Том XXI «АВТОМАТИКА И ТЕЛЕМЕХАНИКА»

                           19 6 0

№ 6

 

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ БЕССЕМЕРОВСКОГО ПРОЦЕССА

В. М. ГЛУШКОВ, Л. Н. ДАШЕВСКИЙ, Л. И. НИКИТИН

(Киев )

1. Введение

Автоматический контроль и управление бессемеровским процессом да­ет возможность получать сталь с заданным содержанием углерода при значительном уменьшении числа и длительности додувок.

Осуществление автоматизации контроля и управления стало возмож­ным после большой экспериментальной работы, проведенной Днепро-дзержинским вечерним металлургическим институтом и заводом им. Дзержинского по анализу существующих неавтоматических методов контроля бессемеровской плавки и разработке новых методов, поддаю­щихся автоматизации на основе применения быстродействующих электрон­ных цифровых машин.

Сложность разработки метода контроля, пригодного для автомати­зации, обусловлена следующими факторами.

Быстрота протекания процесса практически устраняет возможность проведения по ходу плавки химического анализа металла, который предо­ставил бы самые достоверные и точные данные для установления времени повалки конвертера при заданном содержании углерода. Вместе с тем, та же быстрота протекания процесса ставит весьма узкие пределы для отклонений в определении времени повалки конвертера.

Фотоэлектрические датчики, не оборудованные специальными охлаждающими устройствами, ввиду высокой температуры пламени рас­полагаются на значительном расстоянии от конвертера, что является причиной возникновения ряда помех, искажающих показания датчиков. К этому присоединяется сильная неравномерность светимости факела в различных точках и в одной и той же точке во времени, что также снижает ценность информации, получаемой от фотоэлектрических дат­чиков.

Перечисленные факторы затрудняют получение исходных эксперимен­тальных данных для определения времени повалки конвертера. Трудности принципиального характера являются следствием того, что на быстро­ту протекания процесса, а следовательно, и на время повалки конвертера оказывает влияние довольно много физических и химических фак­торов, как, например, начальное содержание углерода и кремния в чугу­не, номер плавки на данном днище, скорость продувания воздуха, темпе­ратурный режим плавки и другие факторы. Учесть влияние перечислен­ных   факторов   трудно   по   следующим   двум   причинам.

Физические и химические процессы, обуславливающие зависи­мость времени продувки от указанных факторов, изучены далеко не пол­ностью, и зависимость эта имеется только в виде экспериментальных (правда весьма многочисленных) таблиц и графиков, содержащих доволь­но значительные ошибки.

 

 

 

 

878

В. М. Глушков, Л. Н. Дашевский, А. И. Никитин

2. Учет указанных факторов должен производиться во время или не­посредственно перед началом самой плавки, так как только к этому вре­мени поступают необходимые исходные данные, например сведения о рас­ходе воздуха, номере плавки и т. д.

Итак, все указанные трудности можно обобщить следующим образом: для точного определения времени конца продувки требуется очень быстро обработать и учесть большое количество данных, каждое из которых в отдельности может быть получено лишь со значительной случайной ошибкой.

2. Постановка задачи. Источники информации

Задача ставится так: требуется разработать систему, позволяющую остановить продувку рельсовой стали при содержании в ней углерода в пределах 0,48—0,58%.

Принимая во внимание скорость выгорания углерода, равную 0,007— 0,008% в секунду, получаем, что момент повалки конвертера должен быть предсказан с точностью ± 5 сек.

 

 

 

Рис. 1

В результате теоретического и практического исследования много­численных способов контроля бессемеровского процесса и определения момента повалки конвертера τ_ii предложенных как у нас, так и за грани­цей, были приняты следующие методы, максимально удовлетворяющие своей относительно большой надежностью и практической осуществи­мостью.

1. Определение τ_п по расходу продуваемого через конвертер воздуха. Этот метод основан на том, что количество «выгоревшего» из чугуна углерода не­посредственно зависит от количества воздуха, продутого через конвер­тер. Таким образом, предсказание τ_п можно произвести по начальному содержанию углерода в чугуне и интегральному расходу воздуха через конвертер. Надежность метода снижается из-за того, что не весь кисло­род, содержащийся в воздухе, успевает вступить в реакцию с углеродом чугуна, а часть его теряется с отходящими газами.

2. Определение τ_п по W-диаграмме. Опытные исследования показали, что если установить датчики, регистрирующие светимость пламени кон­вертера, в двух различных неперекрывающихся спектральных областях (например инфракрасной и зеленой), то разностный ток этих датчиков дает от плавки к плавке характерную кривую, напоминающую своей формой перевернутое латинское W (рис. 1). При этом окончание плавки

 

 

 

880

В. М. Глушков, Л. Н. Дашееский, А. И. Никитин

При этом надежность метода понимается двояко. Во-первых, как об­щая надежность, обратно пропорциональная среднеквадратичному от-клонениию значений т_п, определяемых по этому методу, от истинного зна­чения т_п. Во-вторых, как частная надежность, зависящая от соотношения •сигнал—помеха, изменяющегося от плавки к плавке.Дело в том, что, как показали предварительные исследования при помощи самописцев, «качест­во» кривых (соотношение сигнал — помеха), получаемых по сигналам одного и того же датчика, изменяется по разным причинам, причем на­личие повышенных помех видно уже в начале плавки и может быть учтено путем соответствующего изменения весового коэффициента щ.

Ясно, что чрезмерное увеличение числа методов определения т_п, не давая значительного уменьшения среднеквадратичной ошибки, сущест-иенно  увеличивает  сложность аппаратуры и поэтому  нецелесообразно.

4. Этапы работы

При учете всего вышеизложенного работа по автоматизации бессеме­ровского процесса была разделена на два этапа.

Первым этапом явилась разработка информационного устройства, установка его па заводе им. Дзержинского и эксплуатация в условиях цеха с автоматической привязкой к датчикам и с автоматическим пуском и остановом.

Вторым этапом явилась разработка управляющей цифровой машины. В результате эксплуатации   информационной   установки   предпола. гается получить следующие результаты.

1. Окончательное определение основных параметров управляющей машины (объема памяти, быстродействия, типа устройства ввода).

2. Определение коэффициентов для статистических зависимостей, вво­димых в дальнейшем в пассивное запоминающее устройство управляю­щей машины.

3. Определение весовых коэффициентов щ, характеризующих надеж­ность отдельных методов определения т_п.

4. Окончательное определение методики сглаживания сигналов дат­чиков для выделения полезной информации.

5. Проверка надежности автоматической работы электронной цифро­вой машины в условиях цеха и уточнение конструктивных особенностей такой машины (теплозащиты, экранировки и т. д.).

5.  Регистрирующая цифровая установка

В соответствии с указанным планом работы в Вычислительном центре АН УССР была разработана регистрирующая цифровая установка (РЦУ). Рассмотрим схему ее работы.

Во время продувки конвертера РЦУ принимает и регистрирует сигна­лы четырех фотоэлектрических датчиков и расходомера воздуха.

Регистрация сигналов фотоэлектрических датчиков производится по­следовательно, причем на регистрацию сигнала одного датчика затра­чивается 0,1 сек. Таким образом, прием сигнала от каждого фотоэлектри­ческого датчика производится один раз за 0,4 сек. Сигналы каждого фото­электрического датчика преобразуются в форму цифрового кода и сум­мируются в памяти РЦУ. В РЦУ предусмотрена первичная обработка данных, получаемых в результате  преобразования  сигналов датчиков.

Если рассматривать сигнал датчика как реализацию нестационар­ного случайного процесса, являющегося результатом суперпозиции детер­минированного процесса Т*⁷ (т) и случайного стационарного процесса Ф (т), то обработка, проводимая в РЦУ, соответствует сглаживанию такого про­цесса по методу скользящей средней. Она заключается в том, что печатает­ся не каждое значение,   полученное в результате преобразования сиг­

Использование электронных  вычислительных  машин

 

 

 

881

 

налов датчика, а среднее арифметическое из значений на некотором ин­тервале (интервале усреднения).

Этот метод наиболее пригоден в данном случае вследствие того, что не­сущие кривые F (τ) принимают от плавки к плавке самые различные фор­мы и аппроксимация их при помощи каких-либо аналитических выражений затруднительна. Не исключена возможность, что в результате обработки данных, полученных при эксплуатации РЦУ, будут рекомендованы другие методы сглаживания случайных нестационарных процессов.

В результате предварительных исследований было найдено, что при существующих амплитудах и корреляционной функции Ф (τ) оптималь­ная величина интервала усреднения лежит в пределах 4—12 сек. (опти­мум понимается в смысле получения наименьшей среднеквадратичной ошибки при определении максимума F (τ)). В соответствии с этим в РЦУ предусмотрена возможность изменять интервал усреднения в этих пре­делах. Окончательное определение оптимальной величины интервала усреднения является одной из основных задач, которые должны быть решены в результате эксплуатации РЦУ.

Сигналы расходомера воздуха принимаются РЦУ по мере из поступ­ления, и в памяти машины образуется код, соответствующий численному значению количества воздуха, продутого через конвертер к данному мо­менту с начала плавки.

Печатание этих значений производится одновременно с печатанием усредненных значений параметров, полученных от фотоэлектрических датчиков.

Работа РЦУ строго тактирована. При установленной перед началом продувки величине интервала усреднения τ¯ каждая печать (не считая значения общего расхода воздуха) соответствует усредненному значению некоторого параметра, отнесенному к середине этого интервала.

Таким образом, для определения времени τ, к которому относится не­которое напечатанное значение параметра, можно пользоваться форму­лой

 

 

 

где п — номер печати с начала плавки.

Абсолютная погрешность в определении т не превышает при этом ±0,2 сек. при продолжительности плавки не более 20 мин.

В перерывах между продувками (за несколько секунд до загрузки конвертера) РЦУ регистрирует сигналы отдельного фотоэлектрического датчика*, усредняет полученные цифровые значения параметра в течение одного интервала усреднения и печатает это усредненное значение. Интервал усреднения, выбранный для работы РЦУ во время продувки, может отличаться от интервала, выбранного для работы РЦУ в переры­вах между продувками.

Величина входных сигналов от фотоэлектрических датчиков преобра­зуется в РЦУ в двоичные коды с относительной погрешностью ± 0,5% от максимального значения величины преобразуемых сигналов. Это со­ответствует получению кодов с семью верными и одним сомнительным двоичными разрядами.

Печатание полученных в РЦУ усредненных значений параметров производится в десятичной системе с двумя верными десятичными раз­рядами и пятеркой или нулем в младшем разряде, что соответствует той же относительной погрешности ±0,5%.

В РЦУ предусмотрена возможность введения масштабов сигналов с целью получения на выходе численных значений в общепринятых еди­ницах яркости или температуры.

 

 

 

 

_______________________

* Например датчика регистрирующего температуру футеровки.

 

 

 

 

 

8X2

В. М. Глушков, Л. Н. Дашевский, А. И. Никитин

Показания по количеству продутого воздуха печатаются в виде четы­рехзначных чисел, причем максимальная цифра в старшем разряде мо­жет быть тройка. Это соответствует относительной погрешности, не пре­вышающей ± 0,1 % от верхнего предела шкалы, причем датчик расхода может быть устроен так, чтобы результаты получались в нормальных куб. м.

Условия эксплуатации РЦУ.  РЦУ рассчитана на питание от

сети трехфазного переменного тока напряжением 380/220 е. Предусматривается предвари­тельная стабилизация напря­жения сети при помощи феррорезонансных стабилизаторов.

Мощность, потребляемая РЦУ от сети, не превышает 1,5 кет. РЦУ рассчитана на рабо­ту с принудительной внутренней вентиляцией. Вентиляционная струя, подаваемая в РЦУ, должна иметь такие параметры: расход — 900 куб. м/час, температура — 10—15° С, давление — 60 мм вод. ст. При наличии внутренней вентиляции, удовлетворяющей указанным условиям, РЦУ может надежно работать в помещении с обычным температурным ре­жимом.

Противопылевая герметизация РЦУ не предусматривается.

По окончании комплексной наладки РЦУ совместно с датчиками пре­дусмотрена нормальная ее работа с включением ж выключением от уст­ройств, связанных с механизмом конвертера, без дежурства обслужива­ющего РЦУ персонала в течение одной смены. Между сменами необходим профилактический осмотр и проверка РЦУ инженером.

Конструкция, основные элементы РЦУ. Конструктивно РЦУ пред­ставляет собой металлический шкаф размером 1,8x1,4x0,5 м, вмещаю­щий электронную часть РЦУ и агрегаты питания. Шкаф соединен кабе­лем с металлической тумбой размером 0,1x0,5x0,5 м для цифропечатающего устройства.

Пульт управления расположен на лицевой панели шкафа.

В качестве основных стандартных элементов в РЦУ применены триг­геры, усилители и катодные повторители, разработанные в Вычислитель­ном центре АН СССР на основе аналогичных элементов, примененных в быстродействующей электронной вычислительной машине «Киев». Эти элементы обеспечивают высокую надежность работы РЦУ. Конструк­тивно стандартные элементы оформлены в виде металлических блочков размером 150x90x35 мм, присоединяемых к машине при помощи штеп­сельных разъемов.

Стандартизация и быстрая сменяемость блочков обеспечивает легкую эксплуатацию и ремонт РЦУ.

Для коммутации каналов датчиков и для управления цифропечатающнм устройством применены электромагнитные реле типа РГ1, РСМ и РС.

Блок-схема РЦУ приведена на рис. 2. Сигналы пяти фотоэлектричес­ких датчиков Д₁ — Д₅ поступают на релейное коммутирующее устрой­ство РКУ, подключающее их поочередно к выходу непрерывно-дискрет­ного преобразователя ВДП. Коды, образующиеся в непрерывно-дискрет­ном преобразователе, передаются в счетное устройство Сч, где формируют­ся средние арифметические из численных значений величин сигналов, принятых в течение интервала усреднения.

Счетное  устройство   представляет   собой, таким образом, триггерную

 

 

 

 

Использование электронных вычислительных машин

883

память РЦУ, хранящую информацию по всем датчикам и выдающую ее в конце интервала усреднения на цифропечатающее устройство   ЦПУ.

Преобразование непрерывных сигналов датчиков в НДП производит­ся на восьми тактовых импульсах, выдаваемых блоком центрального управления ЦУ. Тактовые импульсы являются основными временными отметками, тактирующими прямо или косвенно всю работу установки, включая определение продолжительности интервала усреднения, продол­жительности периода печати и т. д.

Сигнал конца преобразования выдается непрерывно-дискретным преобразователем в устройство управления УУ, которое после каждого преобразования вызывает переключение реле РКУ. В устройстве управ­ления ведется счет зарегистрированных точек и выдается сигнал о кон­це интервала усреднения.

Сигналы расходомера воздуха Д₆ через устройство управления датчиком воздуха УДВ подаются непосредственно в счетное устройство. Сигналы, приходящие от Д₆, в период печати запоминаются в УДВ и по окончании печати подаются дополнительно в счетное устройство.

Описанная блок-схема РЦУ, а также применение в РЦУ наряду с триггерными и релейных переключающих устройств вполне соответ­ствует специфическому назначению РЦУ: регистрации слабых сигналов при сравнительно небольшом быстродействии.

Установка РЦУ на заводе им. Дзержинского произведена в марте 1960 г.

В настоящее время проводится математическая обработка данных, получаемых на РЦУ, совместно с данными, получаемыми на основании химического анализа проб чугуна и стали, и составляется программа для. управляющей машины.

15*