XXVI. ASR '2001 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 26 - 27, 2001
Paper 71
Struktura řídicího systému karuselové pece ŠPIČKA, Ivo Katedra APTM-638, VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu, Ostrava - Poruba, 708 33, Ing,
[email protected] Abstrakt: práce popisuje možnou hardwarovou a softwarovou strukturu řídicího systému průběžné ohřívací pece. Zabývá se skladbou základní úrovně řízení včetně provázání na modelovou úroveň řízení. Předložená práce vychází ze zkušeností s realizací konkrétního řídicího systému v ŽDB, a.s. v Bohumíně. Klíčová slova: ohřev, pec, systém, řídicí, model
1. Úvod Úkolem základní úrovně je řízení strojně technologického zařízení s cílem dodržení výrobního postupu. Koncepce řídicího systému vychází z rozdělení technologického procesu na jednotlivé funkčně autonomní subsystémy, jejichž společným jmenovatelem jsou data charakterizující výrobek. Od těchto dat je odvozen předpis průběhu výrobního postupu a zpětně jsou tato data doplňována údaji o skutečném průběhu technologického zpracování. Volba technických prostředků odpovídá provozním potřebám a podmínkám; volba je přizpůsobena zázemí v závodě a tedy jsou využity technické prostředky firmy TELEMECANIQUE, a to programovatelné automaty TXS řady 67, průmyslové terminály řady XBT a počítače s programovým vybavením orientovaným na řízení a monitorování technologických procesů v reálném čase typu MONITOR77 (fy. TELEMECANIQUE). Komunikace mezi subsystémy je zajištěna po sítích typu ETHWAY a UNITELWAY (fy. TELEMECANIQUE).
2. Struktura řídicího systému Řízení teplotního profilu a tepelného režimu karuselové pece je neoddělitelné od sledování materiálových toků. Tomu odpovídá struktura systému kontroly a řízení, který zajišťuje úlohy sledování toku materiálu ve vazbě na řízení teplotního a tepelného režimu karuselové pece. Sledování toku materiálu začíná zadáním parametrů operátorem malého pultu (terminál XBT) nebo velkého pultu (počítač vybavený systémem MONITOR77. Pro novou tavbu operátor zadává následující parametry: • číslo tavby, • tvářecí postup, • jakost materiálu, • hmotnostní kategorii, • rozměrovou kategorii, • pořadové číslo ingotu v tavbě. Pro další špalky pak operátor zadává pouze pořadové číslo. Výrobek je identifikován číslem tavby a pořadovým číslem v tavbě. Informace o aktuálním pohybu materiálu je udržována v procesní jednotce TSX67, vizualizace a archivace dat je realizována systémem MONITOR77. -1-
Struktura řídicího systému je postavena na subsystémech: • Subsystém stabilizace teplotního režimu karuselové pece • Subsystém sledování materiálového toku a statického modelu řízení • Subsystém modelu tepelně-teplotního řízení karuselové pece • Subsystém řízení dopravy
3. Začlenění ASŘ karuselové pece Vstupem dat charakterizujících výrobek je místo operátora malého, resp. velkého pultu. Postup výrobku od malého pultu po výjimací manipulátor je kontrolován samostatným automatem TSX67 - doprava. Pro účely řízení je sledován postup jednotlivého kusu vsázky (špalku) včetně souvisejících dat během celého zpracování výrobku. Numerická vstupní data jsou zadávána obsluhou buď pomocí průmyslového terminálu nebo osobního počítače. Technické vybavení karuselové pece Řešení vychází z technologického vybavení karuselové pece a technického vybavení zařízení silnoproudu a měření a regulace. Technologické vybavení pece je charakterizováno takto: • Počet zón 5, z toho 4 topené. • Topné médium: zemní plyn, tlak udržován autonomní plynovou regulační řadou. • Zdroj spalovacího vzduchu zajištěn 3 ventilátory, předehřev rekuperátorem. • Vytápění zón, vysokorychlostní hořáky v režimu on-off, počet hořáků v zónách: 15, 14, 16, 6 (5+1)
4. Struktura řídicího systému Pro stabilizaci teplotního režimu pece je navržen programovatelný automat TSX87. Automat zajišťuje funkce sběru dat, regulace a dvouhodnotového řízení. Styk obsluhy s řídicím systémem je realizován průmyslovým počítačem vybaveným 17“ barevným monitorem, klávesnicí, kulovým ovladačem a tiskárnou. Počítač je vybaven systémovým programovým vybavením MONITOR77 podporujícím veškeré funkce styku s obsluhou. Blokové schéma struktury řídicího systému je uvedeno na obr. 1. Návaznost na zařízení měření a regulace je provedena proudovým unifikovaným signálem 4 až 20 mA. Akční členy jsou ovládány ve spojitém režimu moduly NOTREP. Dvouhodnotové signály (vstupní / výstupní) jsou připojeny přes volné kontakty / cívky relé v napěťové úrovni 24V DC a 220V AC.
5. Subsystém stabilizace teplotního režimu karuselové pece Funkce stabilizace teplotního režimu pece tvoří základnu pro implementaci dalších subsystémů. Výbava pece měřením a regulačními okruhy a ovládáním hořáků sleduje základní cíl - dodržení teplotního profilu pece (dle zadání obsluhy nebo statického / nebo dynamického modelu řízení) při dodržení teplotní a výkonové symetrie zón a dodržení redukční, neutrální nebo oxidační atmosféry po obvodu pece, při současné bilanční kontrole spalovacích poměrů zón a pece jako celku. Zpracování analogových signálů Analogové signály jsou přivedeny na vstupy analogových karet. Signál je interně reprezentován v hodnotě 0 – 1 strojová jednotka (MU) z důvodů sjednocení měřítka jednotlivých signálů.
-2-
Regulační řada plynu Regulační stanice snižuje tlak zemního plynu z 30 kPa na provozní tlak 5 - 6 kPa. Rozvody plynu po peci jsou odděleny od regulační stanice plynu bezpečnostní plynovou klapou. Pro účely vyhodnocení spotřeby plynu a bilančního spalovacího poměru je na hlavním řádu plynu měřen tlak, teplota a množství. Rozvod plynu po peci je rozdělen do dvou větví:
• rozvody plynu pro zónu 2 + 3 (předehřívací, ohřívací) • rozvody plynu pro zónu 4 + 5 (ohřívací, vyrovnávací) • Pro jednotlivé rozvody (větve) je množství a tlak plynu měřen samostatně. Ventilátorová stanice Ventilátorová stanice je osazena 3 ventilátory: • ventilátor RVI800 jako hlavní zdroj spalovacího vzduchu • ventilátor RVI800 jako záložní zdroj spalovacího vzduchu, výkonová rezerva nebo jako zdroj vzduchu pro ejektor • ventilátor RVI630 slouží jako zdroj spalovacího vzduchu / redukovaný provoz (sobota neděle), pro regulaci teploty spalin před rekuperátorem Spalovací vzduch postupuje přes rekuperátor a dále je rozváděn do jednotlivých větví zón 2+3 a 4+5. Tlak spalovacího vzduchu je měřen na výstupu ventilátorové stanice, na výstupu rekuperátoru a v jednotlivých větvích zón 2+3 a 4+5 za regulačními klapkami. Tlak spalovacího vzduchu je regulován klapou na obtoku ventilátorů v hlavním řádu a v jednotlivých větvích rozvodu vzduchu pro zóny. Teplota spalovacího vzduchu je měřena na vnitřním a vnějším potrubním řádu rozvodu vzduchu pro jednotlivé větve zón. Regulace tlaku spalovacího vzduchu vychází z těchto požadavků:
• Minimalizovat spotřebu (zatížení) ventilátoru • Udržovat polohu regulační klap (obtok ventilátoru a regulace tlaku vzduchu pro zóny) v
optimálním rozmezí regulační charakteristiky • Zajistit minimální tlak spalovacího vzduchu za ventilátorovou stanicí (dáno nastavením minima na bezpečnostní klapě plynu) • Zajistit požadovaný tlak v rozvodu vzduchu pro zóny Tlak spalovacího vzduchu je regulován dvojstupňově. • tlak na hlavním řádu za rekuperátorem je regulován klapou v obtoku ventilátorů tak, aby polohy regulačních klap tlaku vzduchu v rozvodech aktivních zón byly ve středu svého regulačního rozsahu • tlak v rozvodech zón je regulován na základě požadavků na regulaci spalovacího poměru Úlohu zajišťují 3 samostatné regulátory, dva pro zóny a jeden reguluje tlak před a za rekuperátorem. Regulace teploty před rekuperátorem Teplota spalin je udržována za hraničních podmínek přídavkem chladicího vzduchu odebíraného ze samostatné potrubní větve na výtlaku ventilátoru RVI630. Teplota spalin před -3-
rekuperátorem je kontrolována klapou sekundárního vzduchu a udržována v technologicky přípustných mezích. Regulace tlaku / podtlaku v peci Regulace tlaku v peci je zajišťována ovládáním komínové klapy a ejektorem v komíně. Snímač tlaku je umístěn ve 4. zóně pece. Dynamika regulace je proměnná ve vazbě na informace o stavu (otevření, zavření) pecních vrat. Ovládání hořáků Hořáky jsou rozděleny do skupin podle jednotlivých zón. Činnost hořáků, zapalování, kontrola plamene a výkonový stupeň jsou voleny řídicím systémem a kontrolovány hořákovou automatikou. V případě výpadku hořáku je automatem zajišťován automatický restart. Z hlediska ovládání jsou přístupné tyto režimy: • hořák odstaven • hořák režim automat • servisní funkce; selektivní ovládání vybraného hořáku ze servisní skříňky - od hořáku Hořáky jsou zapalovány sekvenčně v takovém pořadí, aby fluktuace spotřeby spalovacích médií za jednotlivé zóny a za celou pec byla minimální.
6. Regulace vytápění pece Regulace vytápění pece je realizována v několika úrovních zahrnujících: (a) regulace příkonu zón (b) regulace teplot v zónách v režimech: • přímé zadání teplot v zónách • zadání teplot statickým modelem řízení • zadání teplot z tepelně-teplotního modelu ohřevu vsázky Hořáky jsou ovládány systémem on-off v kombinaci s volbou výkonových stupňů. Při středních výkonech je používán princip pulsní šířkové modulace, při nízkých výkonech pak princip frekvenční modulace pro spínání hořáků. Automatika pro proměnné podmínky, při zohlednění neprovozuschopných hořáků, zabezpečuje tato kvalitativní kritéria regulace příkonu zón: (a) kompenzace výkonové osové nesymetrie zón (b) příčný přenos výkonu mezi vnitřní a vnější řadou hořáků (c) časové rozložení spínání hořáků v zónách a za celou pec (v daný okamžik start max. 2 hořáků; minimalizace fluktuace tlaku spalovacích médií) Pro řízení příkonu zón v režimu TEPLOTA jsou zóny 2, 3, 4, 5 z hlediska výkonového řízení rozděleny na hořáky vnitřní a vnější. Mimo 5. zóny je pak každá ze zón dělena na dvě dílčí části po délce pece. V režimu TEPLOTA je při výkonovém řízení zón uplatňována korekce teplotní nesymetrie zón. Po délce pece jsou v působnosti každé zóny umístěny hnací hořáky za účelem dosažení rychlejší cirkulace pecní atmosféry. Hnací hořáky v jednotlivých zónách budou ve funkci, pokud příkon jednotlivé zóny nepoklesne pod 5%. Bilance spalovacích médií je kontrolována dvojstupňově - za jednotlivé zóny a za celou pec. Korekce spalovacích poměrů je realizována regulací tlaku spalovacího vzduchu pro korekci spalovacího poměru podle teoretické teploty povrchu materiálu (režim dynamického modelu řízení). -4-
Teplota v zónách je stabilizována regulací příkonu zón na teplotě určené: • obsluhou pece • okrajovými podmínkami (teplotní gradient) • statickým modelem řízení pece • dynamickým tepelně-teplotním modelem ohřevu materiálu.
7. Sledování materiálových toků Sledování materiálových roků se dá rozdělit na čtyři úseky:
• • • •
Příprava vsázky Vstup pece Výstup pece Vlastní karuselová pec
Příprava vsázky pro karuselovou pec se děje na terminálu malého pultu. Obsluha malého pultu zadává potřebné údaje o vsázce. Jde o následující údaje: • číslo tavby • tvářecí postup • skutečná hmotnost • hmotnostní dimenze • pořadové číslo špalku • jakost
8. Statický model řízení Statická část modelu řízení tvoří mezivrstvu mezi základní úrovní řízení stabilizačního typu, koordinační úrovní procesu (materiálové vstupy a jejich klasifikace, sledování toku materiálu) a jádrem modelu dynamického řízení pece. Statický model řízení vyhoví za ustálených a málo se měnících provozních podmínek a je tvořen následujícími funkčními moduly. Modul klasifikace materiálových vstupů Modul zařazuje materiál charakterizovaný hmotnostní dimenzí, jakostí, tvářecím postupem a číslem tavby do jednotlivých skupin, jimž jsou přiděleny okrajové podmínky ohřevu a ohřevové křivky. Modul zpřístupňuje databázi klasifikovaných skupin materiálů (DTP) a jim přiřazených parametrů ostatním výpočtovým modulům. Modul vyhodnocení teplotního pole Modul provádí aproximaci průběhu teplot příčně a po délce pece vzhledem k poloze materiálu v peci. Průběh teplot po délce a průřezu pece využívá informací o teplotě v jednotlivých zónách spolu s redundancí zajištění těchto informací pro potřeby modelu. Obsluha je informována o aktuálním teplotním profilu pece. Modul sledování materiálového toku Modul aktualizuje na základě materiálových vstupů a kroku pece obraz obsazení pece materiálem. Mimo udržování informací o klasifikaci materiálu z hlediska potřeb tepelněteplotního modelu bude provedena operativní evidence obsazení pece materiálem, charakterizovaná číslem tavby, číslem špalku a rozměrem (...). Modul sledování toku materiálu vede evidenci doby pobytu každého špalku v peci ve vazbě na teplotu pecního prostředí a polohu špalku po obvodu pece. Vstupy a výstupy modulu budou provázány na celkové globální sledování materiálových toků v úseku operátor malého pultu - výstup karuselové pece s jednoznačným přiřazením teploty tažení (nebo dotvářecí teploty) konkrétnímu špalku. -5-
Modul statického řízení teplot zón pece. Koncepce zaručuje přidělování teplot zónám v závislosti na příslušnosti materiálu ke klasifikovaným třídám - ohřevovým křivkám pro normální a subnormální provozní stavy ve vazbě na DTP. Modul zohledňuje změnu sortimentu po obvodu pece a provádí korekci žádaných teplot zón pece pro odchylky -40/+20% standardní kadence ohřevu - odběru materiálu. Modul bilance spotřeby Modul bilance spotřeby směsného plynu a vyhodnocení měrné spotřeby pro klasifikované materiálové vstupy.
9. Dynamický model tepelně-teplotního řízení pece Dynamický model řízení navazuje na základní vrstvu statického modelu s tím, že za podmínky vyhovující konsistence dat přebírá funkci modulu statického řízení teplot pecního prostředí. Použitý matematický model průběžně aktualizuje žádané hodnoty teplot pecního prostředí tak, aby materiál (dle klasifikace), při dodržení zadané křivky ohřevu, byl na výstupu pece dosažitelný v předpokládané době a s požadovanou teplotou. Snížení měrné spotřeby paliva je možné dosáhnout zejména důslednou kontrolou žádaných teplot zón během přechodových stavů, tzn. kontrolou příkonu pecních zón během dynamicky se měnících podmínek ohřevu a provozních prostojů. Dynamický model bude zohledňovat smíšené osazení pece materiály různých tvářecích postupů a hmotnostních kategorií. Použití modelu podstatně ovlivňuje požadovaný teplotní profil pece v závislosti na obsazení pece materiálem, dobou pobytu a požadované teplotě tažení. Pro různé provozní stavy pak použití modelu potlačuje rozdělení pece na jednotlivé zóny a při delší době pobytu vede ke zkracování aktivní délky pece. Dynamický model řízení je tvořen následujícími moduly. Modul predikce doby ohřevu Modul predikce doby ohřevu materiálu vychází z údajů modulu sledování materiálového toku a z průběžně adaptovaných parametrů charakterizujících vztah doby ohřevu (taktu tváření) a tvářecího postupu. Modul adaptuje průběžně své parametry pouze pro normální provozní stavy. Modul výpočtu teploty materiálu Modul výpočtu teploty materiálu na základě matematického modelu ohřevu, ve vazbě na modul sledování materiálového toku a modul vyhodnocení teplotního profilu pece vypočítává pro daný materiál po každém kroku pece, minimálně však co 5 minut, teplotu povrchu a středu špalku. Pro potřeby tvářecí tratě modul vyhodnocuje počet špalků připravených k tažení. Modul výpočtu žádané teploty zón Modul výpočtu žádané teploty zón pece rozlišuje provozní stavy výroba, provozní prodleva a predikovaná provozní prodleva.
-6-
Obrázek 1 – struktura řídicího systému
10. Závěr Více než čtyřletá zkušenost s provozováním konkrétního řídícího systému v závodě Železničního dvojkolí v ŽDB a. s. ověřila životaschopnost zvolené koncepce.
11. Literatura ŠPIČKA, I. Návod pro obsluhu karuselové pece, ELDAT a. s., Ostrava 1996 OBROUČKA, K. Ověření a posouzení průběhu ohřevu vsázky v karuselové peci, Závěrečná zpráva. EKO-THERM Ostrava, 1997 VROŽINA, M. Určení optimálního řízení ohřevu masivních těles v průběžné peci, kandidátská disertační práce. VŠT Košice, 1978
-7-
