Контрольно-измерительные приборы и автоматизация металлургического производства

М. Ю. Ткачев, С. П. Еронько







КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И АВТОМАТИЗАЦИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА


Учебное пособие














Москва Вологда
« Инфра-Инженерия» 2023

УДК 681.1:669.02                 Рекомендовано ученым советом ГОУ ВПО «Донецкий
ББК 34.9:34.3:32.965             национальный технический университет» в качестве
     Т48                         учебного пособия для обучающихся образовательных
                                 учреждений высшего профессионального образования (протокол № 8 от 29.11.2019 г.)

Рецензенты:
доктор технических наук, профессор Высшей школы механики и процессов управления ФГАОУ ВО «СПбПУ Петра Великого» (г. Санкт-Петербург) Артюх Виктор Геннадиевич;
доктор технических наук, профессор кафедры основ проектирования машин ГОУ ВПО «ДонНТУ» (г. Донецк) Ченцов Николай Александрович;
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой инжиниринга технологического оборудования НИТУ «МИСиС» (г. Москва) Горбатюк Сергей Михайлович



     Ткачев, М. Ю.
Т48     Контрольно-измерительные приборы и автоматизация металлургиче-
     ского производства : учебное пособие / М. Ю. Ткачев, С. П. Еронько. -Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 256 с. : ил., табл.
        ISBN 978-5-9729-1454-8

         Рассмотрена методология современных методов исследования с применением контрольно-измерительных комплексов для определения конструктивных, энергосиловых и технологических параметров металлургических машин и агрегатов.
         Для обучающихся по направлению подготовки 15.03.02 «Технологические машины и оборудование» (профиль «Инжиниринг и технический менеджмент металлургического оборудования») квалификационного уровня «бакалавр», преподавателей образовательных организаций высшего профессионального образования.

УДК 681.1:669.02
ББК 34.9:34.3:32.965








ISBN 978-5-9729-1454-8

     © Ткачев М. Ю., Еронько С. П., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

            СОДЕРЖАНИЕ



ВВЕДЕНИЕ.........................................................5
1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ.................................................7
ГЛАВА 1. Сущность процесса измерения при эмпирических исследованиях параметров металлургических машин и агрегатов, термины и определения............................................7
1.1. Сущность процесса измерения и его стадии....................7
1.2. Электрические методы измерений..............................10
1.3. Технические средства измерительной техники..................12
ГЛАВА 2. Ошибки измерений конструктивных, кинематических, энергосиловых параметров металлургического оборудования, причины их возникновения........................................17
2.1. Классы измерений. Погрешности измерений и причины их возникновения...................................................17
2.2. Систематические и случайные погрешности....................19
2.3. Генеральная и выборочная совокупность измерений............24
ГЛАВА 3. Введение в измерительную технику.......................26
3.1. Основные функции измерительной системы. Восприятие измеряемой величины..................................26
3.2. Преобразование измерительной информации. Вычислительные операции.........................................27
3.3. Отображение и обработка измерительной информации...........31
ГЛАВА 4. Структура и функции автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП)...................35
4.1. Комплекс технических средств. Общесистемная техническая документация....................................................35
4.2. Разновидности АСУ ТП.......................................39
4.3. Эксплуатационный персонал..................................44
4.4. Информационно-вычислительные и управляющие функции АСУ ТП...48
ГЛАВА 5. Элементы АСУ ТП........................................51
5.1. Нижний уровень АСУ ТП......................................51
5.2. Регулирующие органы........................................56
5.3. Промышленные сети передачи данных..........................59
ГЛАВА 6. Автоматизация доменного производства...................64
6.1. Цель и задачи автоматического управления доменным процессом.64
6.2. Контролируемые величины доменного процесса.................66
6.3. Информационные, вычислительные и управляющие функции технологического процесса.......................................71
  6.3.1. Информационные и вычислительные функции АСУ ТП доменной плавки...............................................71
  6.3.2. Управляющие функции АСУ ТП доменной плавки.............78
ГЛАВА 7. Автоматизация электрометаллургического производства.....86
7.1. Цель и задачи автоматического управления процессом выплавки стали в электродуговой печи.....................................86

3

7.2. Контролируемые величины электросталеплавильного процесса...89
7.3. Информационные, вычислительные и управляющие функции технологического процесса выплавки стали........................94
  7.3.1. Управляющие функции АСУ ТП выплавки стали в ДСП....95
  7.3.2. Информационные и вычислительные функции АСУ ТП выплавки стали в ДСП.....................................101
ГЛАВА 8. Автоматизация конвертерного производства..........109
8.1. Цель и задачи автоматического управления процессом выплавки конвертерной стали.........................................109
8.2. Контролируемые величины кислородно-конвертерного процесса..111
8.3. Информационные, вычислительные и управляющие функции технологического процесса производства конвертерной стали..114
  8.3.1. Информационные и вычислительные функции АСУ ТП выплавки стали в конвертере..............................114
  8.3.2. Управляющие функции АСУ ТП выплавки стали в конвертере.125
ГЛАВА 9. Автоматизация машин непрерывного литья заготовок и прокатного производства..................................132
9.1. Цель и задачи автоматического управления литейным и прокатным производством..............................................132
9.2. Контролируемые величины процессов непрерывной разливки стали и прокатки заготовки.................................134
9.3. Информационные, вычислительные и управляющие функции процесса получения прокатной продукции из непрерывнолитой заготовки ................................................ 143
2. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ..................................169
Организация рабочего места и правила техники безопасности при проведении лабораторных работ..........................169
Лабораторная работа № 1. Моделирование работы автоматизированной системы управления устройством газодинамической отсечки шлака при выпуске стали из кислородного конвертера...............172
Лабораторная работа № 2. Моделирование работы автоматизированной системы управления процессом донной продувки стали в разливочном ковше........................................183
Лабораторная работа № 3. Моделирование работы автоматизированной системы управления работой стопорного устройства
промежуточного ковша МНЛЗ..................................194
Лабораторная работа № 4. Моделирование работы автоматизированной системы управления манипулятора для быстрой смены погружных стаканов на слябовых МНЛЗ..................................210
3. САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА СТУДЕНТА.........................228
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................230
ГЛОССАРИЙ..................................................233
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..........................................248

4

            ВВЕДЕНИЕ



    Проведение экспериментальных исследований параметров машин, агрегатов и процессов в металлургии, а также их взаимосвязей при комплексной механизации и автоматизации основных и вспомогательных технологических операций неразрывно сопряжено с использованием контрольно-измерительных комплексов. На этапах приемосдаточных испытаний, пусконаладочных работ, эксплуатации металлургического оборудования повсеместно используются всевозможные контрольно-измерительные средства. Система технического обслуживания и ремонтов основывается, в том числе на данных о состоянии технических объектов, получаемых при их диагностировании, проводимом с использованием вышеупомянутых контрольно-измерительных приборов (КИП). Таким образом, КИП используются практически на всех этапах жизненного цикла металлургического оборудования, в том числе и на последнем - утилизации. Ввиду того, что успешное развитие конкурентоспособной экономики невозможно без разработки инновационных машин, агрегатов и процессов, а также без модернизации и реконструкции уже существующих, использование в металлургии и машиностроении современных КИП является актуальной задачей.
    Среди комплекса дисциплин, формирующих профессиональные компетенции обучающихся по направлению подготовки 15.03.02 «Технологические машины и оборудование» (профиль «Инжиниринг и технический менеджмент металлургического оборудования»), дисциплина «Контрольно-измерительные приборы и автоматизация металлургического производства» занимает одно из центральных мест и является базой для многих других дисциплин учебного плана. Целью освоения дисциплины является формирование у студентов системы теоретических знаний относительно назначения, конструкции, принципа действия и правил использования контрольно-измерительной аппаратуры при проведении экспериментальных исследований процессов и автоматизации металлургического производства.
    Задачей дисциплины является рассмотрение методологии современных методов исследования с применением контрольно-измерительных комплексов для определения конструктивных, энергосиловых и технологических параметров металлургических машин и агрегатов.
    В результате освоения дисциплины студент должен знать: назначение, конструкцию, принцип действия и условия применения КИП фиксации технологических и энергосиловых параметров технологического оборудования; порядок подготовки приборов и аппаратуры к проведению измерений; правила обработки результатов измерений и оценки их погрешности; а также уметь: правильно выбирать типы датчиков и приборов для контроля требуемых параметров технологических процессов и оборудования; собирать измерительную схему; выполнять тарировку преобразователей и настраивать аппаратные средства; проводить измерения с соблюдением правил техники безопасности.
    Настоящее учебное пособие можно использовать для проведения лекций, лабораторных работ, при самостоятельной работе студента, а также выполне

5

ния им индивидуальных заданий. Удобство при работе с изданием создает глоссарий основных терминов.
    Все материалы лабораторного практикума прошли методическую апробацию при подготовке инженерных кадров по направлению подготовки 15.03.02 «Технологические машины и оборудование» (профиль «Инжиниринг и технический менеджмент металлургического оборудования») в рамках учебной дисциплины профессионального цикла «Контрольно-измерительные приборы и автоматизация металлургического производства», а также во время проведения ежегодных конкурсов «Физическое моделирование и робототехника» на базе ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет».
    Учебное пособие содержит 9 глав для изучения основ теории рассматриваемой предметной области, после каждой из которых приведены вопросы для самоконтроля; материал лабораторного практикума в виде четырех лабораторных работ; а также рекомендации, касающиеся вопросов самостоятельной работы обучающихся.

6

            1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ



ГЛАВА 1
СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА ИЗМЕРЕНИЯ ПРИ ЭМПИРИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ПАРАМЕТРОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ МАШИН И АГРЕГАТОВ, ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

    1.1. Сущность процесса измерения и его стадии.
    1.2. Электрические методы измерений.
    1.3. Технические средства измерительной техники.

1.1. Сущность процесса измерения и его стадии

    Технические измерения направлены на количественное описание различных процессов, явлений и свойств материальных тел. Установление численного значения измеряемой физической величины происходит в 2 этапа. На первом этапе происходит ее восприятие и отображение. На втором - нормирование, во время которого измеряемой величине назначается числовое значение, установленное эмпирическим путем [1].
    По определению размером х физической величины X называют отношение измеряемой величины к некоторому ее эталонному значению N [2]:


X х = —
N

(1)


    Вышеприведенное утверждение справедливо при соблюдении следующих условий:
    -  исследуемая физическая величина однозначно определена;
    -  однозначно определены единицы ее измерения.
    В постоянно действующей с 1875 г. организации Международное бюро мер и весов примерно раз в 4 года созывается Генеральная конференция по мерам и весам. В ходе этого мероприятия обсуждаются и документально закрепляются результаты совместной работы стран в области измерительной науки, в частности, стандартов в сфере измерений. Этой организацией установлены семь, независимо определяемых друг от друга абсолютных (основных) физических величин и их единиц (табл. 1). В глоссарии настоящего учебного пособия даны определения единицам физических величин с описанием их эталонов [3, 4].
    Вышеупомянутая международная организация наряду с прочим занимается вопросами, связанными с хранением международных эталонов, а также поверкой их национальных прототипов. Актуальными вопросами, которые лежат в компетенции данной организаций, среди прочих можно считать повышение


7

точности измерений, обеспечение единой системы измерений во всех государствах-участниках Метрической конвенции и т. д.


Таблица 1

Основные единицы Международной системы единиц (СИ)

              Физическая                     Обозначение единицы     
               величина                      физической величины     
 №                  Единица                                         
п/п Наименование   физической Размерность Международное Национальное
                    величины                                        
 1  Длина             метр         L            m            м      
 2  Масса          килограмм       M           kg            кг     
 3  Время           секунда        T            s            с      
 4  Температура     кельвин        9            s            К      
    Сила                                                            
 5  электрического   ампер         I            A            А      
    тока                                                            
 6  Сила света      кандела        J           cd            кд     
 7  Количество        моль         N           mol          моль    
    вещества                                                        

     Общепринято наименование систем величин составлять из их символов (размерностей). Например, в области механики система величин называется LMT, а в Международной системе величин - LMTI9NJ. Для удобства работы с численными значениями единиц физических величин приняты их кратные и дольные единицы. Они образуются посредством добавления определенных приставок к основным единицам (данные табл. 2).


Таблица 2

Приставки международной системы единиц СИ

 Единица    Наименование               Обозначение приставки    
физической    приставки    Множитель                           
 величины  (международное/           Международное Национальное
            национальное)                                      
    1             2            3           4            5      
 Двоичная  yobi / иоби      (210)8        Yi            Ии     
 кратная   zebi / зеби      (210)7        Zi            Зи     
             exbi/эксби     (210)6        Ei            Эи     

8

Окончание таблицы 2

   1           2         3    4  5 
         pebi / пеби   (210)5 Pi Пи
Двоичная tebi / теби   (210)4 Ti Ти
кратная  gibi / гиби   (210)3 Gi Ги
         mebi / меби   (210)2 Mi Ми
         kibi / киби   (210)1 Ki Ки
         yotta / йотта  1024  Y  И 
         zetta / зетта  1021  Z  3 
         exa / экса     1018  E  Э 
         peta / пета    1015  P  П 
Кратная  tera / тера    1012  Т  Т 
         giga / гига    109   G  Г 
         mega/ мега     106   M  М 
         kilo / кило    103   k  к 
         hecto / гекто  102   h  г 
         deca / дека    101   da да
         deci / деци    10-1  d  д 
         centi / санти  10-2  c  с 
         milli / милли  10-3  m  м 
         micro / микро  10-6  p  мк
Дольная  nano / нано    10-9  n  н 
         pico / пико   10-12  p  п 
         femto / фемто 10-15  f  ф 
         atto / атто   10-18  а  a 
         zepto / зепто 10-21  z  з 
         yocto / йокто 10-24  y  и 

     Таким образом, измерение - сложный эмпирический процесс, подверженный влиянию многих факторов, вносящих свои погрешности на каждом из его этапов. Проведение этого процесса сопряжено с использованием контрольноизмерительных средств, приборов и/или их систем, которые должны иметь соответствующие данному исследованию паспортные характеристики. Все измерения разделяют на прямые (значение искомой величины находят из эмпириче

9

ских данных путем сравнения ее размера с размером, который воспроизводится мерой, или в виде показаний КИП) и косвенные (значение измеряемой величины устанавливается (вычисляется) по известным и проверенным на адекватность зависимостям, переменными которых являются величины, измеренные посредством прямых измерений). Примером косвенных измерений может служить определение значения электрической мощности Р в виде произведения значений показаний вольтметра U (напряжения) и амперметра I (силы тока), включенных в электрическую схему привода машины.
     Основные понятия и определения, используемые в измерительной технике, регламентированы государственными стандартами [3, 4]. Наиболее важные из них приведены в глоссарии.


        1.2. Электрические методы измерений


     Реализация любого процесса измерения предполагает наличие специальных технических средств, принцип действия которых основан на электрических методах и неэлектрических (механических, пневматических, химических и др.).
     Электрические методы измерений являются наиболее распространенными, поскольку позволяют сравнительно просто преобразовать, передать и ввести измерительную информацию в виде закодированного сигнала в ЭВМ [5, 6].
     Наиболее полное наглядное представление электрических методов измерений дает содержание табл. 3. В соответствии с ее данными при измерениях электрических величин применяются методы сравнения и непосредственной оценки.


Таблица 3

Классификация электрических методов измерений

    Методы          Методы                    Методы сравнения                  
  измерений    непосредственной      Метод      Дифференциаль-      Нулевой    
                    оценки         противо-        ный метод         метод     
                                  поставления                                  
Характеристика - использование  - использование - на КИП        - результат    
               КИП со шкалами,  устройства      действует       измерения      
               проградуирован-  (компаратора),  разность        (разность между
               ными в единицах  сравнивающего   измеряемой      измеряемой     
               измеряемой       сигналы         величины        величиной      
               величины;        измеряемой      и величины,     и величиной,   
               - отсутствие     величины        размер которой  воспроизво-    
               вычислений       и одноименной   воспроизводится димой мерой,   
                                ей величины,    мерой           доводят        
                                воспроизводимой                 до нуля)       
                                мерой                                          

10

    Применение ЭВМ в составе современных контрольно-измерительных комплексов позволяет проводить различные вычислительные операции внутри самой измерительной системы, в том числе связанные с определением погрешностей измерений. Также появляется дополнительная возможность организовать автоматический контроль параметров технологического процесса с выполнением различных логических операций, например, с использованием вычислительных устройств, которые в свою очередь бывают непрерывного (аналоговые) и дискретного (цифровые) действия. В аналоговых вычислительных устройствах значения величин, над которыми осуществляются математические операции, изменяются непрерывно, а в дискретных - представляются в виде набора цифр. Цифровые вычислительные устройства характеризуются высокой точностью и быстродействием, что очень важно для динамических систем. Благодаря своим преимуществам сегодня этот тип устройств получил преимущественное распространение в системах обработки информации, в частности измерительной. При этом наибольшее распространение получили цифровые вычислительные устройства с изменяемой программой обработки информации в отличие от устройств с жесткой программой обработки информации. Они способны решать практически любые вычислительные задачи и представлены цифровыми ЭВМ, мини ЭВМ, микро-ЭВМ, а также микропроцессорами, входящими в структуры измерительно-вычислительных систем. Последние две разновидности, как правило, используются в технологических КИК и их элементах (приборах, преобразователях и системах).
    Микропроцессорные комплекты (см. глоссарий) предназначены для построения цифровых управляющих вычислительных устройств с широкими функциональными возможностями и единым математическим обеспечением, таких, как микропроцессорные системы, микро-ЭВМ, микроконтроллеры и др.
    Применения средств цифровой вычислительной техники в КИП расширяет их функции (информационные возможности) и улучшает характеристики (надежность, точность).
    Применение микропроцессорных систем в составе КИК дает возможность реализовать следующее:
    -  проводить вычисления по предварительно разработанным алгоритмам;
    -  статистически обрабатывать данные;
    -  анализировать параметры в части отыскания их экстремумов;
    -  корректировать статические характеристики точности КИК;
    -  самостоятельно диагностировать КИК и управлять измерениями;
    -  осуществлять программное регулирование параметров КИК.
    Однако такая компоновка контрольно-измерительных комплексов и систем, безусловно, ведет к усложнению их структуры, что требует наличия персонала с соответствующей квалификацией.
    При автоматизации технологических процессов задачи измерения их параметров решаются совместно с задачами регулирования и управления. В рамках АСУ ТП, в состав которых входят также управляющие вычислительные


11

машины или управляющие вычислительные комплексы, создаются информационно-вычислительные системы.


        1.3. Технические средства измерительной техники


    Технические средства и методы измерений представляют основу измерительной техники, развитие которой началось с середины XVIII века и продолжается до сих пор. Одной из важнейших областей ее применения является автоматизация научно-технических экспериментов, проводимых на физических моделях. Для решения стоящих при этом задач потребовалась разработка специализированных измерительно-вычислительных комплексов, включающих ЭВМ.
    Классификация технических средств измерений разрабатывалась различными авторами [7, 8] с позиций использования различных критериев. Однако все ученые, в том числе автор работы [9], дают однозначное описание разделению специально предназначенных для измерений технических средств (средств измерительной техники) по признаку их назначения на меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, комплексные измерительные устройства (рис. 1).


Рисунок 1 - Классификация средств измерений

12