Помощь студентам в учебе
Модернизация автоматизированной системы управления Электрошлакоплавильной печи №2 ПАО «ЧМК»
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 6
1 ЭЛЕКТРОШЛАКОПЛАВИЛЬНАЯ ПЕЧЬ КАК ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ 8
1.1 Описание объекта управления и технологического процесса 8
1.2 Основные параметры объекта управления 13
1.3 Существующий уровень автоматизации 19
1.4 Требования к АСУ ЭШП№2 22
1.4.1 Требования к техническому обеспечению 22
1.4.2 Требования к функциям АСУ 22
1.4.3 Требования к надежности АСУ 23
1.4.4 Требования по сохранности информации при авариях 24
1.4.5 Требования по эргономике и технической эстетике 24
1.4.6 Требования по стандартизации и унификации 25
1.5 Постановка цели и задач выпускной квалификационной работы 25
2 МЕТОДИЧЕСКОЕ И АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АСУ
ЭЛЕКТРОШЛАКОПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ №2 27
2.1 Методика управления режимными параметрами ЭШП №2 27
2.2 Алгоритмы управления ЭШП №2 30
3 ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АСУ ЭШП №2 36
3.1 Выбор оборудования полевого уровня 38
3.2 Выбор оборудования контроллерного уровня 46
3.3 Выбор HMI 55
3.4 Выбор ИБП 59
3.5 Разработка функциональной схемы 65
3.6 Разработка электрических принципиальных схем 67
4 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АСУ ЭШП №2 69
4.1 Разработка прикладного программного обеспечения 69
4.1.1 Конфигурация оборудования 69
4.1.2 Описание тегов 70
4.1.3 Описание программы 74
4.2 Разработка пользовательского программного обеспечения 79
4.2.1 Общее описание визуализации управления 79
4.2.3 Демонстрация работы HMI 82
4.2.4 Система безопасности программного обеспечения 85
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 87
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 89
ПРИЛОЖЕНИЕ А 91
ВВЕДЕНИЕ 6
1 ЭЛЕКТРОШЛАКОПЛАВИЛЬНАЯ ПЕЧЬ КАК ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ 8
1.1 Описание объекта управления и технологического процесса 8
1.2 Основные параметры объекта управления 13
1.3 Существующий уровень автоматизации 19
1.4 Требования к АСУ ЭШП№2 22
1.4.1 Требования к техническому обеспечению 22
1.4.2 Требования к функциям АСУ 22
1.4.3 Требования к надежности АСУ 23
1.4.4 Требования по сохранности информации при авариях 24
1.4.5 Требования по эргономике и технической эстетике 24
1.4.6 Требования по стандартизации и унификации 25
1.5 Постановка цели и задач выпускной квалификационной работы 25
2 МЕТОДИЧЕСКОЕ И АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АСУ
ЭЛЕКТРОШЛАКОПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ №2 27
2.1 Методика управления режимными параметрами ЭШП №2 27
2.2 Алгоритмы управления ЭШП №2 30
3 ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АСУ ЭШП №2 36
3.1 Выбор оборудования полевого уровня 38
3.2 Выбор оборудования контроллерного уровня 46
3.3 Выбор HMI 55
3.4 Выбор ИБП 59
3.5 Разработка функциональной схемы 65
3.6 Разработка электрических принципиальных схем 67
4 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АСУ ЭШП №2 69
4.1 Разработка прикладного программного обеспечения 69
4.1.1 Конфигурация оборудования 69
4.1.2 Описание тегов 70
4.1.3 Описание программы 74
4.2 Разработка пользовательского программного обеспечения 79
4.2.1 Общее описание визуализации управления 79
4.2.3 Демонстрация работы HMI 82
4.2.4 Система безопасности программного обеспечения 85
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 87
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 89
ПРИЛОЖЕНИЕ А 91
Публичное акционерное общество «Челябинский металлургический комбинат» является одним из крупнейших в России предприятий полного металлургического цикла по изготовлению качественных и высококачественных сталей. Комбинат - одно из немногих предприятий, который имеет право присваивать произведенной продукции собственный индекс - ЧС (Челябинская Сталь). ПАО «ЧМК» также является крупнейшим производителем нержавеющей стали в России [1].
ЧМК выпускает широкий сортамент продукции металлургического производства:
- чушковый чугун,
- полуфабрикаты стальные для дальнейшего передела,
- сортовой и листовой металлопрокат из углеродистых, конструкционных, инструментальных и коррозионностойких марок стали,
- фасонный прокат,
- рельсовую продукцию.
Филиал ПАО «Уралкуз» в Челябинске, находящийся на производственной площадке ПАО «ЧМК» цех ЭСПЦ-3 - современное наукоемкое и высокотехнологичное производство объединяющее металлургическое оборудование для изготовления специальных сталей и жаропрочных сплавов, применяемых в аэрокосмическом комплексе, химическом и атомном машиностроении и других областях, где требуются материалы со специфическими эксплуатационными характеристиками. Имеющиеся в Челябинском филиале молоты, прессы, термическое и обдирочное оборудование позволяют производить поковки, в том числе уникальные крупногабаритные массой до 10 тонн [1].
Электрошлакоплавильная печь №2 (ЭШП№2) находящаяся в
Электросталеплавильном цехе №3 была введена в эксплуатацию в 1982 году. В 2014 году на ЭШП произошла авария с выгоранием части кабельной продукции и части полевых устройств измерения. На данный момент печь находится на консервации. В связи ростом спроса на продукцию в 2018 году было принято решение о введении печи в работу и модернизации её системы управления.
Автоматизированной системой управления технологическим процессом (АСУ ТП) называют комплекс решений технических и программных средств, предназначенных для автоматизации управления различным технологическим оборудованием.
Цели создания АСУ ТП - обеспечение надежной и безаварийной работы, уменьшение материальных и энергетических затрат, автоматическая и автоматизированная диагностика оборудования.
Таким образом, создание рациональной автоматизированной системы управления технологическим процессом является сложной задачей. Принятие правильных решений ведет к повышению качества выпускаемой продукции и повышает надежность всей системы.
Реализация проекта по модернизации АСУ ЭШП№2 позволит производить в больших объемах востребованную на рынке высокомаржинальную продукцию. Помимо этого, появится возможность загрузить оборудование цеха и компании в целом «подкатом» для дальнейшей обработки и увеличения добавочной стоимости выпускаемых готовых изделий.
ЧМК выпускает широкий сортамент продукции металлургического производства:
- чушковый чугун,
- полуфабрикаты стальные для дальнейшего передела,
- сортовой и листовой металлопрокат из углеродистых, конструкционных, инструментальных и коррозионностойких марок стали,
- фасонный прокат,
- рельсовую продукцию.
Филиал ПАО «Уралкуз» в Челябинске, находящийся на производственной площадке ПАО «ЧМК» цех ЭСПЦ-3 - современное наукоемкое и высокотехнологичное производство объединяющее металлургическое оборудование для изготовления специальных сталей и жаропрочных сплавов, применяемых в аэрокосмическом комплексе, химическом и атомном машиностроении и других областях, где требуются материалы со специфическими эксплуатационными характеристиками. Имеющиеся в Челябинском филиале молоты, прессы, термическое и обдирочное оборудование позволяют производить поковки, в том числе уникальные крупногабаритные массой до 10 тонн [1].
Электрошлакоплавильная печь №2 (ЭШП№2) находящаяся в
Электросталеплавильном цехе №3 была введена в эксплуатацию в 1982 году. В 2014 году на ЭШП произошла авария с выгоранием части кабельной продукции и части полевых устройств измерения. На данный момент печь находится на консервации. В связи ростом спроса на продукцию в 2018 году было принято решение о введении печи в работу и модернизации её системы управления.
Автоматизированной системой управления технологическим процессом (АСУ ТП) называют комплекс решений технических и программных средств, предназначенных для автоматизации управления различным технологическим оборудованием.
Цели создания АСУ ТП - обеспечение надежной и безаварийной работы, уменьшение материальных и энергетических затрат, автоматическая и автоматизированная диагностика оборудования.
Таким образом, создание рациональной автоматизированной системы управления технологическим процессом является сложной задачей. Принятие правильных решений ведет к повышению качества выпускаемой продукции и повышает надежность всей системы.
Реализация проекта по модернизации АСУ ЭШП№2 позволит производить в больших объемах востребованную на рынке высокомаржинальную продукцию. Помимо этого, появится возможность загрузить оборудование цеха и компании в целом «подкатом» для дальнейшей обработки и увеличения добавочной стоимости выпускаемых готовых изделий.
Проанализировав состояние существующей АСУ ЭШП№2 был сделан вывод что она реализована на устаревшем морально и физически оборудовании. Чтобы устранить возникшую проблему, было принято решение о модернизации.
На начальном этапе был проведен анализ объекта автоматизации. Произведено описание системы управления режимами электрошлакового преплава. Поставлены цели по решению данной проблемы, а также задачи, которые необходимо решить в данном проекте.
Произвели подбор оборудования полевого уровня. После пожара в 2014 году, большая часть полевого оборудования сохранилась, поэтому был подобран электрический двигатель каретки электрододержателя и измерительные элементы системы управления.
Для управления технологическим оборудованием подобрали программируемый логический контроллер, модульную станцию и блоки питания. В целях унификации типов оборудования, используемого в ЭСПЦ№3 оборудование контроллерного уровня АСУ ЭШП№2, было подобрано на базе средств для автоматизации компании SIEMENS. Была разработана функциональная схема автоматизации процесса электрошлакового переплава. Были спроектированы электрические принципиальные схемы.
Для оперативного управления и мониторинга технологического процесса подобрана HMI-панель компании SIEMENS. В качестве резервного питания для непрерывной работы установлен онлайн ИБП компании Trio. Переключение на ИБП осуществляется за счет срабатывания АВР. Выбранное оборудование соответствует всем предъявленным требованиям к АСУ ЭШП№2.
На базе программных продуктов TIAPortalV14 и EPLAN Education 2.7 разработано информационно-алгоритмическое обеспечение системы управления, алгоритм работы системы управления, управляющая программа и приложение оператора.
При реализации проекта автоматической системы управления ЭШП№2 выполняются следующие задачи:
1) Максимально автоматизируется процесс управления.
2) Обеспечивается автоматический, полуавтоматический и ручной режим управления переплавом.
3) Осуществляется ведение, контроль, обработка и сохранение исторических данных.
4) Автоматический контроль работы позволяет исключить ошибки за счет устранения человеческого фактора.
5) Современное оборудование ускоряет процесс производства, и повышает качество продукции.
В рамках ограниченного ремонтного бюджета компании реализация проекта по модернизации печи будет проходить в два этапа:
1) Первый этап включает в себя диагностику, ремонт (если потребуется), пусконаладочные работы на всех приводах ЭШП. Установка ПЛК планируется на данном этапе с сохранением старой схемы управления переплавом с пультов управления сталевара. Сроки реализации первого этапа 4 квартал 2021 года.
2) Второй этап включает в себя установку АРМ начальника участка, HMI - панели на пульте сталевара и обновлении версии программного обеспечения, до разработанной в проекте модернизации
Решение о реализация второго этапа будет принято после анализа работы ЭШП№2 в рамках первого этапа (не менее полугода), оценки экономической ситуации и соответствующих экономических рисков.
На начальном этапе был проведен анализ объекта автоматизации. Произведено описание системы управления режимами электрошлакового преплава. Поставлены цели по решению данной проблемы, а также задачи, которые необходимо решить в данном проекте.
Произвели подбор оборудования полевого уровня. После пожара в 2014 году, большая часть полевого оборудования сохранилась, поэтому был подобран электрический двигатель каретки электрододержателя и измерительные элементы системы управления.
Для управления технологическим оборудованием подобрали программируемый логический контроллер, модульную станцию и блоки питания. В целях унификации типов оборудования, используемого в ЭСПЦ№3 оборудование контроллерного уровня АСУ ЭШП№2, было подобрано на базе средств для автоматизации компании SIEMENS. Была разработана функциональная схема автоматизации процесса электрошлакового переплава. Были спроектированы электрические принципиальные схемы.
Для оперативного управления и мониторинга технологического процесса подобрана HMI-панель компании SIEMENS. В качестве резервного питания для непрерывной работы установлен онлайн ИБП компании Trio. Переключение на ИБП осуществляется за счет срабатывания АВР. Выбранное оборудование соответствует всем предъявленным требованиям к АСУ ЭШП№2.
На базе программных продуктов TIAPortalV14 и EPLAN Education 2.7 разработано информационно-алгоритмическое обеспечение системы управления, алгоритм работы системы управления, управляющая программа и приложение оператора.
При реализации проекта автоматической системы управления ЭШП№2 выполняются следующие задачи:
1) Максимально автоматизируется процесс управления.
2) Обеспечивается автоматический, полуавтоматический и ручной режим управления переплавом.
3) Осуществляется ведение, контроль, обработка и сохранение исторических данных.
4) Автоматический контроль работы позволяет исключить ошибки за счет устранения человеческого фактора.
5) Современное оборудование ускоряет процесс производства, и повышает качество продукции.
В рамках ограниченного ремонтного бюджета компании реализация проекта по модернизации печи будет проходить в два этапа:
1) Первый этап включает в себя диагностику, ремонт (если потребуется), пусконаладочные работы на всех приводах ЭШП. Установка ПЛК планируется на данном этапе с сохранением старой схемы управления переплавом с пультов управления сталевара. Сроки реализации первого этапа 4 квартал 2021 года.
2) Второй этап включает в себя установку АРМ начальника участка, HMI - панели на пульте сталевара и обновлении версии программного обеспечения, до разработанной в проекте модернизации
Решение о реализация второго этапа будет принято после анализа работы ЭШП№2 в рамках первого этапа (не менее полугода), оценки экономической ситуации и соответствующих экономических рисков.