Статья на тему Разработка структуры автоматизированной системы управления печи Ванюкова Балхашского медеплавильного завода ТОО «Корпорация Казахмыс

Разработка структуры автоматизированной системы управления печи Ванюкова Балхашского медеплавильного завода ТОО «Корпорация Казахмыс»
История Балхашской меди берет свое начало в 1928 году, когда ленинградский геолог М. П. Русаков в сопках Коунрада обнаружил мощные запасы руды. Спустя год была проведена всесторонняя разведка, затем принято решение о строительстве Балхашского горного гиганта. В августе 1938 года первая Коныратская руда поступила на пущенную в промышленную эксплуатацию Балхашскую медно-обогатительную фабрику[1].
Металлургический цех является одним из основных цехов в цикле производства металлов. Роль этого цеха определяется не только производством штейна, а также выработкой газа, необходимого для производства серной кислоты. Поэтому от работы плавильного цеха зависит работа всей технологической цепочки металлургического производства.
Металлургический плавильный цех, кроме того, связан с цехами объединения как потребитель их продукции. Цехи подготовки шихты, кислородно-компрессорный, водоснабжения, электроснабжения, железнодорожный непрерывно обслуживают плавильный цех. Перебои в обслуживании вызывают аварийное состояние в плавильном цехе, а перебои в подаче из плавильного цеха штейна и газа срывают работу других цехов. Вот почему от работы плавильного цеха зависит работа всей технологической линии производства.
Значительное количество объектов металлургической отрасли относятся к числу слабо формализованных систем. Управляют ими обычно операторы-технологи, которые должны самостоятельно принимать решения даже в условиях неопределенности входных параметров. Для большинства плавильных агрегатов до сих пор не представляется возможным предсказание или точное измерение некоторых важных технологических параметров. Поэтому решения операторами принимаются интуитивно, на основании субъективных оценок, опыта и знаний. Высокая зависимость от влияния человеческого фактора сказывается на общей эффективности плавильного передела, часто приводит к повышению расхода энергоносителей и снижению качества продуктов плавки.
Технологический комплекс, реализующий процесс получения медного штейна путем плавки медесодержащего сырья в печи Ванюкова Балхашского медеплавильного комбината включает печь Ванюкова, котел утилизатор и паропреобразовательную установку.
В существующей системе управления разброс содержания меди в штейне не зависит явно ни от каких управляющих переменных, например, скорости загрузки металлосодержащих, расхода кислородо-воздушной смеси, содержания кислорода в кислородо-воздушной смеси и др. Основным фактором снижения стабильности процесса плавки является неопределенность количественных значений ряда входных параметров.
На сегодняшний день в тракте загрузки печи Ванюкова находится устаревшее дозирующее оборудование, которое включает в себя систему ленточных конвейеров с тарельчатыми питателями и конвейерными весами. Выход сырья из бункера на ленточный конвейер доставляет работнику определенные трудности, так как сырье в бункере уплотняется и его приходится постоянно выбивать.
Данное оборудование не обеспечивает необходимую точность дозирования и взвешивания материалов (шихты, угля, флюсов), требуемую для стабильного ведения технологического процесса плавки меди.
Таким образом, существует необходимость модернизации автоматизированной системы управления технологическими процессами печи Ванюкова с целью обеспечения ее безопасного, непрерывного функционирования.
Для выполнения функций контроля и управления процессом дозирования и взвешивания на ПВ-1 промышленная установка будет оснащена 4 типами датчиков технологических параметров. Наиболее важными параметрами для контроля хода технологического процесса дозирования и взвешивания является: расход сырья и скорость ленты. Для измерения контроля и регулирования выбраны нижеуказанные датчики[2].
Для регулирования скорости конвейерной ленты мы будем использовать датчик типа ДКС- М30. Датчик скорости конвейерной ленты предназначен для измерения скорости движения ленточных конвейеров. Принцип работы заключается в измерении частоты вращения прижатого к ленте колеса. Вращение колеса за счет движения элементов из ферромагнитного материала вызывает генерацию импульсов индуктивного датчика. Колесо с резиновой шиной и устройство крепления обеспечивают простоту монтаж наилучший контакт датчика с лентой и амортизацию на её стыках. В датчике, установка которого показана на рисунке 1, используется необслуживаемый закрытый подшипник.

Рисунок 1 Датчик скорости ДКС-М30
ДКС представляет собой индуктивный датчик со схемой контроля частоты воздействия, управляющей выходным коммутационным элементом. Контролируемый вращающийся объект воздействует на чувствительную поверхность датчика с частотой, пропорциональной частоте вращения. Схема контроля частоты сравнивает частоту воздействия с пороговой частотой[3]. Если частота ниже, то нормально открытый (НО) коммутационный элемент замыкается, а нормально закрытый (НЗ) размыкается. Сравнение частоты, а, следовательно, и переключение коммутационного элемента становится возможным по истечении первоначальной задержки включения (tвкл), которая предназначена для разгона механизмов после подачи напряжения питания на оборудование. Технические характеристики а также схема подключения ДКС приведены на рисунке 2 и в таблице 1
Наличие напряжения на выходе датчика свидетельствует о нормальной частоте вращения, в противном случае пассивный выходной сигнал сообщает о снижении частоты ниже допустимой. Потенциометр устанавливает необходимое значение контролируемой минимальной частоты.
На диаграмме, приведенной на рисунке 3, пассивный выходной сигнал соответствует снижению частоты ниже допустимой. Необходимое значение контролируемой минимальной частоты устанавливается с помощью потенциометра. Ниже приводится диаграмма, показывающая зависимость напряжения на нагрузке датчика от частоты воздействующих импульсов.

Рисунок.2 Схема подключения ДКС с четырьмя выводами

Рисунок.3 Зависимость напряжения на нагрузке датчика от частоты воздействующих импульсов
Таблица1 Технические характеристики ДКС
Типоразмер ДКС-М30-81У-1113-ЛА.01
Схема подключения PNP
Коммутационная функция ИЛИ
Диапазон номинальных напряжений питания 12-24В
Диапазон рабочих напряжений питания 10-30В
Номинальный ток 400mAКатегория применения коммутационного элемента DC13
Защита коммутационного элемента Нет
Индикация срабатывания Есть
Регулировка частоты Есть
Температура окружающей среды -45…+80℃
Материал корпуса Латунь
Максимальная масса изделия 0,24кг
По устойчивости к климатическим воздействиям, датчик соответствует виду климатического исполнения и категории размещения В3.1а для обычного исполнения. Датчик также пригоден для эксплуатации в условий УХЛ3 в диапазоне температур от - 45 до +80°С для обычного исполнения[4].
Кроме того, для выполнения функций контроля и управления процессом дозирования и взвешивания ПВ-1 выбираем непрерывные ленточные дозаторы типа MULTIDOS BV-2080, фирмы «Шенк процесс», которые предназначены для непрерывного гравиметрического дозирования сыпучих материалов.
Стандартный объем поставки ленточного дозатора включает: автоматическое слежение за лентой; очистный скребок (снимающий инородные объекты на обратном ходе ленты); наружный очиститель ленты; статическое натяжение ленты посредством встроенных в раму натяжных винтов; компенсация влияния ленты.
Дозатор весовой конвейерный автоматический непрерывного действия с механизмом загрузки состоит из конвейера - весоизмерителя с частотным электроприводом и шкафа с системой измерения и управления на базе весового терминала и микроконтроллера. Дополнительно поставляется приемная часть дозатора (формирующая воронка) с регулируемым шибером - задвижкой и отсекающей заслонкой, а также с вибраторами для воронок.
Функции дозатора:
Дозирование сыпучих материалов в автономном режиме и в групповом режиме - в системах управления технологическими процессами;
Измерение производительности и линейной плотности дозируемого сыпучего материала;
Суммирование массы материала, прошедшего через дозатор за определенный промежуток времени.
Сигналы весовых нагрузок на ленту и скорость ее движения обрабатываются системой измерения, управления и регулирования дозатора. Сравнение фактического значения массового расхода дозируемого материала с заданным значением производится системой управления, регулирование производится изменением скорости движения конвейерной ленты, что обеспечивает поддержание требуемого расхода материала.
Использование датчика в составе системы управления освобождает ресурсы системы, в частности, память, используемую для хранения алгоритма вычисления расхода, и время, затрачиваемое на это вычисление.
Параметры ленточного дозатора приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Параметры ленточного дозатора
Наименование Значение
Производительность, т/ч 4…250
Пределы допускаемой погрешности от НПП, % ±0,5
Ширина ленты, мм400…1200
Длина транспортера, мм1850...15000
Диапазон линейных плотностей материала, кг/м 4…160
Рабочий температурный диапазон, °С-20…+45
Питание, В380, трехфазное
Потребляемая мощность, кВт 0,15…5,5
Режим работы круглосуточный
Также будем устанавливать тензометрические датчики типа HM11С300, которые будут следить за смещением бункера. Технические характеристики приведены в таблице 3.
Таблица 3 - Параметры тензометрического датчика
Наименование Значение
Класс точности С3
Номинальная чувствительность (мВ/В) 2.0+0.02
Общая ошибка (%FS) 0,02
Входное сопротивление(Ω) 450+50
Выходное сопротивление (Ω)350+3,5
Температура отклонение нуля( %FS/10°С ) 0,017
Рабочий диапазон температур, °С-35…+65
Диапазон напряжения питания (В) 5 - 12(DC)
Максимально допустимое напряжение питания (В) 18(DC)
Предельная нагрузка (%FS) 150
Разрушающая нагрузка(%FS) 300
Класс защиты IP68
Балочные тензометрические датчики типа HM11C300, зарекомендовали себя одним из массовых конструктивных устройств, применяющиеся в весоизмерении промышленных предприятий современности. Вследствие низкого профиля и высоких метрологических характеристик именно балочные тензометрические датчики применяются в промышленных системах, где важным процессом является весовое взвешивание и дозирование.
Для аэрации сырья и предотвращения залегания сырой шихты на стенку бункера будем устанавливать виброаэраторы типа VBЕ1150. Они устанавливаются на стенку бункера и соединяются с пневмолинией. При подаче давления воздух направляется в нижнюю часть бункера, отделяя продукт от стенки. Кроме того, корпус устройства из силикона создаёт небольшую вибрацию. Интенсивность воздействия можно регулировать рабочим давлением от 80кПа до 400кПа. Воздух подаётся на виброаэраторы периодически, не более чем на 5 с, благодаря чему суммарный расход остаётся небольшим, несмотря на мощное и эффективное воздействие на продукт[2]. Технические характеристики представлены в таблице 4.
Таблица 2.4 – Технические характеристики виброаэратора
Наименование Значение параметра
Рабочее давление 250 кПа
Материал изготовления силикон
Рабочая температура от -40 до 170°C
Устойчивость к абразивному износу Есть
Установка Внешняя
Система автоматизации комплекса ПВ-1 включает в себя:
– контроль необходимых параметров с целью получения информации о фактическом состоянии технологического процесса;
– автоматическое регулирование и стабилизацию основных технологических параметров с целью поддержания устойчивой работы комплекса;
– аварийную и предупредительную сигнализацию об отклонениях технологических параметров от нормы;
– управление, блокировку и сигнализацию о работе и аварийном останове системы механизмов, подающих в шихту в печь ПВ, с целью обеспечения управления с единого пульта и соблюдения правил техники безопасности;
– выдача необходимых сигналов (аналоговых и дискретных) для системы сбора и обработки информации в отделе АСУ.
Разработку функциональной схемы автоматизированной системы управления дозирования печи Ванюкова производим с учетом алгоритма работы системы. Контроль веса шихты и угля будет осуществляться весовым дозатором непрерывного действия. Принцип его действия основан на преобразовании тензометрическими датчиками величины перемещения под действием веса в электрический сигнал пропорционально нагрузке, измерении этого сигнала и сравнении его величины с заданной для каждого компонента смеси. Сигналы весовых нагрузок на ленту и скорости ее движения будут обрабатываться системой измерения. Все данные о дозировании будут накапливаться в энергонезависимой памяти контроллера, обеспечивая тем самым самоконтроль работы дозатора (см. рисунок 5 и таблицу 5, поз.10.1а-3-4а).

Рисунок 4. Конвейерный дозатор
Нагрузка на ленту q – это результат отношения силы G к расстоянию, то есть длине весового участка L. Расчет производительности получается путем перемножения величины q на скорость ленты. Интегрирование производительности за время дает суммарное количество материала, прошедшего через дозатор. Влияние ленты учитывается при помощи компенсации влияния ленты (BIC). Важное значение для надежной работы дозатора имеет загрузочное устройство, которое показано на рисунке 4. Его используем в соответствии со свойствами материала: загрузочная воронка, оптимизированная под качества сыпучего материала (шихты, угля) иƒ вибрационная воронка для зависающих материалов, а также ƒотстойная камера для псевдоожиженных материалов.
Контроль скорости конвейерной ленты будет осуществляться датчиком скорости, который предназначен для получения электрического сигнала, используемого для контроля движения и скорости ленточного конвейера. Связь датчика с лентой конвейера осуществляется путем прижатия ролика к ленте. Кабельный ввод датчика рассчитан для ввода гибкого кабеля. При движении ленты конвейера за счет сил трения между лентой и роликом вращается ротор датчика. В обмотке наводится переменная э.д.с., частота и напряжение которой прямо пропорциональны скоростям ленты и вращения ролика (см. рисунок 5 и таблицу 5, поз.10.2а).
Электроника измерения и регулирования, перемножая нагрузку на ленту q (кг/м), измеренную дозатором и скорость ленты v (м/с), измеренную датчиком скорости, получает тем самым текущую производительность m (кг/ч). С помощью частотного преобразователя регулируется скорость движения ленты (за счет изменения частоты вращения двигателя) и таким способом поддерживается постоянная производительность согласно установленному значению.
Контроль над выходом сырья из бункера будет осуществляться виброаэратором (см. рисунок 5 и таблицу 5, поз.10.5а).
Контроль за смещением бункера будет осуществляться через тензометрические датчики (см. рисунок 5и таблицу 5, поз.10.6а).
Функциональная схема локальной системы автоматизированного управления дозирования компонентов ПВ-1 показана на рисунке 5, а и б.
Таблица 5 – Параметры измерительных приборов
Номер поз Наименование параметра Диапазон Примечание
3-7б блок питания Метран-602-036-80-DIN Необходим для защиты приборов датчиков от перегрузок и коротких замыканий
3-14в блок питания Метран-611-420-420-36-1-DIN Необходим для защиты приборов датчиков от перегрузок и коротких замыканий
10-3а контроль веса угля У10-4 т/ч 10-4а контроль веса шихты 0-100 т/ч 10-1а контроль веса шихты 0-100 т/ч 10-2а Контроль скорости конвейерной ленты 0,3-0,5м/с 10-5а виброаэраторы250кПа 10-6а тензометрические датчики положения 2.0+0.02ВВ результате этой модернизации мы получим техническую возможность взвешивания и загрузки шихты и угля в агрегат ПВ-1. За счет этого повысится эффективность введения технологического процесса плавки и стабильность проплава шихты. Появится возможность регулирования состава штейна без существенных изменений по температуре плавки меди и снизятся внеплановые простои ПВ-1.

а)

б)
Рис 5- Функциональная схема а) и расположения датчиков б) локальной системы автоматизированного управления дозирования компонентов ПВ-1

Список использованной литературы
Ванюков A.B. Перспективы развития плавки в жидкой ванне различного сырья //Цв. металлы.-1985.-№ 9.-С. 7-12.
Шишов О.В. Технические средства автоматизации и управления.-М.:Инфра,2012.-397с.
Решение и характеристики системы автоматизации [Электронный ресурс] / Сайт «http:www.old.technolink.spb.ru». – Режим доступа: http://old.technolink.spb.ru/index.php?pid=356.
Кангин В.В. Аппаратное и программные средства систем управления. Промышленные сети и контролеры. –М.: Бином. Лаборатория знаний, 2010.-418с.