Статьи/Управление процессом загрузки доменной печи

Рассматривается решение задачи управления непрерывным производственным процессом на примере системы контроля и управления шихтоподачей и воздухонагревателями (СКУ ШП и ВН) доменной печи ДП-1 на ОАО "Северсталь", выполненной на базе ПТК "Оммега". Система загрузки и воздухонагреватели связаны только технологически, поэтому в процессе разработки СКУ рассматривались практически два независимых друг от друга объекта со своими задачами автоматизации.

Автоматизация непрерывных производств имеет серьезные концептуальные отличия от автоматизации обычных технологических процессов.

Для непрерывных производств жизненно необходимыми являются высоконадежные АСУ ТП, обеспечивающие бесперебойное управление подконтрольным оборудованием в условиях практически любых отказов составных частей АСУ ТП. Однако повышенная надежность не означает отказа от стандартных для современных АСУ ТП функций (эргономических, статистических и т.д.).

Важным моментом также является гибкость АСУ ТП, поскольку время непрерывной эксплуатации составляет десятки лет, а технологии на месте не стоят. Всем этим требованиям удовлетворяет система контроля и управления (СКУ) шихтоподачей и воздухонагревателями доменной печи, выполненная на базе ПТК "Оммега" НПФ "Ракурс".

Объектом автоматизации являются система загрузки шихтовых материалов и блок из 4-х воздухонагревателей доменной печи №1 ОАО "Северсталь".

Система загрузки и воздухонагреватели связаны только технологически, поэтому в процессе разработки СКУ рассматривались практически два независимых друг от друга объекта со своими задачами автоматизации.

При проектировании СКУ система загрузки шихтовых материалов (шихтоподача) была поделена на две части: нижнюю и верхнюю (колошниковую) загрузку. Нижняя загрузка отвечает за подготовку смеси материалов в нужной пропорции и загрузки ее в скипы верхней загрузки, а верхняя - за выгрузку подготовленной смеси в доменную печь.

Технологическое оборудование нижней загрузки:
• бункеры (с несимметричным расположением относительно оси печи);
• весовые воронки с затворами;
• грохота;
• один главный конвейер;
• конвейеры отсева мелочи;
• лебедка коксовой мелочи.

Технологическое оборудование верхней загрузки:
• скиповая лебедка главного подъема;
• лебедка конусов;
• лебедки зондов;
• вращающийся распределитель шихты;
• клапаны.

Вторая часть объекта автоматизации представляет собой систему из четырех воздухонагревателей. Воздухонагреватели обеспечивают подогрев воздуха (дутья) для доменной печи и работают в различных режимах (нагрев, дутье и др.). Переход из одного режима в другой осуществляется циклически по заданной схеме.

СКУ представляет собой трехуровневую систему управления (рисунок).

Нижний уровень управления состоит из датчиков и ИМ. Непосредственное управление двигателями ИМ осуществляется с помощью программируемых приводов постоянного и переменного тока, контакторов и реле. На этом уровне реализованы важнейшие блокировки, функции электрической защиты двигателей, режимы их работы (разгон, торможение, удержание).

Второй уровень управления реализован на базе программируемых контроллеров CS1 (OMRON). На этом уровне реализовано логическое управление механизмами согласно алгоритмам управления, реализованы все необходимые блокировки механизмов относительно их положений. Контроллеры объединены между собой по двум промышленным сетям Controller Link. Сети используются для обмена информацией между контроллерами и для передачи данных на высший уровень управления. Для уменьшения объема электромонтажных работ, а также снижения затрат на кабельную продукцию, реализована распределенная система управления CompoBus/S (OMRON), удаленные модули ввода/вывода которой размещаются непосредственно в силовых шкафах.

Третий уровень состоит из трех рабочих станций и сервера СКУ шихтоподачи(ШП) и воздухонагревателя (ВН) ДП-1. На этом уровне происходит взаимодействие системы управления с операторами, накапливается и обрабатывается архивная и оперативная информация о состоянии оборудования, происходит создание сменных и аварийных отчетов. Рабочие станции объединены между собой по сети Ethernet. Сервер СКУ подключен к общей сети Ethernet Доменного производства. Для удобства и повышения надежности в пультовых установлены 3 панели оператора. На третьем уровне управления осуществляется связь двух подсистем СКУ ШП и СКУ ВН.

Основные элементы СКУ шихтоподачей:
• контроллер нижней загрузки;
• два контроллера (основной и в горячем резерве) верхней загрузки;
• силовое оборудование: частотные преобразователи, устройства плавного пуска и тиристорные преобразователи;
• интеллектуальные весовые устройства;
• импульсные датчики положения;
• интеллектуальные счетчики

Предыдущая система была реализована как централизованная система управления, занимала много места и требовала специальной системы воздушного охлаждения. В реализованной системе контроллеры размещены в двух шкафах управления, имеющих по одному вытяжному вентилятору с фильтром. Управляющие и информационные сигналы в основном передаются по сетям, обеспечивающим связь с силовым оборудованием системы.

В СКУ ШП используются электродвигатели постоянного и переменного тока. Асинхронные двигатели работают в различных режимах в зависимости от конкретного механизма. Все это определило выбор электроприводов:
• частотно-регулируемые приводы - на затворах, грохотах и главном конвейере;
• устройства плавного пуска - на конвейерах отсева мелочи и клапанах;
• тиристорные выпрямители - на основных механизмах верхней загрузки.

Бесконтактное управление электродвигателями решило одну из главных проблем прежней релейной схемы: необходимость частой замены вышедших из строя контакторов, постоянной зачистки контактов.

Измерение веса загружаемых в печь материалов осуществляется в весовых воронках. В СКУ ШП используются прежние тензодатчики, подключаемые к новым устройствам измерения веса, которые работают независимо от управляющих контроллеров и имеют собственную индикацию веса. Весовые устройства установлены на мнемощите шихтоподачи, входящем в состав СКУ ШП.

В системе верхней загрузки требуется отслеживать текущее положение всех основных механизмов. Для этой цели используются импульсные датчики положения, сигналы с которых заведены в контроллеры верхней загрузки через промежуточный интеллектуальный счетчик, имеющий собственную индикацию положения. Счетчики установлены на едином местном пульте управления зондами и распределителем шихты, обеспечивая индикацию текущего положения механизмов по месту.

При разработке СКУ ВН ставилась задача заменить существующую релейную схему управления оборудованием воздухонагревателей с сохранением силовых контакторов. При этом необходимо было предусмотреть параллельную работу СКУ ВН и релейной схемы с возможностью переключения управления между двумя альтернативными по управлению схемами.

Для решения этой задачи были разработаны соответствующие схемы включения силовых контакторов, установлены датчики положения параллельно путевым выключателям релейной схемы, установлены ключи выбора управления.

СКУ ВН была выполнена как распределенная система управления. Управление каждым из четырех воздухонагревателей осуществляется отдельным микроконтроллером типа CPM2A (OMRON) с сетевым модулем, с помощью которого происходит обмен информацией с центральным контроллером СКУ ВН по двухпроводной сети Compobus/S.

В результате получилась высоконадежная и гибкая система управления, со стопроцентным резервированием по датчикам и управлению. Такой подход к построению системы позволил запустить СКУ ВН в эксплуатацию на работающей печи.

Уже больше года СКУ ШП и ВН находятся в промышленной эксплуатации. По словам Зернова В. М., старшего мастера по ремонту СТА (систем технологической автоматики) доменного производства, внедренные СКУ, позволяют наиболее эффективно использовать технологический ресурс ДП-1.

Основные преимущества системы контроля и управления воздухонагревателями:
• по сравнению с ранее применяемыми механическими датчиками, индуктивные - в СКУ ВН имеют более высокую надежность и обеспечивают более точную остановку механизмов;
• наличие такого параметра, как диагностика позволяет максимально оперативно принимать необходимые меры в случае отказов;
• стало возможным управление механизмами воздухонагревателей из центрального пульта управления (ЦПУ), что раньше было не возможно. Данное усовершенствование позволяет оптимально соблюдать температурный режим ВН, что в свою очередь ведет к экономии кокса;
• местные пульты управления воздухонагревателями стали более компактными и содержат больше необходимой информации;
• обмен информацией между местными пультами управления и контроллерами стал осуществляться по витой паре, что значительно сократило расход кабельной продукции и время обнаружения неисправности в случае ее возникновения.

Основные преимущества системы контроля и управления шихтоподачей:
• до внедрения СКУ ШП при любом сбое систему переводили в "Ручной режим" по несколько раз в день, после модернизации - ни разу;
• до модернизации силовая часть была релейно-контакторной, и при включении двигателей механизмов на пусковых токах регулярно выходили из строя электромеханические реле максимального тока, что приводило к остановке загрузки; после модернизации за счет использования частотных приводов и устройств плавного пуска, стало возможным вести равномерную по времени загрузку, что ведет к экономии такого сырья, как кокс.

Внедрение СКУ ШП и ВН позволило увеличить выпуск чугуна, снизить его себестоимость, улучшить работу всех служб Доменного производства.

Петров А.В.
Ахмедов Н.Ш.
"Автоматизация в промышленности" Июнь, 2003 (№6)