Magnitogorsk State Technical University

JSC «Magnitogorsk Iron and Steel Works»

Ключевые слова: автоматизированный электропривод, широкополосный стан горячей прокатки, автоматизированная система управления технологическим процессом, управление скоростными режимами, регулирование натяжения, улучшение энергетических характеристик, силовой трансформатор, техническое состояние, диагностирование.

The results of the joint research fulfilled by the scientists of Magnitogorsk state technical university and specialists of the JSC Magnitogorsk iron-and-steel works are represented. It is noted that cooperation of scientists of the greatest metallurgical enterprise and the institute of higher education leads to scientific knowledge exchange, introduction of new developments and improving of specialists training.

Key words: automatic electric drive, wide-strip hot mill, automatic control system of the technological process, speed modes control, tension control, power characteristics improvement, power transformer, technical state, diagnosis.

Приоритетными направлениями совместных научных исследований являются:

— совершенствование автоматизированных электроприводов и систем управления технологических агрегатов;

— повышение надежности энергетического и силового электротехнического оборудования;

— энергосбережение в электроприводах прокатного производства;

— разработка систем мониторинга и диагностирования технического состояния электромеханических систем технологических агрегатов.

В статье кратко представлены основные разработки, выполняемые в настоящее время (со ссылками на более подробные источники), изложены полученные результаты.

Модернизация тиристорных преобразователей и АСУТП широкополосного стана горячей прокатки [1]

В 2003-2005 гг. в ОАО «ММК» реализован проект реконструкции электроприводов (ЭП) чистовых клетей и внедрения системы комплексной автоматизации стана 2500 горячей прокатки. В ходе реконструкции выполнена полная замена преобразователей ЭП малой и средней мощностей, а в электроприводах большой мощности (главных ЭП клетей и ЭП нажимных устройств) модернизировалась только система управления с сохранением существующей силовой части тиристорных преобразователей. Система управления реализована на базе блоков управления Simoreg фирмы Siemens. Основными отличиями данного проекта явились необходимость переделки уже существующих преобразователей большой мощности и проведение реконструкции без остановки производства. Аналогов подобной реконструкции в мировой практике не было.

Проект выполнен совместно с фирмой VAI (Австрия), в качестве партнера привлечена фирма «Дата-Центр» (г. Екатеринбург). На первом этапе осуществлена модернизация собственно тиристорного преобразователя (ТП) с сохранением внешних связей.

Для организации управления ТП по двенадцатипульсной схеме выпрямления с двухзонным регулированием скорости применены три модуля управления Simoreg. Стыковка оборудования фирмы Siemens с аппаратными решениями запорожского завода по управлению тиристорными блоками потребовала разработки и выполнения нестандартных ячеек управления. Фирма «Дата-Центр» исполнила разработку, стендовую обкатку и изготовление дополнительных блоков и ячеек, согласующих интерфейс устройств Simoreg и силовой части ТП.

Следующим этапом стал ввод в работу трехуровневой системы автоматизации фирмы VAI. Локальные системы уровня 1 выполнены с применением программируемых контроллеров TCS, в которых реализованы основные функции управления режимами чистовой группы и системы регулирования технологических параметров.

В результате модернизации количество отказов по главным ЭП чистовой группы снизилось в три раза. При этом модернизированные преобразователи находились в «приработочном» жизненном периоде, когда большинство отказов связано с выявлением недостатков монтажа и наладки.

В настоящее время подобная реконструкция планируется на других листопрокатных агрегатах ОАО «ММК» и в первую очередь на стане 2000 горячей прокатки. В связи с этим разработана методика анализа надежности главных ЭП клетей с целью оценки целесообразности и эффективности реконструкции. В качестве математической основы методики использован логико-вероятностный метод, сущность которого заключается в построении структурной модели надежности элементов системы, аналитическом описании полученной модели в виде функции работоспособности и переходе от логического описания к вероятностной модели надежности всей системы [2].

Выполнен расчет надежности главных электроприводов стана 2500. Установлено, что в результате замены системы управления среднее время наработки на отказ увеличилось в два раза.

Принципы управления скоростными режимами в АСУТП широкополосного стана горячей прокатки [3]

В ходе комплексной модернизации электроприводов и создания современной АСУТП стана 2500 горячей прокатки предложены и реализованы новые принципы управления скоростными режимами ЭП чистовой группы.

Каскадная коррекция скорости клетей. При этом величина воздействия на скорость предыдущей клети рассчитывается по изменению зазора валков. В качестве опорной клети используется последняя катающая клеть, корректирующие воздействия на нее отсутствуют. Это вызвано требованиями к постоянству скорости полосы на выходе

Шеметова А.А, Карандаев А.С. И. Методика расчета надежности автоматизированных электроприводов прокатного стана. В настоящем номере.

из чистовой группы. Единственным фактором, влияющим на скоростной режим, является ускорение после заправки полосы. Однако его величина постоянна, поэтому может быть учтена и скомпенсирована в системе регулирования охлаждения.

Компенсация статических отклонений скорости клети. В электроприводах чистовой группы применены пропорциональные регуляторы скорости. В результате этого управление от математической модели становится неэффективным. С целью устранения этого недостатка разработан узел компенсации статической просадки в программе управления скоростными режимами, включающий разомкнутый и замкнутый контуры компенсации, а также блок логики управления режимами. В результате длительных экспериментов показано, что таким образом обеспечивается наиболее эффективное регулирование с наименьшим влиянием на устойчивость в динамических режимах.

Торможение чистовой группы при выпуске полосы. Если не предпринимаются меры по ограничению скорости последней катающей клети, то в результате ускорения при прокатке скорость выхода металла может возрасти до недопустимых пределов (для стана 2500 — до 12 — 12,5 м/с). Выпуск полосы на такой скорости сопровождается ударами «хвоста», в результате чего может произойти обрыв полосы. Для устранения обозначенной проблемы разработана технологическая схема автоматического торможения клетей. В остальных случаях по разности между фактической скоростью и заданной скоростью выпуска автоматически вычисляются момент начала торможения и темп торможения.

е. Наиболее сильно это влияние проявляется в последних межклетевых промежутках чистовой группы.

В результате совместных исследований специалистов МГТУ и ОАО «ММК» разработана электромеханическая система косвенного регулирования натяжения и петли с воздействием на положение гидравлического НУ и на скорость валков последующей клети межклетевого промежутка. Новая САРНиП содержит быстродействующий контур косвенного регулирования высоты петли с воздействием на положение гидронажимного устройства |-й клети, систему косвенного регулирования высоты петли с воздействием на скорость |-й клети и «традиционную» систему косвенного регулирования натяжения полосы в i-м промежутке. Система с воздействием на гидравлические НУ выполнена в виде двух замкнутых контуров: внешнего — контура регулирования удельного натяжения и внутреннего — контура регулирования положения гидронажимного устройства. Система регулирования высоты петли с воздействием на скорость клети выполнена двухконтурной с внутренним контуром регулирования скорости петледержателя и внешним контуром регулирования положения петледержателя.

В результате теоретических и экспериментальных исследований показателей регулирования для действующей и предложенной САРНиП подтверждено, что динамические отклонения удельного натяжения не выходят за требуемые пределы ±10 %, динамическая составляющая толщины полосы не превышает 3,2 %.

По результатам выполненных разработок и исследований приняты следующие решения по реконструкции САРНиП стана 2500 ОАО «ММК»:

Разработка систем мониторинга и визуализации параметров технического состояния силового электротехнического оборудования металлургического предприятия [5, 6]

Своевременное выявление и предупреждение возникновения неисправностей позволяют перейти от проведения традиционных плановопредупредительных ремонтов к практике ремонтов по техническому состоянию. Это требует оснащения сложных, энергоемких агрегатов (прокатных станов, промышленных печей, турбогенераторов и т.п.) современными средствами контроля и визуализации параметров технологического процесса и технического состояния оборудования. В настоящее время разработаны и находятся в эксплуатации системы диагностирования автоматизированных электроприводов нескольких широкополосных станов горячей и холодной прокатки. В их числе система мониторинга технического состояния электроприводов шестиклетьевого стана 630 холодной прокатки, стационарная система регистрации и мониторинга параметров главных электроприводов широкополосного стана 2500 горячей прокатки.

В процессе разработки последней системы решены следующие задачи:

— обоснованы и сформулированы требования к системе регистрации в соответствии с техническими характеристиками контролируемых объектов, определяющие эффективную скорость информационного потока;

— разработана общая структура системы регистрации параметров главных электроприводов и систем управления счана на базе четырех промышленных компьютеров, укомплектованных адаптерами ввода аналоговых и дискретных сигналов;

— определены оптимальный аппаратный состав и операционные характеристики промышленных компьютеров в составе системы;

— разработана децентрализованная сетевая топология, реализованная в машинном зале стана 2500;

— разработано специализированное программное обеспечение, основными модулями которого являются программа «Клиент реального времени», обеспечивающая непрерывную визуализацию на мониторах осциллограмм работы электрооборудования в реальном времени, программа «Клиент архивный», позволяющая просматривать ранее записанную информацию в виде непрерывной виртуальной ленты с глубиной хранения до двух месяцев (либо информацию за заданный интервал времени с возможностью выбора количества отображаемых сигналов).

Наряду со стационарной системой разработан переносной вариант компьютерного регистратора сигналов (ПКР), аппаратная часть которого включает в себя компактный системный блок промышленного компьютера, оснащенного многоканальными адаптерами ввода аналоговых и дискретных сигналов, а также блок нормализации и гальванического разделения регистрируемых сигналов.

В настоящее время ведутся работы по применению разработанных регистраторов для диагностирования технического состояния мощного энергетического оборудования. Кроме того, портативные регистраторы успешно эксплуатируются при ремонтах и пуско-наладочных работах.

Применение информационных технологий в области технического обслуживания обеспечивает повышение экономической эффективности производства за счет сокращения количества аварий и продолжительности простоев, а также снижения затрат на планово-предупредительные ремонты.

Энергосберегающие автоматизированные электроприводы агрегатов прокатного производства [7, 8]

Энергетические показатели таких электроприводов далеки от оптимальных. Большая часть потерь электрической энергии связана с потреблением реактивной мощности, вызванным фазовым регулированием напряжения.

Главные электроприводы клетей, как правило, выполняются с двухзонным регулированием скорости. К ним предъявляются жесткие требования в отношении быстродействия и надежности при отработке ударного приложения нагрузки, возникающего при захвате металла валками, а также в режиме разгона под нагрузкой при прокатке с ускорением. Данные требования выполняются, если динамический запас системы регулирования, и в первую очередь запас выпрямленной ЭДС ТП, будут обеспечены в названных динамических режимах.

Реализация способа позволяет уменьшить запас выпрямленной ЭДС при относительно плавном изменении нагрузки (для тиристорных ЭП прокатных станов — в режиме разгона под нагрузкой).

Разработка методики анализа нагрузочных режимов электропривода клети толстолистового стана [9]

Увеличение потребностей рынка трубной заготовки предопределяет необходимость строительства новых и модернизации действующих толстолистовых станов. В 2009 г. на промплощадке ОАО «ММК» планируется завершение строительства и ввод в эксплуатацию нового толстолистового стана 5000, не имеющего аналогов в России и в Европе. Технологическая линия стана оснащена электроприводами переменного тока. Главный ЭП реверсивной клети оборудован синхронным двигателем мощностью 2х 12000 кВт. Практическое применение электроприводов переменного пока подобной мощности в условиях ОАО «ММК» является новой технической задачей, поэтому требует анализа их нагрузочных режимов при заданных параметрах прокатки. Это непосредственно связано с ограничениями, накладываемыми на технологический процесс, вопросами надежности силового электрического и технологического оборудования.

Основными характеристиками, необходимыми для анализа работы ЭП реверсивной клети, являются нагрузочные диаграммы. Это связано с тем, что работа всех электроприводов агрегата жестко взаимосвязана, изменение каких-либо параметров режима отдельного механизма (например, темпов разгона/торможения валков или обжатий по проходам) влечет за собой изменение режимов работы всех механизмов технологической линии. Кроме того, расчет нагрузочных диаграмм необходим при формировании новых и совершенствовании существующих программ прокатки.

Очевидно, что для каждой нагрузочной диаграммы необходима проверка приводного двигателя клети по нагреву. Соответственно возникла необходимость разработки методики, применимой для электроприводов как постоянного, так и переменного токов. Авторами разработана методика проверки по нагреву, связывающая эквивалентный ток двигателя непосредственно с технологическими параметрами, которая включает:

— набор требуемых исходных данных;

— последовательность (алгоритм) расчета тахограмм электроприводов технологической линии;

— математические соотношения для расчета основных параметров цикла прокатки: длительности цикла и каждого прохода, обжатия и вытяжки по проходам;

— математические соотношения для определения установившихся значений скоростей электроприводов для каждого прохода.

Расчет эквивалентного тока значительно упрощается и позволяет при коррекции технологических параметров сразу же получать значение эквивалентного тока двигателя без промежуточных расчетов нагрузочной диаграммы. Разработанная методика реализована в виде соответствующего программного обеспечения и используется при анализе и согласовании технологических программ стана 5000.

Переход от системы планово-предупреди- тельных ремонтов к ремонтам по действительному техническому состоянию оборудования предопределяет внедрение и развитие современных методов диагностирования состояния электрооборудования. Одним из наиболее развивающихся методов диагностирования силовых трансформаторов, является метод локации и измерения уровня частичных разрядов (ЧР).

Проблема образования и развития ЧР в изоляции маслонаполненного оборудования высокого и сверхвысокого напряжений представляет большой практический интерес для персонала, эксплуатирующего оборудование. В связи с этим в настоящее время на силовых трансформаторах 110 кВ центральной электростанции (ЦЭС) ОАО «ММК» проводятся исследования, основными техническими задачами которых являются:

— оценка технического состояния маслонаполненного оборудования на основе мониторинга ЧР;

— промышленное внедрение измерительного диагностического комплекса анализа ЧР и локации зоны дефектов в изоляции маслонаполнённых трансформаторов 110 кВ;

— экспериментальные исследования разработанных методов диагностирования и программного обеспечения на действующем оборудовании ЦЭС.

Проведено исследование причин и условий возникновения неисправностей в силовых трансформаторах энергосистемы ОАО «ММК» за период с 2002 по 2007 год. Определено, что силовые трансформаторы 110 кВ ЦЭС относятся к группе, имеющей самую высокую частоту появления повреждений. Анализ их распределения по основным узлам трансформаторов показал, что наибольшую повреждаемость имеют: высоковольтные вводы — 22 %, обмотки — 16 %, устройства РПН-13,5%.

Исследования ЧР в изоляции силовых трансформаторов ЦЭС осуществлялись с помощью прибора типа «AR700», изготавливаемого ПВФ «ВИБРО-ЦЕНТР» (г. Пермь). Прибор применяется для регистрации и анализа акустических сигналов, а так же для локации зоны дефектов в изоляции высоковольтного оборудования с возможностью сохранения результатов измерений в долгосрочную энергонезависимую память с последующим их просмотром и сохранением в базе данных персонального компьютера.

Эксперименты, выполненные на шести однотипных трансформаторах, подтвердили прямую взаимосвязь частоты возникновения ЧР и длительности эксплуатации трансформатора после капитального ремонта. Накопление информации и обработка сигналов позволяют определить количественные характеристики ЧР. Техни- ко-экономический эффект от проведенных работ заключается в предотвращении аварий силовых трансформаторов за счет повышения эффективности обнаружения неисправностей на ранней стадии их развития.

Как видно из представленного перечня работ, благодаря совместному сотрудничеству специалисты передового металлургического предприятия и одного из ведущих «металлургических» вузов, работающие в электротехнических направлениях, в последние годы добились значительных успехов.

С.

Like this post? Please share to your friends: