Sterowanie pracą pieca łukowego

Inżynierowie z firmy Sarralle stanęli przed zadaniem stworzenia nowego systemu sterowania piecem łukowym, który pozwoliłby na ograniczenie kosztów zużywanej energii elektrycznej oraz skrócenie czasu produkcji stali.

W tym celu skorzystali z urządzeń CompactRIO firmy National Instruments, które pozwalają na akwizycję dużych ilości danych i przetwarzanie ich z użyciem układów FPGA (Field Programmable Gate Array). Zarządzanie informacjami zostało powierzone oprogramowaniu National Instruments DIAdem, które pozwala na przeglądanie i wizualizację danych historycznych, ich analizę oraz przygotowywanie raportów.

PLATFORMA SYSTEMOWA

Aby spełnić wymogi aplikacji, inżynierowie z Sarralle musieli wybrać najszybsze dostępne na rynku urządzenia służące do akwizycji danych w czasie rzeczywistym, które dodatkowo musiały być też przystosowane do pracy w bardzo trudnych warunkach środowiskowych, panujących w hucie stali.

Wybór padł na platformę CompactRIO - głównie ze względu na zastosowane w niej bardzo wydajne i niezawodne układy FPGA. Uwzględniono też dostępność licznych kart wejść i wyjść. Oprogramowanie sterownika i układów FPGA wykonano w środowisku LabVIEW. Wizualizacja realizowana jest natomiast za pomocą oprogramowania DIAdem uruchomionego na komputerze przemysłowym.

Jest on podłączony do sterownika za pomocą interfejsu Ethernetu, a dysk twardy o pojemności 500 GB pozwala na przechowywanie informacji na temat ponad 50 tysięcy powtórzeń procesu hutniczego.

AKWIZYCJA DANYCH

Gotowy system pozwala na rejestrację 100 wartości w czasie 20 ms, dzięki czemu możliwe jest precyzyjne wykreślenie przebiegu prądu elektrycznego zasilającego piec. Biorąc pod uwagę dostępne na rynku urządzenia, tak dużą szybkość próbkowania można było uzyskać tylko za pomocą układów FPGA wbudowanych w CompactRIO.

Uzyskane wyniki w postaci przebiegów czasowych pozwalają na analizę wszelkiego rodzaju zaburzeń, takich jak szumy, rezonanse i ewentualne harmoniczne. W tym celu sterownik wykonuje szereg obliczeń, na podstawie których dokonuje korekty pracy elektrod, zapisując wyniki do plików.

Do podstawowych należy wyliczanie różnych rodzajów mocy, współczynników z nimi związanych, rezystancji łuku, współczynnika stabilności i innych (obliczanych jest w sumie kilkanaście różnych parametrów procesu).

WIZUALIZACJA I KONTROLA PROCESU

Stworzony system został wzbogacony o interfejs HMI, który umożliwia także wizualizację przebiegu procesu hutniczego. Zaimplementowano niskopoziomową komunikację pomiędzy sterownikiem CompactRIO a komputerem osobistym, gdzie uruchomiony jest graficzny interfejs użytkownika pozwalający na sterowanie pracą pieca i jej monitorowanie. Opracowany system komunikacji umożliwia również udostępnianie danych oprogramowaniu SCADA.

DYNAMICZNY PID

Zastosowanie dynamicznego algorytmu proporcjonalno-całkująco-różniczkującego pozwala na kontrolę parametrów pracy serwonapędu elektrod. Położenie elektrod jest stale monitorowane, a sterownik w czasie rzeczywistym dokonuje korekty ich ruchu. Dynamicznie modyfikowana jest wartość wzmocnienia K algorytmu PID oraz dostosowywane są parametry sterujące pracą elementów hydraulicznych.

WSPÓŁPRACA Z RÓŻNORODNYMI NAPĘDAMI

Opracowany system sterowania umożliwia kontrolę pracy nie tylko dużych maszyn używanych przez firmę Sarralle, ale też wielu innych urządzeń, w których zastosowane są komponenty o mniejszej wytrzymałości.

Przykładowo sterownik pozwala użytkownikowi na dopasowanie parametrów sygnału wyjściowego do wymagań serwozaworów podatnych na wibracje i wpadających w rezonans przy zbyt szybkich ruchach. Redukuje on też wibracje ramienia z elektrodą i znacząco zmniejsza możliwość jej uszkodzenia.

ZALETY NOWEGO SYSTEMU

Nowoopracowany system pozwala szybciej i precyzyjniej zbierać dane dotyczące pracy pieca. Umożliwia on również sterowanie pracą zaworów, optymalizując tym samym pracę elektrod.

Należy przy tym zaznaczyć, że dzięki wykorzystaniu komponentów i urządzeń powszechnie dostępnych na rynku użytkownik nie musi martwić się kwestiami posiadania części zamiennych, co byłoby konieczne, gdyby sterownik oparty był o w pełni autorski projekt i specjalizowany układ.

Nowy system umożliwia także gromadzenie bardzo dużej liczby danych historycznych. Zmniejsza on też zapotrzebowanie na energię elektryczną w trakcie pracy pieca, ogranicza zużywanie się elektrod, a także przyczynia się do zwiększenia wydajności procesów w hucie.

Ion Arizti
Sarralle
National Instruments Poland Sp. z o.o.
www.poland.ni.com