Міністерство освіти і науки україни

КРИВОРІЗЬКИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ОБРОБКИ МЕТАЛІВ ТИСКОМ ТА МЕТАЛУРГІЙНОГО ОБЛАДНАННЯ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

з курсу

"АВТОМАТИЗАЦІЯ МЕТАЛУРГІЙНИХ МАШИН І АГРЕГАТІВ"

для студентів V курсу спеціальності

7.090218 „Металургійне обладнання”

денної форми навчання

Кривий Ріг

2005 р.

Укладач: ст. викладач М.М. КОНДРАТЕНКО

Відповідальний за випуск: зав. кафедрою

проф., д.т.н. М.М. Бережний

Рецензенти: к.т.н., доц. Ю.П. Калініченко

ст. викладач Ю.М. Скляр

ВВЕДЕНИЕ

Автоматизированные системы управления металлургическими процессами являются качественно новым этапом комплексной автоматизации и призваны обеспечить существенное увеличение производительности труда, улучшение качества выпускаемой продукции и других технико-экономических показателей металлургического производства.

Особенностью построения АСУ является системный подход ко всей совокупности металлургических, энергетических и управленческих вопросов.

Развитие современного металлургического производства сопровождается интенсификацией технологических и производственных процессов. В современных металлургических технологических процессах обработка материалов происходит с высокими скоростями, при повышенных температурах и давлениях и с использованием разных видов энергии. Создание крупных металлургических агрегатов и их комплексов позволяет более эффективно использовать сырье, топливо, капиталовложения. В то же время осуществлять управление интенсифицированными металлургическими процессами в больших и сложных технологических объектах без использования новейших методов и средств управления – неэффективно или вообще невозможно.

Чем сложнее рабочий металлургический процесс, выполняемый машиной или агрегатом, и чем больше производительность и размеры агрегата, тем более необходимой становится автоматизация. Неточности в управлении могут привести к большим потерям готового металла. Таким образом, управлять современным металлургическим оборудованием должны автоматические системы, способные задать наивыгоднейший режим работы агрегатов и поддерживать все требуемые параметры конечной продукции.

Автоматизация металлургических машин и агрегатов включает в себя оснащение их целым комплексом довольно сложных устройств. Это многочисленные приборы: собирающие и передающие информацию о ходе технологического процесса и параметрах обрабатываемого металла; различные средства автоматизации, сигнализирующие о положении металла, положении механизмов и характере их перемещения, системы автоматического управления, включая управляющие вычислительные машины – компьютеры, обрабатывающие поступающую информацию и выдающие команды для управляющего воздействия на механизмы агрегата.

Автоматические системы для управления машиной или агрегатом в целом должны состоять из ряда объединенных локальных автоматических систем для управления всем ходом технологического процесса, начиная от подачи исходного материала на склад и со склада и кончая поступлением проката на склад готовой продукции.

Несомненно, в ближайшем будущем автоматизация металлургических машин и агрегатов и выполняемых ими технологических процессов получит еще большее развитие, каждая машина или агрегат должны иметь для своего управления компьютер или систему компьютеров.

Было бы, однако, неправильно думать, что применением компьютеров решаются все проблемы автоматизации. Основой успешной работы системы автоматизации является надежный датчик. Если нет надежно работающего этого первого звена автоматической системы, то компьютер не в состоянии этому помочь. Оснащение машин и агрегатов всеми необходимыми приборами, которые бы работали с достаточной степенью точности в условиях металлургического производства, следовательно, является первоочередной задачей автоматизации.

Автоматизация металлургических машин и агрегатов будет успешной только в том случае, если технологический процесс, выполняемый ими, и их конструкции разработаны одновременно с автоматизацией, т. е. когда все эти три основные составные части слиты в единое целое. Нарушение принципа совместной работы конструктора и автоматчика над созданием машины или агрегата может привести к тому, что отдельные механизмы по своей конструкции или качеству не будут соответствовать современным требованиям автоматического управления.

Автоматизация технологических процессов в металлургии обеспечивает их интенсификацию, снижение расходов сырья, материалов, увеличение выхода годного продукта, улучшение качества продукции, а также повышает культуру производства в целом.

Поддержание заданных значений технологических параметров обеспечивается с помощью автоматических регуляторов и устройств, для обслуживания которых на заводах необходимы хорошо подготовленные специалисты, обладающие глубокими знаниями в области автоматического управления и регулирования.

Впервые автоматический регулятор был применен в 1765 г. русским изобретателем И. В. Ползуновым для поддержания заданного уровня воды в котле паровой поршневой машины.

В 1785 г. английский механик Джеймс Уатт использовал в своей паровой машине регулятор для поддержания постоянства частоты вращения. Принцип работы этих регуляторов оказался одним и тем же: они поддерживают заданное значение параметра не точно, а в некотором заданном диапазоне, поэтому в настоящее время такой принцип регулирования называется принципом Ползунова – Уатта.

Применение автоматических регуляторов скорости на паровых поршневых машинах потребовало разработки теории их функционирования.

Основоположниками теории автоматического регулирования являются русские ученые И. А. Вышнеградский и А. М. Ляпунов.

В 1877 г. профессором Петербургского технологического института И. А. Вышнеградским была опубликована работа «О регуляторах прямого действия». Проведя детальный анализ характеристик машины и регулятора, И. А. Вышнеградский раскрыл динамику работы машины, снабженной регулятором типа Уатта, и показал, что машина и регулятор во время работы образуют единую систему. И. А. Вышнеградский заложил теоретические основы построения регуляторов, разработал математические основы линейной теории автоматического регулирования. Труды И. А. Вышнеградского оказали большое влияние на все дальнейшие работы в этой области.

В 1892 г. А. М. Ляпунов опубликовал работу «Общая задача об устойчивости движения», в которой доказал возможность решения вопросов устойчивости регулирования с использованием линеаризованных характеристик.

В 1870 г. были созданы автоматические системы, основанные на использовании электрической энергии. В 1898 г. К. Э. Циолковский предложил автоматический регулятор, предназначенный для стабилизации полета дирижабля (автомат). Большой вклад в развитие теории автоматического регулирования внесли также труды А. Стодолы по регулированию гидравлических турбин, опубликованные в 1893 и 1894 гг.

В 1909 г. был издан в виде книги первый курс лекций Н. Е. Жуковского, в которой приведено классическое изложение теории регуляторов прямого действия. В 1912 г. Н. Е. Жуковский сделал доклад на тему: «Об автоматической стабилизации», в котором впервые излагались основы динамики управления.

В начале 30-х годов теория автоматического регулирования обогатилась частотным аппаратом исследования. В 1932 г. появилась работа X. Найквиста, а в 1938– 1939 гг. – работы А. В. Михайлова, в которых были разработаны новые критерии устойчивости систем автоматического регулирования, с успехом использованные при решении многих практических задач. Идеи, заложенные в этих работах, получили дальнейшее развитие в трудах В. В. Со-лодовникова, Я. 3. Цыпкина и др.

Большой вклад в развитие автоматики внесли советские ученые.

В работах И. Н. Вознесенского, Ю. Г. Корнилова, В. Д. Пивня и др. была разработана теория связанного прямого и непрямого регулирования и найдены условия автономности.

Я.З. Цыпкиным было введено понятие степени устойчивости. Им же в 50-е и 60-е годы развивались теоретические основы релейных и импульсных систем.

Значительный вклад в развитие автоматического регулирования внесли А.А.Андронов, Б. Б. Булгаков, Л. И Мандельштам, Н. Д. Папалекси, В. С. Кулебакин, в. А. Трапезников, Е. П. Стефани, Б. Н. Петров, В. С. Сотсков, Л. С. Гольдфарб, Е. П. Попов, Л. С. Понтрягин, В. В. Козакевич, А. А. Красовский, А. А. Харкевич и многие другие.

Начало работ по автоматизации металлургических агрегатов относят к 1938 г., когда на Магнитогорском и Кузнецком металлургических комбинатах впервые в СССР были созданы системы регулирования теплового режима мартеновских печей.

Большой объем работ по автоматизации действующих металлургических агрегатов и производств осуществляется проектными организациями, научно-исследовательскими институтами и службами автоматизации металлургических предприятий, разрабатывающих и внедряющих непосредственно на заводах новые методы и средства контроля и автоматизации металлургических агрегатов.

В результате использования систем автоматизации повысилась производительность агрегатов, снизилась себестоимость, повысилось качество готовой продукции, а также снизился расход материалов и энергии.

Автоматические регуляторы в настоящее время представляют собой наиболее распространенный, самый массовый вид средств автоматизации разнообразных металлургических агрегатов и процессов.

Для того чтобы правильно выбрать и эффективно использовать автоматические регуляторы, следует хорошо знать их возможности, технические характеристики и принципы действия. Особенно важно знать и уметь правильно учитывать динамические характеристики регуляторов, поскольку в реальных производственных условиях регулятор находится под влиянием непрерывно изменяющихся воздействий и должен реагировать на них в соответствии с заданным законом регулирования. Поэтому при разработке конкретных автоматических систем регулирования для металлургических агрегатов необходимо изучить объекты управления, разработать правила (алгоритмы), по которым должна действовать система для достижения поставленной цели в конкретных производственных условиях, установить объем информации, необходимой для управления, и выбрать средства для технической реализации автоматической системы регулирования.

Следует отметить, что применение тех или иных систем автоматического регулирования в значительной степени определяется экономической целесообразностью, технической необходимостью, повышением качества продукции, обеспечением безопасности для здоровья обслуживающего персонала и др.

Особенность черной металлургии в том, что для непосредственного обслуживания основных технических агрегатов требуется сравнительно небольшой персонал. Поэтому автоматизация доменных и нагревательных печей, сталеплавильных агрегатов и прокатных станов не приводит к сокращению рабочей силы, а, наоборот, вызывает необходимость в дополнительном привлечении высококвалифицированных работников для обслуживания систем контроля и регулирования, но оптимизация технологических процессов полностью компенсирует дополнительные затраты.

На вспомогательных операциях (контроль, отделка, маркировка, упаковка и т. д.) занято, как правило, много рабочих. Автоматизация этих участков производства позволяет значительно сократить численность производственного персонала.

Максимальный экономический эффект от автоматизации может быть получен, когда еще в процессе проектирования металлургического агрегата предусматривается его механизация и технологический процесс строится с учетом современной техники автоматического регулирования, располагающей мощным арсеналом методов и технических средств для получения высокого качества стабилизации и программного регулирования параметров, влияющих на режимы работы металлургических агрегатов.