Hазработка системы регулирования, контроля и регистрации потребления энергоносителей печью скоростного нагрева
1ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯЧАСТЬМировой рынокпредъявляетвсе более высокиетребованияк показателямкачества опорныхвалков прокатныхстанов (твердость,глубина закаленногослоя, распределениеостаточныхнапряжений).
Известныследующиетехнологиизакалки прокатныхвалков: в электромасляныхваннах, токамипромышленнойчастоты, токамивысокой частоты,регулируемымохлаждениемводой, водовоздушнойсмесью и др.
Одним из такихпроцессовявляетсядифференцированнаятермическаяобработка (вдальнейшем– ДТО) опорныхвалков прокатныхстанов. Технологическийпроцесс ДТОнаправлен наснижение энергозатратпри нагревевалка до температурызакалки за счетнагрева невсего объемавалка, а лишьповерхностного(закаливаемого)слоя.
С
утьДТО заключаетсяв следующем(схема и этапырежима ДТОприведены нарисунке 1):
Рисунок 1.1 -Схема и этапырежима ДТО
Этап 1 – предварительныйподогрев валка.
Производитсяв термическойпечи с выкатнымподом с цельюперевода материаласердцевинывалка в болеепластичноесостояние,способноевыдержатьвысокие растягивающиенапряженияпри последующеминтенсивномнагреве в печискоростногонагрева (в дальнейшем– ПСН).
Рациональнаясреднемассоваятемпературапредварительногоподогрева длявсех типоразмероввалков находитсяв пределахТп500С.При более низкихтемпературахвелика опасностьразрушениявалка при быстромнагреве бочкииз-за недостаточнойпластичностислабо прогретойсердцевинывалка. С ростомтемпературыпредварительногоподогреваповышаютсяостаточныенапряженияпосле ДТО и,следовательно,растет вероятностьразрушениявалка послеокончаниярежима. Требуемаяравномерностьтемпературыпечи в концеподогрева 5С.
Этап 2 – градиентныйнагрев в ПСН.
Параметрынагрева валкаопределяютсямаркой стали,требованиямипо глубинеактивного(закаленного)слоя, уровнемтрещиностойкостиметалла центральнойчасти валкаи размерамивозможныхдефектовметаллургическогопроисхождения.
Оптимальнаятемпературанагрева Тнвыбираетсяиз расчетаполучить максимальнуюзакаливаемость,т.е. максимальнуютвердостьструктуры,образующейсяв поверхностномслое валка призакалке. Оптимальныйрежим нагревасостоит измаксимальноинтенсивногонагрева поверхностибочки до температурыТн ивыдержке приданной температуредо прогревана заданнуюглубину. Ограничитьинтенсивностьнагрева могутлибо возможностиоборудования(мощность ПСН)либо высокиерастягивающиенапряжения,которые возникаютв центральнойзоне валка приинтенсивномнагреве.
Этап 3 – выдержкадля обеспеченияпрогрева бочкивалка на заданнуюглубину в ПСН.
Продолжительностьвыдержки приподдержаниитемпературыбочки валкана уровне температурынагрева Тнзависти отжелаемой глубиныпрогреваповерхностногослоя. В своюочередь, оптимальнаявеличина прогревазависит отпрокаливаемостистали и интенсивностидальнейшегоохлаждения.
Этап 4 – транспортировкавалка из ПСНв спрейернуюустановку.
Продолжительностьпереноса валкаиз ПСН к спрейернойустановкедолжна бытьсведена к минимуму.Это обусловленотем, что на воздухеповерхностныйслой валкабыстро теряеттепло.
Этап 5 – интенсивноеводяное охлаждениев спрейернойустановке.
Производитсяс максимальновозможнойплотностьюорошения сцелью формированиянаиболееблагоприятнойструктуры имаксимальнойглубины активногослоя.
Этап 6 – мягкоерегулируемоеводовоздушноеохлаждениев спрейернойустановке сотогревомповерхности.
На этом этапепродолжаетсяпринудительныйтеплосъем споверхностивалка тепловогопотока, поступающегоиз внутреннихслоев. Продолжительностьводовоздушногоохлажденияопределяетсяпо условиюдостижениясреднемассовойтемпературывалка Т0(температурыкопежа).
Этап 7 – отпускв печи с выкатнымподом.
Температураи продолжительностьотпуска определяютсяисходя из требованийна твердостьбочки валка.
Новокраматорскиймашиностроительныйзавод – лидеротечественногомашиностроения– являетсяодним из ведущихпоставщиковвалков прокатныхстанов как дляУкраины, таки в страны ближнегои дальнегозарубежья.Заводом успешноосвоены перечисленныевыше технологии.
ТехнологияДТО реализованана участке ДТО,который включаетв себя дветермическиепечи с выкатнымподом, печьскоростногонагрева, спрейернуюустановку.
Автоматизированнаясистема управлениятехнологическимпроцессом ДТОпостроена набазе оборудованияфирмы «SIEMENS»по иерархическойструктуре.
Теоретическиесведения обэтапе дифференцированной
термическойобработкипрокатныхвалков - градиентном
нагреве впечи скоростногонагрева
Параметрынагрева валкаопределяютсямаркой стали,требованиямипо глубинеактивного слоя,уровнем трещиностойкостиметалла центральнойчасти валкаи размерамивозможныхдефектовметаллургическогопроисхождения.Рассмотримболее подробнофакторы, влияющиена выбор параметровнагрева.
Оптимальнаятемпературанагрева ТНвыбираетсяиз расчетаполучить максимальнуюзакаливаемость,т.е. максимальнуютвердостьструктурымартенситаи остаточногоаустенита,образующейсяв поверхностномслое валка призакалке. С ростомтемпературынагрева ТНв легированныхвалковых сталяхувеличиваетсястепень растворениякарбидов и, какследствие,повышаетсяпрокаливаемостьстали и твердостьмартенситнойматрицы. Но приэтом одновременноувеличиваетсясодержаниеостаточногоаустенита взакаленнойструктуре, чтоведет к снижениютвердости.Действие этихдвух противоположнонаправленныхфакторов приводитк появлениюмаксимума накривой зависимоститвердостизакаленнойструктуры стализаданногосостава оттемпературынагрева.
Дополнительнымфактором, которыйограничиваетТНсверху, являетсяотрицательноевлияние перегревана рост зерна аустенита и,следовательно,огрублениеструктурымартенситапосле закалки.Кроме того,повышениетемпературынагрева увеличиваетуровень максимальныхрастягивающихостаточныхнапряжений.Для стали 90ХФоптимальнойтемпературойнагрева приДТО являетсяТН920С,для стали 75ХМТН950С.
Оптимальныйрежим нагревасостоит измаксимальноинтенсивногонагрева поверхностибочки до температурыТН ивыдержке приданной температуредо прогревана заданнуюглубину вышетемпературыаустенизацииАС3.Ограничиватьинтенсивностьнагрева могутлибо возможностиоборудования(мощность печискоростногонагрева - ПСН),либо высокиерастягивающиенапряжения,которые возникаютв центральнойзоне валка приинтенсивномнагреве.
KOBE STEEL (предприятие-разработчиктеории дифференцированнойтермическойобработкипрокатныхвалков - ДТО)рекомендуетследующий режимнагрева: до960Спо металлу за3ч и выдержкав течение 1чпри температуреповерхностивалка 960С.скорость нагрева(менее 140С/ч)довольно малаи ограничивается,по-видимому,возможностямиприменяемойсистемы отопленияс радиационнымигорелками. Притаком нагревевозникающиемаксимальныерастягивающиенапряжения,которые формируютсяв конце выдержки,очень малы (впределах 180 МПадля всех диаметров).Такимобразом, с точкизрения безопасностирежим градиентногонагрева существенноменее напряжен,чем режимпредварительногоподогрева. Призаданном режимеповерхностныйслой валковразных диаметровпрогреваетсяна 140-160 мм.
ПроектируемаяПСН, оборудованнаяскоростнымигорелками, поданным базовоговарианта можетобеспечитьскорость подъематемпературыповерхностибочки валкавплоть до 300С/ч(по металлу).Для определениярациональногодиапазонапараметровнагрева разработчикамибазового варианта(фирма «Термосталь»г. Санкт-Петербург)выполнен циклрасчетов нагревавалков из стали75ХМФ до 950Спо поверхностибочки с варьированиемдиаметра валковD=1200,1600, 2000 мм, температурыпредварительногоподогреваТП=400,450, 500Си скоростинагрева пометаллу VН=100,200, 300С/ч.При этом фиксировалсякритическийразмер дефектадля всех режимов.
Результатырасчетов приведенына рисунке 1.2,где хорошовидно влияниемасштабногофактора: с ростомдиаметра формазависимостикритическогодефекта отскорости нагреваменяется напротивоположную.Если для диаметра1200 мм ДКРуменьшаетсяпри увеличениискорости нагрева,для диаметра1600 мм зависимостьнемонотонна,то для диаметра2000 мм размеркритическогодефекта увеличиваетсяс ростом VН.
П
ривыборе оптимальногосочетания ТПи VНпредварительноможно руководствоватьсяформальнымограничениемна уровеньдопустимыхдефектов поОСТ 24.023.33-86 «Ультразвуковойконтроль ВХП»,который допускаетдля валковдиаметром свыше1200 мм одиночныенесплошностис эквивалентнымдиаметром до200 мм. Принимаяэто ограничение,можно видетьиз рисунка 1.2,что применениемаксимальновозможнойинтенсивностинагрева (300С/чпо металлу)допустимо приТП=480С,450Си 400Сдля валковдиаметромсоответственно1200, 1600 и 2000 мм.
Рисунок 1.2 –Распределениетемпературыв поверхностномслое валковдиаметром 1200,1600 и 2000 мм из сталитипа 75ХМФ в концеградиентногонагрева.
Следуетподчеркнуть,что реальноепроектированиережима нагревавозможно толькопосле определенияреально возможноймаксимальнойинтенсивностинагрева в ходетеплотехническихиспытаний ПСН,а также реальнойтрещиностойкостиметалла в сердцевиневалков из разныхмарок стали,подвергнутыхулучшению.
Продолжительностьвыдержки приподдержаниитемпературыбочки валкана уровне температурынагрева ТНзависит отжелаемой глубиныпрогреваповерхностногослоя до температурыаустенизацииАС3. Всвою очередь,оптимальнаявеличина прогревазависит отпрокаливаемостистали и интенсивностиохлаждения.Суть процессазаключаетсяв следующем.
При увеличенииглубины аустенизированногослоя растети глубина закаленногослоя, но толькодо определеннойвеличины,ограниченнойвозможностямистали (прокаливаемостью)и спрейернойустановки(максимальнойинтенсивностьюохлаждения).
Рост глубиныпрогрева свышеэтого оптимальногозначения приводитк накоплениюизлишнего теплав валке, чтоначинает снижатьскорость охлажденияна границезакаленногослоя, повышаеттемпературуна оси валкаи приводит кросту остаточныхнапряжений.Вкратце этотпринцип следуетохарактеризоватьтак: не следуетпрогреватьвалок большенеобходимого.
В качествеиллюстрациина рисунке 1.3для валка диаметром1200 мм показанызависимостиглубины аустенизированногослоя LАи закаленногослояLЗ(закаленнымслоем условнопринят слойс твердостьювыше 45HS,что соответствуетналичию в структурене менее 50%бейнитно-мартенситнойсмеси) от продолжительностинагрева притемпературеповерхностиТН=950С(сталь 75ХМФ) иТН=920С(сталь 90ХФ). Нагревдо температурыТНпроводилсясо скоростью300С/чпо металлу,охлаждение– с максимальновозможной дляданной спрейернойустановки,которая допускаетпроводитьохлаждениес максимальнойплотностьюорошения от1.14 кг/м2с(валок диаметром2000 мм) до 1.9 кг/м2с(валок диаметром1200 мм).
Р
исунок1.3 – Зависимостьглубины аустенизированногослоя LЗ(а) и температурыцентра ТЦ(б) от продолжительностипрогрева приградиентномнагреве валкадиаметром 1200мм.
Из рисунка1.3 видно, чтоувеличениепродолжительностипрогрева свыше1 ч практическине увеличиваетглубину закаленногослоя для валкаиз стали 75ХМФи 90ХФ. При этомпрогревсвыше 1.5 чдаже снижаетглубину закаленногослоя в валкеиз стали 90ХФ.Дополнительнымаргументомв пользу ограниченияпродолжительностинагрева служиттот факт, чтопри выдержкетемпературацентра растетдовольно интенсивно,что будетсопровождатьсяувеличениемостаточныхнапряжений.
При выбореоптимальнойпродолжительностипрогрева следуетучитывать, чтос ростом выдержкипри температуреаустенизацииувеличиваютсяостаточныенапряженияв валке послезакалки, поэтомуэтот параметрнадо выбиратьс учетом ограниченийна уровеньостаточныхнапряжений.
В свою очередь,уровень остаточныхнапряженийможно определить,только выбраврежим охлаждения,который зависитот режима нагрева.Таким образом,параметрынагрева и охлажденияоказываютсявзаимозависимыми.Это означаетнеобходимостьмноговариантных(многопараметрических)расчетов настадии проектированиярежима дляопределенияоптимальныхзначений параметровДТО.
Назначение,структура исостав АСУПСН
1.2.1 Назначение
ПСНпредназначенадля скоростногонагрева бочкивалка (предварительноподогретогов печи с выкатнымподом до температуры400-550С)с постояннойскоростью100-300С/ч(по металлу) дотемпературызакалки 920-970Си последующейвыдержкой втечение 45-60 мин.В результатенагрева в ПСНв валке формируетсяградиентноераспределениетемпературыс прогревомповерхностногослоя на заданнуюглубину.
Спрейерпредназначендля регулируемогоохлаждениябочки валка,при этом напервом этапеиспользуетсяинтенсивноеводяное охлаждениес максимальнымрасходом водыв течение 30-60 мин.На втором этапеприменяетсямягкое водо-воздушноеохлаждениес регулируемымрасходом водыв течение 75-145 мин.
Оборудованиесистемы управления(СУ) ПСН предназначенодля управлениятепловым режимомпечи скоростногонагрева в ручноми автоматизированномрежиме.
ОборудованиеСУ спрейерапредназначенодля управлениярежимом охлажденияна спрейернойустановке вручном и автоматизированномрежиме.
Оборудованиесистемы управленияпредназначенодля работы вследующихусловиях:
номинальноезначениеклиматическихфакторов внешнейсреды по ГОСТ15150-69, ГОСТ 15543-70 дляклиматическогоисполненияУ;
температураокружающейсреды от +5Сдо +50С,окружающаясреда не взрывоопасная,с содержаниемкоррозионно-активныхагентов в атмосферетипов I и II по ГОСТ15150-69, верхняяконцентрацияинертной пыли(в т.ч. токопроводящей)в воздухе неболее 10 мг/м;
питаниеосуществляетсяот трехфазнойсети переменноготока;
колебаниянапряженияпитания относительнономинальногов пределах0,85 – 1,1;
по способуобслуживанияшкафов и пультовс размещеннымив них техническимисредствамиАСУ выполненыодностороннегообслуживанияс доступомспереди;
для защитыперсонала отпораженияэлектрическимтоком приприкосновениик электрооборудованиюи для уменьшенияпомех в цепяхуправленияпримененасистема шиндля заземленияи выравниванияпотенциалаPE, заземлениеэкранов кабелейи проводов.
1.2.2 Структураи состав АСУ
Работаавтоматизированныхсистем управленияСУ ПСН и СУ спрейераоснована напринципахуправлениятехнологическимипроцессамис использованиемодного микропроцессорногоконтроллера,осуществляющегоодновременноеуправлениеобеими установкамив реальноммасштабе времени.Для связи междуотдельнымиэлектроннымиустройствамисистемы управления(контроллер,децентрализованнаяпериферия,панель оператораи промышленныйкомпьютер)организованылокальные сетиуправленияMPI и Profibus DP(Европейскийстандарт EN 50 170).
Архитектурасистемы управленияпостроена подвухуровневойсхеме:
нижний уровеньуправления;
среднийуровень управления.
Нижний уровеньуправления(НУУ) включаетв себя модулимикропроцессорногоконтроллераSIMATIC S7 - 315 DP с цифровымии аналоговымивходами-выходамии его децентрализованнуюпериферию(удаленныевходы-выходы),объединеннуюсетью PROFIBUS DP. ОборудованиеНУУ осуществляетсбор информациис пультов, шкафови датчиков, еепредварительнуюобработку ипередачу насредний уровеньуправления,а также выдачууправляющихвоздействийна исполнительныемеханизмыустановки взависимостиот алгоритмауправления.
Среднийуровень управления(СУУ) представляетсобой промышленныйкомпьютерSIMATIC RI25P, панель оператораОР7 и микропроцессорныйконтроллерSIMATIC S7-315DP объединенныесетью MPI. ОборудованиеСУУ предназначенодля ввода параметровтехнологическогопроцесса,программногоуправления,контроля, диагностикии протоколированияхода технологическогопроцесса .
В составсистемы управлениявходят:
шкаф контроллера;
шкаф электрооборудования,КИП и А;
шкаф компьютерный;
пульт управления;
датчикитехнологическихпараметрови электрооборудованиена механизмахПСН и спрейернойустановки.
1.2.3Управлениетепловым режимомПСН с помощьюсистемы управленияна базе микропроцессорногоконтроллера
Системауправлениятепловым режимомПСН реализованана принципахуправлениятехнологическимпроцессом врежиме реальноговремени на баземикропроцессорногоконтроллераи предназначенадля решенияследующихзадач:
подготовкии задания переменныхтехнологическогопроцесса инастройкипараметроврегулирования;
управленияавтоматикойбезопасностипечи;
управлениярозжигом горелок;
регулированиятемпературыповерхностибочки прокатноговалка илитемпературыпечи;
регулированиясоотношения«газ-воздух»;
регулированиядавления врабочем пространствепечи;
визуализации,контроля,диагностикии протоколированияхода технологическогопроцесса.
В составсистемы управленияфункциональновходят следующиеподсистемы:
подсистемаизмерениятехнологическихпараметров;
подсистемавизуализации,контроля,диагностикии протоколирования;
подсистемаавтоматическогорегулирования;
подсистемаавтоматикибезопасности.
1.2.4 Подсистемаизмерениятехнологическихпараметров
Подсистемаизмерениятехнологическихпараметровпредназначенадля сбора иобработкиинформацииот аналоговыхи дискретныхдатчиковтехнологическогопроцесса.
К контролируемыманалоговымпараметрамотносятся:
температурагазовой средыв трех точкахрабочегопространствапечи (околоторцевых стеноки посерединепечи);
температураповерхностинагреваемогометалла;
температураотходящихгазов переддымовым клапаном;
температураотходящихдымовых газовпосле воздушногоклапана надымопроводе;
давлениев рабочемпространствепечи:
расход газана печь;
расход воздухана печь;
положениезаслонок газа,воздуха идымоудаления.
Контрольтемпературыв рабочемпространствепечи осуществляетсяс помощью термопартипа ТПР-1788.
Контрольтемпературынагреваемогометалла производитсяавтоматическимоптическимпирометромARDOCELL PZ20 фирмы Siemens.
Контрольтемпературыотходящих газовосуществляетсяс использованиемтермопар ТХА-2388.
Давлениев печи измеряетсяизмерительнымпреобразователем«Сапфир-22М-ДИВ»
Расход газаи воздуха измеряетсяперед регулирующимиорганами комплектомприборов, состоящихиз зондов измерениярасхода SDF фирмыSKI и измерительныхпреобразователейSITRANS P фирмы Siemens, размещенныхпо месту натрубопроводахгаза и воздуха.Применениезондов обусловленонеобходимостьюминимизациипотерь давленияпо воздушномутракту печии существенноболее широкимв сравнениис измерительнымидиафрагмамидиапазономизмерения.Программойконтроллерапредусматриваетсядемпфированиемгновенных(текущих) измеренийзначений расходагаза и воздухадля сглаживанияпульсациирезультатов.
Положениязаслонок газа,воздуха идымоудаления,связанных черезтяги с исполнительнымимеханизмамиконтролируетсяблоками БСПТ-10встроеннымив МЭО.
Кконтролируемымдискретнымпараметрамотносятсяинформационныесигналы:
положениеи состояниевспомогательныхмеханизмовпечи;
минимальноеи максимальноеоткрытие МЭО;
наличиесрабатыванияэлектромагнитныхклапанов горелок;
наличиеконтроля факелагорелок и сигналовс датчиковавтоматикибезопасности;
текущеесостояниекнопок управления.
Информацияо положениии состояниивспомогательныхмеханизмовпечи поступаетна входы контроллерас сухих контактовпромежуточныхреле и служитдля целейдиагностики.
Сигналы оминимальноми максимальномоткрытии МЭОпоступают присрабатыванииих встроенныхконечных выключателейи служат дляограниченияхода исполнительныхмеханизмов.
Наличиесрабатыванияэлектромагнитныхклапанов фирмыKromschroederконтролируетсявстроеннымиуказателямиположения.
Наличиепламени факелагорелок контролируетсяприборамиФ34.3.
Текущеесостояниекаждой кнопкиуправленияпостоянноотслеживаетсяконтроллероми при его изменениипроизводятсядействия всоответствиес функциональнымназначениемсоответствующейкнопки.
1.2.5 Подсистемавизуализации,контроля, диагностикии протоколирования
Подсистемавизуализации,контроля, диагностикии протоколированияпредназначенадля организациидоступа в диалоговомрежиме оператора-технологаи мастера КИПи А печи к выполнениюоперацийпредусмотренныхтехнологиейпри работе ПСН.В состав подсистемыфункциональновходят промышленныйкомпьютерSIMATIC RI 25P (компьютер)и панель оператораSIMATIC OP7 (панель оператораОР7), работающиепод управлениемконтроллераSIMATIС S7-315 DP (контроллер),все оборудованиефирмы Siemens.
Компьютери панель оператораОР7 выполняютфункцию отображенияпеременныхтехнологическогопроцесса(температура,давление ит.д.), ввода технологии,параметров(задания регуляторам,настроечныекоэффициентыи т.д.) и служаткак средстводля выдачиуправляющихкоманд на контроллерпод управлениемоператора-технолога.
Для мастераКИП и А предусмотренавозможностьизменениянастройкипараметроврегуляторов,параметроввентиляции,розжига и т.д.,а также измененияконфигурациикомпьютераи панели оператораОР7 (работа саварийнымисообщениями,изменениепаролей, установкавремени и т.д).
При работеПСН системадиагностикиконтроллераосуществляетнепрерывнойконтроль засостояниеммеханизмови параметровтехнологическогопроцесса иуправляетвыдачей текстовыхсообщений намонитор компьютераи панель оператораОР7, а также световойи звуковойсигнализацией.
После запускарежима печипо температурно-временномуграфику производитьсяпротоколированиехода технологическогопроцесса сзаписью нажесткий дискпамяти промышленногокомпьютера.
1.2.6 Подсистемаавтоматическогорегулирования
Подсистемаавтоматическогорегулированияпредназначенадля управлениятепловым режимомпечи и включаетв себя три контурарегулирования:
контуррегулированиятемпературыпечи,
контуррегулированиясоотношения«газ-воздух»;
контуррегулированиядавления впечи.
Регулированиетемпературыв печи осуществляетсяпутем воздействияна исполнительныймеханизм, связанныйрегулируемойтягой с заслонкойна газопроводе,в функции изменениятемпературыпечи по температурно-временномуграфику нагрева.Задание регуляторуформируетсяв контроллерепо алгоритмууправленияв виде единичныхзначений взависимостиот заданнойтехнологии(изменениезадания температурыпо скоростиили во времени).
Регулированиесоотношения“газ – воздух”осуществляетсяпутем воздействияна исполнительныймеханизм, связанныйрегулируемойтягой с заслонкойна воздушномтрубопроводе,в функции каскаднойсхемы регулированиясоотношениягазовоздушнойсмеси. По этойсхеме ведущийрегулятор(температуры)работает вфункции изменениятемпературыпечи по температурно- временномуграфику нагреваи при этом формируеттекущее заданиеведомому (соотношения“газ-воздух”)по графикусоотношениярасходов газаи воздуха, аведомый регуляторв свою очередьформируетуправляющеевоздействиена исполнительныймеханизм.
Регулированиедавления врабочем пространствепечи осуществляетсяв функции поддержанияпостояннымзаданногодавления впечи, путемвоздействиемна исполнительныймеханизм связанныйрегулируемойтягой с заслонкойдымоудаления.
Элементыподсистемыавтоматическогорегулированияунифицированыи состоят избесконтактныхтиристорныхреверсивныхпускателейПБР и исполнительныхэлектрическихмеханизмовМЭО. Контрольположенияисполнительногооргана ведетсячерез токовыйдатчик обратнойсвязи и индицируетсяна соответствующемэкране компьютераили панелиоператора ОР7.
Управлениеисполнительнымимеханизмамивозможно и приотключенныхрегуляторах- в ручном режиме,дистанционно,с технологическойклавиатурыпанели оператораОР-7 или с клавиатурыкомпьютера.
1.2.7 Подсистемаавтоматикибезопасности
Подсистемаавтоматикибезопасностипредназначенадля эксплуатациив составеоборудованияпечи скоростногонагрева. Функциональноаппаратнаячасть автоматикибезопасностиработает автономноот контроллераи управляетэлектромагнитом,устанавливаемымна предохранительно-запорномклапане навводе газа кпечи.
Схема безопасностиреализованана базе контроллера“LOGO!” фирмы Siemens .Контроллер“LOGO! “ представляетсобой логическоеустройствос 12 дискретнымивходами (24В),8релейнымивыходами иреализуеталгоритм управленияотсечным газовымклапаном печии аварийнойзвуковой исветовойсигнализацией.
Включениеэлектромагнитаотсечногогазового клапанаосуществляетсякнопкой «Отсечнойклапан. Включить».Включениеотсечногоклапана возможнов том случае,если не выполняютсяусловия отсечкигаза.
Отсечка газаосуществляетсяв следующихслучаях:
при понижениидавления газапосле регуляторадавления нижедопустимогопредела;
при повышениидавления газапосле регуляторадавления вышедопустимогопредела;
при понижениидавления воздухав воздухопроводепечи нижедопустимогопредела;
при нажатиикнопки «Отсечнойклапан. Отключить»;
при нажатиикнопки «Аварийныйстоп»;
при сигналеот контроллера«Газ отключить»(данный сигналвыдаетсяконтроллеромпри погасаниифакелов горелокили при падениидавления впечи ниже аварийнодопустимогопредела).
При срабатыванииотсечногоклапана выдаетсязвуковой сигнали загораетсялампа, сигнализирующаяо причине отсечкигаза:
при понижениидавления газапосле регуляторадавления нижедопустимогопредела – лампа«Давление газамало»;
при повышениидавления газапосле регуляторадавления вышедопустимогопредела – лампа«Давление газавелико»;
при понижениидавления воздухав воздухопроводепечи нижедопустимогопредела - лампа«Давлениевоздуха мало»;
при нажатиикнопки «Отсечнойклапан. Отключить»,при нажатиикнопки «Аварийныйстоп» и присигнале отконтроллера«Газ отключить»- лампа «Отсечкагаза».
Анализсуществующейсистемы управленияи
постановказадачи проектирования
Существующаяв базовом вариантесистема управленияпечью ПСН обладаетрядом достоинстви недостатков.К достоинствамследует отнестицентрализованноеуправлениевсем участкомДТО от одногоконтроллера,высокую степеньавтоматизациипроцесса нагревавалка и механизациизагрузочно-разгрузочныхработ.
К недостаткамтакой системыможно отнестиследующие:
применениеэлектроприводоввращения иориентирования,имеющих значительныегабариты, стоимостьи обладающиезначительноменьшей надежностьюв сравнениис аналогичнымигидравлическимиприводами;
применениеэлектрическихрегулирующихмеханизмовв магистраляхподачи газаи воздуха,обеспечивающихрегулированиев очень узкомдиапазоне;
отсутствиесинхронизацииработы приводови регуляторовподачи газовоздушнойсмеси;
отсутствиеконтроля потребленияэнергоносителей(природногогаза и электроэнергии);
применениев системе управлениядорогостоящегоимпортногооборудования.
Следовательно,проектируемаясистема должнабыть, по возможностиизбавлена отэтих недостатковили, по крайнеймере, сводитьих к минимуму.Основнымизадачамипроектированияявляются:
разработкаследящей системырегулирования,контроля ирегистрациипотребленияэнергоносителейдля снижениясебестоимостиконечногопродукта –валков дляпрокатныхстанов;
заменаэлектрическихприводов нагидравлические,обладающиеменьшими габаритами(не требуетсяустановкиредукторови других передаточныхмеханизмов),стоимостью(реализованына аппаратуреотечественногопроизводства)и надежностью;
установкарегуляторовподачи газовоздушнойсмеси с пропорциональнымэлектрическимуправлением,обеспечивающихрегулированиев широком диапазонес высокой точностью;
обеспечениесинхронизацииработы приводови регуляторовподачи дляподдержанияпроцесса прогревавалка с оптимальнымипараметрами;
обеспечениеминимальныхзатрат на установкусамой системыпутем возможноминимальногоизменения ужесуществующей– т.е. без измененияобщей структурыучастка в целоми печи в частности.
2РАСЧЕТНО-КОНСТРУКТОРСКАЯЧАСТЬ
2.1 Проектированиегидроприводоввращения валкаи торцовогоориентирования
2.1.1 Гидроприводвращения валка
Позаданномузначению усилияна опорныхроликах приводаМмакс=1300Нми заданной(максимальной)скорости вращениявалка Vмакс=1с-1выбираемисполнительныйорган – гидромоторвысокомоментныйтипа ГРВ-600, имеющийследующиетехническиехарактеристики(таблица 2.1).
Таблица2.1 – ТехническиехарактеристикигидродвигателяГРВ-600
Параметр | Ед.изм. | Значение |
Максимальныйвращающиймомент на валуротора | Нм | 1650 |
Номинальныйвращающиймомент на валуротора | Нм | 1500 |
Рабочеедавление | МПа | 32 |
Максимальнаячастота вращениявала ротора | С-1 | 4 |
Рабочийобъем | М3/об | 52610-6 |
Номинальныйрасход рабочейжидкости | М3/с | 0,87 |
МеханическийКПД | 0,975 | |
ОбъемныйКПД | 0,87 | |
Максимальнодопустимаятемпературарабочей жидкости | С | 120 |
Рекомендуемыетипы рабочейжидкости | И20,И40, АИМ |
Определениевходных и выходныхпараметровисполнительногооргана (ИО).
Давлениена входе ИО(при условии,что давлениена выходе равно0):
14,83(МПа)(2.1),где МMAX– моментсопротивленияна валу мотора,Нм;
VГ– рабочий объеммотора, м3/об;
М– механическийКПД мотора.
Расходрабочей жидкостина входе и выходегидромотора:
(м3/с)(2.2); 
(м3/с)(2.3),где MAX– максимальнаяскорость вращенияротора, с-1;
О– объемный КПДгидромотора.
Потеридавления подлине трубопроводаи в местныхгидравлическихсопротивленияхпо данным проектноговарианта печи(Фирма «Термосталь»г. Санкт-Петербург)составляютпорядка pLИС=0.64МПа.
Выборгидравлическойаппаратурыи определениепотерь давленияв гидроаппаратах.По полученнымзначениямдавления (2.1) ирасхода (2.2) выбираемгидравлическуюаппаратуру(гидравлическаяпринципиальнаясхема приведенана листе 3 графическойчасти дипломногопроекта):
Фильтрнапорный типа1П110.19.00.190;
Гидравлическийзамок типаЗГД-10-4;
Регуляторрасхода типаДВП-25;
Дросселирующийраспределительтипа РП-20.
Техническиехарактеристикигидроаппаратовприведены втаблицах 2.2 и2.3.
Таблица2.2 – Техническиехарактеристикигидроаппаратуры
Параметр | Ед.изм | Фильтр1П110.19.00.190 | ЗамокЗГД-10-4 |
1 | 2 | 3 | 4 |
Давлениепаспортное | МПа | 32 | 25 |
Расходрабочей жидкостипаспортный | М3/с | 23,310-4 | 6,6710-4 |
Потеридавления | МПа | 0,2 | 0,7 |
Утечкирабочей жидкости | М3/с | 4,110-6 | 7,310-6 |
Таблица2.3 – Техническиехарактеристикигидроаппаратурыс пропорциональнымэлектрическимуправлением
Параметр | Ед.изм. | ДВП-25 | РП-20 |
Давлениеноминальное | МПа | 32 | 32 |
Расходпаспортный | М3/с | 3310-4 | 5010-4 |
Потеридавления | МПа | 0,3 | 0,7 |
Потерирабочей жидкости | М3/с | - | 1310-6 |
Диаметрусловногопрохода | м | 2510-3 | 2510-3 |
Площадьсечения условногопрохода (средняя) | М2 | 4,910-4 | 4,910-4 |
Ходзолотникауправления | м | 1,610-3 | 0,810-3 |
Диаметруправляющегозолотника(диаметр проходнойщели) | м | 1010-3 | (0,810-3) |
Диаметррегулирующегозолотника | м | 2510-3 | 4510-3 |
Коэффициентобратной связи | А/мм | 0,26 | 0,23 |
Массауправляющегозолотника | кг | 1 | 2,3 |
Определяемпотери давленияв гидроаппаратах:
в напорномфильтре:
(Па);в гидравлическомзамке:
(Па);в регуляторерасхода:
(Па)Суммарныепотери давленияв гидроаппаратуре:
(Па).Выборрегулирующегооргана: порассчитаннымзначениямдавления ирасхода выбираемдросселирующийгидравлическийраспределительс пропорциональнымэлектрическимуправлениемтипа РП-20, имеющийследующиетехническиехарактеристики(таблица 2.3). Потеридавления вгидрораспределителе
: 
(Па).Определяемпараметрынасосной установки.
Максимальноедавление навыходном патрубкенасоса:
(Па);минимальное:
(Па).Требуемаяподача насоса:
,гдеQУ=QФ+QГЗ+QГР=24,410-6(м3/с)–утечки рабочейжидкости вгидроаппаратах(паспортные);
(м3/с).М
еханическиеи скоростныехарактеристикиспроектированногогидроприводарассчитаемс помощьюпрограммногопродукта SPEED(ДП10.00094.01ПД)– рисунки 2.2 и2.3.
Р
исунок2.2 – Механическиехарактеристикипривода вращениявалка
Рисунок2.3 – Скоростныехарактеристикипривода вращениявалка
2.1.2 Гидроприводторцовогоориентирования
Гидравлическаяпринципиальнаясхема приведенана листе 3 графическойчасти дипломногопроекта.
По заданномузначению усилияна штоке гидроцилиндрапривода торцовогоориентированияFMAX=425.76кН и допустимойскорости движенияштока приориентированииMAX=0.005м/с выбираемисполнительныйорган – гидроцилиндр 1П110.16.10.000производстваНКМЗ (разработандля шахтногопроходческогокомбайна среднейсерии 1П110, приводподъема стрелыс резцовымикоронками),имеющий следующиетехническиехарактеристики– таблица 2.4. Однимиз существенныхпреимуществданного гидроцилиндраявляются егонезначительныегабариты прибольшом развиваемомусилии, чтоособенно важно– привод торцовогоориентированияпредполагаетмалые перемещения(до 500 мм) довольнотяжелых прокатныхвалков (массойдо 150000 кг).
Определениевходных и выходныхпараметровгидроцилиндра.Давление рБна входев поршневуюполость (приусловии, чтодавление навыходе рВ=0):
(Па),(2.4)где SБ– площадь поршневойполости гидроцилиндра,м2;
М– механическийКПД гидроцилиндра.
Расходна входе и выходегидроцилиндра:
(М3/С),(2.5) 
(М3/С).Таблица2.4 – Техническиехарактеристикигидроцилиндра1П110.16.10.000
Параметр | Ед. изм. | 1П110.16.10.000 |
1 | 2 | 3 |
Количество | Шт. | 2 |
Рабочеедавление | МПа | 14 |
Диаметрпоршня | мм | 220 |
Диаметрштока | мм | 110 |
Ход поршня | мм | 550 |
Объемпоршн. полости | л | 20.9 |
Объемшток. полости | л | 15.8 |
Усилиетолкающее | кН | 532.2 |
Усилиетянущее | кН | 399.1 |
Площадьпоршн. полости | м2 | 0.038 |
Площадьшток. полости | м2 | 0.0285 |
Ном. расход | л/мин | 69 |
Потеридавления подлине трубопроводаи в местныхгидравлическихсопротивленияхпо данным базовоговарианта печисоставляютрдс=0.083106Па.
Выборгидравлическойаппаратурыи определениепотерь давленияв гидроаппаратах.По полученнымзначениямдавления (2.4) ирасхода (2.5) выбираемнеобходимуюаппаратуру[1]:
фильтрнапорный Ф1типа 1П110.19.00.190 сэксплуатационнымихарактеристиками– таблица 2.5
замкигидравлическиеЗМ2, ЗМ3 типаЗГД-10-4 с эксплуатационнымихарактеристиками– таблица 2.5
дросселиодносторонниеДРК1, ДРК2 типаП110.16.00.140 с эксплуатационнымихарактеристиками– таблица 2.5
регуляторрасхода РП спропорциональнымэлектрическимуправлениемтипа ДВП25 схарактеристиками– таблица 2.6
Таблица2.5 – Техническиехарактеристикигидроаппаратуры
РК,МПа | QК,м3/с | рК,МПа | QУ,м3/с | |
1П110.19.00.190 | 32 | 23.310-4 | 0.2 | 4.110-6 |
ЗГД-10-4 | 25 | 6.6710-4 | 0.7 | 7.310-6 |
П110.16.00.140 | 25 | 23.310-4 | 0.43 | 1.510-6 |
П110.16.00.160 | 25 | 6.310-4 | 0.2 | 0.910-6 |
Таблица2.6 – Техническиехарактеристикигидроаппаратурыс пропорциональнымэлектрическимуправлением
Параметр | Ед. изм. | ДВП-25 | РП20 |
Ном.давление | МПа | 32 | 32 |
Ном. расход | м3/с | 3310-4 | 5010-4 |
Потеридавления | МПа | 0.3 | 0.7 |
Расходутечек | м3/с | - | 1310-6 |
Диаметрусловногопрохода | мм | 25 | 25 |
Площадьусловногопрохода | м2 | 4.910-4 | 4.910-4 |
Диаметросновногозолотника | мм | 25 | 45 |
Ходосновногозолотника | мм | 6.2 | 3.5 |
Диаметрзолотникауправления | мм | 10 | 0.8(диаметрсопла) |
Ходзолотникауправления | мм | 1.6 | 0.8 |
Коэффициентобратной связи | 0.26 | 0.23 | |
Массаосновногозолотника | кг | 1 | 2.3 |
Потеридавления внапорном фильтре:
(Па);потеридавления вгидравлическомзамке:
(Па);потеридавления вдросселеодностороннем:
(Па);потеридавления нарегуляторерасхода:
(Па).Суммарныепотери давленияв гидроаппаратуре:
рАП=рФ+рГЗ+рДР+рРП=0.196106(Па).
Выборрегулирующегооргана. Порассчитаннымзначениямдавления ирасхода выбираемдросселирующийгидравлическийраспределительс пропорциональнымэлектрическимуправлениемтипа РП20, имеющийследующиехарактеристики– таблица 2.6 потеридавления вгидрораспределителе:
(Па).Определяемвыходные параметрынасосной установки.Максимальноедавление навыходном патрубке:
рАМАХ=рАП+рДС+рГР+рБ=12.1106(Па);
минимальное:
рАМIN=рАП+рДС+рГР=0.282106(Па).
Требуемаяподача насоса:
QAMAX=QБ+QУ,
гдеQУ=QУ.АП=25.910-6м3/с– суммарныйрасход утечекв гидроаппаратах.
QАМАХ=3.4210-4+25.910-6=3.6710-4(м3/с).
Площадьусловногопрохода дросселя:
м2.М
еханическиеи скоростныехарактеристики(рисунки 2.4 и 2.5)рассчитаемс помощью программыSPEED.
Р
исунок2.4 – Механическиехарактеристикипривода торцовогоориентирования
Рисунок2.5 – Скоростныехарактеристикипривода торцовогоориентирования
2.1.3 Определениепараметровнасосной установки
Исходяиз анализаработы печи,делаем вывод,что одновременнаяработа трехгидравлическихприводов (вращениявалка, торцовогоориентированияи подъема крышки)невозможна.Тогда необходимаяподача на выходномпатрубке насосабудет равнанаибольшемуиз расходовгидроприводов(привода вращениявалка, в которомустановленыдва гидромотора),а требуемоедавление –наибольшемуиз требуемыхдавлений наисполнительныхорганах (гидродвигателипривода вращениявалка):
QАМАХ=QБМАХ=5.2610-42=10,5210-4(м3/с),
рАМАХ=рБМАХ=14.83106(Па),
гдеQБМАХ– наибольшийиз расходовприводов;
рБМАХ– наибольшееиз давленийв приводах.
Позначениямрасхода и давлениявыбираемтрехсекционныйшестеренныйнасос типаНШ-63-63-50 с номинальнымдавлением рА=16МПа и расходамипо секциям(14.5-14.5-11.5) м3/с.
Определимнеобходимуюмощность навалу насоса:
(кВт),где
=0.86– полный КПДнасоса.Выбираемприводнойдвигатель длянасосной установкитипа 2ЭДКОФ250М4У2.5исполненияJM4001.
Однасекция насосас расходом14.510-4м3/сработает напривод вращениявалка, другаяс расходом14.510-4м3/сработает напривод торцовогоориентированияи третья – напривод подъемакрышки печи(в данном проектене расчитывался).
2.1.5 Динамическийрасчет гидроприводов
С
оставляемрасчетнуюфункциональнуюсхему гидропривода:
Рисунок2.6 – Расчетнаяфункциональнаясхема гидропривода
- передаточнаяфункция генераторатока управления,kY= IВЫХ/UВХ= 0.85/10 = 0.085(А/В) - коэффициентпередачи генераторатока;
ТУ= 0.002 с - постояннаявремени генераторатока.
Такимобразом:
. 
- передаточнаяфункция пропорциональногоэлектромагнита,kПЭ= x0/IВЫХ= 1.610-3/0.85= 1.8810-3(м/А) - коэффициентпередачиэлектромагнита;
ТЭ= LМАГН/RМАГН= 0.01c - постояннаявремени электромагнита.
Такимобразом:
. 
-передаточнаяфункция гидравлическогопотенциометрас обратнойсвязью, 
- коэффициентпередачипотенциометра: 
=538.08 (м2/c);kД= kPx0/pВХ= 538.0810-3/14.1106= 0.0310-6(м5/Нс);
=15.910-4(м2); 
=64.05105(Н/м);тогдаkП =4.52;
=210-3(с) -постояннаявремени потенциометра; 
- относительныйкоэффициентдемпфированияколебаний.Тогда:
. 
- передаточнаяфункция основногозолотника.Для приводавращения валка:k3 =QБ/L= 0.098;
для приводаторцовогоориентирования:k3 =QБ/L= 0.049.
- передаточнаяфункция гидроцилиндраи гидромотора.Для приводаторцовогоориентирования:
=26.31 (м-2)- коэффициентпередачигидроцилиндра; 
=22.1103(Н/м) - жесткостьгидроцилиндра; 
=1.23 (с) - постояннаявремени гидроцилиндра; 
=0.28 - относительныйкоэффициентдемпфированияколебаний;тогда:
.Для приводавращения валкааналогично:
. 
- передаточнаяфункция звенадля получениявыходногопараметра -скорости. Принимаемдифференцирующеезвено с глубинойдифференцированияа=1 и постояннымивремени Т1=Т2=0.1: 
.Т.к. в приводепоследовательновключены двазвена второгопорядка, то вобласти высокихчастот ЛАЧХпривода будетиметь наклонпорядка -120 dB/дек,что неприемлемодля приводов(рисунок 2.7).
ЖелаемаяЛАЧХ для медленныхприводов имеетвид - рисунок2.8.
Рисунок2.7 - ЛАЧХ и ЛФЧХгидроприводабез корректирующихзвеньев
Рисунок2.8 - Желаемые ЛАЧХи ЛФЧХ гидроприводас корректирующимизвеньями иобратной связьюпоскорости
Для получениянаклона в областивысоких частотпорядка -40...-60 dB/декнеобходимовключениекорректирующихдифференцирующихзвеньев (+20 dB/дек).Определениепараметровкорректирующихзвеньев производимпо методике[2]с помощью программыSIAM(рисунки2.9, 2.10).
Рисунок2.9 - ЛАЧХ и ЛФЧХкорректирующегозвена №1
Рисунок2.10 - ЛАЧХ и ЛФЧХкорректирующегозвена №2
Рисунок2.11 - График переходногопроцесса вгидроприводеторцовогоориентирования
Рисунок2.12 - График переходногопроцесса вгидроприводевращения валка
Проанализировавполученныеграфики переходныхпроцессов,можно сделатьследующиевыводы:
времяпереходногопроцесса, довхода заданногопараметра в5% зону для приводавращения валкаtПП2.1с; для приводаторцовогоориентирования- tПП1.8с, что для данногообъекта, рабочийцикл которогосоставляетдля разныхмарок сталии типоразмероввалков от 4-5 до24 часов, являетсявполне приемлемойвеличиной;
колебательность,проявляющаясяпри разгонеприводов, непревышающая1% при заданномжелаемом значении20%,значительнониже и при высокойинерционностиприводов влиянияна качествопереходногопроцесса неокажет.
Такимобразом, спроектированныеприводы являютсявысококачественными,удовлетворительнымипо мощности,потреблениюэнергоносителей,качеству переходныхпроцессов вдинамическихрежимах (разгон-торможение)и высокомупостоянствуподдержаниязаданногопараметра(скорости иотработкиположения) встатических(рабочих) режимах.
Крометого, в составеприводов отсутствуютдорогостоящиеимпортныеэлектрическиеи гидравлическиеаппараты (вотличие отбазового варианта,на которомустановленыаппараты немецкойфирмы “KromSchroder”),что существенноснижает стоимостькак самих приводов,так и автоматизированныхсистем управленияими.
2.2 Поверочныйрасчет тепловыхрежимов в ПСН
Нагревметалла в печах– распространеннаяоперация (применяетсяпри отжиге,нормализации,плавке и т.д.).Металл желательнонагреватьбыстро, т.к. вэтом случаеуменьшаетсяего угар, увеличиваетсяпроизводительностьпечи и уменьшаетсяудельный расходтоплива нанагрев. Из этихсоображенийцелесообразновыбирать оптимальныйтемпературныйрежим печи,обеспечивающий,с одной стороны,быстрый нагревметалла, а сдругой, не создающийв нагреваемомметалле чрезмерныхмеханическихнапряжений,которые могутпривести кобразованиютрещин.
Прирассмотрениипроцесса нагреваметалла в печинеобходимоучитыватьзаконы тепловогоизлучения,передачу теплотытеплопроводностьюи конвекцией,движение газовв печном пространстве,взаимодействиепечных газовс металлом ит.д. Процессутеплообменадолжны бытьподчинены:горение топлива– превращениехимическойэнергии в тепловую,движение газовв рабочемпространствепечи и т.д.
Конструкциипромышленныхпечей постоянносовершенствуютсяв направленииинтенсификациипроцессовтеплообменапри непрерывномповышенииуровня ихавтоматизациии механизации.
Данныерассуждениявылились всовременнуютеорию печей[3],основные принципыкоторой заключаютсяв следующем:
созданиенаилучшихусловий дляобеспечениямаксимальноготепловогопотока к нагреваемомуматериалу;
интенсивныйподвод теплотыв печь при возможноболее полномее использованиив рабочем объемепечи;
обеспечениеразвитогопринудительногодвижения газовв печи;
совмещениетопочногопространствас рабочимпространствомпечи;
возможноболее полнаягерметизацияпечи для устранениявыбиванияпечных газови подсасыванияатмосферноговоздуха.
Проведемупрощенныйповерочныйрасчет тепловогорежима дляпрогрева валкаиз стали 75ХМФдиаметром 1200мм на глубину120 мм до температуры920С.
Кгорелкам печиподводитсягазовоздушнаясмесь, содержащая10% природногогаза (в расчетахпринимаемметан) и 90% атмосферноговоздуха. Теплота,выделяемаяпри горении1кг такой смеси:
(Дж),где qМЕТ– удельнаятеплота сгоранияметана.
Потеритеплоты нанагрев воздуха,подходящегок горелке неучитываем,считая, что онполностьюрасходуетсяна поддержаниегорения и впроцессе передачитепла к валкуне участвует.
Теплота,необходимаядля прогревавалка с указаннымивыше параметрами:
,где сСТАЛЬ– удельнаятеплоемкостьстали 75ХМФ,
сСТАЛИ=0.385кДж/кгС;
mВАЛКА– масса прогреваемойчасти валка,кг;
Т1=450Си Т2=920С– соответственноначальная иконечная температуравалка, С.
Определим(приблизительно)массу прогреваемойчасти валка:
,где СТАЛИ=7850кг/м3– плотностьстали 75ХМФ;
V– объем прогреваемойчасти бочкивалка, м3,
,где h=1500мм –длина бочкивалка;
R=600мм – внешнийрадиус бочки;
r=540 мм– внутреннийрадиус прогреваемойчасти.
(м3); 
(кг); 
(Дж).Теплотаот горелок кбочке валкапередаетсяконвекцией,теплопроводностьюи излучением.В наибольшейстепени сказываетсяконвекция итеплопроводность,причем теплопроводностьоказываетскорее отрицательноевлияние – из-занагрева воздухав рабочемпространствепечи до валкадоходит гораздоменьшее количествотеплоты, чемотдают горелки.Определимпотери теплотына нагрев воздухав печи, учитывая,что он разогреваетсяот нормальнойтемпературы20Сдо конечнойтемпературыповерхностивалка:
Обозначенияаналогичныформуле (2. ).
(кг); 
(Дж).Еслиучесть постоянноевентилированиерабочего пространствапечи, обеспечивающеетрехкратныйобмен атмосферыв течение часа,то получаем:
(Дж).Такимобразом, необходимоеколичествотеплоты длянагрева валка:
(Дж).Исходяиз проведенныхрасчетов, определимнеобходимуювеличину подачигазовоздушнойсмеси к горелками необходимуюскорость вращениявалка дляравномерногораспределенияградиентатемпературпо поверхностибочки валка.
Как былоуказано выше,из проведенныхэкспериментальныхисследованийстановитсяясно, что оптимальнымвременем прогревадля валков изстали 75ХМФ являетсявеличина порядка1.5 – 2 часа приинтенсивностинагрева 250 – 300С/ч.
Разностьтемпературвалка при егозагрузке в ПСНи выдаче в спрейернуюустановкусоставляет920-450=470 С.При прогревес интенсивностью250 С/чвремя прогревасоставит около2 часов, учитываявозможныепотери теплоты.
Определимнеобходимуюподачу газовоздушнойсмеси. Потреблениетеплоты в час:
(Дж).УчитываяКПД горелки,равный ГОР=0.75,получаем:
(Дж).Массагазовоздушнойсмеси:
(кг),и ее объем:
(м3).Такимобразом, часовоепотреблениегазовоздушнойсмеси составит7.272 м3,из них: 0.7272 м3– природногогаза (метана)и 6.5448 м3– воздуха дляподдержаниягорения.
Дляравномерногораспределенияградиентатемпературна поверхностибочки валканеобходимоподдержаниескорости вращениявалка с заданнойточностью назаданном уровне.В целом, законизмененияскорости вращениявалка в зависимостиот прогреваповерхностногослоя довольносложен и описываетсядифференциальнымиуравнениямиIIпорядка, но дляориентировочногорасчета применимупрощеннуюметодику.
Допустимаянеравномерностьтемпературыпо поверхностивалка составляетt=5С.Для нагревана 5Снеобходимосгорание 0.0033 кггазовоздушнойсмеси (или 0,0029м3).При расходеR=7.272м3/чтакое количествогаза сгоритза
(ч) илиt5=39(с).Следовательно,за это времявалок долженсделать тричетверти оборота,отсюда, полныйоборот будетсовершен за
(с),т.е. минимальнаяскорость вращениявалка:
(с-1).При этомнеравномерностьраспределенияградиентатемпературпо поверхностибочки валкасоставит неболее t=5С.
2.3 Требованияк проектируемойсистеме управления,
регулирования,контроля ирегистрациипотребления
энергоносителей
Исходяиз проведенныхвыше расчетови требований,указанных взадании напроектирование,можно сделатьследующиевыводы:
автоматизированнаясистема управлениядолжна позволятьавтоматическоерегулированиескорости вращениявалка дляобеспеченияравномерногораспределенияградиентатемпературпо поверхностибочки валка,что также позволитнесколькоснизить потреблениеприродногогаза за счетоптимальноговращения валка(автоматическоеуправлениегидроприводами– регулируемыйпривод вращениявалка и следящийпривод торцовогоориентирования);
автоматизированнаясистема регулированияпотребленияэнергоносителей(природногогаза) должнатаким образомнастраиватьрегуляторырасхода (схемапневматическаягазовая принципиальная– чертеж ДП10.),чтобы подачагаза была минимальновозможной присохраненииоптимальныхпараметровнагрева в печиПСН (согласованиеработы приводавращения валкаи системы подачигазовоздушнойсмеси на горение);
автоматизированнаясистема контроляпотребленияэнергоносителей(природногогаза и электроэнергии)должна производитьзамеры потребленияэнергоносителейи в случаеотклоненияот допустимыхпараметров(увеличениесилы тока, снижениенапряжения,увеличениеили снижениерасхода илидавлениягазовоздушнойсмеси) выдатьпредупреждающийили аварийныйсигнал на пультоператора (апри работе вавтономномрежиме проанализировать– возможно лидальнейшеефункционированиеПСН до окончанияцикла прогреваи, в зависимостиот принятогорешения либозаблокироватьработу объектасразу либозавершить циклнагрева валкаи после этогозапретитьдальнейшеефункционированиедо устранениянеисправности);
автоматизированнаясистема регистрациипотребленияэнергоносителейдолжна обеспечиватьзапись, хранениеи считываниеинформациио потребленииэнергоносителей(природногогаза и электроэнергии)за некотороевремя работыПСН (один циклпрогрева валка,смена, либолюбой другойна выбор оператора).Причем хранениеинформациидолжно обеспечиватьсядаже при отключениинапряженияпитания сети.
Крометого, алгоритмыработы проектируемойсистемы управленияне должны вноситькаких-либокардинальныхизменений вобщий алгоритмработы участкаДТО, которыйуправляетсяот одной общейуправляющейЭВМ на баземикропроцессорасемейства INTELPentium II. Всесредства сопряжениядолжны бытьрассчитанына подключениек портам ввода-выводаименно этоготипа ЭВМ и, вто же время,обладать достаточнойгибкостью иподдерживатьнормальноефункционированиев случае заменымикропроцессорана другой, болееновый или построенныйпо отличающейсяархитектуре.
ВВЕДЕНИЕ
Цельюдипломногопроекта являетсяразработкасистемы регулирования,контроля ирегистрациипотребленияэнергоносителейпечью скоростногонагрева (ПСН)для участкадифференцированнойтермическойобработкивалков дляпрокатныхстанов, установленнойв термическомцехе №2 ЗАО НКМЗ.Необходимостьданной разработкивызвана экономическойнеэффективностьюсуществующейсистемы.
В данныймомент нарассматриваемомобъекте установленасистема управления,не выполняющаяфункции контроляи регулированияпотребленияэнергоносителей.При этом приводыпечи (электро-и гидроприводы)работают врегулируемыхрежимах, необеспечиваяслежения заходом прогревавалка.
Кромеуказанныхнедостатковсуществуюти другие, неменее важные.
В связис возрастающимиобъемамипроизводства,значительноувеличиваетсяпотребностьв высококачественномпрокатномоборудовании.При имеющемсяобъеме производствапроизводительностистарой системыне достаточно.Это замедляетработу металлургическихпредприятий(Енакиевскийметаллургическийзавод, Мариупольскийкомбинат имениИльича и другие),повышает расходыпо эксплуатациии ремонтуоборудования,что в конечномитоге сказываетсяна себестоимостивыпускаемойпродукции.
Следующийаспект проблемы,рассматриваемыйв данном дипломномпроекте, напрямуюсвязан с проблемамиэнергетическойотрасли Украины.Цены на природныйгаз постоянновозрастаютпри постоянномросте егопотребления.В связи с этимвозникаетнеобходимостьточного контроляи регистрациипотреблениятоплива, таккак установленныенормы потреблениязачастую намногопревышаютдействительныйрасход газа.
Основнойцелью дипломногопроекта являетсяпроектированиетакой системырегулирования,контроля ирегистрациипотребленияэнергоносителей(газ, воздух,электроэнергия),которая позволилабы рациональноих использовать,управляя процессомнагрева с наиболееоптимальнымипараметрамипутем синхронизацииработы приводови регуляторовподачи газо-воздушнойсмеси в рабочеепространствопечи.
Практическаяценностьразрабатываемойсистемы регулирования,контроля ирегистрациипотребленияэнергоносителейзаключаетсяв повышениирентабельностипроизводствапрокатногооборудованияЗАО НКМЗ. Расчетэкономическогоэффекта отвнедренияразрабатываемойсистемы автоматическогоуправленияи диагностикитакже произведенв данном дипломномпроекте.
ВЫВОДЫИ РЕКОМЕНДАЦИИ
Результатомданного дипломногопроекта являетсяспроектированнаясистема регулирования,контроля ирегистрациипотребленияэнергоносителейпечью скоростногонагрева (ПСН)участка дифференцированнойтермическойобработкипрокатныхвалков, установленнойв термическомцехе №2 ЗАО НКМЗ,ориентированнаяна снижениезатрат на ремонти эксплуатациюкак самой печи,так и валков.
Решениео необходимостиданной разработкибыло принятов результатеанализа объекта.Было выяснено,что на состояниерабочей поверхностивалков значительноевлияние оказываетрежимы термическойобработки. Всоответствиис этим былисделаны выводыо необходимостиконтроля режимовпрогрева валкаи потребленияприродногогаза и их оптимизации.Выполнениеэтих функцийбыло возложенона проектируемуюсистему.
Анализсуществующейсистемы управлениявыявил недостаточнуюточность, поэтомубыла спроектированановая система,обеспечивающаяконтроль,регулированиеи регистрациюпотребленияэнергоносителей,а также оптимизациюпроцесса нагревавалка путемсинхронизацииработы регуляторовподачи газовоздушнойсмеси и приводавращения валка.
Вкачестве центральнойЭВМ системыиспользуетсяпромышленныйконтроллерфирмы Siemens,управляющийвсем участкомдифференцированнойтермическойобработки. Длясвязи системыуправленияс приводамии регуляторами,были разработаныблоки сопряженияс аналого-цифровымии цифро-аналоговымипреобразователями.
Дляопределенияэкономическойцелесообразностипроекта былпроведен расчеттехнико-экономическихпоказателей,который показал,что применениеданной системыпозволит получитьгодовой экономическийэффект в размере2979,66 грн. иобеспечитьполную окупаемостьзатрат за 3,41года.
Былипроведен анализопасных и вредныхпроизводственныхфакторов иопределеныпути минимизацииих влияния наздоровье оператора.Так же был произведенанализ устойчивостиобъекта к воздействиюударной волныпри взрыве 116тонн пропанана расстоянии455 метров и намеченымероприятия,направленныена повышениеустойчивостиобъекта.
Такимобразом, спроектированнаясистема обеспечиваетвсе требованияпредъявленныев задании. Кромеосновногоназначения,заключающегосяв обеспечениирегулирования,контроля ирегистрациипотребленияэнергоносителей,система позволяетоптимизироватьпроцесс прогревавалка. Невысокаястоимость,простота игибкость позволяютприменить этусистему длямодернизациисуществующегооборудованияна металлургическихпредприятияхтяжелогомашиностроения.
3 СПЕЦИАЛЬНАЯЧАСТЬ
3.1Разработкаструктурнойсхемы системырегулирования,контроля ирегистрациипотребления
энергоносителей
Определимструктурупроектируемойсистемы управленияпроцессомградиентногонагрева.
В составсистемы управления(рисунок 3.2) входятследующиеструктурныеблоки:
объект управления(горелки, двигателии цилиндрыприводов);
регулирующиеи управляющиеорганы (регуляторырасхода и давления);
регистрирующиеорганы (блокпамяти и накопительна магнитномдиске управляющейЭВМ);
измерительныепреобразователиобратных связей(датчики расхода,давления, скорости,перемещения,температуры,тока и напряжения);
устройствасогласования(ЦАП, АЦП, генераторыстабильноготока, блокисопряжения);
формирователиадресов устройств(дешифраторыадреса, демультиплексорыканалов ввода-вывода,аналоговыеи цифровыеключи);
регистрыпромежуточногохранения информации;
гальваническиеразвязки силовой,измерительнойи управляющейцепей (оптические,трансформаторные).
У
ЭВМ– центральнаяуправляющаяЭВМ; RG – буферныерегистры данных;DAC – цифро-аналоговыйпреобразователь;ADC – аналого-цифровойпреобразователь;MUX – аналоговыедвунаправленныедешифраторы-демультиплексоры;DCA – дешифраторадреса; ПМУ –пульт местногоуправления;БАС – блок аварийнойсигнализации;ГСТ – генераторыстабильноготока; РР – гидравлическиеи пневматическиерегуляторырасхода; ИП –промежуточныепреобразователи;ИПОС – измерительныепреобразователиобратных связей.
Рисунок 3.2 –Структурнаясхема системыуправленияПСН
3.2 Разработкасредств сопряженияобъекта с системойуправления
3.2.1 Выбор первичныхизмерительныхпреобразователей
Пополученнымранее значениямскорости вращениявалка, величиныперемещенияпри торцовомориентировании,расходов газаи воздуха, давленийгаза и воздуха,давлений вгидросистеме,токов и напряженийи заданнымзначениямтемператури уровня маслав баке принимаемк установкеследующие типыизмерительныхпреобразователей:
дляизмерения иконтроля давленияв поршневыхполостяхгидроцилиндров,в статорахгидродвигателейи на выходенасоса: датчикидавления типа«САПФИР – 22ДИ»с техническимихарактеристиками:
измеряемоедавление, МПа100;
максимальныйвыходной ток,мА 20;
напряжениепитания, В360.72;
сопротивлениенагрузки,кОм0.1…2.5;
типблока питания22БП36по ТУ25-02720159-81;
-
законизменениявыходноготока
;
дляизмерения иконтроля токастаторов двигателейприводов насоснойстанции ивентиляторов:трансформаторытока типаТКЛМ-0.5-300/5 с техническойхарактеристикой:
номинальноенапряжение,кВ0.66;
номинальныйпервичный ток,А300;
номинальныйвторичный ток,А5;
номинальныйкласс точности0.5;
номинальнаячастота, Гц50;
-
техническиеусловия
ГОСТ7746-78;
техникабезопасностиГОСТ12.2.007.0-75;
дляизмерения иконтроля напряженийна двигателяхприводов насоснойстанции ивентиляторов:трансформаторынапряжениятипа И-50-0.2-3/0.1 схарактеристиками:
номинальноепервичноенапряжение,кВ 3;
номинальноевторичноенапряжение,В100;
номинальнаямощность,ВА10;
максимальнаямощность,ВА200
номинальнаячастота, Гц50;
дляизмерения иконтроля температурдвигателей,насоса и маслав гидробаке:терморезисторпрямого подогреватипа СТ3-19 схарактеристиками:
пределизмерениятемператур,С0…150;
номинальноесопротивление,кОм (при 20С)5,1;7,5;10;15;100;
номинальнаямощность,Вт0,125;
номинальноенапряжение,Вдо 300.
для измеренияи контролятемпературыв рабочемпространствепечи: термоэлектрическийпреобразовательТХК-51Б с характеристиками:
предел измерениятемпературы,С0…1100;
максимальнаятермо-ЭДС,В1,25;
длина рабочейчасти, мм1200;
масса, кг4,25;
дляизмерения иконтроля расходагаза и воздуха:расходомерДРПГ-60 с характеристиками:
номинальноедавление,МПа0,6;
максимальныйконтролируемыйрасход, м3/ч12;
максимальныйвыходной ток,А0,02;
напряжениеисточникапитания, В24;
сопротивлениенагрузки, Ом,не менее10;
дляизмерения иконтроля скоростивращения валка:тахогенераторТГ-14/400 с характеристиками:
максимальнаяизмеряемаячастота, с-1400;
ЭДС при максимальнойчастоте, В11;
масса, кг2,35;
дляизмерения иконтроля величиныперемещенияпри торцовомориентировании:фотоэлектрическийлинейный датчикперемещенияHSM-150/2 с характеристиками:
длина рабочейчасти, м0,85;
погрешностьизмерения повсей длине,%0,01;
дискретность,имп./мм150;
напряженияисточниковпитания, В+5;-5;+12;
уровень выходногосигналаТТЛ;
тип выходныхсигналов: 2последовательности,сдвинутых на90 относительнодруг друга дляопределениянаправлениядвижения.
3.2.2 Разработкасредств сопряженияс датчиками
д
авления
Схемавключениядатчика давленияприведена нарисунке 3.3.
Рисунок3.3 – Схема включениядатчика давлениятипа САПФИР-22ДИ
Расчетэлементовсхемы.
ОпределимвеличинусопротивленийR1 и R2. Максимальныйизмеряемыйток IMAX=20мА, выходноенапряжениедатчика UВЫХ=36В, измеряемоенапряжениеUИЗМ=10 В,тогда:
;откуда:
.Потехническимхарактеристикамдатчика R1=0.1…2.5кОм, принимаемR1=1.5 кОм, тогда:
=576.9 (Ом).ПринимаемR2=560 Ом, тогда:
В.3.2.3 Сопряжениес датчикамитока типаТКЛМ-0.5-300/5
Трансформатортока типа ТКЛМ-0.5Т3на вторичнойобмотке выдаетток 5 А частотой50 Гц. Для подключенияАЦП необходимополучить постоянноенапряжение,пропорциональноетоку. Для этогоприменимдвухполупериодноевыпрямлениеизмерительногосигнала и амплитудноедетектирование(рисунок 3.4).
Р
исунок3.4 – Принципиальнаясхема измерительногоканала тока
Определимпараметрыэлементовсхемы.
Величинасопротивлениярезистора R1.На вход операционногоусилителядолжно подаватьсянапряжениене более 10 В. Тогданапряжение(синусоидальное)на резистореR1: UR1=20В, откуда:
R1=UR1/IT1=20/5=4Ом,
мощностьрезистора R1:
PR1=I2R1=524=100Вт.
Принимаемрезистор R1типа ПЭЛ-100-3.9. Тогда:UR1=IR1=19.5В.
Дляопределенияпараметровдиодов мостанеобходимыпараметрыоперационногоусилителя (ОУ).Принимаем ОУтипа 140УД7, входнойток которогоIВХ.ОУ=0.55А. Поэтому значениютока и напряженияUR1принимаемдиоды мостаVD1, VD2 типаКД521Б. СтабилитроныVD3, VD4 предназначеныдля защиты ОУот перегрузокпо входномунапряжению.По максимальномувходному напряжениюОУ (UВХ.ОУ=10В) выбираемстабилитронытипа КС210А. ДиодVD5 – КД521А(UVD5=10В, IMAX=0.55A).ТранзисторVT1:
напряжениезатвор-стокUЗС=UВЫХ.ОУ+UПИТ=10+ 15=25 В;
напряжениезатвор-истокUЗИ0;
напряжениесток-истокUСИ=UВЫХ+UПИТ=10+ 15=25 В;
токстока (по входномутоку АЦП) IС10 мА.
Поэтим даннымпринимаем VT1типа КП303В.
РезисторR2 – ограничительтока стока VT1.Для нормальнойработы детектораIСIВЫХ.ОУ=10…15мА, тогда:
R2=UПИТ/IС=15/(1510-3)=1кОм.
Постояннаявремени интегрирования:
(с).Нане инвертирующийвход ОУ поступаетимпульсныйсигнал. Наинвертирующий– постоянноенапряжениес выхода детектора.Усиленный ОУDA1 разностныйсигнал заряжаетконденсаторс1, и образующеесяна нем напряжениепередаетсячерез истоковыйповторитель(VT1) на выходустройства.Если напряжениена истоке транзистораVT1, а, следовательно,и на инвертирующемвходе ОУ DA1становитсябольше входногоимпульсногонапряжения,разностныйсигнал на выходепоследнегоисчезает иконденсаторначинает разряжатьсячерез резисторR1. Разрядкапродолжаетсядо тех пор, поканапряжениена выходе детекторане станет меньшевходного нанесколькомилливольт,в результатечего на выходеОУ DA1 вновьпоявляетсяусиленныйразностныйсигнал и конденсаторс1 снова заряжается.Таким образом,создаетсядинамическийследящий режимработы, обеспечивающийравенствовходного ивыходногонапряженийдетектора сточностью донесколькихмилливольт.
РезисторR3 ограничиваетток истокатранзистораVT1 при короткомзамыкании внагрузке детектора.
3.2.4 Сопряжениес датчикаминапряжения
Трансформаторнапряжениятипа И-50-0.2-3/0.1 навторичнойобмотке выдаетнапряжение100 В. для подключенияАЦП необходимополучить постоянноенапряжение,пропорциональноевходному. Дляэтого применимеще один понижающийтрансформаторнапряжения,двухполупериодноевыпрямлениеи пиковоедетектированиеизмерительногосигнала (аналогичноканалу тока).
Р
исунок3.5 – принципиальнаясхема измерительногоканала напряжения
ТрансформаторTV2 – типаТПП207-127/220-50. Используютсяобмотки I’– к трансформаторуTV1 и III’–к диодам моста.В остальномсхема измерительногоканала напряженияполностьюповторяет схемуканала тока.
Спомощью каналовтока и напряжениястроим канализмерениямощности –электронныйфазометр [] – его схемаприведена начертеже ДП10.96502.007Э3в графическойчасти дипломногопроекта.
Устройствопозволяетизмерять уголсдвига фаз впределах 180.Сигналы навходе – в пределах0.05…30 В. с выходаФНЧ, собранногона микросхеме140УД6 выходитаналоговыйсигнал, пропорциональныйуглу сдвигафаз между двумявходными сигналами,который потомпоступает навход АЦП. С выходаиндикаторазнака сдвигафаз, собранногона микросхемах555ЛА3 и 555ТМ2 в системууправленияпоступаетдискретныйсигнал “0” или“1”. Причем “0”обозначает,что угол сдвигафаз положительный,т. е. напряжениеопережает ток.
Входнойусилитель-ограничительс коэффициентомусиления малогосигнала порядкаКУ=5 усиливаети ограничиваетсигнал до уровнясрабатыванияформирователяпрямоугольныхимпульсов намикросхемах140УД6. С выходаформирователяна устройство-смесительпоступаютимпульсы ТТЛ-уровня,получаемыес помощью мостовоговыпрямителя-ограничителя(диоды КД521А истабилитронКС133А). Смеситель,построенныйна микросхемах555ЛП5, смешиваетдва сигнала(ток и напряжение)в импульснойформе. В результатечего на входФНЧ поступаетпоследовательностьимпульсовразличнойскважности– получаетсясвоеобразнаяширотно-импульснаямодуляция. ФНЧинтегрируетэти импульсы,преобразуяих в непрерывныйсигнал, пригодныйдля аналого-цифровогопреобразованияс большимипериодамиквантования.
Навход фазометраследует подаватьсигналы непосредственнос датчиков токаи напряжения,а не с преобразователей,обеспечивающихнепрерывныйнесинусоидальныйсигнал.
Послепреобразованиятрех сигналов:тока, напряженияи угла сдвигафаз микропроцессорнаясистема управленияможет вычислитьмощность,потребляемуюдвигателем:
.Этопозволит определитьпотреблениеэлектроэнергиидвигателямиприводов, путеминтегрированиязначения потребленноймощности повремени, чтов результатедаст значениеработы тока.
3.2.5 Сопряжениес датчикамитемпературыстаторов
двигателей
Д
атчикамитемпературыявляютсятерморезисторытипа СТ3-19 прямогоподогрева.Принимаеммостовую схемувключения соперационнымусилителемв одном из плечейизмерительногомоста (рисунок3.6).
Рисунок3.6 – Принципиальнаясхема сопряженияс датчикомтемпературы
Вкачестве датчикатемпературыпринимаемтерморезисторпрямого подогреватипа СТ3-19 с номинальнымсопротивлением(при 20С)равным 15 Ком.
3.2.6 Сопряжениес датчикамитемпературыв рабочем
пространствепечи
Датчикамитемпературыв рабочемпространствепечи являютсятермоэлектрическиепреобразователитипа ТХК-51Б –термопарыпогруженияс длиной рабочейчасти 1200 мм. Термо-ЭДСтаких преобразователейне превышает1.5 В при максимальнойтемпературе(1100С) и принулевой температурехолодных концоввыводов. ФирмойAnalog Devices быларазработанамикросхемаAD594 – компенсаторточки таянияльда специальнодля термопартипов ТХК, ТХА,ТПП.
Р
исунок3.7 – Измерительныйканал температурыв рабочемпространствепечи ПСН
Функциональноеназначениеэтой микросхемы– компенсацияизбыточнойтемпературыхолодных концовтермопары (видеале точноепреобразованиепроисходитпри температурехолодных концовтермопары,равной 0), линеаризацияпередаточнойхарактеристикитермодатчикаи усиленияуровня сигналадо величины,заданной навыводах напряженияуправлениямикросхемы(выводы 6 и 9).Балансировкамикросхемыпроизводитсяпри накороткозамкнутыхдифференциальныхвходах «+» и«-». С помощьюрезистора R2добиваютсянулевого напряженияна выходекомпенсатора.
На вход АЦПдолжно подаватьсянапряжениепорядка 11 В. Дляэтого послекомпенсаторанеобходимоустановитьнормирующийусилитель скоэффициентомусиления КУ=2.Входное ограничивающеесопротивлениеR5=10 кОм, следовательно,величинасопротивлениярезистораобратной связи:
Ом.ПринимаемR7=22 кОм дляобеспечениянапряженияна выходе усилителяUВЫХ=11 В.
Кроме того,в микросхемеAD594 встроеноустройствосигнализациипредельнойтемпературы:при достижениизаданной температуры(величина задаетсянапряжениемсмещения навыводе U0)срабатываюттранзисторныеключи, и загораетсясветодиод HL1.В случае необходимостив схему можноввести устройствазвуковойсигнализации,для этого вмикросхемепредусмотренвыход сигналас частотой 400Гц и максимальнымтоком нагрузки10 мА. Но, т. к. в общейсистеме управленияучастком ДТОзвуковая сигнализацияуже предусмотрена(температураконтролируетсямодулем LOGO),то этот выводмикросхемыоставлен свободным.
3.2.7 Сопряжениес датчикамирасхода
Выходнымсигналом датчикарасхода являетсясила тока,следовательно,для передачиего в блоканалого-цифровогопреобразования,необходимоизменение егов пропорциональныйсигнал напряжения.Для этого, навыходе преобразователяустановленрезистор R1– датчик напряжения(рисунок 3.8).
Р
исунок3.8 – Сопряжениес датчикамирасхода
Рассчитаемэлементы схемы.
Величинасопротивлениярезистора R1:максимальныйвыходной токдатчика равен20 мА, напряжениена входе операционногоусилителяпринимаемравным 3,6 В, тогда:
(Ом);мощностьрезистора R1:
(Вт).Принимаемв качестведатчика напряжениярезисторОМЛТ-0.125-180.
Определимкоэффициентусиленияоперационногоусилителя:
;и величинусопротивлениярезистораобратной связи:
(Ом).Принимаемрезистор R4типа ОМЛТ-0.125-30К.
Для улучшенияпараметровсхемы и защитыОУ от перегрузокпо входу и выходупараллельнорезистору-датчикуможно включитьстабилитронКС136А (на схемене показан).
3.2.8 Сопряжениес электромагнитнымигидроусилителями(регуляторамирасхода)
Гидроусилительуправляетсяэлектромагнитомс пропорциональнымэлектрическимуправлением.Следовательно,для регулированияскорости движениярезцовой коронкинеобходимосигнал, поступающийот микропроцессорнойсистемы управления,преобразоватьв аналоговыйсигнал тока.Для этого послеЦАП включаетсягенератор токауправления,выдающий навыходе ток,пропорциональныйвходному напряжению.Так как дляполноценногоуправленияэлектромагнитомнеобходимоформированиетоков разнойамплитуды иполярности,в качествегенераторатока принимаемсхему, описаннуюв [ ] (рисунок3.9). Эта схемаможет бытьполучена изобщей функциональнойсхемы генераторовтока при условии,что два одинаковыхисточника тока– один дляположительнойполярности,а другой дляотрицательной– работают наобщий датчиктока (резисторR25) и общуюнагрузку скомплекснымсопротивлениемZН и имеютобщую цепьобратной связи.В этой схемевыходной токIН в точностиповторяет формувходного напряженияUВХ иопределяетсявыражением
.Приуказанных насхеме номиналахисточник токапреобразуетвходное напряжениеот –10 В до +10 В вток от –1 А до+1 А. Для достижениявысокой точностипреобразованиянужно использоватьрезисторыR18-R25 с допускомне более 1 %.
В
этой схемеможно использоватьпрактическилюбые ОУ ссоответствующимицепями коррекции.Следует учитывать,что более высокаяточностьпреобразованиянапряженияв ток получаетсяпри использованииОУ с малымивходными токамии напряжениямисмещения. ПринимаемОУ типа 140УД6 –операционныйусилитель ссупер-бетатранзисторамина входе. В качестверегулирующихтранзисторовVT1 и VT2можно взятьлюбые транзисторысредней мощностис максимальнымколлекторнымнапряжениемболее 50 В и токомколлектора0.5 – 1.5 А.
Рисунок3.9 – Принципиальнаясхема источникатока
Рассчитаемвеличинусопротивлениярезистора R25:
(Ом).Дляполучениявыходногосигнала токаразной полярностинеобходимополучениевходного напряженияразной полярности,т. е. на входопорного напряженияЦАП нужно подаватьнапряжениеразной полярности.Для этого применимсхему формирователяопорного напряжения– рисунок 3.10.
Принцип работыисточникаопорного напряжения(ИОН)– повторениеили инвертированиевходного сигнала.УправлениеИОН производитсяпо одной дискретнойлинии связи:«0» или «1». Припоступлении«1» ИОН работаетв режиме повторителя,на вход опорногонапряженияЦАП поступаетположительноенапряжение,с
ледовательно,на выходе будетотрицательноеи наоборот.
Рисунок 3.10 –Принципиальнаясхема источникаопорного напряжения(ИОН) для ЦАП
3.2.9 Сопряжениес тахогенераторами
Состаторнойобмотки тахогенератораснимаетсясигнал напряжения,пропорциональныйчастоте вращениявала ротора.При максимальнойизмеряемойчастоте 400 с-1ЭДС статорнойобмотки равно11В. Частота вращениявалка составляет2-20 с-1, следовательно,пропорциональноуменьшаетсяснимаемая собмотки ЭДС:
(В).Следовательно,необходимпромежуточныйусилитель, скоэффициентомусиления понапряжениюравным:
,схема которогоаналогичнасхеме сопряженияс датчикамирасхода (исключаетсярезистор –датчик напряженияR1). Величинасопротивлениярезистораобратной связи:
(Ом).3.2.10 Проектированиемодулей АЦПи ЦАП
Модульаналого-цифровогопреобразованияпостроен наинтегральнойсхеме АЦП типаК1113ПВ1 – десятиразрядныйАЦП, сопрягаемыйс микропроцессором.Эта микросхемане требуетдополнительныхустройстввыборки и храненияи промежуточныхбуферных регистров.Для нормальнойработы преобразователянеобходимоввести промежуточныйнормирующийусилитель наинтегральноймикросхемеОУ типа 140УД8.
Сигналыдля преобразованияпоступают от24 измерительныхпреобразователейнепрерывногодействия. Дляупрощения схемымодуля АЦП(установкитолько одноймикросхемыК1113ПВ1 и уменьшениячисла оптопардля гальваническойразвязки силовойи информационнойцепей) необходимовключениеаналоговыхмультиплексоровобщей структурой24-1. Примениммикросхемытипа К590КН6 –аналоговыекоммутаторы8-1, для полногопереключениявсех сигналовнеобходимытри такие микросхемы.Для выбораодного из 24 каналовнеобходимы5 разрядов адреса:3 для выбораканала в микросхемеи 2 для выборанеобходимоймикросхемы.
МикросхемаК1113ПВ1 содержитустройствовыборки и хранения,собственноАЦП и промежуточныебуферные регистры,– т. е. в случаеее примененияне требуетсявключения какихлибо дополнительныхустройств.
Модульцифро-аналоговогопреобразованияпостроен наинтегральноймикросхемеЦАП типа К572ПА1– восьмиразрядныйцифро-аналоговыйпреобразователь.Для получениясигналов напряженияразной полярностибыл разработануправляемыйисточник опорногонапряжения.Для получениясигналов тока,необходимыхдля управленияпропорциональнымираспределителями,разработаныгенераторыстабильноготока управления.
Максимальныйвыходной токгенераторасоставляет1А. ДискретностьпреобразованиямикросхемыК572ПА1 составляет256. Максимальныйход золотникауправленияв пропорциональныхраспределителяхравен 1мм, приэтом скоростьвращения валкаявляется максимальной– 20 с-1, следовательно,минимальнаяскорость вращения,которую позволиттакая системауправления,будет составлять0,078 с-1.
Для системырегулированияподачи воздухаи газа на горелки:максимальныйход золотникауправленияравен 100мм, приэтом расходгаза черезраспределительравен 10м3/ч,следовательно,минимальныйрасход составляет0,039м3/ч, что позволяетуправлятьпроцессомградиентногонагрева в оченьшироких пределах,за счет раздельногосогласованногорегулированиячастоты вращениявалка и подачигазовоздушнойсмеси в рабочеепространствопечи.
3.2.11 Сопряжениес датчикамиперемещения
Датчикиперемещениятипа HSM-150/2представляютсобой фотоэлектрическиепреобразователивеличины линейногоперемещенияв две последовательностиимпульсовТТЛ-уровня,сдвинутыхотносительнодруг друга на90, чтопозволяетопределятьне только величинуперемещения,но и направлениедвижения.
По техническимхарактеристикамдатчика: дискретностьсоставляет15 импульсов намиллиметр, или:
(имп.),где N –число импульсовза полное перемещениелинейки;
d – паспортнаядискретностьдатчика, имп./мм;
l – длинарабочей частидатчика, мм.
Для преобразованиявеличины перемещенияв параллельныйкод необходимосчетное устройствос параллельнымвыводом информации.Для организациитакого устройстваприменим двоичныереверсивныесчетчики типа555ИЕ7. Определимнеобходимоечисло микросхемдля полногоподсчета числаимпульсов приполном перемещенииподвижнойлинейки датчика.Необходимоечисло двоичныхразрядов:
,принимаемNДВ=17 двоичныхразрядов.
Т.к. микросхемы555ИЕ7 имеют четырехбитовуюорганизацию,то необходимоечисло микросхем:
.Принимаем4 микросхемы555ИЕ7 (16 двоичныхразрядов) иодну микросхему555ТМ2 (два асинхронныхD триггерас прямыми иинверснымивыходами ираздельнымиустановкойи сбросом).
Причем D-триггерынеобходимовключить врежиме счетныхT-триггеров,для чего необходимосоединитьинверсный выходтриггера стактовым входом(принципиальнаясхема устройстваприведена вграфическойчасти проекта– чертеж ДП10.96502.007Э3).
Организацияработы микросхем555ИЕ7 позволяетбез каких-либодополнительныхустройствавтоматическиопределятьнаправлениесчета – двасчетных входа«+1» и «-1» работаютсинхронно пофронту поступающегоимпульса: когдана входе «+1»появляетсявысокий уровень,а на входе «-1»проходит фронтимпульса, счетчиквоспринимаетэто как декременттекущего состояниятриггеров, инаоборот –когда на входе«-1» высокийуровень, а навходе «+1» – фронтимпульса –происходитинкрементированиетекущего значения.
Вход R– сброс текущегосостояния –имеет приоритетнад всеми остальнымивходами микросхемыи используетсядля обнулениясодержимогосчетчиков вконце каждогозаданногоперемещениявалка, чтобыизбежать появленияпостояннонарастающейнакопленнойпогрешности,составляющей0.01% на одно полноеперемещениеподвижнойлинейки датчика,а с учетом фазовогосдвига междупоследовательностямина счетныхвходах микросхем555ИЕ7 эта погрешностьбудет зависетьеще и от частотыпрохожденияимпульсов, т.е.– от скоростиперемещениявалка.
3.3 Выбор необходимыхисточниковпитания дляустройствсопряженияи согласования
По рассчитаннымранее элементампринципиальнойсхемы системырегулирования,контроля ирегистрациипотребленияэнергоносителейопределимнеобходимыевеличины питающихнапряженийдля обеспечениянормальныхрежимов работывсех блоковсистемы.
Для устройств,в состав которыхвходят микросхемыоперационныхусилителей(140УД6, 140УД7, К544УД2)необходимыисточникипитания, обеспечивающиедвухполярноенапряжение15В, притоке (общий токпотребленияустройствамисопряженияот такого источника)около 2.5А.
Для устройств,в состав которыхвходят микросхемысерии 555, необходимисточник питанияс напряжением+5В и током нагрузкине менее 1-2А.
Для генераторовстабильноготока необходимисточник напряжения24В с токомнагрузки неменее 25А по каждомуканалу.
Кроме того,для питанияпервичныхпреобразователейнужны следующиенапряжения:
+5В, -5В, +12В – дляпитания датчикаперемещенияHSM-150/2;
36В – для питанияизмерительныхпреобразователейдавления САПФИР-22ДИ;
+24В – для питанияизмерительныхпреобразователейрасхода ДРПГ-60.
Принимаемк установкеследующие типыблоков питания:
22БП36 – для питанияпреобразователейСАПФИР-22ДИ (входятв комплектпоставки);
БПМ-303М – дляпитания преобразователейHSM-150/2 и ДРПГ-60(обеспечиваетследующиевеличины напряжений:
+5В при токе5А;
-5В при токе5А;
+12В при токе0.5А;
+24В при токе0.1А);
УБП-24/50-3 УХЛ4.2 –для питаниягенераторовстабильноготока (обеспечиваетнапряжение24В притоке нагрузки50А по каждомуканалу);
УБП-15/10-2 УХЛ4.2 –для питанияустройств, всостав которыхвходят микросхемыоперационныхусилителей(обеспечиваетнапряжение15В притоке нагрузки10А по каждомуканалу);
D2-10M – дляпитания устройств,в состав которыхвходят микросхемысерии 555 (обеспечиваетнапряжение+50,5В притоке нагрузкидо 2.5А).