Курсовая работа: Автоматизация методической печи

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.

Контроль температуры отходящих дымовых газов. Сигнал с термопары типа ХА (поз. 9-1) передается на преобразователь Ш-72 (поз. 9-2, вых. 4-20мА) и подается на вход В13 МК. Контроль и сигнализация давления газа и воздуха в основных газопроводах. В качестве датчика используется Сапфир – 22 ДИ (поз. 6-1, 7-1), с унифицированным выходным сигналом. Сигнал с датчика подается на входы В10 и В11 МК соответственно через преобразователь типа Ш705 (поз. 6-3, 7-3) предназначенный для сигнализации достижения параметрами нижнего и верхнего уровня. Контур контроля состава продуктов сгорания, в качестве газоанализатора используется прибор Testo 350, сигнал о содержании H2, O2 и CO подается на входа В16, В17 и В18 соответственно для анализа и сигнализации. Также присутствуют контура контроля и регулирования расхода газа и воздуха на печь, предназначенные для контроля и ограничения расхода энергоносителей.

8.  РАЗРАБОТКА И ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ КОНТУРА КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ

В курсовом проекте мною была разработана принципиально-электрическая схема контура контроля и регулирования соотноотношения расхода топливо-воздух. В состав данного контура входят: датчик – Метран 100 -ДД, модуль ввода-вывода аналоговы S7-200, блок ручного управления БРУ-32, пускатель ПБР-2М и исполнительный механизм МЭО, задатчик РЗД-22. Приборы питаются от сети (~220В) или от собственных источников питания. Сигнал от датчика, через клеммы 3-4 выходит на модуль ввода-вывода (клеммы 2-3). Приборы соединены последовательно (в "токовую петлю") с использованием стабилитронов. Сигнал от модуля ввода-вывода (соответствующий управляющему воздействию, выработанному микроконтроллером) через клеммы 14-15 поступает на блок ручного управления (клеммы 12-15). Так же на модуль аналового входа (клеммы 6-7, 8-9) поступают сигналы от задатчика РЗД-22 (клеммы 5-7, 5-7). С блока ручного управления сигнал, соответствующий выбранному режиму управления (автомат-ручное), через конечные выключатели (клеммы МЭО 5-6 и 7-8), поступает на пускатель (клеммы 7-8). С пускателя через клеммы 3-4-5 сигнал в 220В поступает на исполнительный механизм (клеммы 1-2-3). Также в "токовую петлю", с использованием стабилитронов, соединена цепь индикации положения регулирующего органа, состоящая из МЭО (клеммы 9-10), блока ручного управления (клеммы 26-27) и модуля ввода-вывода (клеммы 4-5).

9.  МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ НАГРЕВА МЕТАЛЛА В МЕТОДИЧЕСКОЙ ПЕЧИ

Необходимо запрограммировать на языке C++ программу, которая должна представлять собой визуализацию нагрева заготовки в печи в каждой из ее зон. Для каждой зоны рассчитываются граничные условия. Уравнение нагрева имеет вид:

 (1)

Задача сводится к определению зависимости от времени температуры Т в точках стержня, то есть функции двух переменных Т(z,x). Функция Т(z,х) должна удовлетворять уравнению теплопроводности(1) и начальному условию

Т(z,0)=f(x) (2)

и условиям на концах стержня

Е(0,х)=j1(z), u(z,t)=j2(z). (3)

Значения u(0,0) и u(L,0), полученные из (2) и (3), должны совпадать. Это будет если j1(0)=f(0), j2(0)=f(L).

Следует отметить, что путем замены переменных

z ў= z

уравнение (1) можно преобразовать к виду

.(4)

Это означает, что решение задачи (1)-(3) путем замены переменных сводится к решению задачи (4),(2),(3).

Построим на плоскости (z,x) сетку с шагом h по переменной z и с шагом m по переменной x (xj = (j-1)m). Обозначим Tij = T(zi,tj).

Производные в уравнении (1) аппроксимируем следующим образом:

,(5)

.(6)

Подставляя (5) и (6) в (1) при a=1, получим разностное уравнение:

(7)

В соответствии с (2) и (3) значения

Ti0 = f(zi), T0j = j1(zj), Tnj = j2(zj)(8)

являются известными. Тогда, подставляя в (7) j=0, получим систему n-1 линейных уравнений, решив которую можно определить ui1, i=1,..,n-1.

При этом, поскольку u01=j1(t1), un1=j2(t1), известными оказываются все значения временного слоя j=1, (t=t1). Затем, подставляя в (7) j=2, решаем систему уравнений относительно ui2 и т.д. для всех j=2,..,m.

Из (7) следует, что в каждое i-тое уравнение (i=1,..,n-1) с ненулевыми коэффициентами входят только три неизвестных Ti-1,j; Tij; Ti+1,j. Величина Ti,j-1 к этому моменту является известной и потому отнесена в правую часть уравнения.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5