Aktuální vydání

celé číslo

07

2021

Automatizace řízení dopravy a infrastruktury, nabíjecí stanice, autonomní vozidla

celé číslo

Regulace pohybu elektrod v obloukových pecích

Pro výrobce oceli měl být vyvinut systém regulace elektrod pro elektrickou obloukovou pec za použití velmi odolného komerčního hardwaru. Nový systém měl snížit spotřebu elektrické energie a zkrátit dobu výroby oceli. Pro tento systém byl zvolen hardware a software společnosti National Instruments (NI): řídicí jednotky NI CompactRIO s velkou vzorkovací frekvencí a s širokým výběrem I/O karet pro programovatelné hradlové pole FPGA a software NI DIAdem pro řízení dat s funkcemi správy historických dat, off-line analýzy dat a návrhu hlášení.
 
Obloukové pece na výrobu oceli (obr. 1) používané v současné době mají velkou spotřebu energie – náklady na ni činí 12 až 18 % celkově vynaložených nákladů. Po surovinách představují druhou největší položku. Jednou z priorit v ocelářském průmyslu je snížit tyto dvě nákladové položky řízením výrobního procesu. Ve španělské společnosti na výrobu oceli Saralle byl záměr nabídnout ocelářům lepší řídicí nástroje než ty, které jsou nyní na trhu. Byl tedy vyvinut systém regulace pohybu elektrod založený na získávání hodnot proudu a napětí při velmi vysoké frekvenci. Systém umožňuje řídit pohyb elektrod přesněji než dosud používané zařízení. Tímto systémem lze v ocelárně optimalizovat vstup napájení podle současných
podmínek.
 
Nový systém zkracuje dobu zapnutí napájení, snižuje spotřebu elektrod, energie, eliminuje praskání elektrod a zároveň zlepšuje produktivitu.
 

Hardware

 
Pro vývoj tohoto systému byl na trhu hledán co nejrychlejší hardware pro sběr dat (DAQ), který by také splňoval požadavky na stabilitu v nepříznivém prostředí ocelářského provozu. Bylo rozhodnuto použít plaformu CompactRIO s průmyslovými I/O kartami a její mimořádně robustní technologii FPGA. Dále byl použit software NI LabView jako programovací prostředí pro řídicí jednotku pracující v reálném čase a pro hradlové pole FPGA. Pro vizualizaci je systém pro sběr dat připojen prostřednictvím Ethernetu k průmyslovému PC s pamětí 500 GB, dovolující uložit údaje o více než 50 000 odlitků do databáze spravované softwarem DIAdem.
 

Sběr dat

 
Jakmile je systém nastaven, může pro každou periodu síťového napájecího napětí (20 ms) změřit 100 hodnot proudu a napětí, což umožní sestrojit kompletní křivku vlny generované v peci. Tuto frekvenci vzorkování umožňuje programovatelné hradlové pole FPGA. Tak lze zkoumat všechny složky vlny a její pokřivení (zkreslení) vlivem šumu, rezonance nebo harmonických. Řídicí jednotka reálného času vykoná několik analýz a zajistí komunikaci, zapsání souborů a nastavení.
 

Vizualizace a řízení procesu

 
V souladu se zkušeností vývojářů operátorských rozhraní byl do vizualizace začleněn řídicí systém Sarcon (SAR Product CONtrol), který dokáže provádět různé výpočty (obr. 2). Proto byla též zavedena nízkoúrovňová komunikace mezi jednotkou CompactRIO a stanicí PC vybavenou grafickým uživatelským rozhraním, umožňujícím uživateli řídit a monitorovat proces (obr. 3). Díky komunikaci lze také sdílet data mezi nadřazenou řídicí jednotkou a architekturou sběru dat (SCADA).
 

Dynamické regulace PID

 
Pomocí dynamické proporcionálně-integrační regulace (PID) je možné uskutečňovat tyto operace:
  • analyzovat hodnotu akční veličiny servoventilu, což je hodnota, kterou regulátor vytváří podle žádané hodnoty; dynamické PID regulátory řídí akční veličinu tak, aby se zamezilo jejím oscilacím, což zmenší vibrace elektrod, a tím se zlepší stabilita oblouku,
  • upravit hodnoty zesílení K v závislosti na regulační odchylce s ohledem na žádanou veličinu,
  • změnit pracovní bod na pracovní křivce hydrauliky.

Frekvence signálu vysílaného do adaptabilní hydrauliky

 
Systém není navržen jen pro robustní zařízení, které je projektováno a stavěno ve společnosti Sarralle, ale je také použitelný v zařízeních, která nejsou tak stabilní a při rychlých pohybech jsou vystavena vibracím a rezonanci. Pomocí řídicího systému Sarcon může uživatel rovněž nastavit interval vysílání elektrického signálu servoventilu, a tím zamezit vzniku rezonance. Uživatel je také schopen nastavit dobu vyslání signálů do servoventilu. Systém je vhodný pro jakýkoliv typ servoventilu a dobu odezvy a může minimalizovat vibrace ramena, a tím omezit pravděpodobnost, že elektroda praskne.
 

Přínosy a výhody nového systému

 
Navržený systém s velkou rychlostí sběru dat umožňuje získávat lepší informace pro regulaci systému. Systém také dovoluje zasílat příkazy pro hydrauliku tak, aby byl optimalizován napájecí vstup pro existující mechanické a hydraulické ústrojí.
 
Systém je založen na komerčním hardwaru s ověřenou odolností. Jelikož tedy není použita žádná speciální elektronika pocházející z jiných systémů, která by od uživatele vyžadovala udržovat velkou zásobu elektronických součástí, může být pro zákazníka údržba takového systému snazší. Kromě toho je systém vybaven databází s velkou kapacitou pro ukládání naměřených hodnot.
Ion Arizti, Saralle, Španělsko
 
Obr. 1. Elektrická oblouková pec ve španělské ocelárně Saralle
Obr. 2. Operátorská stanice řídicího systému Sarcon
Obr. 3. Vizualizace pohybu elektrod v elektrické obloukové peci