Введение
ГП «УкрНТЦ «Энергосталь» является ведущей инжиниринговой фирмой в СНГ, проектирующей, изготавливающей и вводящей в эксплуатацию газоотводящие тракты (ГОТ) конвертеров (К) с «мокрой» газоочисткой, электросталеплавильных печей с «сухой» газоочисткой для металлургических заводов России, Украины, Казахстана, не уступающие по своим характеристикам ГОТ передовых западных фирм. В состав ГОТ К входит современная АСУ ТП собственной разработки, как правило, на платформе SIEMENS. Для отработки программно-математического обеспечения программно-технических комплексов (ПТК) АСУ ТП ГОТ К в ГП «УкрНТЦ «Энергосталь» разработана математическая модель процессов в газоотводящем тракте конвертера кислородно-конвертерного цеха [1]. Прикладное программное обеспечение ПТК взаимодействует с математической моделью или с реальным технологическим объектом управления. Особую ценность модель имеет для анализа нештатных и аварийных ситуаций, которые на реальном объекте проверить и отработать невозможно или очень сложно.
Одной из функций контроля и управления технологическим процессом ГОТ К является предотвращение аварийных ситуаций в работе котла-охладителя. Наиболее опасной ситуацией является «упуск» воды котла-охладителя конвертерных газов ГОТ.
«Упуск» воды из котла-охладителя может привести к аварии прежде всего циркуляционных насосов (ЦН). На вход ЦН будет поступать неоднородная среда, то есть пароводяная смесь, что является причиной появления гидравлических ударов, которые приводят к повреждению включённых ЦН.
Такие явления наблюдались во время имитации отказа управляющего контроллера при моделировании процессов в ГОТ конвертера.
При отказе управляющего контроллера необходимо не только прекратить продувку конвертера кислородом, но и обеспечить поддержание безопасного для включённых ЦН уровня воды в барабане-сепараторе (БС) котла-охладителя, так как после выключения кислородной продувки за счёт эффекта обратного «набухания», то есть резкого уменьшения парообразования в нагревательных поверхностях котла-охладителя и снижения уровня воды в БС, может произойти «упуск» уровня воды.
Аварийная ситуация возникает внезапно, при этом ритм работы и порядок выполнения операций резко изменяются. Решения необходимо принимать быстро и правильно, так как под угрозой находятся не только огромные материальные ценности, но и жизнь персонала.
В связи с тем, что аварийные ситуации очень редки, а готовность к ним должна быть постоянной, противоаварийная защита должна работать в автоматическом режиме.
ГП «УкрНТЦ «Энергосталь» (далее – Центр) в 2016 г. введена в эксплуатацию автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП) газоотводящего тракта (ГОТ) конвертера № 2 (К2) кислородно-конвертерного цеха (ККЦ) ЧАО «Мариупольский металлургический комбинат им. Ильича» (ЧАО «ММК им. Ильича»). При работе над данным проектом использовался успешный опыт разработки и внедрения АСУ ГОТ конвертеров в ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат им. В.И. Ленина», ПАО «Челябинский металлургический комбинат», ПАО «Енакиевский металлургический завод» и на ряде других предприятий [2].
Объект автоматизации
Объектом автоматизации является модернизируемый ГОТ конвертера № 2. Этот тракт обеспечивает утилизацию тепла, охлаждение и очистку конвертерного газа, а также его отвод в атмосферу.
Газоотводящий тракт конвертера – технологический комплекс, включающий котёл-утилизатор, газоочистку и дымосос. Обезуглероживание чугуна в конвертере с последующим полным или частичным дожиганием оксида углерода в газоходе котла, утилизация тепла в котле-охладителе путём нагрева воды и парообразования в охлаждающих экранах и ширмах, очистка
дымовых газов перед выбросом их дымососом в атмосферу являются сложными технологическими процессами (аэродинамическими и тепломассообменными). На динамику работы ГОТ влияют расход кислорода на продувку конвертера, фаза плавки стали в конвертере, теплообменные процессы в котле и газоочистке и т.п. Кроме того, в ГОТ имеется несколько десятков аварийных параметров, значения которых следует непрерывно контролировать. При достижении этими параметрами критических значений, а также при отказах определённых исполнительных механизмов, датчиков, оборудования АСУ ТП необходимо:
- включать защиты, блокировки, резерв, сигнализацию и безаварийно перевести оборудование ГОТ в безопасное состояние;
- запретить проведение текущей или следующей продувки;
- поддерживать безопасный для работы семи (в основном) включённых циркуляционных насосов уровень воды в барабане-сепараторе (БС) котла.
В процессе продувки конвертера кислородом из конвертера выделяется конвертерный газ в котёл-охладитель.
В подъёмном газоходе котла-охладителя происходит полное его дожигание. Продукты горения за счёт разрежения, создаваемого дымососом, направляются по системе газоходов котла-охладителя конвертерных газов (ОКГ), аппаратов и газоходов газоочистки в дымовую трубу.
Перед подачей в систему газоочистки газы необходимо охладить в котле-охладителе.
Котёл-охладитель конвертерных газов, кроме тепловоспринимающих поверхностей газоходов, включает барабан-сепаратор, узел подачи питательной воды, циркуляционные насосы и работает в условиях, связанных с цикличностью выхода конвертерных газов, их высокой температурой и большой запылённостью.
Цикличный характер выхода конвертерных газов обуславливает и цикличный характер выработки пара, происходящей только во время кислородной продувки, составляющей примерно 30–40% всего периода плавки. Образующаяся в поверхностях нагрева пароводяная смесь направляется в барабан-сепаратор котла.
Охлаждение газа происходит в процессе его движения через кессон, подъёмный и опускной газоходы ОКГ за счёт подачи воды в охлаждающие поверхности котла: экраны, ширмы и системы трубопроводов, расположенных по трассе движения газа. Охлаждённый до +450…+650°С газ поступает в «мокрую» газоочистку. Подача охлаждающей воды в ОКГ осуществляется из циркуляционной насосной, в состав которой входят циркуляционные насосы (9 шт., из них 7 включены в работу) и электроуправляемые исполнительные механизмы (ИМ). Барабан-сепаратор обеспечивает отделение пара от воды.
В системе защиты котла, транспортировки пара и регулирования подачи питательной воды через узел питания используются электроуправляемые ИМ и регулирующие клапаны.
«Мокрая» газоочистка ГОТ конвертера: в установке предварительного охлаждения (УПО) и скруббере – первой ступени газоочистки – осуществляется процесс дальнейшего понижения температуры конвертерного газа и его грубая очистка.
Труба Вентури служит для тонкой очистки конвертерного газа от пыли и окончательного охлаждения его до +55…+60°С.
В каплеуловителе происходит осушение конвертерного газа путём выделения капель воды из газового потока.
Дымосос обеспечивает разрежение по всей трассе движения конвертерного газа и отвод газов конвертера в атмосферу через дымовую трубу. В состав оборудования дымососа входят две маслостанции (для электродвигателя и нагнетателя).
Функции АСУ ТП ГОТ К2
АСУ ТП ГОТ К2 выполняет следующие функции:
- контроль аварийных параметров ГОТ К и формирование сигнала «Разре-шение продувки» конвертера кислородом;
- регулирование уровня воды в БС во все периоды плавки с расходом кислорода на продувку конвертера от 350 до 450 нм3/мин и в межплавочный период;
- контроль параметров и управление исполнительными механизмами барабана-сепаратора, ширм и экранов ОКГ, газоочистки;
- контроль параметров дымососа;
- контроль работы двух маслостанций дымососа через их АСУ;
- контроль работы циркуляционных насосов;
- визуализация и архивирование технологических параметров;
- формирование сигнализации и сообщений по значениям технологических параметров и т.д.
Структура ПТК
Основой АСУ ТП ГОТ К2 является ПТК, состоящий из технических средств (АРМ, контроллерного и сетевого оборудования) и программно-математического обеспечения. Следует отметить, что существовавшая до реконструкции АСУ ТП ГОТ К2 базировалась на одном мощном программируемом логическом контроллере (ПЛК) с применением многофункциональных модульных станций распределённого ввода-вывода (SIMATIC ET-200M) на основе сетей PROFIBUS DP. Требовалось доработать или частично заменить оборудование АСУ ТП ГОТ К2, установить новые аппаратные средства, а также обновить программное обеспечение (ПО) без замены существующего модуля центрального процессора. Кроме того, было принято совместное с заказчиком решение о дополнительных мерах защиты котла при самой сложной аварийной ситуации – отказе центрального процессора. В такой ситуации (без специальных мер защиты) не только прекращается регулирование уровня воды в барабане котла, но и полностью перестают визуализироваться все параметры котла и ГО, что ставит оператора в чрезвычайно сложное положение.
При реконструкции АСУ ТП ГОТ К2 было выполнено специальное требование заказчика проекта – максимально сохранить места расположения шкафов и кабельные трассы, а также программное обеспечение (ПО) не модернизируемых систем управления (АСУ конвертера и АСУ дозирования) с соблюдением концепции единого верхнего уровня. АСУ ТП ГОТ К2 спроектирована как автоматизированная двухуровневая управляющая система, обеспечивающая автоматическое управление режимами и контурами регулирования в реальном времени с распределённой организацией измерений, сбора и обработки информации, выдачи управляющих воздействий.
Структурная схема оборудования ПТК АСУ ТП ГОТ К2 представлена на рис. 1.
![Рис. 1. Структурная схема оборудования ПТК АСУ ТП газоотводящего тракта конвертера № 2 кислородно-конвертерного цеха ЧАО «ММК им. Ильича»](/images_cta/articles/2017/2017-2/cta2017-2pr_page64_pic01.jpg)
Нижний уровень (НУ) управления выполнен на базе контроллеров SIEMENS (с применением распределённых устройств ввода-вывода), осуществляющих приём, обработку сигналов и выдачу управляющих воздействий на исполнительные механизмы ГОТ К2.
В состав НУ включены:
- основной контроллер S7-416 и многофункциональные модульные станции распределённого ввода-вывода (SIMATIC ET-200M);
- контроллер дымососа S7-315 и многофункциональные модульные станции распределённого ввода-вывода (SIMATIC ET-200M);
- контроллер защиты LOGO! и размножители входных аналоговых токовых сигналов от датчиков уровня воды в БС;
- АРМ операторов котла и ГО (два);
- АРМ оператора дымососа;
- шкаф связи в дымососном отделении.
Основной контроллер (ОК) S7-416 выполняет в течение всех периодов плавки стали в конвертере и в межплавочный период контроль технологических параметров ОКГ и ГО, регулирование трёхимпульсным (расход пара, уровень воды в БС и расход питательной воды в БС) регулятором за-данного в соответствии с фазой плавки расхода пара, уровня воды в БС путём изменения расхода питательной воды в БС, управление исполнитель-ными механизмами ОКГ и ГО, обеспечивает взаимодействие с АСУ конвертера. Кроме того, ОК обменивается информацией с контроллером дымососа S7-315 и контроллером защиты LOGO! Обмен с контроллерами осуществляется по сети Ethernet, а с контроллером защиты LOGO! ещё и дополнительным дискретным сигналом «ОК работает». Все измеренные параметры ОК передаёт на верхний уровень ПТК для архивирования и визуализации.
Контроллер дымососа S7-315 выполняет контроль параметров газохода (до и после дымососа), помещения дымососной, дымососа (температуры и вибрации подшипников), двух маслостанций дымососа, формирует сигнал «Аварийно выключить дымосос» при превышении аварийного значения хотя бы одним аварийным параметром (температура и вибрация подшипников) и передаёт измеренные параметры на верхний уровень.
Контроллер защиты LOGO! предназначен для поддержания безопасного для работы включённых ЦН уровня воды в БС при отказе основного контроллера. Контроллер LOGO! получает из ОК сигнал «ОК работает» и имеет связь с ОК по сети Ethernet, принимает сигналы с датчиков уровня воды в БС, дискретные сигналы положения регулирующих клапанов (РК) «Закрыт», обеспечивает индикацию уровня воды в БС на специальной панели видеокадра «Барабан-сепаратор». Панель может вызвать оператор нажатием кнопки на видеокадре, или она появится автоматически при отказе ОК. Измеренные параметры LOGO! передаёт на верхний уровень ПТК для архивирования и визуализации.
При работе ОК контроллер защиты LOGO! получает из ОК сигнал «ОК работает» и (или) имеет связь с ОК по сети Ethernet, управляющие сигналы на ИМ не формирует (ОК обеспечивает регулирование уровня воды в БС).
При отказе ОК контроллер защиты LOGO! не получает из ОК сигнал «ОК работает» и не имеет связи с ОК по сети Ethernet, принимает управление на себя – формирует и выдаёт управляющие команды на РК:
- команда «Больше» заранее определённой длительностью (определяется ОК до отказа и передаётся в контроллер защиты) выдаётся только при уровне воды в БС ниже уровня открытия РК;
- команда «Меньше» выдаётся до получения сигнала РК «Закрыт» только при уровне воды в БС выше уровня закрытия РК.
Во всех остальных ситуациях команды на РК не выдаются, то есть РК стоит.
Эффективность поддержания безопасного для включённых циркуляционных насосов уровня воды в барабане-сепараторе в такой аварийной ситуации подтверждена результатами моделирования.
Верхний уровень (ВУ) представлен автоматизированными рабочими местами (АРМ-серверами оператора котла и оператора дымососа), оборудованными средствами, позволяющими выполнять функции человеко-машинного интерфейса (ЧМИ) и архивирования информации.
На рис. 2 в качестве примера представлен видеокадр мнемосхемы «Барабан-сепаратор», который включает собственно барабан-сепаратор, узел питательной воды, аварийный слив, паропроводы, частично трубопроводы циркуляционных контуров и др.
![Рис. 2. Видеокадр мнемосхемы «Барабан-сепаратор»](/images_cta/articles/2017/2017-2/cta2017-2pr_page65_pic02.jpg)
На рис. 3 показана всплывающая на видеокадре мнемосхемы «Барабан-сепаратор» панель контроллера защиты (контроль уровня воды в БС, управления регулирующими клапанами).
![Рис. 3. Всплывающая панель контроллера защиты (появляется автоматически при отказе основного контроллера или по вызову оператора)](/images_cta/articles/2017/2017-2/cta2017-2pr_page65_pic03.jpg)
На рис. 4 приведена фотография контроллерного шкафа с основным контроллером и контроллером защиты.
Программное обеспечение
Программный проект нижнего уровня сконфигурирован в среде разработки Step7 и интегрирован в мультипроект, содержащий как программу управления конвертером и газоотводящим трактом (нижний уровень), так и сконфигурированные станции АРМ-серверов и сервера (верхний уровень).
Программный проект верхнего уровня АРМ-сервера включает информацию обо всех подсистемах: АСУ конвертера, АСУ дозирования, АСУ газоотводящего тракта. Это даёт возможность визуализировать любые подсистемы и управлять ими с любого АРМ-сервера.
Программный проект сервера представляет собой копию программного проекта АРМ-сервера с добавлением ряда скриптов и архивов.
Изменение программных проектов верхнего уровня АРМ-сервера произведено путём точечной интеграции видеокадров, разработанных ГП «УкрНТЦ «Энергосталь», в общее дерево вызовов видеокадров. Добавлены скрипты типовых программных модулей, созданных Центром и отработанных на стенде и в процессе эксплуатации. Благодаря этому можно открывать всплывающие окна лицевых панелей одним нажатием на значки отображения элементов и передавать информацию о типе программного модуля, что позволяет добиться универсальности лицевых панелей. Применение данных модулей существенно снизило вероятность внесения ошибки в программное обеспечение.
Выводы
- ГП «УкрНТЦ «Энергосталь» модернизирована и введена в эксплуатацию новая АСУ ТП газоотводящего тракта конвертера № 2 кислородно-конвертерного цеха ЧАО «ММК им. Ильича».
- Особенностью нового ПТК АСУ ТП является поддержание безопасного для включённых циркуляционных насосов уровня воды в барабане-сепараторе как в автоматическом, так и в ручном режиме управления, даже при отказе основного контроллера с обеспечением оператора котла информацией по уровню воды в барабане-сепараторе. Для этого в состав ПТК АСУ ТП введён специальный компактный (модуль LOGO!) контроллер защиты с соответствующим программным обеспечением. Эффективность поддержания безопасного для включённых циркуляционных насосов уровня воды в барабане-сепараторе в такой аварийной ситуации подтверждена результатами моделирования.
- Работа АСУ ТП ГОТ К2 при плавках стали в конвертере (проведено более 1000 плавок) уже показала, что заложенные при проектировании технические решения обеспечивают устойчивую работу технологического оборудования. •
Литература
- Криволапов А., Кривоносов А., Пирогов А., Базюченко С. и др. Особенности проектирования и отработки АСУ ТП газоотводящего тракта конвертера // Современные технологии автоматизации. – 2009. – № 4.
- Кривоносов А., Криволапов А., Каплунов Ю., Пироженко А. и др. АСУ ТП газоотводящего тракта конвертера // Современные технологии автоматизации. – 2013. – № 1.
E-mail: kralef46@gmail.com