Модели процесса: сложная система управления обслуживает современный сталепрокатный завод

Интегрированная развитая система и специально предназначенное для нее программное обеспечение передового управления обслуживают один из четырех работающих в США сталепрокатных заводов, специализирующихся на холодном прокате в сочетании с линией для травления. Система автоматизации предприятия обслуживает непрерывный процесс, требующий точного управления оборотами приводов, а также интеграции вспомогательного оборудования.

Интегрированная развитая система и специально предназначенное для нее программное обеспечение передового управления обслуживают один из четырех работающих в США сталепрокатных заводов, специализирующихся на холодном прокате в сочетании с линией для травления. Система автоматизации предприятия обслуживает непрерывный процесс, требующий точного управления оборотами приводов, а также интеграции вспомогательного оборудования.

Первый за долгое время вновь построенный большой сталепрокатный завод в Северной Америке работает в городе Колумбус (штат Миссисипи). Фирма Severstal Columbus, входящая в промышленную группу «Северсталь-групп», создала объект для производства высококачественной стали для автомобильной промышленности, включая компании BMW, Mercedes и Honda. Первая очередь строительства этого нового предприятия была сдана в эксплуатацию в 2007 году. На предприятии занято 450 человек, которые в год производят 1,5 миллиона тонн стальных изделий — холоднокатаных, горячекатаных и покрытых защитными оболочками. Вторая очередь, которая сейчас строится, позволит удвоить производственную мощность предприятия.

Интегратор системы TMEIC GE, международная компания типа joint-venture компаний Toshiba, Mitsubishi-Electric и General Electric, оснастила новое предприятие приводами с постоянными и регулируемыми оборотами, двигателями, системами управления и автоматики, а также связанным со всем этим электрооборудованием. Реализуемые проекты включали линию для непрерывной оцинковки со встроенным в линию гладильным станом, независимый дрессировочный стан и уникальный, впечатляющий аналогичный цех холодного проката с линией для непрерывного травления.

В статье, помещенной в издании Memphis Business Journal за август 2007 года, цитируется высказывание Майка Вагнера, главного торгового представителя компании «Северсталь», который утверждает – Наше стремление инвестировать только в самые лучшие из имеющихся технологий можно легко обнаружить в нашем заводе холодного проката. Понятием «самый современный» часто злоупотребляют, но в этом случае оно является точным определением.

В случае этого крупного проекта интеграции системы TMEIC GE отвечала за написание специальных программ, тестирования системы предприятия и надзор за ее внедрением и передачей в эксплуатацию. TMEIC GE обеспечивает также текущую поддержку клиента и отвечает за описания и иллюстрации этой системы.

– Главным вызовом в этом проекте была его масштабность, – отметил Рон Тессендорф, руководитель проекта от TMEIC GE. – Это был огромный проект интеграции, потребовавший от нас взаимодействия с разного рода поставщиками, а также написания многих специальных программ. Кроме того, мы приняли решение применить очередное поколение контроллеров PLC с новым оборудованием. Клиент требовал гарантировать параметры качества продукции и производительности оборудования, и мы выполнили все эти требования, – добавил он.

Непрерывный цикл

Согласно информации, полученной от фирмы, завод по производству холоднокатаного листа, занимающий площадь 61 300 квадратных метров, является одним из четырех в США, которые включают линию для травления, и единственным, который может производить рулоны стальной ленты шириной до 1830 мм. Линию для травления образует ряд резервуаров с кислотой, используемых для очистки металлической ленты перед подачей на стан холодного проката. Большие накопительные емкости, расположенные под резервуарами, позволяют складировать длинные отрезки ленты, чтобы сделать возможной непрерывную работу стана холодного проката в то время, когда на вход подаются новые рулоны.

Такой цех холодного проката с линией для травления (PLTCM – pickle line tandem cold mill) работает в непрерывном цикле, который требует точного управления оборотами приводов и поддержания последовательности действий вспомогательного оборудования. Лента транспортируется линией для травления с оптимальной скоростью, приведенной в соответствие с процессом производства и при точном контроле натяжения ленты. Процесс травления никогда не останавливается, даже когда начало нового рулона автоматически сваривается с концом рулона, проходящего травление. На таком предприятии по производству холоднокатаного листа происходит постепенное точное уменьшение толщины ленты на каждом из пяти участков обжима, приводимых в действие электродвигателями мощностью 5000 кВт.

Общая длина линии PLTCM составляет более 335 метров, а ее высота – более 10 метров. Скорость подачи ленты поражает – 1250 метров в минуту. В процессе холодной прокатки, чтобы получить плоскую ленту, требуется точное управление натяжением ленты, скоростью и силой прижима валка. С целью обеспечения точно сформованного (плоского) продукта рабочие валки могут изгибаться и перемещаться по горизонтали благодаря электрогидравлическим силовым цилиндрам, управляемым контроллерами PLC.

Приводимый ниже список элементов иллюстрирует масштаб проекта управления линией PLTCM:  13 582 цифровых входов и выходов, 2893 аналоговых входов и выходов, 129 электроприводов переменного тока мощностью от 1,5 кВт до 5000 кВт, 116 приводов низкого напряжения переменного тока с изменяемой скоростью, 7 приводов большой мощности со средним напряжением переменного тока и изменяемой скоростью, а также 34 контроллера PLC и интерфейсы операторов.

Современное программное обеспечение для управления

Система управления такого завода по производству холоднокатаного листа является хорошим примером современного программного обеспечения, примененного в этом проекте. Иерархическая система автоматизации фирмы TMEIC GE, отражающая накопленный за 50 лет опыт сталепрокатных предприятий, обеспечивает управление, опирающееся на компьютерные модели процесса, отражающие физические параметры, названные Уровнем 2, который дает значения соотнесения (или значения настройки) для управления PLC Уровня 1, причем оба уровня тесно интегрированы друг с другом. Скрость вращения всех приводов координируется контроллерами PLC, которые подключены через сеть управления к компьютерам Уровня 2, как это показано на иллюстрации.

Системы управления Уровня 1 принимают сигналы входа/выхода от прокатных клетей и генерируют исходящие сигналы относительно скорости вращения приводов, управления просветом, движения валка, натяжения и многих других функций машины. Некоторые из основных выполняемых функций следующие:

Управление размером. Автоматическое управление размером (AGC – Automatic gage control) использует расчет прохождения массы, замер толщины, подачу вперед, подачу назад, натяжение и компенсацию пробуксовки.

Радиальное биение. Управление радиальным биением динамично уменьшает влияние неправильностей вспомогательного валка  на толщину, используя анализ последовательности Фурье.

Плоскость. Автоматическое управление использует современную фильтровку данных, управление параболическими отклонениями от плоскости, управление уклоном, управление сегментированным распылением охладителя и поддержание формы.

Координация. Координированные регулировки рулона используют замеренные и рассчитанные значения для удержания заданных целей.

Изменение размера на ходу. Быстрые, скоординированные изменения управления размером минимализируют разрывы ленты и помехи для прохода массы во время быстрого переключения на продукты другой толщины.

Микромониторинг. Большая скорость накопления данных и мониторинг позволяют быстрее и точнее выполнять операции по управлению.

Операции управления Уровня 2

Модели процесса Уровня 2 фирмы TMEIC GE глубоко интегрированы с параметрами контроллеров PLC Уровня 1. Модели процесса являются динамическими математическими моделями, разработанными с опорой на физические основы процесса проката. Эти модели задают настройки контроллеров PLC, чтобы обеспечить изготовление продукта самого высокого качества. Программное обеспечение модели работает на компьютере надзора, показанном на иерархической схеме автоматизации.

Применяемая система содержит такие модели процесса, как:

модели силы, момента и мощности, показывающие результаты воздействия натяжения и трения,

модели сопротивления деформациям, учитывающие химический состав материала и влияние отвердевания во время обработки на вытягивание,

модели трения, с компенсацией изменений коэффициента трения,

модель напряжения, показывающая распределение напряжения в рулоне,

модель износа валка, показывающая влияние износа и теплового воздействия на изменение диаметра и профиля валка,

модели взаимодействия, описывающие зависимости между натяжением, пробуксовкой вперед, трением и скоростью,

влияние текстуры валков на коэффициент трения,

функции переноса, зависящие от продукта, для управления Уровня 1,

изгиб валка, перемещение валка, а также изгиб промежуточного валка,

модели плоскости соприкасающихся поверхностей.

В результате процесса высококачественного холодного проката получается металлическая лента уменьшенной толщины и с хорошо отделанной поверхностью. Оснащенная описаной выше автоматизированной системой, линия PLTCM может производить высококачественную холоднокатаную сталь в течение 24 часов в сутки, 7 дней в неделю, с остановками только для выполнения  плановых операций по техническому обслуживанию. Руководитель завода по производству горячекатаного стального листа фирмы «Северсталь» Дан Ламберт очень доволен достижениями предприятия уже с момента его пуска в августе 2007 года. – У «Северстали» не было никаких проблем с надежностью или результатами работы приводов стана… Проект этих машин и вспомогательных систем обеспечил низкий уровень потребности в осуществлении операций по обслуживанию, а также, как представляется, их долговечность. Установи и забудь! Это был очень хороший подход, принятый фирмой TMEIC и командой, изготовлявшей систему, в том числе и для фазы строительства, когда появилось много других вопросов, на решении которых нам приходилось концентрировать свое внимание.

 

CE