Необходимость модернизации
В настоящее время доля электростали в мире растёт быстрыми темпами. Это обусловлено высокой производительностью дугового процесса. Также к факторам, способствующим бурному развитию электрометаллургии, можно отнести способность переплавлять рядовой металлолом с малыми энергозатратами.
Одной из основных затратных частей при выплавке стали в дуговых сталеплавильных печах является расход электроэнергии. Понимая актуальность решения данной проблемы в отечественной электрометаллургии, в 2000 году ЗАО «УРАЛТЕХМАРКЕТ» разработало систему автоматического регулирования мощности дуги сталеплавильной печи (САРМДСП), а сейчас постоянно совершенствует алгоритмы управления электрическим режимом плавки, основываясь на собственном опыте, а также на совместных разработках с Институтом металлургии Уральского отделения Российской академии наук и разработках ведущих учёных.
В процессе разработки данной системы специалисты ЗАО «УРАЛТЕХМАРКЕТ» ставили перед собой задачу создания надёжного и энергоэффективного оборудования, отвечающего специфике и всем требованиям сталеплавильного производства. В качестве базы для построения системы было выбрано оборудование компании SIEMENS (Германия).
Структура САРМДСП
Используемые средства автоматизации SIEMENS позволяют построить модульную структуру САРМДСП, обеспечивающую оптимальную архитектуру системы управления печи, и реализовать необходимую функциональность системы в зависимости от типа и технической оснащённости печи. Один из вариантов структурной схемы ранее внедрённой САРМДСП представлен на рис. 1.
Условные обозначения: DeviceNet – промышленная сеть передачи данных; ВУ – верхний уровень; КК1 – клеммная коробка 1; КК2 – клеммная коробка 2; М – двигатель; ПС – пульт сталевара; ПСН – шкаф управления переключателем ступеней напряжения; РП – существующий пункт распределения электроэнергии; ШД – шкаф дымососа; ШМ – шкаф управления маслонасосами; ШП – шкаф контроля протока воды в системе охлаждения печи; ШПЧ – шкаф преобразователей частоты; ШР – шкаф регулятора; ШРЗ – шкаф релейной защиты; ШС – шкаф силовой; ЩР – щит распределения.
Конструктивно САРМДСП выполняется в виде нескольких шкафов. Размеры шкафов выбраны, исходя из условия обеспечения необходимых тепловых режимов для размещаемой в них аппаратуры и окружающей температу-ры до +35С, как правило, без применения принудительной вентиляции. Специфика металлургического производства в части запылённости, загазованности и повышенных температур окружающей среды требует усиленных мер защиты электронного оборудования, в связи с чем шкафы имеют степень защиты не ниже IP54. Применение закрытых шкафов и оборудования с низкой рассеиваемой мощностью обеспечивает высокую эксплуатационную надёжность САРМДСП.
САРМДСП условно можно разделить на три уровня: нижний, средний, верхний.
Под нижним уровнем автоматизации понимаются датчики температуры и реле протока в каждом контуре системы охлаждения печи, реле давления и электромагнитные клапаны пневмосистемы печи, концевые выключатели конечных положений механизмов печи и т.д.
На среднем уровне установлены шкафы управления и сбора информации, оснащённые программируемыми логическими контроллерами (ПЛК), необходимыми модулями и коммутационной аппаратурой SIEMENS. ПЛК выполняют функции логического управления, преобразования, математических расчётов и обеспечения связи со всеми уровнями системы, а также модулями децентрализованной периферии.
В разработках использован современный модульный ПЛК серии S7-1500, который в реальном времени решает задачи управления оборудованием печи, задачи защит и блокировок и собственно задачу управления перемещением электродов для поддержания заданных параметров дуги по каждому из трёх электродов.
Операционная система ПЛК «зашита» в процессорном модуле и не может быть ни при каких условиях повреждена пользователем. Ориентированная на решение задач реального времени структура ПЛК и операционная система обеспечивают циклическое выполнение управляющей программы, диагностику состояния всех модулей ПЛК и обновление входов/выходов в каждом цикле управления, при этом разработчик системы управления создаёт только управляющую программу из набора инструкций ПЛК. Управляющая программа записывается в энергонезависимую память программ и не требует перезагрузок.
Быстродействие применённого ПЛК позволило реализовать цикл управления в пределах 10 мс, что, в свою очередь, даёт возможность достичь стабильного горения дуги на всех стадиях работы дуговой печи.
Для управления асинхронными двигателями привода перемещения электродов применены частотные преобразователи фирмы SIEMENS. В данных преобразователях реализован векторный принцип управления, что обеспечивает необходимые динамические характеристики привода. Кроме того, преобразователи обеспечивают защиту двигателей от перегрузок и перегрева.
Пульт управления реализован на базе программируемого терминала фирмы SIEMENS типа TP900 Comfort. Данный терминал имеет сенсорно-чувствительный цветной ИЖК-экран (индукционный жидкокристаллический экран) размером 9ʺ (рис. 2).
Фронтальная часть терминала защищена от грязи и влаги специальным защитным экраном. На экране терминала отображается информация о ходе и параметрах плавки.
С экрана терминала производится ввод данных. Имеющаяся в терминале память позволяет сохранять и выводить в виде графиков значения токов по каждому электроду, сохранять и при необходимости отображать архив действий оператора с привязкой к реальному времени.
Верхний уровень (система визуализации) представляет собой автоматизированное рабочее место оператора – персональный компьютер (ПК) в промышленном исполнении с предустановленным программным обеспечением и со SCADA-системой WinCC производства SIEMENS. На мониторе АРМ отображается состояние печи, производится архивация всего технологического процесса в хронологическом порядке. Интуитивно понятный интерфейс системы визуализации (рис. 3) позволяет управлять режимом плавления персоналу с начальным уровнем подготовки.
Вне зависимости от комплектации САРМДСП система позволяет обеспечить:
- поддержание в автоматическом режиме электрической дуги на каждом электроде на заданном уровне в процессе плавки путём управления перемещением электродов;
- сбор, архивацию, непрерывную индикацию текущих и расчётных параметров печи, индикацию наличия дуги, информацию о текущих значениях тока и напряжения на каждом электроде;
- контроль технологических параметров, индикацию и выдачу управляющих воздействий на исполнительные механизмы, как в автоматическом, так и в ручном режиме;
- определение в автоматическом режиме аварийных ситуаций на технологических узлах путём опроса датчиков и анализ измеренных значений; переключение технологических узлов в безопасное состояние путём выдачи управляющих воздействий на исполнительные механизмы;
- реализацию функций защит и блокировок механизмов печи с целью предотвращения аварийных ситуаций в случае некорректных действий персонала;
- управление переключателем ступеней напряжения по командам сталевара;
- контроль температуры масла печного трансформатора;
- защиту печного трансформатора от перегрузок;
- расчёт затраченной электроэнергии на каждую плавку, в том числе удельный расход и суммарное количество электроэнергии за неделю, месяц, год и т.д.;
- блокировку работы САРМДСП при отключённом состоянии переключателя «Ключ сталевара»; ключ может быть изъят только при отключённом положении этого переключателя;
- возможность обмена данными с существующими АСУ ТП цеха.
Экономическая эффективность и надёжность
Быстродействие и многозадачность используемого в САРМДСП оборудования SIEMENS обеспечивает высокое быстродействие регулятора тока и напряжения. Этим достигается устойчивое горение дуги, что значительно уменьшает время плавления шихты и в результате увеличивает производительность печи, а также резко снижает расход электроэнергии.
По оценкам технологического персонала сталелитейных цехов, где используются САРМДСП производства ЗАО «УРАЛТЕХМАРКЕТ», среднестатистические показатели работы после внедрения системы значительно превосходят показатели печей с аналогичными регуляторами, например:
- повышение надёжности работы сталеплавильной печи – коэффициент технической готовности печи изменился с 0,72 до 0,9;
- процент брака при выплавке стали снизился с 23 до 7,3% за счёт более точного и оптимального поддержания длины дуги и исключения касания металла электродами;
- увеличение производительности труда вследствие сокращения времени плавки в среднем на 15–18%;
- увеличение стойкости футеровки из-за снижения излучения электрической дуги на стены печи за счёт работы на оптимальной длине дуги.
Используемое в САРМДСП оборудование (рис. 4) позволяет устанавливать срок гарантии на оборудование системы в 3 года с момента ввода в эксплуатацию.
Заключение
Система автоматического регулирования мощности дуги производства ЗАО «УРАЛТЕХМАРКЕТ» внедряется на дуговых печах различной мощности уже более 15 лет и зарекомендовала себя как надёжное и энергоэффективное оборудование. На данный момент специалистами ЗАО «УРАЛТЕХМАРКЕТ» внедрено более 40 САРМДСП на печах ёмкостью от 1,5 до 25 тонн. На каждом предприятии отмечалось повышение технико-экономических показателей работы печи.
В настоящее время на базе этой системы специалисты ЗАО «УРАЛТЕХМАРКЕТ» совместно с учёными Института металлургии УрО РАН ведут разработки в области создания системы оперативного контроля параметров, отображающих текущее состояние процесса плавки. В основе данной системы лежит анализ состояния сплава, шлака и температуры металла в зависимости от параметров постоянной составляющей напряжения дуги в разных периодах плавки. Система даст возможность контролировать распределение электроэнергии по зонам рабочего пространства печи и расплава, тем самым получать подробную информацию о технологическом процессе, а оборудование SIEMENS позволит реализовать данную систему в составе САРМДСП. ●
E-mail: mahnutin.anton@yandex.ru
автоматизация
автоматизация
автоматизация
автоматизация
