Автоматизация процесса непрерывного литья заготовок в условиях ККЦ ОАО «ММК»

Функции и структура АСУ ТП представлены на рисунке 2

Стоить отметить, что основной целью управления первичной стадии кристаллизации является отвод определенного количества тепла от жидкого металла с целью предотвращения раздутия слитка из кристаллизатора.

Вторая стадия кристаллизации в зоне вторичного охлаждения определяет внутреннюю структуру, т. е. качество непрерывного слитка. При чрезмерно интенсивном охлаждении отводится в основном физическое тепло оболочки слитка, её температура падает до 200 – 300°С. При этом деформации переходят из пластичной в упругую область, что вызывает появление трещин вблизи фронта кристаллизации. Помимо того, слабое охлаждение при малой скорости роста толщины оболочки может вызвать раздутие слитка из-за внутреннего ферростатического давления.

 

Рисунок 2 - Структура АСУ ТП

 

Таким образом, задачей управления ЗВО является создание условий охлаждения, предотвращающих чрезмерное охлаждение оболочки слитка и вместе с тем обеспечивающих равномерное затвердевание слитка с получением твердого слитка на всю его толщину к концу зоны вторичного охлаждения.

Единственным управляющим воздействием при постоянной скорости разливки является расход охлаждающей воды и его распределение по секциям зоны вторичного охлаждения. Поскольку количества тепла, которое нужно отобрать у слитка, практически пропорционально скорости разливки, то и количество воды должно быть пропорционально этой скорости. Поэтому рационально построение следящей системы скорость разливки это расход охлаждающей воды [7].

 

 1.3 Структурная схема регулирования расхода воды в ЗВО

 

Структурная схема контура регулирования расхода воды в ЗВО приведена на рисунке 3.

Расход воды прямо пропорционален скорости вытягивания слитка. Расход воды на подводе к ЗВО измеряется расходомером. Далее сигнал подается на регулирующий контроллер.

 

РХР – расходомер; РЕГ – контроллер; ЭНК – энкодер; СЧ – счетчик импульсов;

ИМ – исполнительный механизм; ЭВМ – персональный компьютер

Рисунок 3 – Структурная схема управления расходом воды МНЛЗ в ЗВО

 

Значение расхода воды формируется на управляющей вычислительной машине. После корректировки в регулирующем контроллере, управляющий сигнал подается на исполнительный механизм. Скорость вытягивания слитка определяется с помощью энкодера. Показания энкодера преобразуются в унифицированный сигнал с помощью счетчика. Показания счетчика подаются на вход контроллера для коррекции расхода воды по скорости вытягивания слитка.

 

1.4 Функциональная схема регулирования расхода воды в ЗВО

 

Функциональная схема регулирования расхода воды в ЗВО представлена на чертеже

Расход воды измеряется электромагнитным измерителем расхода Promag 30F, поз.1а. Далее сигнал идет через децентрализованную периферию ET 200M, поз. ДП,  в микропроцессорный контроллер Simatic S7 - 400, поз. РК. Контроллер осуществляет алгебраическое сложение двух величин: измеренной и заданной. Заданное значение регулируемой величины задается с помощью ЭВМ.

Для учета скорости движения полосы используется энкодер ROE – ES5, поз.2а. После сигнал поступает на счетчик импульсов SC-362Ма, поз.2б. Далее сигнал через децентрализованную периферию ET 200M, поз. ДП,  подается в микропроцессорный контроллер Simatic S7 - 400, поз. РК.

Управляющий сигнал с контроллера поступает на регулирующий клапан с электрогидравлическим приводом 241-4, поз. 1б, который изменяет расход охлаждающей воды в ЗВО.  

 

1.5 Расчет расхода воды для одной из секций ЗВО

 

Рассчитаем время, прошедшее от начала кристаллизации. Так как по длине любой зоны вторичного охлаждения все показатели, характеризующие тепловое состояние кристаллизующейся заготовки, непрерывно меняются, то расчет ведется до середины зоны. Поэтому длину первой секции принимаем равной 0,141 м. Расстояние от уровня жидкого металла до середины первой секции зоны вторичного охлаждения определится как сумма уровня жидкого металла в кристаллизаторе, расстояния между кристаллизатором и зоной вторичного охлаждения, расстояния до середины первой секции зоны вторичного охлаждения [9]:

                              L1 = 0,850 + 0,2 + 0,141 = 1,19 м.                          (1)

Время, прошедшее от начала кристаллизации, определится как:

                               

мин.                                            (2)

Из программы определяем температуру поверхности заготовки и толщину слоя затвердевшего металла:

tпов1 = 1108 ºС;

ξ1 = 32,2 мм.

Плотность теплового потока:

• от жидкой сердцевины к поверхности заготовки:

 

                         Вт/м2;                                       (3)

• с поверхности заготовки в окружающую среду излучением:

 

       Вт/м2;                      (4)

 

• с поверхности заготовки в окружающую среду конвекцией:

 

              Qконв1 = 6,16∙(1108 – 20) = 6702 Вт/м2.                                         (5)

          м3/(м2∙ч).                                     (6)

Площадь орошаемой поверхности одной грани:

 

                    Fор1 = (1,3 – 2∙0,0322)∙0,141 = 0,21 м2.                                    (7)

 

Тогда расход воды составит:

                          Gвод1 = 4,6∙0,21∙2 = 2,64 м3/ч.                                            (8)

В таблице 1 представлены результаты вычисления расходов воды в каждой секции ЗВО для трех скоростей разливки. В таблице 2 представлены используемые на производстве расходы для тех же скоростей.

Таблица 1 – Рассчитанные расходы (м3/ч)

Скорость разливки	Секции ЗВО
	1	2	3	4	5	6	7
0,6	2,45	2,67	1,63	2,07	2,03	1,54	1,5
0,7	2,64	2,9	2,14	2,63	2,6	1,84	1,81
0,8	2,78	3,05	2,29	2,8	2,93	2,25	2,19

 

Таблица 2 – Расходы воды используемые на производстве (м3/ч)

Скорость разливки	Секции ЗВО
	1	2	3	4	5	6	7
0,6	2,53	2,53	1,77	2,11	2,07	1,38	1,35
0,7	2,79	2,86	2,05	2,55	2,53	1,73	1,76
0,8	2,93	3,12	2,3	2,94	2,96	2,07	2,13

 

Рисунок 4 – Сравнительный график расходов воды по секциям ЗВО

 

1.6 Контур управления

 

Структурная схема контура управления изображена на рисунке 5, и  содержит объект управления (ОУ), регулятор и механизм воздействия на управляемый объект.

Рисунок 5 – Структурная схема контура управления

 

Объект управления аппроксимируем пропорциональным звеном с запаздыванием. Исполнительный механизм (ИМ) выбираем пропорциональный, который аппроксимируется инерционным звеном с коэффициентом передачи. Регулятор выбираем пропорционально – интегральный, настройки которого находим по методу - оптимум по модулю. Контур управления с передаточными функциями элементов изображен на рисунке 6.

 

Рисунок 6 – Контур управления

 

Определяем параметры контура.

Коэффициент передачи объекта:

 

            Коб= ΔY /ΔX,                                                    (9)

где ΔY – изменение выходной величины, м3/ч;

      ΔX – изменение входной величины, %хода ИМ.

                              Коб = (3-2) / (60-40) = 0,05 м3/ч /%хода ИМ.                   (10)                                              

 

Время запаздывания объекта:

 τз = S/V,                                                          (11)                                              

где S – расстояние от регулирующего органа до расходомера, м;

       V – скорость воды в трубопроводе, м/с.

                                           V=Qн / Sсеч,                                                      (12)

где Qн – номинальный расход воды, м3/ч;

       Sсеч – площадь сечения трубопровода, м2.

 

                          Sсеч = 3,14·0,0252/4 = 0,0004909 м2;                                      (13)

                        V = 3 / 0, 0004909 = 6111,2 м/ч = 1,69 м/с;                           (14)

 

                                τз  = 1,7 / 1,69 = 1 с.                                                      (15)

 

Параметры ИМ:

                                                  Ким = 100/Тпх,                                                   (16)

где Тпх – время полного хода ИМ.

                                                 Тпх = 15с;

                                      Ким = 100/15=6,7 %хода/с;                                        (17)

                                                  Тим = 3с.

Настройки регулятора по методу ОМ:

Тиз= τз = 1 с;

                          Кр= τз /2Коб = 1/(2·0,05) = 10 %хода ИМ / м3/ч.                   (18)

 

 

 

 

1.7 Влияние динамических параметров настройки ПИ-регулятора на

показатели качества переходных процессов

 

Переходный процесс при настройках регулятора рассчитанных по методу ОМ показан на рисунке 7.

 

1 – изменение  расхода воды, 2 – изменение положения  штока привода

Рисунок 8 – Переходный процесс при настройках регулятора по методу ОМ:  Кр = 10 %хода ИМ / м3/ч, Тиз= 1 с

Показатели качества: 2 c, 25 c, σ = 80 %.

Показатели качества неудовлетворительные, попробуем уменьшить Кр и увеличить Тиз. Получившиеся переходные процессы показаны на рисунках 8 – 13.

1 – изменение  расхода воды, 2 – изменение положения  штока привода

Рисунок 8 – Переходный процесс при настройках регулятора: 

Кр = 7 %хода ИМ / м3/ч, Тиз= 3 с

Показатели качества: 2 c, 7 c, σ = 25 %.

 

1 – изменение  расхода воды, 2 – изменение положения  штока привода

Рисунок 9 – Переходный процесс при настройках регулятора: 

Кр = 5 %хода ИМ / м3/ч, Тиз= 3 с

Показатели качества: 3 с, 6 c, σ = 10 %. Перерегулирование снова уменьшилось – продолжаем уменьшать Кр и увеличим Тиз. На рисунке 10 показан переходный процесс при Кр = 4 %хода ИМ / м3/ч, Тиз= 4 с.

Показатели качества переходного процесса на рисунке 11: 15 c, σ = 0 %. Увеличилось время регулирования – попробуем уменьшить Тиз.

 

 

1 – изменение  расхода воды, 2 – изменение положения  штока привода

Рисунок 10 – Переходный процесс при настройках регулятора: 

Кр = 4 %хода ИМ / м3/ч, Тиз= 4 с

 

1 – изменение  расхода воды, 2 – изменение положения  штока привода

Рисунок 11 – Переходный процесс при настройках регулятора: 

Кр = 4 %хода ИМ / м3/ч, Тиз= 3 с

Показатели качества: 4,5 c, σ = 0 %. Показатели улучшились – продолжаем уменьшать Тиз. Переходный процесс изображен на рисунке 12.

1 – изменение  расхода воды, 2 – изменение положения  штока привода

Рисунок 12 – Переходный процесс при настройках регулятора: 

Кр = 4 %хода ИМ / м3/ч, Тиз= 2 с

Показатели качества: 4 с, 9 c, σ = 20 %. Перерегулирование существенно увеличилось – уменьшим  Кр и увеличим Тиз. Переходный процесс изображен на рисунке 13.