Электродуговая печь с ручным управлением — когда квалифицированный оператор регулирует отводы трансформатора и положение электродов на ощупь — может достичь достойных результатов. Электродуговая печь, работающая на хорошо настроенной системе автоматизации 2-го уровня, может сократить время работы на 8-12%, расход электродов на 10-15% и потребление электроэнергии на 20-40 кВт·ч на тонну. Разница существенная. Для предприятия мощностью 500 000 тонн в год, платящего 0,08 доллара за кВт·ч, экономия в 30 кВт·ч/тонну составляет 1,2 миллиона долларов в год.
Компания MONTE INTELLIGENCE интегрирует системы управления технологическими процессами в наши комплекты оборудования для электродуговых печей. В данной статье рассматривается архитектура управления, алгоритмы, лежащие в её основе, и практические проблемы внедрения.
Автоматизация первого уровня обеспечивает управление в реальном времени — регулирование электродов, управление гидравлической системой, регулирование потока водяного охлаждения. Эти функции выполняются на программируемых логических контроллерах (ПЛК) с циклами 10-50 миллисекунд. Система регулирования электродов является наиболее важной функцией первого уровня: она должна поддерживать стабильную длину дуги, несмотря на возмущения, вызванные перемещением лома, пенообразованием шлака и колебаниями напряжения в электросети.
Стандартным подходом является регулирование положения электрода на основе импеданса. Регулятор измеряет напряжение и ток дуги, вычисляет импеданс (Z = V/I) и регулирует положение электрода для поддержания заданного значения импеданса. Заданное значение изменяется в зависимости от температуры: более высокий импеданс во время плавки лома для защиты корпуса печи от излучения дуги, более низкий импеданс во время плавки в ванне для максимизации потребляемой мощности.
Современные регуляторы используют адаптивное управление коэффициентами усиления — пропорциональный и интегральный коэффициенты усиления ПИД-регулятора автоматически регулируются в зависимости от условий эксплуатации. При нестабильности дуги (обрушения лома, изменения пенистого шлака) коэффициенты усиления увеличиваются для обеспечения более быстрой реакции. При стабилизации дуги коэффициенты усиления уменьшаются, чтобы избежать ненужного перемещения электрода, которое увеличивает его расход и износ гидравлической системы.
Автоматизация второго уровня обеспечивает оптимизацию уровня плавки, которая находится выше системы управления первого уровня в режиме реального времени. Система второго уровня получает спецификацию марки стали от системы управления производственными процессами (MES) завода, рассчитывает оптимальные заданные значения для каждой фазы плавки и загружает эти значения в систему первого уровня. После плавки система второго уровня анализирует показатели по сравнению с целевыми значениями и корректирует заданные значения для следующей плавки на основе полученных результатов.
В системе уровня 2 тепловой профиль делит цикл электродуговой печи на отдельные фазы: загрузка корзины 1, плавка 1, загрузка корзины 2, плавка 2, рафинирование и выпуск. Для каждой фазы заданы целевые значения напряжения дуги, тока дуги, расхода кислорода, скорости подачи углерода и режима работы горелки. Система уровня 2 корректирует эти значения в зависимости от фактического состава лома, желаемой температуры выпуска и целевого содержания углерода.
Применение нейронных сетей в системах управления электродуговыми печами перешло из разряда научных работ в производственные системы. Наиболее распространенное применение — прогнозирование конечной точки: оценка температуры ванны и содержания углерода в конце плавки на основе данных процесса в реальном времени, без ожидания результатов химического анализа. Нейронная сеть, обученная на исторических данных о плавках, может прогнозировать конечную температуру с точностью до ±15°C и содержание углерода с точностью до ±0,02% для 85-90% плавок.
Входными данными для сети прогнозирования конечной точки являются суммарная электрическая энергия, суммарный объем кислорода, суммарное количество введенного углерода, температура и состав отходящих газов (CO, CO2, H2), повышение температуры охлаждающей воды и прошедшее время. Сеть изучает взаимосвязи между этими переменными и условиями конечной точки на основе тысяч исторических данных о перегонах. После обучения она предоставляет оценку в реальном времени, которая позволяет оператору вносить корректирующие действия — регулировать поток кислорода, добавлять углерод, продлевать или сокращать перегон — до того, как отбор проб подтвердит фактическую конечную точку.
Система прогнозируемого управления энергопотреблением становится важной функцией, когда электродуговая печь работает в условиях ограниченной мощности энергосети. Электродуговая печь представляет собой крупную, сильно переменчивую электрическую нагрузку. Плата за потребление электроэнергии со стороны энергокомпании может увеличить стоимость электроэнергии на 5-15 долларов за МВт·ч. Система прогнозируемого управления энергопотреблением использует профиль температуры для прогнозирования потребности в электроэнергии на 5-15 минут вперед и управляет нагрузкой таким образом, чтобы она оставалась в пределах установленных лимитов потребления. Если прогноз превышает лимит, система может временно уменьшить отвод трансформатора, скорректировать положение электродов для уменьшения тока или отложить начало следующего цикла нагрева.
Инфраструктура данных часто становится узким местом при внедрении передовых систем управления технологическими процессами. Системе необходимы данные от ПЛК (уровень 1), системы управления энергопотреблением, анализатора отходящих газов, системы измерения температуры и лабораторной информационной системы. Данные должны быть синхронизированы по времени с точностью до одной секунды. Многие предприятия в процессе модернизации систем автоматизации обнаруживают, что их существующая инфраструктура данных не может обеспечить эти требования, и модернизация сети и баз данных становится значительной частью стоимости проекта.
Компания MONTE INTELLIGENCE сотрудничает с ведущими поставщиками систем автоматизации для разработки интегрированных систем управления электродуговыми печами. В сферу наших услуг входят разработка спецификаций систем управления, проектирование интеграции, ввод в эксплуатацию и обучение операторов.
Для обсуждения вопросов управления технологическим процессом, касающихся именно вашей конфигурации печи, свяжитесь с нами по адресу helenxu@cnlymonte.com.
