STEROWANIE Z WIZUALIZACJĄ PROCESAMI ZACHODZĄCYMI W INSTALACJI ŻELIWIAKOWEJ

63/2 Archives of Foundry, Year 2001, Volume 1, 1 (2/2) Archiwum Odlewnictwa, Rok 2001, Rocznik 1, Nr 1 (2/2) PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 STEROWANIE Z WIZUALIZACJĄ PROCESAMI ZACHODZĄCYMI W INSTALACJI ŻELIWIAKOWEJ A. JOPKIEWICZ 1 Politechnika Łódzka, Wydział Mechaniczny I.7 90-924 Łódź, ul. Stefanowskiego 1 STRESZCZENIE Stosowanie mikroprocesorów w układach sterowania procesami przemysłowymi jest aktualnie standardem. W artykule przedstawiono zakres tych zastosowań dla sterowania procesami zachodzącymi w instalacji żeliwiakowej. Przedstawiono schemat blokowy sterowania oraz charakterystyki statyczne procesu żeliwiakowego jako podstawę realizacji sterowania. Opisano mikroprocesorowy układ sterowania z wizualizacją dla żeliwiaka z dotlenianym dmuchem. Key words: foundry, casting, control, monitoring, cupola 1. WPROWADZENIE Sterowanie procesami zachodzącymi w instalacji żeliwiakowej jest zadaniem złożonym i tylko w nielicznych odlewniach jest realizowane przez rozproszone układy automatyki. Rozpowszechnienie techniki mikroprocesorowej umożliwiło zastosowanie sterowania z wizualizacją kompleksowo dla wszystkich procesów zachodzących w tej instalacji w powiązaniu z systemem zarządzania odlewnią. W artykule przedstawiono zalety oraz stan tych zastosowań ze szczególnym uwzględnieniem sterowania dla żeliwiaka z dotlenianym dmuchem. 1 dr hab. inż. prof PŁ, ajopkiewicz@ck-sg.p.lodz.pl

2. INSTALACJA ŻELIWIAKOWA JAKO OBJEKT STEROWANIA AUTOMATYCZNEGO Żeliwiak jako obiekt sterowania należy rozpatrywać z uwzględnieniem jego powiązań z całością topialni żeliwa, która jest podsystemem w systemie sterowania odlewnią rys. 1. Rys. 1. Schemat oddziału topienia jako podsystemu w odlewni Fig.1. The scheme of melting department as a subsystem in foundry W takim podejściu można bowiem określić właściwe funkcje celu tego obiektu: jest nią odpowiednia do zapotrzebowania ilość żeliwa o określonym składzie i temperaturze. Przy tak określonej funkcji celu można wyodrębnić główne bloki funkcjonalne i przedstawić w powiązaniu z zadaniami odlewni, w postaci schematu blokowego na rys. 2. W każdym elemencie tego schematu występują urządzenia mechaniczne, metalurgiczne bądź cieplne, które najpierw należy racjonalnie zaprojektować lub zmodernizować. Dopiero wtedy można ustalić algorytmy sterowania będące podstawą zastosowania automatyki. [1] [2] Analizując możliwość automatyzacji procesu żeliwiakowego w przedstawionym na rys. 2 otoczeniu można przyjąć pewne uproszczenia. Przyjmijmy zatem, że skład chemiczny jest stabilizowany poprzez blok sporządzania wsadów wyposażony we własny układ automatyki [3]. Są co prawda patenty na rozwiązania umożliwiające zmiany zawartości C poprzez automatyczne sterowanie poziomem ciekłego żeliwa w kotlinie, ale jak do tej pory nie wdrożono ich do praktyki. Szczegółowe analizy współpracy topialni ze współczesnymi oddziałami formowania wykazały, że racjonalną automatyzację procesu żeliwiakowego można uzyskać tylko w układzie żeliwiak zbiornik. Zbiornik bowiem, poza rozdzielaniem strumienia na porcje do kadzi pozwala na wyrównanie temperatury i składu chemicznego oraz odgrywa rolę rezerwuaru pomiędzy żeliwiakiem a odcinkiem

zalewania. Układ z dwoma zbiornikami pozwala ponadto na precyzyjne korekty składu oraz produkcję przemiennie różnych gatunków żeliwa. Dmuchawy V p t s V s Odpylanie Sporządzanie wsadów Dotlenianie z ciekłego tlenu K W +T W W w % O 2 Żeliwiak W ż T ż t w G ż Granulator żużla Pompy wodne Zasilanie elektryczne E Zbiornik Mieszalnik Podgrzewacz W ż T żk i f W f Formowanie Zalewanie Wybijanie T zal Rys. 2. Powiązanie funkcjonalne procesu żeliwiakowego z procesami towarzyszącymi w instalacji żeliwiakowej (oznaczenia wg Tabeli 1) Fig. 2. Functional connection of cupola process with assosiated processess of cupola installation (marks in Table 1) Tabela 1. Oznaczenia podstawowych wielkości dla procesów zachodzących w instalacji żeliwiakowej Table 1. Symbols of basic values for taking a place in the cupola installation. V p % O 2 W w K w T w E t s V s t w G ż T ż W ż T żk W żk i f W f T zal ilość powietrza dmuchu dotlenienie dmuchu (w % ponad 21%) ilość wsadu metalowego ładowanego do żeliwiaka zużycie koksu wsadowego zużycie topnika zużycie energii elektrycznej do podgrzewania w zbiorniku temperatura spalin ilość spalin temperatura wody obiegowej ilość żużla w stosunku do ilości wsadu metalowego temperatura żeliwa na rynnie żeliwiaka wydajność żeliwiaka temperatura żeliwa na rynnie podgrzewacza wydajność żeliwiaka mierzona ilością kadzi przekazanych do zalewania ilość form do zalewania zapotrzebowanie na ciekły metal do zapełnienia i f zalecana temperatura zalewania

Wyposażenie zbiorników w podgrzewacze indukcyjne pozwala również precyzyjnie regulować temperaturę. Przy takich założeniach, zależność pomiędzy temperaturą i wydajnością na rynnie żeliwiaka a wymaganiami odlewni zachodzą następujące relacje zgodnie z oznaczeniami na rys. 2: G T ż =T zal T żk + T ż transp. ; W ż =W f gdzie: G pojemność zbiornika, Δ - przedział czasu odchylenia od przeciętnego zapotrzebowania na ciekłe żeliwo. Uwzględnienie zbiornika w koncepcji automatyzacji pozwala na zmniejszenie wymagań dla układu sterowania samym procesem żeliwiakowym. Wystarcza wtedy ustalić wartości zadane T ż i W ż, jako średnie zapotrzebowanie odlewni stałe w dłuższym okresie czasu. To ujęcie odpowiada charakterowi procesu żeliwiakowego jako procesu wolnozmiennego. Wystarczy przypomnieć, że zmiana rozchodu koksu powoduje zmiany T ż i W ż po około 1 godzinie. Inaczej jest z czynnikami charakteryzującymi dmuch jak ilość i temperatura powietrza, ilość tlenu w powietrzu, substancjami wdmuchiwanymi jak pyły węgla lub koksu lub zmianami charakteru ruchu (pulsacje, zróżnicowanie szybkości strug) czy też rozdziału dmuchu na różne poziomy. W tych przypadkach opóźnienie oddziaływania wynosi rzędu 5 min. Dlatego też w nowoczesnych żeliwiakach realizację sterowania temperaturą żeliwa dokonuje się poprzez zmianę czynników związanych z dmuchem, przede wszystkim poprzez zmianę ilości wdmuchiwanego tlenu.[4] [5] Schemat blokowy dla procesu sterowania żeliwiakiem z dotlenianym dmuchem przedstawiono na rys. 3. Rys. 3. Schemat blokowy procesu żeliwiakowego z dotlenianym dmuchem Fig. 3. Block scheme of oxygen blast cupola.

Wyodrębniono w nim podstawowe wielkości wejściowe: ilość dmuchu V p, ilość tlenu O 2, rozchód koksu K, oraz wyjściowe: temperatura żeliwa T ż oraz wydajność W ż. Zaznaczono też wielkości charakteryzujące proces, niezmienne oraz zakłócenia. Istnienie tych zakłóceń jak np. zmiana rodzaju koksu, czy kawałkowatość wsadu wymusza zastosowanie zmian wielkości wejściowych przez układ sterowania. Przestrzeń tych oddziaływań można zilustrować charakterystyką statyczną. Charakterystyki siatkowe procesu dla schematu blokowego z rys. 3 przedstawia rys. 4. Skrajne warianty prowadzenia żeliwiaka z dmuchem dotlenianym ilustrują punkty oznaczone S,1,2. Odpowiadające im wartości liczbowe zestawiono w tabeli 2 [6.02]. Rys. 4. Porównanie charakterystyk statycznych procesu żeliwiakowego dla pracy z dotlenianiem i bez Fig. 4. The Comparison of static characteristics of cupola process with oxygen blast and without Tabela 2. Warianty prowadzenia żeliwiaka z dotlenianym dmuchem. Table 2. Variants of adjustment of blast oxygen cupola. Punkty na wykresach S 1 2 Wielkość Zawartość tlenu, O 2 % Ilość dmuchu, V p m 3 /min m 2 Rozchód koksu, K % Temperatura żeliwa, T 0 ż, C Wydajność, W ż t/h m 2 21 110 14 1475 9 24 88 10,5 1475 9 24 110 14 1525 10

Właściwe ustawienie automatyki układu sterowania, czy też poprawne sterowanie ręczne, wymaga wyznaczenia takich charakterystyk dla danego żeliwiaka przy zastosowanej metodzie wdmuchiwania tlenu. Wystarcza przy tym wykonanie kilkunastu pomiarów dla usytuowania położenia charakterystyk, które jak wykazuje literatura w swym kształcie ogólnym są zbliżone. [2] Niestety projekty automatycznej realizacji bywają zamieniane w czasie eksploatacji na sterowanie ręczne, w związku z trudnościami realizacji pomiaru temperatury żeliwa - szczególnie przy zamierzeniu ciągłego pomiaru. Praktycznie dopiero komputerowe systemy automatyki pozwoliły te trudności rozwiązać. Można bowiem przy ich zastosowaniu łatwo realizować sterowanie wolnozmiennymi procesami na podstawie dyskretnych sygnałów pomiarowych. Wystarczy zatem wprowadzić do układu dane z okresowego pomiaru temperatury żeliwa w kadzi, a dla określenia wydajności zliczać masy załadowanych wsadów bądź ciekłego metalu pobranego do kadzi lejniczych w określonych momentach czasu (rys. 5). Tak wprowadzone do systemu dane, mikroprocesorowy system sterowania wg zadanych algorytmów, przekształca w niezbędne do automatycznego sterowania sygnały. 3. MIKROPROCESOROWE SYSTEMY STEROWANIA AUTOMATYCZNEGO PROCESEM ŻELIWIAKOWYM W systemach mikroprocesorowych miejsce tradycyjnych aparatów automatyki, pomiędzy czujnikami stanu obiektu a elementami wykonawczymi, zajmują mikroprocesorowe elementy sterowania. [1] Mikroprocesorowe systemy sterowania są systemami rozproszonymi, wielozadaniowymi i wielodostępnymi zawierającymi w sobie zadania: pomiarowe, przetwarzania, rejestracji i wizualizacji. Na system składają się moduły sprzętowe oraz specjalistyczne oprogramowanie. System ma najczęściej strukturę wielopoziomową. Podstawę stanowią programowalne mikroprocesorowe stacje obiektowe zbudowane z kaset zawierające w sobie pakiety z modułami: jednostki centralnej (mikroprocesora), pakietami wejść i wyjść analogowych, wejść i wyjść binarnych i innymi. Stacje są inteligentnymi kanałami przesyłowymi które: przyjmują z obiektu analogowe i binarne sygnały pomiarowe, realizują przetwarzanie sygnałów wejściowych wg zadanych algorytmów, wyprowadzają sygnały sterujące z systemu do urządzeń. Najczęściej stacją obiektową jest samodzielnie działający sterownik przemysłowy PLC. Sterowniki dzięki specyficznej budowie jednostek centralnych mogą realizować zarówno bardzo szybkie sterowanie sekwencyjne jak i logiczne dla procesów ciągłych. Poziom pośredni tworzą stacje operatorskie (Operator Panel), które pełnią rolę nadrzędną nad stacją obiektową, a w swej budowie oparte są o mikrokomputer, co najmniej PC 486 z racji pracy w środowisku Windows.

Głównymi zadaniami stacji operatorskich jest wizualizacja przebiegu procesu, obsługa zdarzeń, sterowanie nadrzędne, archiwizacja danych, generowanie raportów i wykresów, udostępnienie danych na sieć lokalną. Stacje mogą być wyposażone w specjalizowaną klawiaturę operatorską. Poziom nadrzędny tworzą stacje dyspozytorskie (Supervisory System) stosowane w bardzo rozbudowanych systemach służą one do obserwacji pracy podległych stacji operatorskich i stanowią ogniwo łączące sterowanie procesów przemysłowych z systemami planowania i sterowania produkcją. Przykład konfiguracji mikroprocesorowego systemu sterowania z wizualizacją w zastosowaniu do procesu żeliwiakowego z dotlenianym dmuchem i ograniczone ilością wejść i wyjść przedstawiono na rys. 5. Rys. 5. Przykład konfiguracji mikroprocesorowego systemu sterowania z wizualizacją dla procesu żeliwiakowego z dotlenianiem dmuchu: V natężenie przepływu, p ciśnienie, T ż temperatura żeliwa, I masa wsadu w określonym momencie ładowania Fig. 5. The example of microprocessor control system with monitoring for oxygen blast cupola. Wizualizacja przebiegu procesu technologicznego należy do podstawowych funkcji w mikrokomputerowych systemach sterowania. Informacje prezentowane są w postaci obrazów synoptycznych i obrazów punktów systemowych: Obraz synoptyczny jest podstawową postacią prezentującą aktualny stan procesu produkcyjnego. Na tle schematu przedstawiającego strukturę obiektu lub jego fragment wyświetlane mogą być aktualne wartości i stany punktów obrazu, odzwierciedlające

parametry procesu technologicznego oraz stan ruchowy urządzeń i mechanizmów poprzez animację. Obraz punktu systemowego zawiera wszystkie historyczne informacje jakie posiada system o danym punkcie mogą one być prezentowane w postaci cyfrowej, graficznej jako słupki lub wykresy w dowolnie wybranej skali czasowej. Oprogramowanie użytkowe umożliwia operatorowi zmianę wartości zadanych, sterowanie sygnałami wyjściowymi i zmianę rodzaju pracy obwodów. Akcje operatora odbywają się poprzez wciskanie klawiszy funkcyjnych odpowiednio zdefiniowanych w programie. W najnowszych generacjach systemów wprowadzono ekrany dotykowe (Touch Screen), wtedy część akcji dokonuje się poprzez dotykanie zdefiniowanych punktów na ekranie. Na obrazach wizualizacji prezentowane są również wyróżnione zdarzenia jak np.: alarmy technologiczne, ostrzeżenia technologiczne, awarie sprzętowe. Wszystkie zdarzenia mogą być archiwizowane i poddawane obróbce matematycznej w zależności od potrzeb, np.: statystycznie dla celów analiz niezawodnościowych bądź oceny jakości w szczególności w systemach zapewnienia jakości. Dla celów sterowania z wizualizacją powstała cała rodzina specjalizowanego oprogramowania. Programy te różnią się między sobą stopniem złożoności oraz ceną. Wybór odpowiedniego oprogramowania zależy od wielkości procesu i żądanego czasu reakcji systemu. Rosnące potrzeby w zakresie dokładności sterowania zwłaszcza dla procesów ciągłych i nieliniowych spowodowały zastosowanie teorii zbiorów rozmytych. Zastosowanie tzw. logiki rozmytej ( Fuzzy logic ) do budowy sterowników nieliniowych pozwoliło zbliżyć działanie układu do zachowań doświadczonego operatora człowieka; osiągana jest przez to łagodność stanów przejściowych, oszczędność energii itp. Już na targach GIFA '94 oferowano elementy Fuzzy logic m.in. w układzie sterowania żeliwiakiem. W Zakładzie Odlewnictwa Politechniki Łódzkiej w 1992 roku podjęto pracę nad budową systemu wizualizacji dla procesu żeliwiakowego. Za pomocą uniwersalnych programów PASCAL i AUTOCAD zaprojektowano obrazy dla przykładu instalacji w O. Ż. Kutno S.A. w dwu stopniach szczegółowości z kanałami dla pomiaru 16 wielkości ich archiwizowaniem oraz prezentacją na wykresach. Przykład wybranego obrazu dla tej instalacji przedstawiono na rys.6. System służy jak dotąd tylko studentom w celach szkoleniowo treningowych. Aktualnie dla tworzenia programów sterowania i wizualizacji oferowane są przez firmy bogato wyposażone w specjalistyczne programy jak np. zastosowany na Politechnice Łódzkiej WIZCON [6.04].

Rys. 6. Synoptyczny obraz fragmentu instalacji żeliwiakowej wg wstępnego projektu systemu wizualizacji wykonanego w Zakładzie Odlewnictwa Politechniki Łódzkiej Fig. 6. Synoptic picture of cupola installation auoroling to the preliminary project of monitoring systems designed in Foundry Department of the Technical University of Lodz. Rozwiązanie przemysłowe o różnym stopniu złożoności oferuje szereg firm na świecie; między innymi firma KÜTNER mogąca wykazać się wieloma udanymi wdrożeniami [6.01]. Według jej projektu w Odlewni Żeliwa CENTROZAP-Śrem zrealizowano mikroprocesorowe sterowanie z wizualizacją urządzeniami suchego wysokosprawnego odpylania spalin gazów żeliwiakowych. Prodlew o/kraków wdraża aktualnie mikroprocesorowe sterowanie w DAEWOO Lublin, którego celem jest uzyskanie zadanych parametrów optymalnego składu żeliwa. 4. PODSUMOWANIE. Mikrokomputerowe systemy automatyki z wizualizacją stały się faktem. Ich stosowanie do nowych maszyn i urządzeń jest koniecznością a modernizacja systemów starego typu ze wszech miar zalecana. Systemy te przynoszą bowiem wiele korzyści takich jak: zwiększenie niezawodności poprzez zmianę elementów elektromechanicznych i elektrycznych na układy elektroniczne, powoduje to również oszczędność w ilości osprzętu i okablowania, zmniejszenie energochłonności systemu, łatwe i szybkie zmiany systemu poprzez zmianę oprogramowania, możliwość obserwacji tego samego procesu w różnych miejscach zakładu,

możliwość tworzenia dokumentacji sterowanego procesu wykorzystywanej w systemach utrzymania ruchu, systemie zapewnienia jakości oraz zarządzaniu jako składnika zintegrowania procesu wytwarzania (CIM). Przy zastosowaniu systemów mikroprocesorowych możliwa staje się realizacja sterowania optymalizującego pracę żeliwiaka. Możliwe bowiem stało się, uwzględnienie dużej ilości parametrów, opisujących procesy zachodzące w instalacji żeliwiakowej oraz losową ich zmienność. Na Politechnice Łódzkiej prowadzone są prace dla zbudowania w tym zakresie modelu procesu żeliwiakowego, który mógłby zostać użyty jako moduł do takiego systemu sterowania. Należy zatem stwierdzić, że automatyczne sterowanie procesem żeliwiakowym stało się faktem również w Polsce i będzie stopniowo rozpowszechniane na inne odlewnie. LITERATURA [1] Jopkiewicz: Mikroprocesorowe systemy sterowania i wizualizacji procesów i maszyn odlewniczych. mat I Konferencji Tendencje rozwojowe w mechanizacji procesów odlewniczych. AGH Kraków. listopad 1994. [2] C. Podrzucki: Zagadnienie matematycznego modelu procesu żeliwiakowego. Przegląd Odlewnictwa 47 (1997) nr 10 s. 340 345. [3] E. Ziółkowski, C. Podrzucki: Komputerowa korekta składu chemicznego ciekłego żeliwa po wytopie w procesie żeliwiakowym. Materiały XX Konferencji Wydziału Odlewnictwa AGH. Kraków. [4] A. Jopkiewicz: Dotleniany dmuch jako wielkość sterująca dla procesu żeliwiakowego. III Kongres Odlewnictwa Polskiego. Warszawa 2000. [5] C. Podrzucki: Dotlenianie dmuchu żeliwiakowego. Przegląd Odlewnictwa 47 (1997) nr 5. [6] Katalogi firm: 01 KÜTNER, 02 AGA, 03 PRAXAIR, 04 SAJA. CONTROL AND MONITORING SYSTEMS OF CUPOLA PROCESSES SUMMARY Microprocessor application in control systems of the industrial processes is actually a standard. The range of these applications for cupola process control is presented in the paper. The block scheme of control and static cupola process characteristics are presented as a base of control realization. A microprocessor control system with monitoring for oxygen blast cupola is described. Recenzował Prof. Stanisław Jura