Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор способов и средств автоматического управления энергетическим режимом ДСП 11
1.1. Особенности технологического процесса производства стали в электродуговых печах переменного тока и перспективы развития 11
1.2. Особенности управления энергетическим режимом электродуговых печей переменного тока 17
1.3. Обзор существующих автоматических систем управления и оптимизации работы ДСП 26
1.4. Постановка задач 34
Глава 2. Выбор критерия оценки эффективности энергетического режима ДСП 35
2.1. Обзор критериев оптимизации управления энергетическим режимом электродуговых печей 35
2.2. Расчет электрических характеристик печи 39
2.3. Электрические характеристики печи 53
2.4. Производственно-экономические характеристики и выбор приоритетного критерия оценки эффективности энергопотребления электродуговой печи 60
2.5. Выводы по главе 68
Глава 3. Синтез системы управления энергетическим режимом ДСП 69
3.1. Математическая модель системы управления энергетическим режимом ДСП 69
3.2. Особенности синтеза стабилизирующих систем управления электрическим режимом электродуговой печи 74
3.3. Система поискового автоматического управления энергетическим режимом ДСП 76
3.4. Выводы по главе 91
Глава 4. Экспериментальная проверка работы системы автоматического управления энергетическим режимом ДСП 92
4.1. Физическая модель однофазной электродуговой печи 92
4.2. Практическая реализация системы поискового автоматического управления энергетическим режимом ДСП 96
4.3. Численное моделирование работы системы поискового автоматического управления трехфазной электродуговой печи 103
4.4. Исследование работы системы поискового автоматического управления энергетическим режимом электродуговой печи с помощью физического моделирования процесса плавки 111
4.5. Выводы по главе 118
Заключение 120
Литература 123
Приложение А. Параметры математической модели электро дуговой печи 132
Приложение Б. Параметры печного трансформатора ДСП-180 ЭСПЦ ОАО«ММК» 133
Приложение В. Статические характеристики лабораторной элек тродуговой печи 135
- Особенности технологического процесса производства стали в электродуговых печах переменного тока и перспективы развития
- Обзор критериев оптимизации управления энергетическим режимом электродуговых печей
- Математическая модель системы управления энергетическим режимом ДСП
- Физическая модель однофазной электродуговой печи
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время сверхмощные электродуговые сталеплавильные печи (ДСП), как агрегаты для производства стали, получают большое распространение, как в России, так и в мире. К преимуществам электродугового способа получения стали можно отнести высокую производительность агрегатов, способность использовать в качестве исходного сырья как традиционные полуфабрикаты (металлический лом, жидкий чугун), так и металлизированные окатыши. На сегодняшний день электродуговые печи считаются самыми распространенными и экологически чистыми агрегатами для выплавки стали. В России наибольшее распространение получают электродуговые печи переменного тока, которые обладают рядом эксплуатационных преимуществ перед дуговыми печами постоянного тока.
Основным источником тепловой энергии в дуговой сталеплавильной печи является электрический разряд — электрическая дуга. В столбе дуги выделяется большая мощность и вопросы рационального использования этой мощности для нагрева и плавления материалов, загруженных в печь, представляют большую сложность.
Сложности решения этой труднореализуемой, но необходимой в ситуации быстро развивающейся тенденции повышения стоимости энергоресурсов задачи объясняются тем, что трехфазная электродуговая печь является асимметричной нагрузкой, имеет нелинейные характеристики дуги и большие колебания реактивного сопротивления, обусловленные спецификой процесса. Даже если печь сконструирована симметрично, реактивное сопротивление будет существенно меняться в течение плавки, вызывая неконтролируемый дрейф статических рабочих характеристик.
Таким образом, эффективное управление электродуговым агрегатом переменного тока в процессе плавки исходного металлургического сырья является
довольно сложной научно-технической задачей, нерешенной до настоящего времени в полном объеме, и остается одной из актуальных.
В данной работе исследуются вопросы создания поисковой экстремальной автоматической системы управления режимом энергопотребления электродуговыми печами переменного тока в условиях нестационарности характеристик объекта управления. В качестве цели оптимального управления принимается достижение максимальной экономии электроэнергии и производительности ДСП.
Цель диссертационной работы заключается в научном обосновании использования эффективного поискового метода экстремального управления и реализации на его основе системы автоматического управления энергетическим режимом электродуговых печей переменного тока, обеспечивающей снижение энергозатрат и увеличение производительности агрегата путем сокращения времени процесса расплавления.
Вопросы, решаемые в работе:
исследование зависимости энергетических и экономических итоговых показателей эффективности электросталеплавильного процесса от параметров подводимой к ДСП электрической энергии;
научное обоснование перспективности использования поисковой экстремальной системы автоматического управления энергетическим режимом ДСП переменного тока, с целью повысить эффективность ее энергопотребления;
разработка математического pi алгоритмического обеспечения поисковой экстремальной системы управления энергетическим режимом электродуговой печи переменного тока;
разработка программной реализации функционирования системы авто-
матического управления энергетическим режимом электродуговых печей, работающей в поисковом режиме, численное моделирование ее работы;
— разработка физической модели процесса плавления в ДСП переменного
тока и исследование процессов плавки на физической модели с использо
ванием поисковой экстремальной системы управления энергетическим
режимом печи, при существенном дрейфе рабочих ее характеристик.
Научная новизна:
на основе исследования корреляционной связи между случайными функциями времени входа и выхода унимодальной статической характеристики объекта управления (током и мощностью дуги) разработана система поискового экстремального управления энергетическим режимом электродуговой печи, с целью повысить эффективность ее энергопотребления;
структура системы управления энергетическим режимом дуговой печи переменного тока, реализующей поисковое экстремальное управление энергетическим режимом электродуговой печи;
математическое и алгоритмическое описание системы управления энергетическим режимом электродуговой печи переменного тока, реализующей поисковое экстремальное управление энергетическим режимом электродуговой печи
программная реализация алгоритма поискового экстремального метода автоматической оптимизации управления энергетическим режимом электродуговой печи;
— созданная физическая модель ДСП для исследования разрабатываемо
го программного обеспечения реализующего функции автоматической
оптимизации управления энергетическим режимом электродуговой пе
чи.
Практическая ценность. Создана система автоматического управления энергетическим режимом электродуговой печи, реализующей рациональное (близкое к оптимальному) управление с целью повышения часовой про-изводителности, что позволит сократить время плавки, путем ускорения процесса расплавления шихтовых материалов, сократить расход электроэнергии путем сокращения времени плавки.
На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:
обоснование целесообразности реализации рационального эфективного режима энергопотребления электродуговой печи по критерию максимальной производительности;
разработка системы поисковой экстремальной оптимизации управления энергетическим режимом электродуговой печи на основе исследования корреляционной связи между случайными функциями времени входа и выхода унимодальной статической характеристики объекта управления (током и мощностью дуги);
структурное и алгоритмическое решения для построения системы автоматического управления энергетическим режимом ДСП с использованием поискового и экстремального управления;
результаты математического и реального физического моделирования в лабораторных и промышленных условиях работы системы автоматического поискового экстремального управления энергетическим режимом
электродуговой печи, подтверждающие эффективность предлагаемого
метода.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:
на всероссийской научно-технической конференции «Создание и внедрение корпоративных информационных систем (КИС) на промышленных предприятиях Российской Федерации» (г. Магнитогорск, 2005);
на 64-ой, 65-ой и 66-ой научно-технических конференциях по итогам научно-исследовательских работ (г.' Магнитогорск, МГТУ, 2006, 2007, 2008 гг.);
на Всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения», посвященной 75-летию УГАТУ (г. Уфа, 2007 г.);
на VI Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике» (г. Оренбург, 2007 г.);
на IV Международной научно-практической конференции «Печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии и машиностроении» (г. Москва, 2008 г.)
Публикации. Положения работы изложены в 11 основных печатных работах, две из которых опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов исллсдований.
Личный вклад автора заключается в создании поисковой экстремальной системы автоматического управления энергетическим режимом электродуговой печи переменного тока на основе исследования корреляционной связи
между случайными функциями времени входного и выходного сигналов унимодальной статической характеристики объекта управления (током и мощностью дуги), программной реализации алгоритмов системы автоматической оптимизации управления энергетическим режимом электродуговых печей, а также в создании физической модели процесса и исследовании особенностей функционирования предлагаемой системы на этой модели.
Особенности технологического процесса производства стали в электродуговых печах переменного тока и перспективы развития
Современные электродуговые сталеплавильные печи (ДСП) характеризуются следующими особенностями: 1) большой емкостью [1]; 2) применением высокой удельной мощности печных трансформаторов (до 800-1000 кВт/т) [1, 2]; 3) использованием альтернативных источников тепловой энергии (от сжигания природного газа и энергии, от экзотермических реакций окисления элементов [С], [Mn], [Si], жидкого чугуна) [1-3]; 4) симметрированием коротких сетей [1]; 5) применением водоохлаждающих конструкций рабочего пространства печи (свода и панелей) [1, 4]; 6) вынесением ряда рафинировочных операций в установки и агрегаты внепечной обработки стали, с целью использования ДСП как высокоэффективного плавильного агрегата [1, 2]. Основной целью технологического процесса электродуговой плавки является получение определенного количества стали заданного состава при требуемой температуре, при максимальной производительности и наиболее эффективном использовании подводимой в печь энергии.
Электрическая энергия преобразуется в столбе дуги в тепловую, которая, в основном, в виде излучения поглощается шихтовыми материалами и металлическим ломом загруженным в печь. В качестве дополнительного источника энергии могут применяться газо-кислородные горелки, конструктивно скомбинированные с кислородными продувочными фурмами [1, 3].
В газовом разряде (в столбе дуги) в небольших объемах сосредотачиваются большие мощности и достигаются большие температуры. Для снижения интенсивности разогрева огнеупорной футеровки, водоохлаждаемых панелей и свода печи за счет экранирования электрических дуг используются пенистые шлаки [5].
В последнее время намечается тенденция использования ДСП в качестве агрегата для эфективного расплавления шихтовых материалов. Процессы рафинирования и доводки стали переводятся частично или полностью в другие технологические установки внепечной обработки стали [1].
В этом случае наиболее значимыми периодами работы агрегата являются энергетические стадии, в которых основное внимание уделяется режиму расплавления шихтовых материалов и затрачивается до 80% потребляемой электрической энергии.
В современных дуговых сталеплавильных печах процесс производства стали представляет собой периодический процесс, включающий следующие периоды: 1) загрузка шихты; 2) расплавление шихты; 3) окислительный период; 4) восстановительный период (если не используются в технологическом процессе агрегаты внепечной обработки стали); 5) выпуск стали.
Период расплавления, самый энергоемкий период работы печи, составляет обычно больше половины продолжительности всей плавки. Период расплавления по ограничениям энергопотребления можно разделить на несколько стадий.
1) Заглубление электродов в шихту. Этот период длится недолго, и дуга сравнительно быстро экранируется шихтой. В эту стадию работают на коротких дугах и пониженных ступенях напряжения.
2) Проплавление колодцев, во время которой электроды движутся вниз, проплавляя колодцы в шихте. Прекращение движения электродов вниз говорит об окончании этой стадии, когда электрод доходит до ванны жидкого металла на дне печи, оставшейся от предыдущей плавки массой. В эту стадию не работают на больших токах, из-за опасности проплавлення слишком узких колодцев и поломки электрода.
3) Стадия закрытых дуг, когда дуги горят между электродом PI жидким металлом, футеровка печи экранирована от излучения дуг шихтой. В эту стадию начинается подъем электродов в соответствии с подъемом уровня жидкого металла в печи, и используется максимально возможная электрическая мощность подводимой электроэнергии.
4) Стадия открытых дуг, когда происходит окончательное расплавление шихтовых материалов, но дуга уже не экранируется шихтой. В эту ста дию работают на коротких дугах, таким образом, чтобы дуга горела в слое пенистого шлака.
Для защиты футеровки и охлаждающих панелей печи от перегрева на стадиях открытых дуг, а также во время продувки ванны кислородом, наводится вспененный шлак, и дуги горят в слое шлака [5].
Для ускорения расплавления шихты и нагрева металла до температуры выпуска, а также для экономии электроэнергии могут применяться газовые горелки. На электропечах электросталеплавильного цеха (ЭСПЦ) ОАО «ММК» до 20% тепловой энергии за плавку поступает в печь при использовании 6 комбинированных газокислородных горелок в режиме сжигания природного газа, каждая мощностью 3,5 МВт.
В промышленных электродуговых печах переменного тока используется трехфазная система питания без нулевого провода. Дуги горят между тремя электродами и нулевой точкой, которой является расплавляемый материал.
Развитие принципов построения энерготехнологических режимов оказывало влияние на выбор параметров печных трансформаторов — номинальных токов и высших ступеней вторичного напряжения. В этом процессе исследователи выделяют три этапа [6].
— На первом этапе (до 1960-х годов) разрабатывали рациональные режимы для печей малой и средней емкости небольшой мощности с огнеупорной футеровкой, при этом электродуговую печь рассматривали как электротехническую установку, а сами режимы были слабо увязаны с тепловыми и металлургическими процессами, происходившими в печи. Элеткроплавку вели на рабочих токах, соответсвующих восходящим ветвям кривой мощности и повышенным коэффициентам мощности. Номинальные токи печных трансформаторов не обеспечивали режимы максимума активной и полезной мощности, не позволяли за глублять и экранировать дуги.
— Второй этап характеризуется кардинальными изменениями в энергетике и конструкции печей и технологии электроплавки. Была предложена концепция печей сверхвысокой мощности. Ведение плавки рекомендовалось вести в соответсвии с принципом «трех максимумов». Проплав л ение колодцев вести в режиме максимума коэффициента износа футервки (КИФ), характеризующего радиационное воздействие дуг на футеровку или стенки колодца и являющегося функцией длины дуги и мощности дуги. Расплавление основной массы шихты вести в режиме максимума мощности дуг, когда футеровка печи еще экранирована нерасплавившейся шихтой и практически вся мощность дуг поглощяет-ся шихтой. Доплавление и нагрев металла при открытом зеркале ванны вести в режиме максимума коэффициента интенсивности нагрева (КИН), то есть в режиме коротких и сильноточных дуг, являющегося функцией мощности дуги и тока дуги, и характеризующего заглубление дуги в расплав под действием электромагнитных сил, обеспечивая тем самым экранирование дуги. Номинальные режимы трансформаторов уже обеспечивали возможность работы в данных режимах.
Обзор критериев оптимизации управления энергетическим режимом электродуговых печей
Процесс работы агрегата характеризуется рядом показателей качества и эффективности работы, выбор критерия оптимальности при управлении режимом работы ДСП оказывает влияние на эти параметры.
Некоторые показатели характеризуют качество процесса управления, другие — оптимальность с экономической, эксплуатационной и технологической точек зрения. Управление агрегатом с учетом этих показателей приводит к повышению эффективности процесса.
Задачи оптимизации электрического режима ДСП в целом и отработки возмущений неравнозначны. Так, оптимизация электрического режима в ДСП, реализуемая путем идентификации состояния процесса плавки и поддержания оптимального режима для каждого состояния, позволяет увеличить производительность на 7-10% и снизить расход электроэнергии и огнеупоров на 5-7%. Применение регуляторов, обеспечивающих мгновенную и точную отработку возмущений (качественную стабилизацию электрического режима), позволяет увеличить производительность и снизить расход электроэнергии не более чем на 2-3%. Таким образом, оптимизация электрических режимов плавки существенно эффективнее оптимизации отработки возмущений [20].
В качестве параметров, которые зависят от текущего электрического ре жима и характеризуют технолого-экономическую эффективность выделяют следующие [13, 21]: — производительность агрегата (или время, необходимое для получение единицы продукции, как обратная величина от производительности); — удельный расход электроэнергии; — себестоимость продукции.
В работе [6] рассматриваются эмпирические энергетические характеристики электродуговой печи: коэффициенты для оценки воздействия дуг на облученность футеровки и нагрев металла. Коэффициент износа футеровки (КИФ) (2.1): КИФ = 5 (2.1) где /д — напряжение на дуге, определяющее ее длину; Рд — мощность дуги; а — расстояние от дуги до футеровки.
Коэффициент интенсивности нагрева (КИН) (2.2): КИН = Рд/Д, (2.2) где ід — ток дуги, определяющий заглубление дуги в расплав под воздействием электромагнитных сил.
Однако, эти коэффициенты не имеют конкретного физического смысла, а являются удобными эмпирическими характеристиками, позволяющими сопоставить энергетические условия в печи при различных условиях ввода электрической мощности. КИН и КИФ как функции от тока для заданного вторичного напряжения трансформатора имеют экстремальный характер. Существуют значения рабочего тока из диапазона рабочих токов трансформатора, при которых данные параметры достигают своего максимума. В соответсвии с принципом «трех максимумов» [6] в разные периоды плавки необходимо установление максимального значения соответсвующего параметра (КИН, КИФ или мощности дуги) для оптимального ведения процесса.
Совершенствование технологий применения вспененного шлака в современных электродуговых печах, позволяет вводить электрическую мощность на длинных дугах, с использованием высоких напряжений и пониженных токов, что позволяет сократить электрические потери мощности и уменьшить расход электродов. Однако, уменьшение тока приводит к переходу в режим неустойчивого горения дуги, что компенсируется увеличением реактанса фазы.
Существуют оптимальные режимы энергопотребления, обеспечивающие экстремальное значение какого-либо параметра, определяющего рациональное ведение плавки. Обычным способом определения оптимальных режимов является расчетный способ. Для каждой конкретной печи рассчитывается и строится семейство характеристик, определяющие различные оптимальные режимы печей. Пример расчета универсальных характеристик (в условных единицах) приведен в работах [21, 22]. Данный подход используется и в некоторых современных автоматических системах управления электрическим режимом ДСП.
Однако, в таких расчетах необходимо также учитывать воздействие множества факторов, влияющих на режимы работы, которые, в общем, практически невозможно контролировать: изменение атмосферных и температурных условий горения дуги влияет на форму кривой тока и напряжения, что означает наличие высших гармоник, влияющих на величину соотношения текущей активной и реактивной мощности печи, при текущем электрическом режиме, изменение активного и реактивного сопротивления короткой сети в процессе плавки, изменение сопротивления расплавляемого материа ла, несимметричные режимы работы печи и перенос мощности.
Подход к оптимизации управления электродуговой печью с целью минимизировать дисперсию токов изложен в работах [23, 24]. В работе [23] показано, что при увеличении дисперсии токов во время работы печи происходит увеличение расхода электроэнергии, увеличивается время плавления, уменьшается активная мощность печи. Авторами высказывается идея, что с целью оптимизации управления электродуговыми печами следует повышать динамические качества регуляторов, для уменьшения дисперсии токов.
В работах [24, 25] предлагается система оптимального управления электрическим режимом дуговой печи, с помощью регулируемого реактора. Авторами подчеркивается, что для повышения электротехнологической эффективности необходимо качественное управление и стабилизация электрического режима, однако, существующие распространенные в России системы регулирования электрического режима ДСП (типа АРДГ и др.) обладают низкой динамической точностью, а также ввиду низких функциональных возможностей не позволяют существенно повысить эффективность управления режимами плавки в ДСП. Предлагается двухконтурная система управления электрическим режимом, состоящая из подситемы управления положением электродов PI быстродействующей подсистемы регулирования режимной координаты печи с помощью управляемого реактора, с помощью которой формируется искуственная внешняя характеристика печи. При выборе оптимального управления предлагается минимизация функционала, представляющего собой сумму нормированных дисперсий токов дуг и реактивной мощности печи (2.3): ( 7д.уст, 7) = А/д " Ц д.уст, 7) + XQ ( д.уст, 7) min- (2-3) где А/д и XQ — весовые коэффициенты дисперсий токов дуг D} и реактивной мощности DQ] t/д.уст — задание системе перемещения электродов для поддержания напряжения дуги; 7 — коэффициент коррекции сопротивления реактора относительно номинального. Данный функционал определяет качество управления с целью повысить электромагнитную совместимость нагрузки (ДСП) и питающей сети и уменьшить необходимость установки фильтрокомпенсирующих устройств, а также уменьшить дисперсию токов (колебания) в процессе работы агрегата. С точки зрения экономической эффективности предлагается функционал вида(2.4), представляющий критерий максимально-эффективного использования электрической энергии. Ф №.уст, 7) = 0, 28 (1 - Рд ( 7д.уст, 7)) + 0, 24 Рэ п([/Д.усу, 7)+ + 0,21 !д(г7д.УсТ! 7) + 0,27 - Ж (/Д.уст, 7) .- mini где Р — нормированная мощность дуг; Р л — нормированная мощность электрических потерь; W — расход электроэнергии.
Предлагаемый в [24] подход многокритериальной оптимизации позволяет выбрать компромиссный оптимальный режим, как по качеству управления, так и с точки зрения рационального использования электроэнергии, однако, для реализации такого управления необходимы точные математические модели для расчета оптимальных заданий регуляторам І7д.уст и j, получение которых в динамически изменяющихся условиях работы печи и характеристик подводящей сети довольно затруднительно.
Математическая модель системы управления энергетическим режимом ДСП
Для исследования процесса оптимизации режима энергопотребления электродуговой печи и синтеза управляющего модуля необходимо разработать модель системы управления.
Все из перечисленных возмущений на реальном объекте, кроме первых двух (которые по сути являются управляющими воздействиями, однако, для контура управления положением электродами можно считать их возмущениями), практически не поддаются контролю, поэтому корректировка алгоритма управления во время работы печи с учетом этих возмущений сильно затруднена.
Математическое и алгоритмическое описание блока контроллер приводится в данной главе. Описания математических моделей электрического контура печи и исполнительных устройств рассматривались во второй главе.
В дальнейшем, сигналы будут обозначаться в функции дискретного времени кТ, где Т — время цикла работы контроллера.
Задача оптимизации режима энергопотребления решается с помощью совместной работы двух подсистем блока «Контроллер», подчиненной системы стабилизирующего управления положения электродов (СР) и командной поисковой системы оптимизации (ОР) для коррекции текущего электрического режима (рисунок 3.2).
Использование каскадного управления в данном случае необходимо для обеспечения устойчивости работы системы автоматического управления. Действительно, если осуществлять поисковую оптимизацию непосредственно перемещением исполнительных механизмов, можно вывести систему в неустойчивый режим работы из-за наличия значительного взаимовлияния токов фаз в трехфазной цепи без нулевого провода. Управляя непосредственно положением электрода, без обратной связи по регулируемому параметру (например, току, напряжению дуги или импедансу фазы), практически невозможно добиться симметричного режима работы печи. Поэтому поисковая система оптимизации работает в качестве командной системы для стабилизирующего регулятора. Это предлагается реализовать с помощью включения на уровень 2 АСУТП ДСП дополнительного модуля, однако нужно учитывать, что поисковая система должна работать в темпе процесса управления.
Стабилизирующий регулятор реализует алгоритмы зажигания дуг и может использовать различные законы формирования вектора управляющих воздействий С[&Т] = [СА, Св, Сс]т на механизмы перемещения электродов с целью минимизировать рассогласование между уставкой (заданием) Z[kT] и регулируемым параметром. Входными сигналами СР являются векторы текущих значений токов в фазах ї[кТ] = [ІА,ІВ,ІС]Т, фазных напряжений V[kT] = [UA, UB, UC]T и активной мощности Р[кТ] = [РА:РВ,РС]Т по фазам.
На основе значений контролируемых параметров производится вычисление других косвенных значений параметров дуг. Такими косвенными параметрами являются напряжения на дугах UA[kT], UB[kT] и U [kT], импедансы фаз zAb[kTl гвф[кТ] и z [kT] и мощности дуг РА[кТ], Рв[кТ) и Р[кТ]. Необходимо отметить, что современные системы управления электродуговыми печами осуществляют управление элетрическим режимом как раз по таким косвенным показателям, причем в процессе ведения программы плавки контроллер может переключаться с одного параметра на другой. Наиболее широко используемым способом управления является стабилизация импедан-сов фаз 2. Также может использоватьтся стабилизация напряжений на дугах 7ц, или фазных токов I (обычно на печах малой мощности). Таким образом, сигнал задания Z[kT] может принимать различную физическую размерность, в зависимости от того, по какому параметру ведется стабилизация электрического режима плавки.
В качестве подчиненного стабилизирующего регулятора для существующих печей можно использовать промышленные системы управления электрическим режимом, рассмотренные в главе 1, такие как ArCOS или HiReg. В данной работе подробно вопросы синтеза стабилизирующего регулятора не рассматриваются.
Входными сигналами для поисковой сиситемы оптимизации (ОР) являются векторы текущих значений токов в фазах ї[кТ] = [ІЛ,ІВ,ІС]Т, фазных напряжений U[&T] = [UA, UB, UC]T и активной мощности Р[&Т] — [РА, РБ, Рс]т по фазам. Выходным сигналом является сигнал уставки Z[kT], передаваемый в подчиненную СР на каждой итерации работы ОР. Так как целью оптимального управления является поддержание максимально возможной мощности, выделяемой в дугах, текущее знчение Рд[кТ) определяется расчетно на каждой итерации в соответсвии с выражением (2.57). Физически сигнал Z[kT] представляет собой величину задания стабилизирующему регулятору в единицах стабилизируемого параметра.
Необходимо отметить, что для обеспечения симметричного режима работы печи, уменьшения эффекта переноса мощности при несимметрии, и обеспе чения устойчивого поискового режима подчиненный регулятор обеспечивает поддрежание одного и того же значения задания по всем трем фазам печи.
Электрический контур трехфазной электродуговой печи можно отнести к классу нелинейных многосвязных объектов. Работа печи при переплавлении металлического лома приводит к существенным колебаниям ее электрических параметров, что в свою очередь осложняет математическое описание ДСП как объекта регулирования. Существует ряд факторов, которые практически не поддаются точному математическому описанию или это описание является очень громоздким. Поэтому применение традиционных методов синтеза систем управления режимами ДСП, которые основаны на использовании формальных моделей процессов, в случае такого сложного элетротехническо-го объекта, как дуговая сталеплавильная печь, не в полной мере отвечает выдвигаемым требованиям к технико-экономическим характеристикам и качественным показателям функционирования этого объекта [20].
С точки зрения управления, электрический контур электродуговой печи является многосвязным объектом, в котором присутсвует взаимовлияние входных параметров на все переменные состояния объекта и на все выходные параметры. Для повышения качества управления необходимо учитывать это обстоятельство, чтобы происходило согласованное управление тремя фазами.
Физическая модель однофазной электродуговой печи
Для исследования работы предлагаемой системы автоматической оптимизации было произведено физическое моделирование однофазной электродуговой печи переменного тока [64], внешний вид которой изображен на рисунке 4.1.
Разработанная физическая модель представляет собой лабораторную од-92 нофазную электродуговую печь переменного тока. Включает в себя следующие составные элементы: — печной трансформатор; — механизм перемещения электрода с электроприводом; — тигель с огнеупорной футеровкой.
В качестве печного т,рапсформатора используется однофазный понижающий трансформатор. Первичная обмотка подлючается к сети 380 В. Внешняя характеристика трансформатора представлена на рисунке (4.3).
Механизм перемещения электрода с электроприводом предназначен для перемещения электрода по вертикальной оси. Механизм представляет собой вертикальную ось с резьбой, вдоль которой прсмещается консоль, удерживающая электрод и противовес. Винту передается вращение от сочлененного с ним с помощью муфты электродвигателя. Схематичное изображение кон « 50
В качестве электропривода применяется шаговый двигатель FL86STH118, обмотки которого соединены для схемы униполярного управления. Для управления скоростью и направлением вращения двигателя был реализован контроллер шагового двигателя. На вход контроллера поступают сигналы: — частотно-модулированный сигнал скорости вращения; — дискретные сигналы направления движения и остановки.
Контроллер шагового двигателя представляет собой печатную плату, на которой смонтированы компоненты: — программируемый микроконтроллер Atmel ATiny2313, для приема и обработки сигнала с УВМ; — элементы оптической развязки управляющей и силовой цепей; — драйвер шагового двигателя L297; — транзисторные ключи (полевые транзисторы IRFZ46N).
Дискретные сигналы ТТЛ уровня с платы ввода-вывода ADLINK поступают на входы контроллера ATiny2313, который осуществляет деление частоты тактовых импульсов, проверку состояния концевых выключателей и формирует дискретные сигналы на выходных портах: тактовый сигнал, сигнал запрета/разрешения вращения и сигнал направления. Через элементы оптической развязки эти сигналы поступают на драйвер шагового двигателя L297, который осуществляет формирование логических сигналов на управление транзисторными ключами в цепи питания обмоток шагового двигателя, с учетом форсирования нарастания рабочего тока обмотки (для увеличения крутящего момента на высоких скоростях) и его регулирования (ШИМ) с помощью обратной связи по току в обмотках двигателя. Через логические элементы с открытым коллектором формируются сигналы напряжения на затворы полевых транзисторов, управляющих включением соответствующих обмоток. Плата контоллера, клеммные колодки для подключения датчиков, источники питания контроллера, двигателя и измерительных датчиков смонтированы на раме механизма перемещения электрода.
В качестве основных измерительных датчиков используются: — бесконтактный датчик тока на основе эффекта Холла фирмы Honeywell; — понижающий трансформатор напряжения, в качестве датчика напряжения.
Датчик тока располагается на токопроводящей шине, а датчик напряжения подключается к выводам печного трансформатора.
Были получены статические характеристики зависимости мощности дуг от тока, представленные на рисунках В.1, В.2 и В.З в приложении Б. Анализ зависимостей показывает, что модель обладает подобием относительно реальных объектов управления, отличия только масштабного характера.
Система автоматической оптимизации управления энергетическим режимом элетродуговой печи представляет собой программный комплекс, реализованный в виде нескольких модулей: — модуль связи с объектом; — модуль управления; — модуль ОРС-сервера; - ОРС-клиенты (SCADA HMI);
Разработанный программный комплекс представлен в двух вариантах: для управления физической однофазной моделью, описанной выше, а также вариант для использования в составе АСУТП трехфазной ДСП, в качестве командной системы оптимизации для регулятора электрического режима ДСП.
Контроллер управления электрическим режимом осуществляет: сбор и первичную обработку контролируемых параметров, процедуры зажигания дуги и стабилизации лектрического режима, оптимизирующее управление электрическим режимом.
АРМ оператора осуществляет функции визуализации процесса и обеспечивает человеко-машинный интерфейс.
Сервер баз данных предназначен для архивации технологических данных.
С помощью Станции удаленного управления контроллером осуществляется программирование контроллера, управление параметрами контроллера, а также реализует функции ОРС-сервера.
Схема взаимодействия модулей управляющего программного комплекса лабораторной дуговой печью представлена на рисунке 4.6. Программный комплекс может быть развернут в распределенную систему, на нескольких ЭВМ, объединенных в сеть.
Модуль связи с объектом DataExchange предоставляет интерфейс ISocketl модулю управления Controller для обмена данными с объектом и исполнительными устройствами. Модуль управления Controller в свою очередь также предоставляет интерфейс ISocket2 модулю ОРС-ссрвера OPCServer. модуль OPCServer реализует интерфейс в соответсвии со спецификацией ОРС DA 2.0 [65] для обмена данными с ОРС клиентами в роли которых могут выступать человеко-машинные интерфейсы реализованные в какой-либо SCADA системе, поддерживающей спецификацию ОРС, серверы архивирования данных и т.д.
Все модули представляют собой отдельные процессы (задачи). Интерфейсы ISocketl и ISocket2 реализованы с помощью механизма межпроцессного взаимодейевия посредством сокетов. Такое взаимодействие может быть организовано как локально (в пределах одной ЭВМ), так и в пределах вычислительной сети между несколькими ЭВМ. 4.2.1. Модуль связи с объектом
Таким образом, сигналы эффективных значений тока, фазного напряжения и активной мощности обновляются каждый период измеряемого сигнала (с частотой 50 Гц).
Передача значений осущетвляется в отдельном потоке, с помощью механизма сокетов. Поток открывает серверный сокет ISocketl и ожидает под-ключния управляющего модуля. После установления соединения между модулем связи с объектом, начинается передача данных по запросу модуля управления, то есть инициатором обмена является модуль управления.
Одновременно с пердачей значений контролируемых параметров происходит прием команды С на исполнительный механизм, принимающей значения из диапазона [—100; +100], определяющего скорость и направление перемещения электрода. Максимальная скорость движения электрода вниз обеспечивается командой С — 100%, максимальная скорость подъема электрода при С = -100%.
