Rambler's Top100
Альфа-Пром. Промышленная автоматизация и энергосбережение
Группа компанийАльфа-Пром

 

АСУ температурного режима электрических печей сопротивления

Электрические печи сопротивления (камерные, шахтные, колпаковые и т.д.) широко применяются для термообработки изделий в металлургии, энергетическом машиностроении, металлообработке, керамическом и стекольном производстве и других отраслях российской промышленности. Они работают с обычным окислительным нагревом (без муфеля) или с применением защитных атмосфер, предохраняющих изделия от окисления (муфельные печи).

Электротермическая технология, основанная на использовании электротермических установок – электропечей и электронагревательных устройств, применяется для получения новых высококачественных материалов, которые иным путём получить нельзя, а также для улучшения свойств уже существующих; для нагрева заготовок перед обработкой давлением, для термической обработки деталей и узлов машин, механизмов и элементов различных конструкций и других назначений. Применение электротехнологических процессов обеспечивает наименьшее по сравнению с другими процессами загрязнение окружающей среды; облегчает автоматизацию процессов, позволяет получить любое желательное распределение температур в рабочем пространстве и в том числе обеспечить высокую равномерность нагрева изделий и увеличивает производительность труда.

В электрических печах сопротивления применяется автоматическое регулирование температурного режима, а также автоматическое управление работой различных механизмов печного агрегата (к примеру, циркуляция защитной атмосферы в печах обеспечивается вентиляторами). Повышение уровня автоматизации электрических печей сопротивления получило в настоящее время значительное развитие. Это связано, с одной стороны, с обработкой в них современных материалов, для которых требуются режимы со сложными графиками изменения температуры и высокой точностью её поддержания, непрерывным контролем и регулированием состава атмосферы в ходе процесса, с общим усложнением установок в связи с их агрегатированием, с другой – жёсткими требованиями к экономичности эксплуатации печей, а также стремлением к сокращению применения рабочей силы при обслуживании оборудования.

Для решения задачи по автоматизации электропечей были разработаны два проекта, суть которых изложена в данном материале. Проектное решение по применению АСУ ТП позволяет повысить качество продукции, уменьшить количество брака, снизить расход сырья, повысить производительность труда и тем самым увеличить объём выпуска продукции, сократить поломки и простои оборудования, а так же улучшить условия труда обслуживающего персонала.

Общая цель проектов заключается в том, чтобы с помощью системы автоматического управления в шахтной (рис. 1), камерной (рис. 5) или колпаковой (рис.6) электропечи исключить погрешность регулирования температуры, позволить быстро создавать новые, либо менять имеющиеся режимы отжига в зависимости от вида продукции, тем самым упростить эксплуатацию установки, снизить затраты на ремонт и обслуживание оборудования, получить экономический эффект от рационального использования энергоресурсов вследствие оптимального управления технологическим процессом.

Перед разработкой проекта модернизации АСУ электропечей был проведён подробный анализ температурных режимов работы по имеющимся практическим данным (диаграммам). Выяснились основные недостатки и проблемы, связанные с эксплуатацией печей. Особое внимание на производстве уделяется режиму отжига, который должен очень точно выдерживаться, так как даже незначительные отклонения температуры нарушают технологический процесс, из-за чего отжигаемое изделие не будет обладать тем качеством, которое отмечено в технологической карте. Главной причиной для модернизации системы управления электропечами стала производственная потребность в более точном регулировании температуры, быстрой смене температурных режимов в зависимости от вида изделий, уменьшение количества приборов для облегчения обслуживания и эксплуатации.

Разработанная в данном проекте система регулирования позволяет значительно увеличить надёжность работы электропечей за счёт замены аналоговых регуляторов и релейных исполнительных механизмов на микропроцессорное управление с регулирующими элементами в виде силовых полупроводниковых вентилей - симисторов. Количество внешних соединений, клемных коробок и объём, занимаемый системой автоматического поддержания температуры, уменьшается в несколько раз. Например, вместо трёх шкафов управления для каждой печи понадобится один шкаф. К тому же один программный регулятор ТРМ151, модуль аналогового ввода МВА8 и компьютер (рис. 3) заменят три старых, но весьма дорогих по стоимости регулятора- самописца ДИСК-250.

Следует отметить, что капитальные затраты на проведение модернизации значительно сократятся, если она будет производиться в комплексе на нескольких установках сразу. Например, на четыре печи, кроме регуляторов температуры, понадобится всего один модуль аналогового ввода МВА8 и компьютер (рис.2). Так как данные устройства можно использовать в единственном числе сразу для нескольких печей, то затраты на оборудование сокращаются.

Рассмотрим общую схему системы регулирования температуры в шахтных электропечах (рис.2). В качестве главного регулирующего устройства в каждой системе управления шахтной электропечью используется программируемый по времени двухканальный регулятор температуры ОВЕН ТРМ151-01. Исполнительным устройством для регулятора служит блок управления симисторами и тиристорами БУСТ, индивидуальный для каждого канала регулирования (у каждой печи две группы нагревателей, и, следовательно, два канала регулирования). БУСТ по заданию от регулятора выдаёт импульсы на открывание симисторов, управляя тем самым мощностью на нагревательных элементах в печи. При использовании в БУСТ метода фазового управления достигается достаточно точная регулировка мощности на нагревательных элементах, что важно для системы регулирования температуры.

1 – электродвигатель вентилятора;
2 – отверстие для подачи защитного газа;
3 – отверстие для отвода отработанного газа;
4 – место для зацепления муфеля и крышки муфеля мостовым краном;
5 – муфель;
6 – водоохлождаемое уплотнение;
7 – футеровка;
8 – крышка муфеля;
9 – рабочее колесо вентилятора;
10 – шахта;
11 – металлическое основание садки (шпуля);
12 – держатели крестовины;
13 – нагреваемые изделия (садка);
14 – нагревательные элементы;
15 – крестовина.

Рис.1. Внешний вид шахтной электропечи

Так как оба канала прибора ТРМ151 задействованы в поддержании температуры на нагревательных элементах, то ему необходим как минимум ещё один канал измерения для получения значения температуры в изделии (или в муфеле печи). Для этой цели используется модуль аналогового ввода МВА8, из которого регулятор ТРМ151 может использовать каналы измерения как свои дополнительные. С выбранного канала измерения МВА8 в регулятор ТРМ151 поступает значение температуры отжигаемого изделия либо температура в муфеле печи. Обмен данными между регуляторами и модулем аналогового ввода производится с помощью сети и компьютера. Для согласования интерфейсов используется преобразователь интерфейса RS-485/RS-232 ОВЕН АС3-М (см. рис.2). Через сеть RS-485 производится конфигурирование регуляторов ТРМ151 (через специальный сетевой конфигуратор ОВЕН) и управление по программе технолога системой регулирования температуры.

Тзад. – Задание на температуру в печи; Т – Датчик температуры в печи; О.С. – обратная связь.
Рис. 2 Общая структурная схема новой САУ температуры для 4 шахтных электропечей.

Программы технолога составляются на компьютере верхнего уровня в конфигураторе и вносятся в каждый из регуляторов ТРМ151 по сети. Сбор данных с каждой печи в виде таблиц и графиков также производится по сети на компьютер верхнего уровня при использовании SCADA-системы OWEN PROCESS MANAGER (рис.4).

Схема системы регулирования температуры в отдельной шахтной электропечи отображена на рисунке 3. В схеме существует связь с общей системой управления электропечами.

Разработанная система позволяет отработать любой достаточно сложный режим отжига изделий. Смена температурных уставок в системе регулирования происходит автоматически по разработанной технологом программе. Переход с одной программы на другую может происходить по достижению температуры, по достижению температуры с последующей выдержкой времени, просто по истечению времени, а также по достижению любого из параметров температуры или времени. Система позволяет задавать скорость изменения температуры (возрастание или спад до заданного значения) в каждой нагревательной зоне по индивидуальному графику, что позволяет достичь равномерного нагрева изделия во всех точках.

Предложенная система подойдёт для регулирования температуры в любых электропечах, где существует не более двух нагревательных зон. Для таких объектов данная система является наиболее оптимальным выбором, так как позволяет получить многофункциональную систему регулирования температуры за приемлемые деньги. С ценами на некоторое используемое в проекте оборудование можно ознакомиться на сайте компании ОВЕН www.owen.ru. Программное обеспечение, для настройки данной системы поставляется бесплатно с продукцией фирмы ОВЕН.

Перечень элементов оборудования.

  • программный двухканальный регулятор ОВЕН ТРМ151-01;
  • блок управления симисторами и тиристорами (ОВЕН БУСТ);
  • преобразователь интерфейса ОВЕН АС3-М;
  • модуль ввода ОВЕН МВА8;
  • компьютер, датчики температуры, силовые симисторы.
Рис.3. Электрическая функциональная схема САУ регулирования температуры шахтной печи.

Произвести настройку системы регулирования в программе-конфигураторе и организовать архивацию данных в SCADA-системе - задача вполне достижимая. Но не стоит при этом забывать, что произвести наладку системы на оптимальный режим работы можно только при совместных усилиях специалиста, непосредственно занимающегося автоматизацией, и технолога, отрабатывающего технологию отжига изделий на данном производстве.


Рис.4 Архивация данных в SCADA-системе OWEN PROCESS MANAGER

Для сложных систем регулирования температуры, где необходимо управлять тремя и более нагревательными зонами, а также работой вентиляторов и других исполнительных механизмов, наиболее приемлемой окажется система с управляющим устройством в виде программируемого логического контроллера – таким как ОВЕН ПЛК. Примером такого рода установок может служить самый распространённый в промышленности тип печей – камерные электрические печи сопротивления (рис. 5), либо менее распространенные, но не менее сложные в управлении колпаковые электропечи (рис.6).

В рассматриваемых печах (рис.5 и рис.6) по три зоны нагревательных элементов, поэтому для регулирования температуры необходимо три независимых канала. Одна система регулирует температуру в первой зоне нагрева (первый канал регулирования), вторая - во второй зоне нагрева (второй канал регулирования), третья - в третьей зоне нагрева (третий канал регулирования). Все системы подчиняются главному контуру управления - регулирование температуры в муфеле. Она является выходной координатой подчинённой системы регулирования температуры в печи.

Все контуры подчинённого регулирования идентичны и состоят из регулятора температуры, программно реализованного в контроллере (ОВЕН ПЛК154), исполнительного устройства (ОВЕН БУСТ и симисторов) и объекта управления (нагревательных элементов). Регулятор главного контура регулирования (рис.7), так же как и регуляторы подчинённых контуров, программно реализован в логическом контроллере ОВЕН ПЛК154. Данные с регулятора каждого канала регулирования поступают сначала на контроллер, а затем на компьютер, где обрабатываются и хранятся при помощи SCADA-системы, приспособленной для работы с данным технологическим процессом и выбранным контроллером.

1 - нагреватели; 2 - огнеупорная кладка; 3 - теплоизоляция; 4 - термопара; 5 - выдвижной под; 6 - дверца; 7 – отжигаемое изделие; 8 - защитный муфель; 9 - подвод защитной атмосферы; 10 - механизм перемещения дверцы; 11 - привод механизма перемещения дверцы; 12 - гибкое прижимное уплотнение по периметру дверцы; 13 - песок.
Рис.5. Внешний вид камерной электропечи

1 – колпак;
2 – муфель;
3 – загрузка;
4 – вентилятор;
5 – стойка;
6 – стенд;
7 – привод ручного механизма поворота дроссельной заслонки;
8 – дроссельная заслонка;
9 – система охлаждения защитного газа;
10 – холодильник;
11 – электродвигатель вентилятора;
12 – футеровка стенда;
13 – песочный затвор;
14 – направляющая газового потока;
15 – нагреватели;
16 – пенодиатомитовые изделия;
17 – шамотно-легковесные изделия;
18 – муллитокремнеземистое волокно.

Рис.6. Внешний вид колпаковой электропечи

В разработанной системе, помимо автоматического регулирования температуры (управление контроллером через компьютер или регулятор на удалённом расстоянии), возможно ручное регулирование с помощью резисторов ручного управления на тиристорных блоках ОВЕН БУСТ (во время наладки или аварийной ситуации).

Основными управляющими и контролирующими элементами СУ являются:

  • программируемый логический контроллер ОВЕН ПЛК154-220.А-М;
  • блоки управления симисторами и тиристорами ОВЕН БУСТ;
  • термопары ТХА (К) и силовые симисторы;
  • компьютер.

Отличительной частью проекта является индивидуальная визуализация системы регулирования температуры выбранной электропечи на компьютере (в нашем случае колпаковой). Для этого разрабатывается программное обеспечение схемы автоматизированного управления. В настоящее время существует целый ряд приложений, позволяющих разрабатывать программное обеспечение для АСУТП. Такими программными возможностями обладает продукт TraceMode, который совмещает программные стандарты с большинством средств промышленной автоматики от мировых производителей, в том числе с приборами НПО «ОВЕН». Данный программный продукт выбран в качестве основного системного программного обеспечения для разработки АСУТП. Это обусловлено тем, что программа Trace Mode имеет широкие функциональные возможности и удобную среду разработки, а также тем, что с ней бесплатно поставляются драйверы для выбранного контроллера ОВЕН ПЛК.

БС – блок симисторов; НЭ – нагревательный элемент.
Рис.7. Электрическая функциональная схема САУ на ОВЕН ПЛК.

Предварительные варианты экранных форм, разработанных в графической SCADA-системе TraceMode, приведены ниже (см. рис.7). По ним видно, что управлять и производить регистрацию данных в системе не составляет никакого труда. Экранные формы контроля и регулирования значительно упрощают эксплуатацию печей и облегчают работу оператора. Их внешний вид и структура может быть выполнена индивидуально под каждый заданный технологический процесс и установку.


Рис.8a. Визуализация управления САУ печи с помощью системы TraceMode. Панель управления

Рис.8b. Визуализация управления САУ печи с помощью системы TraceMode. Панель регистрации данных.

Программирование контроллера ОВЕН ПЛК150 также можно проводить в специализированной среде программирования логических контроллеров CoDeSys, которая имеет на сегодняшний день репутацию одной из самых надёжных сред программирования контроллеров. На фирме ОВЕН регулярно проводятся курсы по обучению программирования контроллеров в среде CoDeSys, что очень удобно для проектировщиков и заказчиков. Программное обеспечение CoDeSys поставляется бесплатно вместе с контроллером ОВЕН ПЛК.

Следует обратить внимание, что проект выполнен на основе детального анализа существующего на данный момент рынка предложений, после чего была выбрана наиболее удовлетворяющая наши требования элементная база системы автоматики. Такой является продукция фирмы ОВЕН, известного производителя КИП для АСУТП. Продукция данной компании имеет наилучшее соотношение цены и качества. Все расчёты в проекте произведены в соответствии с характеристиками данной продукции с использованием её широких возможностей.

В заключение важно отметить, что проекты полностью ориентированы на интересы и требования, предъявляемые к процессу термообработки изделий в электротермических установках. Проекты требуют минимальные расходы на закупку оборудования КИП и его установку, что, в свою очередь, делает их экономически эффективными. Современное оборудование и новые методы автоматического управления делают разработанные системы надёжными и удобными в эксплуатации. Использование данных проектов повышает качество продукции и облегчает труд обслуживающего персонала.

По всем вопросам, связанным с автоматизацией производства, вы можете обращаться в отдел автоматизации или непосредственно к начальнику отдела Мокрушину Сергею Александровичу.

Мокрушин Сергей Александрович,
начальник отдела автоматизации компании «Альфа-Пром»,
аспирант ВятГУ кафедры «Электропривода и автоматизации
промышленных установок»
по специальности «Системный анализ,
управление и обработка информации»
г.Киров.