Построение систем автоматизации металлургических процессов. Типовые системы регулирования иерархический принцип построения систем автоматизации металлургических процессов. Автоматизированное управление
 Скачать 92.5 Kb.
|
|
7. ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ. ТИПОВЫЕ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ 7.1. Иерархический принцип построения систем автоматизации металлургических процессов. Автоматизированное управление Современные металлургические процессы характеризуются большим количеством переменных (параметров), дающих информацию о состоянии процесса и значительным количеством управляющих воздействий для изменения этого состояния. Управление таким процессом, как единым целым – весьма трудная задача. Общепринятым способом упрощения решения сложных задач является декомпозиция (разделение) общей задачи управления на ряд более простых (локальных) задач и установление правил взаимодействия этих локальных задач в единой системе управления. Разделение должно выполняться таким образом, чтобы достигнуть минимального количества связей между локальными задачами, только тогда декомпозиция дает упрощение. Обычно разделение на задачи производят по технологическому принципу, на основе анализа взаимосвязей данного процесса и его аппаратурной схемы. Рассмотрим пример. Объектом управления является процесс выщелачивания цинкового огарка в технологической емкости. Ставится задача совместного автоматического регулирования величены рН и температуры раствора путем изменения подачи огарка и расхода пара. Так как расход огарка в основном влияет на рН, а пар – на температуру, то очевидно, что данную общую задачу целесообразно разделить на две более простых: регулирование рН изменением подачи огарка и регулирование температуры изменением расхода пара. Конечно, эти системы будут взаимодействовать через общий объект, но взаимодействие будет слабым и практически не окажет влияния на качество регулирования. В боле сложных случаях разделение не столь очевидно и однозначно, но всегда можно найти вариант, упрощающий решение задачи. Однотипные по сложности реализации и выполняемым функциям локальные задачи объединяют в один уровень иерархии управления, или просто уровень. Соответствующие им системы управления также называют системами одного уровня. Несколько систем одного уровня могут согласованно работать для достижения единой цели, более важной, чем цель регулирования каждой системы. Тогда они объединяться в более крупную систему управления, таких систем на объекте может быть несколько. Они составляют другой, боле высокий уровень (уровень иерархии). Обычно системы боле высокого уровня определяют задания системам низкого уровня. Примером может служить система автоматического регулирования температуры в камере зажигания агломашины. При изменении этой температуры система изменяет задания контурам регулирования расхода топлива и воздуха. Последние являются системами более низкого уровня. Системы более низкого уровня можно рассматривать в качестве регулирующих органов систем более высокого уровня. Подобный подход к созданию систем автоматизации называют иерархическим. В металлургии обычно используются двух –, реже трехуровневые системы автоматизации. Специалисты по автоматизации называют такие системы также каскадными (см. п. 7.3.1). К сожалению, в настоящее время отсутствуют полностью автоматические металлургические процессы и агрегаты, работающие без непосредственного участия людей. Одним из препятствий достижения полной автоматизации является недостаточная механизация этих объектов управления. Например, не механизированы операции выпуска расплава из печей, сдирки катодного цинка в производстве цинка, уборка просыпей и другие. Ряд существующих средств механизации недостаточно надежны, они требуют обслуживания и управления со стороны персонала, например, дозаторы некоторых материалов, трубопроводы, насосы и клапаны для подачи растворов и пульп в гидрометаллургии и др. Другая причина заключается в недоступности для контроля некоторых важнейших переменных, например, температуры и состава расплава. Третей причиной является недостаточная изученность металлургических процессов и агрегатов, что затрудняет формализацию задач управления, необходимую для построения автоматических систем. В силу указанных причин управление металлургическими процессами в целом ведется с участием обслуживающего персонала и одного или нескольких операторов – технологов. Современные средства получения, сбора и обработки информации о ходе процесса позволяют представить эту информацию технологу – оператору в наиболее наглядном виде. Кроме того, цифровая техника помимо информационных функций может быстро выполнять сложнейшие расчеты по материальному и тепловому балансам, поиску оптимальных режимов, производить архивирование и документирование информации, а также ряд других функций. За оператором – технологом остается ответственная задача анализа ситуации и принятия решений. Подобная система управления с участием человека называется автоматизированной системой управления технологическим процессом (АСУ ТП). 7.2 Принципы построения автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) Назначение АСУ ТП можно определить как целенаправленное ведение технологического процесса и обеспечение смежных и вышестоящих систем управления необходимой информацией с помощью развитых средств автоматического контроля и управления. Эти задачи достигаются путем выполнения системой определенных функций. Различают информационные и управляющие функции. Основные информационные функции следующие: - представление оператору информации о состоянии оборудования и о текущих значениях технологических переменных процесса. Обычно такая информация формируется в виде мнемосхем на экране монитора промышленного компьютера. Мнемосхема – это упрощенное графическое изображение реальной технологической схемы с буквенной и цифровой информацией о процессе; - сбор, первичная обработка и хранение (архивирование) информации с возможностью представления информации в виде таблиц или графиков; - расчет технико – экономических и эксплуатационных показателей процесса, обмен информацией с вышестоящими и смежными уровнями управления; - диагностика. обнаружение, идентификация и сортировка аварийных и других событий, связанных с данным процессом. Оповещение персонала о нарушениях хода процесса. К основным управляющим функциям относятся следующие: - автоматическое регулирование легко доступных для контроля технологических переменных, то есть тех переменных, для которых имеются надежные средства автоматического контроля. Эти системы однотипны для многих металлургических процессов, поэтому их часто называют типовыми; - формирование задающих воздействий для типовых систем регулирования, реализующих оптимальное управление. Оптимальным называется управление, обеспечивающее минимальную себестоимость при выпуске продукции заданного объема и качества, или максимальную производительность, или экстремум (максимум или минимум) другого критерия оптимальности. Управление реализуется автоматически или технологом – оператором; - выполнение программных и логических операций управления работой оборудования, например, управление поточно – транспортной системой (ПТС) подачи сыпучих материалов, программный запуск и остановка оборудования и т. д.; - защита оборудования от аварий. Рассмотренные функции АСУ ТП выполняются с применением комплекса технических средств, эти средства также разделяются по своему назначению на несколько уровней. Можно выделить три уровня технических средств АСУ ТП: - 1-й уровень – измерительные преобразователи (датчики) и исполнительные механизмы; - 2-й уровень – цифровые микропроцессорные контроллеры (PLS – программируемые логические контроллеры) с устройствами связи с объектом (УСО). Они воспринимают сигналы от датчиков и формируют управляющие воздействия для типовых систем регулирования; - 3-й уровень – автоматизированные рабочие места операторов на базе персональных компьютеров промышленного исполнения. Компоненты всех уровней как правило, пространственно разобщены, но информационно объединены в единую сеть и составляют АСУ ТП. Некоторые сведения по техническим средствам АСУ ТП приведены в главе 5. 7.3. Типовые системы автоматического регулирования металлургических процессов На нижнем уровне иерархии АСУ ТП находятся типовые системы автоматического регулирования (локальные системы автоматической стабилизации) легко доступных для контроля технологических переменных. Это обычно сравнительно быстродействующие системы. Типовые системы снимают (устраняют) возмущения, связанные с нестабильностью входных потоков сырья и энергии. Это очень важные системы регулирования, позволяющие быстро устранять нарушения входных потоков. Например, если завис материал в бункере или нарушилась работа дозатора, система регулирования расхода данного материала быстро примет меры по ликвидации этих возмущений. При отсутствии такой системы подобное возмущение из-за инерционности объекта может оказаться вовремя незамеченным и серьезно нарушит ход металлургического процесса на длительное время. 7.3.1. Условия, необходимые для работы систем автоматического регулирования Построение системы автоматического регулирования каким - либо процессом возможно только при условии его механизации в такой степени, чтобы можно было реализовывать управляющее воздействие без участия человека. При этом важно, чтобы объект по каналу управления обладал стабильными динамическими характеристиками (например, кривой разгона). Эти требования могут быть выполнены соответствующим подбором оборудования и, возможно, технологии. В противном случае система регулирования может оказаться неработоспособной. Следует всегда помнить, что в системах автоматизации технологическое оборудование, процессы и металлургические агрегаты являются частью контуров регулирования и от их свойств во многом зависит качество регулирования. Можно выделить три основных фактора, влияющих на работу систем регулирования в металлургии: выбор регулируемых переменных, место расположения датчиков этих переменных на объекте, выбор и расчет регулирующих органов. При выборе регулируемых переменных нужно стремиться к тому, чтобы объект по каналу управления обладал минимальной инерционностью, в то же время эти переменные должны отражать цель регулирования. Эти требования часто вступают в противоречие друг с другом. Одним из способов преодоления противоречия является применение каскадных систем управления. Каскадной называется система регулирования или управления, содержащая несколько замкнутых контуров, построенных таким образом, что каждый внутренний контур является объектом управления для своего внешнего контура. Иными словами, управляющее воздействие внешнего контура выступает в качестве задания для внутреннего. Структурная схема двухконтурной каскадной системы регулирования показана на рис. 7.1. Объект регулирования в каскадной системе имеет несколько (по числу контуров) регулируемых переменных. Внутренние контуры называются низовыми контурами автоматизации. Их регулируемые переменные выбираются так, чтобы объект по каналу регулирования обладал минимальной инерционностью и в то же время наиболее сильные возмущения влияли бы именно на эти переменные. Таким образом, низовые контуры являются «быстрыми» контурами, ликвидирующими наиболее сильные возмущения, не давая им нарушить ход процесса по основным, но более инерционным переменным. Рассмотрим пример. Требуется автоматически регулировать температуру на выходе сушильного барабана путем изменения угла открытия регулирующего клапана в линии подачи мазута. Одним из основных возмущений является температура мазута, подаваемого на сжигание (F2 на рис. 7.1). Она влияет на его вязкость, которая, в свою очередь, приводит к изменению расхода этого мазута, следовательно, в итоге к отклонению температуры от своего задания. Простейшим вариантом системы регулирования температуры является одноконтурная система, регулирующим воздействием которой является угол открытия регулирующего клапана подачи мазута. Однако такая система вряд ли имела бы хорошее качество регулирования из – за значительной инерционности объекта. Более правильно применение двухконтурной каскадной системы, изображенной на рис. 7.1. Внутренним (низовым) контуром такой системы является контур автоматического регулирования расхода мазута Qс воздействием на угол открытия регулирующего клапана подачи мазута α, внешним контуром (контуром верхнего уровня) – система регулирования температуры t, формирующая задание для низовой системы регулирования мазута Qз. Самопроизвольное отклонение расхода мазута от нормы будет быстро обнаружено расходомером и ликвидировано низовым контуром регулирования, не успев повлиять на температуру. Конечно, для такой системы дополнительно потребуется расходомер мазута, но затраты на его установку окупятся более высоким качеством регулирования.      Внутренний контур f2 f1 Рег. 1Рег. 2 Сушильныйбарабан   + +         Q tз ε1 Qз ε2 α t  _ _    Рисунок 7.1. Каскадная система регулирования температуры на выходе сушильного барабана Каскадные системы регулирования широко используются в металлургии, что будет видно далее при рассмотрении систем автоматизации конкретных процессов и агрегатов. Место расположения датчиков регулируемых переменных существенным образом влияет на качество регулирования. Изменяя положение датчика, стремятся уменьшить инерционность объекта, повысить достоверность получаемой информации и надежность системы. К сожалению, обычно стремление улучшить одно свойство приводит к ухудшению другого, поэтому на практике приходится искать компромиссный вариант. Например, помещая термоэлектрический преобразователь в реакционную зону печи, мы получаем наиболее достоверную информацию, в то же время срок службы этого преобразователя может оказаться очень малым. С другой стороны, замуровывая такой преобразователь в кладку печи, получаем высокую надежность при снижении достоверности. Обычно предпочитают применять более надежную систему. Другой пример – система регулирования процессом непрерывного выщелачивания в гидрометаллургии цинка. Очень важно в такой системе найти оптимальное положение датчика рН – метра. Если датчик помещен в застойной зоне, то хорошего качества регулирования нельзя достигнуть, используя даже самый совершенный регулятор. Важную роль в реализации автоматического регулирования играют исполнительные органы. Нужно выбрать такой орган и так его расположить, чтобы обеспечить надежность работы, широкий диапазон регулирования и благоприятную (обычно линейную) регулировочную характеристику. Например, если в системе регулирования разрежения в печи регулирующую заслонку установить на трубопроводе сразу за печью, то такая система, вероятнее всего будет работать ненадежно из за забивания этой заслонки пылью. Лучше расположить эту заслонку за устройством пылеулавливания, еще лучше использовать регулируемый привод дымососа. Распространенной ошибкой при регулировании потоков жидкости в трубопроводах является применение клапанов со слишком большим проходным сечением. Такие клапаны, хотя и редко «забиваются», но работают в почти закрытом состоянии, характеризующимся сильной нелинейностью регулировочной характеристики и не стационарностью (изменением во времени). Это отрицательно сказывается на качестве регулирования, часто система вообще становится неработоспособной. 7.3.2. Автоматизация пирометаллургических процессов Несмотря на большое разнообразие применяемых технологий, все металлургические процессы можно разделить на две большие группы: пирометаллургические процессы и гидрометаллургические процессы. Рассмотрим кратко основные типовые системы автоматизации обеих групп и начнем с пирометаллургических процессов. Необходимым условием нормального хода любого пирометаллургического процесса является обеспечение требуемого теплового режима печи. Для этого обычно применяются четыре вида систем (контуров) автоматического регулирования (локальные системы автоматической стабилизации, типовые контуры регулирования ): 1. подачи топлива в печь. 2. Расхода воздуха на сжигание топлива, или расхода вторичного воздуха, или расхода воздуха дутья. 3. Разрежение в газовом пространстве печи изменением тягового режима. 4. Расхода исходных материалов, загружаемых в печь. Эти контуры снимают (устраняют) возмущения, связанные с нестабильностью входных потоков сырья и энергии. Стабилизация перечисленных переменных является необходимым условием нормальной работы печи, но не обеспечивает оптимального протекания пирометаллургического процесса. Изменение состава и физических свойств исходных материалов, температуры окружающей среды, старение огнеупорной кладки и другие факторы приводит к отклонению теплового режима и режима протекания физико – химических процессов пирометаллургического агрегата от своего оптимального (расчетного) уровня. Для ликвидации таких отклонений нужна информация о температурном режиме агрегата и составе расплава, однако, как правило, прямое измерение температуры и состава расплавов на данном уровне развития измерительной техники невозможно. Поэтому ищут косвенные параметры, связанные с неконтролируемыми переменными. Например, температура под сводом печи, потоки тепла с охлаждающей водой, состав и температура отходящих газов. Эти параметры иногда используют для изменения заданий САР входных потоков. В условиях недостатка информации о ходе пирометаллургических процессов перспективным направлением является разработка и применение информационных математических моделей. Эти модели, используя совокупность косвенных параметров, восстанавливают с некоторой степенью достоверности недоступные для контроля характеристики хода процесса, которые затем используются для его управления. Например, шлаковозгоночная установка для переработки цинковистых шлаков требует для своей нормальной работы точного поддержания температуры шлака, согласованной подачи угольной пыли и воздуха дутья, создающих требуемую восстановительную среду в объеме шлаковой ванны. Если угольной пыли подается слишком много, то в шлаке, помимо цинка может восстановиться и железо, которое создает настыль. При недостатке угля, наоборот, железо окисляется, шлак становится тугоплавким, а восстановление цинка замедляется (реальные, более сложные процессы здесь намеренно упрощаются). Однако текущая температура и состав шлака недоступны для контроля, часто и расход угольной пыли неизвестен. В то же время расчеты и исследования показывают, что непрерывно измеряя потоки тепла с охлаждающей водой, отходящими газами и через ограждения печи, расход воздуха дутья и состав отходящих газов, можно вычислять (восстанавливать) текущее состояние шлаковой ванны и управлять им. Для этого можно использовать математическую модель процесса, составленную на основе изучения основных физико – химических закономерностей его протекания. Современная вычислительная техника обладает большими возможностями по сбору и обработке информации и открывает широкие возможности для применения этого направления. 7.3.3. Автоматизация гидрометаллургических процессов В гидрометаллургии основные полезные процессы протекают в пульповых смесях и растворах. Это выщелачивание, очистка растворов, осаждение веществ из растворов, электролиз, отделение твердых частиц от жидкости. Основные процессы протекают в технологических емкостях. Растворы и пульпы транспортируют из одной емкости в другую по трубопроводам или желобам путем перекачки или самотеком. Гидрометаллургические процессы легче поддаются автоматизации, чем пирометаллургические. Гидрометаллургические процессы, как и любые процессы, должны протекать в оптимальных условиях. Для этого, как правило, нужно обеспечить заданный объем жидкости в технологической емкости, заданные концентрации отдельных веществ в этом объеме и физические условия протекания процесса (температура, перемешивание и т.д.). Системы автоматизации призваны обеспечить эти условия. На данном уровне развития измерительной техники прямое измерение концентрации веществ затруднительно, поэтому, также как и в пирометаллургии, гидрометаллургические процессы ведут по косвенным параметрам. Такими параметрами являются величина pH, электропроводность, плотность растворов и пульп и т.д. В тоже время, в связи с появлением надежных и быстродействующих концентратомеров, стали применяться и системы прямого контроля и регулирования состава. Системы автоматизации в гидрометаллургии можно разделить на следующие типы: 1. Закачка растворов и пульп по уровню. Обычно измеряют верхний и нижний уровни и поддерживают фактический уровень между ними, воздействуя на пульповой насос, который включается периодически. Такой режим работы насоса снижает его надежность, поэтому сейчас применяют плавное регулирование скорости вращения привода насоса, используя транзисторные электронные блоки частотного регулирования асинхронных двигателей. Системы непрерывного регулирования скорости насосов отличается высокой надежностью и точностью. 2. Автоматическая стабилизация потоков исходных веществ. Здесь используют обычные средства для контроля и регулирования потоков жидких и сыпучих сред. Для измерения расходов жидкостей в гидрометаллургии широко используются индукционные и щелевые расходомеры, в качестве регулирующих клапанов – клапаны специальной конструкции (шланговые, шаровые и др.). 3. Автоматическая стабилизация величины pH изменением потоков исходных веществ, т.е. изменением заданий для контуров регулирования этих потоков (см. п.2). Здесь есть определенные трудности, связанные с применением pH-метров. pH-метр можно отнести к разряду аналитических приборов, которые критичны к условиям работы первичного преобразователя. В каждом конкретном случае нужно подобрать характерную точку установки этого преобразователя и обеспечить паспортные условия его работы. Только тогда система регулирования будет правильно работать. |