Nejlepší automatizační projekt v hutnictví

-- 27.06.10 20:19

V rámci konference Automatizace v těžkém průmyslu 2010 se konala soutěž o Nejlepší automatizační projekt v hutnictví. Komise nezávislých odborníků hodnotila dva projekty, přičemž výsledek byl vyhlášen v průběhu konference. Hlasování bylo velmi těsné a členové hodnoticí komise poměrem hlasů 3:2 vyslovili pro vítězství projektu firmy atx-technická kancelář, s. r. o. (podrobnosti o obou projektech přinášíme na následujících stranách).

Členové hodnoticí komise

Ing. Milan Vrožina, CSc., FMMI – Katedra automatizace a počítačové techniky v metalurgii, VŠB-TU Ostrava
Doc. Ing. Branislav Lacko, CSc., Fakulta strojního inženýrství, Ústav automatizace a informatiky, VUT Brno
Prof. Ing. Bohumil Šulc, CSc., Fakulta strojní, Ústav přístrojové a řídicí techniky, ČVUT v Praze
Ing. Miroslav Kárný, DrSc., vedoucí oddělení Adaptivních systémů Ústavu teorie informace a automatizace, Akademie věd ČR
Ing. Jan Roháč, CSc., ředitel divize, VÚHŽ a. s.

Název projektu: Řízení plynové pece ve firmě Žďas, a. s.
Realizátor projektu: atx-technická kancelář, s. r. o.
Zákazník: Žďas, a. s.
Kdy byl projekt zahájen: srpen 2009
Kdy byl projekt ukončen: leden 2010 (konečné předání pece zákazníkovi po všech optimalizacích prováděných za provozu pece)
Použitá technologie: plynová žíhací pec s chlazením a recirkulací spalin

Účel projektu:

V rámci rekonstrukce pecí ve společnosti Žďas, a. s., Žďár nad Sázavou navrhla a dodala firma atx - technická kancelář pro komplexní automatizaci, s. r. o., kompletně nový řídicí systém plynových pecí. Pod vedením firmy Teplotechna průmyslové pece, s. r. o., Olomouc, zajišťující dodávku po technologické stránce, došlo ke změně typu spalování zemního plynu ze systému vysokorychlostních hořáků s centrálním rekuperátorem na regenerační systém s keramickým regenerátorem od firmy ÚVP Brno, s. r. o. Při automatické regulaci hořáků i spalovacího vzduchu dochází k úsporám plynu až ve výši 30 % (18–30 % v závislosti na typu pece a druhu vsázky). Nový řídicí systém zvýšil bezpečnost celého provozu, komfort práce operátorů a při současné ceně zemního plynu se s návratností celé investice počítá do dvou let.

Přínos pro zákazníka:

Komunikace

Původní řešení pomocí převodníků, sériové komunikace a kancelářských počítačů bylo nahrazeno kompletním průmyslovým řešením za pomoci produktů Bernecker & Rainer. PLC systém B&R X20 byl umístěn do rozvaděče pece, do velínu operátorů byl pak instalován klimatizovaný rozvaděč s kapacitou čtyř průmyslových B&R PC 620 určených pro vizualizaci. Napájení PC je zálohováno pomocí UPS. Komunikace s řídicím systémem je zajišťována po Ethernetu, stejně i zasílání dat do nadřazeného systému společnosti Žďas. Tím došlo ke zrychlení a ke zkvalitnění komunikace mezi PLC a vizualizačními PC. Využití Ethernetu také umožňuje servisním technikům zásah pomocí vzdálené správy, což přináší zrychlení a zefektivnění poskytovaných služeb.

Řídiící PLC

Řízení celé pece obstarává CP1484 řady X20 od společnosti B&R. PLC získává parametry pro všechny akční členy. Jedná se především o frekvenční měniče, servo klapky a měřiící termočlánky. Ohřev se provádí dle teplotní křivky ohřevu, která se rovněž posílá z vizualizace do PLC. Obsluha zadává křivku ve tvaru čas, teplota, prodleva. PLC veškeré parametry a křivku zálohuje do své paměti. V případě výpadku napájení nemusí obsluha tato data znovu zadávat. Bezpečnostní funkce jsou zajišťovány specializovanými prvky spolu s reléovou logikou, ale zároveň jsou i hlídány řídiícím systém. Po vyhodnocení bezpečnostních podmínek začne PLC zapalovat hořáky v definovaných cyklech v závislosti na typu topného systému pece.

Teplota v peci se měří pomocí termočlánkové karty AT6402, kdy na její vstupy přivádíme kompenzačním vedením signály od termočlánků typu „S“. Dle rozdílu mezi žádanou teplotou danou teplotní křivkou a aktuální teplotou v dané zóně pece je poté vyvolán akční zásah PID regulátoru. K regulaci je použit softwarový PID regulátor firmy B&R, jenž je obsažen v knihovně LoopCont vývojového prostředí Automation Studio. Díky plynulé regulaci hořáků spolu s regulací spalovacího vzduchu, dochází k úsporám plynu. Celková spotřeba plynu a spotřeba jednoho výpalu je brána z plynoměru v podobě krátkých impulz sů, které vyhodnocuje digitální vstupní karta DI2377.

Vizualizace

Vizualizace plynových pecí je realizována pomocí nástroje Control Web. Původní vizualizace v prostředí Control Web 2000 byla přepsána do nejnovější verze Control Webu – verze 6. Pomocí jednoho PC se ovládá několik pecí spojených do technologického celku. Obsluha vidí na přehledové obrazovce aktuální stav všech pecí – teplotu, alarmní hlášení, fáze výpalu, … V detailním přehledu získává informace o stavu a hodnotách akčních členů, jako jsou termočlánky, klapky a další. Operátoři mají k dispozici funkce pro nastavování parametrů výpalu, přehled varovných a alarmních hodnot. Křivka nastavená ve vizualizaci se pro daný výpal přenese do PLC, na obrazovce výpalu je přesně vidět, ve které fázi se daná vsázka nachází, jak dlouho a při jaké teplotě se bude ještě ohřívat.

Data výpalu se automaticky zálohují na firemní servery a jsou předávána do nadřazeného systému. Po dokončení výpalu vytiskne obsluha z vizualizace skutečnou teplotní křivku jako doklad o způsobu zpracování materiálu. Důležitým faktorem ovlivňujícím úspory jsou parametry pece, které je možné ve vizualizaci také nastavovat. Toto je umožněno pouze uživatelům přihlášeným s příslušným oprávněním. Uživatelská oprávnění přesně omezují činnosti operátorů přesně na jim stanovené funkce.

Regenerační ohřev

Podstata regeneračního ohřevu spočívá v tepelných zásobnících naplněných tepelně odolnou keramickou náplní, kde se akumuluje unikající teplo spalin a využívá se pro předehřev spalovacího vzduchu. Hořáky jsou párové a vždy hoří pouze jedna polovina hořáků. Reverz je přepínač, který slouží k přepínání směru proudění spalovacího vzduchu a spalin do regenerátoru a z něj. U této pece byly použity tzv. mMultiflame" hořáky. Hořáky s regenerátory jsou v protilehlých dvojicích umístěny na bocích pece. Plamen vystupuje z hořáku prakticky v celé šíři regenerátoru. Pec obsahuje z hlediska řízení dvě identické zóny, každá zóna má dva hořáky. V první fázi hoří jeden hořák z dvojice, spalovací vzduch prochází regenerátorem a předehřívá se v něm. Větší část spalin je odsávána přes regenerátor a ohřívá jeho obsah. V další fázi Reverz přepíná směr proudění spalin a spalovacího vzduchu a hoří druhý hořák z dvojice.

Technické parametry pece

• Vnitřní rozměry pece:
– Hloubka: 7 200 mm
– Šířka: 3 600 mm
– Výška: 2 500 mm
– Výška úložné roviny pecního vozu: 1 430 mm
– Objem pracovního prostoru pece: cca 65 m3

• Technologické údaje:
– Maximální provozní teplota v peci: 1 250 ºC
– Rozsah provozních teplot v peci: 130–1 250 ºC
– Maximální rozptyl teplot v pecním prostoru na konci výdrže: ± 15 ºC

• Energetické údaje:
– Palivo: naftový zemní plyn naftový
– Výhřevnost: 34 500 kJ/m3n
– Instalovaný max. celkový max. příkon plynu celkový: 330 Nm3/h
– Přípojka plynu: DN 80
– Tlak plynu na přípojce: 100 kPa
– Elektrická přípojka: 380/220 V, 50 Hz
– Instalovaný příkon el. energie: 30 kW
– Typ hořáků: regenerační, typ REGENS – MULTIFLAME
– Počet hořáků: 2 páry
– Tlak plynu před hořáky: 100 kPa
– Výkon hořáků: 2× 1 600 kW
– Maximální průtok plynu: 330 m3N/h
– Přídavné hořáky: 2 ks hořáku REKUMAT CX 200 BSJ
– Měrná spotřeba tepla (1 250 ºC, nahřátá pec): 2,2–2,4 MJ/kg

Název projektu: Automatizace válcovací tratě „Velký Mannesmann“
Realizátor projektu: AUTEL, a. s.
Zákazník: VÁLCOVNA TRUB TŽ, a. s.
Kdy byl projekt zahájen: duben 2008
Kdy byl projekt ukončen: srpen 2008

Účel projektu V období mezi dubnem 2008 a srpnem 2008 proběhla realizační fáze generální opravy s modernizací válcovací tratě „Velký Mannesmann“ pro bezešvé trubky ve Válcovně trub TŽ, a. s., v Ostravě. Společnost AUTEL, a. s., vyprojektovala, dodala, naprogramovala a zprovoznila elektrotechnickou část vlastní tratě. Válcovací trať produkuje bezešvé trubky o průměru 168,3–406,4 mm. Na výstavbě válcovací tratě se podílela celá řada technologických firem. Technologické celky, jako karuselová a kroková pec, kalibrovací stroj, rotomat, značkovač, upichovačky, pila a ultrazvuková linka, byly dodány formou balené jednotky. Z pohledu automatizace to znamená, že byly vybaveny vlastním řídicím systémem a vizualizací.

S ohledem na rozsah požadavků nařízení válcovací tratě a na integraci automatizačních prostředků balených jednotek byly navrženy tři PLC automaty Siemens Simatic S7 – 400 pro základní řízení tratě. Řídicí automaty u dodaných balených jednotek byly také od firmy Siemens, a to buď Simatic S7 – 400 nebo S7 – 300. Celkově se na řízení tratě podílí 12 PLC automatů, které jsou spojeny optickou komunikační sběrnicí Industrial Ethernet. Tři PLC automaty tratě zpracovávají více než 3 200 V/V signálů z technologie. Zhruba 30 % signálů je připojeno přímo na V/V karty ve vanách procesorů, zbývající signály jsou připojeny na jednotky vzdálených V/V periferií ET 200M přes komunikační sběrnice Profibus. V/V signály propojují polní instrumentaci a zařízení technologického silnoproudu s řídicím systémem.

Zatímco snímače a silnoproudá zařízení využívají vazbu přes V/V signály, pohony s měniči firmy Schneider Electric jsou napojeny přímo na komunikační sběrnici Profibus DP. Automaty tratě tak řídí celkem 10 rozsáhlých komunikačních sběrnic Profibus DP realizovaných na optice nebo metalice. Jádrem sítě vizualizačních prostředků je dvojice serverů se softwarem Wonderware Application Server v redundantní konfiguraci, které zpracovávají celkem více než 9 000 I/O tagů, a jeden Wonderware Historian Server s 350 tagy. Data a aplikace redundantního serveru jsou přenášena na jednotlivé operátorské stanice pro obsluhu tratě. Operativní a historická data jsou také přenášena do nadřazeného systému MES pro rozvrhování a řízení výroby. Komunikační síť Ethernet k vizualizačním stanicím je provedena na optice. K síti je pak připojeno 9 operátorských stanic InTouch for System Platform tratě, operátorské stanice balených jednotek, inženýrská stanice a stanice nadřazeného MES systému „DELFÍN“.

Přínos pro zákazníka:

Z hlediska samotných automatizačních prostředků je značným přínosem distribuce řízení do více procesorů a výsledkem je pak větší transparentnost a nezávislost řízení technologických uzlů. Dále je to distribuce V/V jednotek co nejblíže ke zdroji nebo příjemci signálů, což přináší úsporu kabeláže. Úzké propojení měničů pohonů komunikační sběrnicí a rozdělení řešení úloh mezi měničem a PLC automatem přináší těsné začlenění měniče do automatizace tratě při udržení vysoké rychlosti odezvy. Kvalita regulací a tím i přesné dodržení technologických postupů během výroby se projevuje na zachování vysoké kvality a dosažení úspor v oblasti energie. Je potřeba zmínit také výhody objektového programování vizualizace a tím zrychlení inženýrské práce.

Redundance na úrovní I/O komunikačních serverů a AOL pak zvyšuje spolehlivost vizualizace na operátorských pracovištích při současné úspoře nákladů. Celkově přispívá automatizace tratě ke zvýšení konkurenceschopnosti finálního produktu, tj. bezešvých trub, a to jak snížením počtu obslužných pracovníků díky centralizaci operátorských míst, tak sledovatelností jednotlivých úkonů při průchodu tratí. Díky přenosu dat přímo od snímačů ve výrobě má nadřazený MES systém přesné informace a výrobu je pak možné dobře plánovat a optimalizovat.