Автоматизация процесса подготовки шихты

Введение распределенной автоматизированной системы управления технологическим процессом на базе программируемого контроллера позволит осуществлять управление процессом с учётом всех параметров в единой совокупности. Появляется возможность отслеживать предаварийные и аварийные ситуации не только по предельным значениям отдельных параметров, но и по некоторым опасным комбинациям значений параметров.

Введение в систему управления ЭВМ позволяет не только эффективно обрабатывать информацию, но и передавать её в верхние уровни системы.

1.3 Возможные варианты и обоснование целесообразности выбора принятого решения

Для нормального протекания технологического процесса необходимо регулирование его основных параметров. Проектом предусматриваются следующие контуры регулирования:

1. Для поддержания уровня песка в силосе песка используем одноконтурную систему регулирования, так как высокой точности поддержания параметра не требуется. В качестве регулирующего воздействия выбираем изменение расхода песка, направляемого на сушку.

2. Для регулирования температуры сушки песка используем комбинированную систему управления. Введение данной системы позволяет осуществлять регулирование с большой точностью и учитывать возмущения: температуру и влажность песка, поступающего на сушку. В качестве регулирующего воздействия выбираем изменение расхода топливного газа, поступающего для горения.

3. Для регулирования концентрации отходящих дымовых газов на выходе из сушильного барабана используем каскадную систему регулирования, т.к. регулирование должно осуществляться с большой точностью, минимальными динамическими отклонениями и отсутствием статической ошибки регулирования. Корректирующим (внешним) регулятором является регулятор концентрации отходящих дымовых газов, а стабилизирующим (внутренним) - регулятор соотношения “воздух/топливный газ”. В качестве регулирующего воздействия выбираем изменение расхода воздуха, поступающего на горение в сушильный барабан.

4. Для регулирования влажности высушиваемого песка на выходе из сушильного барабана используем одноконтурную систему регулирования, так как данный параметр может регулироваться достаточно точно и одноконтурной системой. В качестве регулирующего воздействия выбираем изменение расхода воздуха, поступающего на сушку.

5. Для поддержания необходимого разряжения в сушильном барабане песка используем комбинированную систему регулирования, компенсирующую изменение расхода воздуха, поступающего на сушку. Регулирующее воздействие - изменение количества отводимых дымовых газов.

6. Для поддержания уровня соды, мела, доломитовой муки, полевого шпата, содо-сульфатной смеси в силосах используются одноконтурные системы регулирования, так как высокой точности поддержания параметра не требуется. В качестве регулирующего воздействия выбираем изменение подачи материала по пневмотранспорту.

7. Для поддержания уровня песка в бункере запаса шихты используем одноконтурную систему регулирования. В качестве регулирующего воздействия выбираем изменение расхода компонентов шихты, поступающих в смеситель.

8. Для поддержания уровня шихты в бункерах над загрузчиками используем одноконтурную систему регулирования. В качестве регулирующего воздействия выбираем изменение расхода шихты из бункера запаса шихты.

Для нормального протекания технологического процесса необходимо, чтобы при выходе значений параметров за допустимые нижний и верхний пределы изменения срабатывала блокировка. Проектом предусматривается блокировка в следующих случаях:

1. При понижении/повышении значения давления топливного газа до нижнего/верхнего аварийного уровня срабатывает отсекатель на линии подачи газа, прекращается подача воздуха на сушку и горение, прекращается отвод дымовых газов из сушильного барабана и подача песка на сушку, останавливается система элеваторов и транспортеров подачи песка в силос, закрывается заслонка силоса песка и бункера песка, отключается привод сушильного барабана и вибропитателя.

2. При понижении/повышении значения давления воздуха, подаваемого на горение, до нижнего/верхнего аварийного уровня отключается дутиевой вентилятор, нагнетающий воздух в сушильный барабан, срабатывает отсекатель на линии подачи газа, прекращается подача воздуха на сушку, прекращается отвод дымовых газов из сушильного барабана и подача песка на сушку, останавливается система элеваторов и транспортеров подачи песка в силос, закрывается заслонка силоса песка и бункера песка, отключается привод сушильного барабана и вибропитателя.

3. При понижении/повышении значения давления воздуха, подаваемого на сушку, до нижнего/верхнего аварийного уровня отключается дутиевой вентилятор, нагнетающий воздух в сушильный барабан, срабатывает отсекатель на линии подачи газа, прекращается подача воздуха на горение, прекращается отвод дымовых газов из сушильного барабана и подача песка на сушку, останавливается система элеваторов и транспортеров подачи песка в силос, закрывается заслонка силоса песка и бункера песка, отключается привод сушильного барабана и вибропитателя.

4. При понижении/повышении значения давления отводимых дымовых газов до нижнего/верхнего аварийного уровня отключается вытяжной вентилятор, отсасывающий воздух из сушильного барабана, срабатывает отсекатель на линии подачи газа, прекращается подача воздуха на сушку и горение, подача песка на сушку, останавливается система элеваторов и транспортеров подачи песка в силос, закрывается заслонка силоса песка и бункера песка, отключается привод сушильного барабана и вибропитателя.

5. При отсутствии/погасании пламени в топке сушильного барабана песка производится срабатывание отсекателя на линии подачи газа, прекращается подача воздуха на сушку и горение, прекращается отвод дымовых газов из сушильного барабана и подача песка на сушку, останавливается система элеваторов и транспортеров подачи песка в силос, закрывается заслонка силоса песка и бункера песка, отключается привод сушильного барабана и вибропитателя.

6. При аварийном снижении скорости движении транспортеров, элеваторов, контроля аварийного проскальзывания ленты транспортера останавливается все предыдущее оборудование, производится отключение подачи газа, воздуха, прекращается отвод дымовых газов из сушильного барабана и подача песка на сушку, происходит закрытие заслонок силосов, бункеров и смесителей.

7. При понижении/повышении значения давления в пневмотранспорте, доставляющем соду в силос, до нижнего/верхнего аварийного уровня отключается насос, загружающий соду в силос.

8. При понижении/повышении значения давления в пневмотранспорте, доставляющем соду в силос, до нижнего/верхнего аварийного уровня отключается насос, загружающий соду в силос.

9. При понижении/повышении значения давления в пневмотранспорте, доставляющем мел в силос, до нижнего/верхнего аварийного уровня отключается насос, загружающий мел в силос.

10. При понижении/повышении значения давления в пневмотранспорте, доставляющем доломитовую муку в силос, до нижнего/верхнего аварийного уровня отключается насос, загружающий доломитовую муку в силос.

11. При понижении/повышении значения давления в пневмотранспорте, доставляющем полевой шпат в силос, до нижнего/верхнего аварийного уровня отключается насос, загружающий полевой шпат в силос.

12. При понижении/повышении значения давления в пневмотранспорте, доставляющем селитру в силос, до нижнего/верхнего аварийного уровня отключается насос, загружающий селитру в силос.

13. При понижении/повышении значения давления в пневмотранспорте, доставляющем содо-сульфатную смесь силос, до нижнего/верхнего аварийного уровня отключается насос, загружающий содо-сульфатную смесь в силос.

2. ЭСКИЗНЫЙ ПРОЕКТ

На основании технического предложения разработан эскизный проект автоматической системы управления процессом подготовки шихты в производстве стекла.

2.1 Описание технологического процесса

Песок некондиционный поступает в прирельсовый склад сырья в полувагонах (или автомашинах) и разгружается в приямки. Из приямков песок разгружается в закром на хранение грейферным краном. По мере необходимости грейферным краном песок подается в приемный бункер. Из бункера песок системой качающегося питателя подается в барабанную сушилку.

На первый взгляд, процесс сушки песка выглядит совершенно лишним (при том, что на него расходуется газ), поскольку, когда готовится шихта, его приходится опять увлажнять. Но непросушенный песок невозможно просеять и очистить. Различные же примеси, если их не удалить, могут испортить конечную продукцию.

Сырой песок влажностью до 7% (значение влажности песка колеблется в зависимости от времени года и погодных условий) поступает на сушку. До момента загрузки песка включается привод сушильного барабана, и он приводится во вращение. В топку сушильного барабана подается топливный газ и воздух для горения. Расход газа составляет примерно 147 м3/ч, расход воздуха - 1696 нм3/ч. При работе горячие газы, имеющие температуру 1000 - 1100оС, поступают в смесительную камеру, куда дополнительно нагнетается воздух для сушки. Смешиваясь здесь с холодным воздухом, газы остывают до температуры 800 - 900оС и направляются в барабан, прогревая сырой материал и удаляя из него влагу. На выходе из барабана газы остывают до температуры 100 - 150оС и отсасываются вентилятором, а высушенный материал, нагретый до температуры 50-60оС поступает в разгрузочную камеру. Влажность высушенного песка составляет примерно 0,5%.

Просушенный песок системой элеватора и конвейера, проходя через железоотделитель, поднимается в силос песка ДСО (дозировочно смесительное отделение).

Сода, мел, доломитовая мука, полевой шпат, селитра, содо-сульфатная смесь поставляются в прирельсовый склад сырья в вагонах типа хоппер. Из вагонов компоненты ссыпаются через решетки в приемные воронки, а затем пневмотранспортом загружаются в силосные банки ДСО. Компоненты шихты хранятся в расходных силосах и бункерах.

Автоматизированная система управления весовой линией приготовления шихты обеспечивает выполнение заданной циклограммы технологического процесса приготовления шихты. Время одного цикла приготовления шихты - 6 мин.

После поверки дозаторов и пуска системы в работу, начинается дозирование песка и его подача в смеситель. При поступлении первой порции песка в смеситель (40 сек от начала разгрузки дозатора песка) включается система увлажнения шихты водой, которая должна обеспечить влажность шихты 4,5±0,5%. После разгрузки песка и его увлажнения начинается разгрузка остальных компонентов. Время перемешивания принимается 4 минуты. По окончании перемешивания открывается разгрузочная заслонка смесителя. Время разгрузки смесителя 60 секунд, после чего заслонка закрывается, смеситель готов к приему следующей порции.

Из смесителя через промежуточный бункер и питатель вибрационный, шихта ссыпается на ленточный конвейер, на который с заданным соотношением дозируется дозировочными комплексами собственный и привозной стеклобой. С конвейера смесь шихты и стеклобоя ссыпается в элеватор, поднимающий ее к бункеру запаса. Из бункера смесь через питатель вибрационный ссыпается в элеватор. С элеватора поток направляется на конвейер.

Далее смесь шихты и стеклобоя системой ленточных конвейеров и сбрасывателей распределяется по бункерам загрузчиков шихты стекловаренной печи.

2.2 Анализ технологического процесса как объекта управления

В составном цехе подготовки шихты аппаратом с непрерывным регулированием является сушильный барабан песка.

Основным регулируемым параметром в барабане является температура сушки песка. Перед системой автоматизации процесса сушки стоит задача поддержания на заданных значениях и ряда других регулируемых параметров:

· разрежение в топке сушильного барабана

· влажность высушиваемого материала;

· качество сгорания топлива.

Поддержание выше перечисленных параметров на заданных значениях осуществляется изменением следующих регулирующих параметров.

Регулирование температуры в сушильном барабане осуществляется путём изменения подачи газа на горелки.

Разрежение в топке регулируется изменением количества отходящих дымовых газов.

Влажность высушиваемого материала регулируется изменением количества воздуха, подаваемого на сушку.

Качество сгорания топлива регулируется изменением количества воздуха, подаваемого на горение.

Качественному регулированию процесса препятствует наличие возмущающих воздействий:

Возмущающие измеряемые величины:

· параметры газа (давление, температура, влажность);

· параметры воздуха (давление, температура, влажность);

· влажность и температура сырья.

Возмущающие неизмеряемые параметры:

· состав газа;

· состав сырья.

Наиболее влиятельными возмущениями являются влажность и температура сырья, поступающего на сушку. Эти параметры не является регулируемыми. Но их можно измерять и учитывать изменение при регулировании.

2.3 Выбор структуры системы управления и регулирования

В данном проекте предлагается следующая структура АСУ ТП.

На первом уровне предлагается установить локальные средства автоматизации и микроконтроллеры, которые получают информацию сразу о нескольких параметрах состояния объекта. Используя встроенный язык программирования в микроконтроллере можно реализовать любые самые сложные алгоритмы управления. На этом уровне происходит первичная обработка информации и формирование некоторых интегральных показателей, таких как количество используемого сырья и т.д.

На втором уровне располагается ЭВМ. На этот уровень возложены функции индикации и регистрации. На этом уровне происходит так же формирование законов регулирования для микроконтроллеров первого уровня. Подключённые к ЭВМ устройства ввода и вывода (в минимальной конфигурации клавиатура и монитор) образуют автоматизированное рабочее место оператора. ЭВМ позволяет оператору осуществлять ручное управление процессом. На втором уровне происходит вторичная обработка информации, идентификация предаварийных ситуаций и их сигнализация. На второй уровень также возложены функции взаимосвязи с другими АСУ ТП.

Для проектируемой АСУ ТП основными являются технико-экономические задачи:

экономия топлива, сырья и материалов;

снижение себестоимости продукции;

повышение качества продукции;

достижение оптимальной загрузки технологического оборудования;

обеспечение безопасности функционирования объекта;

оптимизация режимов работы технологического оборудования.

Современные системы автоматизации строятся в виде многоступенчатых структур, последовательно осуществляющих все необходимые функции контроля и управления.

При этом на первой ступени обеспечивается управление отдельными агрегатами, установками и участками преимущественно посредством локальных систем контроля и управления и систем управления с применением микропроцессоров и ЭВМ.

На второй ступени обеспечивается обслуживание самостоятельных производственных комплексов, производств, линий, участков, цехов, связанных между собой общностью технологического процесса. На этой ступени системы управления с применением ЭВМ обеспечивают координацию работы подчинённых производственных единиц, распределение нагрузок между параллельно работающими установками, оптимизацию заданных показателей работы посредством воздействия на местные системы управления.

На следующей высшей ступени управления система автоматизации обеспечивает решение сложных задач по координации работы всех производственных и вспомогательных подразделений технологического объекта, распределению нагрузок и обеспечению оптимизации работы предприятия. Решение этих задач связано с рациональной организацией текущего и перспективного планирования, с учётом и анализом производственной деятельности предприятия и т.д.

Разрабатываемая АСУ ТП будет выполнять задачи, характерные для первой и второй ступеней управления.

Возможно несколько вариантов реализации АСУ ТП.

АСУ ТП, реализующая ручной режим, при котором комплекс технических средств выполняет информационные функции централизованного контроля и вычисления комплексных технических и технико-экономических показателей. Выбор и осуществление управляющих воздействий производит человек (оператор).

АСУ ТП, реализующая режим «советчика», при котором комплекс технических средств на основе анализа исходной информации разрабатывает рекомендации (советы) по управлению и осуществляет поиск оптимальных решений, а решение об их использовании принимается и реализуется оперативным персоналом.

АСУ ТП, реализующая автоматический режим, при котором комплекс технических средств реализует управляющие функции. Целью этих функций является автоматическая выработка и осуществление управляющих воздействий на технологический объект управления. При этом различают режим супервизорного управления, когда средства управляющего вычислительного комплекса автоматически изменяют уставки и параметры настройки локальных регулирующих устройств вблизи точки оптимального ведения процесса, и режим прямого, непосредственного цифрового управления, когда управляющий вычислительный комплекс формирует воздействие непосредственно на исполнительные механизмы, а регуляторы вообще исключаются из схемы управления.

Разрабатываемая АСУ ТП будет работать в автоматическом режиме и объединит:

1). Локальные средства автоматизации, установленные непосредственно на технологическом оборудовании и коммуникациях и осуществляющие сбор, первичное преобразование информации и передачу ее в измерительные преобразователи-контроллеры;

2). Преобразователи-контроллеры первого уровня, предназначенные для сопряжения ЭВМ с объектом и реализации законов регулирования. Эти контроллеры имеют блочную структуру и позволяют подключать модули аналогового и дискретного ввода и вывода, модули для подключения термопар. Рабочие диапазоны настраиваются программным путем. Программируемость этих контроллеров позволяет реализовывать на них любые законы регулирования, при этом ресурсы ЭВМ вышестоящего уровня высвобождаются для решения других задач. Все микроконтроллеры подключаются к ЭВМ посредством унифицированного интерфейса обмена данными.

3). Электронно-вычислительную машину второго уровня, выполняющую функции индикации, регистрации, управления, идентификации и сигнализации предаварийных ситуаций. В качестве ЭВМ предлагается использовать промышленную рабочую станцию. Такие машины предназначены для эксплуатации в цеховых условиях, имеют достаточную вычислительную мощность и высокую надежность. Открытая архитектура позволяет подключать практически любое количество внешних преобразователей, что очень важно для возможного расширения системы. Подключенные к ЭВМ устройство ввода и вывода (в минимальной конфигурации клавиатура и принтер) образуют автоматизированное рабочее место оператора, и позволяют оператору осуществлять ручное управление процессом.

Предлагаемая автоматизированная система управления технологическим процессом позволит решать все требуемые задачи автоматизации.

Структура АСУ приведена в документе ДП-210200-833-2005 А1.

2.4 Техническое обеспечение разрабатываемой системы автоматизации

В данной системе управления используется микроконтроллер Octagon Systems 6440. Задачи, решаемые контроллером:

· Сбор информации с датчиков различных типов и ее первичная обработка (фильтрация сигналов, линеаризация характеристик датчиков и т.п.);

· Выдача управляющих воздействий на исполнительные органы различных типов;

· Контроль технологических параметров и аварийная защита многофункционального оборудования;

· Обмен данными в распределенных системах, обмен данными с другими контроллерами;

· Обслуживание оператора-технолога, прием и исполнение команд, аварийная, предупредительная и рабочая сигнализация, индикация значений прямых и косвенных параметров, передача значений параметров и различных сообщений на панель оператора и в SCADA - систему верхнего уровня.

Этот контроллер имеют блочную структуру и позволяют подключать модули для аналогового ввода/вывода, модули для подключения термопар и термопреобразователей сопротивления, модули цифрового ввода/вывода, релейные модули, плату последовательного интерфейса RS232/485. Рабочие диапазоны настраиваются программным путём. Программируемость этих контроллеров позволяет реализовывать на них любые, самые сложные законы регулирования, при этом ресурсы рабочей станции вышестоящего уровня высвобождаются для решения других задач. Управление объектом производится прикладной программой, хранящейся в энергонезависимой памяти контроллера. При этом контроллер подключен к сети Ethernet, что позволяет вычислительному устройству верхнего уровня иметь доступ к значениям входных и выходных сигналов контроллера и значениям рабочих переменных прикладной программы, а также воздействовать на эти значения. Открытая архитектура позволяет подключать практически любое количество внешних преобразователей, что очень важно для возможного расширения системы. Для повышения надежности системы предусмотрено наличие резервного контроллера, работающего в режиме горячего резервирования с основным контроллером.

3. ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОЕКТ

3.1 Описание функциональной схемы автоматизации

На основании эскизного проекта разработана функциональная схема автоматической системы управления процессом подготовки шихты.

Для управления технологическим процессом подготовки шихты используем программируемый контроллер, предназначенный для построения территориально распределенных систем сбора данных и управления, обеспечивающий выполнение следующих функций: аналоговый ввод-вывод, дискретный ввод-вывод, первичное преобразование информации, прием команд от удаленной вычислительной системы, передача в ее адрес преобразованных данных, управление процессом. Программируемый контроллер обозначен на схеме поз. 1-2. Все входные сигналы обрабатываются одним программируемым контроллером с передачей данных на ЭВМ для их индикации, регистрации, сигнализации, дистанционного управления.

Основным технологическим параметром подготовки шихты является температура сушки песка. Отклонение данного параметра от заданного значения вызывается изменением температуры и влажности песка, поступающего на сушку. Эти изменения являются наиболее влияющими возмущениями, поэтому регулирование осуществляется с помощью комбинированной системы автоматического регулирования.

Сигнал с измерительного преобразователя температуры поз. 1-1 поступает на контроллер поз. 1-2 через модуль аналогового ввода на программно реализованный регулятор температуры и в ЭВМ, где осуществляется индикация значения температуры.

Влажность песка в бункере песка измеряется преобразователем влажности поз. 2-1, 2-2. Сигнал с измерительного преобразователя поступает через модуль аналогового ввода в контроллер поз. 1-2 в реализованный программным путем блок компенсации и в ЭВМ, где осуществляется индикация измеряемого значения влажности. С блока компенсации сигнал поступает на регулятор температуры.

Температура песка в бункере песка измеряется преобразователем температуры поз. 3-1. Сигнал с измерительного преобразователя поступает через модуль аналогового ввода в контроллер поз. 1-2 в реализованный программным путем блок компенсации и в ЭВМ, где осуществляется индикация измеряемого значения температуры. С блока компенсации сигнал поступает на регулятор температуры.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7