Разработка автоматизированной системы управления сбором и отображением информации на установке продувки азотом

Разработка автоматизированной системы управления сбором и отображением информации на установке продувки азотом

АННОТАЦИЯ

Пояснительная записка к дипломному проекту "Разработка автоматизированной системы управления сбором, обработкой и отображением информации на установке продувки стали азотом (аргоном) электросталеплавильного цеха №2 общества с ограниченной ответственностью
"Сталь Кузнецкого металлургического комбината".

Дипломный проект по специальности "Технология, математическое обеспечение и автоматизация литейных процессов (110403). – Новокузнецк,
2002. – 113с. Табл.18, ил. 25, источников 36, приложений 1, чертежей 6 листов.

Ключевые слова: автоматизированная система, сбор, обработка и отображение информации, алгоритм, модель, установка продувки стали азотом
(аргоном), технология, представление информации, химический состав, экономический эффект.

Объектом исследования является процесс обработки металла на установке продувки стали азотом (аргоном) (УПСА).

В дипломном проекте проведено изучение технологии обработки стали в ковше применительно к ООО "Сталь КМК" с целью снижения экономических затрат на осуществление вышеуказанного процесса.

В работе проведен ряд технологических исследований для создания подсистемы автоматизированной системы управления технологическим процессом
УПСА.

Исполнитель

Карпинский А.В.

THE SUMMARY

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 6
1 ХАРАКТЕРИСТИКА ЗАВОДА, ПОТОКОВ СЫРЬЯ И ГОТОВОЙ ПРОДУКЦИИ 8
1.1 Характеристика металлургического комплекса дочерних предприятий ОАО
"КМК" 8
1.2 Характеристика электросталеплавильного производства 13
1.3 Характеристика ДСП – 100И7 15
1.4 Характеристика УПСА 20
1.5 Постановка задачи 24
2 РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ СБОРА, ОБРАБОТКИ И ОТОБРАЖЕНИЯ
ИНФОРМАЦИИ НА УПСА 25
2.1 Проверка достоверности и восстановления первичной информации на УПСА
25
2.2 Математическое описание 28
2.3 Анализ работы алгоритма оценки достоверности и восстановления первичной информации 34
2.4 Оценка и контроль масс дозируемых материалов 40
2.5 Алгоритм распознавания свищей продувочной фурмы 48
3 ТЕХНИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ СБОРА, ОБРАБОТКИ И
ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ НА УПСА 58
3.1 Общая техническая структура АСУ ТП УПСА 58

3.1.1 Обоснование и краткая характеристика основных решений по функциональной и обеспечивающей частям АСУ ТП УПСА 58

3.1.2 Назначение АСУ ТП УПСА 62

3.1.3 Описание параметров, использующихся в АСУ ТП УПСА 63
4 ОТОБРАЖЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ В АСУ ТП УПСА 69
5 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 78
6 ОХРАНА ТРУДА И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ 85
6.1 Анализ условий труда на объекте проектирования 85

6.1.1 Анализ условий труда на УПСА в ЭСПЦ-2 ООО "Сталь КМК" 85
6.2 Мероприятия по безопасности труда при эксплуатации УПСА 93
6.3 Мероприятия по производственной санитарии 97
6.4 Пожарная безопасность 101
6.5 Охрана окружающей среды 103
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 107
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ 108
ПРИЛОЖЕНИЕ А 111
Мероприятия при чрезвычайных ситуациях 111

ВВЕДЕНИЕ

Сложившаяся в настоящее время экономическая ситуация требует от предприятий черной металлургии выпуска продукции, конкурентоспособной на внутреннем и внешнем рынках. Конкурентоспособность во многом определяется стоимостью и качеством продукции, что в свою очередь обусловлено применяемой технологией, контролем за точностью ее соблюдения, а также количеством и стоимостью используемых в работе материалов.

Сегодня, как правило, технология производства стали предполагает использование внепечной обработки металла в том или ином виде, от простейших установок до агрегатов комплексной обработки стали с вакуумированием.

При использовании агрегатов внепечной обработки стали осуществляется доведение металла по химическому составу и корректировка его температуры путем подачи ферросплавов и продувки инертным газом. При этом ставится задача экономного расходования корректирующих добавок и более точного попадания в узкие пределы по химическому составу, чем на основном технологическом агрегате.

В составе электросталеплавильного цеха №2 ООО "Сталь КМК" работают две установки продувки стали азотом (аргоном) – УПСА. Планируется произвести демонтаж недостроенного агрегата комплексной обработки стали (АКОС) и начать строительство нового АКОС, удовлетворяющего современным требованиям.

Анализ технологии, применяемой при работе агрегатов внепечной обработки стали, показал, что необходимо вести более точный контроль за сбором и обработкой информации о состоянии металла и оперативно представлять эту информацию операторам в виде различного рода графиков и таблиц с использованием предыстории процесса.

Поэтому в работе было выбрано практическое направление – создание подсистемы автоматизированного сбора, обработки и отображения информации в рамках общей автоматизированной системы управления технологическим процессом УПСА (АСУ ТП УПСА).

Для возможности создания автоматизированной системы требовалось провести ряд технологических исследований с использованием паспортных данных, данных автоматизированного сбора информации и специальной регистрации при наблюдении за процессом обработки металла в ковше. Для исследования рассматривали температуру металла при поступлении на УПСА, угоревшие массы материалов, время обработки в ковше и другое.

После проведенных исследований появилась возможность проведения сбора, обработки и отображения информации на УПСА по определенным алгоритмам, используемым в автоматизированной системе управления.

1 ХАРАКТЕРИСТИКА ЗАВОДА, ПОТОКОВ СЫРЬЯ И ГОТОВОЙ ПРОДУКЦИИ

1.1 Характеристика металлургического комплекса дочерних предприятий ОАО

"КМК"

В состав металлургического завода входят следующие подразделения: коксохимическое, доменное, сталеплавильное, прокатное, цехи отдела главного механика, цехи отдела главного энергетика, автотранспортный цех, ремонтно- строительные цехи, цехи металлоизделий.

КОКСОХИМПРОИЗВОДСТВО (КХП)

В состав КХП входят следующие цехи: углеподготовительный, коксовый, цехи улавливания.

Углеподготовительный цех имеет в своем составе угле приемные ямы, вагоноопрокидыватель, два отделения окончательного дробления углей, два дозировочных отделения, смесительные отделения и четыре угольные башни, конвейеры для транспортировки углей и шихты с галереями и мостами.

Коксовый цех состоит из восьми коксовых батарей. Период коксования на батареях 1…6 – 14,7ч. На коксовой установке девять углезагрузочных вагонов, девять коксовыталкивателей, семь коксотушильных вагонов, восемь электровозов, десять двересъемных машин. Тушение кокса осуществляется в четырех тушильных башнях автоматически по программе. Фенольная вода после биохимочистки подается на тушение кокса непосредственно насосами. В цехе три коксосортировки, где кокс разделывается на следующие классы: 40мм, 25-
40мм, 10-15мм, 0-10мм.

Цех управления №1 состоит из следующих отделений: конденсация газа, машинного, аммиачно–перидинного, сульфатного, обезвоживания смолы, бустерной станции и обесфеноливающей установки. Продукцией цеха является аммиак и сульфат аммония. Цех управления №2 включает отделения окончательного охлаждения газа и улавливания бензола. В цехе имеется два нафталинопромывателя пластинчатого типа для промывки вод от нафталина.
Продукцией цеха является бензол и каменноугольная смола.

ДОМЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО

В состав доменного производства входят пять печей, в том числе, объемом 1310м3 - четыре (в настоящее время печь №1 законсервирована),
1719м3 – одна. Общий полезный объем доменных печей по цеху 6959м3.

Для транспортировки чугуна и шлака используются чугуновозные ковши емкостью до 100 т и шлаковозные ковши емкостью 11-16м3.

СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

В состав сталеплавильного производства входят следующие цехи: мартеновский №1, №2 (в настоящее время оба цеха объединены в один сталеплавильный цех); электросталеплавильный №1, №2; копровый, цех подготовки составов.

Копровый цех состоит из пяти производственных участков, где осуществляется разделка скрапа до габаритных размеров.

ПРОКАТНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Прокатное производство включает в себя цехи: обжимной с блюмингом 1100 и последовательно расположенным заготовочным станком 900; рельсобалочный; цех рельсовых скреплений; среднесортный с шаропрокатным станом; листопрокатный; сортопрокатный со станами 750, 450, 360, 280 и тонколистовой стан 1000.

Обжимной цех. Для обработки товарной заготовки, прокатываемой обжимным цехом, имеется отдельный пролет с двумя мостовыми кранами грузоподъемностью
10т. каждый. Заготовки для всех прокатных станов (за исключением рельсобалочного) передаются из обжимного цеха на железнодорожных вагонах.

Рельсобалочный стан выпускает рельсы длиной 25 и 12,5м с закаленными концами. Закалка производится на горячих стеллажах водоструйными аппаратами, используется тепло, оставшееся после прокатки. После закалки рельсы поступают в короба замедленного охлаждения. Загрузка и выгрузка рельсов производится мостовыми кранами с электромагнитами грузоподъемностью
15т. Для отделки длинномерных рельсов и других видов проката имеется отделение отделки проката, рельсов с проектной производительностью 750000 т/год, в котором установлены две правильные машины, три вертикально- правильных пресса, два горизонтально-правильных цеха, четыре поточных автоматических линии с шестнадцатью сверлильно-фрезерными станками, пила холодной резки. Для уборки и погрузки прокатной продукции имеется четыре электромостовых крана. Кроме того, для отделки рельсов и других видов проката имеется рельсоотделочная мастерская, в которой установлены две правильные машины, четыре штемпельных пресса и четырнадцать сверлильно- фрезерных станков.

Листопрокатный цех. Склад слябов занимает часть соседнего со станом пролета. Склад обслуживается двумя мостовыми кранами. В пролете стана установлены: а) правильная одиннадцативалковая машина для правки листов толщиной 5-12мм; б) дисковые ножницы; максимальная толщина разрезаемых листов на дисковых ножницах – 25мм, на гильотинных ножницах-25мм. В пролете склада готовой продукции, смежным со становым, имеются два магнитных крана грузоподъемностью 15т. Имеется термическое отделение с четырьмя камерными печами с вытяжным подом, с тремя мостовыми кранами грузоподъемность 10т.
Травление листов производится в травильном отделении, имеющем четыре кислотных ванны, одну промывочную ванну и три мостовых крана грузоподъемностью по 5т. Здесь же расположена площадка для зачистки поверхности листов ручными машинками.

ЦЕХИ УПРАВЛЕНИЯ ГЛАВНОГО МЕХАНИКА (УГМ)

В УГМ входят следующие цехи: литейный, ремонтно-механический, сварочная лаборатория. Литейный цех включает следующие участки: участок производства изложниц, участок чугунного фасонного и машинного литья, участок стального фасонного и машинного литья, участок цветного литья, участок производства прокатных валков, участок отливки пробок для изложниц, участок мартеновского производства, подготовки и хранения шихтовых материалов, рубки изложниц, чугунного. Для обеспечения производства жидким металлом в цехе имеются: две вагранки производительностью 14т/ч, одна вагранка производительностью 57т/ч, две электропечи “Детройт” емкостью по
500 кг, электросталеплавильная печь, мартеновская печь емкостью 30 т, электросталеплавильная печь ДСП-10 емкостью 10 т. В цехе 33 мостовых крана.
Имеется модельное отделение.

ЦЕХИ УПРАВЛЕНИЯ ГЛАВНОГО ЭНЕРГЕТИКА (УГЭ)

В состав УГЭ входят следующие цехи: теплоэлектроцентраль, газовый, цех водоснабжения, электроремонтный, технологической диспетчеризации.

УПРАВЛЕНИЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Железнодорожный транспорт завода примыкает к станциям Новокузнецк пассажирская и Новокузнецк сортировочная Западно-Сибирской железной дороги.

АВТОТРАНСПОРТНЫЙ ЦЕХ

Использует автотранспорт для внутренних перевозок, для обеспечения цехов различными материалами, оборудованием, запчастями, а так же материалами для выполнения строительных работ.

ЦЕХИ ПРОИЗВОДСТВА ТОВАРОВ НАРОДНОГО ПОТРЕБЛЕНИЯ

Цех эмалированной посуды выпускает железную эмалированную посуду: бидоны, ведра с крышками, кастрюли, кофейники, кружки питьевые, миски, тазы, тарелки, чайники и пр. Проектная мощность цеха 10000т. в год.

Имеется цех сложнобытовой техники.

1.2 Характеристика электросталеплавильного производства

Электросталеплавильный цех - 2 (ЭСПЦ - 2) ООО "Сталь КМК" представляет собой сложный технологический комплекс, состоящий из ряда взаимосвязанных агрегатов. Цех имеет в своем составе две электропечи по 100т каждая. Кроме того, цех оснащен двумя сортовыми машинами непрерывного литья заготовок
(МНЛЗ), каждая из которых имеет четыре ручья. Перед отправкой на МНЛЗ металл обрабатывается на установках продувки стали азотом/аргоном (УПСА). В настоящее время строится агрегат комплексной обработки стали (АКОС), который позволит в дополнение к УПСА подогревать металл и осуществлять большее количество операций по доводке стали до требуемого качества в ковше. Связи агрегатов, основные технологические потоки показаны на рис.1.

Описание действующей и проектируемой технологии в ЭСПЦ - 2 далее приводится по агрегатам.

Рисунок 1 – Технологическая схема ЭСПЦ-2

1.3 Характеристика ДСП – 100И7

Дуговая электропечь ДСП - 100И7 используется в составе электросталеплавильного комплекса (ДСП - 100, УПСА, АКОС - 100, МНЛЗ) (см. рисунок 1), где использованы технологические и организационные решения, направленные на достижение устойчивой предельной производительности всей технологической цепочки в целом, а именно - выплавка стали, осуществляется в двух технологических взаимосвязанных агрегатах: дуговой сталеплавильной печи и агрегате внепечной обработки стали.

В ДСП выплавляют быстрорежущие, инструментальные, конструкционные, нержавеющие, трансформаторные, жаропрочные, шарикоподшипниковые и другие стали.

В ДСП осуществляется расплавление скрапа и кислородная продувка жидкой ванны с последующей короткой доводкой (или вообще без доводки) металла по химическому составу и температуре. Печной шлак не участвует в рафинировании стали и скачивается из печи перед сливом металла. По окончании окислительного периода плавки полученный полупродукт выпускается из печи в тигель-ковш, где и осуществляется окончательная доводка стали до заданной марки.

Использование ДСП - 100 для процессов плавления шихты и окисления примесей жидкой ванны обеспечивает выпуск стандартного полупродукта для различных марок стали, при этом сокращается время выдержки жидкого металла в печи, уменьшается износ футеровки и повышается производительность печи.

Печь ДСП - 100 имеет следующие основные параметры:

|емкость номинальная, т |100 |
|мощность трансформатора, МВ |7.5 |
|пределы вторичного напряжения, В |(761-654)-250 |
|диаметр электрода, мм |610 |
|время расплавления под током, мин | Z (2) >…> Z (N) .

Алгоритм релейно-экспоненциального сглаживания в формульной записи имеет вид:

[pic] (3)

[pic] (4)

где Z(i) - значение контролируемой величины в текущий (i - ый) момент времени;

[pic](i) - сглаженное значение Z(i);

( – настроечный коэффициент сглаживания;

( – функция «срезки»; sgn - знаковая функция (функция образования знака).

Алгоритм контроля информации представлен на рисунке 3.

Работа алгоритма оценки достоверности и восстановления первичной информации заключается в следующем. При поступлении исходной информации производится распознавание параметра, т.е. назначение измеренной величины – температура, химический анализ, и т.п. (блок 2), после чего производится вычисление диапазона, в котором в котором может изменяться измеренная величина (блок 3). Выбор базового значения [pic] - это ответственная работа, оказывающая большое влияние оценку достоверности информации. После контроля наличия измеряемой величины (блок 4), при ее наличии, производится вычисление сглаженного значения (блок 7). Значение коэффициента l2j выбирается для каждого параметра индивидуально и влияет на степень сглаживания сигнала – чем меньше значение l2j, тем более гладкой оказывается кривая сглаженного сигнала. В блоке 8 данного алгоритма производится фильтрация грубых выбросов измеряемого параметра на основе
"коридора", рассчитанного в блоке 3. В случае непопадания поступившего параметра в диапазон (блок 3), выдается сообщение о неверности полученного значения (блок 9) и выдается запрос на повторный ввод (блок 10). Если полученные данные не удовлетворяют условиям блока 11, то выдается сообщение о недостоверности полученного значения (блок 12) и происходит восстановление первичной информации, то есть текущему сглаженному значению присваивается значение предыдущего сглаженного значения (блок 16), и расчет переходит к блоку 6. В случае удовлетворительного прохождения измеренной величины через блок 8 производится проверка "гладкости" сглаженного сигнала
(блоки 14 и 15). Значения коэффициентов l1j и l3j также выбираются для каждого параметра индивидуально. В случае неудовлетворения данных условиям блоков 14 и 15 выдается соответствующее сообщение оператору (блок 13), после чего производится восстановление первичной информации (блок 16).

При отсутствии измеряемого параметра (блок 4) происходит присвоение текущему измеряемому параметру значения предыдущего сглаженного значения
(блок 5), после чего происходит переход к блоку 6.

В блоке 6 производится проверка количества контролируемых параметров заданному числу, и, в случае контроля всех параметров, производится запись данных в массив (блок 17), иначе работа алгоритма начинается заново.

Рисунок 3 – Алгоритм оценки достоверности и восстановления первичной информации

2.3 Анализ работы алгоритма оценки достоверности и восстановления первичной информации

Для проверки работы алгоритма воспользуемся данными, содержащимися в паспорте обработки плавки на УПСА. Численные значения данных, содержащихся в обрабатываемых массивах, представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Входные данные, обрабатываемые алгоритмом
| |С |Mn |Si |
|1 |2 |3 |4 |
|0 |0.697 |23 |1.2 |
|1 |0.749 |24 |1.17 |
|2 |0.810 |25 |1.2 |
|3 |0.855 |26 |1.751 |
|4 |0.910 |27 |0.99 |
|5 |0.951 |28 |0.946 |
|6 |1.015 |29 |0.905 |
|7 |1.08 |30 |0.851 |
|8 |1.03 |31 |0.825 |
|9 |1.09 |32 |0.77 |
|10 |1.14 |33 |0.72 |
|11 |1.21 |34 |0.66 |
|12 |1.17 |35 |0.68 |
|13 |1.27 |36 |0.665 |
|14 |1.165 |37 |0.69 |
|15 |1.12 |38 |0.705 |
|16 |1.169 |39 |0.73 |
|17 |1.215 |40 |0.72 |
|18 |1.26 |41 |0.7 |
|19 |1.33 |42 |0.72 |
|20 |1.28 |43 |0.74 |
|21 |1.32 |44 |0.755 |
|22 |1.26 |45 |0.753 |
Таблица 5 – Результаты обработки весовой кривой по методу текущего среднего
|(, мин |Значение массы m при |Значение массы m при |
| |n=5 |n=7 |
|1 |2 |3 |
|0 |0.647 |0.677 |
|1 |0.710 |0.694 |
|2 |0.754 |0.696 |
|3 |0.804 |0.693 |
|4 |0.855 |0.680 |
|5 |0.908 |0.677 |
|6 |0.962 |0.669 |
|7 |0.997 |0.661 |
|8 |1.033 |0.667 |
|9 |1.071 |0.689 |
|10 |1.110 |0.719 |
|11 |1.130 |0.759 |
|12 |1.196 |0.805 |
|13 |1.211 |0.855 |
|14 |1.207 |0.910 |
|15 |1.199 |0.950 |
|16 |1.208 |0.99 |
|17 |1.186 |1.031 |
|18 |1.219 |1.074 |
|19 |1.251 |1.105 |
|20 |1.281 |1.156 |
|21 |1.290 |1.168 |
|22 |1.278 |1.186 |
|23 |1.246 |1.192 |
|24 |1.214 |1.203 |
|25 |1.160 |1.210 |
|26 |1.106 |1.233 |
|27 |1.055 |1.220 |
|28 |1.002 |1.246 |
|29 |0.949 |1.262 |
|30 |0.903 |1.260 |
|31 |0.859 |1.240 |
|1 |2 |3 |
|32 |0.814 |1.200 |
|33 |0.765 |1.159 |
|34 |0.731 |1.105 |
|35 |0.699 |1.055 |
|36 |0.683 |1.005 |
|37 |0.680 |0.955 |
|38 |0.698 |0.905 |
|39 |0.708 |0.858 |
|40 |0.719 |0.811 |
|41 |0.721 |0.773 |
|42 |0.725 |0.739 |
|43 |0.723 |0.716 |
|44 |0.728 |0.699 |
|45 |0.735 |0.696 |

Таблица 6 – Результаты обработки весовой кривой робастным алгоритмом
|(, мин |Скорость изменения |Значение массы m |
| |показаний, кг/с | |
|1 |2 |3 |
|0 |4.00 |0.57 |
|1 |5.00 |0.66 |
|2 |6.00 |0.76 |
|3 |6.4 |0.84 |
|4 |6.46 |0.90 |
|5 |6.24 |0.96 |
|6 |6.21 |1.02 |
|7 |6.17 |1.08 |
|8 |5.17 |1.09 |
|9 |4.62 |1.11 |
|10 |4.38 |1.15 |
|11 |4.52 |1.20 |
|12 |3.74 |1.21 |
|13 |4.74 |1.30 |
|14 |3.74 |1.29 |
|15 |2.74 |1.28 |
|16 |1.74 |1.26 |
|17 |1.18 |1.25 |
|18 |1.18 |1.26 |
|19 |1.76 |1.30 |
|20 |1.38 |1.30 |
|21 |1.45 |1.32 |

[pic]

Рисунок 7 – Результаты обработки кривой методом текущего среднего

[pic]

Рисунок 8 – Результаты обработки весовой кривой методом робастной фильтрации

2.5 Алгоритм распознавания свищей продувочной фурмы

В процессе продувки расплава происходит заметалливание сопла фурмы, то есть намораживание своеобразной металлической диафрагмы на конце трубы с постепенно уменьшающимся отверстием по мере продолжения продувки.
Заметалливание образуется и разрушается непрерывно в течение всей продувки.
По мере роста заметалливания давление перед фурмой растет, так как гидравлическое сопротивление сопла увеличивается. При частичном разрушении
(размывании расплавом) заметалливания давление падает. Полное разрушение заметалливания имеет место, как правило, лишь при укорочении фурмы, когда часть фурмы вместе с заметалливанием на конце отделяется от оставшейся части. При отделении части фурмы давление быстро снижается, так как укорочение фурмы при ее закрепленном положении в ковше ведет к снижению металлостатического напора. Перед отделением ковша в фурме обязательно возникают один или несколько свищей.

При частичном разрушении заметалливания либо при образовании небольших свищей газового тракта (при их зарождении) распознавание последних затруднено. Это связано с тем, что их зарождение имеет близкий по характеру отклик на кривой давления к появлению эффекта частичного разрушения заметалливания. В обоих случаях наблюдается снижение давления не ниже глобального минимума давления Рmin.

Задача распознавания зарождающихся свищей газового тракта при отсутствии стабилизатора давления может быть решена с использованием пробных воздействий по положению фурмы. При значительном снижении давления фурма приподнимается на расчетное значение (Нм и анализируется дискретный аналог производной давления по величине перемещения:

Страницы: 1, 2, 3, 4