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, когда на 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