Автоматизация вакуумного дугового переплава
Автоматизация вакуумного дугового переплава с использованием персональных компьютеров.С.М.Нехамин ("НПФ КОМТЕРМ"), Ю.С.Легович (ИПУ РАН), М.А.Киссельман (НПФ "Термоэкология"), С.В.Мулин (ЗАО "Ступинская металлургическая компания"), Е.Т.Кураев (ЗАО "Ступинская металлургическая компания")
Автоматизация вакуумного дугового переплава является составляющей технологического процесса, от которой в значительной степени зависит эффективность металлургического производства жаропрочных никелевых сплавов [1] и высокочистых специальных сталей. Играя подчиненную роль по отношению к схемно-конструктивным и технологическим решениям, организации производства, автоматизация процесса в вакуумных дуговых печах (ВДП) призвана обеспечить их стандартное функционирование в конкретных производственных условиях, в связи с чем является важным звеном в системе обеспечения качества выплавляемых слитков.
В рабочем режиме формирования слитка необходимо поддерживать высокую стабильность основных параметров процесса: тока дуги, напряжения на дуге, длины дугового промежутка, скорости плавления, давления в вакуумной камере. Каждый из указанных параметров и их соотношение влияют на процессы, протекающие в ВДП: удаление неметаллических включений, летучих примесей и газов при переплаве расходуемого электрода, обеспечение однородности химического состава, формирование кристаллической структуры и поверхности получаемого слитка [2, 3].
Ввиду периодического характера технологического процесса в ВДП, наведение жидкой ванны и прогрев электрода, а также выведение усадочной раковины выполняют при изменении тока дуги по специальному графику. Форму графика, по которому изменяют ток с учетом требований получения слитков высокого качества с максимальным выходом годного металла, определяют для каждой марки сплава, размеров электрода и кристаллизатора [2-4].
Параметры режима ВДП связаны между собой сложными неоднозначными зависимостями [2]. В связи с этим, локальные регуляторы тока и напряжения, используемые на отечественных предприятиях, обеспечивая стабилизацию режима в случае небольшого возмущения, при более глубоких отклонениях параметров от нормы не всегда справляются с управлением, что приводит к браку продукции. К примеру, когда переплавляют металл, насыщенный газами, характер горения дуги и вид дугового разряда по ходу плавки могут резко изменяться, дуга переходит на стенку кристаллизатора, что может принципиально изменить характер обратной связи по напряжению печи. Локальный регулятор, работающий по принципу стабилизации напряжения, в такой ситуации реагирует на возмущение подъемом электрода, еще больше ухудшая условия в рабочем пространстве.
Использование управляющих вычислительных средств дает принципиальную возможность построения гибких алгоритмов управления на основе сложных многофакторных зависимостей, присущих процессу вакуумного дугового переплава. Зарубежный опыт создания систем управления ВДП подтверждает данное положение. Так на выставке "Металлургия-2000", проходившей в Москве, фирмой "ALD" была представлена система управления ВДП [5], которая с помощью компьютера выполняет автоматический тест контроля натекания до начала плавки, управляет током и напряжением печи, отображает и регистрирует основные параметры процесса.
В отечественной практике микропроцессорные системы управления не получили распространения, вероятно, из-за того, что создавались "под разработчика". То есть, у потребителя (без разработчика системы) возникали проблемы, связанные с эксплуатацией и обслуживанием аппаратного, а также программного обеспечения. Для обслуживания системы управления требовался высококвалифицированный персонал, обученный работе с различными микроконтроллерами, использованными в каждой конкретной разработке.
Задача создания относительно недорогих систем управления, отвечающих современным жестким требованиям к обеспечению качества вакуумного дугового переплава и к его технико-экономическим показателям, может быть решена в рамках подхода, включающего следующие компоненты:
общесистемный - использование среды Windows в тех рамках, которые не противоречат решаемым системой задачам, а также создание дружественного интерфейса системы с плавильщиком и с обслуживающим персоналом, способствующего быстрому освоению автоматизированной системы персоналом металлургического производства;
структурный - гибкая структура с ядром в виде промышленного компьютера, открытая для развития по виду и числу каналов УСО (устройств связи с объектом), подключения контроллеров, сетевого развития, а также создания многомашинной системы;
технический - максимально широкое использование возможностей, даваемых промышленными IBM-совместимыми компьютерами, а также применение других изделий, широко представленных различными производителями на соответствующем сегменте рынка;
информационный - максимальное развитие информационных средств в плане повышения точности получаемой информации, улучшения ее динамических характеристик, а также развитие подсистемы регистрации режима плавки для обеспечения эффективного ретроспективного анализа с целью ускоренного освоения разнообразных марок сплавов и типоразмеров слитков;
математический и программный - использование опробованных и надежных алгоритмов, наиболее распространенных языков программирования высокого уровня, а там где оправдано - SCADA-систем либо объектно ориентированных пакетов;
функциональный - использование для управления процессом мощного ранее не использовавшегося канала видеоинформации об излучении дуги и рабочего пространства печи.
Поясним предложенный подход.
Использование среды Windows, которая является безусловным лидером по популярности, позволяет эффективно решить широкий спектр проблем как при разработке, так и при обслуживании системы, выполненной на ее платформе. Разработчик получает неограниченный, самый мощный арсенал легко доступных компьютерных средств. Пользователь получает систему, в которой все основные компоненты стандартизированы и общеизвестны, благодаря чему освоение автоматизированной системы не вызывает сложностей. В результате, разработчик и пользователь могут сосредоточиться на решении смысловых функциональных задач, так как находятся на достаточно близком друг к другу уровне понимания функционирования системы управления совместно с объектом автоматизации. А дружественный интерфейс системы с плавильщиком и с обслуживающим персоналом позволяет компьютеру не отвлекать на себя внимание, создавая условия для непосредственного информационного контакта персонала с объектом управления.
Указанные преимущества существенно перевешивают некоторые неудобства операционной среды Windows, связанные с ограничениями ее функционирования в многозадачном режиме реального времени, которые, как показал опыт создания и эксплуатации выполненных под Windows систем управления промышленных печей [6], вполне преодолимы.
Структура, ядром которой является промышленный компьютер, может на первый взгляд показаться более дорогой, чем система, опирающаяся на контроллеры. Однако, при более внимательном рассмотрении такой вывод не подтверждается. Затраты на программирование и обслуживание преобладают в автоматизированных системах рассматриваемого класса. А программирование, включающее обязательную отладку на объекте и обслуживание, опирающиеся на широчайшие возможности промышленного компьютера, позволяют сэкономить как средства при разработке, так и время при пуске автоматизированной печи. По стоимости аппаратных средств система, выполненная на контроллерах, не всегда выигрывают по сравнению с промышленным компьютером. В связи с этим, представляется, что на контроллеры целесообразно возлагать специализированные функции, освобождая там, где это необходимо, более дорогие (чем в контроллерах) ресурсы промышленного компьютера.
По применяемым техническим средствам, использование изделий, широко представленных на рынке различными производителями, имеет важное преимущество относительно монопольно выпускаемых аппаратных средств. Это преимущество прежде всего касается конечного потребителя, который в любой момент может приобрести запасные части по цене, не выше той, на которую он пошел при создании системы. Кроме того, не возникнет неприятных "сюрпризов" со стороны монополистов компьютерного рынка при развитии автоматизированной структуры на смежные технологические объекты и в случае тиражирования системы.
Информационное обеспечение систем управления ВДП ориентировано на обеспечение оперативного контроля динамических изменений режима, а также ретроспективный анализ зарегистрированных промышленным компьютером данных, что в руках технологов является мощным средством совершенствования технологического процесса.
Математическое обеспечение и функциональная структура системы управления находятся в тесной взаимосвязи и определяются исходя из поставленных задач. Пояснения даны ниже на примере создания конкретной автоматизированной системы "АВАК" для ВДП.
Предложенный подход был использован при создании информационно-регистрирующей системы (ИРС) "Регистр" для печи ВДУ-52 (кристаллизатор диаметром 280 мм и глубиной 1100 мм, масса слитка до 550 кг) и системы автоматизированного управления (САУ) "АВАК" для печи ДСВ-4,5Г2И2 (кристаллизатор диаметром до 450 мм и глубиной 1900 мм, масса слитка до 2 т). Системы (см. фото на цветной вкладке) пущены в эксплуатацию на ЗАО "Ступинская металлургическая кампания" соответственно в 1999 - 2000 годах [1].
В более насыщенной функциями системе "АВАК" выполняются следующие задачи:
- автоматическое определение натекания до начала плавки;
- контроль, динамическое отображение на экране дисплея и регистрация в течение плавки основных параметров процесса:
а) тока печи;
б) напряжения печи;
в) давления в камере печи;
г) частоты капельных импульсов;
д) перемещения штока;
е) веса электрода;
ж) скорости плавления: расчетной по перемещению штока или массовой - по показаниям датчика веса:
з) астрономического времени начала и окончания плавки;
и) высоты наплавленного слитка и длины несплавленной части электрода;
к) основных причин аварийных отключений печи;
- динамическое отображение на экране дисплея в виде цветных графических мнемосхем хода процесса плавки, а также отклонений параметров от заданных значений;
- документирование хода процесса плавки, контролируемых, расчетных и исходных параметров в виде паспорта плавки и подробных цветных регистрограмм (см. графики изменения параметров на цветной вкладке);
- архивирование хода плавки с дискретностью записи параметров 0,1 секунды.
На печи ДСВ-4,5Г2И2 осуществляется автоматическое управление током и напряжением печи, причем предусмотрена возможность (при расширении функций "АВАК") управления по задаваемым программам с коррекцией перемещения электрода по частоте капельных импульсов и скорости плавления. Пример стабилизации режима плавки с использованием сигнала по частоте капельных импульсов дан на фрагментах регистрогамм, приведенных на цветной вкладке. На фрагменте "Отклонение режима от нормы" видно сначала ухудшение режима (связанное со снижением вакуума и сокращением дугового промежутка), сопровождающееся ростом частоты. Далее, после увеличения длины дугового промежутка, частота начала снижаться. На цветной вкладке приведен также фрагмент регистрограммы ("Режим в норме") режима, который наблюдается при введении необходимой коррекции напряжения печи по частоте. Компьютер, отслеживая кривую мгновенных значений напряжения печи, выделяет из нее характерные по форме "капельные" импульсы и вычисляет усредненную частоту их следования. Характерные импульсы в кривой напряжения на печи ДСВ-4,5Г2И2 приведены на рис. 1.
Рис.1
Важной особенностью САУ "АВАК" является использование тензометрических датчиков для контроля изменения веса электрода и массовой скорости его плавления. Датчики установлены в системе гибкой (цепной) подвески штока. Сигнал от датчиков передается в нормирующий тензоусилитель и далее поступает в УСО промышленного компьютера. Результат обработки сигналов тензодатчиков представлен на регистрограммах (см. на цветной вкладке кривую "Вес").
Регистрируемые САУ "АВАК" кривые (в масштабе 1 минута процесса на 5 мм регистрограммы) позволяют технологам выполнить анализ причин любого отклонения режима плавки. Имеется также возможность еще более детального анализа работы печи с помощью просмотра заархивированных записей плавок, выполненных с дискретностью 0,1 секунды. При возникновении отклонений от нормы хода процесса использование указанных функций "АВАК" позволяет документально дифференцировать причину: нарушение при подготовке плавки или отклонение режима от заданного либо нарушение в работе оборудования. Оперативное устранение возникших отклонений позволяет повысить качество и технико-экономические показатели вакуумного дугового переплава.
Дальнейшее повышение эффективности управления процессом ВДП возможно за счет использования современных промышленных видеокамер и систем обработки видеоизображения в цифровом формате. По сравнению с оптическими и аналоговыми, цифровые системами обеспечивают наиболее высокое качество изображения и обладают принципиально новыми функциональными возможностями. В качестве примера на цветной вкладке показаны видеокадры, зарегистрированные на печи ДСВ-4,5Г2И2 в нормальном режиме и при влиянии шлака на режим горения дуги.
САУ "АВАК" выполнена на базе промышленного IBM-совместимого компьютера, рассчитанного на эксплуатацию в условиях металлургического производства. Система встроена в удобный для плавильщика пульт управления (фото см. на цветной вкладке). Эргономические требования определили конструктивное оформление программно-технического комплекса. Устройства связи с объектом выполнены на основе высокоточных и высокостабильных устройств связи с объектом фирмы "ANALOG DEVIСES". Высокоточный контроль перемещения электрода с разрешающей способностью 0,02 мм выполнен с помощью специального преобразователя перемещения электрода. Интуитивно понятный интерфейс позволяет плавильщику вводить в систему необходимые данные и осуществлять непосредственное управление с помощью сенсорного экрана, что при управлении процессом снижает вероятность ошибочных действий, которые могли бы ухудшить качество слитка.
В отличие от "АВАК" система "Регистр" выполняет только информационные и регистрирующие функции. Кроме того, "Регистр" оформлена в виде более компактного конструктива - навесного шкафа с размерами 500 х 400 х 900 мм, что связано со стесненной планировкой расположения оборудования на реконструированной печи тип ВДУ-52.
Промышленное использование системы управления "АВАК" и информационно-регистрирующей системы "Регистр", выполненное на основе предложенного подхода к автоматизации ВДП, продемонстрировало их как достаточно надежные и удобные в эксплуатации комплексы, отвечающие современным жестким требованиям к процессу вакуумного дугового переплава.
Вкладка
Список литературы1. Освоение производства крупноразмерной продукции из жаропрочных никелевых сплавов./ Мулин С.В., Никонов Е.В., Батурин А.И., Волохонский Л.А. "Сталь". № 3, 2000 г., с. 75-77.
2. Волохонский Л.А. Вакуумные дуговые печи. - М..: Энергоатомиздат,1985, с. 85-94.
3. Альперович М.Е. Вакуумный дуговой переплав и его экономическая эффективность. М., Металлургия, 1978, 178 с.
4. Изаксон-Демидов Ю.А. Автоматическое управление дуговыми вакуумными печами. М., ОВНИИЭМ, 1966. 85 с.
5. ALD Vacuum TecHnologies GmbH. Vacuum Metallurgy. 2000. P. 22-23. 6. Нехамин С.М., Фридман М.А., Щербинин В.И. и др. Плавка кремния в руднотермической печи на выпрямленном токе. "Цветные металлы". № 2, 2000 г., с. 60-63.
С настоящей статьей можно также ознакомиться в журнале "Сталь" за 2000г. № 10