Zaawansowany system sterowania w hucie stali

Zintegrowany rozbudowany system i dedykowane oprogramowanie zaawansowanego sterowania obsługuje jedną sposród czterech pracujących w USA stalowni do walcowania blach na zimno połączonych z linią do wytrawiania. System automatyzacji zakładu obsługuje proces ciągły, wymagający precyzyjnego sterowania obrotami silników oraz integracji pomocniczego wyposażenia.
Pierwsza, od dłuższego czasu, budowana od podstaw, wielka stalownia w Północnej Ameryce pracuje w Columbus, w stanie Missisipi. Firma Severstal Columbus, jednostka grupy przemysłowej Russian Severstal Group, stworzyła obiekt do wytwarzania wysokojakościowej stali dla przemysłu samochodowego, obejmującego firmy BMW, Mercedes i Honda. Pierwszy etap budowy tego nowego zakładu został oddany do użytku w 2007 roku. W zakładzie zatrudnionych jest 450 osób do wytwarzania rocznie 1,5 miliona ton stalowych wyrobów walcowanych na zimno, walcowanych na gorąco i powlekanych. Etap drugi, obecnie w fazie budowy, pozwoli na podwojenie zdolności produkcyjnej zakładu.
Integrator systemu TMEIC GE, światowa spółka typu joint-venture firm Toshiba, Mitsubishi-Electric oraz General Electric, wyposażyła nowy zakład w napędy o stałych i regulowanych obrotach, silniki, systemy sterowania i automatyki oraz związany z tym osprzęt elektryczny. Realizowane projekty obejmowały linię do ciągłego cynkowania z wbudowaną w linię walcarką wygładzającą, niezależną wygładzarkę oraz unikalną, imponującą podobną walcownię zimną z linią do ciągłego wytrawiania.
W artykule zamieszczonym w czasopiśmie Memphis Business Journal z sierpnia 2007 roku cytowana jest wypowiedź Mike’a Wagnera, głównego przedstawiciela handlowego firmy Severstal, który twierdzi – Nasze zaangażowanie w inwestowanie jedynie w najlepszą dostępną technologię może być z łatwością dostrzeżone w naszej stalowni do walcowania na zimno. Pojęcie „najnowocześniejsza” jest często nadużywane, lecz w tym przypadku jest to określenie jak najbardziej właściwe.
W przypadku tego bardzo dużego projektu integracji systemu odpowiedzialność TMEIC GE obejmowała pisanie oprogramowania dedykowanego, przeprowadzanie testu systemu zakładowego oraz nadzorowanie jego instalacji i oddawania do użytku. TMEIC GE zapewnia również bieżące wsparcie dla klienta oraz jest odpowiedzialna za opisy i ilustracje tego systemu.
– Głównym wyzwaniem tego projektu była jego wielkość – powiedział Ron Tessendorf, kierownik projektu z TMEIC GE. – Był to ogromny projekt integracji, wymagający od nas współpracy z różnego rodzaju dostawcami oraz pisania wielu programów dedykowanych. Ponadto podjęliśmy decyzję o zastosowaniu kolejnej generacji sterowników PLC z nowym wyposażeniem. Klient wymagał gwarancji osiągów dotyczących jakości produktu i wydajności produkcji, i spełniliśmy wszystkie te wymagania – dodał.
Praca ciągła
Zgodnie z informacją uzyskaną od firmy stalownia do walcowania blach na zimno, zajmująca 61 300 metrów kwadratowych, jest jedną z czterech w USA, które zawierają linię do trawienia oraz jest jedyną, która może wytwarzać zwoje taśmy stalowej o szerokości do 1830 mm. Linię do trawienia stanowi szereg zbiorników z kwasem, używanych do czyszczenia metalowej taśmy przed wejściem do walcarki na zimno. Duże akumulatory (pojemniki) umieszczone pod zbiornikami pozwalają na magazynowanie długich odcinków taśmy, aby umożliwić ciągłą pracę walcarki na zimno, podczas gdy nowe zwoje podawane są na wejście.
Podobna walcownia na zimno z linią do wytrawiania (PLTCM – pickle line tandem cold mill) działa w procesie ciągłym, który wymaga precyzyjnego sterowania obrotami silników oraz utrzymywania kolejności działania wyposażenia pomocniczego. Taśma jest transportowana poprzez linię do wytrawiania z optymalną prędkością dostosowaną do procesu wytrawiania i przy precyzyjnym sterowaniu napięcia taśmy. Proces trawienia nigdy nie zatrzymuje się, nawet kiedy czoło nowego zwoju jest automatycznie spawane z końcem zwoju poddawanego trawieniu. W podobnej stalowni do walcowania blach na zimno następuje stopniowe precyzyjne zmniejszanie grubości taśmy na poszczególnych pięciu stanowiskach redukcyjnych napędzanych przez silniki elektryczne o mocy 5000 kW.

Całkowita długość linii PLTCM wynosi ponad 335 metrów, a jej wysokość to ponad 10 metrów. Prędkość podawania taśmy jest zdumiewająca – 1250 metrów na minutę. W procesie walcowania na zimno, aby wyprodukować płaską taśmę, wymagane jest dokładne sterowanie napięciem taśmy, prędkością i siłą nacisku walca. Celem zapewnienia dokładnie ukształtowanego (płaskiego) produktu walce robocze są uginane i przemieszczane poziomo, przez siłowniki elektrohydrauliczne sterowane za pośrednictwem sterowników PLC.
Podana tu lista elementów ilustruje rozmiar projektu sterowania linią PLTCM: 13 582 cyfrowych wejść i wyjść, 2893 analogowych wejść i wyjść, 129 silników elektrycznych prądu zmiennego o mocy od 1,5 kW do 5000 kW, 116 niskonapięciowych napędów prądu zmiennego o zmiennej prędkości, 7 napędów dużej mocy o średnim napięciu prądu zmiennego i zmiennej prędkości oraz 34 sterowniki PLC i interfejsy operatorskie.
Nowoczesne oprogramowanie do sterowania
System sterowania podobnej stalowni do walcowania blach na zimno stanowi dobry przykład nowoczesnego oprogramowania zastosowanego w tym projekcie. Hierarchiczny system automatyzacji firmy TMEIC GE, rozwinięty przez 50 lat doświadczeń walcowni stali, zapewnia sterowanie na bazie komputerowych modeli procesu opartych na parametrach fizycznych, nazwane poziomem 2, który daje wartości referencyjne (lub wartości nastawcze) do sterowania PLC Poziomu 1, oba poziomy są ściśle ze sobą zintegrowane. Prędkość obrotowa wszystkich silników jest skoordynowana przez sterowniki PLC, które są połączone poprzez sieć sterowania z komputerami Poziomu 2, jak to przedstawiono na ilustracji.
Układy sterowania Poziomu 1 odbierają sygnały wejścia/wyjścia z klatek walcowniczych i generują sygnały wyjściowe dotyczące prędkości obrotowej silników, sterowania prześwitem, ruchu walca, napięcia oraz wielu innych funkcji maszyny.Niektóre z głównych wykonywanych funkcji to:

  • Sterowanie rozmiarem. Automatyczne sterowanie rozmiarem (AGC – Automatic gage control)wykorzystuje obliczenie przepływu masy, pomiar grubości, posuw do przodu, posuw do tyłu, napięcie oraz kompensację poślizgu.
  • Bicie promieniowe. Sterowanie biciem promieniowym w sposób dynamiczny zmniejsza wpływ nieprawidłowości walca pomocniczego na grubość, wykorzystując analizę szeregu Fouriera.
  • Płaskość. Automatyczne sterowanie płaskością wykorzystuje nowoczesne filtrowanie danych, sterowanie parabolicznymi odchyleniami płaskości, sterowanie nachyleniem, sterowanie segmentowym rozpylaniem chłodziwa oraz utrzymywanie kształtu.
  • Koordynacja. Skoordynowane regulacje zwoju wykorzystują zmierzone i obliczone wartości dla utrzymania założonych celów.
  • Zmiana rozmiaru w ruchu. Szybkie, skoordynowane zmiany sterowania rozmiarem minimalizują pękanie taśmy i zakłócenia przepływu masy podczas szybkich zmian na produkty o innych grubościach.
  • Mikrośledzenie. Duża szybkość gromadzenia danych i śledzenie pozwala na szybsze i dokładniejsze wykonywanie czynności sterowania.

Czynności sterowania Poziomu 2
Modele procesu Poziomu 2 firmy TMEIC GE są ściśle zintegrowane z parametrami sterowników PLC Poziomu 1. Modele procesu są dynamicznymi modelami matematycznymi opracowanymi w oparciu o podstawy fizyczne procesu walcowania. Modele te generują nastawy sterowników PLC, aby zapewnić wytwarzanie produktu o najwyższej jakości. Oprogramowanie modelu działa na komputerze nadzorczym pokazanym na hierarchicznym schemacie automatyzacji.
Stosowany system zawiera takie modele procesu, jak:

  • modele siły, momentu oraz mocy pokazujące efekty działania napięcia oraz tarcia,
  • modele oporu odkształceń, uwzględniające skład chemiczny materiału oraz wpływ utwardzania podczas obróbki na wydłużenie,
  • modele tarcia, z kompensacją zmian współczynnika tarcia,
  • model naprężenia, pokazujący rozkład naprężenia w zwoju,
  • model zużycia walca, pokazujący wpływ zużycia i oddziaływania cieplnego na zmiany średnicy i profilu walca,
  • modele interakcji, opisujące zależności pomiędzy napięciem, poślizgiem do przodu, tarciem oraz prędkością,
  • wpływ tekstury walców na współczynnik tarcia,
  • funkcje przenoszenia zależne od produktu dla sterowania Poziomu 1,
  • przeginanie walca, przesuwanie walca oraz przeginanie walca pośredniego,
  • modele płaskości stykających się powierzchni.

W wyniku procesu wysokiej jakości walcowania na zimno otrzymuje się metalową taśmę o zmniejszonej grubości i dobrze wykończonej powierzchni. Wyposażona w opisany wyżej zautomatyzowany system, linia PLTCM może wytwarzać wysokiej jakości stal walcowaną na zimno przez 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu, z zatrzymywaniem się jedynie na wykonanie planowanych czynności obsługowych. Kierownik stalowni do walcowania blach na gorąco firmy Severstal Dan Lambert jest bardzo zadowolony z osiągów zakładu już od chwili jego rozruchu w sierpniu 2007 roku. – Nie było żadnych kwestii dotyczących niezawodności, czy też efektów pracy silników walcarki w Severstal… Projekt tych maszyn oraz pomocniczych systemów zapewnił niewielkie potrzeby dotyczące wykonywania czynności obsługowych oraz wydaje się, że również długą żywotność. Zainstaluj i zapomnij! Było to bardzo dobre podejście przyjęte przez TMEIC i zespół wykonujący instalacje, podczas fazy budowy, kiedy pojawiło się wiele innych spraw, na których załatwieniu musieliśmy skupić swoją uwagę.
CE