Курсовая работа: Автоматизация методической печи

Однако при переходе к регулированию непосредственно температуры металла необходимо учитывать два основных фактора: 1) нагрев металла в методической печи является распределённым процессом, в результате чего все заготовки в зоне имеют различное распределение температур по сечению; коэффициент передачи по каналу расход топлива – температура поверхности заготовки изменяется по длине зоны, увеличиваясь в направлении движения факела; 2) зоны печи не приспособлены для независимого регулирования локальных температур.

Следовательно, для создания эффективной системы управления нагревом металла необходим распределённый контроль температуры, на основе которого может быть сформирована величина, характеризующая усреднённую по длине зоны температуру поверхности заготовок. Именно эта величина будет являться регулируемым параметром и её понимают под температурой металла при решении данной задачи.

Непрерывный распределённый контроль температуры металла в настоящее время практически неосуществим, поэтому предложено заменить его контролем в конечном числе точек, т.е. заменить пространственную реализацию температурного профиля поверхности металла по длине зоны ступенчатой кривой, которая в интервалах между точками контроля остаётся неизменной.

Следующая задача, при решении которой используется температура металла – упрощение алгоритмов систем оптимального управления, минимизирующих, например, среднее квадратическое отклонение температуры заготовок на выдаче из печи от заданного значения. В этих системах с помощью модели нагрева и на основах данных о температуре печного пространства, скорости продвижения металла через печь и его теплофизических параметрах осуществляется непрерывный расчёт температур на поверхности и внутри заготовки. Информация о температуре металла позволяет исключить из системы модель внешнего теплообмена и существенно упростить алгоритмы управления, которые в данном случае базируются на результатах прямых измерений. В этом случае под температурой металла понимается температура поверхности заготовки, измеренная в какой – либо точке зоны, например в её середине. Совпадение достигнутого в результате управления распределения температур по сечению заготовки с заданным во многом зависит от точности измерения. Однако степень влияния погрешности измерения на конечный результат управления различна для разных зон печи.

Следующая задача, при которой используется измеренная температура металла, - проверка точности моделей нагрева, их адаптация и определение достигнутых результатов управления.

В этом случае под температурой металла понимается температура поверхности заготовки, измеренная в любом заранее заданном и удобном для обслуживания месте. Число датчиков меньше или равно числу зон. Допустимая абсолютная погрешность измерения не более 10 К. Столь жёсткие требования к точности измерения связаны с тем, что сравниваются абсолютные значения рассчитанной и измеренной температур поверхности и по полученной разнице направленно корректируются коэффициенты в моделях нагрева или управления. Низкая точность измерения может привести либо к неустойчивости модели, либо к слишком большому времени их адаптации.

Из сказанного выше следует, что для решения любой из перечисленных задач необходимо обеспечить непрерывное измерение температуры поверхности заготовки. Точность измерения, количество точек контроля и их расположение по длине печи, способ обработки полученной информации и содержание понятия "температура металла" определяются типом решаемой задачи.

Непрерывное определение распределения температур по толщине заготовки может быть выполнено только расчётным путем с периодическим уточнением получаемых результатов путём измерения действительных температур на поверхности и внутри контрольной заготовки с помощью термопар.

Давление в рабочем пространстве печи

Давление в рабочем пространстве методических печей существенно влияет на их тепловую работу. Оно определяет при прочих равных условиях интенсивность нагрева металла, удельный расход топлива, величину угара и окалинообразования, удобство обслуживания и сохранность агрегата.

Излишне высокое давление ведёт к выбиванию из печи продуктов сгорания, что наряду с ростом тепловых потерь вызывает ускоренный износ внешних конструкций, затрудняет визуальный контроль и обслуживание, загрязняет атмосферу цеха.

Слишком низкое давление обусловливает подсос в печь через рабочие окна и различные неплотности в кладке холодного воздуха, что ведёт к ухудшению использования топлива, увеличению угара и окалинообразования и затрудняет управление процессом горения. Особенно опасен подсос воздуха через окно выдачи, вызывающий неравномерное охлаждение ближайшей заготовки и подстуживание подины. При длительной паузе в работе стана эта заготовка уже не может быть направлена в прокатку, а возвращается на склад.

Наиболее благоприятным в смысле обеспечения наилучшей тепловой работы печи и удобства её обслуживания является небольшое положительное давление во всём рабочем пространстве. Однако создать такой режим работы на современных методических печах практически невозможно. Главная причина – работа горелок, подающих топливо и воздух с большой кинетической энергией. По мере движения вдоль зоны скорость продуктов сгорания уменьшается, динамический напор переходит в статический, в результате чего давление непрерывно нарастает в направлении окна посада.

Возникающий при этом перепад по длине каждой зоны зависит не только от типа установленных в ней горелок, их положения и направления, но и от конфигурации самой зоны и количества топлива, подаваемого в неё.

Попытки выровнять распределение давления по длине печи уменьшением высоты пережимов, подбором угла установки горелок, изменением направления движения продуктов сгорания в отдельных зонах пока не дали положительных результатов. Различного рода газовые и паровые завесы, применяемые для снижения вредного влияния подсасываемого холодного воздуха и уменьшения выбивания, только дополнительно искажают это распределение.

По высоте печи давление также различно из-за влияния геометрического напора столба продуктов сгорания. Под сводом оно выше, чем на уровне металла, в нижних зонах – минимально, это ведёт к перетокам, обусловливающим взаимовлияние зон и перегрев торцов заготовок.

Периодическое открытие заслонок окна выдачи вызывает дополнительные изменения давления, особенно сильно проявляющиеся в томильной зоне.

При таком многообразии возмущающих факторов и различии их проявлении в различных точках рабочего пространства на современных методических печах имеется лишь один канал управления давлением – изменением тяги. В зависимости от принятой схемы это изменение реализуют путём воздействия на положение поворотного клапана в дымовом борове, или на производительность дымососа, или на режим работы вытяжной трубы.

Однако в любом случае при изменении тяги изменяются только абсолютные значения давления, а не характер его распределения по длине и высоте печи. График распределения перемещается параллельно самому себе, не претерпевая сколь-нибудь существенной деформации.

В таких условиях давление в одной произвольно выбранной точке рабочего пространства может лишь приближённо характеризовать гидравлический режим печи и соответствующую ему тепловую работу. Исходя из этого, выбор импульсной точки в рабочем пространстве осуществляется в соответствии с главной для данной печи задачей – основным требованием к её гидравлическому режиму.

Наиболее распространено требование минимума подсоса холодного воздуха как условие обеспечения приемлемого режима нагрева металла и нормального сжигания топлива. Одновременно накладываются и противоречивое требование – ограничить выбивание продуктов сгорания через окна и неплотности кладки.

Исходя из того, что наиболее вредны подсосы в томильной зоне, импульсную точку располагают под её сводом. Величину давления выбирают так, чтобы с учётом геометрического напора обеспечить небольшое положительное давление на уровне металла.

За счёт инжектирующего действия горелочного и геометрического напора, обусловленного низким расположением окна выдачи, исключить подсос холодного воздуха в томильную зону не удаётся. Чтобы уменьшить его вредное влияние, снижают подачу регулируемого воздуха в горелки томильной зоны или устанавливают у окна выдачи газовые завесы, а на печах с машинной выдачей оборудуют окалиносборник мощными горелками, работающими также со сниженным соотношением топливо-воздух. Попытки уменьшить подсосы путём подъёма давления в печи ведут к недопустимому увеличению выбивания. Кроме того, давление в других зонах печи ставится в зависимость от режима работы томильной зоны, что может вызвать нежелательные изменения режима нагрева металла в этих зонах при срабатывании системы регулирования давления в моменты открытия заслонок окна выдачи. Это объясняется тем, что для сварочных зон возмущения по давлению, а следовательно, и по режиму нагрева металла, вызванные быстрым и значительным перемещением поворотного дымового клапана, заметно превосходят таковые, вызванные только закрытием заслонок.

Другим, также весьма распространённым требованием является обеспечение минимальной длительности пребывания металла в печи. В этом случае режим работы каждой зоны и распределение давления по печи устанавливают таким образом, чтобы обеспечить за счёт оптимального распределения температуры над заготовками максимально допустимую интенсивность нагрева металла и, как следствие, минимальное время пребывания его в печи. Как показали исследования, оптимальный в этом смысле гидравлический режим характеризуется значительным разрежением в томильной зоне и высоким давлением в первых зонах у окна посада. Чтобы уменьшить вредное влияние подсосов и не допустить увеличение угара за счёт избытка кислорода в атмосфере печи, в обязательном порядке устанавливают мощную газовую завесу у окна выдачи, чем одновременно достигается рост производительности печи. Для уменьшения выбивания уплотняют кладку, уменьшают число рабочих окон в первых зонах, а заслонку окна посада поднимают на минимально возможную высоту.

В большинстве случаев ритм работы комплекса печи – стан диктуется ритмом работы стана, поэтому в зависимости от текущей ситуации режимы работы отдельных зон печи и распределение давления вдоль неё должны претерпевать существенные изменения. В этих условиях гидравлический режим должен обеспечить нагрев металла с необходимой интенсивностью при заданной температуре рабочего пространства с минимальными потерями на угар и окалину. Подразумевается, что работа соответствующей локальной системы регулирования исключает колебания соотношения топливо – воздух и связанных с ними дополнительных потерь металла и топлива.

Поддержание оптимального в этом смысле давления в каждой зоне возможно при прочих равных условиях только в том случае, если контролируемая величина характеризует условия нагрева металла в каждой точке печи, отражает только те возмущающие и регулирующие воздействия, которые оказывают существенное воздействие на гидравлический режим и тепловую работу, и обеспечивают возможность направленного воздействия на условия нагрева металла.

Из изложенного ясно, что для обеспечения оптимального гидравлического режима необходимо непрерывно изменять величину поддерживаемого среднеинтегрального давления в зависимости от поставленной задачи и текущей ситуации.

Однако, как показали исследования, выполненные на пятизонной методической печи, ее тепловую работу достаточно точно характеризует и давление в импульсной точке, расположенной под наклонным участком свода последней по ходу металла верхней сварочной зоны.

Стабилизация давления в указанной импульсной точке обеспечивает в значительной мере автоматическое возвращение гидравлического режима печи к его достижимому оптимальному состоянию практически при всех видах возмущений.

Качество работы системы регулирования зависит от представительной точки контроля, правильности подключения датчика, типа регулятора и его настройки, скорости перемещения и характеристики регулирующего органа.

Управление сжиганием топлива

Задачей этих систем является обеспечение экономичного сжигания топлива, достижение наилучших условий теплообмена факела с металлом и кладкой и поддержание в печи газовой атмосферы определённого состава. Указанные задачи решаются путём направленного изменения соотношения топливо – воздух (Со), автоматическая стабилизация которого позволяет улучшить качество нагрева металла, уменьшить удельный расход топлива, угар и окалинообразование.

В печах с инжекционными горелками происходит саморегулирование Со, требуемое значение которого устанавливают, изменяя при наладке положение воздушных клапанов перед горелками. Если при полностью открытых клапанах воздуха все же недостаточно, то уменьшают размеры газовых сопел или переходят на сжигание газа с пониженной теплотой сгорания.

В печах с дутьевыми горелками регулирование осуществляется путём принудительного изменения расхода или Со (схемы с ведущим топливом). Гораздо реже встречаются системы с ведущим воздухом. Поддержание заданного значения Со обеспечивают локальные системы регулирования, использующие в качестве входной информации непрерывно измеряемые расходы топлива и воздуха. Величину Со устанавливают с помощью выносного задатчика, отградуированного либо непосредственно в единицах Со, либо в единицах коэффициента расхода воздуха, определяемого как отношение измеренного расхода воздуха к теоретическому, необходимому для полного сжигания измеренного расхода топлива.

При заметных отклонениях барометрического или избыточного давления и температуры топлива или воздуха от расчётных в показания расходомеров вводят соответствующую поправку для приведения к стандартным условиям. Обычно учитывают только отклонения температуры.

Динамика объекта регулирования, которым в данном случае является участок трубопровода между диафрагмой и регулирующим органом, аппроксимируемый с достаточной степенью точности звеном чистого запаздывания и апериодическим звеном первого порядка. В таких условиях удовлетворительное качество регулирования достигается при использовании ПИ-регуляторов со сниженным коэффициентом передачи пропорциональной части или при использовании чистых И-регуляторов.

Качественное регулирование заданного значения Со по измеренным расходам даже при достаточно больших тепловых нагрузках ещё не гарантирует экономического сжигания топлива о постоянства состава продуктов сгорания внутри печи.

Неконтролируемые изменения теплоты сгорания топлива, особенно при отоплении смешанным газом, приводят к колебаниям действительного значения Со, которые могут достигать значительной величины. Для устранения этих колебаний в систему регулирования вводят импульс от калориметра, непрерывно измеряющего теплоту сгорания топлива.

Действительное количество воздуха, поступающего в печь, может отличаться от измеренного. Это отличие обусловлено потерями на участках воздухопровода, расположенных после диафрагмы, и подсосами в печь холодного воздуха из окружающего пространства. Количество теряемого воздуха может быть ориентировочно оценено при теплотехнических испытаниях печи. Количество подсасываемого воздуха зависит от давления в печном пространстве и увеличивается при снижении тепловой нагрузки. Используя эту зависимость, можно сформировать корректирующий импульс, вызывающий снижение заданного значения Со в соответствии с уменьшением тепловой нагрузки. Введение такого импульса, а также учёт теряемого воздуха позволяет снизить влияние этих факторов, но не устранить их полностью. Кроме того, в процессе эксплуатации печи количество теряемого воздуха и зависимость между количеством подсасываемого воздуха и тепловой нагрузки меняются.

Достаточно точно о составе атмосферы печи (полноте сжигания топлива) можно судить по результатам анализа продуктов сгорания, отбираемых в конце печи, или для печей большой мощности в конце каждой зоны. По найденному содержанию О2, CO, H2, CH4 и N2 может быть рассчитан действительный коэффициент расхода воздуха. Разность между заданным и рассчитанным значениями будет корректирующим сигналом регулятору Со. Применение указанного способа требует обеспечения представительности проб продуктов сгорания, отбираемых для автоматического анализа, решения задач очистки и охлаждения пробы, а также минимума запаздываний в импульсной линии и собственно газоанализаторе. Динамические характеристики современных автоматических газоанализаторов на порядок больше динамических характеристик объекта управления, что приводит при непосредственном регулировании Со по результатам анализа к большим и знакопеременным динамическим погрешностям. Представительный импульс может быть сформирован только по большому количеству отдельных измерений и, характеризуя тенденцию изменения действительного значения Со, может использоваться в качестве корректирующего сигнала.

Если в печи осуществляется полное сжигание топлива, то достаточно контролировать только содержание О2 в продуктах горения. Такой анализ может быть выполнен с достаточным быстродействием и без применения сложных устройств отбора и подготовки пробы с помощью датчика с твёрдым электролитом.

Чтобы уменьшить кратковременные колебания Со, связанные с запаздыванием показаний расходомеров или с прекращением регулирования, вызванным отклонением температуры датчика от заданного значения, в систему может быть введён импульс от исполнительного механизма, перемещающего регулирующий орган на трубопроводе топлива.

Управление сжиганием топлива может быть осуществлено также с помощью экстремальных систем регулирования, в которых в результате непрерывного поиска определяется значение Со, обеспечивающее максимальную при данном расходе топлива температуру в области, контролируемой датчиком.

5.  постановка задач автоматизации

АСУТП предназначается для управления процессами транспортирования и нагрева металла на участке. При управлении должны обеспечиваться необходимые по условиям прокатки значения температуры поверхности металла и перепада температур по сечению заготовки на выходе из печи при согласовании темпа работы прокатного стана и минимальных затратах на передел.

АСУ ТП состоит из двух уровней.

В нижний уровень входят локальные подсистемы, осуществляющие сбор первичной информации, управление технологическим оборудованием и дистанционное управление технологическими параметрами процесса нагрева.

Как правило, нагревательные печи должны работать на автоматическом управлении. Переход на ручное управление может быть разрешен только в исключительных случаях. В локальную систему автоматического регулирования входят:

-  регулирование температуры в каждой зоне;

-  регулирование соотношения расходов природного газа и воздуха;

-  регулирование давления в печи;

-  регулирование давления природного газа перед печью;

-  контроль параметров;

-  система безопасности и система сигнализации.

Верхний уровень содержит подсистемы, работающие по алгоритмам, основанным на методах оптимального управления, и реализуется на базе ЭВМ. К основным задачам, работающим на верхнем уровне АСУ, относятся, в частности, математическая модель процесса нагрева металла, задача расчета заданных значений на температуру в зонах, задача выдачи этих значений на автоматические регуляторы локальных систем, задачи автоматического ведения документации.

Для обеспечения наиболее оптимального нагрева заготовок, предотвращения бесполезных затрат топлива, порчи внутренней поверхности методической печи необходимо осуществлять контроль и регулирование определенных параметров печи. Для этого используются стандартные датчики, преобразователи, контроллеры.

В данном проекте объектом автоматизации является семизонная методическая печь. Для этого объекта осуществляется контроль и регулирование таких параметров как:

1.  Температура в рабочем пространстве печи (по зонам);

2.  Температура конца прокатки;

3.  Объемный расход газа по зонам;

4.  Объемный расход воздуха по зонам;

5.  Температура отходящих продуктов сгорания;

6.  Температура подогретого воздуха;

7.  Давление газа в общем газопроводе;

8.  Давление в рабочем пространстве печи (под сводом томильной зоны);

9.  Разрежение в дымовом борове печи.

Имеется ряд контуров регулирования:

1.  Температура в зонах печи;

2.  Соотношение газ-воздух в зонах;

3.  Давление в рабочем пространстве печи.

6.  разработка и описание структурной схемы автоматизации

На основании рассмотренных выше задач контроля и управления строится структурная схема автоматизации.

Система автоматизации представляет собой трехуровневую систему. Первый уровень осуществляет сбор информации с помощью датчиков (Д), управление исполнительным механизмом (ИМ) и передачу информации на второй уровень.

Второй уровень состоит из щита КИП и А, регуляторов, микроконтроллеров S7-200. Второй уровень осуществляет обработку информации, поступившей с первого уровня, регистрацию и стабилизацию технологических параметров, подготовку и выдачу оперативной информации на третий уровень, получение производственных ограничений и заданий от третьего уровня. Щит КИП и А включает в себя следующие приборы: средства сигнализации (С), преобразователи (Д), регуляторы (Р), панели управления исполнительными механизмами (СУ), задатчики (ЗД), индикаторы аналоговые и цифровые (ИА и ИЦ), аналоговые регистраторы (РА), процессоры (ПР), вводно-выводные устройства (ВВУ), внешние запоминающие устройства (ВЗУ), диспетчерскую связь (ДС), производственную громкоговорящую связь (ПГС), регистраторы аналоговые (РА).

Микроконтроллер включает в себя: процессор, внешнее запоминающее устройство, вводно-выводное устройство, пульт ручного ввода данных. Микроконтроллер выполняет регистрацию параметров, расчет показателей работы.

Третий уровень управления представляет собой ЦЭВМ, которая включает в себя процессор, внешнее запоминающее устройство, вводно-выводное устройство, пульт ручного ввода данных, видеотерминал, устройство печати.

Второй и третий уровни управления охвачены диспетчерской связью.

7.  РАЗРАБОТКА И ОПИСАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ

Функциональная схема состоит из ряда отдельных контуров автоматического регулирования.

Первый контур регулирования температуры по зонам печи. Сигнал от датчика (поз. 1-1), как правило, это термопара ПП, поступает на преобразователь Ш-72 (поз. 1-2) с выходом 4-20мА, и далее на вход микроконтроллера (S7-200) также на вход МК подается значение с задатчика РЗД-22 (поз. 1-3). Контроллер формирует регулирующее воздействие (4-20мА), которое подается с выхода ВО1 МК на вход БРУ-32 (поз. 1-4). С БРУ сигнал подается на пускатель ПБР-2М, формирующий сигнал 0-220В (поз. 1-5), который воздействует на регулирующий орган типа МЭО (поз. 1-6), который, изменяя положение шибера, изменяет подачу топлива по зонам печи. Аналогично производится регулирование температуры по остальным отапливаемым зонам печи. Второй контур регулирует соотношение газ-воздух, подаваемых к горелкам печи. Для измерения расхода топлива и воздуха используется диафрагма типа БКС. С диафрагмы (поз. 2-1) снятые давления поступают на расходомер типа Метран-100 ДД (поз. 2-2), на выходе он формирует сигнал 4-20 мА, который подается на вход В3 МК. Также на входы В4, В5 подаются с задатчиков (поз. 2-3, 2-4) коэффициенты для расчета необходимого количества воздуха. Параллельно измеряется расход воздуха (диафрагма БКС поз. 3-1, расходомер Метран-100 ДД, поз. 3-2) и подается на вход В6 МК. Контроллер производит необходимые вычисления и на выход ВО2 выдает регулирующее воздействие. РВ с выхода ВО2 попадает на вход БРУ-32 (поз. 2-5) и далее аналогично контуру 1, сигнал подается на пускатель типа ПБР-2М (поз. 2-6), формирующий сигнал 0-220В который воздействует на регулирующий орган МЭО (поз. 2-7), изменяя расход воздуха по горелкам. Следующий контур регулирует давление в рабочем пространстве печи. В качестве датчика используется Сапфир-22 ДИ (поз. 10-1) с унифицированным выходным сигналом. Сигнал от датчика поступает на вход В14 МК. На вход В15 МК поступает сигнал от задатчика РЗД-22 (поз. 10-3, вых. 4-20мА). Контроллер производит необходимые вычисления и на выход ВО5 выдает регулирующее воздействие. РВ с выхода ВО5 попадает на вход БРУ-32 (поз. 10-4) и далее аналогично контуру 1, сигнал подается на пускатель типа ПБР-2М (поз. 10-5), формирующий сигнал 0-220В который воздействует на регулирующий орган МЭО (поз. 10-6). Также на схеме показаны средства контроля и сигнализации следующих параметров: Контроль температуры воздуха в основном воздухопроводе. Сигнал с термопары типа ХА (поз. 8-1) передается на преобразователь Ш-72 (поз. 8-2, вых. 4-20мА) и подается на вход В12 МК.

Страницы: 1, 2, 3, 4