Из рисунка 1.3 видно, что увеличение продолжительности прогрева свыше 1 ч практически не увеличивает глубину закаленного слоя для валка из стали 75ХМФ и 90ХФ. При этом прогрев свыше 1.5 ч даже снижает глубину закаленного слоя в валке из стали 90ХФ. Дополнительным аргументом в пользу ограничения продолжительности нагрева служит тот факт, что при выдержке температура центра растет довольно интенсивно, что будет сопровождаться увеличением остаточных напряжений.
При выборе оптимальной продолжительности прогрева следует учитывать, что с ростом выдержки при температуре аустенизации увеличиваются остаточные напряжения в валке после закалки, поэтому этот параметр надо выбирать с учетом ограничений на уровень остаточных напряжений.
В свою очередь, уровень остаточных напряжений можно определить, только выбрав режим охлаждения, который зависит от режима нагрева. Таким образом, параметры нагрева и охлаждения оказываются взаимозависимыми. Это означает необходимость многовариантных (многопараметрических) расчетов на стадии проектирования режима для определения оптимальных значений параметров ДТО.
2. Назначение, структура и состав АСУ ПСН
1.2.1 Назначение
ПСН предназначена для скоростного нагрева бочки валка (предварительно подогретого в печи с выкатным подом до температуры 400-550(С) с постоянной скоростью 100-300(С/ч (по металлу) до температуры закалки 920-970(С и последующей выдержкой в течение 45-60 мин. В результате нагрева в ПСН в валке формируется градиентное распределение температуры с прогревом поверхностного слоя на заданную глубину.
Спрейер предназначен для регулируемого охлаждения бочки валка, при этом на первом этапе используется интенсивное водяное охлаждение с максимальным расходом воды в течение 30-60 мин. На втором этапе применяется мягкое водо-воздушное охлаждение с регулируемым расходом воды в течение 75- 145 мин.
Оборудование системы управления (СУ) ПСН предназначено для управления тепловым режимом печи скоростного нагрева в ручном и автоматизированном режиме.
Оборудование СУ спрейера предназначено для управления режимом охлаждения на спрейерной установке в ручном и автоматизированном режиме.
Оборудование системы управления предназначено для работы в следующих условиях: - номинальное значение климатических факторов внешней среды по ГОСТ 15150-
69, ГОСТ 15543-70 для климатического исполнения У; - температура окружающей среды от +5(С до +50(С, окружающая среда не взрывоопасная, с содержанием коррозионно-активных агентов в атмосфере типов I и II по ГОСТ 15150-69, верхняя концентрация инертной пыли (в т.ч. токопроводящей) в воздухе не более 10 мг/м(; - питание осуществляется от трехфазной сети переменного тока; - колебания напряжения питания относительно номинального в пределах 0,85 –
1,1; - по способу обслуживания шкафов и пультов с размещенными в них техническими средствами АСУ выполнены одностороннего обслуживания с доступом спереди; - для защиты персонала от поражения электрическим током при прикосновении к электрооборудованию и для уменьшения помех в цепях управления применена система шин для заземления и выравнивания потенциала PE, заземление экранов кабелей и проводов.
1.2.2 Структура и состав АСУ
Работа автоматизированных систем управления СУ ПСН и СУ спрейера основана на принципах управления технологическими процессами с использованием одного микропроцессорного контроллера, осуществляющего одновременное управление обеими установками в реальном масштабе времени. Для связи между отдельными электронными устройствами системы управления (контроллер, децентрализованная периферия, панель оператора и промышленный компьютер) организованы локальные сети управления MPI и Profibus DP (Европейский стандарт EN 50 170).
Архитектура системы управления построена по двухуровневой схеме:
- нижний уровень управления;
- средний уровень управления.
Нижний уровень управления (НУУ) включает в себя модули микропроцессорного контроллера SIMATIC S7 - 315 DP с цифровыми и аналоговыми входами-выходами и его децентрализованную периферию (удаленные входы-выходы), объединенную сетью PROFIBUS DP. Оборудование НУУ осуществляет сбор информации с пультов, шкафов и датчиков, ее предварительную обработку и передачу на средний уровень управления, а также выдачу управляющих воздействий на исполнительные механизмы установки в зависимости от алгоритма управления.
Средний уровень управления (СУУ) представляет собой промышленный компьютер SIMATIC RI25P, панель оператора ОР7 и микропроцессорный контроллер SIMATIC S7-315DP объединенные сетью MPI. Оборудование СУУ предназначено для ввода параметров технологического процесса, программного управления, контроля, диагностики и протоколирования хода технологического процесса .
В состав системы управления входят:
- шкаф контроллера;
- шкаф электрооборудования, КИП и А;
- шкаф компьютерный;
- пульт управления;
- датчики технологических параметров и электрооборудование на механизмах ПСН и спрейерной установки.
1.2.3 Управление тепловым режимом ПСН с помощью системы управления на базе микропроцессорного контроллера
Система управления тепловым режимом ПСН реализована на принципах управления технологическим процессом в режиме реального времени на базе микропроцессорного контроллера и предназначена для решения следующих задач:
- подготовки и задания переменных технологического процесса и настройки параметров регулирования;
- управления автоматикой безопасности печи;
- управления розжигом горелок;
- регулирования температуры поверхности бочки прокатного валка или температуры печи;
- регулирования соотношения «газ-воздух»;
- регулирования давления в рабочем пространстве печи;
- визуализации, контроля, диагностики и протоколирования хода технологического процесса.
В состав системы управления функционально входят следующие подсистемы:
- подсистема измерения технологических параметров;
- подсистема визуализации, контроля, диагностики и протоколирования;
- подсистема автоматического регулирования;
- подсистема автоматики безопасности.
-
1.2.4 Подсистема измерения технологических параметров
Подсистема измерения технологических параметров предназначена для сбора и обработки информации от аналоговых и дискретных датчиков технологического процесса.
К контролируемым аналоговым параметрам относятся:
- температура газовой среды в трех точках рабочего пространства печи
(около торцевых стенок и посередине печи);
- температура поверхности нагреваемого металла;
- температура отходящих газов перед дымовым клапаном;
- температура отходящих дымовых газов после воздушного клапана на дымопроводе;
- давление в рабочем пространстве печи:
- расход газа на печь;
- расход воздуха на печь;
- положение заслонок газа, воздуха и дымоудаления.
Контроль температуры в рабочем пространстве печи осуществляется с помощью термопар типа ТПР-1788.
Контроль температуры нагреваемого металла производится автоматическим оптическим пирометром ARDOCELL PZ20 фирмы Siemens.
Контроль температуры отходящих газов осуществляется с использованием термопар ТХА-2388.
Давление в печи измеряется измерительным преобразователем «Сапфир-22М- ДИВ»
Расход газа и воздуха измеряется перед регулирующими органами комплектом приборов, состоящих из зондов измерения расхода SDF фирмы SKI и измерительных преобразователей SITRANS P фирмы Siemens, размещенных по месту на трубопроводах газа и воздуха. Применение зондов обусловлено необходимостью минимизации потерь давления по воздушному тракту печи и существенно более широким в сравнении с измерительными диафрагмами диапазоном измерения. Программой контроллера предусматривается демпфирование мгновенных (текущих) измерений значений расхода газа и воздуха для сглаживания пульсации результатов.
Положения заслонок газа, воздуха и дымоудаления, связанных через тяги с исполнительными механизмами контролируется блоками БСПТ-10 встроенными в МЭО.
К контролируемым дискретным параметрам относятся информационные сигналы:
- положение и состояние вспомогательных механизмов печи;
- минимальное и максимальное открытие МЭО;
- наличие срабатывания электромагнитных клапанов горелок;
- наличие контроля факела горелок и сигналов с датчиков автоматики безопасности;
- текущее состояние кнопок управления.
Информация о положении и состоянии вспомогательных механизмов печи поступает на входы контроллера с сухих контактов промежуточных реле и служит для целей диагностики.
Сигналы о минимальном и максимальном открытии МЭО поступают при срабатывании их встроенных конечных выключателей и служат для ограничения хода исполнительных механизмов.
Наличие срабатывания электромагнитных клапанов фирмы Kromschroeder контролируется встроенными указателями положения.
Наличие пламени факела горелок контролируется приборами Ф34.3.
Текущее состояние каждой кнопки управления постоянно отслеживается контроллером и при его изменении производятся действия в соответствие с функциональным назначением соответствующей кнопки.
1.2.5 Подсистема визуализации, контроля, диагностики и протоколирования
Подсистема визуализации, контроля, диагностики и протоколирования предназначена для организации доступа в диалоговом режиме оператора- технолога и мастера КИП и А печи к выполнению операций предусмотренных технологией при работе ПСН. В состав подсистемы функционально входят промышленный компьютер SIMATIC RI 25P (компьютер) и панель оператора SIMATIC OP7 (панель оператора ОР7), работающие под управлением контроллера SIMATIС S7-315 DP (контроллер), все оборудование фирмы Siemens.
Компьютер и панель оператора ОР7 выполняют функцию отображения переменных технологического процесса (температура, давление и т.д.), ввода технологии, параметров (задания регуляторам, настроечные коэффициенты и т.д.) и служат как средство для выдачи управляющих команд на контроллер под управлением оператора-технолога.
Для мастера КИП и А предусмотрена возможность изменения настройки параметров регуляторов, параметров вентиляции, розжига и т.д., а также изменения конфигурации компьютера и панели оператора ОР7 (работа с аварийными сообщениями, изменение паролей, установка времени и т.д).
При работе ПСН система диагностики контроллера осуществляет непрерывной контроль за состоянием механизмов и параметров технологического процесса и управляет выдачей текстовых сообщений на монитор компьютера и панель оператора ОР7, а также световой и звуковой сигнализацией.
После запуска режима печи по температурно-временному графику производиться протоколирование хода технологического процесса с записью на жесткий диск памяти промышленного компьютера.
1.2.6 Подсистема автоматического регулирования
Подсистема автоматического регулирования предназначена для управления тепловым режимом печи и включает в себя три контура регулирования:
- контур регулирования температуры печи,
- контур регулирования соотношения «газ-воздух»;
- контур регулирования давления в печи.
Регулирование температуры в печи осуществляется путем воздействия на исполнительный механизм, связанный регулируемой тягой с заслонкой на газопроводе, в функции изменения температуры печи по температурно- временному графику нагрева. Задание регулятору формируется в контроллере по алгоритму управления в виде единичных значений в зависимости от заданной технологии (изменение задания температуры по скорости или во времени).
Регулирование соотношения “газ – воздух” осуществляется путем воздействия на исполнительный механизм, связанный регулируемой тягой с заслонкой на воздушном трубопроводе, в функции каскадной схемы регулирования соотношения газовоздушной смеси. По этой схеме ведущий регулятор (температуры) работает в функции изменения температуры печи по температурно - временному графику нагрева и при этом формирует текущее задание ведомому (соотношения “газ-воздух”) по графику соотношения расходов газа и воздуха, а ведомый регулятор в свою очередь формирует управляющее воздействие на исполнительный механизм.
Регулирование давления в рабочем пространстве печи осуществляется в функции поддержания постоянным заданного давления в печи, путем воздействием на исполнительный механизм связанный регулируемой тягой с заслонкой дымоудаления.
Элементы подсистемы автоматического регулирования унифицированы и состоят из бесконтактных тиристорных реверсивных пускателей ПБР и исполнительных электрических механизмов МЭО. Контроль положения исполнительного органа ведется через токовый датчик обратной связи и индицируется на соответствующем экране компьютера или панели оператора ОР7.
Управление исполнительными механизмами возможно и при отключенных регуляторах - в ручном режиме, дистанционно, с технологической клавиатуры панели оператора ОР-7 или с клавиатуры компьютера.
1.2.7 Подсистема автоматики безопасности
Подсистема автоматики безопасности предназначена для эксплуатации в составе оборудования печи скоростного нагрева. Функционально аппаратная часть автоматики безопасности работает автономно от контроллера и управляет электромагнитом, устанавливаемым на предохранительно-запорном клапане на вводе газа к печи.
Схема безопасности реализована на базе контроллера “LOGO!” фирмы Siemens . Контроллер “LOGO! “ представляет собой логическое устройство с 12 дискретными входами (24В),8 релейными выходами и реализует алгоритм управления отсечным газовым клапаном печи и аварийной звуковой и световой сигнализацией.
Включение электромагнита отсечного газового клапана осуществляется кнопкой «Отсечной клапан. Включить». Включение отсечного клапана возможно в том случае, если не выполняются условия отсечки газа.
Отсечка газа осуществляется в следующих случаях:
- при понижении давления газа после регулятора давления ниже допустимого предела;
- при повышении давления газа после регулятора давления выше допустимого предела;
- при понижении давления воздуха в воздухопроводе печи ниже допустимого предела;
- при нажатии кнопки «Отсечной клапан. Отключить»;
- при нажатии кнопки «Аварийный стоп»;
- при сигнале от контроллера «Газ отключить» (данный сигнал выдается контроллером при погасании факелов горелок или при падении давления в печи ниже аварийно допустимого предела).
При срабатывании отсечного клапана выдается звуковой сигнал и загорается лампа, сигнализирующая о причине отсечки газа:
- при понижении давления газа после регулятора давления ниже допустимого предела – лампа «Давление газа мало»;
- при повышении давления газа после регулятора давления выше допустимого предела – лампа «Давление газа велико»;
- при понижении давления воздуха в воздухопроводе печи ниже допустимого предела - лампа «Давление воздуха мало»;
- при нажатии кнопки «Отсечной клапан. Отключить», при нажатии кнопки
«Аварийный стоп» и при сигнале от контроллера «Газ отключить» - лампа «Отсечка газа».
3. Анализ существующей системы управления и постановка задачи проектирования
Существующая в базовом варианте система управления печью ПСН обладает рядом достоинств и недостатков. К достоинствам следует отнести централизованное управление всем участком ДТО от одного контроллера, высокую степень автоматизации процесса нагрева валка и механизации загрузочно-разгрузочных работ.
К недостаткам такой системы можно отнести следующие: - применение электроприводов вращения и ориентирования, имеющих значительные габариты, стоимость и обладающие значительно меньшей надежностью в сравнении с аналогичными гидравлическими приводами;
- применение электрических регулирующих механизмов в магистралях подачи газа и воздуха, обеспечивающих регулирование в очень узком диапазоне;
- отсутствие синхронизации работы приводов и регуляторов подачи газовоздушной смеси;
- отсутствие контроля потребления энергоносителей (природного газа и электроэнергии);
- применение в системе управления дорогостоящего импортного оборудования.
Следовательно, проектируемая система должна быть, по возможности избавлена от этих недостатков или, по крайней мере, сводить их к минимуму. Основными задачами проектирования являются:
- разработка следящей системы регулирования, контроля и регистрации потребления энергоносителей для снижения себестоимости конечного продукта – валков для прокатных станов;
- замена электрических приводов на гидравлические, обладающие меньшими габаритами (не требуется установки редукторов и других передаточных механизмов), стоимостью (реализованы на аппаратуре отечественного производства) и надежностью;
- установка регуляторов подачи газовоздушной смеси с пропорциональным электрическим управлением, обеспечивающих регулирование в широком диапазоне с высокой точностью;
- обеспечение синхронизации работы приводов и регуляторов подачи для поддержания процесса прогрева валка с оптимальными параметрами;
- обеспечение минимальных затрат на установку самой системы путем возможно минимального изменения уже существующей – т.е. без изменения общей структуры участка в целом и печи в частности. ----------------------- [pic]
Т, (С
Расстояние от поверхности, мм
[pic]
Глубина слоя, мм
Продолжительность
прогрева, ч
Тц,(С
а)
б)
T
(
Tп
Tн
Tо
1
2
3
4
5
6
7
Страницы: 1, 2
