Модернизация системы автоматического регулирования температуры методической печи стана 250 СПЦ

Модернизация системы автоматического регулирования температуры методической печи стана 250 СПЦ

Введение

В настоящее время все предприятия должны быть ориентированы на удовлетворение требований потребителя. С этой целью в последнее время ОАО «Северсталь» вкладывает инвестиции в проекты по модернизации и реконструкции основного оборудования. С увеличением производственных мощностей и улучшения качества выпускаемой продукции возникает необходимость в наращивании ресурсов для работы оборудования. В связи с тем, что металлургия является довольно энергоёмким производством, появляется необходимость в дополнительных энергетических мощностях.

Автоматизация производства на основе микроэлектронной техники для развития и совершенствования существующих и создающихся технологических производств, является одним из важных направлений модернизации производства. Особенностью современного этапа развития автоматизации производства является появление и массовое применение качественно новых технических средств, изготовление сетей на базе микроэлектроники. Внедрение автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) приобретает особое значение в связи с ростом требований к скорости вычисления, переработки и выдачи информации. Поэтому разработка и исследование структур и режимов функционирования АСУ ТП на основе микроЭВМ является актуальной задачей. Использование микроЭВМ позволяет на порядок снизить затраты в связи с простоями технологического оборудования, обеспечивает повышение эффективности. Основной, определяющей целью управления оборудованием, технологическими и производственными процессами с помощью АСУ ТП является повышение производительности труда, улучшение качества продукции и использования материально-сырьевых и топливно-энергетических ресурсов. Дальнейшее совершенствование АСУ ТП связано с повышением их экономической эффективности путем индустриального создания автоматизированных технологических комплексов с АСУ ТП.

В данном проекте предлагается модернизация системы автоматического регулирования температуры методической печи стана 250 СПЦ. Данная модернизация САР позволит улучшить технико-экономические показатели работы печи при сокращении удельного расхода топлива, улучшить условия труда персонала (визуализация технологического процесса, управление печью через компьютер, регистрация и учёт необходимых технологических параметров), повысить надёжность и безопасность работы оборудования, снизить трудоёмкость управления нагревательной печью.

1.     
Общая часть

1.1    Описание технологического процесса объекта

Тип объекта - двухзонная, методическая, рекуперативная с монолитным наклонным подом локального профиля, с боковой загрузкой и боковой выдачей печь.

На рисунке представлена структурная схема участка загрузки и выгрузки печи.

Структурная схема участка загрузки и выгрузки печи

От обжимного цеха заготовки принимаются на загрузочных решетках, откуда подающим рольгангом заготовки транспортируются к нагревательной печи и вталкивающим устройством загружаются в печь. Перед загрузкой происходит контрольное взвешивание заготовок. Участок загрузки печи автоматизирован. Продвижение металла в печи осуществляется толкателем. Выдача нагретых заготовок из печи производится выталкивателем. Выталкиваемые заготовки распределяются на две нитки при помощи распределительного устройства.

Методическая печь - это агрегат непрерывного действия для нагрева металла перед его прокаткой или ковкой. Нагреваемый металл: углеродистые и легированные стали. Способ нагрева: открытый нагрев продуктами горения.

Данная печь имеет 2 зоны: сварочную и томильную. Продольный разрез печи показан на рисунке 1.2. Рассмотрим назначение зон. В сварочной зоне осуществляется медленный нагрев металла в интервале температур от 0 до 500єC, что особенно важно для высококачественных легированных сталей. Томильная зона (зона выдержки). Она служит для выравнивания температур по сечению металла. В сварочной зоне до высоких температур нагревается только поверхность металла. В результате создается большой перепад температур по сечению металла, недопустимый по технологическим требованиям. Температуру в томильной зоне поддерживают всего на 30-50єC выше необходимой температуры нагрева металла. Поэтому температура поверхности металла в томильной зоне не меняется, а происходит только выравнивание температур по толщине заготовки.

Транспортирование слябов в печи осуществляется шагающим подом. Дымоудаление производится через свод между первой и третьей зонами дымососом.

1.2    Описание автоматизированного объекта и его технические характеристики

Свод печи выполнен из высокоглиноземистого кирпича. Толщина свода 230 мм. Стены печи выложены из шамотного кирпича. Толщина боковых стен вместе с изоляцией 580 мм. Толщина торцевых стен: на посаде 464 мм. Толщина горелочных торцов в сварочной зоне 812 мм, в томильной 580 мм. Кладка торцевых стен выполнена из шамотного, горелочного и арочного кирпича. Подина печи выполнена многослойной: 1 слой - бетон и асбест толщиной до 30 мм, 2 слой - шамот-легковес марки ШТЛ - 0,6, толщиной 130 мм, 3 слой - шамотный кирпич ШБ -1, толщиной от 130 до 195 мм, далее выкладываются 10 дорожек из корундовых блоков. Размер блоков 200 х 300 х 600 мм. Две дорожки из блоков у боковых стен шириной 600 мм, остальные - 300 мм; между блоками уложен хромомагнезитовый кирпич (120 мм). Борова печи выполнены из шамотного кирпича. На подине печи со стороны посада до первого окна уложены унифицированные водоохлаждаемые брусья, которые соединены с 15 неохлаждаемыми брусьями. Тип горелок печи - двухпроводные низкого давления, в сварочной зоне - горелки с воздушной насадкой. Количество горелок - 24 шт., по 12 горелок в зоне. Топливо - природный газ с объемной теплотой сгорания от 33496 до 34322 кДж/мі(от 8000 до 8200 ккал/мі). Давление газа перед печью не менее 8,83 кПа (900 мм вод. ст.). При понижении давления газа темп выдачи заготовок снизить из условия обеспечения необходимого качества нагрева. При давлении газа ниже 0,98 кПа (100 мм вод. ст.) необходимо полностью прекратить подачу газа на печь и поставить в известность начальника смены газового цеха. Максимальный расход газа на печь - 7000 мі/ч, максимальный расход воздуха на печь - 72000 мі/ч. Удельный расход условного топлива (по проекту, при максимальной производительности) - 78,6 кг условного топлива на тонну металла. Тип рекуператора - петлевой, трубчатый, металлический, двухсекционный. Рекуператор предназначен для подогрева воздуха, подаваемого на печь. Максимально - допустимая температура стенок труб первой секции рекуператора - 850°С. Для подачи воздуха к горелкам печи используется вентилятор. Тип вентилятора - ВД - 15,5. Производительность - 100000 мі/ч. Напор, создаваемый вентилятором - 6,47 кПа (660 мм вод. ст.). Двигатель вентилятора переменного тока типа А - 114 - 6М, мощностью - 320 кВт, с частотой вращения 985 мин (985 об/мин). Количество вентиляторов - 2 штуки.

Тип печи - двухзонная, методическая, рекуперативная с монолитным наклонным подом локального профиля, с боковой загрузкой и боковой выдачей. Нагреваемым металлом являются углеродистые и легированные стали. Способ нагрева - открытый нагрев продуктами горения. Тепловой и температурный режимы печи должны регулироваться в соответствии с темпом выдачи металла из печи, чтобы обеспечить равномерный прогрев заготовок, не допуская оплавления окалины, свода и других элементов рабочего пространства печи, для чего необходимо вести постоянный контроль за правильным соотношением «газ-воздух» и температурой печи.

Таблица 1.1 - Техническая характеристика печи

Расход воздуха, необходимый для сжигания 1 м³ газа при объёмной теплоте сгорания газа 33496 - 33858 кДж/мі (8000 - 8100 ккал/мі), приведен в таблице 1.2.

Таблица 1.2 - Объем воздуха, необходимый для сжигания 1 мі природного газа

1.3    Технические требования к САР

Система должна быть многофункциональной, обслуживаемой, восстанавливаемой, с многократным восстановлением после отказов, и функционировать в непрерывном режиме с остановками на техническое обслуживание. Отказы по любой функции системы не должны приводить к неисправностям и авариям технологического оборудования.

В системе должна быть предусмотрена защита информации от воздействия следующих факторов: аварий в системе электропитания и кратковременных резких изменений напряжения питания с помощью источников бесперебойного питания; несанкционированных действий пользователя путем программной защиты, хранения эталона ПО и нормативно-справочной информации на резервных носителях, периодического копирования информации на резервных носителях и сверке её с эталоном, своевременной замене эталона и его защите от несанкционированного доступа организационными мерами.

В системе должна быть предусмотрена возможность ручного ввода данных, характеризующих процесс, но не вырабатываемых самой системой управления.

Система должна являться открытой и допускать возможность функционального расширения с учетом перспектив развития и адаптации к изменяющимся технологическим условиям.

Система должна реализовать следующие функции: стабилизацию теплового режима печи; автоматическое управление температурным режимом нагрева заготовок; общий контроль, учет и визуализация параметров технологического процесса. Данные функции системы должны быть реализованы следующими подсистемами:

подсистема стабилизации теплового режима печи (выполнение следующих функции: контроль и регулирование температуры в зонах печи; контроль расходов газа и воздуха в зонах печи и регулирование их соотношения; контроль и регулирование давления в рабочем пространстве печи).

подсистема автоматического управления температурным режимом нагрева заготовок (выполнение следующие функции: коррекция давления по температуре; коррекция соотношения расходов газа и воздуха в зонах; автоматическое изменение заданий температуры по зонам печи в зависимости от темпа выдачи заготовок из печи; автоматическое изменение заданий температуры по зонам печи в зависимости от марки стали заготовки; автоматическое управление температурным режимом печи при простоях; ведение базы данных текущих параметров технологического процесса и состояния печи);

- подсистема общего контроля, учета и визуализации (выполнение функции учета, диагностики, анализа и представления всей информации об управлении; общий контроль и учет энергоносителей; визуализация на экране дисплея в графической и табличной формах текущих данных о температурах, расходах воздуха и газа по зонам и в общем на печь, а также других технологических параметров по печи; протоколирование и выдачу сообщений о нарушениях технологического регламента; архивирование и отображение архивной информации о работе печи; диагностику работоспособности системы).

Величина максимально возможного возмущения по нагрузке в процессе эксплуатации объекта управления:

Максимально допустимое динамическое отклонение регулируемой величины:

Максимально допустимое статическое отклонение регулируемой величины:

Допустимое время регулирования

.

1.4    Анализ известных вариантов САР

Температура в зонах печи автоматически поддерживается на заданном уровне с помощи регулирующих приборов типа РП2П3 (ПИ-регулятор), работающих в комплексе с регулирующими потенциометрами КСП-3, платинородий - платиновыми термопарами ТППТ и исполнительными механизмами МЭО-100. При неисправности регулятора необходимо перейти на дистанционное управление температурой в зонах печи. В каждой зоне автоматически контролируется температура по ширине печи при помощи электронного потенциометра.

Заданное соотношение расходов газа и воздуха на зоны печи автоматически поддерживается при помощи регулирующих приборов типа РП2П3 (ПИ-регулятор), работающих в комплексе с приборами ДМИ, ВФС и исполнительными механизмами МЭО. При неисправности регулятора соотношение расходов задается вручную.

Недостатками существующей САР температуры методической печи являются: неудобства обслуживания; моральное старение оборудования; неточность регулирования технологических параметров (температура, расход), следствие этого перерасход газа; частый выход из строя элементов САР; недостаток специалистов по обслуживанию данного оборудования; отсутствие технической базы подготовки специалистов по данным видам оборудования; большие погрешности приборов; отсутствие возможности диагностики САР; невозможность визуализации технологического процесса. Существующая САР не отвечает уровню представлений современной автоматизации. Морально и физически устаревшая система управления печью не способна эффективно решать задачи качественного ведения нагрева металла в печи, энергосбережения и экологии.

Таблица 1. Спецификация

2. Расчетная часть

.1 Составление функциональной схемы САР и выбор принципиальных схем элементов ее неизменяемой части

Функциональная схема состоит из двух контуров регулирования теплового режима печи: регулирование температуры в печи по ширине печи, регулирование соотношения газ-воздух на зоны печи.

Спецификация устанавливаемых датчиков, преобразователей и исполнительных устройств

2.2 Описание функциональной схемы разрабатываемой системы

Первый контур регулирования температуры. Сигнал от датчиков температуры (3а, 3б, 4а, 4б) (термопар), поступает на вторичный измерительный преобразователь ИП-Т10-09 (3в, 4в, 3г, 4г) с выходом 4-20 мА, и далее на вход контроллера SIMATIC S7-300 (7а). Для визуализации, регистрации и отображении регулируемых параметров и связи с контроллером используется ПК (7б). Контроллер формирует регулирующее воздействие, которое подается на вход пускателя ПБР-3А. Пускатель формирует сигнал 0-220В (3в, 4е), который воздействует на регулирующий орган типа МЭО-100 (3ж, 4ж), который, изменяя положение заслонки (3к, 4к), изменяет подачу газа в печь.

Второй контур регулирует соотношение газ-воздух. Для измерения расхода топлива и воздуха используется диафрагма типа БКС. С диафрагм (1а, 2а, 5а, 6а) снятые давления газа и воздуха поступают на расходомеры типа Метран-100 ДД (1б, 5б и 2б, 6б), на выходе они формируют сигналы 4-20 мА, которые подаются на вход контроллера SIMATIC S7-300 (7а). Для визуализации, регистрации и отображении регулируемых параметров и связи с контроллером используется ПК (7б). Контроллер производит необходимые вычисления и выдает регулирующее воздействие, которое подается на вход пускателя ПБР-3А. Пускатель формирует сигнал 0-220В (2г, 6г), который воздействует на регулирующий орган типа МЭО-250 (2д, 6д), изменяющий положение заслонки (2е, 6е), и тем самым увеличивая или уменьшая подачу воздуха в печь.

Аналогично происходит регулирование температуры, расхода газа и воздуха в томильной зоне печи.

2.3 Выбор измерительно-преобразовательных элементов

Измерение температуры в рабочем пространстве печи должно осуществляться термопарами. Преобразователи термоэлектрические типов КТХА, КТХК, ТППТ и ТПРТ, а также термометры сопротивления типов ТСМТ и ТСПТ (в дальнейшем - термопреобразователи), предназначены для измерения температуры газообразных, жидких и сыпучих сред, твердых тел, химически неагрессивных к материалу оболочки термопарного кабеля или защитного чехла, а также агрессивных, не разрушающих материал защитной арматуры.

Технические характеристики термопреобразователей:

- диапазон измеряемых температур термопреобразователей типа,°С:

·        КТХА (термопара ХА): от -200 до 1200 (кратковременно до 1300);

·        КТХК (термопара ХК): от -200 до 600 (кратковременно до 800);

·        КТЖК (термопара ЖК): от -200 до 750 (кратковременно до 900);

·        СМТ (медный ЧЭ): от -200 до 200;

·        СПТ (платиновый ЧЭ): от -260 до 850;

·        ППТ (термопара ПП): от 0 до 1600;

·        ПРТ (термопара ПР): от 300 до 1700 (кратковременно до 1800).

рабочий диапазон температур термопреобразователей определяется типом чувствительного элемента, а также жаростойкими и жаропрочными свойствами, коррозионной стойкостью материала оболочки термопарного кабеля или защитного чехла.

Технические характеристики термопреобразователей

Из таблицы выбираем тип преобразователя ТППТ модификации 01.20, диаметром 20 мм, диапазоном рабочих температур 600…1600°С, номинальной температурой применения - 1300°С для измерения температуры в рабочем пространстве нагревательной печи (4 шт.)

Измерительные преобразователи (ИП) предназначены для преобразования сигналов от термоэлектрических преобразователей (ТП) типа ТХК (L), ТХА (К), ТПП (S), ТВР (А-1, А-2, А-3), ТПР (В) (ИП-Т10, ИП-Т10И) и термопреобразователей сопротивления (ТС) типа ТСП, ТСМ (ИП-С10, ИП-С10И) в унифицированный аналоговый сигнал силы или напряжения постоянного тока. ИП могут быть использованы в системах регулирования технологическими процессами в энергетике, металлургии, химической, стекольной и других отраслях промышленности.

По защищенности от воздействия окружающей среды ИП выполнены:

·        - ИП-Т10, ИП-С10 - в обыкновенном исполнении;

·        - ИП-Т10И, ИП-С10И во взрывозащищенном исполнении с искробезопасными входными цепями.

Модификации ИП

Из таблицы выбираем - ИП-Т10-09 для термопары ТППT (в обыкновенном исполнении, ГСП, градуировка ТПП(S), пределы измерения 0-1600°С, выходной сигнал 4-20 мА, класс 0,5, исполнение шкафное);

Датчики давления Метран-100 предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами и обеспечивают непрерывное преобразование измеряемых величин - давления избыточного, абсолютного, разрежения, давления-разрежения, разности давлений, гидростатического давления нейтральных и агрессивных сред в унифицированный токовый выходной сигнал дистанционной передачи, цифровой сигнал на базе HART протокола и цифровой сигнал на базе интерфейса RS-485 с протоколами обмена ICP или Modbus.

Датчики Метран-100 предназначены для преобразования давления рабочих сред: жидкости, пара, газа (в т.ч. газообразного кислорода и кислородосодержащих газовых смесей) в унифицированный токовый выходной сигнал, цифровой сигнал на базе HART протокола и цифровой сигнал на базе интерфейса RS-485.

Датчики разности давлений могут использоваться в устройствах, предназначенных для преобразования значения уровня жидкости, расхода жидкости, пара или газа в унифицированный токовый выходной сигнал, цифровой сигнал на базе HART-протокола

Датчики предназначены для работы во взрывобезопасных и взрывоопасных условиях. Взрывозащищенные датчики с видом взрывозащиты «взрывонепроницаемая оболочка» имеют обозначение Метран-100-Вн, взрывозащищенные с видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь» имеют обозначение Метран-100-Ех.

Преобразователи предназначены для работы с вторичной регистрирующей и показывающей аппаратурой, регуляторами и другими устройствами автоматики, машинами централизованного контроля и системами управления, работающими от стандартного выходного сигнала 0-5 или 4-20, или 0-20 мА.

Коды исполнений датчика в зависимости от его электронного преобразователя приведены в таблице 3.4

Коды исполнений датчика

Датчики изготавливаются двух типов:

·        МП1, МП3, МП5 - со встроенным индикаторным устройством на основе жидких кристаллов (ЖКИ);

·        МП, МП2, МП4 - без индикатора

Выбираем датчик для измерения расхода газа и воздуха:

датчик разности давлений Метран-100-ДД, модель 1420, с микропроцессорным электронным преобразователем со встроенным индикаторным устройством, с кодом предела допускаемой основной погрешности 015, с верхним пределом измерения 10 кПа, с предельно допускаемым рабочим избыточным давлением 10 МПа, с выходным сигналом 4-20 мА.

2.4 Выбор исполнительных механизмов

Выбор исполнительного механизма (ИМ) определяется: типом регулятора (электрический, пневматический, гидравлический); величиной усилия необходимого для перемещения регулирующего органа; требуемым быстродействием; условиями эксплуатации, т.е. температурой, влажностью, запыленностью, агрессивностью окружающей среды, взрывоопасностью; условиями размещения и сочленения с регулирующим органом и условиями монтажа; номенклатура выпускаемых механизмов.

Исполнительные механизмы предназначены для перестановки регулирующих органов, осуществляющих управляющее воздействие на технологический процесс. Электрические исполнительные механизмы состоят из электродвигателя, редуктора, выходного рычага и различных дополнительных устройств. В качестве привода электрические исполнительные механизмы используют асинхронные трехфазные двигатели общепромышленного назначения, специальные асинхронные двухфазные двигатели с полным ротором и низкооборотные. Для увеличения крутящего момента и достижения необходимой скорости перемещения выходного органа применяют цилиндрические и червячные редукторы. Механизмы комплектуют датчиками положения выходного органа и сигнала обратной связи, пропорционального положению регулирующего органа.

В зависимости от характера перемещения выходного рычага электрические исполнительные механизмы подразделяются на три типа: многооборотные электрические механизмы (МЭМ) с вращающимся выходным органом, выходной вал которых совершает требуемое число оборотов; однооборотные электрические механизмы (МЭО), выходной рычаг которых совершает поворот в пределах угла меньше 360⁰; прямоходные электрические механизмы (МЭП) с поступательным движением выходного рычага. Исполнительные механизмы выбирают в зависимости от величины усилия, необходимого для перестановки регулирующего клапана или величины момента поворотных заслонок.

Типы МЭО и их технические характеристики

) для регулирования расхода газа выбираем: МЭО 100/25-0,25У (номинальный крутящий момент на выходном валу: 100 Н*м, номинальное время полного хода выходного вала: 25 сек, номинальный полный ход выходного вала: 0,25 r/мин, «У» - умеренное климатическое исполнение, потребляемая мощность: 240 Ватт, тип электродвигателя: ЗДСОР 135-1,6-150). Тип электродвигателя - ЗДСОР 135-1,6-150 (напряжение: 220 В, частота: 50 Гц, потребляемая мощность: 240 Ватт, частота вращения: 150 r/мин).

) для регулирования расхода воздуха выбираем: МЭО 250/25-0,25У (номинальный крутящий момент на выходном валу: 250 Н*м, номинальное время полного хода выходного вала: 25 сек, номинальный полный ход выходного вала: 0,25 r/мин, «У» - умеренное климатическое исполнение, потребляемая мощность: 250 Ватт, тип электродвигателя: ЗДСТР 135-4,0-150). Тип электродвигателя - ЗДСТР 135-4,0-150 (напряжение: 380 В, частота: 50 Гц, потребляемая мощность: 250 Ватт, частота вращения: 150 r/мин).

Управление МЭО осуществляется с помощью пускателя бесконтактного реверсивного типа ПБР-3А. Пусковые устройства обеспечивают необходимое усиление мощности управляющих сигналов, поступающих от регулирующего устройства при автоматическом регулировании или при ручном управлении от оператора. Пускатели предназначены для бесконтактного управления электрическими исполнительными механизмами, которых использованы с 3-х фазными синхронными и асинхронными двигателями (ДСТР, АОЛ, 4А, АИР), с защитой асинхронного двигателя от перегрузки.

Технические данные пускателя типа ПБР-3А

Режим работы ПБР-3А - повторно-кратковременный реверсивный с частотой включений до 630 в час. Параметры питания: 220В, 50 Гц и 380В, 50 Гц; командный сигнал 24В постоянного напряжения. Пускатель можно устанавливать в любое положение. Для защиты от коротких замыканий на входе питающая сеть должна подключаться через предохранители (например, ПК 45-5А). Пускатель должен быть заземлен проводом сечением не менее 3 мм² (винт заземления находится в корпусе прибора). Условия эксплуатации: температура окружающего воздуха 5..50 ⁰С; относительная влажность 30..80%; напряженность внешних магнитных полей в месте установки прибора не более 400 А/м. Частота вибрации мест крепления не превышает 25 Гц при амплитуде до 0,1 мм. Степень защиты IP20.

2.5 Математические описание САР и выбор автоматического управляющего устройства (АУУ)

Определение математической модели объекта

Определение статических и динамических характеристик теоретическими или экспериментальными методами является первым этапом разработки САР. Объектом управления является методическая нагревательная печь. Данный объект является статическим объектом, инерционным, т.е. с запаздыванием. Передаточная функция статического объекта с запаздыванием будет следующей:

где  - коэффициент передачи объекта;

 - постоянная времени объекта, сек;

 - время запаздывания, сек.

Экспериментально определяем динамические параметры объекта управления: запаздывание , постоянную времени , коэффициент передачи . Подаём на вход системы ступенчатый перепад 30% (расход газа увеличиваем на 30%),  - величина ступени.

Коэффициент объекта управления определяется по формуле:

Передаточная функция объекта управления примет вид:

 (1)

Определение передаточных функций измерительно-преобразовательных и исполнительных устройств.

Автоматический регулятор на структурной схеме САУ представляется в виде соединения трех звеньев.

Структурная схема автоматического регулятора

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

Передаточная функция разомкнутой системы имеет следующий вид:

Подставим числа и получим значение передаточной функции:

Передаточная функция замкнутой системы имеет вид:

Подставим числа и получим значение передаточной функции:

Выбор закона автоматического регулирования в общем виде.

Величина максимально возможного возмущения по нагрузке в процессе эксплуатации объекта управления:

Максимально допустимое динамическое отклонение регулируемой величины:

Максимально допустимое статическое отклонение регулируемой величины:

Допустимое время регулирования

Величину обратную относительному времени запаздывания находим по формуле:

 (2)

подставив значение получим:

Допустимое относительное время регулирования находим по формуле:

 (3)

Допустимый динамический коэффициент регулирования находим по формуле:

 (4)

Допустимое остаточное отклонение регулируемой величины находим по формуле:

 (5)

подставим в эту формулу значения, получим

=0,028

Выразим эту величину в процентах:

=2,7%

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

·        Апериодический

·        С 20% перерегулированием

·        С min интегральной квадратичной ошибкой

По значению /выбираем тип регулятора.

Тип регулятора ориентировочно выбирают из следующих рекомендаций

τ_ОБ /Т₀<0.2 релейный

0.2<τ_ОБ/Т₀<1 непрерывный

τ_ОБ /Т₀>1 импульсный

В нашем случае τ_об=12,5 сек, Т_об=250 сек., а соотношение τ_об/Т₀=0.05. В данном случае регулятор является релейным.

Так как показатель колебательности М принадлежит промежутку 1,3<М<1,8, то выбираем процесс с 20% перерегулированием.

Пользуемся графиком зависимости от /(рис. 5.6) при выбранном оптимальном процессе, определяем, что =0,55 при 1/=0,05 могут обеспечить П, ПИ, ПИД регулятор.

Проверим возможность использования П-регулятора.

По значению  определяю величину фактического остаточного отклонения:

Подставив значения, получим:

Так как допустимое значение X_ст<0,5°C, следовательно П-регулятор не подходит.

Проверим возможность использования ПИ-регулятора. Из рисунка 5.8. следует, что , тогда t_p=12,5*12,5=156,25с и не превышает допустимое время регулирования, равное 300 с. Выбираем ПИ-регулятор.

Приближенное определение настроек регулятора произведен по следующим формулам.

Коэффициент усиления регулятора найдем по формуле

 (6)

Время удвоения (изодрома) найдем по формуле

Исследование автоматической системы управления на устойчивость.

Критерий Михайлова.

Для того чтобы автоматическая система управления была устойчива, необходимо и достаточно, чтобы годограф Михайлова, начинаясь в точке на положительной части действительной оси, при изменении частоты от 0 до +∞, обходил против часовой стрелки n-квадрантов, поворачиваясь на угол n*π/2 не обращаясь в нуль, где n-степень характеристического уравнения.

Для построения годографа Михайлова необходимо из передаточной функции замкнутой системы выделить характеристическое уравнение. Передаточная функция замкнутой системы определяется по следующему уравнения:

Характеристическое уравнение замкнутой системы будет иметь вид:

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

После приведения подобных членов получим:

)

Расчет действительной и мнимой части производим на компьютере. Подставим значения:

Результаты расчетов годографа Михайлова

Данная система автоматического регулирования температуры методической печи будет устойчива, так как годограф Михайлова, начинаясь в точке на положительной части действительной оси при изменении частоты  от 0 до +∞, обходит против часовой стрелки 3 квадранта, поворачиваясь на угол 3π/2, нигде 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 система устойчива, то для её устойчивости в замкнутом состоянии необходимо и достаточно, чтобы АФХ разомкнутой системы не охватывало критическую точку с координатами [-1; 0].

Если разомкнутая система неустойчива, то для её устойчивости в замкнутом состоянии необходимо и достаточно, чтобы АФХ разомкнутой системы охватывало критическую точку с координатами [-1; 0] 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.

Передаточная функция разомкнутой системы описывается уравнением:

Заменив в левой части характеристического уравнения  на , получим передаточную функцию АФХ разомкнутой системы:

Выбор автоматического управляющего устройства.

Ядром системы управления печью является контроллер, без которого функционирование САР температуры методической печи невозможна. В настоящее время на современном рынке систем автоматизации в области программируемых логических контроллеров ведущие позиции занимают такие фирмы, как TOSHIBA (Япония), OMRON (Япония), Telemecanique (Франция), SIEMENS SIMATIC AG (Германия).

Все контроллеры SIMATIC отличаются высокой производительностью, имеют незначительные размеры и массу, отвечают жестким требованиям условий эксплуатации в промышленных условиях, допускают расширение. В настоящее время наименование SIMATIC считается синонимом программируемых логических контроллеров во всех областях их использования. В течение последних лет изделия SIMATIC прекрасно зарекомендовали себя во всех сферах применения, установили новые стандарты на технические средства автоматизации, позволили компании SIEMENS завоевать лидирующее положение в мире в области производства программируемых контроллеров. Все контроллеры SIMATIC стали более простыми в использовании, более унифицированными, более экономичными.

Рассмотрим несколько серий контроллеров SIMATIC. Семейство контроллеров SIMATIC включает в свой состав широкую гамму изделий от миниатюрных контроллеров до главных компьютеров, которые могут быть использованы для решения задач автоматизации любой степени сложности. Основу семейства SIMATIC S7 составляет ряд контроллеров различной производительности: серия S7-200, серия S7-300, серия S7-400.

Анализируя характеристики контроллеров SIMATIC серии S7-200, серии S7-300, серии S7-400 и учитывая особенности разрабатываемой схемы САР температуры (задача оптимизации низкой сложности, сравнительно небольшое количество входных и выходных сигналов) в качестве программируемого логического контроллера будет целесообразно использовать контроллер семейства S7-300.

Программируемые контроллеры Siemens S7-300 выпускаются в трех вариантах:

·              контроллеры Siemens SIMATIC S7-300 стандартного исполнения для эксплуатации в нормальных промышленных условиях;

·              контроллеры Siemens SIMATIC S7-300F с встроенными функциями автоматики безопасности для эксплуатации в нормальных промышленных условиях;

·              контроллеры Siemens SIPLUS S7-300 для наружной установки и эксплуатации в тяжелых промышленных условиях;SIMATIC S7-300 - это модульный программируемый контроллер универсального назначения. Модульная конструкция, работа с естественным охлаждением, возможность применения структур распределенного ввода-вывода, удобство обслуживания обеспечивают экономичность применения SIMATIC S7-300 при решении широкого круга задач автоматизации.S7-300 является универсальным контроллером:

·              он является идеальным изделием для работы в промышленных условиях благодаря высокой степени электромагнитной совместимости, высокой стойкости к вибрационным и ударным нагрузкам;

·              модульный программируемый контроллер универсального назначения для решения задач автоматизации низкой и средней степени сложности;

·              широкий спектр модулей для максимальной адаптации аппаратуры к решению любой задачи;

·              высокая гибкость, возможность использования систем распределенного ввода-вывода, мощные коммуникационные возможности;

·              удобная конструкция, простота монтажа, работа с естественным охлаждением;

·              простота расширения системы в ходе модернизации объекта;

·              высокая производительность благодаря наличию большого количества встроенных функций.

Расчет конфигурации устройства управления и составление заказной спецификации

Семейство S7-300 включает в себя широкий спектр CPU: S7-312, S7-314, S7-315 и S7-316. Мощность CPU этих контроллеров оптимальным образом рассчитана на емкость подключаемой периферии входов / выходов. Это множество CPU предоставляет в распоряжение ряд функциональных возможностей, допускающий разработку решений задач автоматизации, требующих минимальных затрат. Для подключения термопары и Метран-100 используется модуль SM331 (6ES7 331-1KF01-0AB0), имеющий следующие характеристики:

·              2 или 8 каналов аналогового ввода;

·              Разрешение: 12 разрядов;

·              Тип источника сигналов: мА, В, ТС, RTD;

·              Время преобразования: 2,5 …100 мсек;

·              Возможность подключения до 32 модулей расширения в один ряд;

·              Светодиодные индикаторы состояния;

·              Напряжение питания 5 В постоянного тока;

·              Диапазон рабочих температур от 0 до +60°С.

Для подключения исполнительного механизма МЭО-100 используется модуль SM332 имеющий следующие характеристики:

·              2 или 4 канала аналогового вывода;

·              Разрешение: 12 разрядов;

·              Тип выходного сигнала: мА, В;

·              Возможность подключения до 32 модулей расширения в один ряд;

·              Светодиодные индикаторы состояния;

·              Напряжение питания 5 В постоянного тока;

·              Диапазон рабочих температур от 0 до +60°С.

.6 Требования, предъявляемые к программному обеспечению автоматизированной системы управления технологическим процессом и производством

Программное обеспечение (ПО) должно базироваться на международных стандартах и отвечать следующим принципам:

·        модульность построения всех составляющих;

·        иерархичность собственно ПО и данных;

·        эффективность (минимальные затраты ресурсов на создание и обслуживание ПО);

·        простота интеграции (возможность расширения и модификации);

·        гибкость (возможность внесения изменений и перенастройки);

·        надежность (соответствие заданному алгоритму, отсутствие ложных действий), защита от несанкционированного доступа и разрушения как программ, так и данных;

·        живучесть (выполнение возложенных функций в полном или частичном объемах при сбоях и отказах, восстановление после сбоев);

·        унификация решений;

·        простота и наглядность состава, структуры и исходных текстов программ.

Должно предусматриваться разделение ПО на базовое (фирменное), поставляемое разработчиком ПТК, и прикладное (пользовательское), которое может разрабатываться как поставщиком ПТК, так и разработчиком АСУ ТП.

Должны быть предусмотрены меры по защите информации и недопущению внесения изменений в базовое ПО без привлечения разработчика ПТК. Должна иметься возможность задания паролей и установления границ санкционированного доступа при внесении изменений в прикладное ПО АСУ ТП. Фирменное ПО должно сопровождаться эксплуатационной документацией.

Требования к базовому (фирменному) программному обеспечению.

В качестве базового выбрано ПО фирмы Siemens SIMATIC STEP7, так как объект модернизации с точки зрения АСУ входит в одну единую модель управления ТП и находится под управлением ПЛК, реализующего процесс управления различных подсистем.

STEP 7 - это базовый пакет программ, включающий в свой состав весь спектр инструментальных средств, необходимых для конфигурирования аппаратуры и промышленных сетей, настройки параметров, программирования, диагностики и обслуживания систем управления, построенных на основе программируемых контроллеров SIMATIC S7-300/S7-400/C7/WinAC. Отличительной особенностью пакета STEP 7 является возможность разработки комплексных проектов автоматизации, базирующихся на использовании множества программируемых контроллеров, промышленных компьютеров, устройств и систем человеко-машинного интерфейса, устройств распределенного ввода-вывода, сетевых структур промышленной связи. Ограничения на разработку таких проектов накладываются только функциональными возможностями программаторов или компьютеров.

При необходимости STEP 7 может дополняться инструментальными средствами проектирования, значительно упрощающими разработку сложных проектов. STEP 7 входит в комплект поставки программатора SIMATIC Field PG. Он может поставляться в виде самостоятельного пакета программ для персональных компьютеров, работающих под управлением операционной системы Windows XP Professional.7 содержит полный спектр инструментальных средств, необходимых для выполнения всех этапов разработки проекта, а также последующей эксплуатации системы управления:

• SIMATIC Manager - ядро пакета STEP 7, позволяющий выполнять управление всеми составными частями проекта, осуществлять быстрый поиск необходимых компонентов, производить запуск необходимых инструментальных средств.

• Symbol Editor - программа задания символьных имен, типов данных, ввода комментариев для глобальных переменных. Символьные имена доступны во всех приложениях.

• Hardware Configuration - для программного конфигурирования аппаратуры системы автоматизации и настройки параметров всех модулей. Выполняется автоматическая проверка корректности всех вводимых данных.

• Communication - для задания управляемой по времени циклической передачи данных между компонентами автоматизации через MPI или для событийно управляемой передачи данных через MPI, PROFIBUS или Industrial Ethernet.

• System diagnosis - предоставляет пользователю обзор состояния контроллера.

• Information functions - для быстрого обзора данных CPU и поведения написанной пользователем программы.

• Документирование - предоставляет пользователю функции документирования всего проекта.

Редактор программ STEP 7 позволяет выполнять разработку программ на языках:

·          Statement List (STL - список инструкций);

·          Ladder Diagram (LAD - язык релейно-контактных символов);

·          Function Block Diagram (FBD - язык функциональных блоков).

Требования и характеристика используемого системного ПО.

Для программирования систем автоматизации SIMATIC S7/C7/WinAC может быть использовано три языка: STL, LAD и FBD.

Язык STL (Statement List) позволяет создавать наиболее компактные программы, обладающие наиболее высоким быстродействием. Язык поддерживает выполнение следующих функций:

·        Поиск. Любая точка программы может быть быстро найдена по указанию символьного имени, оператора и т.д.

·        Возможность ввода данных в пошаговом или свободном текстовом режиме.

Программа может вводиться с проверкой синтаксиса каждой строки или набираться в текстовом редакторе с последующим преобразованием.

Классические языки программирования контроллеров LAD (Ladder Diagram - LAD) и FBD (Function Block Diagram) позволяют создавать программы, отвечающие требованиям DINEN 6.1131-3. Редакторы стандартных языков LAD и FBD обеспечивают полную графическую поддержку программирования со следующими характеристиками:

·        Простое и интуитивное использование, наглядный интерфейс, использование стандартные механизмы работы с Windows.

·        Библиотеки заранее подготовленных сложных функций (например, ПИД регулирования) и разработанных пользователем решений.

Требования и характеристики используемых операционных систем верхнего и нижнего уровней АСУ ТП

Технические характеристики рабочей и инженерной станции:

·        Модель и частота процессора - Intel(R) Celeron(R) CPU 2.8 GHz

·        Объём оперативной памяти - 512 Мб;

·        Видеокарта - NVIDIA GeForce 8400 GS;

ПО верхнего уровня

·        операционной системы (MS Windows XP);

·        коммуникационных протоколов (Ethernet 802.3, TCP/IP);

·        форматов файлов (TXT, DOC, XLS);

·        интерфейсов с СУБД (ODBC, SQL);

·        интерфейсов динамического обмена данными DDE, NetDDE.

Программное обеспечение информационного сервера:

·        операционная система MS Windows 2003 Server (SP2);

·        «мастер» приложение на базе SCADA-системы InTouch (Wonderware, США)

·        InTouch Runtime;

·        Сервер базы данных Microsoft SQL Server 2005.

ПО нижнего уровня

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

·        Операционная система MS Windows XP Professional (SP2);

·        «подчиненное» приложение на базе SCADA-системы Wonderware InTouch:

·        InTouch Runtime для АРМ управления;

·        FactoryFocus для АРМ наблюдения за технологическим процессом;

·        ActiveFocus для осуществления связи с базой данных Industrial SQL Server.XP - многопользовательская, многозадачная сетевая ОС с графическим

интерфейсом. В ней использовано 3 варианта файловой системы (FAT 16, FAT32, NTFS)

Основные характеристики:

·              32 - разрядная архитектура, вытесняющая многозадачность

·              Многопоточность (позволяет одновременно выполнять несколько, несвязанных друг с другом, участков программы)

·              Возможность подключения новых устройств по Plug and Play

·              Совместимость с ранними версиями

·              Наличие коммуникационных программ

·              Возможность использования виртуальной памяти

Требования и характеристика используемых пакетов программной поддержки обмена данными.

Именное обозначение SIMATIC NET объединяет полностью все семейство коммуникационных продуктов и сетей фирмы Siemens для промышленной автоматизации. Различные сети удовлетворяют широкому кругу требований к эксплуатационным характеристикам применительно к различным задачам, которые стоят перед проектировщиком систем автоматизации:

·        SIMATIC NET предоставляет решения, отвечающие запросам современной промышленной связи;

·        SIMATIC NET занимает центральное место в системе автоматизации SIMATIC;

·        SIMATIC NET обеспечивает однотипный интерфейс между системами и другими компонентами автоматизации;

·        способ коммуникации SIMATIC NET полностью интегрируется в проект системы автоматизации благодаря использованию своей собственной технологии связи S7, которая легко интегрируется со всеми известными топологиями и видами сетей.

Коммуникационные сети семейства SIMATIC NET являются компонентами концепции TIA (Полностью интегрированная автоматизация) от Siemens. Шинные системы SIMATIC NET и их функции вписываются в пирамидообразную модель автоматизации.

·              Industrial Ethernet (IEEE 802-3 и IEEE 802.3u) - международный стандарт организации обмена данными на верхних уровнях управления через локальные или глобальные информационные сети. Это мощная коммуникационная сеть, специально предназначенная для работы в промышленных условиях.

Она обладает следующими основными свойствами:

·        объединяет в единую сеть различные уровни предприятия, например, офис и производственный цех;

·        надежность конструкции и электромагнитная устойчивость;

·        высокая скорость передачи даже при большом количестве узлов благодаря общедоступным сетевым компонентам, соответствующим стандарту Fast Ethernet (быстрая сеть Ethernet) и поддерживающим скорость 100 Мбит/с.;

·        поддержка различных сред передачи (например, промышленная витая пара (ITP), волоконно-оптический кабель);

·        возможность расширения системы с использованием технологии коммутации;

·        высокая степень надежности сетевых топологий с резервированием.

TCP/IP (TransmissionControlProtocol/InternetProtocol) - набор сетевых протоколов, служащий для обмена данных между двумя узлами. Он обеспечивает приемлемую скорость передачи данных. Однако в последнее время протокол TCP/IP стал использоваться в качестве транспортного протокола для обмена информацией между узлами гибридных систем автоматизированного управления технологическими процессами.

PROFIBUS (IEC 61158/EN 50170) - международный стандарт построения сетей полевого уровня. Она объединяет технологические и функциональные особенности последовательной связи полевого уровня, а также позволяет объединять разрозненные устройства автоматизации в единую систему на уровне датчиков и приводов.DP - протокол, ориентированный на обеспечение скоростного обмена данными между системами автоматизации (ведущими DP-устройствами) и устройствами распределённого ввода-вывода (ведомыми DP-устройствами). Протокол характеризуется минимальным временем реакции и высокой стойкостью к воздействию внешних электромагнитных полей, оптимизирован для высокоскоростных и недорогих систем. Эта версия сети была спроектирована специально для связи между автоматизированными системами управления и распределенной периферией.

Интеллектуальные Ethernet-коммутаторы Cisco позволяют реализовать расширенные сервисы в локальных сетях крупных и средних предприятий. Представители этого семейства автономных коммутаторов с фиксированной конфигурацией обеспечивают подключение рабочих мест на скоростях 10/100 Fast Ethernet и 10/100/1000 Gigabit Ethernet.

Возможности моделей серии:

·              Подключение: подключения Fast Ethernet и Gigabit Ethernet в конфигурациях с 8, 24 и 48 портами

·              Питание устройств по витой паре: конфигурации с 24 портами с полной поддержкой PoE и 24 портами (с поддержкой PoE на 8 портах)

·              Интегрированные функции безопасности, включая контроль доступа в сеть (NAC)

Требование и характеристика используемой системы управления локальными и распределенными базами данных.

Требования к базе данных (БД):

·        обеспечение средств доступа ко всем необходимым данным с использованием распределенных БД, средств репликации данных, управления событиями в данных и процессах обработки транзакций;

·        предложение единого интерфейса оператора для работы с разными функциям;

·        применение методов компонентного проектирования предметных БД как для операционных БД, так и для исторических БД хранилищ данных, архивов документов, иных данных;

·        динамическое администрирование фрагментами распределенной БД при изменении частоты их использования, при модификации их структуры и при изменении их размещения.

База данных для разработанной системы автоматизированного регулирования построена на основе технологии Microsoft SQL Server 2005 и содержит:

·      значения расхода газа;

·        значения расхода воздуха;

·        значения температуры;SQL Server 2005 является высокопроизводительной и надежной системой управления базами данных, представляющей собой удобную платформу для бизнес-приложений и хранилищ данных. Помимо собственно СУБД, Microsoft SQL Server 2005 содержит средства поддержки языка XML, средства масштабирования и обеспечения надежности, средства создания и отладки серверного кода. Особо следует отметить наличие в составе этого продукта аналитических служб (Analysis Services), позволяющих создавать и использовать OLAP1-кубы и обращаться к ним через Internet, а также производить интеллектуальный анализ данных и поиск закономерностей (Data Mining).SQL Server 2005 интегрирован с Microsoft Windows XP, что упрощает развертывание системы и управление данными масштаба предприятия, а также повышает эффективность обработки и анализа данных. В частности, SQL Server 2005 использует встроенные в Windows XP службы Active Directory как единый депозитарий данных, относящихся к конфигурации и местонахождению баз данных, а также сведений, необходимых для их обслуживания. Это во многом упрощает администрирование баз данных, управление репликациями данных, развертывание и обновление серверов.

Требование и характеристика используемого программного обеспечения инструментальных средств разработки, отладки и документирования.

В данной системе используется система визуализации InTouch.- это приложение-генератор человеко-машинного интерфейса (HMI) для систем SCADA и других систем автоматизации производства. InTouch дает возможность пользователям создавать операторские интерфейсы под Windows, которые тесно взаимодействует с другими компонентами программного обеспечения фирмы Wonderware, например FactorySuite (интегрированный пакет программного обеспечения для полной автоматизации производства) и стандартными приложениями Microsoft Office.

Основные задачи, решаемые с помощью InTouch:

·        Сбор сигналов (определяющих состояние производственного процесса в текущий момент времени - температура, давление, положение и т.д.) с промышленной аппаратуры (контроллеры, датчики и т.д.).

·        Графическое отображение собранных данных на экране компьютера в удобной для оператора форме (на мнемосхемах, индикаторах, сигнальных элементах, в виде текстовых сообщений и т.д.).

·        Автоматический контроль за состоянием контролируемых параметров и генерация сигналов тревоги, и выдача сообщений оператору в графической и текстовой форме в случае выхода их за пределы заданного диапазона.

·        Разработка и выполнение (автоматическое или по команде оператора) алгоритмов управления производственным процессом. Сложность алгоритмов не ограничена и может представлять собой любую комбинацию из математических, логических и других операций.

·        Контроль над действиями оператора путем регистрации его в системе с помощью имени и пароля, и назначения ему определенных прав доступа, ограничивающих возможности оператора (если это необходимо) по управлению производственным процессом.

·        Вывод (автоматически или по команде оператора) управляющих воздействий в промышленные контроллеры и исполнительные механизмы для регулировки непрерывных или дискретных процессов, а также подача сообщений персоналу на информационное табло и др.

Преимущества, которые дает использование InTouch:

·        Повышение эффективности работы производства. Сюда можно отнести как увеличение объема выпуска продукции, повышения качества, производственной дисциплины, так и косвенные расходы - сокращение стоимости обучения персонала, автоматическая генерация отчетов для руководящего состава, упрощение процедур планирования и расчета технико-экономических показателей. Среднее повышение экономической эффективности составляет от 30 до 70%.

·        Малые сроки внедрения благодаря простоте освоения и использования средств разработки.

·        Простота технического сопровождения (исчерпывающая документация, программы специальной поддержки, стандартные курсы обучения).

·        Гарантированное сопряжение с любыми аппаратными средствами, имеющимися на предприятии, благодаря большому числу имеющихся серверов ввода-вывода (более 600), использованию стандартных протоколов обмена и наличию средств разработки собственных драйверов.

·        Ориентация на перспективные и популярные компьютерные стандарты и платформы (Windows NT, DCOM, OPC, ActiveX и др.).

Процесс регулирования температуры методической печи отображается на персональном компьютере, находящемся на АРМ оператора.

Требования и характеристика используемых средств настройки базового ПО, диагностики и самодиагностики работоспособности ПЛК.

Инструментальные средства проектирования - это проблемно ориентированное программное обеспечение, используемое дополнительно к стандартным инструментальным средствам. Они позволяют проектировщику сосредоточиться на решении поставленной задачи и решать ее в наиболее удобной форме. Инструментальные средства проектирования снижают затраты на проектирование и повышают удобство выполнения проектных работ. Они включают в свой состав:

·        Графические языки для специалистов в области технологии.

·        Сопутствующее программное обеспечение для диагностирования, имитации, дистанционного обслуживания, разработки заводской документации и т.д.

Программное обеспечение Runtime. Позволяет использовать при разработке проектов заранее созданные программные блоки, выполняющие стандартные функции автоматического управления. Эти программные блоки могут вызываться из программы пользователя и требуют для своего использования только предварительной настройки параметров. Существует два вида программного обеспечения Runtime:

·        Аппаратно зависимое: программное обеспечение для поддержки конкретных видов аппаратуры. Например, функциональные блоки (FB) для функциональных модулей (FM).

·        Аппаратно независимое: программное обеспечение для работы с широким спектром аппаратуры.

Программное обеспечение Runtime включает в свой состав:

·        Пакет PID Self Tuner для разработки самонастраивающихся ПИ и ПИД-регуляторов на базе существующих ПИД-регуляторов.

·        Инструментарий для связи систем автоматизации с приложениями Windows

·        Инструментарий для организации программного дублирования SW-Redundancy

·        Загружаемые драйверы предназначены для использования в коммуникационных процессорах CP 341 и CP 441-2 и обеспечивают поддержку последовательной передачи данных в соответствии с протоколами передачи других производителей

Пакет Easy Motion Control для построения систем позиционирования на основе стандартных компонентов SIMATIC S7/ C7/ WinAC, стандартных приводов, инкрементальных датчиков позиционирования и датчиков абсолютного перемещения.

автоматизированный программный температура печь

2.7 Требования и характеристика используемого прикладного программного обеспечения

Для подготовки технической документации целесообразно использовать пакет DOCPRO, который позволяет готовить и обрабатывать заводскую документацию, систематизировать данные проекта, оформлять их в виде связанных описаний и руководств, и распечатывать в виде стандартных форм. Пакет DOCPRO работает со всеми пакетами для инструментальной разработки. Хорошо подготовленная документация облегчает эксплуатацию системы, а также подготовку решений по дальнейшему развитию системы.

Функции пакета:

·              Разработка технических руководств и составление их перечня.

·              Централизованная разработка, обслуживание и управление титульными блоками данных.

·              Разработка собственных шаблонов и форм на базе имеющихся заготовок.

·              Ручная или автоматическая нумерация рисунков по заданным критериям.

·              Автоматическая подготовка перечня документации и печать документации.

·              Печать списка рабочих мест и необходимых для них технических руководств. Перечень работ и рабочих мест выводятся на печать в заданном порядке. Оператор может получать отчет о подготовленной документации.

Для надежной работы ПЭВМ инженерной и рабочей станции, а также бесперебойности работы всей системы, необходимо использовать антивирусную защиту, примером которой может быть антивирус Касперского 6.0.

Основными преимуществами этого пакета являются:

·              обеспечение защиты от вирусов на основе анализа процессов и поведения приложений на компьютере пользователя, а также позволяют полностью восстановить систему после вредоносного воздействия.

·              Простота и удобство использования.

3. Организация производства и труда

.1 Монтаж датчиков

Монтаж датчиков расхода воздуха и газа Метран-100 ДД.

Сужающие устройства (диафрагмы) устанавливают на вертикальном, горизонтальном или наклонном трубопроводах. Перед монтажом диафрагму очищают от антикоррозийной смазки и проверяют:

·        Внутренний диаметр трубопровода и место установки диафрагмы

·        Трубопровод (отсутствие грязи, сварочных швов и т.п.)

·        Направление потока измеряемой среды

·        Марку материала диафрагмы

Диафрагму устанавливают на прямолинейном участке трубопровода, чтобы ее торец был перпендикулярен оси трубопровода; оси трубопровода и диафрагмы совпадали. Ее устанавливают между приваренными встык фланцами, внутренний диаметр которых должен быть равен внутреннему диаметру трубопровода. Между кольцевыми камерами и фланцами устанавливают уплотнительные прокладки. На рисунке 8.1. показан пример установки камерной диафрагмы.

К горизонтальному участку трубопровода параллельно друг другу, перпендикулярно оси трубопровода приварены 2 фланца, стянутые по окружности болтами с гайками. Между фланцами установлена диафрагма, по обе стороны которой смонтированы четыре пары отборных патрубков.

Диафрагма

Точность измерения давления зависит от правильной установки датчика и соединительных трубок от места отбора давления до датчика. Соединительные трубки должны быть проложены по кратчайшему расстоянию. Отбор давления рекомендуется производить в местах, где скорость движения среды наименьшая.

Температура измеряемой среды в рабочей полости датчика не должна превышать допускаемой температуры окружающего воздуха. Для снижения температуры измеряемой среды на входе в рабочую полость датчик устанавливают на соединительной линии, длина которой для датчика Метран-100-ДД рекомендуется не менее 3 м. Соединительные линии должны иметь односторонний уклон (не менее 1:10) от места отбора давления, вверх к датчику.

В соединительных линиях от места отбора давления к датчику давления рекомендуется установить два вентиля или трехходовой кран для отключения датчика от линии и соединения его с атмосферой.

При монтаже для прокладки линии связи рекомендуется применять кабели с резиновой изоляцией, кабели для сигнализации и блокировки - с полиэтиленовой изоляцией.

На рисунке приведена схема соединительных линий датчика расхода газа (воздуха) Метран-100 ДД. Угол наклона импульсных линий

Схема соединительных линий датчика

Монтаж термопары ТППТ конструктивной модификации 01.20.

1)      Нанесение разметки для монтажа отборов.

)        Вырезание участка трубопровода установленной длины

)        Приварка фланцев параллельно друг другу

)        Установка диафрагмы через прокладку и стягивание ее болтами

)        Установка в бобышку через прокладку защитной гильзы, заливка в нее трансформаторного масла и установка в нее ТППТ.

3.2 Маркировка труб и кабелей

Для передачи сигнала от термопар к преобразователю используется кабель типа ПТВП с ПВХ изоляцией в экране.

Для передачи сигнала от датчиков давления Метран-100 ДД до модуля аналогового ввода контроллера. От модуля дискретного вывода до исполнительного механизма используется кабель КВВГЭ.

Позиция 1.1-в-импульсные линии от диафрагмы до Метран-100 ДД

Позиция 1.2-в-импульсные линии от диафрагмы до Метран-100 ДД

Позиция 1.3-в-импульсные линии от диафрагмы до Метран-100 ДД

Позиция 1.4-в-импульсные линии от диафрагмы до Метран-100 ДД

Позиция 1.1 - кабель от ТППТ до ИП-Т10И 2х1мм²

Позиция 1.2 - кабель от ТППТ до ИП-Т10И 2х1мм²

Позиция 1.3 - кабель от ТППТ до ИП-Т10И 2х1мм²

Позиция 1.4 - кабель от ТППТ до ИП-Т10И 2х1мм²

Позиция 2.1 - кабель от Метран-100 ДД до SM 331 (1) 2х2х0,5 мм²

Позиция 2.2 - кабель от Метран-100 ДД до SM 331 (1) 2х2х0,5 мм²

Позиция 2.3 - кабель от Метран-100 ДД до SM 331 (1) 2х2х0,5 мм²

Позиция 2.4 - кабель от Метран-100 ДД до SM 331 (1) 2х2х0,5 мм²

Позиция 3.1 - кабель от ПЛК SIMATIC S7-300 до МЭО-100 2х2х0,5 мм²

Позиция 3.2 - кабель от ПЛК SIMATIC S7-300 до МЭО-100 2х2х0,5 мм²

Позиция 3.3 - кабель от ПЛК SIMATIC S7-300 до МЭО-250 2х2х0,5 мм²

Позиция 3.4 - кабель от ПЛК SIMATIC S7-300 до МЭО-250 2х2х0,5 мм²

Позиция 4.1 - кабель от блока датчиков МЭО 100 до SM 331 (2) 2x2x0,5 мм²

Позиция 4.2 - кабель от блока датчиков МЭО 100 до SM 331 (2) 2x2x0,5 мм²

Позиция 4.3 - кабель от блока датчиков МЭО 250 до SM 331 (2) 2x2x0,5 мм²

Позиция 4.4 - кабель от блока датчиков МЭО 250 до SM 331 (2) 2x2x0,5 мм².

.3 Монтаж щитов и пультов

Шкафы предназначены для установки на них средств контроля и управления технологическим процессом (ТП), а именно контрольно измерительные приборы (КИП). Они изготовляются на заводах электромонтажных изделий. Несущей основой их является каркас из швелера, на который закрепляют винтовыми и болтовыми соединениями панели, стенки, двери т.д.

·        Щиты и пульты устанавливаются в производственных помещениях, например в ЦПУ.

·        Для установки датчиков на улице, шкафные щиты оборудуются отопительной электросистемой. Стены с термодатчикам уплотняются теплоизоляцией из пенопласта. В местах установки щитов с вибрацией их оборудовают амортизаторами.

·        Многоканальные щитовые сборки собирают строго по отвесу и уровню, что бы лицевые панели их находилсь в одной плоскости, а так же в поле зрения оператора технолога.

·        Зазоры стыков между щитами должны быть не более 2 мм. А крепления щитов между собой, а так же и к полу (фундаменту) должно быть разъёмным (болтовым).

·        Плоские панельные щиты, для увелечения жёсткости, кроме того, крепят вверху к стене специальными регелями.

·        При значительной протяжённости щитовых сборок их устанавливают в виде многограника или в виде П-образной или Г-образной формы. Щиты и пульты устанавливаются либо на бетонное основание в двойном полу, либо над кабельным каналом в бетонном основании пола.

·        Ввод кабелей под раму щита производится из кабельного канала шита. Щит перед установкой по месту крепится к опорной раме (швелеру) болтовыми соединениями, а в углах этой рамы для большей жёсткости приваривают косынки.

·        Малогаборитные шкафы щиты монтируют на стенах, коллонах или на полу на подставке на высоте от пола от 0,8 м до 2 м для показывающих приборов, и от 1 до 1.5 м для самопишущих приборов и вспомогательной аппаратуры (переключатели, ключи, пробки).

·        Ширина прохода для обслуживания между стеной и щитом должна быть не менее 0,8 м. Нельзя устанавливать аппараты и приборы с открытыми токоведущими частями на деврях щитов и углом их открытия 90-110^о.

·        Шкафы после их установки необходимо обязательно заземлять, а металло свзяь между щитовыми сборками должны быть не более 0,1 Ом.

3.4 Монтаж РО и ИМ

Исполнительные механизмы МЭО предназначены для перестановки регулирующих органов, осуществляющих управляющее воздействие на технологический процесс. Электрические исполнительные механизмы состоят из электродвигателя, редуктора, выходного рычага и различных дополнительных устройств.

Управление МЭО осуществляется с помощью пускателя бесконтактного реверсивного типа ПБР-3А. Пусковые устройства обеспечивают необходимое усиление мощности управляющих сигналов, поступающих от регулирующего устройства.

Механизм допускает установку с любым пространственным расположением выходного вала непосредственно на регулирующем органе или промежуточных конструкциях.

)        Крепление механизма производить четырьмя болтами. Предусмотреть место для обслуживания механизма. Обеспечить доступ к блоку сигнализации положения и ручному приводу.

)        Электрическое подключение механизмов производить через разъем, который расположен в штепсельном вводе гибким кабелем сечением одной жилы от 0,35 до 0,5 мм.

)        Пайку монтажных проводов цепей внешних соединений к контактам розетки разъема производить оловянно-свинцовым припоем с применением бескислотных флюсов. После пайки флюс необходимо удалить путем промывки мест паек спиртом, а затем покрыть бакелитовым лаком или эмалью.

)        Провода, идущие к блоку датчика, должны быть пространственно разделены от силовых цепей и экранированы. Сопротивление каждого про - вода линии связи между механизмом и блоком питания должно быть не более 12 Ом.

)        После окончания монтажа с помощью мегомметра проверить величину сопротивления изоляции, которая должна быть не менее 20 МОм, и сопротивление заземляющего устройства.

Для ввода механизма в действие на месте эксплуатации необходимо произвести его настройку и регулировку в следующей последовательности:

·        снять упоры;

·        отрегулировать длину тяги, перемещая ручной рычаг механизма на рабочем угле;

·        установить упоры в крайних положениях рабочего угла поворота рычага;

·        установить регулирующий орган в среде положение.

Выводы

В данном проекте рассматривалась модернизация автоматизированной системы регулирования температуры с коррекцией по соотношению газ-воздух методической печи стана 250 сортопрокатного производства ЧерМК ОАО «Северсталь».

Перед началом работы была поставлена задача усовершенствовать автоматизированную систему регулирования и обеспечить высокую стабильность требуемых технологических условий в частности улучшить технико-экономические показатели работы печи при сокращении удельного расхода топлива, повысить надежность и безопасность работы оборудования, а также улучшить условия труда персонала.

Эти задачи были решены в первую очередь за счет замены морально и физически устаревшего регулятора на современный контроллер SIMATIC S7-300. Была доработана функциональная схема автоматизированной системы регулирования. Для визуализации технологического процесса использовалось SCADA система InTouch, которая помогла повысить эффективность работы производства.

Литература

1. Беленький А.М. Автоматическое управление металлургическими процессами. М.: Металлургия, 1989. - 384 с.

. Техническая документация по эксплуатации методической печи стана 250 СПЦ ОАО «Северсталь»

. Тюриков С.П. Методические рекомендации и расчеты по курсовому проектированию для студентов 3 и 4 курсов. Череповец 2006 год.

. АСУ ТП в черной металлургии. - Г.М. Глинкин, В.А. Маковский - М.: Металлургия, 1999. - 310 с.

. Руководство по эксплуатации Метран-100, версия 4.6 - 2009. - 152 с.

. Средства измерения, контроля и автоматизации технологических процессов. Вычислительная и микропроцессорная техника. - Котов К.И., Шершевер М.А. - М: Металлургия, 1989.

. Статья из Internet: Руководство по эксплуатации преобразователей термоэлектрических ТППТ. Сайт: www.tesey.com.

. Статья из Internet: Описание ПЛК SIMATIC S7-300. Сайт: siemens.ru.

. Оформление пояснительной записки курсовых и дипломных проектов в соответствии с требованиями ГОСТ 2.105 - 95. Череповецкий металлургический колледж, 1999.