделение входных аналоговых сигналов в контроллере;
• обеспечение контроля «на обрыв» цепей дискретных и аналоговых датчиков;
• наработка на отказ не менее 75 000 часов.

Микропроцессорный регулятор мощности РМ1-М, предназначенный для поддержания заданной мощности и измерения параметров активных однофазных электронагрузок, реализует ПИ-регулирование заданной мощности и обеспечивает два вида управления силовыми тиристорами: фазовое и широтно-импульсное.
 
 

Регулятор РМ1-М выполнен на базе микроконтроллера АТ90S8535 фирмы ATMEL. Управление регулятором мощности может осуществляться по последовательному интерфейсу RS485 или совокупностью аппаратных входных/выходных аналоговых и дискретных сигналов включения (задание Р, значение текущих U, I, сигналы «Готовность», «Обрыв нагрузки», «КЗ», команды «Включить», «Фазовое ШИМ управление».) При управлении по интерфейсу RS-485 обеспечивается обмен еще рядом дополнительных данных (значение накопленной мощности, состояние регулятора, задание коэффициентов и др.). Управление по интерфейсу RS-485 является приоритетным перед аппаратными сигналами управления.

Плата управления РМ1-М выполнена в конструктиве 3U с защитной передней панелью для монтажа в шасси с разъемами. Рабочие станции оператора помещены в пульты, обеспечивающие необходимые условия эксплуатации. Пульты оператора снабжены функциональными технологическими клавиатурами защищенного исполнения и трекболами. Для обеспечения непрерывной работы в системе управления технологическим процессом рабочие станции операторов дополнены аппаратными сторожевыми таймерами.

Контроллер TREI-5B-00, блоки питания и клеммы внешних соединений размещены в герметичном шкафу. Шкаф контроллера и пульты оператора установлены непосредственно в цеху. Операционные системы, установленные на рабочих станциях — WINDOWS NT 4.0 Workstation, в контроллере — QNX 4.25. В качестве системы реального времени (СРВ) и SCADA-пакета выбраны программные модули «КРУГ-2000» (НПФ «КРУГ», Россия, г. Пенза), образующие совместно с контроллерами TREI-5B единый сертифицированный программно-технический комплекс.

Программное обеспечение
Базовое программное обеспечение (ПО) включает: СРВ контроллера, СРВ станций оператора и архивирования, ПО станции инжиниринга, ПО среды разработки (формирование мнемосхем, генерация БД, трансляция технологических программ). СРВ контроллера обеспечивает опрос УСО, занесение данных в БД контроллера, первоначальную обработку (предупредительную и аварийную сигнализацию), регулирование технологических параметров, связь со станциями оператора и т.д., ведение режимов нагрева в печах и газостате, контроль расчетных параметров, обеспечение режимов регулирования и т.д., осуществляет программа пользователя, функционирующая в СРВ контроллера, и составленная на языке технологического программирования «КРУГОЛ», из состава пакета «КРУГ-2000».

На компьютерах рабочего места (РМ) оператора установлено ПО станции оператора пакета, на РМ инженера АСУ ТП — ПО станции инжиниринга и ПО среды разработки, на РМ инженера-технолога — ПО станции архивирования. Станции оператора и станция архивирования являются непрерывно функционирующими, а ПО станции инжиниринга и среды разработки запускается по мере необходимости. Станция оператора обеспечивает визуализацию данных, ведение кратковременной истории процесса и журнала сообщений системы, выдачу управляющих воздействий на контроллер. Станция архивирования обеспечивает все функции станции оператора, а также функции долговременного архивирования данных, формирования и печать архивных документов. Станция инжиниринга обеспечивает удаленную диагностику системы, работу с файловой структурой контроллеров, их перезапуск, коррекцию системного времени и т.д.

Факторы работы системы
При оценке работы САУ ЛГП Заказчиком отмечены следующие факторы работы системы:
— повышение надежности системы управления и контроля снижение потребления электроэнергии на нагревательных печах и в газостате;
— уменьшение простоев линии и снижение затрат на ремонт оборудования документированный контроль параметров хода технологического процесса и как следствие соблюдение технологической дисциплины возможность создания новых технологических режимов нагрева и прессования без привлечения разработчиков системы улучшение условий труда оперативного персонала.

В результате создания САУ повысились технико-экономические показатели работы ЛГП за счет более эффективного управления технологическим процессом, оптимизации процесса нагрева в печах. Переход на двухконтурное подчиненное регулирование и применение микропроцессорных регуляторов мощности РМ1-М позволили существенно повысить качество регулирования: точность поддержания температуры на участках поддержания постоянной температуры ±1 °С (ранее ±20 °С).

Повышение точности регулирования, контроль изменения сопротивления нагревательных элементов и количества потребленной электроэнергии нагревательным элементом дает возможность оценивать степень износа нагревателей, а также выявлять частичное замыкание витков нагревателя. Это позволило увеличить износостойкость нагревательных элементов и соответственно уменьшить затраты на ремонты печей.

САУ ЛГП позволила расширить функциональные и информационные возможности для обслуживающего персонала, а именно: качественное визуальное отображение технологического процесса в виде мнемосхем, гибкое оперативное управление, возможность записи, архивирования, анализа работы технологического оборудования и действий оператора за длительный промежуток времени. САУ была передана в опытную эксплуатацию в августе 2002 года, а в 2003 году прошла метрологическую аттестацию.

За время эксплуатации системы производство высокопрочной стали выполнялось без нарушений технологии по управляемым системой параметрам. Системой было выявлено и предотвращено несколько аварийных ситуаций связанных с критической скоростью расширения капсулы.

В настоящее время Заказчик планирует дальнейшее развитие САУ направленное на повышение технико-экономических показателей ЛГП за счет: создания теплотехнических моделей печей и газостата, позволяющих оценить потенциальные возможности снижения потерь энергоресурсов реализации функций автоматического расчета времени загрузки заготовок по печам предварительного нагрева, с целью минимизации простоев газостата создания подсистемы советчика оператора, комментирующего и направляющего его действия, на базе речевых и текстовых сообщений.
 
    Навигация по странице:
 
^ Наверх ^ 141 мс