Система автоматического управления тепловым режимом проходной роликовой печи для температурной обработки листового металла на ОАО "Северсталь"

Объект управления представляет собой термическую проходную роликовую печь, предназначенную для температурной обработки листового металла. Конструктивно печь состоит из пяти зон. Процесс обработки металла представляет собой последовательное прохождение обрабатываемых металлических листов через всю печь, от 1 к 5 зоне. В каждой зоне установлено определенное количество высокоскоростных газовых горелок: в первой зоне - 12, в остальных - по 8 горелок (всего в печи 44 горелки). Горелки в зонах установлены с обеих сторон печи друг напротив друга. Важнейшими технологическими параметрами являются температуры в зонах и температура листа на выходе печи. К каждой горелке подходит 3 трубопровода: газ, первичный воздух и вторичный воздух. Газ, перемешиваясь с первичным воздухом, создает стехиометрическую смесь, при возгорании которой образуется пламя с максимально высокой температурой, тем самым достигается максимальная экономия газа. Вторичный воздух предназначен для отрыва факела горелки ближе к центру печи и эффективного смешивания с тепловым потоком, создаваемым противостоящей горелкой. Таким образом, реализуется равномерный нагрев печи с максимальной экономией газа. Для увеличения КПД печи, вторичный воздух перед тем, как поступить к горелке нагревается за счет горячих дымовых газов, выходящих через дымоход, в специальных устройствах, называемых рекуператорами. Всего на печи существуют два дымохода, и на каждом установлен рекуператор. Первый рекуператор, установленный на первом дымоходе нагревает вторичный воздух для 1 и 2 зон, второй рекуператор, на втором дымоходе, нагревает вторичный воздух для 3, 4, 5 зон.

Архитектура системы автоматического управления

Система автоматического управления тепловым режимом реализована по централизованному принципу на базе оборудования фирмы "Siemens".

Вычислительным устройством системы автоматического управления печи является программируемый логический контроллер типа Simatic S7 412, осуществляющий сбор, обработку информации от датчиков, и выработку управляющих воздействий. Для визуального наблюдения за технологическими параметрами, ввода заданий на контроллер в системе предусмотрена панель оператора Simatic OP7. Панель представляет собой жидкокристаллический экран с подсветкой и клавиатуру, и находится непосредственно в щите контроллера, в помещении КИПиА. Контроллер и панель оператора связаны по шине MPI, которая на физическом уровне представляет собой интерфейс RS485, а на всех остальных уровнях, является закрытым корпоративным стандартом фирмы SIEMENS. Оператор при помощи панели OP7 может контролировать всю автоматику печи, устанавливать задания регуляторам, разжигать печь, управлять автоматикой безопасности, управлять непосредственно исполнительными механизмами.

В случае выхода контроллера из строя предусмотрена возможность управления исполнительными механизмами со щита ручного управления.

Для организации человеко-машинного интерфейса (HMI) при централизованном управлении технологическим процессом, решения задач архивирования и подготовки отчетов в состав системы включен АРМ оператора на основе SCADA-пакета Simatic WinCC v4.01.

Подсистема регулирования

Требуемые значения температур в каждой зоне печи задаются оператором. Управление температурой в зонах печи осуществляется косвенно, через регулирование другого технологического параметра - давления в газовых трубопроводах, подходящих к горелкам каждой зоны. Давление устанавливается положением регулирующей заслонки в трубопроводе. Положение регулирующей заслонки управляется исполнительным механизмом МЭО.

Давление первичного воздуха является функцией от давления газа: Pпв=f(Pг)=k*Pг. Задание для регулятора первичного воздуха каждой зоны вычисляется через текущее значение давления газа в соответствующей зоне, для обеспечения формирования стехиометрической газовоздушной смеси. Функциональной связью между заданием для регулятора первичного воздуха и давлением газа является коэффициент пропорциональности, который меняется в зависимости от давления газа. Соответствие коэффициента давлению газа задается в виде таблицы, и для вычисления задания давления первичного воздуха в промежуточных точках используется метод кусочно-линейной интерполяции. Регулирование давления первичного воздуха, по сути, является регулированием соотношения воздух/газ.

Регулирование давления вторичного воздуха и разрежения в печи осуществляется согласно заданиям, полученным от оператора.

В системе реализовано 3 режима регулирования::

• Автоматический - управление исполнительными механизмами полностью осуществляется контроллером;
• Дистанционный - управление осуществляется оператором с панели оператора;
• Ручной - управление осуществляется оператором со щита ручного управления (при выходе контроллера и панели из строя).

Возможна любая комбинация всех режимов управления. Для реализации непрерывного регулирования использован библиотечный блок FB42 (ПИ-регулятор) для контроллеров линии S7 фирмы SIEMENS.

Подсистема розжига горелок и управления газовыми клапанами

Для включения и выключения подачи газа в горелку на газопроводе каждой горелки установлен электрический отсечной клапан. Для обеспечения возгорания факела в системе предусмотрены электрозапальные устройства. Алгоритм розжига горелок включает в себя реализацию открытия клапанов и подачи искры либо для отдельной горелки, либо для группы горелок.

Автоматика безопасности

На зонных газопроводах установлены высокоскоростные отсечные клапаны, предназначенные для немедленной отсечки газа в зоне при возникновении аварийной ситуации. Аварийной ситуацией является наличие сигнала о наличии предельно высокого давления газа, либо предельно низкого давления газа, либо предельно низкого давления первичного воздуха от датчиков предельных давлений, установленных на трубопроводах. Алгоритм работы автоматики безопасности включает в себя защиту от "дребезга контактов" и взведение отсечного клапана согласно правилам газовой безопасности. Система сдана в промышленную эксплуатацию в мае 1998 года в ЛПЦ-1 ОАО "Северсталь", г. Череповец.

Типовые видеокадры, реализованные в АРМ на основе WinCC.