Асу тп непрерывных листовых станов горячей прокатки

Автоматизация прокатного производства

Автоматизированные системы управления технологическими процессами прокатки являются наиболее развитыми из металлургических АСУ. В то время, когда в доменном и конверторном производствах АСУ ТП пока работают в информационных или информационно-советующих режимах, АСУ ТП прокатки в ряде случаев уже обеспечивают полную автоматизацию процесса (стан 2000) или близки к этому (стан 1700 ПХЛ).

Рассмотрение АСУ ТП прокатки начнем с их нижнего уровня – автоматизированного электропривода, роль которого является определяющей как при автоматическом, так и при ручном управлении. Привод является исполнительным устройством для верхних уровней АСУ ТП, а так же источником значительной части технологической информации (например, усилия и моменты, скорость прокатки и другие параметры выводятся на верхние уровни АСУ из системы электропривода. Сигналы из ЭП зачастую дублируют сигналы датчиков других подсистем, повышая надежность измерения). Кроме того, для работы таких локальных систем, как САРТ, САРН очень важным является качество именно электроприводов, т.к. работают они без участия оператора, а УВМ также имеется не на всех станах.

Общие сведения о прокатном производстве

Прокатным станом называется комплекс машин и механизмов, предназначенных для пластической деформации металла в валках (собственно прокатки) и дальнейшей его обработки и транспортировки.

По назначению:

• блюминги (140х140÷400х400) Д=800÷1300 (где Д – диаметр валка, в миллиметрах)
• слябинги (115÷250х800÷1600) Д<1300
• заготовочные Д=450÷750
• рельсобалочные (Д=750÷900),
• крупносортные (Д=500÷750),
• средне (Д=350÷500) и микросортные (Д=250÷350),
• проволочные, толсто и среднелистовые (лист > 4мм),
• тонколистовые (h=1÷4мм),
• холодной прокатки (h=0,008÷4мм),
• трубопрокатные,
• профилегибочные и т.д. (h - толщина проката)

По количеству рабочих валков: с горизонтальными, вертикальными, универсальные клети.

ДУО – обжимные, толстолистовые, заготовочные, сортовые (2 валка).

Кварто – листовые горячей и холодной (4 валка).

Многовалковые – тонколистовые реверсивные станы холодной прокатки.

По числу клетей: одно- и многоклетьевые. Многоклетьевые бывают последовательные (2800), полунепрерывные (2800/1700), непрерывные (1700 хп). Сейчас наиболее производительны непрерывные.

По режиму работы: реверсивные и нереверсивные.

Пластическая деформация

Процесс деформации металла характеризуется следующими параметрами:

Приняты обозначения: H, h – толщина до и после прокатки, В₁, В₂ - ширина, L₁, L₂ – длина, F₁=HB₁, F₂=hB₂ – сечение до и после прокатки.

- обжатие ( - относительное обжатие)

- уширение

- вытяжка

- коэффициент вытяжки.

Угол захвата , где R – радиус валка.

Длина дуги захвата .

Условие захвата , где - коэффициент трения.

Опережение: металл выходит из клети со скоростью

.

Обычно S=3÷5%, у тонких листов 10÷15%

, где γ – критический угол.

, где β=arctgf – угол трения.

Усилие прокатки P необходимо рассчитать, т.к. по нему можно определить и момент прокатки, который в гораздо большей степени важен для расчета электропривода.

В процессе прокатки двигатель должен обеспечить момент, прикладываемый к валкам:

Здесь М_пр – момент прокатки, преодолевает силы деформации и трения между металлом и валками.

М_пр=2*P*а, а – плечо равнодействующей сил давления. a=y*l, для горячей прокатки ψ=0,5, для холодной ψ=0,35÷0,4. С учетом выведенного ранее

М_тр – момент добавочных сил трения при прокатке (в подшипниках) и передаче.

Динамический момент М_дин возникает лишь при разгонах и торможениях; на непрерывных станах можно его не учитывать.

Асу тп непрерывных листовых станов горячей прокатки

Современные непрерывные листовые станы горячей про­катки являются наиболее сложными и высокопроизводитель­ными объектами автоматизации в металлургии. Они пред­ставляют собой комплекс различных, но взаимосвязанных агрегатов, оптимальное управление которыми принципиаль­но невозможно без применения автоматизированных систем управления. Наиболее полно вопросы автоматизации управ­ления технологическим процессом решены для широкополос­ных станов горячей прокатки.

В составе оборудования современного широкополосного стана горячей прокатки (ШПС) можно выделить следую­щие основные технологические группы: участок печей для нагрева слябов; черновая группа клетей; чистовая группа клетей; группа моталок; транспортный, промежуточный и отводящий рольганги; устройства охлаждения; ножницы и другое вспомогательное оборудование.

Схема расположения основного технологического обору­дования стана 2000 ОАО «Северсталь» представлена на рисунке. (Ниже – расположение оборудования в обжимном цехе).

Заготовки (катаные или литые слябы весом до 40 т) по­даются на загрузочные рольганги печей, где взвешиваются. Затем слябы отправляются в печи 1, где по определенным

режимам осуществляется их нагрев до температуры 1240— 1280°С. Нагретые слябы выдаются на приемный рольганг и направляются к черновой группе клетей, состоящей из вер­тикального окалиноломателя 2, горизонтальной двухвалко­вой клетки 3 и четырех универсальных клетей 4, 5, 6, 7. Ма­ксимальная скорость прокатки в клети 7 достигает 5 м/с. Суммарная мощность приводов черновой группы клетей со­ставляет 47 800 кВт. В результате прокатки слябов здесь по­лучают раскат толщиной 30—45 мм.

На чистовую группу клетей 10, состоящую из семи четырехвалковых клетей, поступает подкат с температурой 960— 1050°С. Предварительно на барабанных летучих ножницах 8 обрезаются концы раската, и металл проходит через чи­стовой окалиноломатель 9. Прокатка проводится с небольшим натяжением со скоростью до 21 м/с. В межклетевых промежутках установлены петледержатели. Клети оснащены эле­ктроприводами постоянного тока. Суммарная мощность всех приводов 84000 кВт. После чистовой группы получают лист толщиной 1,2—16 мм. Для управления температурой листа используются установки водяного охлаждения 11 и 13. На отводящем рольганге установлены две группы моталок 12 и 14. Группа 12 используется для смотки металла до 2 мм, 14 — для смотки до 16 мм толщиной. После смотки и об­работки на бунтовязальной машине рулоны металла взве­шиваются, маркируются и передаются на участок листоотделки.

Стан 2000 ЧерМЗ относится к третьему поколению непре­рывных широкополосных станов. На станах третьего поко­ления масса рулонов достигает 40-45 т, минимальная толщина листа 0,8—1 мм, скорость прокатки 25-30 м/с, сум­марная мощность приводов около 150 000 кВт.

Для станов третьего поколения характерны большая производительность (до 6 млн. т/год), а также высокая сте­пень готовности к комплексной и полной автоматизации.

Принципы построения и требования, предъявляемые к АСУ ТП широкополосных станов

Современные ШПС оснащены большим количеством ав­томатических регуляторов и систем управления. С их помощью осуществляется регулирование отдельных технологи­ческих параметров процесса (скорости прокатки, натяжения полосы, температуры, толщины, формы полосы и т. д.). Эти системы принято называть локальными системами управле­ния. При комплексной автоматизации ШПС они объединяются в единый управляющий комплекс. Опыт комплексной автоматизации ШПС 2000 Ново-Липецкого металлургиче­ского завода показал, что точность регулирования техноло­гических параметров и производительность стана значитель­но повысились. Внедрены, работают получают дальнейшее развитие такие системы, как система автоматического регу­лирования толщины, система автоматического регулирова­ния натяжения, системы управления охлаждением, разви­ваются системы управления электроприводами механизмов. Однако отсутствие в управляющей системе вычислительной машины и ограниченные адаптационные возможности не по­зволяют полностью использовать возможности технологиче­ского оборудования стана. В этом смысле дальнейшим раз­витием методов управления работой ШПС следует считать АСУ ТП ШПС, в которой локальные системы управления объединены в единую систему автоматизации, использую­щую быстродействующие цифровые вычислительные маши­ны. При построении этих систем соблюдается принцип иерархии:

1) нижний уровень — локальные системы управления и автоматические регуляторы (программируемые контроллеры);

2) средний уровень — одна или несколько управляющих вычислительных машин (УВК), управляющих исполнитель­ными механизмами и локальными системами;

3) верхний уровень — УВК, планирующий и управляю­щий работой всего цеха (входит в АСУП).

Ввиду того, что стан является объектом с переменными характеристиками, а также вследствие неполноты информа­ции о процессе, в работе АСУ ТП широко применяются принципы адаптации. Необходимое качество про­ката обеспечивается анализом результатов прокатки преды­дущей заготовки и соответствующим изменением режима ра­боты механизмов стана. Принципы адаптации применяются как при построении локальных систем, так и при создании АСУ ТП всего объекта.

АСУ ТП прокатки на ШПС практически охватывает весь цикл обработки металла от загрузки его на весы перед по­садом в печи и до маркировки и взвешивания готовых руло­нов листа.

Применение системы позволяет решить целый ряд задач: улучшить качество получаемого листа; стабилизировать фи­зико-химические свойства металла за счет более точного температурного режима; проводить прокатку в минусовом поле допусков; увеличить производительность стана и сокра­тить число простоев на ремонты.

Для решения этих задач требуется, чтобы АСУ ТП обес­печивала выполнение следующих основных функций:

1) планирование прокатки слябов;

2) слежение за раскатом по всей линии обработки;

3) управление темпом прокатки;

4) управление загрузкой слябов в печи, тепловым режи­мом и выдачей из печей;

5) управление прокаткой в черновой группе;

6) управление чистовой группой;

7) управление охлаждением;

8) управление моталками стана;

9) управление рольгангами;

10) оптимизацию режимов работы с целью повышения производительности и улучшения качества.

Возможность выполнения этих функции обусловлена тем, что в системе обеспечен сбор и оперативная обработка большого объема информации, хранение ее, а также быстрое извлечение из памяти УВК необходимых данных. Для эф­фективного функционирования АСУ ТП предусматривается агрегатирование технических средств и возможность раз­вития системы в соответствии с изменяющимися условиями работы цеха, работа АСУ в реальном масштабе времени, обмен информацией между УВК и обслуживающим пер­соналом.

В комплексе АСУ ТП предусмотрены также средства контроля и диагностики неисправностей и возможность пе­рехода на ручное управление в случае необходимости.

Автоматизированная система управления технологическим процессом стана 2000 ОАО «Северсталь»

В настоящее время одной из наиболее развитых и функционально полных АСУ ТП ШПС, структура, состав и возможности которой соответствуют принципам и требова­ниям, сформулированным выше, является АСУ стана 2000.

Система выполняет следующие операции: вырабатывает оптимальный температурный режим нагрева слябов в за­висимости от их размеров, марки стали и ритма прокатки; рассчитывает и реализует посредством воздействия на подчи­ненные локальные системы управления (ЛСУ) оптимальный скоростной и деформационный режимы и черновой и чисто­вой группах клетей; формирует и реализует наилучший ре­жим охлаждения; осуществляет слежение за перемещением металла по всей линии технологического процесса.

Структурная схема АСУ ТП стана 2000 ОАО «Северсталь» представлена на рисунке.

Из него видно, что в общей АСУ ТП можно выделить две достаточно независимых подсистемы: 1) АСУ ТП нагрева слябов; 2) АСУ ТП прокатки. В каждой из этих подсистем работают свои ЛСУ, УВК, пульты ручного уп­равления ПРУ, устройства ввода-вывода УВВ. Несмотря на различие объектов управления и конкретных задач, ре­шаемых каждой подсистемой, можно выделить следующие основные составляющие процесса управления: 1) слежение за материалом; 2) измерение технологических параметров; 3) обработка результатов измерений и выработка с помощью математических моделей объектов команд локальным систе­мам управления.

Работа АСУ ТП нагрева слябов

Принцип работы АСУ ТП на участке нагрева отображен на рисунке. На рисунке показаны участки автоматизации в объекте управления: подъемные столы, рольганги, печи, ло­кальная автоматика, посты управления. Локальные системы объединены УВК. В структуре УВК показаны основные про­граммы управления: расчета ряда посада РРП, расчета оче­редности выдачи РОВ, расчета режима нагрева РРН. Кроме того, отображены некоторые программы системы слежения: программы формирования номера ФН, формирования блока данных сляба ФБД, слежения за металлом в печи СМП.

Работа начинается с ввода данных пар­тии слябов. Вводиться информация о номере партии, номере плавки, марке стали, химсоставе металла, весе и размерах сляба, размерах листа и т. д. Ввод данных осуществляется на складе слябов. В случае необходимости информация о партии сля­бов может быть введена в систему слежения с пультов ввода ПВ постов управления ПУ1 и ПУ2. При вызове сляба по сигналу 1 с помощью командных устройств КУ локальная автоматика ЛА сталкивает сляб с загрузочного стола, транспортирует его до весов и останавливает там. От локальной автоматики УВК получает сигнал 2 о приходе сляба на весы. По этому сигналу УВК строит номер сляба, и который входит дата обработки, номер партии и текущий номер, и запоминает его.

После прихода на весы сляб взвешивается по командам локальной автоматики, измеряется его длина и температура (при горячем посаде). Данные 3 от датчиков веса металла ДВМ, температуры ДТМ, измерителя длины ИД передают­ся УВК, который формирует блок данных сляба (номер сляба, длина, вес, температура поверхности), записанных в определенной последовательности, и запоминает в соответ­ствующей зоне памяти. Эта зона памяти называется масси­вом подводящего рольганга МПР. Блоки данных хранятся в массиве в порядке, соответствующем расположению сля­бов на рольганге. Получив данные о слябе, УВК определяет ряд посада с учетом неразрывности партий в печах и рав­номерной загрузки печей, затем дает ЛА команду 4 на тран­спортировку сляба подводящим рольгангом до соответст­вующего ряда посада 5. На рисунке показано расположение рядов посада на участке печей и размещение фотодатчиков системы слежения за металлом Локальная автоматика (см. рис.) с помощью исполнителных механизмов ИМ транс­портирует сляб до печи и сдвигает его там на приемный стол. Блок данных сляба, пришедшего на приемный стол по сигналу 6, запоминается и массиве приемного стола МПС. По мере перемещения слябов в печи освобождается место со стороны загрузки. Локальная автоматика посредством толкателей осуществляет загрузку в печи. Одновременно по сигналу 7 блок данных сляба переносится в массив ряда посада МРП. Таким образом осуществляется управление по­садом слябов и слежение за металлом на этом этапе техно­логического процесса.

Поступив в печь, сляб перемещается в ней шагающими балками и, проходя через рабочее пространство, нагревает­ся до определенной температуры в соответствии с требова­ниями технологии. Температуры печи и металла контроли­руются датчиками ДТП и ДТМ. По достижении заданной температуры металл готов к выдаче на прокатку. Продолжительность нагрева от 1 часа 40 минут до 4 часов. Коман­да на выдачу 8 подается оператором с поста управления ПУ4(5) или же автоматически через определенное время после выдачи предыдущего сляба.

Партию слябов необходимо выдавать на прокатку целым блоком. Для этого в список выдачи последовательно вносят­ся только те слябы, которые относятся к одной и той же пар­тии. Переход к следующей партии производится после ис­черпания предыдущей. Кроме того, УВК строит список в со­ответствии с требованием равномерности выдачи партии по печам (слябы выдаются из разных рядов посада). Список выдачи периодически корректируется. К моменту поступле­ния команды 8 на выдачу сляба УВК уже имеет сформиро­ванный список выдачи. Она передает локальной автоматике номер ряда посада и данные о слябе, который необходимо выдать. Локальная автоматика извлекает посредством экст­ракторов сляб из печи и ставит его на горячий рольганг.

Одновременно по сигналу 9 блок данных сляба перепи­сывается в массив учета горячего рольганга МГР. Локаль­ная автоматика транспортирует с помощью горячего роль­ганга сляб к черновому окалиноломателю. По сигналу 10 граничного фотодатчика ГФ (см. рис.) данные сляба (ширина, вес, температура поверхности) передаются на УВК прокатки и стираются в системе слежения участка печей.

Алгоритмы работы УВК при посаде и выдаче ме­талла сравнительно просты. Они сводятся к формированию блоков данных и массивов из них, переадресации блоков данных из одного массива в другой, анализу содержимого массивов и формированию очередностей при загрузке и вы­даче. УВК дает команды локальной автоматике роль­гангов, весов, сталкивателей и экстракторов на включе­ние. Локальные системы работают асинхронно с УВМ и выдают ей информацию о начале или конце соответствую­щих операций. Перемещение и положение слябов контроли­руется сигналами с фотодатчиков. Транспортировка слябов осуществляется с помощью автоматических электроприво­дов.

Управление тепловым режимом

В термоотделении работают четыре печи с шагающими балками, которые, делят каждую печь на верхнюю и ниж­нюю области нагрева. Каждая из этих областей состоит из пяти зон нагрева. Таким образом, печь представляет собой совокупность десяти зон управления теплотехническими па­раметрами, связанных потоком дискретно-перемещаемых слябов.

Здесь 1-верхние термопары, 2-нижние, 3-пирометры, 6 - номер зоны.

Задача управления нагревом слябов сводится к расчету с заданной периодичностью уставок для локальных регу­ляторов температуры и Соотношения топливо—воздух для каждой зоны печи.

Режим нагрева должен удовлетворять целому ряду тех­нологических ограничений по разности температур поверхно­сти и центра, отклонению температуры поверхности от за­данного значения, градиенту температур в сечении и т. д. При этом он определяется ритмом прокатки на стане и дол­жен обеспечивать минимальное время нагрева с наименьшим удельным расходом топлива. Установлено, что количество топлива, подаваемого в каждую из десяти зон, значи­тельно сильнее влияет на температуру зоны, чем темпера­тура смежных с ней зон. Это позволяет считать зоны нагрева независимыми и рассчитывать для каждой зоны необходимую температуру греющего простран­ства по программам тепловой модели. Тепловая модель представляет собой совокупность определенных формул и процедур, позволяющих по толщине сляба, мгновенной про­изводительности печи, начальной температуре сляба, задан­ной конечной температуре, времени пребывания в зоне и другим данным определить уставку регулятора температуры для каждой зоны.

За счет адаптации модели, введя обратную связь по тем­пературе, удалось повысить эффективность автоматизирован­ного управления. Измеряя температуру после черновой груп­пы клетей и сравнивая с расчетной, УВК уточняет некото­рые коэффициенты тепловой модели, в частности, коэффици­ент теплообмена.

УВК заносит в список готовые к выдаче слябы, если при данном режиме нагрева и существующей производительно­сти прогнозируемые значения температуры поверхности и перепада температур по сечению не превышают заданных.

В процессе эксплуатации АСУ ТП разработаны алгорит­мы управления печами в нестационарных режимах, а также при плановых и аварийных остановках стана, позволяющие сократить расход топлива и исключить перегрев металла. При выходе температуры за предел уставка снижается в данной зоне и в предшествующей. Схема локальной автома­тики одной из зон печи представлена на рисунке для (всех зон регуляторы идентичны).

Переключателем выбора режима работы ПВРР опреде­ляется один из двух возможных режимов: ручное задание уставок Р или задание уставок от УВК. Схемы И, вклю­ченные на входе регуляторов температуры РТ и соотноше­ния PC, обеспечивают подачу сигналов задания на темпера­туру и соотношение газ—воздух в ручном ЗТ_Р, ЗС_Р и авто­матическом ЗТ_А, ЗС_А режимах. Условием приема той или иной уставки является наличие сигнала «1» на вто­ром входе элемента И, подаваемого с помощью реле режима работы РРР. Реле режима работы переключается в поло­жение УВК только в том случае, когдана второй вход И₅ подается сигнал «Готов» от УВК (на первый вход подает­ся «1» от ПВРР).

Сигнал обратной связи по температуре подается с термопары, по соотношению — с расходомеров воздуха Q_B и газа Q_r.

Функции регуляторов температуры и соотношения выполняет программируемый контроллер.

Контролирует ход технологического процесса и величины важнейших параметров система сбора и обработки измере­ний (ССОИ). В каждой зоне печи ССОИ контролирует тем­пературы печного пространства, сляба, величину уставок ре­гуляторов температуры и расхода газа и воздуха, расход га­за и воздуха. Контролируется и работа печи в целом: темпе­ратура и состав отходящих газов, температура воздуха за рекуператором, общий расход газа и давление в рабочем про­странстве. В качестве первичных приборов для замера тем­пературы в зонах нагрева применены платинородий-платиновые термопары, а для замера температуры поверхности слябов — оптические пирометры (ардометры). Опрос датчиков происходит с определенной периодичностью (1 мин). Кроме того, предусмотрены измерения по инициативным сигналам, например при поступле­нии сляба на весы, при перемещении балок в печи и т. д.

Качественное функционирование ССОИ является непре­менным условием работы адаптационного принципа управ­ления. На основании сопоставления данных ССОИ и расчет­ных параметров процесса рассчитываются коэффициенты коррекции, входящие в уравнения математических моделей объектов управления.

Температура в пространстве печи зависит от расхода топлива - смеси доменного, коксового и природного газа. Связь между расходом газа и температурой мо­жет быть смоделирована инерционным звеном первого порядка с нелинейной характеристикой "вход-выход" и постоянной времени Т_П. Для простоты значе­ние Т_П будем считать постоянным.

Величина постоянной времени Т_П может изменяться в широких пределах - от 60 до 300 с.

Общий вид статической и переходной характеристик по расходу газа представлен на рисунке. Здесь же представлены зависимость температуры от расхода воздуха при постоянном расходе газа.

Таким образом, зона нагрева представляется в виде инерционного звена первого порядка с коэффициентом передачи и постоянной времени Т_П:

Коэффициент K_t является величиной, зависящей от расхода газа, и может быть определен по формуле:

Для приближенных расчетов можно использовать усредненное значение этого коэффициента, приняв

.

Можно также использовать выражение, связывающее расход газа и температуру, полученное при обработке исход­ных данных задания, продифференцировав его.

Температура в пространстве печи измеряется с помощью радиационного пирометра. Датчик температуры имеет характеристику, близкую к линейной.

Коэффициент датчика можно рассчитать по формуле:

.

tº

tº

Т_П 2Т_П 3Т_П 4Т_П Т,

Q_г,

t/t_max,

Q_г = Q _max

Рис. 2

 

 

---

Дата добавления: 2021-02-10; просмотров: 190; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!