Модернизация систем управления дуговыми

МОДЕРНИЗАЦИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДУГОВЫМИ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫМИ
ПЕЧАМИ И ЕЕ ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
Ишматов З.Ш., Тетяев Е.Ф., Уральский государственный технический университет
Грамотеев А.И., АО «Уралтехмаркет»
Петров А.Г., ОАО «Уралмаш»
Выплавка высококачественной стали в дуговых сталеплавильных печах (ДСП) в
настоящее время становится экономически более целесообразным, чем в мартеновских или
другого типа печах. Однако многие существующие ДСП морально и физически устарели, а
создание новых требует значительных капиталовложений. Поэтому одним из основных
способов решения данной проблемы следует признать модернизацию существующих ДСП.
На многих существующих ДСП, разработанных 15-20 и более лет назад, используется
аналоговая или простейшая цифровая система управления, которая уже морально устарела и
не соответствует современным требованиям к производительности печи, удельному расходу
энергии, качеству выплавляемой стали, надежности и т.д. Вместе с тем, в последнее время
наметился качественный скачок в области микропроцессорных систем автоматического
управления и электрического привода, связанный с совершенно новым подходом к решению
задач управления, проектирования систем управления и автоматизации, новыми технологиями
монтажа и наладки. Существующие системы управления ДСП реализуют достаточно простые
законы управления и имеют низкое быстродействие, определяемое датчиками и
исполнительными устройствами. Это, в свою очередь, ведет к высокому удельному расходу
электроэнергии и низкому качеству выплавляемой стали.
С другой стороны, технология выплавки стали в ДСП, основные механизмы печи и
технологическое оборудование не претерпели за это время столь значительных изменений и
требуют лишь ревизии и своевременного ремонта. Поэтому следует признать экономически
целесообразной модернизацию ДСП на основе замены системы управления и ряда
исполнительных устройств
на более современные. При этом должны использоваться
современные, наиболее эффективные законы управления, а также многоуровневая система
автоматизации с развитыми подсистемами визуализации, диагностики, статистической
обработки и документирования.
Всем этим требованиям можно удовлетворить при использовании мощных
программируемых контроллеров и современных систем привода электродов на нижнем
уровне автоматизации и промышленных персональных ЭВМ на верхнем. При этом
существенную роль играют алгоритмы регулирования и быстродействие отдельных элементов
системы. Последнее связано с тем, что одним из основных параметров, определяющих и
качество стали и удельный расход электроэнергии, является дисперсия тока дуги, и ее
уменьшение следует считать одной из главных задач модернизации печи.
Требования, предъявляемые к системе управления ДСП
Первое требование – гибкость управления мощностью печи. В начальный период
расплавления металла в печь требуется вводить максимальную мощность, чтобы ускорить
процесс расплавления; в периоды окисления и восстановления нужно иметь возможность в
любой момент изменять эту мощность с тем, чтобы управлять температурами металла и
шлака, являющимися мощными факторами воздействия на протекающие реакции. Это
требование легко выполнить в дуговой печи, мощность которой регулируется как изменением
вторичного напряжения трансформатора, так и изменением длины дуг, т.е. подъемом или
опусканием электродов.
Итак, система автоматического управления должна обеспечивать:
- Поддержание мощности дуги на установленном оператором уровне.
- Контроль тока и напряжения дуги в каждом электроде.
- Возможность ручного управления подъемом и опусканием всех электродов вместе и
каждого в отдельности с панели оператора.
- Возможность аварийной остановки процесса плавления по команде оператора.
- Невозможность запуска системы при:
- срабатывании одного из блокировочных (конечных) выключателей – нижнего
положения каждого электрода;
- наличии сигналов блокировки от электроавтоматики печи, системы защит и
блокировок.
Оператору должна выдаваться информация о наличии запрещающих работу факторов.
При исчезновении дуги на одном из электродов и невозможности ее восстановления
путем подъема/опускания электрода система должна выдать сигал аварии и отключить
оставшиеся.
Второе требование – регулирование длины дуги, изменение ее в различные периоды
плавки независимо от выделяемой мощности. Это необходимо, так как градиент столба дуги
сильно меняется на протяжении плавки, в период окисления и рафинирования длина дуги
становится во много раз большей и интенсивно излучает тепло на футеровку стен и свода как
раз тогда, когда из-за высокой температуры они находятся в наиболее тяжелых условиях.
Достигается это изменением напряжения на дугах путем переключения ступеней напряжения
печного трансформатора.
Автоматический регулятор мощности должен обеспечивать:
- Автоматическое зажигание и поддержание дуги.
- Автоматическое поддержание заданного оператором тока дуги при выбранной
ступени трансформатора.
- Автоматическую ликвидацию технологических коротких замыканий и обрывов дуги.
- Исключение касаний металла электродами в период доводки металла за счет
обеспечения устойчивого горения дуги.
На рис. 1 представлен примерный график изменения мощности и напряжения при
основном процессе выплавки стали с полным окислением (для печи средней емкости). Как
видно, и мощность печи, и ее напряжение могут изменяться от 100 до 40% и менее.
Третье требование – поддержание в печи восстановительной атмосферы. В дуговой
печи это также легко осуществимо, так как в ней благодаря сгоранию электродов свободный
кислород отсутствует, а закрыть доступ внешнему кислороду воздуха в восстановительный
период нетрудно, если дверцы печи и электродные отверстия поддерживаются в нормальном
состоянии. Именно легкость выполнения первого и третьего из перечисленных требований
выгодно отличает дуговую печь от мартеновской. Мартеновская печь более инерционна в
тепловом отношении, в ней труднее регулировать выделяющееся в печи тепло и достичь
восстановительной атмосферы, так как в мартеновской печи во избежание неполного сгорания
топлива нужен избыток кислорода.
Так как в дуговой печи имеют место частые толчки тока, особенно в период
расплавления, то в ней токи «эксплуатационного» короткого замыкания должны быть
ограничены до безопасного для электрооборудования и токоподводов значения, а система
автоматического регулирования должна быстро реагировать на эти толчки и ликвидировать
их.
Электроприводы перемещения электродов
Раньше в качестве регулируемого электропривода традиционно использовался привод
постоянного тока. В конструкции двигателя постоянного тока (ДПТ) имеется коллектор и
щеточный аппарат, что усложняет эксплуатацию двигателя, приводя к дополнительным
расходам на его техническое обслуживание. Асинхронный двигатель имеет прочную
конструкцию, надежен и практически не требует обслуживания по сравнению с ДПТ.
Сложность использования этого двигателя в регулируемых установках состоит в том, что
энергетические показатели и диапазон регулирования скорости вращения, сопоставимые с
приводом постоянного тока, может обеспечить только преобразователь частоты. Ограничение
применения частотно-регулируемого привода было связано с большой стоимостью этих
преобразователей и их сравнительно невысокой максимальной мощностью.
Тем не менее, на сегодняшний день все ведущие фирмы, специализирующиеся в
области электропривода, выпускают в основном именно преобразователи частоты с цифровым
управлением по схеме «неуправляемый выпрямитель - автономный инвертор напряжения с
широтно-импульсной модуляцией (ШИМ)». Приводы, выполненные на основе этих
преобразователей, являются наиболее перспективными. Цифровое управление применяется
все чаще в связи с бурным развитием микропроцессорной техники. Оно обеспечивает
удобство наладки и работы с электроприводом, а также эффективное решение задач
комплексной автоматизации, защиты и сигнализации. Преобразователи частоты с ШИМ
формируют на выходе напряжение, близкое к синусоидальному. При этом асинхронный
двигатель работает в более благоприятных условиях по сравнению с использованием
преобразователей другого типа. Кроме того, такие преобразователи позволяют использовать
Загрузка
Скачивание
шлака
P
max
(0 , 7 − 0,8
( 0 , 4 − 0,5
0
Расплавление
U
Окисление
τ
Восстановление
2
5 - 10 мин
UN
(06,-0,7)U N
0,2-0,5 ч
1,5 - 2,0 ч
1,0 - 1,5 ч
1,5 - 2,0 ч
τ
0
Рис. 1.3. Примерный график мощности и напряжения ДСП за плавку при выплавке основным процессом с полным окислением
неуправляемый диодный выпрямитель, в результате чего питающая сеть практически не
загружается реактивной мощностью и высшими гармониками.
P
Наиболее тяжелые условия эксплуатации электропривода перемещения электродов
приходятся на период расплавления шихты. В этот период дуга горит нестабильно и регулятор
мощности часто меняет задание на скорость двигателя для того, чтобы поддержать заданные
напряжение и ток дуги. С другой стороны, в периоды раскисления и доводки нет частых
включений двигателя, так как дуга горит стабильно. Здесь периоды отключения преобладают
над рабочими периодами электропривода.
В целом режим работы электропривода
перемещения электродов можно отнести к классу S2 – кратковременному номинальному
режиму работы.
Исходя из условий работы электропривода, выбор мощности силового оборудования
проводится в следующей последовательности:
1. Определяется максимальный статический момент на тихоходном валу редуктора и
приводится к валу двигателя.
2. Подбирается асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, номинальный
момент которого на 20-30% выше рассчитанного в предыдущем пункте, а номинальная
частота вращения соответствует максимальной скорости перемещения электрода.
3. Выбирается преобразователь частоты с соответствующим напряжением питания,
номинальная мощность которого не меньше номинальной мощности двигателя.
Регулятор мощности ДСП
При разработке регулятора необходимо правильно выбрать параметр регулирования,
достаточно полно характеризующий отклонение режима работы ДСП от заданного.
Качество выплавляемого металла зависит от подводимой мощности. Регулирование
активной мощности может быть осуществлено изменением напряжения печного
трансформатора или перемещением электродов. Изменение напряжения производится
вручную переключением ступеней трансформатора, поэтому единственным каналом быстрого
воздействия на величину активной мощности является перемещение электродов. При
перемещении электрода изменяется длина дуги, и, как следствие, напряжение дуги, сила тока
и активная мощность.
Принципиально возможно построение регуляторов, поддерживающих постоянным
один из следующих параметров:
a) силу тока дуги, .IД ;
b) напряжение дуги, UД ;
c) сопротивление дуги, Z Д =
UД
IД
(или ее длину);
d) активную мощность дуги, PД.
Однако все эти способы обладают недостатками, затрудняющими реализацию
соответствующих регуляторов.
Наилучшие результаты дает регулятор, в котором в качестве регулируемого параметра
принята разность:
§a UД
aI Д − bU Д = bI Д ¨ −
¨b I
Д
©
·
¸ = bI Д (Z Д 0 − Z Д ) = bI Д ∆Z ,
¸
¹
где a и b - настроечные коэффициенты;
ZД0 и ZД - заданное и текущее значения полного сопротивления дуги.
На дуговых электропечах обычно используется принцип регулирования по
отклонению. Для этого формируется сигнал ошибки как разность заданного и текущего
значения регулируемого параметра:
ε = aI З − bC − aI Д + bU Д = a( I З − I Д ) − b(C − U Д ),
где IЗ – заданное значение тока дуги; С – константа, соответствующая напряжению первой
ступени трансформатора.
Далее сигнал ошибки, вычисленный для каждого электрода, используется для
формирования сигнала задания на соответствующий электропривод.
Так, на стадии расплавления предлагается (в отличие от традиционной линейнорелейной) параболическая характеристика регулятора, чтобы система слабо реагировала на
незначительные изменения тока дуги, но быстро отрабатывала резкие изменения режима, в
том числе короткие замыкания и обрывы дуги. Вместе с тем, на поздних стадиях плавки
резких изменений режима не происходит, поэтому здесь желательно увеличить
чувствительность регулятора с одновременным уменьшением максимальных скоростей
перемещения. Статические характеристики такого регулятора представлены на рис. 2.
Здесь сплошной линией представлена характеристика регулятора на стадии
расплавления, пунктиром - на стадии доводки.
ωЗ
ω
П одъем
П
ωП
m
δ
δ
ε
ωС
m
Спуск
ω
С
Р и с . 2 . С т а т и ч е с к а я х а р а к т е р и с т и к а р е г ул я т о р а м о щ н о с т и о д н о й ф а з ы
Алгоритм работы регулятора мощности построен таким образом, что поджиг дуги
осуществляется автоматически. При этом используются сигналы блокировок, формируемые в
специальной подпрограмме.
Эта подпрограмма совместно с регулятором мощности выполняет следующие
функции:
1) при наличии напряжения на электродах и отсутствии тока во всех трех фазах все
электроды опускаются со скоростью ωC;
2) остановка электрода при касании им шихты при отсутствии тока и уменьшении
напряжения ниже заданного порога U0, то есть снимается задание на скорость
соответствующего электрода;
3) осуществляется запрет на движение вниз при КЗ в двух фазах и разрешение на
движение электродов вверх при отсутствии тока в третьей фазе, где имеется разрешение и
вверх, и вниз;
4) осуществляется запрет на движение вниз при КЗ в данной фазе и разрешение на
движение этого электрода вверх, а также при наличии тока и напряжения в других фазах
осуществляется запрет на движение и вверх, и вниз на время ∆t. По истечении этого времени
электроды поднимаются под действием регулятора мощности;
5) осуществляется запрет на движение вниз в той фазе, где есть КЗ и запрет на
движение в той фазе, где есть ток, и разрешение на движение в третьей фазе, где тока нет;
6) при обрыве тока в одной из фаз и наличии тока в других фазах осуществляется
запрет на движение электродов в тех фазах, где есть ток и разрешение на движение электрода,
в котором тока нет;
7) при КЗ в трех фазах осуществляется запрет на движение вниз и разрешение на
движение вверх всех трех электродов;
8) при равенстве тока дуги току задания осуществляется запрет на движение электрода
с включением зоны нечувствительности.
Идентификация режима работы печи и формирование блокировок на движение
электродов осуществляется на основании анализа значений аналоговых сигналов тока и
напряжения дуги.
Упрощенная схема системы автоматического регулирования мощности дуговой печи
представлена на рис. 3.
2
iД
1
3
5
1'
uД
4
6
Р и с. 3. Ф ун к ц и о н ал ь н ая сх ема С АР м о щ н о с т и о д н о й ф аз ы
Система состоит из объекта регулирования 6 (печь) и регулирующей части. Последняя
состоит из чувствительных элементов 1 и 1`, элемента сравнения 5, регулятора 3,
исполнительного элемента 4 и задающего устройства 2. На элемент сравнения поступают два
сигнала от объекта регулирования (пропорциональные соответственно току и напряжению
дуги) и один – от задающего устройства. Сигнал рассогласования с элемента сравнения
поступает в регулятор и далее воздействует на исполнительный элемент, перемещающий
электрод в направлении, уменьшающем причину рассогласования.
Структурная и функциональная схемы регулятора мощности приведены на рис. 4. и
рис. 5. Сигналы, пропорциональные току дуги iД и напряжению uД дуги, поступают
соответственно с трансформатора тока ТТ и трансформатора напряжения ТН на выпрямители
ВТ, ВН. Затем сигналы фильтруются, после чего через аналого-цифровые преобразователи
подаются на соответствующие входы программируемого логического контроллера (ПЛК). В
ПЛК, согласно алгоритму работы регулятора рассчитывается задание на скорость двигателя.
С
iЗ
IД
ωЗ
1
ε
iД
ωЗ
ε
TФ p + 1
uД
UД
1
TФ p + 1
Рис. 4. Структурная схема регулятора мощности одной фазы
iЗ - С
ТТ
ВТ
Ф
ωЗ
iД
ε
ωЗ
ПЧ
uД
ДСП
ТН
ВН
Ф
Рис. 5. Функциональная схема регулятора мощности одной фазы
ω
Аппаратная реализация системы автоматического регулирования мощности
дуговой печи.
Система автоматического регулирования мощности дуговой печи реализована на
основе оборудования фирмы OMRON. Японская корпорация OMRON является одним из
крупнейших производителей средств автоматизации не только в Японии, но и в мире.
Особенностью производимого корпорацией электронного оборудования является то, что
OMRON разрабатывает и производит для своих изделий собственные БИС. Построение
электронного оборудования с использованием специализированных БИС позволяет
существенно снизить количество элементов в оборудовании, рассеиваемую мощность и,
соответственно, повысить его надежность. Кроме того, опыт применения оборудования
фирмы OMRON показал, что оно имеет хорошую устойчивость при работе в условиях
значительных электромагнитных и коммутационных помех, а так же при плохом качестве
питающих сетей, что является актуальным для таких объектов управления, как дуговые
электропечи.
В качестве управляющего контроллера в системы автоматического регулирования
мощности дуговой печи применен мощный программируемый логический контроллер (PLC)
серии CS1, который в реальном масштабе времени решает задачи управления оборудованием
ДСП, задачи защит и блокировок и собственно задачу управления перемещением электродов
для поддержания заданных параметров дуги по каждому из трех электродов.
Операционная система PLC "зашита" в процессорном модуле, и не может быть ни при
каких условиях повреждена пользователем. Ориентированная на решение задач реального
времени, структура PLC и операционная система обеспечивают циклическое выполнение
управляющей программы,
диагностику состояния всех модулей PLC и регенерацию
входов/выходов в каждом цикле управления, при этом разработчик системы управления
разрабатывает только управляющую программу из набора инструкций PLC. Управляющая
программа записывается в энергонезависимую память программ и не требует перезагрузок.
Кроме того, в PLC на уровне встроенной операционной системы решены вопросы рестарта в
случаях пропадания или несанкционированного снятия питания.
Быстродействие примененного PLC позволило реализовать цикл управления в пределах
10мс, что в свою очередь позволило достичь стабильного горения дуги на всех стадиях работы
дуговой печи.
Для управления асинхронными двигателями привода перемещения электродов
применены частотные преобразователи фирмы OMRON серии 3G3FV. В данных
преобразователях реализован векторный принцип управления, что обеспечивает необходимые
динамические характеристики привода. Кроме того, преобразователи обеспечивают защиту
двигателей от перегрузок и перегрева.
Пульт оператора реализован на базе программируемого терминала Фирмы OMRON
типа NT631. Данный терминал имеет сенсорно-чувствительный цветной ИЖК экран размером
10,5" (Рис. 7). Фронтальная часть терминала защищена от грязи и влаги специальным
защитным экраном. На экране терминала отображается информация о ходе и параметрах
плавки. С экрана терминала производится ввод данных. Имеющаяся в терминале память
позволяет сохранять и выводить в виде графиков значения токов по каждому электроду,
сохранять и, при необходимости, отображать архив действий оператора с привязкой к
реальному времени.
Конструктивно Система автоматического регулирования мощности дуговой печи
выполнена в виде пульта оператора размером 600х400х200мм и двух шкафов: шкаф
управления размером 1800х800х600мм и силовой шкаф размером 1800х1600х600мм. В
силовом шкафу размещены преобразователи частоты, входные фильтры для них и
автоматические выключатели. Размеры шкафов выбраны из условия обеспечения
необходимых тепловых режимов для размещаемой в них аппаратуры без применения
принудительной вентиляции и окружающей температуре до +35°С. Шкафы имеют степень
защиты IP55.
Специфика металлургического производства в части запыленности, загазованности и
повышенных температур окружающей среды требует применения для защиты электронного
оборудования шкафов со степенью защиты не ниже IP55 без применения внешней
вентиляции. Применение закрытых шкафов и оборудования с низкой рассеиваемой
мощностью обеспечивает высокую эксплуатационную надежность системы автоматического
регулирования мощности дуговой печи. Гарантийный срок на систему установлен в 3 года. За
время годичной эксплуатации системы не было ни одного отказа и не требовалось проведения
регулировочных работ.
Результаты внедрения
В 2000 году АО "УРАЛТЕХМАРКЕТ" с участием специалистов кафедры
"Электропривода и автоматизации" УГТУ (УПИ) была проведена модернизация Системы
автоматического регулирования мощности дуговой печи №6 объемом 18 тонн на ОАО
«Уралмаш». В результате такой модернизации произведены следующие изменения:
– аналоговый регулятор мощности дуги заменен на цифровой, построенный на базе
программируемого логического контроллера СS1 фирмы OMRON;
– тиристорные электроприводы постоянного тока заменены частотно-регулируемыми
асинхронными на основе преобразователей частоты фирмы OMRON;
– электродвигатели постоянного тока в приводе перемещения электродов заменены
на асинхронные;
– система автоматики, защит и диагностики выполнены программно;
– пульт оператора заменен на новый, выполненный на основе цветного
промышленного монитора. С монитора осуществляется ввод заданий на текущую
плавку, отображается состояние печи, системы защит и автоматики;
– предусмотрена возможность подключения системы управления верхнего уровня.
Применение современной микропроцессорной техники позволило реализовать
оригинальный алгоритм регулятора мощности дуги, существенно увеличить точность и
скорость перемещения электродов, что обеспечило стабилизацию мощности дуги в
необходимых пределах.
В ходе опытно-промышленной эксплуатации ДСП № 6 получены следующие
результаты:
– уменьшилось время плавки с 3 до 2,5 часов;
– снизился расход электроэнергии на 12-15%;
– снизился расход электродов на 8%;
– повысился средний коэффициент мощности с 0.68 до 0.76;
– повысилось качество выплавляемой стали за счет меньшего науглераживания.
Улучшение технико-экономических показателей получено за счет стабилизации дуги и
более равномерной подачи энергии в ДСП, а также исключения касаний металла электродами
на заключительных этапах плавки. Срок окупаемости такой реконструкции составляет 3
месяца.
Рис. 6. ОАО "Уралмаш". ДСП №6
Рис. 7. Пульт управления ДСП
Средствами электропривода и автоматизации можно добиться снижения
энергопотребления и в других энергоемких технологических процессах.
В сентябре 2001 года аналогичная модернизация Системы автоматического
регулирования мощности дуговой печи выполнена на ДСП №10 ОАО «Уралмаш» емкостью
25 тонн. В отличие от ДСП №6 здесь использованы гидравлические приводы перемещения
электродов.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Литература
Бычкова Е.В., Прудникова Ю.И. Обзор современных зарубежных преобразователей
частоты и опыт их применения // Электротехника, 1995, №7.
Кибернетические методы анализа электроплавки стали. Галкин М.Ф., Кроль Ю.С. – М.:
Металлургия, 1971. – 304 с.
Сапко А.И. Исполнительные механизмы регуляторов мощности дуговых электропечей.
– 3-е изд., перераб. – М.: Энергия, 1980. – 136 с., ил. – (Б-ка электротермиста, Вып. 69).
Фотиев М.М. Электропривод и электрооборудование металлургических цехов.– М.,
Металлургия, 1990. 352 с.
Электрические промышленные печи: Дуговые печи и установки специального нагрева.
А.Д. Свенчанский, И.Т. Жердев, А.М. Кручинин и др.: Под. ред. А.Д. Свенчанского. –
2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоиздат, 1981. – 296 с., ил.
Маринченко В.А. Электрооборудование дуговых печей трехфазного тока.– М., 1955. –
468 с.
ЗАО "УРАЛТЕХМАРКЕТ"
Тел./факс (3432) 69-75-61. Email: uraltm@etel.ru