Информационные технологии и автоматизация в металлургии

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2213 

Кафедра компьютерных информационных 
и управляющих систем автоматики 

А.А. Бекаревич 
Ю.Д. Миткевич 
 

Информационные технологии
и автоматизация в металлургии

 

Лабораторный практикум 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва 2012 

УДК 004.9(075.8) 
 
Б42 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн. наук, проф. Е.А. Калашников 

Бекаревич, А.А., Миткевич, Ю.Д. 
Б42  
Информационные технологии и автоматизация в металлургии : лабораторный практикум / А.А. Бекаревич, Ю.Д. Миткевич – М. : Изд. Дом МИСиС, 2012. – 71 с. 
 

Цель данного пособия – ознакомить студентов с современными информационными технологиями и автоматизацией в металлургии, в том числе 
приобрести практические навыки в использовании приборов и оборудования 
для автоматизации технологических процессов в металлургии, а также находить и перерабатывать информацию о технологическом процессе. 
Лабораторный практикум включает 4 (четыре) лабораторные работы, охватывающие все разделы учебного курса и содержат цель работы, теоретическую часть, описание лабораторного стенда, порядок проведения работы, 
требования к отчету и контрольные вопросы. 
Данный лабораторный практикум предназначен для бакалавров специальности 150102 «Металлургия цветных металлов» и магистров специальности 150400 «Металлургия». Кроме того, может быть рекомендован для специалистов, проходящих переподготовку по данной специальности с целью 
повышения квалификации. 

УДК 004.9(075.8) 

 
© А.А. Бекаревич, 
Ю.Д. Миткевич, 2012 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение....................................................................................................4 
Лабораторная работа №1. Получение первичной информации  
о технологическом процессе с помощью контактных  
средств измерения температуры .........................................................5 
Лабораторная работа №2. Получение первичной информации  
о технологическом процессе с помощью бесконтактных  
средств измерения температуры .......................................................13 
Лабораторная работа №3. Получение первичной информации  
о технологическом процессе с помощью технических  
средств измерения давления и расхода ............................................35 
Лабораторная работа №4. Исполнительные устройства.................59 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Настоящее пособие призвано помочь приобрести новые знания  
в области информационных технологий и автоматизации в металлургии, в том числе приобрести практические навыки в использовании 
приборов и оборудования для автоматизации технологических процессов в металлургии, а также находить и перерабатывать информацию о технологическом процессе в процессе подготовки квалифицированных кадров в области информатизации и автоматизации металлургических предприятий. 

Лабораторная работа №1 

ПОЛУЧЕНИЕ ПЕРВИЧНОЙ ИНФОРМАЦИИ  
О ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ  
С ПОМОЩЬЮ КОНТАКТНЫХ СРЕДСТВ 
ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ 

1.1. Цель работы 

Ознакомится с устройством и приобрести практические навыки 
получения информации о технологическом процессе с помощью типовых технических средств автоматики контроля температуры контролируемой среды контактным способом. 

1.2. Теоретическая часть 

В автоматизации металлургических процессов информация есть 
содержание сигнала, сообщения, полученного автоматической системой об объекте управления. 
Сбор – это получение максимально выверенной исходной информации, является одним из самых ответственных этапов в работе с 
информацией, поскольку от цели сбора и методов последующей обработки полностью зависит конечный результат работы всей информационной системы. 
Технология сбора – это использование определенных методов 
сбора информации и технических средств, выбираемых в зависимости от вида информации и применяемых методов ее сбора. На заключительном этапе сбора, когда информация преобразуется в данные, осуществляется ее ввод в систему. 
Данные – это информация, представленная в формализованном 
виде, пригодном для машинной (компьютерной) обработки 
Для различных этапов сбора технологической информации, 
обычно применяются такие средства, как датчики температуры, давления, расхода и др., относящиеся к средствам 1-го уровня иерархической структуры технических средств ГСП (рис. 1.1). 
Наряду с датчиками, средства 1-го уровня включают в себя так же 
исполнительные устройства. Средства 2-го и 3-го уровней выполняют функции программного управления, стабилизации режимов работы ТОУ и выхода на режим, включая ручное управление и программно-логическое. Задачи исследования ТОУ и оптимизации процесса управления решаются средствами 4-го уровня. С помощью 

этих же средств выполняются и функции представления информации 
и сервисные функции. 

 

Рис. 1.1. Иерархическая структура технических средств ГСП 

Датчики измерения температуры контактным способом или 
термоэлектрические термометры – это термопары, снабженные защитной арматурой. Принцип действия термопары основан на возникновении термоэлектродвижущей силы (ТЭДС) в зависимости от 
температуры концов (спаев) термопары. Замкнутая электрическая 
цепь (рис. 1.2), состоящая из двух разнородных термоэлектродов «А» 
и «В», образует термопару, у которой спай с температурой t называется горячим или рабочим, а спай с температурой t0 – холодным или 
свободным. 

Рис. 1.2. Термопара 

Суммарная электродвижущая сила в замкнутой цепи термопары 
выражается уравнением 

 
AB
0
AB
AB
0
( , )
( )
( )
E
t t
e
t
e
t
=
−
, 

где 
AB
0
( , )
E
t t
 – суммарная ТЭДС термопары; 

AB( )
e
t , 
AB
0
( )
e
t
 – потенциалы, возникающие местах соприкосновения термоэлектродов «AB». 

Поддерживая температуру одного из спаев постоянной, имеем: 

 
AB
0
( , )
( )
E
t t
f t
=
. 

Таким образом, измерение неизвестной температуры сводится к 
определению ТЭДС термопары при этой температуре с помощью 
измерительного прибора. 
При введении в цепь термопары третьего проводника «С» 
(рис. 1.3), концы которого имеют одинаковые температуры, ТЭДС 
термопары не изменяется (то же относится и к нескольким проводникам). Потому включение в цепь термопары соединительных проводов, измерительных приборов и подгоночных сопротивлений не 
отражается на величине ТЭДС самой термопары. 

Рис. 1.3. Цепь термопары с введенным третьим электродом 

Термопары, как правило, градуируются при температуре холодного спая t0 = 0 °C. В действительности же температура холодных спаев 
термопары обычно отличается от 0 °C, поэтому для нахождения действительной температуры вводят поправку по уравнению: 

 
AB
0
AB
0
AB
0
( , )
( , 
)
( , )
E
t t
E
t t
E
t
t
′
′
=
±
, 

где EAB(t, t0) – ТЭДС при температурах рабочего t и холодного 
t0 = 0 °C спаев; 

AB
0
( , )
E
t t′  – ТЭДС при температурах рабочего t и холодного 0t′  
спаев; 

AB
0
( , )
E
t
t
′
 – ТЭДС, развиваемая термопарой при температуре 
рабочего спая 0t′  и свободного t0 = 0 °C. 
Знак «+» относится к случаю, когда 0
0
t
t
′ >
, а минус – к случаю 

0
0
t
t
′ <
. 

На рис. 1.4 показана конструкция термоэлектрического термометра в собранном виде: 1, 2 – электроды (нагреваемые концы термопара скручиваются, а затем свариваются); 3 – электроизоляционные 
трубки; 4 – защитный чехол; 5 – соединительная колодка; 6 – провода к измерительному прибору. 
Термоэлектроды термопары изготавливаются из различных материалов, к которым предъявляются следующие требования: 
а) постоянство термоэлектродных свойств материала во времени; 
б) высокое значение развиваемой ТЭДС; 
в) высокая жаростойкость; 

г) высокая электропроводность; 
д) возможность воспроизводимости сплавов одинакового состава. 
Наибольшую ТЭДС при одинаковых температурах развивает 
хромель-копелевая термопара ТХК, которая более удобна для измерения температур до 600 °С. 
Для удобства применения термопары изготавливают в соответствующей армировке, чтобы электрически изолировать термоэлектроды и защитить их от воздействия измеряемой среды. 

 

Рис. 1.4. Конструкция термопары 

Для защиты термоэлектродов при температуре до 1000 °С изолированные термоэлектроды помещают в защитный чехол из обычной 
(углеродистой) стали или нержавеющей. При температурах до 
1300 °С применяют фарфоровые защитные чехлы. При более высоких температурах используют металлокерамические газонепроницаемые защитные чехлы из диборида циркония (до 1800 °С), дисилицида молибдена (до 1700 °С), диборида циркония с молибденом 
(до 2000 °С). При измерении высоких температур применяются нестандартные термопары. Наиболее перспективные из них: вольфраммолибденовая термопара ВМ до 2000 °С в восстановительной среде; 
вольфрам-рениевые ВР до 2300 °С в инертной среде и другие. 
Свободные концы термопары располагается в головке термоэлектрического термометра, температура которой бывает часто достаточ

но высокой и, главное, не остается постоянной, а изменяет свою величину в зависимости от условий теплообмена с окружающей средой. Поэтому соединение термопары с вторичными приборами, находящимися на некотором расстоянии в зоне более низкой и постоянной температуры, осуществляется с помощью компенсационных 
проводов, изготовленных из сплавов, развивающих в пределах до 
100 °С ТЭДС, равную ТЭДС термопары. В этом случае при изменении температуры холодного спая термопары результирующая ТЭДС 
термопары не изменяется. 

1.3. Описание лабораторного стенда 

Лабораторный стенд для выполнения работы (рис. 1.5) состоит из 
ВК1 – выключатель, предназначен для включения/отключения лабораторного стенда к напряжению сети ~220В; ВК2 – выключатель, 
предназначен для включения/отключения нагревательного элемента 
печи к напряжению сети ~220В; НП1 – нагревательная печь; А1 – 
амперметр, предназначен для измерения силы тока в цепи питания 
нагревательной печи; V1 – вольтметр, предназначен для измерения 
напряжения в цепи питания нагревательной печи; ТПР1 – управляющее твердотельное реле; ТП1 – термопара для измерения температуры в печи в зоне №1; ТП2 – термопара для измерения температуры в печи в зоне №2; R1 – компенсационное сопротивление №1, 
предназначено для компенсации сопротивления в подводящих проводниках термопары ТП1; R2- компенсационное сопротивление №2, 
предназначено для компенсации сопротивления в подводящих проводниках термопары ТП2; К1 – двух позиционное коммутирующее 
устройство, представляет собой , предназначено для поочередной 
коммутации термопар ТП1 и ТП2 с микроконтроллером ОВЕН  
ТРМ-151; БП1 – блок питания, предназначен для создания управляющего напряжения 24 В в цепи управляющего твердотельного реле ТПР1; МР1 – микропроцессорный регулятор ОВЕН ТРМ-151 с 
УОИ (устройством отображения информации), предназначен для 
контроля, регулирования и отображения на ЖК дисплее технологического параметра – температуры в нагревательной печи. 

 

Рис. 1.5. Лабораторный стенд