АСУ технологическими процессами и установками непрерывных станов горячей прокатки 1 страница

АСУ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ И УСТАНОВКАМИ НЕПРЕРЫВНЫХ СТАНОВ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ

§ 1. ОСОБЕННОСТИ НЕПРЕРЫВНОЙ ПРОКАТКИ

Характерной особенностью непрерывных станов является последовательное расположение клетей и, как правило, прокатка в каждой из клетей в одном направлении.

Непрерывные станы отличаются большими скоростями прокатки и высокой производительностью. Тонколистовые, заготовочные, сортовые, проволочные и трубные станы строят в основном непрерывными.

Непрерывная прокатка горячего металла независимо от типа стана (листовой, заготовочной, сортовой и т. д.) характеризуется общими основными особенностями:

а) одновременная прокатка металла во всех клетях непрерывной группы и связь между этими клетями через прокатываемый металл;

б) ударное приложение нагрузки при входе металла в валки и резкий сброс нагрузки при выходе.

При непрерывной прокатке количество металла, выходящего из предыдущей клети, должно равняться количеству металла, входящего в последующую клеть. Основным условием непрерывной прокатки является постоянство секундного объема металла по клетям, т. е. прохождение в единицу времени через каждую клеть одного и того же количества металла.

Условие постоянства секундного объема металла

,

где - сечение металла перед входом в соответствующую клеть;

- скорость движения металла перед входом в клеть.

Если , т. е. количество металла, проходящего в единицу времени через вторую клеть, больше, чем через первую, то на участке между первой и второй клетями может произойти разрыв полосы. При условии на участке между четвертой и пятой клетями возникнет петля из металла.

Если замедление и ускорение производятся с металлом в валках, то заданное соотношение скоростей клетей должно сохраняться также при разгоне и торможении.

В зависимости от соотношения скоростей вращения валков клетей возможны три режима прокатки:

а) свободная прокатка, когда металл не испытывает усилий сжатия и натяжения;

б) прокатка с натяжением металла;

в) прокатка со сжатием металла или с образованием петли.

Следует отметить, что свободная прокатка возможна также и при наличии петли. В этом случае длина ее сохраняется неизменной.

Свободная прокатка является границей между прокаткой с натяжением и прокаткой со сжатием (с образованием петли). Она является неустойчивой и поэтому в зависимости от технологии прокатку ведут либо с натяжением, либо с петлеобразованием.

Одной из особенностей непрерывной прокатки является возможность осуществления так называемой бесконечной прокатки, при которой перед непрерывным станом устанавливают накопитель полосы, позволяющий производить сварку концов рулонов встык без прерывания процесса прокатки.

К характерным силовым параметрам непрерывной прокатки полосы, кроме усилия прокатки и крутящего момента главных приводов и вспомогательных механизмов, относятся натяжение полосы и распределение натяжения по ширине полосы.

Другой особенностью непрерывных станов является тесная взаимосвязь между технологическим процессом, элементами конструкции, системами автоматизированного многодвигательного электропривода и АСУ.

§ 2. НЕПРЕРЫВНЫЙ СТАН ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ КАК ОБЪЕКТ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Современные непрерывные станы горячей прокатки относятся к числу наиболее сложных и высокопроизводительных объектов автоматизации, состоящих из многих различных, но взаимосвязанных работающих агрегатов. Непрерывный стан по сравнению с полунепрерывным имеет более высокую производительность и обеспечивает получение продукции более высокого качества.

В состав непрерывного стана горячей прокатки полосы входят:

1) нагревательные печи для нагрева катаного или литого сляба;

2) черновая группа клетей;

3) чистовая группа клетей с одновременной прокаткой во всех клетях;

4) группа моталок для смотки полосы после чистовой группы;

5) транспортные рольганги перед и между клетями черновой группы, промежуточный рольганг между черновой и чистовой группами, отводящий рольганг после чистовой группы;

6) устройство для охлаждения полосы, устройство для сбива и удаления окалины;

7) ножницы для обрезки концов полосы перед чистовой группой, перевалочные и ряд других вспомогательных механизмов.

Различают четыре поколения широкополосных станов горячей прокатки.

На станах третьего поколения масса рулонов достигает 45 т, минимальная толщина листа 1-0,8 мм, скорость прокатки 25-30 м/с, суммарная установленная мощность главных приводов составляет ~ 150 тыс. кВт.

На станах четвертого поколения масса рулонов достигает 80 т, скорость прокатки 30-35 м/с, суммарная установленная мощность главных приводов около 300 тыс. кВт.

Для современных станов как объектов автоматизации можно сформулировать некоторые особенности в части состава и компоновки оборудования.

Для черновой группы при любой компоновке общим является применение вертикального окалиноломателя. Число клетей не менее 5—6. Последние две — три клети могут объединяться в непрерывную группу с прокаткой без петли и натяжения. В составе черновых групп используются двух- и четырехвалковые клети. На некоторых станах на одной или двух черновых двухвалковых клетях осуществляется реверсирование пропуска. Применяют также мощную реверсивную клеть в составе черновой группы, что позволяет обеспечить наиболее оптимальный режим обжатий в черновой группе.

Для чистовой группы число клетей доводят до восьми или девяти с расстоянием между ними 5,5 м.

Одна из особенностей работы чистовых групп — довольно жесткие требования к стабилизации температуры, конца прокатки и температуры смотки готового листа, что требует создания систем автоматического регулирования этих параметров.

Характерной особенностью прокатки в чистовой группе клетей современных широкополосных станов является прокатка с ускорением чистовой группы. Режим равномерного ускорения чистовой группы клетей после заполнения ее металлом обеспечивает выравнивание температуры по длине полосы, которая имеет тенденцию снижаться от начала к концу полосы.

Для сокращения времени прокатки в чистовой группе применяют большие ускорения, при этом для предотвращения повышения температуры хвостовой части полосы применяют охлаждение металла водой в межклетевых промежутках.

Температура сматывания полос оказывает прямое влияние на их механические свойства. Для регулирования температуры полосы перед ее смоткой в рулон на отводящем рольганге предусматривают душирующую установку.

При возрастании массы слябов до 60—80 т и скоростей прокатки до 30—35 м/с вопросы управления температурно-скоростными режимами приобретают особую важность в плане совмещения требований максимальной производительности и высокого качества прокатной продукции. Решение этой задачи выходит за рамки локального регулирования технологических параметров и связано с вопросами настройки стана. Системы регулирования скоростного режима чистовой группы, температуры конца прокатки и смотки, а также межклетевого охлаждения полосы находятся в тесной взаимосвязи и подчиняются единой стратегии управления.

В конце отводящего рольганга обычно размещаются три моталки. Иногда устанавливают две группы моталок для смотки тонкой и толстой полос. В чистовых группах процесс прокатки ведется с натяжением полосы между всеми клетями группы, так как при прокатке без натяжения полоса теряет устойчивость в валках. Однако чрезмерное натяжение приводит к так называемой утяжке полосы, т. е. уменьшению ее ширины. Поэтому величина натяжения теоретически должна быть как можно меньше, т.е. находиться на пороге устойчивости полосы.

С внедрением регуляторов толщины полосы в чистовых группах возникла острая необходимость стабилизации натяжения на межклетевых промежутках, так как в противном случае использование нажимных устройств для регулирования толщины полосы становится неэффективным.

Это явилось причиной разработки и внедрения так называемых «безразличных» петледержателей.

На непрерывных станах применяются гидравлические, пневматические и электромеханические (редукторные и безредукторные) «безразличные» петледержатели.

Для поддержания профиля полосы на станах без изгиба рабочих валков режим обжатий по клетям выбирают таким, чтобы в последних двух клетях группы давление было постоянным.

Таким образом, основными особенностями технологии прокатки в чистовых группах широкополосных станов, существенно отличающими режим их работы от режима работы станов холодной прокатки, являются необходимость поддержания натяжения на минимальном уровне; строгое задание температурного интервала конца прокатки и стабилизация давления металла на валки в последних клетях группы.

Сложность стана как объекта управления и все возрастающие требования к качеству проката определяют тенденцию к непрерывному усовершенствованию и развитию систем управления с УВМ для современных непрерывных станов горячей прокатки.

Структура УВК АСУ ТП непрерывных станов горячей прокатки определяется не только поставленной задачей, но и принципом управления, используемым в системе.

Вследствие нестабильности характеристики объекта управления, неполного объема информации о нем и т.д. необходимое качество прокатной продукции может быть получено применением адаптивных систем управления. Это относится и к прокатным станам других типов.

Применение принципов адаптации целесообразно как при построении локальных систем управления, так и при создании АСУ ТП всего объекта.

На станах могут применяться несколько УВМ, которые осуществляют управление процессом на отдельных участках, и все локальные системы замыкаются через УВМ, работая в режиме прямого цифрового управления. Чистовую группу клетей непрерывного стана горячей прокатки можно рассматривать как многомерный объект, оснащенный рядом локальных систем автоматического регулирования, определенным образом взаимодействующих друг с другом в процессе прокатки.

При всех отличиях структур и алгоритмов различных систем регулирования им присущ ряд общих особенностей:

1. Прокатный стан является существенно нестационарным объектом регулирования, параметры которого меняются в широких пределах, и их нельзя точно определить.

2. Датчики систем регулирования обычно устанавливаются на некотором расстоянии до или после места приложения управляющих воздействий. В первом случае возникают структуры управления по возмущению (например, регулирование толщины полосы по отклонению температуры и толщины подката на входе в чистовую группу), во втором — системы с большим транспортным запаздыванием (например, регулирование толщины по показаниям толщиномера, установленного на выходе стана), а также различные варианты комбинированных структур.

Отмеченные особенности обусловливают высокую чувствительность локальных регуляторов к вариациям параметров прокатного стана.

В АСУ ТП широкополосных станов горячей прокатки большинство управляющих воздействий направлено на перестройку и изменение режимов работы механизмов.

Изменению подлежат линейные или угловые координаты позиционных механизмов, линейные скорости полосы, угловые скорости рабочих валков, задание моментов, натяжений и т. д.

Позиционные механизмы, у которых регулируемой величиной является угловая, или линейная координата, по объему достигают 80% общего количества автоматизированных механизмов стана, и к ним предъявляются повышенные требования с точки зрения точности и качества протекающих в них процессов.

§ 3. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К АВТОМАТИЧЕСКИМ СИСТЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ И УСТАНОВКАМИ НЕПРЕРЫВНЫХ СТАНОВ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ

АСУ технологическими процессами и установками непрерывных станов горячей прокатки охватывают весь технологический процесс прокатки от столов склада слябов и до весов рулонов включительно. АСУ ТП должна решать следующие задачи:

а) улучшение качества готовой продукции (полосы) и повышение выхода годного;

б) вести прокатку полосы с минимальными отклонениями по толщине и ширине;

в) вести прокатку полосы в более жестких температурных условиях, что способствует улучшению физико-механических свойств готовой продукции;

г) увеличение производительности станов за счет более полного использования возможностей оборудования;

д) улучшение условий работы оборудования за счет устранения перегрузок;

е) снижение затрат на ремонты;

ж) улучшение планирования и оперативного управления;

з) стабилизация работы станов.

АСУ ТП непрерывных станов горячей прокатки должна обеспечивать:

1) заданные значения технологических характеристик и параметров (толщина полосы, температура конца прокатки и смотки, форма полосы и т.д.)

2) возможность хранения практически неограниченного объема информации, быстрое нахождение и извлечение из «памяти» необходимых данных;

3) пассивные и активные функции;

4) приоритетный принцип управления;

5) совместимость технических средств АСУ ТП;

6) агрегатируемость технических средств, позволяющая гибко перестраивать и наращивать комплекс технических средств для получения заданной производительности;

7) надежность функционирования всех компонентов АСУ ТП;

8) работу АСУ в реальном масштабе времени;

9) соответствие требованиям технических условий и конструкторской документации;

10) возможность прямого цифрового управления;

11) непрерывный режим работы;

12) ремонтопригодность компонентов АСУ;

13) обмен информацией между УВМ (УВК) и обслуживающим персоналом.

§ 4. ЭЛЕКТРОПРИВОД НЕПРЕРЫВНЫХ СТАНОВ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ КАК СОСТАВНАЯ ЧАСТЬ АСУ ТП

На непрерывных станах горячей прокатки используется современная технология, включая автоматическую работу всех агрегатов, объединенных в единый комплекс, управляемый и контролируемый УВМ. Одной из главных составных частей этого комплекса, во многом определяющей работу АСУ, является электропривод. Двигатели главных приводов клетей черновых групп в зависимости от вида клети и величины стана имеют мощность от 0,5 до 15 мВт и более. Суммарная установленная мощность главных приводов черновой группы может превышать 100 тыс. кВт.

Выбор между асинхронными, синхронными двигателями или двигателями постоянного тока производится лишь после тщательного анализа всех преимуществ и недостатков этих машин и исследования места и условий их использования.

Для питания двигателей постоянного тока, используются тиристорные преобразователи или система Г-Д.

Вспомогательные механизмы (рольганги, нажимные винты и пр.) имеют приводы с двигателями постоянного тока и тиристорными преобразователями. Двигатели рассчитаны на ударные нагрузки, большие ускорения, высокие скорости и изменения тока при питании от тиристорных преобразователей.

Рабочие рольганги черновой группы клетей выполняют с индивидуальным безредукторным приводом роликов от двигателей постоянного тока, обеспечивающим регулирование скорости в каждом пропуске в зависимости от скорости прокатки в клетях.

Каждая секция промежуточного рольганга имеет групповой привод. Характеристики ускорения и замедления ножниц подбираются так, чтобы снизить интервал между заготовками на входе в чистовую группу. Главные приводы чистовых групп широкополосных станов должны обеспечивать большой диапазон, а также быстроту и удобство регулирования. Эти задачи решаются посредством использования двигателей постоянного тока с независимым возбуждением, питаемых от тиристорных преобразователей или генераторов. Мощность главных приводов постоянно возрастает. Суммарная установленная мощность чистовой группы может превышать 150 тыс. кВт.

Применяются многоякорные двигатели, позволяющие получить мощные скоростные приводы с высокими динамическими показателями.

Работа современного непрерывного прокатного стана с многодвигательным электроприводом характеризуется мгновенным приложением нагрузки при входе металла в клеть и резким сбросом при выходе. Такой характер изменения нагрузки вызывает ударное падение скорости вращения двигателя, что приводит к разнотолщинности по длине полосы, снижающей качество металла. Для устранения ударного падения скорости электропривод оборудуют автоматическим регулятором поддержания постоянной скорости вращения.

Регулирование скорости главного привода обычно осуществляется с использованием подчиненного контура регулирования тока. Это обусловливается тем, что установка между клетями системы регулирования петледержателя предполагает высококачественную динамику регулирования скорости главного привода и ограничение тока. Так как партии прокатываемых полос могут быть малыми, величина скорости прокатки должна часто меняться. Поэтому система управления должна обеспечивать повторяемость установки задающего значения скорости, что может достигаться посредством цифрового задатчика.

Для петледержателей применяют гидравлические, пневматические или электрические безредукторные приводы со специальными двигателями с малым маховым моментом и высокой перегрузочной способностью.

Нажимные устройства чистовых клетей отличаются большим диапазоном регулирования скорости установки винтов. Нажимные винты приводятся двигателями постоянного тока, мощность которых выбирается из расчета перемещения валков с металлом в зазоре между ними.

Для привода роликов отводящего рольганга используются двигатели постоянного тока с малым маховым моментом и высокой перегрузочной способностью. На рольганге устанавливается быстродействующая система охлаждения полосы.

При расчете мощности двигателей моталок и задающих роликов учитываются не только сортамент и программы прокатки, но и требования системы регулирования.

К основным особенностям многодвигательного электропривода непрерывных станов можно отнести следующие:

1) появление в черновой группе непрерывных двухклетевых групп;

2) применение как редукторных, так и безредукторных приводов чистовых групп;

3) блочное питание главных приводов постоянного тока от тиристорных преобразователей;

4) работа с ускорением чистовой группы, которая потребовала обеспечить: а) получение любой заправочной скорости; б) синхронное ускорение чистовой группы, рольгангов и моталки с прокатываемой полосой; в) синхронное ускорение всех двигателей чистовой группы без изменения натяжения; г) торможение каждого привода чистовой группы по выходе полосы из клети, что вызвало необходимость в двух группах преобразователей.

Задание заправочной скорости, темпа ускорения, рабочей скорости и т. д. в дискретной форме облегчает построение схем, повышает надежность и облегчает связь систем электропривода с УВМ АСУ ТП.

§ 5. АВТОМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ КЛЕТЕЙ НЕПРЕРЫВНЫХ СТАНОВ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ

Возрастающие требования к качеству горячекатаного листа вызывают необходимость вести прокатку полосы в чистовой группе клетей с переменной скоростью: передний конец полосы прокатывается на постоянной (так называемой заправочной) скорости, а затем после захвата переднего конца полосы моталкой (либо после его выхода из последней клети чистовой группы) скорость прокатки увеличивается.

Темп нарастания скорости прокатки обычно принимается из условия поддержания постоянства температуры конца прокатки в заданных пределах.

Для ведения прокатки с переменной скоростью и высоким ускорением используется система автоматического управления скоростным режимом главных приводов клетей чистовой группы непрерывного стана горячей прокатки (САУСР).

Эта система предназначена для управления скоростными режимами главных приводов стана: режимами заправочной скорости, ускорения, замедления и рабочей скорости.

На ряде прокатных станов применяют тиристорные электроприводы с быстродействующей аналоговой системой регулирования скорости. Однако из-за неточности задания скорости в аналоговой форме, погрешности измерителя скорости, неидеальности интегрирования и дрейфа нулей операционных усилителей высокая точность задания и стабилизации скорости вращения, двигателей главных приводов в таких системах не может быть достигнута. Поэтому наиболее целесообразным является сочетание цифровых и аналоговых регуляторов.

В современных системах применяется прямое цифровое управление скоростными режимами клетей. B них предусмотрен ввод цифровых сигналов заданий значений заправочных скоростей, значения рабочих скоростей, значения ускорения, а также учитываются диаметры рабочих валков клетей. За скорость полосы на выходе чистовой группы принимается линейная скорость рабочих валков последней клети. Имеется возможность изменения уставок заданных значений заправочных скоростей каждой клети по сигналам от систем автоматического регулирования натяжения полосы (САРН) и управления температурой конца прокатки (СУТКП), а также коррекция заданного ускорения с определенным темпом по логическим сигналам от СУТКП. Системы предназначены для совместной работы с УВМ. Внедрение таких систем не только повышает производительность стана, но и улучшает физико-механические свойства полосы, увеличивает выход металла с гарантированными механическими свойствами и снижает продольную разнотолщинность полосы - так называемый температурный клин разнотолщинности, обусловленный неравномерностью температуры по длине полосы при ее движении через клети стана.

Рассмотрим основные уравнения, связывающие линейные скорости и линейные ускорения рабочих валков на примере частотной группы стана, состоящего из чистового окалиноломателя и семи клетей.

Исходя из условия сохранения секундных объемов металла при неизменных обжатиях и пренебрегая опережением металла, можно записать следующие равенства:

; ; ;

; ;

, (1)

где , , , , - мгновенные линейные скорости рабочих валков соответственно окалиноломателя, пятой, десятой и одиннадцатой клетей;

, , , , - коэффициенты отношения линейных скоростей рабочих валков окалиноломателя и клетей к скорости прокатки на выходе из последней клети;

- мгновенное значение скорости прокатки на выходе из последней клети.

При условии пренебрежения опережением

.

При прокатке с ускорением мгновенное значение линейной скорости рабочих валков -той клети

, (2)

где - заправочная скорость -той клети;

- линейное ускорение -той клети.

Аналогично

, (3)

где - заправочная скорость последней клети;

- линейное ускорение последней клети.

Из уравнений (l), (2), (3) получаем

.

После преобразования получим

Учитывая, что

,

получим

.

Таким образом, получены основные уравнения, связывающие линейные скорости и линейные ускорения рабочих валков клетей:

;

;

;

.

Приняв, что значения линейных скоростей и ускорений пропорциональны заданным значениям напряжений на входе регуляторов скорости приводов клетей, можем записать

; (4)

; (5)

; (6)

, (7)

где

- напряжение, пропорциональное заданному значению линейной скорости рабочих валков -той клети;

- то же, для последней клети;

- напряжение пропорциональное заданному значению линейного ускорения рабочих валков -той клети;

- то же, для последней клети;

- напряжение, пропорциональное заданному значению заправочной скорости -той клети;

- то же, для последней клети.

На основании уравнений (4) - (7) можно записать

. (8)

Известно несколько вариантов построения систем управления скоростными режимами приводов клетей непрерывного стана.

Применяются варианты структур, отличающиеся наличием общего эталонного напряжения, пропорционального заправочной скорости стана. Заданные напряжения для приводов отдельных клетей в этих структурах получают путем умножения эталонного напряжения на коэффициенты клети, которые определяются программой обжатий. Рассмотрим еще один способ построения системы управления скоростными режимами приводов клетей.

Из уравнений (4) — (6) получим

. (9)

На рис. 1 приведена структурная схема управления скоростными режимами -той клети, которая построена в соответствии с уравнением (9). Эта структура отличается отсутствием общего эталонного напряжения, пропорционального заправочной скорости стана.

Особенностью системы, построенной в соответствии с уравнением (9), является возможность индивидуального ввода заданной заправочной скорости в каждую из клетей. Таким образом, величина скорости каждой клети является настроечным параметром и в случае предварительного выбора установок.

Разгон прокатного стана производится путем суммирования в схеме каждой из клетей аналогового сигнала, пропорционального заданному значению заправочной скорости клети и сигнала, пропорционального ускорению клети (рис. 1).

Дата добавления: 2015-08-28