CC BY
12
УДК 621.4
АНАЛИЗ СПОСОБОВ И УСТРОЙСТВ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ В ЭЛЕКТРОЛИЗНЫХ И ДУГОВЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ
Ü | Ф.К. Бойко, Е.В. Птицына
Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова
Мацалада басцарудыц к,айрг1 macindepi мен цурылымдарыныц келшшктерш талдау негЫнде электролиз мен догалыпештерде балцыту % , YpdicmepiH авто мат ты басцарудыц к,аз1рг1 жуйелер'т жегпид1руге байланысты мэселелер царыстырьиады.
В статье рассматриваются вопросы, связанные с усовершенствованием существующих систем автоматического управления процессами электролиза и плавки в дуговых печах, на основе анализа недостатков существующих способов и устройств управления.
The article considers issues connected with the perfection of the existing systems ofautomatic con-trol over the processes of electrolysis and smelting in arc furnaces on the basis of the existing ways and control devices drawbacks analysis.
Повышение эффективности электролизных и дуговых электротехнологи-чес-ких установок возможно за счет совершенствования электрического режима с использованием тока сложной формы, обусло&тивающее необходимость разработки новых способов и систем управления процессами электролиза и плавки в дуговых печах, непосредственно связанных с разработкой программно-технических средств, реализующих алгоритмы оптимального управления.
Необходимость управления процессами электролиза и плавки в дуговых пла-виль-ных печах обусловлена рядом причин: системы управления ЭТУ обеспечивают оптимизацию параметров. Поскольку для питания ЭТУ применяются раяличные источники (постоянною тока, переменного синусоидального. ТСФ), поэтому применяемые системы управления электрическими параметрами многообразны и различаются по роду тока, по принципу действия (аналоговые или цифровые), по структуре (с
суммирующим усилителем или с подчиненным регулированием координат) и т.д.
В процессе электролиза продукцию требуемого качества (плотный мелкокристаллический осадок) можно получить только при определенной плотности тока на катоде. Такие процессы, как выгрузка готовой продукции и шу нтирование при этом части электролизных ванн серии, изменение напряжения в сети, вывод части ванн серии в ремонт, изменение сопротивления черновых анодов при их растворении приводят к изменению сопротивления электролизной установки, выпрямленного тока и катодной плотности тока. Большинство электролизных ЭТУ оснащены системами автоматической стабилизации выпрямленного тока (САСТ). необходимые для поддержания заданного значения плотности тока в течение всего процесса электрорафинирования или электроэкстракции. В качестве источников питания (ИП) электролизных ЭТУ применяются преобразовательные агрегаты с утгравляемыми выпрямителями и неуправляемыми с дросселями насыщения. Стр\тоурная схема С ACT. используемая в преобразовательных агрегатах с неуправляемыми выпрямителями и дросселями насыщения, приведена на рис. 1.
5ЯХ
о пгг.пгп'А 'i А
КУ
-*
Р ис i Структурная съемл систеагы автошпичесхой стабилизация вып?>ят«денвого тока мектродкзьге ЭТУ
1 - задающий зледеа?,
2 - регулятор тока;
3 •• р«г/яир5«ощий эяемюг (ДН); А - о&ъжх регулирование
3 - измерительный элемент
В подобных САСТ при появлении сигнала рассогласования на выходе регу лятора тока 2 вырабатывается управляющее воздействие, обусловливающее увеличение падение напряжения на рабочей обмотке дросселя насыщения за счет уменьшения тока управления в обмотке подмагничивания, в соответствии с приведенным выражением:
г тт ' Е 1Л -—. (1)
кэ
то есть при изменении сопротивления электролизера Я, для поддержания заданного значения выпрямленного тока Г изменяют выпрямленное напряжение за счет плавного регулирования падения напряжения в рабочей обмотке дросселя насыщения изменением тока управления. Если источник питания укомплектован управляемыми выпрямителями, то для плавного изменения выпрямленного напряжения регулируют угол открытия тиристоров, например, системой импу льсно-фазового управления (СИФУ).
Если диапазон плавного регулирования выпрямленного напряжения исчерпан. то устройством регу лирования напряжения под нагрузкой (РПН) силового трансформатора преобразовательного агрегата осуществляется автоматическое сту пенчатое регулирование выпрямленного напряжения в сторону увеличения или уменьшения.
Подобные способы регу лирования неэффективны в электролизных ЭТУ с криолит-глиноземными расплавами. Такую ванну необходимо балансировать по теплоте в узком интервале температур 950-970°С. Теплота от прохождения постоянного тока через электролит и теплота окисления анода и вторичных реакций должны быть равны теплоте, отдаваемой в окружающую среду. Тепловой баланс, например, самообжигающегося электрода-анода определяет качество анода -его механическую прочность и удельное электрическое сопротивление, и, следовательно. потери электроэнергии в электроде и приэлектродной области. На формирование качественного самообжигающегося анода влияет скорость изменения температуры коксующегося слоя и градиент температуры анода по высоте.
Чтобы поддерживать тепловой батане электролизеров ()э используют комбинированный способ регулирования:
(2)
При изменении среднего значения выпрямленного тока серии электролизеров И? переключают ступени РПН трансформатора преобразовательного агрегата. Диапазон ступенчатого регулирования тока составляет у 4 кА. Погрешности кон-
8
НАУКА И ТЕХНИКА КАЗАХСТАНА
трольно-измсрительных приборов (измеряющих среднее значение выпрямленного тока) и большой диапазон изменения тока при переключении РПН обусловливает переинтенсификацию процессов в электролизерах: ток на ряде ванн допол-нитель-но увеличивается на 1-2 кА. Это приводит к увеличению числа ванн (до 30%). ра-ботающих с повышенной температурой (более 970оС). Это приводит к повышен-ному износу ванн и увеличению объемов ремонтов.
Для поддержания постоянным теплового баланса ванны при изменении выпрямленного тока необходимо изменять сопротивление электролизеров. Это обеспечивается двумя способами: изменением площади сечения анода (при ремонте ванн); или изменением межплавильного расстояния непосредственно в процессе электролиза. В первом случае, из-за разброса во времени ремонта отдельных ванн и изменении электрических сопротивлений отдельных ее элементов в процессе эксплуатации, невозможно получить одинаковые значения со-прогив-лений всех электролизеров, даже при одинаковых сечениях анодов. Регулирование межплавильного расстояния является нежелательным, так как при его уменьше-нии затрудняется удаление анодных газов, ухудшается циркуляция электролита, отмечается усиление взаимодействия анодных газов с алюминием. Это приводит к снижению производительности ванн, повышению удельного расхода электроэнергии, увеличению расхода анодной массы и фтористых солей. Искусственное охлаждение электролита лишь дополнительно увеличивает расход электроэнергии.
Совершенствование систем управления традиционных электролизных ЭТУ связано разработкой новых регу ляторов и с заменой аналоговых (непрерывных) систем управления цифровыми (дискретными).
Известно применение адаптивного промышленного АП ПИД регулятора, предназначенного для управления динамическими процессами с изменяющимися параметрами и подверженных воздействию неконтролируемых возмущений. Реализован оптимальный по критерию максимальной степени устойчивости способ регулирования. Автоматическая настройка параметров регуляторов происходит один раз при первом запу ске системы управления Далее регу лятор переходит в режим с непрерывной подстройкой параметров пассивно за счет адаптивных свойств регулятора. Способ адаптации основан на использовании линейного ди-намического преобразования ошибки регу лирования и нелинейной статической зависимости выходного регулируемого параметра от управляющего сигнала. За счет непрерывной адаптации система управления обеспечивает устойчивость регулирования во всем диапазоне действующих возмещений. Однако они рекоменду ются для задач управления температурой теплового объекта [I, 2].
Использование дискретных систем управления процессами электролиза позволило получить высокие диапазоны регулирования параметров при высокой статической точности 0,001%, которую не дают аналоговые системы управления [3]. Однако добиться существенного снижения удельного расхода электроэнергии и уъеличения выхода металла по току при автоматизации управления процессом электролиза на постоянном токе не удалось. Поэтому совершенствование существующих способов и систем управления процессами электролиза является актуальной задачей, не получившей своего окончательного решения.
В отличие от электролизных ЭТУ, технологический процесс в дуговой плавильной печи подразделяется на характерные периоды (расплавление шихты, окисление, рафинирование), а питание от источника сину соидального напряжения промышленной частоты характеризует процесс плавки как быстропротека-ющий с частыми обрывами дуг и эксплу атационными короткими замыканиями, обусловленных неустойчивостью горения дут переменного тока и неравномерным распределением мощности по фазам.
Поэтому' системы автоматического регулирования дуговых ЭТУ (в частности дутовых сталеплавильных печей (ДСП)) решают сложные задачи: они обеспечивают тепловой баланс печи с учетом износа футеровки и температурного режима; получение металла требуемого качества и химического состава; достижение оптимальных значений продолжительности плавки и удельного расхода электроэнергии; управление значениями вводимой в печь мощности и поддержание ее на оптимальном уровне в разные периоды плавки; осуществление быстрой ликвидации возму щений при обрывах дут и эксплуатационных коротких замыканиях.
Автоматическая система управления процессом плавки стали в традиционных ДСП содержит: автоматические регуляторы процесса; автоматические регуляторы теплового режима; автоматический регулятор мощности; электропечной трансформатор с устройством автоматического регулирования напряжения.
Особые требования предъявляются к регуляторам мощности ДСП. Для выполнения функций быстрой ликвидации возмущений они должны удовлетворять требованиям чуъствительности, быстродействия и устойчивости.
На рис. 2 показана структурная схема автоматической ристемы регулирования электрических параметров традиционной ДСП,. .
!
¿3
< У > 1
I
1
1
-Ж X 5-Н
О
7
—*»ч
ГГ
Рис. 2 Упращенная схема автоматического регулирования мощности ДСП. 1 -задающий элемент:
2-регулятор мощности с у силительным элементом:
3-исполнительный механизм (регулиру ющий элемент);
4-объект регулирования:
5-измерителъный. сравнивающий элемент.
Совмещение всех указанных требований непросто: например, при увеличении быстродействия регулятора снижается ею устойчивость. В настоящее время разработаны различные типы и ыэнструлсци и регуляторов мощности. В традиционных ДСП находятся в эксплуатации электрогидравлические регуляторы дроссельного типа, имеющие зону нечувствительности Зч6%, и скорость перемещения электродов 4ч6 м/ мин. Они оснащены пропорционально интегрально дифференциать-ными (ПИД) регуляторами. поддерживающими неизменным сопротивление печи, выбранного в качестве параметра регулирования.
В традиционных ду говых сталеплавильных печах реализован комбинированный способ регулирования электрических параметров печи. Автоматическое ступенчатое изменение питающего напряжения устройством РПН (или ПБВ) электропеч-ного трансформатора и плавное изменение сопротивление печи за счет перемещения электродов печи. Применяемые аналоговые системы управления не обеспечивают автономности регу лирования мощности по фазам, что приводит к излишним перемещениям электродов, их износу и колебаниям в приводе. В ходе технологического процесса плааления требуется получение информации о характере изменения электроэнергетических параметров, анализ выделения мощности в характерных зонах печи, недосту пных для измерения, определение рациональных режимов плавки. Однако практически все разработанные средства автоматизации контролируют только интегральные параметры печи и электродов [4].
Для решения задач управления в ЭТУ внедряют микропроцессорные средства (системы) управления [5,6]. Они расширяют функциональные возможности систем автоматического управления: облегчают реализацию сложных законов адаптивного и оптимального управления; осуществляют программируемую проверку номинальных режимов работы; контролируют предельные значения сигналов; проводят диагностику и поиск неисправностей; выбирают управляющие алгоритмы (в место жесткой логики в цифровых системах МП СУ реализована гибкая архитектура, обеспечивающая переход с одной программы на другую). В системах управления с у правляющими микропроцессорными средствами (МП СУ) появляется возможность реализовать законы управления в виде алгоритмов, которые могут выполняться аппаратными либо программными средствами, обрабатывать дискретные сигналы с помощью АЦП и ЦАП.
В [7] предлагается алгоритмическое и программное обеспечение средств автоматизации, реализующих функции определения внутренних электротехнологических параметров печи с использованием методов идентификации схемных моделей в реальном времени на основе аналого-цифрового преобразования и дискретного преобразования Фурье измеряемых мгновенных значений внешних электрических сигналов тока и напряжения электродов.
Так, в сталеплавильной промышленности с разнообразными у словиями работы технологического оборудования разрабатываются интеллектуальные автоматические и автоматизированные системы у правления. Для повышения эффективности управления вместо обычных микроконтроллеров используют «интеллектуальные» контроллеры с непосредственным и последовательным управлением: нечеткие контроллеры, нейроконтроллеры, контроллеры мягких вычислений, генетические контроллеры, в которых реализованы интеллектуальные способы управления [8, 9, 10]. .
Система адаптивного управления ЭТУ имеет заданный критерий качества. Она заставляет работать установку так, чтобы выполнялся экстремум критерия качества, который изменяется в процессе работы установки под воздействием возмущений. В таких системах, как контур регу лирования величины тока дуги в ДСП. там, где требуется подстройка выходного значения сигнала регулятора в ходе процесса, предлагается использовать параллельную архитектору «интеллектуального» управления. В подобной системе управления, кроме «интеллектуального» контролера использу ется стандартный контролер, реализующий ПИД закон регу лирования. Такая схема позволяет при изменении технологических условий дополнительно подстраивать выходной сигнал управления. Если в процесс управления включен оператор, который изменяет настройки
ПИД контроллера в целях оптимизации, то рекомендуется схема интеллектуального у правления с самонастройкой. Для интеллектуализации задач управления в металлу ргии предлагаются эффективный способ у правления - нейроуп-равление. Для нейроконтроллеров не требуется большой объем априорной информации. Такие контроллеры пригодны для у правления в условиях существенных неопределенностей. Нсйроконтроллеры позволяют реализовать все три вида интеллекту ального управления: последовательно интеллекту альный способ управления; интеллектуальное утфавление с самонастройкой; с параллельной архитектурой интеллектуального управления. Применение нейронных сетей ограничивается из-за длительного этапа обучения. Их в основном рекомендуют для управления медленнотекулдими процессами в металлургии [10].
Отмеченные выше недостатки способов и систем управления свидетельствуют, что проблема эффективного управления процессом плавки с оптимальными параметрами в ДСП так же не получила окончательного решения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шубладзе А.М., Гуляев C.B., Шубладзе A.A. Оптимальные автоматические настраивающиеся общепромышленные регуляторы // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2002.-№-10.
2 Шубладзе А.М., Гуляев C.B.. Шубладзе A.A. Адаптивные промышленные ПИД регуляторы //Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2003.-№-7.
3. Литовка Ю.В., Елизаров А.М. Система оптимального ултравления гальваническим процессом хромирования //Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика.-2002.-№-5.
4. Свенчанский А.Д.. Трейзон 3 Л. Автоматизация электротермических установок. М: Энергия. 1968.
5. Лукошенков A.B. Фомичев A.A. Петрусевич A.A. Компьютерная система автоматизированного контроля электротехнологичсских процессов в элект-родуговых печах // Электрометаллургия. 2001.-№-5.
6. Крутляк К. Одноплатные компьютеры для встраиваемых систем // Современные технологии автоматизации. 2003.-№-4.
7. Бармин А. Устройства локальной автоматики. Микроконтроллеры // Современные технологии автоматизации. 2003.-.42- 4.
8. Лубенцова ЕВ Синтез адаптивной системы ултравления технологическим объектом с запаздыванием при неконтролиру емых внешних возмущениях / / Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика 2003.-№-9.
nqi, 2006 г._13
9. Еременко Ю.И. Об интеллектуализации задач управления металлургическими процессами // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2002.-9.
10, Галушкин А.И. Основы нейроуправления//Нейрокомпьютеры: разработка и применение. 2002.-№-9.
