Проектно-инженерный департамент:
+7 (812) 320-56-82



 


АСУТП установки индукционного нагрева труб


АСУТП предназначена для автоматизированного управления процессом термической обработки толстостенных труб и контроля режима работы технологического оборудования, а также информационного обеспечения обслуживающего персонала. Предпосылкой внедрения системы послужила необходимость модернизации производственного процесса на одном из подразделений ОАО "Мотовилихинские заводы" - ЗАО "Мотовилиха-Нефтегазмаш". Выполнение проекта модернизации было поручено ФГУП ВНИИТВЧ (Всероссийский научно-исследовательского института токов высокой частоты), имеющего богатый опыт внедрения таких систем, а разработка непосредственно системы управления - компании "Стелла Инжинириг", также неоднократно принимавшей участие в подобных проектах.

Общее описание АСУТП
АСУТП автоматизированного управления процессом термической обработки толстостенных труб предназначена для решения следующих задач:

  • измерения технологических параметров, контроля достижения или превышения технологическими параметрами граничных значений;
  • оперативной индикации значений технологических параметров на мониторе станции управления и визуализации, предупредительной и аварийной сигнализация отклонений технологических параметров от допустимых значений;
  • управления состоянием технологического оборудования и режимами его работы;
  • отображения оперативной технологической информации. Процесс термической обработки включает четыре непрерывно следующих друг за другом этапа:
  • нагрев труб до "закалочных" температур (Т, max= 1100?С);
  • охлаждение труб водой в "закалочной" спрейерной камере (получение закалочных структур, то есть повышение твердости);
  • нагрев труб до "отпускных" температур (Т, max= 700?C);
  • охлаждение труб (водой) в "отпускной" спрейерной камере.

Рис. 1 прохождение трубы через один из индукторов зоны нагрева Все этапы термообработки проходят при непрерывном поступательном движении труб (до 0,5 м/мин) и вращении труб (до 30 об/мин). Скорость линейного перемещения устанавливается в зависимости от типоразмера труб. Диапазон наружных диаметров труб находится в пределах 89..203 мм при толщине стенки от 26 до 62 мм. Диапазон длин труб - 5 000..12 000 мм. Трубы поступают в зону закалки непрерывным потоком, состыковываясь друг с другом на транспортном рольганге перед входом в зону нагрева под закалку и расстыковываясь при выходе из "отпускной" спрейерной камеры.
Линия установки условно разделяется на три участка: загрузка; термообработка, разгрузка. Перемещение труб в линии осуществляет транспортный рольганг. На рис. 1 показано прохождение трубы через один из индукторов зоны нагрева.
Структура АСУТП, основные конструктивные характеристики узлов, составляющих установку

АСУТП строится по блочному принципу, обеспечивающему автономность функционирования при решении отдельных задач и возможность быстрого восстановления технических средств при выходе их из строя.
Рис. 2 Система управления ПЛК семейства Premium TSXP57103M Schneider Electric Система управления реализована на ПЛК семейства Premium TSXP57103M производства компании Schneider Electric и обеспечивает сбор информации с датчиков и выдачу дискретных и аналоговых управляющих воздействий на исполнительные механизмы в соответствии с алгоритмами функционирования системы (рис. 2).

Панель оператора XBTPM02710 обеспечивает: отображение технологических параметров объекта; корректировку или установку режима работы; вывод информации о неисправностях. Рис. 1 Связь АРМ с ПЛК Визуализация протекания ТП осуществляется с помощью SCADA-системы Cimplicity (GE Fanuc Automation). Связь АРМ с ПЛК осуществляется по сети UNYTELWAY через OPC-сервер (рис. 3).
Регулирование скорости вращения электродвигателей каждой группы осуществляется своим преобразователем частоты. Преобразователь частоты группы электроприводов зоны термообработки обеспечивает постоянную рабочую скорость линейного перемещения в зонах закалки и отпуска, необходимую для данного типоразмера труб.
Преобразователи частоты группы электроприводов участков загрузки/разгрузки обеспечивают изменение скорости для стыковки труб на входе в зону термообработки и расстыковки на выходе из зоны по сигналу соответствующих датчиков и в соответствии с алгоритмом управления, изложенном далее.
Преобразователи частоты электроприводов транспортного рольганга имеют возможность местного (собственная панель управления) и дистанционного включения и управления (дискретные сигналы ПК - пуск/стоп -1 канал, реверс - 1 канал, аналоговые сигналы =0..10 В - скорость).
Реверс приводов возможен только в режиме наладки при ручном управлении от кнопок пульта управления.
В зоне термообработки установлены четыре индуктора для нагрева до температуры закалки и спрейерная камера зоны термообработки.

Все конструктивы и блоки установки, нагревающиеся при протекании по ним силовых токов, охлаждаются водой. Именно с этой целью установка комплектуется станцией охлаждения дистиллированной водой (последняя имеет свою систему управления, но сигнал о рабочем состоянии магистрали водяного охлаждения подается в систему управления установки на дискретный вход).
Разветвленная сеть охлаждения имеет систему контроля сливов ветвей охлаждения при помощи установленных на каждом сливе датчиков наличия и температуры воды. При нарушении охлаждения платы питания датчики выдают дискретный сигнал в систему управления. Система подачи закалочной воды является важным звеном процесса термообработки, поэтому система управления должна контролировать давление в магистрали закалочной воды (реле давления) и расход (датчик протока).
В процессе термообработки контролируется температура поверхности труб шестью датчиками бесконтактного измерения (инфракрасными термометрами КВАРЦ), которые обеспечивают измерение температуры и через ПЛК в автоматическом режиме поддержание температуры в пределах задаваемых температурных уставок.
Сигналы блоков обработки приборов поступают на аналоговые входы ПК 0…20мА (градуировка в температурном диапазоне 600…1300?С).
Программная составляющая системы построена по модульному принципу и дает возможность доработки отдельных компонентов без замены ПО в целом.

Основные режимы работы АСУТП Формирование сигнала "Готовность". Сигнал "Готовность" формируется при соблюдении условий: отсутствие аварий; готовность генераторов G1, G2 и G3; готовность инвертора приводов UZ1, UZ2 и UZ3; рабочее давление в магистрали закалочной воды и водяного охлаждения; отсутствие сигнала о нарушении в системе водяных сливов; разрешение от смежного оборудования (стеллаж разгрузкию).

Режим "Наладка". Вход в режим осуществляется переводом соответствующего переключателя в положение "Наладка". В этом режиме производится выбор одного из 16 режимов работы. Возможна корректировка выбранного режима. Параметры режима хранятся в энергонезависимой таблице. Оператор выбирает один из 16 режимов работы, каждый из которых определяется следующими исходными параметрами: диаметр тубы, (м); длина трубы, (м); линейную скорость перемещения трубы, (м/с); скорость вращения трубы вокруг своей оси, (обороты/минуту) и т.д. Каждый из параметров выбранного режима можно корректировать. При смене режима наладки все измененные параметры сохраняются в памяти.
Режим "Автомат". Переход в этот режим осуществляется по нажатию кнопки "ПУСК Автомат" при наличии сигнала "Готовность". При этом включаются привода транспортного рольганга. Скорость вращения приводов различна для разных зон:

  • в зоне термообработки - равна заданной рабочей линейной скорости;
  • в зоне загрузки - повышается с рабочей скорости до скорости состыковки на время отсутствия трубы в зоне датчика плюс заданная режимом задержка, учитывающая уход заднего края предыдущей трубы от датчика;
  • в зоне разгрузки - повышается с рабочей скорости до скорости расстыковки с рассчитанного времени схода заднего края трубы с последней колесной пары зоны "термообработки" до появления переднего края следующей трубы в зоне датчика.

Режим "АРТ" (включение режима осуществляется соответствующим переключателем) обеспечивает поддержание температуры поверхности труб, измеряемой пирометрическими датчиками в зонах визирования (0…20мА) в соответствии с заданными значениями температур, корректируя мощность (напряжение) генераторов посредством изменения сигнала задания (=0…10В). При регулировании используются ПИ-регуляторы с коэффициентами, подбираемыми на приемно-сдаточных испытаниях.
При выключении режима "АРТ" на выходах поддерживаются постоянные уровни мощности, которые были заданы на момент отключения режима. Затем уровни можно изменять с клавиатуры панели оператора.
Аварийное отключение системы происходит при: нажатии кнопки "Авария"; нарушении условия "Готовность" в режиме "Автомат"; нарушении части условий "Готовность", соответствующих работающему оборудованию в режиме "Наладка". При этом происходит отключение генераторов и остановка транспортного рольганга. На экране отображается страница с соответствующей сигнализацией. Далее система ожидает нажатия на кнопку "Сброс Аварии", таким образом, оператор подтверждает устранение аварии.
При восстановлении условий "Готовность", позволяющих включить транспортный рольганг, АСУ переводится в режим "Наладка", и линия транспортного рольганга освобождается от труб посредством реверса приводов, включаемого кнопками на шкафу управления. При этом, скорость приводам задается следующим образом: привода зоны термообработки и зоны разгрузки всегда включены на рабочую скорость (при реверсе), а привод зоны загрузки имеет ускоренное вращение, что дает трубам возможность расстыковки при реверсе рольганга. Остановка приводов после расстыковки труб при реверсе производится кнопкой, после чего труба убирается с транспортного рольганга.
Режим "Оперативное отключение" в режиме "Автомат". Кнопкой "СТОП Автомат" запрещается перенос очередной трубы с загрузочного стеллажа (последняя перенесенная труба должна иметь заглушку на конце). При выходе последней трубы на разгрузочную часть рольганга датчик разгрузки дает команду (со штатной задержкой) и происходит останов приводов транспортного рольганга. Механизм разгрузки уносит трубу на стеллаж готовой продукции.

Результаты и перспективы Результатом внедрения АСУТП явилось повышение качества работы системы, выразившееся в увеличении надежности и наработки на отказ, облегчения труда операторов и, за счет реализации в системе алгоритмов автоматического регулирования температуры, уменьшения объема отбраковки заготовок.
К настоящему моменту реализовано несколько подобных систем с использованием оборудования Schneider Electric. Кроме описанной, можно привести примеры внедрения установок индуктивного нагрева стальных стержней для производства шаров для шаровых мельниц на заводе "Энергостил" (Украина), и для производства подшипников на Саратовском подшипниковом заводе.
В настоящее время готовятся новые разработки, перспективным направлением в которых является разработка новых алгоритмов автоматического регулирования температуры, в том числе таких, где локальные задания по температуре для отдельных нагревательных контуров рассчитываются внутри блока, а коэффициент усиления регулятора адаптивно изменяется в ходе выполнения алгоритма.

Е. А. Алсуфьев
к.т.н. М. В. Севергин

Статья опубликована в журнале "Автоматизация в промышленности", №11, 2007