Управление термической печью с плазменным нагревом под ковку

Термическая печь

с плазменным нагревом под ковку

Общая характеристика

В качестве топлива в плазменной печи, для которой была внедрена наша система автоматического управления, используется природный газ, при сгорании которого выделяется тепло для нагрева металлических заготовок.

Нагрев металла перед ковкой – одна из основных и ответственных технологических операций кузнечно-штамповочного производства. При нагреве величина сопротивления деформациям заготовок уменьшается в 10…15 раз, по сравнению с их состоянием при комнатной температуре, что дает более качественно производить ковку.

Нагрев печи производится при поможи газовых горелок, расположенных по обе стороны печи, исключая при этом соприкосновение пламени горелок с изделиями. Кадоая горелка оснащена устройством поджига и контроля пламени. Регулирование температуры осуществляется при помощи ПИД-регулятора соотношения газ/воздух путем управления мощностью горелок (изменение положения заслонки подачи газа на горелку).Для оптимального сгорания автоматически управляется и подача воздуха на горение. Наличие дымососа и шибера позволяет поддерживать необходимое разрежения в печи.

Термическая печь

Мнемосхема печи

МЛ514H

Система автоматического управления термической печью под ковку

Функциональные возможности

Система предназначена для обеспечения стабильного поддержания температуры в рабочем пространстве печи нагрева заготовок под ковку согласно выбранной режимной карте, при максимально экономном расходе природного газа, а также для отображения, регистрации и архивирования технологических параметров и состояний.

Система автоматического управления термической печью под ковку состоит из щита управления и средств автоматизации, находящимися за пределами щита. На щите управления установлены регулирующие приборы, приборы контроля и регистрации, аппаратура управления, защиты, электропитания, технологическая и аварийная сигнализация.

• Автоматическое регулирование температуры в рабочем пространстве печи по заданной программе термообработки садки;
• Автоматическое регулирование разрежения в рабочем пространстве печи на уровне опорной поверхности печи в пределах номинальных значений;
• Обеспечение газовой безопасности с автоматической отсечкой газа и включением световой и звуковой сигнализации;
• Автоматический контроль технологических параметров с предоставлением данных и регистрацией их в пульте оператора;
• Подачу аварийной световой и звуковой сигнализации при выходе регулируемых и контролируемых параметров за заданные пределы;
• Дистанционное (ручное) управление печью в особых случаях (профилактика, ремонт, отладка режимов);
• Автоматическое управление дымососом и вентилятором.
• Регистрация и архивирование всех аварийных и неаварийных событий.
• Архивирование и представление контролируемых параметров в виде графиков на дисплее пульта оператора МЛ 275.
• Работу с компьютером для отображения на экране монитора различных, наглядных для восприятия, схем в двух- и трехмерном представлении технологического процесса с выводом значений контролируемых параметров и состояний исполнительных механизмов, архивация данных, графическое представление, создание отчетов и другие возможности, предоставляемые компьютерной информационной системой.

• высоком давлении газа за основным запорным органом (ВДГ);
• низком давлении газа за основным запорным органом (НДГ);
• недостаточное разрежение в печи (НРП);
• низком давлении воздуха на горение (НДВ);
• загазованности в помещении;
• по нажатию кнопки аварийного останова (СТОП).

Световая сигнализация остается включенной до тех пор, пока не будет устранена аварийная ситуация, а звуковая сигнализация отключается путем нажатия любой клавиши на пульте оператора МЛ 275, однако при возникновении нового аварийного события звуковая сигнализация включается вновь.

Система управления осуществляет диагностику всех измерительных датчиков температуры, перепада, давления, исполнительных органов управления.В случае обнаружения неисправности одного или более каналов измерения, либо превышения допуска контролируемых параметров, выводится соответствующее сообщение на дисплей пульта оператора с включением световой и звуковой сигнализации. Кроме того, постоянно осуществляется мониторинг устройств, подключенных к интерфейсу RS-485.

Автоматическое управление температурным режимом и разрежением осуществляется по ПИД закону регулирования.

Система обеспечивает автоматическое управление горелками с контролем наличия пламени по каждой горелке с автоматическим розжигом, с возможностью индивидуального управления работой каждой горелки. При самопроизвольном погасании факела и невозможностью после двукратной попытки розжига горелки происходит блокировка работы данной горелки с прекращением подачи газа на нее.

Для оптимального сгорания газа, подача воздуха на сгорание может осуществляться по одному из двух алгоритмов:
1)По расходу - в зависимости от текущего расхода газа, определяется необходимій расход воздуха;
2)По обратной связи - в зависимости от положения заслонки газа, расчитывается необходимое положение заслонки по воздуху на основании введенной таблицы оптимального соответствия положений заслонок газа и воздуха.

Система обеспечивает расчет расхода газа и воздуха (в м³/ч). На основании измеренного значения перепада давления dP, давления Р и температуры Т газа(воздуха), рассчитывается текущий расход газа (воздуха) Q по формуле :
Q=Cu * √(P*dP/(ρT)),
где Cu — константа, которая определяет "физику" трубопровода (диаметр сужающего устройства, коэффициент расхода газа, коэффициент сжимаемости газа, коэффициент расширения, поправочный множитель на тепловое расширение материала сужающего устройства). Задается в режиме программирования пульта оператора МЛ 275;
ρ — плотность газа (воздуха), вводится в режиме программирования пульта оператора МЛ 275.

После расчета текущих расходов газа и воздуха определяется требуемый расход воздуха для оптимального сгорания газа по формуле :
Qзад = 10*β*Qгаза,
где β — коэффициент расхода воздуха, задается в режиме программирования пульта оператора МЛ 275.
На основании произведенных расчетов с пульта оператора МЛ 275 выдается команда регулятору соотношения МЛ 313 на управление заслонкой подачи воздуха. Если в регуляторе МЛ 313 включен режим работы по обратной связи, то данное управляющее воздействие регулятор не воспринимает.

Технические характеристики

• давление и перепад давления газа — от датчиков с унифицированным токовым выходом 4…20 мА;
• температура газа и температура воздуха — от термопреобразователей сопротивления с номинальной статической характеристикой (НСХ) преобразования 100П по ДСТУ 2858-94;
• давление и перепад давления воздуха— от датчиков с унифицированным токовым выходом 4…20 мА;
• температура отходящих газов — от термоэлектрического преобразователя (термопары) с НСХ преобразования ХА(К) по ДСТУ 2837-94;
• температура свода печи, а также ее температура левой и правой стороны — от термопар с НСХ преобразования ПП(S) по ДСТУ 2837-94;
• температура воздуха после рекуператора — от термопары с НСХ преобразования ХА(К) по ДСТУ 2837-94;
• температура окружающей среды для автоматической компенсации температуры холодного спая термопар — от полупроводникового датчика температуры ТМР37.

Устройство и принцип работы

Система управления МЛ514 состоит из совокупности электронных модулей, установленных в щите управления, и четырех блоков управления и контроля газовыми горелками МЛ680, устанавливаемых непосредственно возле горелок.

Панель управления МЛ514H

• регулятор соотношения газ-воздух МЛ 313 с блоком ручного управления МЛ 306.04;
• регулятор давления в печи МЛ 314РД с блоком ручного управления МЛ 306.02;
• пульт оператора МЛ 275;
• контроллер технологических параметров МЛ 380.420;
• контроллер управления горелками МЛ 380.302;
• контроллер безопасности МЛ 380.302.

Пульт оператора МЛ 275 является главным коммуникационным контроллером с функцией архивирования. Он управляет работой остальных контроллеров и регуляторов, каждый из которых имеет свой уникальный адрес. Обмен данными происходит по интерфейсу RS-485 (протокол Modbus).

Контроллер технологических параметров МЛ 380.420 преобразует в цифровой код следующие аналоговые параметры:

• перепад давления газа;
• давление газа;
• перепад давления воздуха;
• давление воздуха;
• температура газа;
• температура воздуха;
• температура отходящих газов;
• температура окружающей среды.

Контроллер безопасности МЛ 380.302 воспринимает дискретные сигналы типа «замкнуто-разомкнуто» от датчиков-реле давления, анализатора газа и кнопок ПУСК и АВАРИЯ. В случае срабатывания хотя бы одного из датчиков-реле давления из-за превышения/уменьшения контролируемого параметра или анализатора газа или нажатия кнопки АВАРИЯ контроллер вырабатывает сигнал отключения клапана-отсекателя с отправкой сообщения на пульт оператора МЛ 275.

• Низкое давление газа (НДГ);
• Высокое давление газа (ВДГ);
• Низкое давление воздуха (НДВ);
• Недостаточное разрежение в печи (НРП);
• Загазованность в помещении.

Контроллер управления горелками МЛ 380.302 вырабатывает сигналы на включение горелок, выбранных при программировании пульта оператора МЛ 275, при наличии на его входах разрешающих сигналов от блоков управления и контроля газовых горелок, соответствующих выбранным горелкам, а также от контроллера безопасности и регулятора соотношения.

Оба регулятора обрабатывают сигналы о положении выходного вала МЭО от БСПР(блок сигнализации положения реостатный) или БСПТ(блок сигнализации положения токовый).Регулятор соотношения контролирует одновременно два МЭО по газу и по воздуху, а регулятор давления - одно МЭО.

Выводимая на индикаторах регуляторов информация зависит от режима работы. В автоматическом режиме на верхнем индикаторе высвечивается измеренное текущее значение регулируемого параметра, а на нижнем — заданное. В качестве измерительных преобразователей температуры используются термопары ХА(К), а в качестве измерительных преобразователей давления могут быть использованы любые преобразователи с унифицированным токовым выходом 4…20 мА.

Регуляторы работают совместно с БРУ, которые обеспечивают возможность перехода в ручной режим и выдачу управляющих воздействий на исполнительные органы. Для перехода в ручной режим достаточно установить переключатель на ручное управление (светодиод возле переключателя включается), после чего управление исполнительным органом осуществляется с помощью кнопок "больше", "меньше" на лицевой панели БРУ.

ПИД-регулятор двления в печи МЛ314

Регулятор давления МЛ 314РД обеспечивает поддержку заданного разрежения в печи, управляя заслонкой, вмонтированной в дымосос.

Регулятор МЛ 314 и блок ручного управления МЛ 306.02 образуют контур регулирования разрежения в печи.

Лицевая панель регулятора МЛ314

Лицевая панель БРУ МЛ306.02

Регулятор разрежения имеет два измерительных канала :
1)давление/разрежение в рабочем пространстве печи (минус 20.0 Па …20.0 Па) - токовыq вход 4…20 мА;
2)положение исполнительного органа (0 … 100.0 %) - напряжение 0..10В.
Регулятор работает автономно. Сигналом разрешения работы, как и для регулятора температуры, является сигнал «Готовность», вырабатываемый контроллером безопасности. Регулятор вырабатывает трехпозиционные ШИМ-сигналы управления исполнительным органом; закон регулирования – цифровой ПД/ПИД. В регуляторе предусмотрена обработка сигналов обратной связи по положению исполнительного органа с отображением его текущего значения. При переводе БРУ в ручной режим управление исполнительным органом возможно только с пульта самого БРУ. Для просмотра обратной связи в ходе управления с БРУ необходимо и сам регулятор перевести в ручной режим, тогда на верхнем индикаторе регулятора отображается текущее значение давления в печи, а на нижнем — положение исполнительного органа в процентах (0…100%).

ПИД-регулятор соотношения газ-воздух МЛ313

Регулятор соотношения МЛ 313 и блок ручного управления МЛ 306.04 образует контур независимого регулирования температуры в рабочем пространстве печи. Сигналом разрешения работы служит сигнал «Готовность», поступающий из контроллера безопасности. Если этот сигнал отсутствует, то регулятор находится в режиме ожидания и автоматическое управление исполнительным органом не производится.

Лицевая панель регулятора МЛ313

• П1 - линейка светодиодных индикаторов положения заслонки управления газом;
• П2 - линейка светодиодных индикаторов положения заслонки управления воздухом;
• "стрелка вверх (П1)" - красный светодиодный индикатор включается при открывании заслонки управления газом;
• "стрелка вниз (П1)" - зеленый светодиодный индикатор включается при закрытии заслонки управления газом;
• "стрелка вверх (П2)" - красный светодиодный индикатор включается при открывании заслонки управления воздухом;
• "стрелка вниз (П2)" - зеленый светодиодный индикатор включается при закрытии заслонки управления воздухом;

Лицевая панель БРУ МЛ306.04

Регулятор вырабатывает трехпозиционные ШИМ-сигналы управления исполнительными органами, связанными с заслонками подачи газа и воздуха на горение; закон регулирования – цифровой ПД/ПИД. В регуляторе предусмотрена обработка сигналов обратной связи по положению исполнительных органов с отображением их текущего значения. После перевода БРУ в ручной режим управление исполнительными органами возможно только с пульта самого БРУ. Для просмотра обратной связи в ходе управления с БРУ необходимо и сам регулятор перевести в ручной режим, тогда на верхнем индикаторе регулятора отображается текущее значение регулируемого параметра, а на нижнем — положение исполнительного органа в процентах (0…100%) по газу или по воздуху. Выбор исполнительного органа для просмотра осуществляется нажатием клавиши "<<" на лицевой панели регулятора.

Регулятор может работать в одном из следующих режимов:
автоматический (основной режим работы), в котором и происходит непосредственное регулирование температуры путем изменения подачи газа и воздуха на горение;
ручной режим работы, в котором управление осуществляется оператором при помощи кнопок управления;
режим программирования предназначен для ввода программируемых параметров.

Вход в режим программирования возможен как из автоматического режима, так и из ручного. Если вход в режим программирования был произведен из автоматического режима, то управление объектом продолжается в фоновом режиме.

Регулятор содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок обработки, запоминающее энергонезависимое устройство, блок питания. Сигналы от датчиков температуры подаются на АЦП, где преобразуются в цифровой код. Для повышения помехоустойчивости и точности измерения процедура опроса по каждому каналу производится 16 раз, после чего путем статистической обработки определяется среднестатистическое значение результата преобразования.

В процессе регулирования производится также определение рассогласования между заданным и действительным значением температуры. Рассогласование служит для определения управляющего воздействия, которое является функцией рассогласования и параметров настройки регулятора:
U(k)=F(E(k),E(k-1),E(k-2),E(k-3),E(k-4),Ky,Ti,Td,Tk)
где – E(k), E(k-1), E(k-2), E(k-3), E(k-4) - ошибки регулирования (текущая и предыдущие);
Ky — коэффициент усиления;
Ti — постоянная интегрирования;
Td — постоянная дифференцирования;
Tk — период квантования.
Определение управляющего воздействия в текущем цикле регулирования производится в соответствии с цифровым ПИД-алгоритмом.

Регулятор производит управление контроллером управления горелками МЛ 380.302. Если положение обратной связи по газу и по воздуху соответствует положению, оптимальному для розжига, регулятор выдает сигнал «Разрешение розжига», в противном случае сигнал «Разрешения розжига» снимается. Параметры, определяющие оптимальное для розжига положение заслонок по газу и по воздуху задаются в режиме программирования.

В случае, когда регулируемая температура превышает установленную величину, происходит аварийное выключение всех горелок – выдача сигнала «Отключение всех горелок» на контроллер управления горелками.

На протяжении всей работы в автоматическом режиме контролируется сигнал «Готовность работы горелок». При его отсутствии выводится сообщение «notr» и регулятор переводит заслонки по газу и по воздуху в положение, требуемое для розжига горелок, и находится в состоянии ожидания.

В регуляторе реализована функция скоростного выхода на режим. Т.е выход от текущей температуры до заданной с установленной скоростью. Задание и скорость выводки определяются в режиме программирования и могут быть установлены также на пульте оператора МЛ 275 и переданы в регулятор через интерфейс RS-485.

Рабочий цикл системы

Рабочий цикл системы по нагреву печи состоит из нижеописанных последовательно выполняемых стадий. Название каждой стадии выводится на дисплее пульта оператора МЛ 275:

Стадия «Ожидание»

Система находится в состоянии ожидания начала работы (до нажатия кнопки ПУСК), при этом регулятор соотношения находится в режиме «Stop» и управление заслонками подачи газа и воздуха не производится. На нижнем индикаторе регулятора МЛ 313 последовательно выводятся сообщения «Stop» и “notr”. Нажатие кнопки ПУСК инициирует включение дымососа и вентилятора, если они еще не включены, и к переходу системы на стадию «Разогрев».
Примечание — Сообщение “notr” на регуляторе выводится в том случае, когда отсутствует сигнал «Наличие пламени» т. е. ни одна из выбранных для работы горелок не включена.
Стадия «Разогрев N», где N=1…5 — номер ступени выбранной режимной карты.

Этап 1 — подготовительный

Регулятор соотношения МЛ 313 выполняет следующие операции:

• вывод заслонки подачи воздуха для продувки системы – перевод заслонки подачи воздуха в положение, установленное для продувки с индикацией на нижнем индикаторе сообщения “St 1”.
• продувка системы в течение времени, установленного параметром “Prot” регулятора, с индикацией на нижнем индикаторе сообщения “St 2”.
• вывод заслонок подачи газа и воздуха в положение, обеспечивающее оптимальный розжиг горелок (определяется параметрами регулятора “PodG” и “Podu” для газа и воздуха соответственно), с индикацией на нижнем индикаторе сообщения “St 3”.
• розжиг горелок – регулятор выдает разрешение для розжига контроллеру МЛ 380.302 (адрес 3), с индикацией на нижнем индикаторе сообщения “St 4”. В случае успешного розжига выбранных горелок сообщение “notr” на нижнем индикаторе гаснет, а на передней панели регулятора соотношения включается светодиод “I” и регулятор переходит в режим автоматического нагрева.

Этап 2 — автоматический нагрев

Автоматический нагрев свода печи до температуры N-ой ступени выбранной режимной карты с установленной скоростью выводки.
Выбор режимной карты и установка скорости нагрева определяется при программировании пульта оператора МЛ 275. На данном этапе на нижнем индикаторе регулятора соотношения выводится заданная температура свода печи, а на верхнем – измеренная текущая температура. При достижении температуры свода заданной для данной ступени система переходит на следующую стадию.

Стадия «Выдержка»

Стадия «Выдержка N», где N=1…5 — номер ступени выбранной режимной карты.
На этой стадии работы заданное значение температуры не меняется в течение установленного для данной ступени времени. По прошествию указанного времени начинается стадия «Разогрев» следующей ступени выбранной режимной карты и так до тех пор, пока не будут пройдены все ступени разогрева и выдержки. После завершения выдержки на последней ступени режимной карты начинается стадия «Завершение».

Стадия «Завершение»

На этой стадии все горелки выключаются, регулятор соотношения переходит в состояние «Stop» — прекращение работы. Когда температура свода печи станет ниже установленной для выключения, начнется стадия «Останов».
Примечание — Любая авария, приводящая к отсечке газа, переводит систему на стадию «Завершение» с включением световой и звуковой сигнализации.

Стадия «Останов»

На данной стадии рабочего цикла все горелки выключены, регулятор соотношения находится в состоянии «Stop», и после выключения дымососа и вентилятора система возвращается к стадии «Ожидание». Рабочий цикл завершен.

Алгоритм работы системы управления

Включение питания

При подаче электропитания система находится на стадии «Ожидание», при этом, как и на других стадиях работы, контролируются состояния датчиков безопасности и кнопки аварийного останова АВАРИЯ.

Начало работы

Для инициации работы необходимо нажать кнопку ПУСК. По нажатию этой кнопки включается дымосос, а по прошествии 20 секунд включается вентилятор. Запуск системы происходит только в том случае, если:

• кнопка аварийного останова отжата;
• датчики НДГ и ВДГ в норме.

Автоматическое регулирование температуры свода печи

В данном режиме работы система может находиться либо на стадии «Разогрев» либо на стадии «Выдержка».

Возникновение аварийной ситуации

В случае возникновения аварийной ситуации, выключаются все горелки, отсекается подача газа, система переходит в состояние «Завершение» с включением аварийной и световой сигнализации.

Пропадание аварии

При пропадании аварии для запуска системы необходимо нажать кнопку ПУСК и удерживать ее несколько секунд, после чего система перейдет к стадии «Разогрев». Номер ступени режимной карты определяется в зависимости от текущей температуры свода печи.

Пропадание пламени

В случае пропадания пламени на одной из горелок, выполняются следующие операции:

• регулятор соотношения выводит заслонки по газу и по воздуху в положения, оптимальные для розжига и дает команду разрешения розжига контроллеру управления горелками;
• контроллер управления горелками выдает команду «Разрешение работы» в блок управления и контроля газовыми горелками МЛ 680 погасшей горелки;
• блок управления и контроля газовыми горелками МЛ 680 включает розжиг погасшей горелки и в случае неудачного розжига выключает подачу газа на горелку; по истечению 5 с происходит повторная попытка розжига. Если розжиг не удался, то по истечению еще 10 с выполняется последняя попытка розжига. Если розжиг произвести так и не удалось, данная горелка блокируется и выключается. В противном случае контроллер управления горелками передает команду в регулятор соотношения о разрешении работы и сообщение «notr» на нижнем индикаторе регулятора соотношения исчезает.

Сброс заблокированных горелок

Сброс заблокированных горелок осуществляется нажатием кнопки ПУСК, а также при любой аварийной ситуации, связанной с автоматикой безопасности.

Завершение работы

После окончания выдержки на пятой ступени режимной карты происходит автоматическое выключение горелок, и система переходит в состояние «Завершение». Для следующего запуска системы необходимо нажать кнопку ПУСК.