AUTOMATIZACE TECHNOLOGICKÝCH PROCESŮ

Transkript

1 Operační program Vzdělávání pro konkurenceschopnost PROJEKT Integrovaný systém modulární počítačové podpory výuky ekonomicko-technického zaměření CZ.1.07/2.2.00/ AUTOMATIZACE TECHNOLOGICKÝCH PROCESŮ Studijní opory prof. Ing. Milan Vrožina, CSc. doc. Ing. Jiří David, Ph.D. Ing. Romana Garzinová, Ph.D.

2 Recenze: F. Němec Název: AUTOMATIZACE TECHNOLOGICKÝCH PROCESŮ Autor: M. Vrožina - J. David - R. Garzinová Vydání: první, 2013 Počet stran: 174 Studijní materiály pro studijní obory B3922. Automatizace a počítačová technika v průmyslu, Fakulty metalurgie a materiálového inženýrství Jazyková korektura: nebyla provedena. Určeno pro projekt: Operační program Vzděláváním pro konkurenceschopnost Název: Integrovaný systém modulární počítačové podpory výuky ekonomicko-technického zaměření Číslo: CZ.1.07/2.2.00/ Realizace: VŠB Technická univerzita Ostrava Projekt je spolufinancován z prostředků ESF a státního rozpočtu ČR M. Vrožina - J. David - R. Garzinová VŠB Technická univerzita Ostrava 2

3 POKYNY KE STUDIU AUTOMATIZACE TECHNOLOGICKÝCH PROCESŮ Pro předmět AUTOMATIZACE TECHNOLOGICKÝCH PROCESŮ 6. semestru studijního oboru B3922. Automatizace a počítačová technika v průmyslu, FMMI jste obdrželi studijní balík obsahující integrované skriptum pro prezeční i kombinované studium integrované skriptum pro distanční studium obsahující i pokyny ke studiu CD-ROM s doplňkovými animacemi vybraných částí kapitol harmonogram průběhu semestru a rozvrh prezenční části rozdělení studentů do skupin k jednotlivým tutorům a kontakty na tutory kontakt na studijní oddělení Prerekvizity Pro studium tohoto předmětu se předpokládá absolvování předmětu Identifikace systémů, Teorie automatického řízení. Cíl předmětu a výstupy z učení Student bude umět analyzovat problematiku identifikace systémů, tvorby počítačových modelů, simulace a syntézy regulačních obvodů, optimální a adaptivní řízení v metalurgii, metod vytváření algoritmů řízení, operativního řízení výroby. Student bude umět definovat a vytvářet řešení úloh v aplikacích uvedených metod na automatizaci a modelování vybraných metalurgických procesů. Pro koho je předmět určen Předmět je zařazen do bakalářského studia oboru B3922. Automatizace a počítačová technika v průmyslu studijního programu 3902R040, ale může jej studovat i zájemce z kteréhokoliv jiného oboru, pokud splňuje požadované prerekvizity. Studijní opora se dělí na části, kapitoly, které odpovídají logickému dělení studované látky, ale nejsou stejně obsáhlé. Předpokládaná doba ke studiu kapitoly se může výrazně lišit, proto jsou velké kapitoly děleny dále na číslované podkapitoly a těm odpovídá níže popsaná struktura. Způsob komunikace s vyučujícím Na počátku studia dostávají studenti přesné informace o obsahu a formě předmětu. Jsou seznámení s podmínkami, které musí splnit pro zápočet a následně zkoušku z předmětu bankovnictví. Součástí zápočtu je projekt, kde je u každého studenta přesně stanovený konkrétní obsah a zadaný úkol. Studenti dostávají i kontakt na vyučujícího, to je a telefonní číslo. Je rovněž uveden garant předmětu a možné konzultační hodiny s vyučujícím. Studenti jsou rovněž na počátku studia seznámení s možnými dalšími studijními materiály a literaturou, kterou lze do předmětu použít pro rozšíření znalostí. V případě nutnosti je možno využít následujících kontaktních informací: j.david@vsb.cz, tel

4 Čas ke studiu STRUKTURA KAPITOL Na úvod kapitoly je uveden čas potřebný pro prostudování látky. Čas je orientační a může Vám sloužit jako hrubé vodítko pro rozvržení studia celého předmětu. Někomu se čas může zdát příliš dlouhý, někomu naopak. Jsou studenti, kteří se s touto problematikou ještě nikdy nesetkali a naopak takoví, kteří již v tomto oboru mají bohaté zkušenosti. Cíl Ihned poté jsou uvedeny cíle, kterých máte dosáhnout po prostudování této kapitoly konkrétní znalosti a dovednosti. Výklad Následuje vlastní výklad studované látky, zavedení nových pojmů, jejich vysvětlení, vše doprovázeno obrázky, tabulkami, řešenými příklady, odkazy na animace. Čas k zamyšlení V rámci studia kapitol se setkáte s otázkami a problémy, které je vhodné si pro správné osvojení látky promyslet. Správná řešení navazují na položené otázky, proto nepokračujte ve čtení, dokud si vše dobře nepromyslíte. Příklad z praxe, Řešený příklad K lepšímu pochopení probírané látky využijte praktické příklady aplikace vysvětlovaných teoretických znalostí. Animace, Video Ke zvýšení názornosti studované látky doprovázejí výklad animace, k dokreslení a rozšíření znalostí pak videa. Shrnutí pojmů Na závěr kapitoly jsou zopakovány hlavní pojmy, které si v ní máte osvojit. Pokud některému z nich ještě nerozumíte, vraťte se k nim ještě jednou. Otázky Pro ověření, že jste dobře a úplně látku kapitoly zvládli, máte k dispozici několik teoretických otázek. 4

5 Použitá literatura Na úplný závěr kapitoly je uvedena použitá literatura, z které je možno čerpat další informace z dané problematiky. Klíč k řešení Na konci studijních opor naleznete klíč k řešení úloh a odpovědi na otázky. Úspěšné a příjemné studium s touto učebnicí Vám přejí autoři výukového materiálu M. Vrožina - J. David - R. Garzinová 5

6 OBSAH POKYNY KE STUDIU...3 STRUKTURA KAPITOL...4 OBSAH ZÁKLADNÍ POJMY A VYMEZENÍ OBSAHU ÚVODNÍ ZÁKLADNÍ POJMY OBECNÉ CÍLE A ÚLOHY ASŘTP POJEM SYSTÉM IDENTIFIKACE SYSTÉMŮ IDENTIFIKACE V PROCESU ŘÍZENÍ IDENTIFIKOVANÉ SYSTÉMY (SOUSTAVY) APRIORNÍ INFORMACE O SOUSTAVĚ Model dynamický nebo statický Model deterministický nebo stochastický Model lineární nebo nelineární Soustavy spojité a nespojité APOSTERIORNÍ INFORMACE IDENTIFIKACE STRUKTURY A PARAMETRŮ SOUSTAVY KLASIFIKACE METOD IDENTIFIKACE Identifikace metodou matematicko-fyzikální analýzy Experimentální metody identifikace Rozdělení experimentálních identifikačních metod LINEARIZACE VYJÁDŘENÍ MATEMATICKÉHO POPISU SOUSTAV Popis lineární diferenciální rovnicí Popis přenosem v Laplaceově transformaci DETERMINISTICKÉ METODY IDENTIFIKACE VSTUPNÍ SIGNÁLY UŽÍVANÉ V DETERMINISTICKÉ IDENTIFIKACI Neperiodické vstupní signály ROZDĚLENÍ REGULOVANÝCH SOUSTAV Proporcionální (statické) soustavy Jiné soustavy NELINEÁRNÍ ČLENY BLOKOVÁ ALGEBRA URČOVÁNÍ STATICKÝCH A DYNAMICKÝCH VLASTNOSTÍ SOUSTAV VYHODNOCOVÁNÍM PŘECHODOVÝCH CHARAKTERISTIK Měření přechodových charakteristik Grafická analýza přechodových charakteristik SAMOČINNÁ REGULACE ZÁKLADNÍ POJMY FUNKCE REGULAČNÍHO OBVODU DALŠÍ POJMY PROSTŘEDKY AUTOMATICKÉ REGULACE SIGNÁLY A PŘENOSOVÉ CESTY V OBVODU REGULAČNÍ SYSTÉMY REGULÁTORY

7 4.1. REGULÁTORY SPOJITÉ Proporcionální regulátor P Integrační regulátor I Derivační regulátor D Složené regulátory NESPOJITÉ REGULÁTORY Dvojpolohový (vícepolohový) regulátor Impulsní regulátor REGULAČNÍ OBVODY USPOŘÁDÁNÍ ČLENŮ REGULAČNÍHO OBVODU POŽADAVKY NA REGULAČNÍ OBVOD SLOŽITĚJŠÍ REGULAČNÍ OBVODY SEŘIZOVÁNÍ REGULAČNÍCH OBVODŮ LOGICKÉ ŘÍZENÍ LOGICKÁ PROMĚNNÁ, LOGICKÁ FUNKCE ZÁKLADNÍ LOGICKÉ FUNKCE Funkce jedné proměnné, negace Funkce dvou proměnných Složené logické funkce OPERACE S LOGICKÝMI PROMĚNNÝMI, FUNKCEMI Základní axiómy Booleovy algebry Pravidla pro logické operace Souhrn pravidel Booleovy algebry VYJÁDŘENÍ LOGICKÝCH FUNKCÍ Pravdivostní tabulka Logický výraz Mapy MINIMALIZACE LOGICKÝCH VÝRAZŮ REALIZACE LOGICKÉHO ŘÍZENÍ Realizace užitím relé Realizace užitím logických členů Logické automaty ČÍSLICOVÉ POČÍTAČE FUNKCE POČÍTAČE ŘÍDICÍ POČÍTAČE AUTOMATIZOVANÉ SYSTÉMY ŘÍZENÍ ALGORITMICKÁ A PROGRAMOVÁ STRUKTURA FUNKCE AUTOMATIZOVANÝCH SYSTÉMŮ ŘÍZENÍ TECHNOLOGICKÝCH PROCESŮ AUTOMATIZOVANÉ SYSTÉMY ŘÍZENÍ JAKO KYBERNETICKÉ SYSTÉMY KLASIFIKACE ASŘTP ZÁKLADNÍ VAZBY ŘÍDICÍHO POČÍTAČE NA PROCES OFF-LINE ON-LINE Spojení soustavy s počítačem způsobem FEED-BACK Spojení soustavy s počítačem způsobem FEED-FORWARD SYNTÉZA ALGORITMŮ ŘÍZENÍ Úlohy v oblasti rozvrhování výroby Úlohy ASŘ v operativním řízení výroby Algoritmy řízení technologických procesů OPTIMÁLNÍ ŘÍZENÍ NEDETERMINISTICKÁ OPTIMALIZACE DETERMINISTICKÁ OPTIMALIZACE

8 10. ŘÍZENÍ TECHNOLOGICKÝCH PROCESŮ INTEGROVANÝ HUTNÍ PODNIK PŘEHLED POSTUPŮ KOKSOVNY UHELNÁ SLUŽBA KOKSOVÁ BATERIE Zavážení uhlí Optimalizace zvýšení sypné hustoty koksovací vsázky...88 Ohřev/ zapalování komor Koksování Vytlačování a hašení koksu Manipulace s koksem a třídění ASŘ KOKSOVNY Řídicí systém koksovny Systémy automatické regulace tepelného režimu koksárenské baterie PŘÍPRAVA VSÁZKY PRO VYSOKOPECNÍ POCHOD STUDENÝ ÚSEK PŘÍPRAVY VSÁZKY Systém ASŘ TP studeného úseku přípravy vysokopecní vsázky Technické prostředky pro řízení studeného úseku Řízení homogenizace surovin: TEPLÝ ÚSEK PŘÍPRAVY VSÁZKY AGLOMERAČNÍ ZÁVODY Technologie spékacího procesu Míchání a příprava směsí surovin Spékání na aglomeračním pásu Třídění horkého aglomerátu a chlazení PELETIZAČNÍ ZÁVODY Technologie sbalovacího procesu Drcení a sušení/odvodňování Příprava čerstvých sbalků Vytvrzování Třídění a manipulace SYSTÉM ASŘ TP TEPLÉHO ÚSEKU PŘÍPRAVY VYSOKOPECNÍ VSÁZKY VYSOKÉ PECE DRUHY SUROVÉHO ŽELEZA VYSOKOPECNÍ PROCES Rudný most Zavážení Vysoká pec Ohřívače větru Přímá injektáž redukčních činidel Odlévání Zpracování strusky ÚKOLY ŘÍDÍCÍHO SYSTÉMU ŘÍZENÍ TEPELNĚ TEPLOTNÍHO STAVU VYSOKÉ PECE Teoretické možnosti ovlivňování protiproudu Přestup tepla ve vysoké peci Systémy řízení ohřívačů větru SUROVÉ ŽELEZO A OCEL VÝROBA OCELI ZPŮSOBY VÝROBY OCELI

9 16.2 VÝROBA OCELI KYSLÍKOVÝMI POCHODY Výroba oceli v Siemens Martinských pecích Výroba oceli v tandemových pecích Výroba oceli v kyslíkových konvertorech Přeprava a skladování taveniny horkého kovu Předúprava taveniny kovu Oxidace v kyslíkovém konvertoru MIMOPECNÍ ZPRACOVÁNÍ OCELI ZAŘÍZENÍ SEKUNDÁRNÍ METALURGIE Stanice homogenizace inertním plynem (SHIP) Vakuovací stanice (DH/RH) Pánvová pec (LF) Odlévání ŘÍZENÍ PŘI VÝROBĚ OCELI KYSLÍKOVÝMI POCHODY ELEKTRICKÁ VÝROBA OCELI A ODLÉVÁNÍ Používané postupy a techniky Manipulace a skladování surovin Předehřev šrotu Vsazování Tavení v obloukové peci a rafinace Odpich oceli a strusky Manipulace se struskou ŘÍZENÍ PŘI VÝROBĚ V ELEKTRICKÝCH OBLOUKOVÝCH PECÍCH ODLÉVÁNÍ OCELI Odlévání ingotů Plynulé (kontinuální) odlévání ŘÍDICÍ SYSTÉM PROCESU PLYNULÉHO ODLÉVÁNÍ OCELI VÁLCOVNY TECHNOLOGICKÉ PROCESY VÁLCOVNY POSTUP VÁLCOVÁNÍ Ohřev materiálu ohřívací pec Řízení teploty a spalovacího poměru Řízení tlaku v peci Řízení tlaku spalovacího vzduchu Teplota spalovacího vzduchu Řízení teploty spalin na vstupu do rekuperátoru Okruh paliva Okruh chladící vody (nepřímá chladící voda) Kontrolní zařízení Termobox termochemické chlazení TECHNOLOGICKÝ PROCES VÁLCOVÁNÍ Předhotovostní stolice Hotovostní stolice Sledování toku materiálu Výběhový úsek SOUHRN INFORMAČNÍCH A ŘÍDICÍCH PROCESŮ PŘI VÁLCOVÁNÍ

10 10

11 1. ZÁKLADNÍ POJMY A VYMEZENÍ OBSAHU 2 hodiny Text - normální Čas ke studiu Cíl Výklad 1.1. Úvodní základní pojmy Pojem technologického procesu (dále TP): posloupnost činností, využívajících pracovních nástrojů a energie k získání výrobku požadovaných vlastností z daných výchozích materiálů, realizuje se výrobní proces s využitím odpovídajících nositelů energie při dodržení výrobních technologických režimů v souboru technologických zařízení. Jedná se tedy o operace a děje s hmotou a energií, které se uskutečňují v technologickém zařízení a jejichž vlivem vzniká výsledek v podobě výrobku nebo polotovaru. Podle děje nebo operace, které se v hmotném prostředí uskutečňují, se TP dělí na: procesy, které způsobují změnu tvarových parametrů (obrábění, odlévání, válcování), procesy, ve kterých probíhá změna fyzikálních nebo stavových veličin (ohřevy), chemické a fyzikální děje, doprava a akumulace hmot, přenos energie a manipulace s materiálem.. Pojem řízeného technologického procesu: jedná se o proces, u kterého jsou definovány základní vstupní a výstupní proměnné, které je nutno řídit v reálném čase, u kterého jsou stanoveny determinované nebo pravděpodobnostní závislosti mezi výstupními a vstupními proměnnými procesu, tj. je znám jeho matematický model, jsou rozpracovány metody měření proměnných a jsou stanoveny cílové změny. Z hlediska systémové koncepce lze mezi základní články řídicího systému zahrnout i obsluhující personál - operátory, dispečery, technology. Pojem automatizovaného technologického procesu: jestliže řízení technologického procesu je alespoň do určité míry automatizováno, má ucelenou koncepci, vyjasněné cíle řízení a návaznosti mezi jednotlivými částmi, mluvíme o automatizovaném systému řízení technologických procesů (ASŘTP). Pod pojmem automatizovaný systém řízení technologického procesu se proto rozumí systém řízení realizovaný pomocí výpočetní, automatizační a regulační techniky určený pro 11

12 řízení podle předem stanovených kritérií, přičemž člověku patří aktivní úloha v procesu rozhodování. Pokud stupeň automatizace v ASŘTP je tak vysoký, že řízení probíhá bez účasti člověka, mluvíme o automatickém systému řízení technologického procesu. Systém složený z technologického procesu a z automatického řídicího systému se někdy nazývá automatickým technologickým komplexem. Z dalších definic si zasluhuje zvláštní pozornost několik pojmů: Mechanizace - nahražování fyzické práce prací strojů. Automatizace - uskutečňování řídicí činnosti ve výrobě bez přímé účasti člověka, tj. nahražování i duševní práce. Řídicí technika - problematika řízení v celé šíři. Realizace úloh ASŘTP vyžaduje vyřešení těchto problémů: stanovení cílů řízení, identifikace, eventuálně systémová analýza řízeného procesu, sestavení počítačového modelu eventuálně simulace řízeného procesu, volba způsobu řízení, vypracování algoritmu řízení a jeho realizace, volba automatizačních prostředků, vlastní realizace, provoz a údržba. Jednotlivé etapy řešení na sebe úzce navazují. Složitost problémů řízení závisí na charakteru procesu. Podle charakteru rozdělujeme procesy na: spojité, přetržité, kombinované. Spojité se vyskytují v chemii - vyznačují se málo častými změnami ve výrobě, ustálenými podmínkami. Přetržité jsou typické pro strojírenskou výrobu, výrobu přístrojů atd. Je pro ně typický široký rozsah produkce, časté změny, vysoké požadavky na koordinaci. Kombinované jsou spojením obou předchozích typů. Patří zde ve značné míře např. hutnické procesy Obecné cíle a úlohy ASŘTP Řešení problematiky ASŘTP je součástí širšího problému. Je součástí automatizovaných systémů řízení (ASŘ) výroby a podniku jako celku. ASŘTP se realizuje na úrovni dílny nebo provozu a jsou zabezpečeny vazby na ASŘ výroby a ASŘ podniku podle obrázku 1.1. Je třeba si uvědomit současné trendy v řízení podniku jako celku, kdy počítačová technika proniká do všech útvarů podniku. Celá řada firem pracuje na filozofii komplexního 12

13 počítačového řízení podniku, která je označována jako CIM (Computer Integrated Manufacturing). Jedná se o integraci hlavně řídicích činností s podporou výpočetní techniky a to všech podnikových útvarů - především konstrukce a technologické přípravy výroby CAD (Computer Aided Design) s přímým řízením výrobních komplexů CAM (Computer Aided Manufacturing). Tomu odpovídá integrovaný systém označovaný jako CAD/CAM. Podle filozofie CIM přistupuje pak integrace činností řídicích, kontrolních, dopravních, plánovacích, obchodních, finančních atd. Velkým problémem je zde spojení řídicích systémů různých výrobců do jednoho celku. To se uskutečňuje nejčastějí pomocí lokálních počítačových sítí LAN (Local Area Network). Tyto sítě jsou otevřené a celý systém je možno budovat krok za krokem. Standardizace vychází z filozofie sedmivrstvého modelu OSI (Open System Interconnection) mezinárodní organizace pro normotvornou činnost ISO (International Organization of Standardization). Období: rok, čtvrtletí, měsíc týden, den, směna hranice reálného času reálný čas kapacitní plánování a bilancování lhůtové plánování rozvrhování výroby operativní řízení výrobního procesu ASŘ podniku ASŘ výroby ASŘTP řídicí systémy materiál, energie výrobek agregáty Obr Struktura automatizovaného systému řízení v podniku Při realizaci se rozhodujícím způsobem prosadil model firmy General Motors - tzv. systém MAP (Manufacturing Automation Protocol). Cílem je, aby se jeho všech sedm vrstev stalo standardními mezinárodními protokoly. Dodržování systému vytváří předpoklady pro plánování výrobních zdrojů způsobem MRP - Manufacturing Resourcees Planing, které umožňuje realizaci japonského způsobu řízení KANBAN - kdy výrobek plynule přechází z pracoviště na pracoviště a materiál je připravován systémem JIT (Just in Time). 13

14 Na celý systém CIM je možno se dívat jako na průnik dvou informačních toků - vertikálního - technologicky orientovaná data - reprezentující návrh, konstrukci a zabezpečení řízení technologického procesu (CAD/CAM), jednak toku horizontálního - představujícího plánování, dopravu, zásobování ale i finance, obchod, personální záležitosti. Průnik obou toků realizovaný v počítačové podpoře řízení výroby je uskutečnění filozofie řízení CIM, zabezpečující ve svém důsledku víceúčelovou optimalizaci výroby. Úloha řízení v ASŘTP se dá znázornit následujícím způsobem uvedeným na obr Důležitý je zde pojem řídicí systém a řízený systém. Řídicí systém může být proveden dvojím způsobem: řídicí systém využívající zpětnovazební řízení tak, jak je naznačeno na obrázku, jako automat a to tehdy, jestli je předem známo, že požadovaná výstupní veličina řízeného systému je dána předem známou kombinací nebo posloupností vstupních veličin - pak hovoříme o logickém řízení. poruchové veličiny V měřené vstupní veličiny U { ŘÍZENÝ SYSTÉM } výstupní veličiny Y ŘÍDICÍ SYSTÉM cíl řízení U = (u 1, u 2,... u n ) Y = (y 1, y 2,... y n ) V = (v 1, v 2,... v n ) měřené vstupy procesu, měřené výstupy procesu, poruchové veličiny. Obr Znázornění úlohy řízení 1.3. Pojem systém Pojem systém je jedním z nejrozšířenějších pojmů. Představujeme si pod ním množinu prvků vázaných vztahy. Tato myšlenka dala vznik obecné teorii systémů. Z intuitivních důvodů, které mají zpravidla fyzikální opodstatnění, soustřeďujeme se na část vybraného prostředí. Tuto část nazveme objekt - vše ostatní bude okolí. Např. objekt je pec, okolí je válcovna, nebo objekt je válcovna a okolí je hutní podnik. Hranice mezi objektem a okolím nelze stanovit vždy zcela přesně. Objekt vyšetřujeme z různých hledisek. Výběr vlastností závisí na účelu. Jakmile jsme se soustředili na vlastnosti 14

15 podstatné, určujeme vztahy mezi těmito vlastnostmi. Tehdy definujeme na daném objektu systém. Při definování systému na objektu můžeme rozlišit několik hierarchických úrovní. Soubor pozorovaných změn na systému nazýváme aktivitou systému. Přesnost a frekvence měření proměnných nazýváme rozlišovací úrovní. Definujeme-li soubor proměnných, které nás zajímají a které můžeme na daném systému pozorovat a měřit, zvolíme rozlišovací úroveň v prostoru zvolených proměnných a určíme rozsah případných hodnot všech veličin, říkáme, že jsme na objektu definovali zdrojový systém. Je to v podstatě vymezení univerzální množiny charakterizující daný systém. Doplníme-li zdrojový systém konkrétním vzorkem aktivity systému (daty) - dostáváme datový systém. Najdeme-li vztah mezi proměnnými systému, který nám umožní reprodukovat vzorek aktivity, případně jej i rozšířit, získáme tzv. generativní systém. Podaří-li se nám tyto vztahy rozložit na dílčí vztahy a najít vazby mezi dílčími vztahy (generativními subsystémy) dospějeme ke struktuře systému. Každá ze zmíněných úrovní postupně snižuje neurčitost v popisu systému. 15

16 2. IDENTIFIKACE SYSTÉMŮ 2 hodiny Text - normální Čas ke studiu Cíl Výklad Identifikace je proces určování matematického popisu modelu řízeného systému. Je to činnost, při které určujeme strukturu a parametry modelu. Je-li struktura známá hovoříme o odhadu parametrů. Model je pak zobrazení podstatných vlastností reálného (nebo konstruovaného) systému, které ve vhodné formě vyjadřuje informaci o systému. Musí vyjadřovat vztahy příčiny a následků. Příčina a následek jsou spolu prostřednictvím systému vázány operátorem F o. Schematicky se to dá vyjádřit: příčina SYSTÉM (jev) následek Obr Vztahy v modelu systému Popis tohoto uspořádání budeme nazývat modelem. Při tom je jedno, pomocí jakého výrazového prostředku je tento popis proveden. Může být proveden matematicky, formou grafů, tabulek, algoritmem, ale také jen slovně. Popis lze formalizovat: prostředí U MODEL Y prostředí Obr Formalizace popisu systému Zde jsme označili: příčinu U (vstup modelu), následek Y (výstup modelu). Vazbu mezi nimi lze zapsat ve tvaru Y = F (U) (2.1) 16

17 F je pravidlo, podle kterého přiřazujeme následek Y příčině U - přiřazujeme výstup modelu jeho vstupu. Toto pravidlo F nazveme operátorem modelu. Úloha identifikace spočívá v určení (syntéze) operátoru modelu F, tj. v provedení vyhodnocení měření a určení odhadu operátoru F tak, aby byl v určitém předem definovaném smyslu blízký skutečnému operátoru F o Identifikace v procesu řízení Identifikace má v oblasti řízení technologických procesů charakter pomocného oboru. Abychom mohli řídit, je třeba vědět, co máme řídit. Musíme znát model objektu řízení - řízené soustavy, pro který je pak možno navrhnout řízení, nastavit jeho parametry, případně vybrat způsob řízení v určitém smyslu co nejlepší. Je třeba poznamenat, že model určený pro potřeby syntézy řízení nemusí nutně vyjadřovat vnitřní mechanismy dějů v soustavě. Postačí získat formální souvislost mezi vstupy a výstupy soustavy. Zde je však nutno si uvědomit, že model vyjadřující fyzikální podstatu soustavy má daleko širší platnost - v celém oboru provozních stavů. V případě, že jsme schopni tyto vnitřní děje v modelu respektovat, činíme tak. Je to však daleko obtížnější a klade to vysoké nároky na provozovatele (řešitele) neboť se vyžaduje hluboká znalost technologické podstaty problému. K zabezpečení řízení je třeba: mít znalosti o stavu řízené soustavy získané na základě měření vstupních a výstupních veličin soustavy, definovat cíl řízení, vytvořit algoritmus řízení. K zabezpečení těchto úkonů je třeba znát model soustavy. Pouze u řešení těch nejednodušších případů není nutno znát model soustavy. Naopak stále častěji se u složitějších systémů řízení stává model soustavy přímo součástí řídicích obvodů - je zahrnut v algoritmech řízení. Model soustavy zde slouží: k návrhu nejvhodnějšího způsobu řízení, k určení nastavení parametrů řízení, k zabezpečení nepřímého měření (lze získávat údaje o stavu řízené soustavy, které nelze přímo určit měřením), při změně parametrů soustavy s časem umožňuje často opakovanou identifikací provádět opravu nastavení regulátorů Identifikované systémy (soustavy) Objekt identifikace si lze znázornit takto: v 1 v 2 v k u 1 u 2 u n SOUSTAVA y 1 y 2 y m 17

18 Obr Objekt identifikace kde veličiny u 1, u 2,..., u n jsou měřitelné vstupy soustavy, y 1, y 2,..., y m měřitelné výstupy soustavy, v 1, v 2,..., v k poruchové vstupy soustavy. Abychom mohli skutečně přistoupit k procesu identifikace, je nutno mít informace o objektu, které lze rozdělit na apriorní (předem dané) a aposteriorní (získané měřením) Apriorní informace o soustavě Jedná se o informace, které máme o soustavě ještě před vytvářením platných zkušeností pozorováním a měřením. Podle těchto informací můžeme vytvářet model dynamický nebo statický, deterministický nebo stochastický, lineární nebo nelineární, spojitý nebo nespojitý Model dynamický nebo statický Dynamickým modelem nazýváme popis soustavy, který co nejdokonaleji vyjadřuje její chování v přechodovém stavu, čili její dynamické vlastnosti. Výstup dynamické soustavy v určitém časovém okamžiku není dán pouze hodnotou vstupu, ale je určen rovněž i předcházejícími hodnotami vstupu. Soustava se chová jako setrvačná. V případě, že hodnota výstupu je v každém časovém okamžiku dána okamžitou hodnotou vstupu, hovoříme o tom, že soustava (model) je statická Model deterministický nebo stochastický Jestliže vstupní a výstupní funkce jsou determinované funkce (funkce známé, které můžeme analyticky vyjádřit) a jsou si navzájem jednoznačně přiřazeny, hovoříme o modelu deterministickém. Determinovaný signál DETERMINISTICKÝ MODEL Determinovaný signál Obr Deterministický model Obecně však jsou vstupní, výstupní i poruchové funkce náhodnými funkcemi času. Pak hovoříme o stochastickém modelu. 18

19 Podobně hovoříme o stochastickém modelu tehdy, jsou-li vstupy determinované funkce času a výstupy jsou náhodné funkce času. Tuto skutečnost lze znázornit na obrázku 2.5. To je nejčastější případ se kterým pracujeme. Na tento stochastický model lze pohlížet jako na deterministický model s odezvou ve tvaru determinovaného signálu, která je pozorována s odchylkou v, mající charakter náhodné funkce času. Veličinou v respektujeme existenci náhodných chyb vznikajících při měření a existenci šumového signálu působícího na výstupu a majícího původ v identifikované soustavě. Často budeme tuto náhodnou funkci v označovat jako aditivní šum. Lze proto v dalším považovat deterministický model za zvláštní případ modelu stochastického pro v 0 (případně v souvislosti se stochastickým modelem hovořit o jeho deterministické části). STOCHASTICKÝ MODEL determinovaný signál DETERMINISTICKÝ MODEL V stochastický signál Model lineární nebo nelineární Obr Stochastický model Soustavu nazýváme lineární, platí-li u ní princip superpozice, tj. je-li její odezva na součet dvou signálů ekvivalentní součtu odezev na každou změnu vstupu zvlášť. Někdy se zavádí pojem nepodstatně nelineární soustava a to v případech, kdy nelineární soustavy se pro malé signály superponované na ustálený stav chovají jako lineární. Pomocí terminologie, kterou jsme už zavedli, lze princip superpozice vyjádřit F(u 1 + u 2 ) = F(u 1 ) + F(u 2 ) (2.2) kde F je operátor modelu, u 1, u jsou 2 vstupní veličiny soustavy (modelu) Soustavy spojité a nespojité Soustava bude nespojitá, jestli se její vstupy a výstupy mění jen v určitých časových okamžicích t = (1, 2,..., n). Budou-li se vstupy a výstupy měnit spojitě, jedná se o soustavu spojitou. Někdy se mění nespojitým způsobem pouze vstup soustavy a výstupní veličina se mění spojitě. I takovou soustavu budeme zahrnovat mezi nespojité Aposteriorní informace Aposteriorní informace je ta, která vzniká na základě zkušeností. V daném případě jako výsledek pozorování a měření vstupů soustavy. Zatímco apriorní informace dává přehled 19

20 zejména o kvalitativních aspektech objektu, aposteriorní informace dává přehled o kvantitativních stránkách objektu Identifikace struktury a parametrů soustavy Při praktickém provádění identifikace je nutno nejprve určit strukturu operátoru a pak teprve parametry této struktury. V případě určování struktury hovoříme o strukturální identifikaci (někdy také o identifikaci v širším smyslu) a při určování parametrů modelu o parametrické identifikaci neboli o odhadu parametrů (identifikaci v užším smyslu) Klasifikace metod identifikace Identifikace metodou matematicko-fyzikální analýzy Identifikace metodou matematicko-fyzikální analýzy vychází ze známých přírodních zákonů, které umožňují popsat vztah mezi vstupní a výstupní veličinou soustavy. Výhodou této metody je to, že umožňuje určit matematický model v případech, kdy se soustava teprve projektuje. Výsledků takového rozboru lze užít pro volbu optimální koncepce a detailní konstrukce celého zařízení z hlediska jeho automatické regulace. Je třeba konstatovat, že metoda není jednoduchá - klade vysoké nároky na matematické a fyzikální znalosti Experimentální metody identifikace Při tomto způsobu identifikace postupujeme obvykle tak, že pro vhodně zvolenou strukturu modelu (tím rozumíme způsob matematického vyjádření závislosti výstupního signálu na signálu vstupním např. ve tvaru diferenciální rovnice, diferenční rovnice, přenosu, impulsní charakteristiky) provedeme odhad jeho parametrů tj. řádů a velikostí koeficientů rovnic resp. přenosů. Provádíme to obvykle aplikací různých metod pro vyhodnocení záznamů odezvy systému na definovaný vstupní signál. Výsledky experimentu lze však využít a zpracovat i jinými způsoby: a) lze jich využít k praktickému ověření závěrů, vyplývajících z matematicko fyzikálního rozboru soustavy, případně k zpřesnění matematického modelu nalezeného cestou matematicko-fyzikální analýzy, b) v některých případech umožňují identifikaci konstant vyjadřujících kvantitativně průběh procesu - jako jsou součinitelé přestupu tepla při ohřevu apod. Naopak výsledků matematicko-fyzikální analýzy lze využít k odhadu řádu rovnice či přenosu identifikované soustavy při experimentální identifikaci. Z uvedeného vyplývá, že obě metody se vhodně doplňují. Lze říci, že především vhodnou kombinací těchto metod je možno vytvořit předpoklady pro zajištění úspěchu identifikace. 20

21 Rozdělení experimentálních identifikačních metod Klasické experimentální metody Vycházejí z měření odezev na klasické determinované zkušební signály jak neperiodické (např. jednotkový skok, jednotkový impuls), tak i periodické (sinusový, obdélníkový a lichoběžníkový průběh) a z jejich vyhodnocení klasickými vyhodnocovacími metodami (např. aproximace tečnou v inflexním bodě, metoda postupné integrace a pod.), které obvykle nevyžadují použití výpočetní techniky. Tyto metody jsou vhodné pro soustavy, které lze popsat deterministickými modely Statistické experimentální metody Vycházejí z měření odezev na náhodné resp. pseudonáhodné zkušební signály a z jejich vyhodnocení metodami zpravidla využívajícími možností současné výpočetní techniky. Tyto metody jsou složitější. Jsou vhodné pro identifikaci soustav deterministických i soustav charakterizovaných složkou šumového signálu, působícího na jejich výstupu. Jejich matematický popis vede na formulaci stochastických modelů. Zde je vhodné připomenout již dříve uvedenou skutečnost, že model deterministický je zvláštním případem modelu stochastického. Pojmem statistické identifikační metody označujeme metody, kdy parametry jsou odhadovány z podmínky, aby vhodné kritérium hodnotící vztah průběhů výstupu reálné soustavy a výstupu modelu nabývalo extrému. Z matematického hlediska vede proces experimentální identifikace na řešení úlohy optimalizace parametrů. Hlavním matematickým aparátem potřebným k řešení této úlohy je teorie pravděpodobnosti, matematická statistika a teorie náhodných procesů. Patří sem metoda korelační analýzy, metoda nejmenších čtverců, zobecněná metoda nejmenších čtverců, metoda maximální věrohodnosti atd. Tyto experimentální metody je možno dále dělit: a) aktivní a pasivní aktivní metody - při kterých přivádíme na vstup soustavy předem definované signály - šum, pseudonáhodný signál, nebo pasivní metody - při kterých využíváme k identifikaci vstupní signál existující v provozních podmínkách soustavy b) neadaptivní a adaptivní neadaptivní metody explicitní (též metody otevřené smyčky vzhledem ke zjišťovaným parametrům nebo off-line metody). Ty umožňují odhad parametrů provedením dvou kroků: provedení měření na soustavě, odhad hledané hodnoty parametrů p i (N) z celkového počtu N dat vyhodnocených záznamů vstupního signálu a odpovídající odezvy (obr. 2.6), kde je schematicky uvedeno spojení soustavy, identifikačního systému a modelu v případě aktivní, neadaptivní metody identifikace, metody adaptivní - implicitní (též metody uzavřené smyčky vzhledem k parametrům nebo online metody) umožňují odhad hledaných parametrů již v průběhu experimentu tak, že hodnoty parametrů p i (N) z dosud vyhodnocených N dat jsou určeny jako součet předcházejících hodnot p i (N-1) a korekcí vypočtených z dvojic hodnot odpovídajících N-té pořadnici vstupního 21

22 zkušebního signálu a odezvy. Tyto metody umožňují identifikaci soustav v reálném čase. Na obr. 2.7 je uveden princip adaptivní identifikace. Výstup ze soustavy y a výstup z modelu y m jsou porovnávány a je určován jejich rozdíl ε. Dále je vyhodnocováno kritérium vytvořené jako kvadrát tohoto rozdílu a automaticky nastavovány parametry modelu p i tak, aby toto kritérium bylo minimalizováno. c) metody spojité nebo krokové - vlastní proces adaptivní identifikace může probíhat buď spojitě nebo po krocích. u SOUSTAVA F 0 y u SOUSTAVA F 0 y identifikace MODEL F y m - + ε MODEL F minimum odchylky Obr Neadaptivní metoda identifikace Obr Adaptivní metoda identifikace Rozdělení identifikačních metod může být znázorněno tímto schématem: Metody: 1) klasické 2) statistické aktivní neadaptivní pasivní } adaptivní krokové spojité Obr Rozdělení metod identifikace 2.7. Linearizace Při matematickém popisu reálných zařízení zpravidla obdržíme nelineární matematické vztahy, které značně komplikují další využití výsledků. Pro malé změny vstupních a výstupních signálů můžeme předpokládat, že vztah mezi nimi je lineární, tj. vyjádřitelný lineárními diferenciálními rovnicemi. Je několik metod linearizace matematického popisu soustav: 1. rozvoj nelineárního vztahu v řadu a využití pouze lineárních členů, 2. linearizace popisu prvků z kterých se soustava skládá, 3. linearizace pomocí aproximace metodou nejmenších čtverců. Na tomto místě vysvětlíme linearizaci dle bodu 1. K rozvoji v řadu zpravidla využíváme Taylorova vzorce. 22

23 Za předpokladu, že f(x) má v bodě x o derivaci n-tého řádu, lze pro funkci jedné proměnné psát n ( ) f x x f x [ f x ] x k f k x x k ( ) ( ) ( ) R 0 + = ( ). + x= x n (2.3) 0 1!! R n je zbytek řady, x malá odchylka od rovnovážného stavu. k = 2 Odobný rozvoj lze vytvořit i pro funkci více proměnných. Při popisu soustavy se uplatňují pouze první dva členy na pravé straně rovnice, které tvoří lineární funkci. Geometrickou interpretací této linearizace je pro jednu proměnnou aproximace tečnou v uvažovaném bodě, pro dvě proměnné aproximace zakřivené plochy tečnou rovinou. Pro malé odchylky od pracovního bodu pro funkci y = f(x) přibližně platí. df y = x k x = (2.4) dx x= x Vyjádření matematického popisu soustav Na tomto místě se zaměříme na vyjádření popisu lineárních spojitých dynamických soustav. Dynamické vlastnosti uvedených soustav popsat: lineární diferenciální rovnicí systému, přenosem systému v Laplaceově transformaci, impulsní charakteristikou, polohou pólů a nul přenosu systému, frekvenčním přenosem systému, frekvenční charakteristikou systému, odezvou systému na libovolný známý signál, stavovými rovnicemi systémů. V dalším se zaměříme především na metody získání prvých tří uvedených druhů popisu Popis lineární diferenciální rovnicí Jednou ze základních metod je popis systému lineární diferenciální rovnicí. Obecný tvar popisu je ( n) ( n 1) ( m) an y ( t) + an 1y ( t) a0 y( t) = bmu ( t) b0 u( t) (2.5) kde a i, b j jsou konstantní koeficienty, u(t) je vstup, y(t) je výstup systému. Z podmínky fyzikální realizovatelnosti plyne m n. Řád diferenciální rovnice je roven řádu systému. Řešení rovnice je možno získat, máme-li určeny počáteční podmínky y (n-1) (0),...,y(0) a u(m-1) (0),..., u(0) a tvar vstupního signálu u(t). 23

24 Častou formou zápisu je: n i= 1 ( i) ( i) a y ( t) = b u ( t) i m j= 1 j (2.6) V systému s dopravním zpožděním kde Td je doba dopravního zpoždění. n i= 1 ( i) ( i) a y ( t) = b u ( t T ) i m j= 1 j d (2.7) Popis přenosem v Laplaceově transformaci Často v regulační technice, tedy i v popisu přenosových členů, užíváme tzv. Laplaceovy transformace (dále LT). Je to integrální transformace, která převádí matematické operace jako je derivace nebo integrace v časové oblasti na násobení nebo dělení operátorem transformace p. Použitím této transformace lze některé obtížně řešitelné úlohy v časové oblasti převést na jednoduché řešení v operátorové oblasti podle schématu znázorněného na obr. 2.9, kde je symbolem L{f(t)} označena transformace funce času, symbolem L -1 {F(p)} pak zpětná transformace laplaceova obrazu do časové oblasti. oblast časová f(t) předmět problému obtížné řešení předmět výsledku L{f(t)} L -1 {F(p)} oblast LT F(p) obraz problému jednoduché řešení obraz výsledku Obr Postup řešení při užití Laplaceovy transformace Základní definiční integrál Laplaceovy transformace je 0 ( ) ( ) pt F p = f t e dt Takto definovanou Laplaceovou transformací lze řešit problémy v časové oblasti počínaje časem t = 0. Chování systému před tímto časem, tedy jak se systém dostal do výchozího stavu, nelze takto definovanou transformací řešit. Tento stav je popsán počátečními podmínkami řešení. Abychom nemuseli stále vypočítávat obraz podle definičního integrálu a pak provádět zpětný převod do časové oblasti, jsou zpracovány slovníky LT - stručný slovník LT je v příloze 1. (2.8) 24

25 Při zápisu označujeme funkce v časové oblasti malými písmeny a říkáme jim předměty, funkce v operátorové oblasti označujeme stejnými velkými písmeny a říkáme jim obrazy. Výhody řešení užitím LT demonstrujeme na základních větách: V2.1. Věta o obrazu derivace Nechť f(t), f''(t),..., f (n-1) (t) jsou spojité laplaceovsky transformovatelné funkce. Nechť f (n) (t) je po úsecích spojitá v intervalu <0, ). Pak je f(n)(t) laplaceovsky transformovatelná a platí f(n)(t) = pnf(p) - pn-1f(+0) - pn-2f'(+0) f(n-1)(+0) (2.9) Symbolem f (n-1) (+0) označujeme derivace zprava. V uvedeném vztahu zahrnují vliv počátečních podmínek na řešení. V2.2. Věta o obrazu integrálu Nechť f(t) je laplaceovsky transformovatelná funkce, která má obraz F(p). Pak t = je laplaceovsky transformovatelná funkce a platí i funkce f ( t) dt g( t) 0 t 1 f ( t) dt = ( ) p F p (2.10) 0 Laplaceova transformace umožňuje určit limity funkce f(t), pokud tyto limity existují. LT ale existenci limit nepotvrzuje. V2.3. Věta o počáteční hodnotě Nechť f(t) je laplaceovsky transformovatelná funkce, která má obraz F(p), nechť lim f t, pak existuje konečná ( ) t 0 lim f t t 0 ( ) = lim pf( p) p (2.11a) V2.4. Věta o konečné hodnotě Za analogických předpokladů platí lim f t t ( ) = lim pf( p) p 0 (2.11b) V2.5. Věta o translaci vpravo Nechť f(t) je laplaceovsky transformovatelná funkce, která má obraz F(p). Pak i funkce f(t-τ).η(t-τ), kdeη(t) je tzv. Heavisideův jednotkový skok (viz dále), je laplaceovsky transformovatelná funkce a platí f(t-τ).η(t-τ) = e -pτ.f(p) (2.12) 25

26 Diferenciální rovnici (2.5) můžeme při nulových počátečních podmínkách použitím věty o obrazu derivace V2.1 převést na přenos soustavy (obrazový přenos) - což je obraz diferenciální rovnice při nulových počátečních podmínkách. n 1 m ( ) + ( ) + + ( ) = ( ) + + ( ) n a p Y p a p Y p... a Y p b p U p... b U p (2.13) n n 1 0 m 0 n m ( )( n ) = ( )( m ) Y p a p a0 U p b p b0 (2.14) Z čehož obrazový přenos Základní rovnice přenosu se často upravuje: G( p) = ( ) G p ( ) ( ) Y p bm p = = U p a p n m n b a Y( p) b0 + b1 p bm p G( p) = = U ( p) a + a p a p b0 b1 a a p bm a p a1 a p an a p n V praxi má přenos soustavy často tvar b a0 G( p) = a1 a p a a 0 m β 0 + β 1 p β m p = n 1+ α p α p p n n m n m m j= 0 = 1+ β p n i= 1 K = + T p n 1 T p T p n n 1 2 n j j α p n i i (2.15) (2.16) (2.17) (2.18) kde K je zesílení soustavy - vystupující jako měřítko. Po vydělení rovnice zesílením K získáme další často užívaný tvar 1 G( p) = (2.19) 2 n s + s p + s p s p Fourierovým operátorem jω dostáváme přenos ve frekvenční oblasti, kde ω = 2πf je kruhová frekvence. Tento tzv. frekvenční přenos je používán pro zkoumání vlastností soustav při Formálním nahrazením Laplaceova operátoru p vstupních signálech o různých frekvencích. Je však nutno poznamenat, že podmínky aplikace Fourierovy a Laplaceovy transformace na funci času se liší. n 26

27 2.9. Deterministické metody identifikace Jedná se o experimentální metody identifikace, při kterých neuvažujeme působení náhodných veličin na objektech ani neuvažujeme nepřesnosti měření. Deterministické metody jsou jednoduché a názorné. Je-li měření na objektu provedeno pečlivě, dostaneme dobré výsledky. Hodí se především pro jednoparametrové soustavy. Pro víceparametrové soustavy se hodí tehdy, můžeme-li hodnoty nesledovaných veličin zanedbat nebo jejich vliv vyloučit (udržováním na konstantní hodnotě) Vstupní signály užívané v deterministické identifikaci Vlastnosti jakéhokoliv systému můžeme pozorovat za různých podmínek: v ustáleném stavu - pak hovoříme o statických vlastnostech, ve stavu neustáleném - pak hovoříme o dynamických vlastnostech. Statické vlastnosti soustavy stavu se dají vyjádřit statickými charakteristikami, které jsou vlastně závislosti výstupní veličiny na vstupní veličině. y = f (u) (2.20) U lineárních soustav předpokládáme tuto závislost lineární. Prakticky však bývá tato závislost nelineární a provádíme její linearizaci v okolí pracovního bodu dříve uvedenými metodami. Nejednodušším způsobem zjišťování této závislosti u dynamických soustav, kterými se nyní zabýváme, je metoda určování bod po bodu. Postupně nastavujeme hodnoty vstupní veličiny a měříme odpovídající hodnoty výstupní veličiny. Přitom dbáme, aby se neuplatnila dynamika systému. To zajistíme dodatečně odečítáním výstupní veličiny po určité době od změny vstupní veličiny, až se soustava dostane do ustáleného stavu. Pro určení dynamických vlastností soustav zavádíme na vstup soustavy předem definované signály. Tyto signály jsou buď neperiodické nebo periodické. Podle těchto vstupních signálů dělíme deterministické metody na metody vyhodnocení přechodových, frekvenčních a impulsních charakteristik, a dále na metody, při kterých je vstupní signál ve tvaru obecné funkce času, splňuje však určité omezující předpoklady. Mezi nejčastěji používané neperiodické vstupní signály patří: Heavisideův jednotkový skok η(t), Diracův jednotkový impuls δ(t), jednotkový skok rychlosti, jednotkový skok zrychlení (užívaný méně často). Mezi nejčastěji používané periodické signály patří: sinusový průběh, sled pravoúhlých impulsů, sled lichoběžníkových impulsů, sled trojúhelníkových impulsů. 27

28 Neperiodické vstupní signály Heavisideův jednotkový skok η(t) Je definován η(t) = 1 pro t 0 η(t) = 0 pro t < 0 (2.21) Obr Heavisideův skok η(t) 1 V Laplaceově transformaci L{η(t)} = 1/p. 0 t V čase t = 0 se skokově změní hodnota signálu z nuly na jedničku. Odezvu na tento vstupní signál nazýváme přechodová funkce, její graf pak přechodová charakteristika soustavy a označujeme ji h(t) Diracův jednotkový impuls δ(t) Představujeme si, že vzniká z impulsu o výšce h a šířce b. Plochu impulsu si zvolíme jednotkovou a při současném zmenšování šířky (b 0) zvětšujeme výšku (h ) tak, aby stále platilo b.h = 1 (2.22) Diracův impuls δ(t) je idealizovaná funkce fyzikálně nerealizovatelná. Lze ji charakterizovat vztahy: + ( ) δ t dt = 1 δ(t) = 0 pro všechna t 0 (2.23) δ(t) = pro t = 0, nelze prakticky realizovat Laplaceův obraz L {δ(t)} = 1. δ(t) Obr Diracův impuls 0 t Odezvou systému na vstupní signál ve tvaru Diracova impulsu je impulsní funkce a její grafické zobrazení pak impulsní charakteristika systému a označujeme je g(t). Diracův impuls je derivací Heavisideova jednotkového skoku a podobně je i impulsní charakteristika derivací přechodové charakteristiky. 28

29 2.11. Rozdělení regulovaných soustav Základní dělení je na proporcionální (dřívější termín statické), integrační (dřívější astatické). Proporcionální soustavy se při vychýlení z rovnovážného stavu samy ustálí na nové hodnotě rovnovážného stavu. Integrační soustavy jsou takové, že po vychýlení z rovnovážné polohy se bez působení regulátoru již neustálí v nové rovnovážné poloze. Řád diferenciální rovnice popisující systém vyjadřuje řád soustavy Proporcionální (statické) soustavy Soustava 0. řádu Diferenciální rovnice: a y( t) b u( t) Obrazový přenos: 0 0 kde zesílení soustavy K = b 0 /a 0 = (2.24) Y( p) a G( p) = = 0 U ( p) b0 (2.25) Obr Přechodová funkce Příklad: elektronický zesilovač, obecně zesilovače, převodovky, potrubí s kapalinami u 1 y K 0 t t Soustava 1. řádu u 1 Diferenciální rovnice: a y 1 ( t) + a0 y( t) = b0u( t) (2.26) y t Y( p) b0 K Obrazový přenos: G( p) = = = U ( p) a1 p + a0 Tp + 1 (2.27) K kde K je zesílení soustavy, 0 T t T časová konstanta. Obr Přechodová funkce Příklad: tlakové nádrže plněné plynem, elektrické obvody s odpory a kapacitami, s odpory a indukčnostmi (buzení stejnosměrných motorů apod.) Soustava 2. řádu Diferenciální rovnice: ( ) ( ) ( ) ( ) a y t + a y t + a y t = b u t (2.28) u 1 y K t 0 t 29

30 b0 K Obrazový přenos: G( p) = = 2 a p + a p + a + T p T2 p kde K je zesílení soustavy, (2.29) T 1, T 2 časové konstanty. Obr Přechodová funkce Tvar přechodové funkce závisí na řešení charakteristické rovnice - jmenovatele přenosu. Jsou-li oba kořeny reálné záporné, pak má přechodová funkce h(t) tvar uvedený na obr Jsou-li kořeny komplexně sdružené, má přechodová funkce kmitavý charakter, tj. překmitne ustálenou hodnotu a tlumeně kmitá kolem ní až kmity ustanou. Příklad: pružně uložené hmoty (hmotnost na pružině), elektrické obvody současně obsahující odpory, indukčnosti a kapacity (oscilační obvody) apod Jiné soustavy Integrační (astatická) soustava 0. řádu u 1 Diferenciální rovnice: a y 1 ( t) = b0u( t) (2.30) y t b0 K Y( p) a1 K Obrazový přenos: G( p) = = = (2.31) U( p) p p 0 1 t Obr Přechodová funkce Příklad: řízení vozidel, plnění velkých zásobníků plynem, zásobníky sypkých hmot apod Derivační člen Diferenciální rovnice: y( t) = b u ( t) Obrazový přenos: ideálního členu: ( ) 1 (2.32) G p = b1 p (2.33) u 1 y t 0 t skutečného členu: K p G( p) = τp + 1 (2.34) Obr Přechodová funkce Příklad: skutečného členu derivační regulátor, elektrické obvody s odpory a kapacitami nebo s odpory a indukčnostmi 30

31 Pojem dopravního zpoždění a 0 y t = b 0 u t T d (2.35) Rovnice: ( ) ( ) Obrazový přenos: G( p) b0 a e = pt d Obr Přechodová funkce 0 (2.36) Příklad: 0 t dopravníky, řízení kontinuálních válcovacích stolic, vrstvení tekutými materiály (polévání filmové podložky emulsí) apod. u 1 y T d t Nelineární členy Jak bylo uvedeno, nelineární členy se od lineárních liší tím, že u nich neplatí princip superposice. Výstupní signál tudíž závisí nejen na dynamických vlastnostech přenosového členu, ale současně i na amplitudě vstupního signálu. Nelinearity mohou být buď přímo vlastností reálného objektu nebo mohou být uměle zavedené. Základní nelinearity jsou např. nasycení, pásmo necitlivosti, vůle v převodech, hystereze, tření. Uměle zavedené jsou např. nelinearity reléového typu používané v regulátorech - viz kapitola o nespojitých regulátorech Bloková algebra Ve skutečnosti existuje řada dalších druhů členů s různým stupněm diferenciální rovnice, jednotlivé typy se mohou kombinovat. Pokud je přenos systému složitý, rozložíme ho na jednodušší členy - bloky s jednoduššími přenosy, které jsme schopni popsat. Výsledným přenosem spojení několika jednodušších členů se zabývá tzv. bloková algebra. Je to souhrn pravidel, pomocí níž lze určit výsledný přenos libovolné kombinace přenosových členů o dílčích přenosech G1 (p), G 2 (p), G 3 (p),...g n (p). a) sériové Základní typy zapojení: ( ) ( ) ( ) G( p) = G1 p G2 p... Gn p (2.37) G 1 (p) G 2 (p) G 3 (p).... G n (p) = G (p) Obr Sériové zapojení přenosových členů 31

32 b) paralelní ( ) ( ) ( ) G( p) = G1 p + G2 p Gn p (2.38) G 1 (p) G 2 (p) + + = G (p) Obr Paralení zapojení přenosových členů c) antiparalelní (zpětná vazba) w + - e a G p (p) G z (p) y = G (p) Obr Antiparalení zapojení přenosových členů (zpětná vazba) V tomto zapojení platí: e = w a a = G y y y = G p e e = G y G p ( 1 ) ( ) = w G y y = w G G G y y + G G = w G G p z z p p z ( ) ( ) Y p G p = = W p 1 + G G p p z p p z Jestliže je přenos v přímé větvi G p značně velký, např. zesilovač s velkým zesílením, tedy G p >>1, pak z upraveného vztahu (2.42) G( p) (2.39) (2.40) (2.41) Úpravami těchto vztahů dostaneme výsledný tvar přenosu antiparaleního (zpětnovazebního) obvodu (2.42): (2.42) 1 = 1 + Gz G p 1 G z (2.43) Výsledný přenos takového obvodu je dán převrácenou hodnotou zpětnovazebního přenosu. Této skutečnosti se značně využívá např. při konstrukci snímačů, konstrukci regulátorů apod. Jejich základním prvkem je zesilovač s velmi velkým zesílením, tzv. operační zesilovač, v jehož zpětné vazbě jsou zapojeny prvky určující výsledný přenos zapojení. 32

33 2.14. Určování statických a dynamických vlastností soustav vyhodnocováním přechodových charakteristik Měření přechodových charakteristik Měřením se určuje odezva y(t) soustavy při změní vstupního signálu u(t) skokem známé velikosti. Časový průběh výstupní veličiny, převedený na jednotkovou změnu vstupu je přechodovou charakteristikou objektu. Před provedením změny musí být soustava v ustáleném stavu. Změna vstupního signálu se obyčejně provede přestavením regulačního orgánu. Průběh výstupní veličiny y(t) se zaznamenává vhodným registračním zařízením. Skoková změna vstupní veličiny musí proběhnout tak rychle, aby doba jejího přechodu z výchozí do konečné polohy byla mnohem kratší, než je odezva zkoumaného členu. Vlastní přechod musí být monotonní. Odezva registračního zařízení musí být mnohem rychlejší než je odezva měřeného členu. Při měření charakteristik soustavy s krátkými časovými konstantami je nutno budit soustavu opakujícími se pulsy. Měření je nejčastěji používané pro svou jednoduchost a nenákladnost. Tvar přechodové charakteristiky závisí nejen na řádu soustavy, ale také na hodnotách nul a pólů přenosu. Většina reálných soustav neobsahuje v přenosu nuly, nýbrž póly a to reálné. Metody se hodí pro soustavy s velkými časovými konstantami. Pozor - důležité informace se nachází v samotném okolí počátku přechodové charakteristiky. Velikost přemístění orgánu se volí podle skutečných podmínek, za kterých sledovaná soustava pracuje. Musí být dodatečně veliká, aby vedlejší poruchy nenarušily průběh odezvy. Velká přemístění nejsou žádoucí, neboť mohou silně narušit režim soustavy a mohou se i nepříznivě projevit i nelineární průběhy. Na základě naměřeného průběhu odvozujeme přechodovou charakteristiku jako odezvu na jednotkový skok tj. na změnu vstupní veličiny o jednotku Grafická analýza přechodových charakteristik Soustavy prvního řádu Pokud má objekt pouze jeden akumulátor energie dá se popsat systémem 1. řádu. Přenos statického systému prvního řádu G( p) kde zesílení K = b 0 /a 0 a časová konstanta T = a 1 /a 0. Y( p) b0 = = U ( p) a p + a K = Tp (2.44) Přechodová charakteristika systému je na obr Jak je naznačeno, určíme zesílení K jako pořadnici asymptoty k přechodové charakteristice a časovou konstantu T jako čas odpovídající bodu průsečíku tečny k přechodové charakteristice v počátku s asymptotou. Podobně u integračního systému, jehož přenos je: 33

34 G( p) b0 Y( p) a1 = = = U( p) p K p (2.45) určíme zesílení K způsobem naznačeným na obr Je to vlastně hodnota výstupu soustavy dosažená v čase t = Soustavy druhého a vyššího řádu. Přesné určení dynamických vlastností regulované soustavy podle záznamů přechodových charakteristik není prakticky možné. Proto se vyhodnocování přechodových charakteristik zpravidla spojuje s aproximací skutečných vlastností soustav. V praxi jsou nejčastějším případem statické soustavy u nichž kořeny charakteristické rovnice - póly systému jsou vesměs reálné záporné. Pro tyto soustavy se navrhuje, skutečné vlastnosti těchto soustav aproximovat soustavami buď n-tého řádu s vesměs stejnými časovými konstantami, nebo soustavami druhého řádu s různě velkými časovými konstantami. Podle metody navržené prof. V. Strejcem [4] lze libovolný statický systém výše uvedených vlastností aproximovat přenosem typu nebo K G( p) = ( Tp + 1) n e pt d K G( p) = ( T p + 1) ( T p + 1) 1 2 e pt d (2.46) (2.47) Pro přechodovou charakteristiku soustavy 2. a vyššího řádu je typické, že výstupní veličina se ihned po změně vstupu nemění, jak je tomu u soustav 1. řádu (první derivace v čase t = 0 je nulová). Analýzu provedeme pro soustavu bez dopravního zpoždění. V případě, že soustava má dopravní zpoždění, dá se toto zpoždění zjistit z fyzikálních a konstrukčních dat o soustavě nebo měřením. Postup při určování řádu a časových konstant soustav bude obdobný jako u soustav bez dopravního zpoždění. Typická přechodová charakteristika soustavy vyššího řádu je na obr Postup při aproximaci přechodové charakteristiky je tento: 1. Změřenou přechodovou charakteristiku překreslíme v novém měřítku tak, aby ustálená hodnota byla rovna jedné 2. Nakreslíme tečnu v inflexním bodě přechodové charakteristiky, určíme dobu průtahu T u, dobu náběhu T n a jejich poměr τ = T u / T n. 3. Z tabulky [4] určíme souřadnici inflexního bodu y i a pomocí ní určíme z grafu příslušnou souřadnici t i. První přenos (2.46) odpovídá systému n-tého řádu s jednou n-násobnou časovou konstantou T a dopravním zpožděním T d. Druhý přenos (2.47) odpovídá systému druhého řádu s dvěma navzájem různými časovými konstantami a dopravním zpožděním. 34

35 Pro τ > 0,104 volíme aproximační přenos systému n-tého řádu s vesměs stejnými časovými konstantami. Proτ z intervalu 0-0,104 volíme přenos s dvěma různými časovými konstantami. amplituda T u 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 y i 0,3 0,2 0,1 0 t i T n T p čas [s] y i, t i souřadnice inflexního bodu, T u doba průtahu, T n doba náběhu, T p doba přechodu. Obr Vyhodnocení přechodové charakteristiky proporcionální soustavy vyšších řádů 35

36 3. SAMOČINNÁ REGULACE 3 hodiny Text - normální Čas ke studiu Cíl Výklad 3.1. Základní pojmy Mechanizace - odstraňuje namáhavou fyzickou práci zavedením stroje, k jehož chodu je potřeba pomocné energie. Informaci o stavu řízeního procesu získáváme měřením. Měření je určení hodnoty veličiny jako součinu čísla a fyzikální jednotky. Podle normy ČSN Názvosloví z oboru automatizace a regulační techniky je: Automatizace - proces vývoje techniky, kde se využívá zařízení k osvobození člověka nejen od fyzické, ale zejména od duševní řídicí práce. Řízení - působení řídicího členu na člen řízený. Řízení může být: ruční přímé místní řízení Jiná kategorizace řízení: ovládání regulace Ovládání - řízení bez zpětné kontroly (měřením). automatické nepřímé dálkové (telemechanika) ruční automatické ruční automatická Regulace - řízení se zpětnou kontrolou měřením (řízení při němž se udržuje hodnota veličiny podle stanovených podmínek zjištěných měřením). Automatické ovládání - automatizuje práci stroje, zařízení, ale protože chybí složka měření, může dojít při poruše k opakované nekvalitní výrobě. 36

37 Samočinná (automatická) regulace - samočinné udržování hodnot regulované veličiny podle zadaných podmínek a naměřených hodnot této veličiny. Jedná se tedy o řízení se zpětnou kontrolou měřením - základní řídicí jednotkou je tzv. regulátor. Samočinná regulace má hlavní uplatnění tam, kde se hodnoty provozních veličin případně i parametry procesu neustále mění. Vyšší stupně automatického řízení jsou: Víceparametrová regulace - reguluje současně více veličin, které spolu souvisí. Adaptivní regulace - regulátor mění své vlastnosti tak, aby bylo dosahováno průběžně vysoké kvality regulace. Optimalizace - v průběhu regulace se udržuje proces v jistém smyslu optimální. Může to být jak optimální průběh regulačního pochodu, tak i optimální průběh vlastního technologického procesu dosahujícího např. nejlepších ekonomických výsledků Funkce regulačního obvodu Základní zapojení zpětnovazebního regulačního obvodu: w + - e R u v S y w žádaná hodnota v poruchová veličina e = w - y regulační odchylka R regulátor u akční veličina S soustava y regulovaná veličina porovnávací člen Obr Regulační obvod Základní funkci regulačního obvodu vysvětlíme na příkladu regulace teploty v plynem vytápěné peci s přímým nasáváním spalovacího vzduchu - viz obr Teplota v peci - regulovaná veličina y - je měřena termočlánkem 1. Příkon plynu do pece - akční veličina u - je ovládán otevíráním škrticí klapky 7 v potrubí plynu před hořákem. Klapku natáčí elektrický motor 6. Žádaná hodnota regulované veličiny - teploty v peci w - se zadává potenciometrem 3 jako elektrické napětí a porovnává v porovnávacím členu 2 se skutečnou hodnotou regulované veličiny - naměřenou teplotou y. Rozdíl mezi těmito hodnotami je regulační odchylka e = w - y. Časový průběh regulační odchylky vyhodnocuje regulátor 4 a vypočítává časový průběh akční veličiny u. Výstup regulátoru 4 - vlastně ústředního členu regulátoru - je zesílen koncovým zesilovačem 5, který napájí motor pohánějící regulační klapku v potrubí plynu. Základním požadavkem na funkci regulátoru je dosažení nulové regulační odchylky, tedy shody mezi žádanou hodnotou w a skutečnou hodnotou regulované veličiny y. Je-li v peci nízká teplota, je regulovaná veličina y<w, tedy regulační odchylka e je kladná a akční veličina u - přívod plynu 37

38 do pece narůstá. Při překročení teploty v peci nad žádanou hodnotou se regulační ochylka stává zápornou a akční veličina u klesá - příkon plynu do pece se zmenšuje. Při provozu pece vznikají různé vlivy, které působí změny regulované veličiny - teploty v peci. Jsou to např. změna tlaku plynu (způsobuje změnu průtoku a tedy i změnu teploty v peci), změna hmotnosti vsázky, změna tepelného obsahu vsázky (jiný příkon tepla bude potřeba, jestliže bude vsázka studená, jiný na konci ohřevu), otevření sázecích vrat pece a další. Vznik těchto veličin nemůžme vždy předvídat a kompensovat. Tyto veličiny nazýváme poruchovými veličinami v a je tudíž další základní funkcí zpětnovazebního řízení kompenzace poruch působících na regulovanou veličinu. 3 w + 2 e M plyn u V 1 7 Obr Regulace teploty v plynem vytápěné samonasávací peci Regulátor má stále informaci o žádané i skutečné hodnotě regulované veličiny, tedy o záměru řízení i o skutečném stavu řízené veličiny. Informace z výstupu - regulovaná veličina - se přivádí zpět na vstup regulačního obvodu - tvoří zpětnou vazbu, proto i název zpětnovazební řízení, zpětnovazební regulační obvod Další pojmy Další pojmy podle ČSN : Regulační obvod - obvod, ve kterém probíhá samočinná regulace. Regulovaná soustava - zařízení (nebo jeho část) na kterém se provádí regulace. Regulátor - zařízení, které uskutečňuje automatickou regulaci. Regulovaná veličina - veličina, jejíž hodnota je regulací upravována podle stanovených podmínek. Akční veličina - výstupní veličina regulátoru a současně vstupní veličina regulované soustavy. Působením akční veličiny na regulovanou soustavu se uskutečňuje regulace. Poruchová veličina - veličina způsobující poruchu. 38

39 Porucha - každá změna, která by sama o sobě způsobila odchylku regulované veličiny od nastavené hodnoty. Řídicí velična - veličina, která nastavuje žádanou hodnotu regulované veličiny. Žádaná hodnota regulované veličiny - hodnota regulované veličiny daná regulačním úkolem. Nastavená hodnota regulované veličiny - žádaná hodnota regulované veličiny nastavená na řídicím členu regulátoru Prostředky automatické regulace Čidlo, snímač - převádí měřenou veličinu na jinou, měřicími obvody lépe zpracovatelnou fyzikální veličinu. Převodník - převádí veličinu na unifikovaný signál. Čidlo + převodník ve společné jednotce tvoří vysílač. Regulátor - provnává regulovanou veličinu s její žádanou hodnotu, určuje časový průběh regulační odchylky a vytváří matematickými funkcemi časový průběh akční veličiny. Blok označený na obr regulátor R se při podrobnějším rozčlenění skládá z několika dalších funkčních bloků - obr REGULÁTOR Ústřední člen Výkonový člen Akční člen Obr Vnitřní uspořádání regulátoru Ústřední člen - určuje regulační odchylku a vypočítává časové funkce akční veličiny. Bývá často konstruován jako samostatný přístroj běžně nazývaný pojmem regulátor. Z hlediska obvyklého členění v teorii regulace je ústřední člen pouze část regulátoru. Výkonový člen - servopohon - převádí výstupní signál regulátoru na pohyb akčního členu (motor, elektromagnet, pneumatický nebo hydraulický válec apod.). Akční člen - koncový člen regulátoru - způsobuje změnu akční veličiny (spínač, ventil, klapka) Signály a přenosové cesty v obvodu Signál - je veličina, která je nositelem fyzikálního působení na regulační obvody popřípadě mezi jeho částmi a členy. V regulační technice se nejčastěji používají signály: 39

40 elektrické (elektrické napětí nebo proud, někdy frekvence a další), pneumatické (tlak, řidčeji průtok plynu), hydraulické (tlak, řidčeji průtok kapaliny, obvykle oleje). Pro speciální účely se používají i jiné druhy signálů - světelné, tepelné, akustické. V poslední době zejména v přenosu informací nabývají na značném významu zejména signály světlené, optické. Fyzikální podstatě signálů odpovídají příslušné signálové cesty - elektrické vodiče, potrubí, světlovody. Často se v jednom obvodu kombinují různé druhy signálů - např. pneumatické měření tloušťky vývalku, převod pneumatického signálu na elektrický, elektrické zpracování tohoto signálu, elektrické ovládání přívodu tlakového oleje do hydraulických výkonových servopohonů pro nastavení válců. Z důvodu zvýšení sériovosti výroby i možnosti náhrady jednotlivých částí regulačního obvodu je účelné unifikovat signály přenášející informace v regulačním obvodu. Unifikované elektrické signály jsou: napěťové: stejnosměrné napětí 0-5 V, 0-10 V, V proudové: stejnosměrný proud 0-20 ma, 4-20 ma Pneumatický unifikovaný signál: kpa Vysílače měřených veličin převádějí měřenou veličinu na unifikovaný signál. Např. vysílač teploty s rozsahem o C převádí tento rozsah na proud v mezích 4-20 ma, přitom teplotě 0 o C odpovídá výstupní proud 4 ma, teplotě 1000 o C proud 20 ma. Výhodou tohoto signálu je, že umožňuje indikovat přerušení vedení od snímače Regulační systémy Pro tři základní typy užívaných signálů byly vyvinuty univerzální regulační systémy umožňující vytvářet regulační obvody (vysílače, regulátory, akční členy). V současné době je méně rozšířena regulace pneumatická a hydraulická, silně se rozvíjí regulace elektrická, což je dáno skutečností stále častějšího užití počítačů pro řízení. Pneumatické a hydraulické členy zůstávají zejména ve funkci servopohonů, kde jsou mnohem výkonnější a rychlejší 40

41 4. REGULÁTORY 3 hodiny Text - normální Čas ke studiu Cíl Výklad Doplněním regulované soustavy regulátorem můžeme uskutečnit automatickou regulaci. Vytvoříme tak regulační obvod. Regulátor je zařízení, které uskutečňuje automatickou regulaci. Přímý regulátor (někdy hovorově označován jako přímočinný) - pro svou funkci nepotřebuje vnější přívod energie. Potřebnou energii dodává přímo snímač, který ji odebírá zpravidla regulované veličině. Např. Wattův odstředivý regulátor u parních strojů, redukční ventily pro redukci tlaku plynů, regulace hladiny v nádržce splachovače, termostat v žehličce apod. Nepřímý regulátor - pro svou funkci potřebuje přívod vnější energie. Příkladem jsou regulátory elektrické, pneumatické, hydraulické. Ústřední člen regulátoru - zařízení, které zajišťuje vlastní řídící funkci. Ústřední člen zpracovává signál od měřícího systému a vysílá signál na pohon, ovládající regulační orgán. Podle funkce dělíme regulátory: spojité - jejich výstupní veličiny jsou spojitou funkcí vstupních veličin nespojité - jejich výstupní veličiny nezávisí spojitě na vstupních veličinách. Každý regulátor musí konstrukčně plnit tři úkoly: 1. Měřit regulovanou veličinu y - proto musí obsahovat měřicí člen. 2. Porovnávat tuto naměřenou hodnotu y se žádanou hodnotou w a vytvářet tak regulační odchylku e = w - y. Tuto odchylku musí pak přeměnit vhodnými časovými funkcemi tak, aby se vytvořila požadovaná regulační závislost, - tuto funkci provádí tzv. ústřední člen regulátoru. 3. Působit změnu akční veličiny u, proto obvykle obsahuje zesilovač a servopohon. 41

42 4.1. Regulátory spojité Proporcionální regulátor P Akční veličina u je přímo úměrná regulační odchylce e. u = ro.e (4.1) kde konstanta ro je tzv. zesílení regulátoru. Je to tedy přenosový člen 0. řádu - viz odst Vstupem tohoto přenosového členu je regulační odchylka, výstupem akční veličina. Z uvedeného plyne, že proporcionální regulátor je prostý zesilovač regulační odchylky. V regulačním obvodu teploty v peci podle obr použijme proporcionální regulátor. Jestliže je žádaná hodnota teploty w nenulová, musí být rovněž nenulová akční veličina u, tedy příkon plynu do pece, který musí v ustáleném stavu krýt ztráty tepla z pece do okolí. To je ale možné pouze tehdy, jestliže v rovnici (4.1) je nenulová regulační odchylka e. Čím větší bude žádaná hodnota teploty, musí být pro její udržení i větší akční veličina, tedy v ustáleném stavu i větší regulační odchylka. Závěr: V regulačního obvodu s P regulátorem je v ustáleném stavu nenulová regulační odchylka Integrační regulátor I Přenos tohoto regulátoru je integrační - viz odst , akční veličina je časovým integrálem regulační odchylky. Při konstantní regulační odchylce na vstupu regulátoru narůstá akční veličina lineárně s časem. Rychlost nárůstu je přímo úměrná konstantě r -1 = 1/T i, kde T i je integrační časová konstanta regulátoru, a dále velikosti vstupní veličiny tj. regulační odchylky. U integračního regulátoru je akční veličina časovým integrálem regulační odchylky. Jestliže v regulačním obvodu bude jako regulátoru R použito integračního regulátoru I, bude při skoku žádané hodnoty narůstat akční veličina tak dlouho, dokud nebude dosaženo nulové regulační odchylky, přitom akční veličina může být nenulová. Tedy na příkladu plynem vytápěné pece to znamená, že i při nulové regulační odchylce může být nenulová akční veličina, tedy příkon do pece kryjící v ustáleném stavu ztráty pece do okolí. Závěr: V regulačním obvodu s regulátorem I je v ustáleném stavu dosaženo nulové regulační odchylky, tedy regulovaná veličina y je rovna žádané hodnotě w. Proti obvodu s regulátorem P je doba regulačního děje delší (při skokové změně vstupu dojde k pomalému postupnému nárůstu výstupu). Dále má regulační obvod s regulátorem I sklon k nestabilitě, tj. ke kmitání Derivační regulátor D Tento přenosový člen je popsán v odstavci , akční veličina je úměrná derivaci regulační odchylky podle času. Ve skutečném ústředním členu se nepoužívá ideální derivace, ale reálný derivační člen. Výstupní veličina derivačního regulátoru u (akční veličina) je časovou 42

43 derivací regulační odchylky, tj. výstupní signál je úměrný změnám regulační odchylky. Čím je změna větší a čím je větší konstanta r 1 regulátoru, tím je větší i výstupní signál regulátoru. Konstanta r 1 = T d, kde T d je derivační časová konstanta regulátoru. Výhodnou vlastností tohoto regulátoru je, že velikost výstupního signálu je úměrná velikosti změny regulační odchylky v čase. Tím výstupní regulovaná veličina dospěje k ustálenému stavu podstatně rychleji než při použití jiných typů regulátorů. Derivační regulátor rovněž příznivě působí na stabilitu regulačního obvodu. Nevýhodou ovšem je, že jestliže je na vstup přiveden poruchový signál třeba malé amplitudy, ale rychle se měnící, může způsobit chybný poruchový signál v akční veličině značné amplitudy, což může závažně ohrozit kvalitu regulace. Protože D regulátor reguje pouze na změnu regulační odchylky, nikoli na regulační odchylku jako takovou, nezpracovává informaci o její skutečné velikosti, nelze použít D regulátoru pro odstranění regulační odchylky, tedy se v běžných aplikacích nepoužívá D regulátoru samostatně, ale jedině v kombinaci s ostatními typy regulátorů Složené regulátory Pro dosažení požadované kvality regulačního děje obvykle nevystačíme s užitím jediného z uvedených typů regulátorů, nýbrž používáme jejich kombinaci, kde se uplatní současně výhodné vlastnosti jednotlivých druhů základních regulátorů. Například přenos PID regulátoru je: Obr Přechodové charakteristiky složených regulátorů 1 e 0 t PI PD PID u 0 t t 4.1. G( p) 0 t r 1 = r0 + + r1 p (4.2) p Přechodové charakteristiky jednotlivých typů složených regulátorů jsou uvedeny na obr. Regulátor: PI - nejčastěji používaná kombinace zvláště pro pomaleji probíhající regulační pochody. Zajišťuje dobrou odezvu na změnu žádané hodnoty a nulovou regulační odchylku v ustáleném stavu, tedy vysokou přesnost řízení v ustáleném stavu. 43

44 PD - používá se v případech, kdy je třeba zajistit dobré dynamické vlastnosti regulačního obvodu bez velkých nároků na přesnost řízení. V ustáleném stavu dochází k nenulové regulační odchylce, ale při změně žádané hodnoty dojde k rychlému ukončení regulačního děje. Používá se méně často. PID - umožňuje dosažení kvalitního regulačního děje jak po stránce dynamické - velké hodnoty akční veličiny při změně žádané hodnoty nebo vzniku poruchy - tak i v ustáleném stavu, kdy lze prostřednictvím integrační složky dosáhnout nulové regulační odchylky. Je tedy dosažitelná vysoká přesnost řízení. Z jednoduchých regulátorů se samostatně používá nejčastěji regulátor P (většina tzv. přímých regulátorů), někdy i regulátor I pro některé speciální případy regulace Nespojité regulátory Vstupní veličina těchto regulátorů dosahuje v závislosti na velikosti regulační odchylky několika pevných výstupních hodnot, nebo je výstupní veličina impulsního charakteru Dvojpolohový (vícepolohový) regulátor Výstupní signál dvojpolohového regulátoru v závislosti na velikosti regulační odchylky je na obr Obvyklé je užití regulátoru s hysterezí, kdy k přepnutí dochází po překročení jisté hodnoty kladné regulační odchylky a k zpětnému přepnutí teprve po dosažení jisté hodnoty záporné regulační odchylky. Uvedeného regulátoru se používá např. při regulaci teploty. Klesne-li skutečná teplota pod teplotou žádanou, tj. regulační odchylka se stává kladnou, zapíná se topení. Při překročení teploty se s jistou hysterezí topení vypíná. Další použití: regulace hladiny v nádržích, kdy se zapíná čerpadlo, tlaku v tlakových nádobách v kompresoru, teploty v chladničkách apod. V případech, kdy je potřeba změn regulované veličiny v obou směrech, např. regulace polohy, se používá třípolohových regulátorů. Jedné polaritě regulační odchylky odpovídá např. nárůst akční veličiny, druhé pak pokles. Rozsah regulační odchylky, ve kterém je výstupní signál regulátoru nulový, se nazývá pásmo necitlivosti (obr. 4.3). u u e e Obr Dvojpolohový regulátor Obr Třípolohový regulátor 44

45 Impulsní regulátor Do této kategorie je řazená řada typů regulátorů různých vlastností. Jedním z typů je např. regulátor, který podle polarity a velikosti regulační odchylky vysílá impulsy, jejichž šířka (doba trvání) je úměrná velikosti regulační odchylky, přičemž opakovací frekvence těchto impulsů je konstantní. Tohoto regulátoru se používá např. pro regulaci polohy nebo jako koncového výkonového členu pro ovládání servopohonů s elektrickými motory, regulátory napětí alternátorů a dynam vozidel apod. 45

46 5. REGULAČNÍ OBVODY 3 hodiny Text - normální Čas ke studiu Cíl Výklad Regulační automatické zařízení udržuje samočinně vlastnosti daného obvodu v určitých mezích. Toto samočinné zařízení má zpětnou vazbu. Regulační obvod - je obvod, ve kterém probíhá samočinná regulace. Jednoduchý regulační obvod se skládá z regulované soustavy a regulátoru. Jeho součástmi jsou pouze technická zařízení a spojovací cesty, člověk však není ani jeho součástí ani spojovacím článkem. Žádaná hodnota regulované veličiny je hodnota regulované veličiny daná regulačním úkolem. Je určena nastavením nebo řídícím signálem. Poruchová veličina je veličina způsobující poruchu Uspořádání členů regulačního obvodu Regulační obvod (obr. 3.1.) lze rozdělit na dvě části - vlastní objekt regulace, tj. regulovanou soustavu, a zařízení zajišťující automatickou regulaci, kterou souhrnně označujeme pojmem regulátor. Ten působí na soustavu akční veličinou u a o stavu regulované. soustavy je informován měřením regulované veličiny y. Do regulované soustavy mohou vstupovat poruchové veličiny v. Regulační obvod musí plnit dvě hlavní úlohy: 1. Zajišťuje, aby regulovaná veličina sledovala řídící veličinu (žádanou hodnotu) - úloha signálového sdílení. 2. Vylučuje nebo zmenšuje vliv poruch na regulovanou veličinu - úloha regulační. 46

47 5.2. Požadavky na regulační obvod Stabilita - vlivem nesprávného nastavení regulátoru, nevhodných vlastností regulované soustavy i nevhodnou skladbou regulačního obvodu může dojít po uzavření smyčky zpětné vazby k rozkmitání regulačního obvodu buď kmity s ustálenou amplitudou a frekvencí, nebo kmity s rostoucí amplitudou. Tento stav je nežádoucí, může způsobit těžké provozní havárie, prakticky znemožňuje funkci regulačního obvodu. Kvalita regulačního děje - pro požadovanou kvalitu regulačního děje nelze stanovit obecně platná jednoznačná kriteria. Na obr je nakresleno několik průběhů regulačního pochodu jako odezev regulačního obvodu na skok řízení - skokovou změnu žádané hodnoty. Přesnost sledování - hodnotí se, jak přesně a rychle sleduje regulovaná veličina na změny žádané hodnoty, dále zda je v ustáleném stavu regulační odchylka nulová. V dynamickém stavu se přesnosti sledování dosahuje zařazením D složky regulátoru, v ustáleném stavu pak zajišťuje dosažení nulové regulační odchylky I složka regulátoru. Odolnost proti poruchám - regulační obvod musí v maximální míře potlačit vliv poruch na průběh regulované veličiny, skokové změny poruchových veličin nesmí mít nežádoucí vliv na stabilitu obvodu i kvalitu regulačního děje. w y t A B C D E Obr Regulační pochod: A - nevyhovuje pro příliš pomalé vyrovnání (v obvodu je příliš malé zesílení - P složka regulátoru) B - regulační děj bez překmitu - vyhovuje např. při řízení polohy obráběcího nástroje apod. C - mírný překmit - vyhovuje pro většinu aplikací v průmyslu, rychlé dosažení žádané hodnoty s malým překmitem, který se rychle utlumí. D - nevyhovuje - málo tlumený regulační pochod E - zcela nevyhovující, nestabilní regulační pochod Složitější regulační obvody Jednoduchý regulační obvod např. podle obr nezajišťuje ve všech případech požadovanou kvalitu regulace a odolnosti proti poruchám. Regulovaná soustava teploty v peci má poměrně dlouhé časové konstanty a tím se rychlé změny v průtoku plynu způsobené poruchovými veličinami např. změnou tlaku plynu, projeví až po delší době, kdy dojde jejich vlivem ke změně teploty v peci a zasáhne regulátor. Pro dosažení vyšší přenosti a kvality regulace teploty musíme použít složitější regulační obvody. Tyto problémy může řešit tzv. obvod s malou regulační smyčkou, která odstraňuje vliv poruchové veličiny dané rychlými změnami množství plynu a která je též pro tento účel patřičně seřízena. Na obr je takový obvod rozkreslen. Žádaná teplota v peci je zadávána ze 47

48 zdroje žádané hodnoty 1 a vstupuje na porovnávací člen 2. hlavního regulátoru 3. Výstupem hlavního regulátoru je žádaná hodnota množství plynu, která postupuje na porovnávací obvod 4 pomocného regulátoru množství plynu 5, jehož výstupní signál ovládá přes servopohon 6 regulační klapku množství plynu do pece. Množství plynu je měřeno clonou 8 a diferenčním manometrem 9 a vedeno jako měřená hodnota do porovnávacího členu 4. 1 w + 2 e M 6 V 7 plyn 8 Obr Regulační obvod s malou regulační smyčkou Malá regulační smyčka - regulace množství plynu - umožňuje podstatně kvalitnější odstranění poměrně rychlých poruch v množství plynu. Teplota je řízena hlavním regulačním obvodem, který pak může být seřízen podle odpovídajících časových konstant podstatně "pomalejší" soustavy. Dosahuje se tak podstatně kvalitnějšího regulačního pochodu a odstranění poruch působených změnou tlaku plynu. Další možností odstranění vlivu poruchových veličin na regulovanou veličinu je zavádět měřenou poruchovou veličinu do samostatného regulačního obvodu. Tento pomocný obvod přiřazuje poruchové veličině akční veličinu tak, že vliv poruchové veličiny je jeho působením odstraněn podstatně dříve, než kdyby byla soustava vybavena pouze hlavním regulačním obvodem. Tento obvod se nazývá regulační obvod s měřenou poruchovou veličinou a jako příklad si uvedeme regulaci hladiny v parním kotli (obr. 5.3.). 1 w + 2 e M 8 pára voda Obr Regulační obvod s měřenou poruchovou veličinou 48

49 Žádaná hodnota výšky hladiny vody v kotli se zadává ze zdroje 1 a je ve sčítacím členu 2 porovnávána s hodnotou skutečnou, měřenou hladinoměrem 3. Regulační odchylka vstupuje do hlavního regulátoru 4 a jeho výstupní signál po zpracování pak do sčítacího členu 5, kde se sčítá s výstupem z pomocného regulátoru 6. Do pomocného regulátoru 6 vstupuje informace o množství odebírané páry 7 a tento regulátor je seřízen tak, aby jeho výstupní signál působil přes sčítací člen 5 na akční orgán množství vody 9 v tom smyslu, že se vyrovná množství páry odváděné z kotle s množstvím vody do kotle přiváděným a měřeným prostřednictvím měřicí clony diferenčním manometrem 8. Pomocný regulační obvod by mohl sám zajistit, že hladina v kotli nebude při odběru páry kolísat, neboť při změně odběru páry se okamžitě přizpůsobí i přívod vody. Ve skutečnosti se ale nedá regulátor přesně seřídit tak, aby byla obě množství stejná (nepřesnost měřicích přístrojů). Proto je nutno instalovat i hlavní regulační obvod s regulátorem 4. Tento obvod mívá zpravidla regulátor I nebo PI a tím, že měří regulovanou veličinu, zajišťuje, aby bylo vždy dosaženo správné úrovně hladiny i při nepřesném seřízení pomocného regulačního obvodu. Poruchy v odběru páry se podstatně dříve vyrovnávají působením pomocného regulačního obvodu, něž by tomu bylo v případě, že by pro regulaci bylo použito pouze obvodu hlavního, kde se zvýšený odběr páry může projevit až na snížení hladiny vody v kotli Seřizování regulačních obvodů Pro seřizování regulačních obvodů byla navržena řada metod, které jsou různě náročné na provedení experimentálních měření, matematický popis regulačního obvodu atd. Při provozních seřizováních je často používán postup navržený Zíeglerem a Nicholsem - uvedeme pro regulátor PID: 1. Kontrola a seřízení rozsahů a nulových poloh všech přístrojů včetně servomotorů. 2. Při vypojeném I a D přenosu regulátoru zvětšujeme zesílení P tak, až se regulační obvod rozkmitá. Přitom určíme kritické zesílení r 0k a kritickou periodu kmitů T k. Doporučené hodnoty nastavení PID regulátoru jsou: r 0 = 0,6 r 0k, T I = 0,5 T k, T D = 0,12 T k.. 3. Tyto hodnoty postupně nastavíme na regulátoru a kontrolujeme kvalitu požadovaného regulačního děje při úmyslně vyvolané změně žádané hodnoty - podle typu technologického procesu by to měl být některý z vyhovujících průběhů podle obr (B, C). 4. Zkontrolujeme, zda seřízení vyhovuje pro různá zatížení regulovaného obvodu (malé příkony, velké příkony), případně seřízení opravíme. Při seřizování používáme pro zápis důležitých veličin zapisovačů s dosti rychlým posuvem. Na závěr seřizování provedeme dlouhodobé pozorování chování regulačního obvodu především při méně běžných provozních stavech. Seřízení je nutno občas zkontrolovat. Nové nastavení je nutno provést zejména po opravách a rekonstrukcích zařízení. 49

50 6. LOGICKÉ ŘÍZENÍ 2 hodiny Text - normální Čas ke studiu Cíl Výklad 6.1. Logická proměnná, logická funkce Při vyhodnocování stavů technologického procesu mnohdy dostačuje zjistit, zda nějaká činnost nastala nebo nenastala, např. motor se točí - netočí, bylo dosaženo určité teploty, ventil je otevřen - zavřen. Hodnoty mezi těmito dvěma stavy nás nezajímají. Informace o této skutečnosti nabývá pouze dvou hodnot. Výhodou je, že zpracování takové informace je možno provést jednoduššími a spolehlivějšími prostředky než při zpracování spojitých signálů. Vstupní členy převádějí (zpravidla spojité) vstupní veličiny na nespojitý výstupní signál, který nabývá pouze dvou hodnot. Jsou to např. kontaktní nebo bezdotykový snímač polohy, kontaktní manometr, kontaktní teploměr, různá tlačítka, spínače apod. Výstupní členy zpracovávající takovou dvouhodnotovou informaci a působí jako akční členy v navazujících obvodech. Jsou to např. relé, stykače, elektromagnetické spojky, elektromagnety apod. Filozofická disciplína logika - nauka o výrocích a vazbách mezi nimi - přiřazuje takovým informacím označovaným jako logické proměnné čísla 0 a 1 nebo též 0 a I. Říkáme, že logická proměnná má hodnotu logické nuly nebo logické jedničky. Význam logických hodnot je 0 - výrok neplatí, činnost nenastává, signál neexistuje, obvod nevede výrok platí, činnost nastává, signál existuje, obvod vede... Logická proměnná vyjadřuje pouze dva stavy. Je-li logických proměnných n, pak lze jimi vyjádřit 2 n různých stavů. Jestliže jednotlivým logickým proměnným přisoudíme jednotlivé řády binárního čísla, pak dekadický ekvivalent tohoto binárního čísla označujeme jako stavový index s. Vztah mezi logickými proměnnými je určen tzv. logickou funkcí. Logická funkce je předpis, který přiřazuje kombinacím hodnot jedné nebo více vstupních logických proměnných hodnotu výstupní proměnné. 50

51 Jedním ze způsobů vyjádření logické funkce je tzv. pravdivostní tabulka. V její levé části jsou uvedeny všechny možné kombinace hodnot vstupních proměnných, v pravé části je těmto kombinacím přiřazena výstupní hodnota logické funkce Základní logické funkce Pro označení vstupních proměnných obvykle užíváme malá písmena ze začátku abecedy (budeme užívat písmena a, b), pro výstupní proměnné malá písmena z konce abecedy (užijeme písmeno y) Funkce jedné proměnné, negace Nejsnáze lze demonstrovat logické funkce na případu funkcí jedné vstupní proměnné a. Pravdivostní tabulka této funkce bude mít na levé straně pouze jeden sloupec. Hodnotám této jediné nezávislé proměnné lze přiřadit výstupní hodnoty čtyřmi způsoby, tedy existují čtyři logické funkce jedné proměnné y 1 až y 4, jejichž pravdivostní tabulky shrneme do společné tabulky s jediným vyjádřením hodnot vstupní proměnné a. a y 1 y 2 y 3 y Z těchto čtyř funkcí je nejdůležitější funkce y 3, která přiřazuje výstupu opačnou hodnotu než má vstup. Tuto funkci nazýváme negace. Slovní označení: negace, inverse, "non" y = a tedy 1 = 0, 0 = 1 Pravdivostní tabulka: a y Funkce dvou proměnných Počtu n vstupních proměnných lze obecně přiřadit 2 2n logických funkcí. Dvě vstupní proměnné dávají čtyři kombinace vstupních hodnot, kterým lze přiřadit 16 různých logických funkcí. Nejdůležitější z nich jsou logický součin a součet Logický součin Slovní označení: logický součin, "i", "AND", konjunkce, průnik y = a b tedy 1. 1 = 1, 1. 0 = 0, 0. 0 = 0 51

52 Pravdivostní tabulka: a b y Logický součet Slovní označení: logický součet, "nebo", "OR", disjunkce, sjednocení y = a + b tedy = 1, = 1, = 0 Pravdivostní tabulka: a b y Funkce logického součtu i logického součinu lze samozřejmě definovat pro libovolný počet vstupních proměnných Složené logické funkce Mezi šestnáct možných logických funkcí dvou proměnných patří i následující dvě funkce, jejichž hlavní význam je ve skutečnosti, že libovolnou logickou funkci lze realizovat výhradním užitím členů realizujících jednu z nich.. Můžeme je ale definovat rovněž jako funkce složené z výše uvedených tří funkcí Negovaný logický součin- funkce Shefferova y = a b Pravdivostní tabulka: a b a.b y = a b

53 Negovaný logický součet - funkce Pierceova y = a + b Pravdivostní tabulka: a b a+b y = a + b Operace s logickými proměnnými, funkcemi Pro operace s logickými funkcemi lze definovat tzv. logickou algebru, tedy soubor axiómů, který musí být: konzistentní (bezesporný), tj. že při správném postupu nelze odvodit odporující si výroky, úplný, tj. že přidáním jakéhokoli dalšího pravidla, výroku, axiómu by se porušila konzistentnost této algebry. Nejznámější a v technické praxi nejužívanější logickou algebrou je tzv. Booleova algebra nazvaná po významném irském matematikovi a logikovi Georgu Booleovi ( ), která se opírá o tři základní operace: negaci, logický součin (konjunkci), logický součet (disjunkci) Základní axiómy Booleovy algebry Jedem z možných systémů definujících Booleovu algebru zavedl v roce 1904 Američan E. V. Huntington. Booleovou algebrou pak nazýváme každou množinu B obsahující dva různé prvky 0 a 1 a dále prvky x, y, z,...a v níž jsou definovány operace součtu (x+y), součinu (xy) a negace ( x ) tak, že platí následující soubor axiómů: (I) Vnitřní zákony kompozice: Jestliže x a y jsou prvky množiny B, pak také x+y a xy jsou prvky této množiny. (II) Zákony absorbce: V množině B je význačný prvek 0 takový, že x + 0 = x je splněno pro libovolný prvek x množiny B. Obdobně existuje význačný prvek 1, u něhož platí x.1 = x. (III) Komutativní zákony: Pro prvky x a y množiny B je vždy splněno x + y = y + x a současně xy = yx. (IV) Distributivní zákony: Pro prvky x, y a z z množiny B je vždy splněno x + (yz) = (x + y)(x + z) a současně x(y + z) = xy + xz. (V) Zákony vyloučení třetího: 53

54 Ke každému prvku x z množiny B se vyskytuje prvek x, pro který platí xx = 0 a současně x + x = 1. (VI) Jsou alespoň dva takové prvky x a y z množiny B, že platí x y. Z těchto axiómů lze odvodit veškerá pravidla pro operace s logickými funkcemi a proměnnými prováděnými užitím Booleovy algebry. Logický výraz, tzv. Booleův se tedy skládá ze symbolů 0 a 1, z písmenného označení logických proměnných x, y, z,...a ze symbolů operací Booleovy algebry, tedy součinu, součtu a negace Pravidla pro logické operace Pro operace platí následující pravidla: operace se provádí v pořadí nejprve operace negace, další operace logického součinu a nakonec operace logického součtu, jestliže jsou ve výrazu užity závorky, provádí se nejprve operace uzavřené v nejvnitřnějších závorkách, při negaci složitějšího výrazu znak negace nad tímto výrazem nahrazuje uzavření tohoto výrazu do závorek, což je nutno respektovat při aplikaci předchozího pravidla Souhrn pravidel Booleovy algebry Pro operace v takto definované Booleově algebře lze odvodit následující základní pravidla zahrnující rovněž její základní axiómy: 1. Zákon agresivnosti a neutrálnosti prvků 0 a 1 x + 1 = 1 x + 0 = x x.0 = 0 x.1 = x 2. Komutativní zákon x + y = y + x 3. Asociativní zákon x + (y + z) = (x +y) + z 4. Distributivní zákon x + (yz) = (x + y)(x + z) 5. Zákony absorpce x + x = x x + xy = x 6. Zákony absorpce negace x xy x y xy = yx x(yz) = (xy)z x(y + z) = xy + xz xx = x x(x + y) = x + = + ( ) x xy x y x x + y = xy + = + ( ) 7. Zákon dvojité negace x = x x x + y = xy 54

55 8. Zákon vyloučení třetího x + x = 1 xx = 0 9. De Morganovo pravidlo (pravidla o vytvoření negace) x + y + z = x y z x y z = x + y + z Negace součtu proměnných je rovna součinu negovaných proměnných. Negace součinu proměnných je rovna součtu negovaných proměnných. DeMorganovo pravidlo platí pro libovolný počet logických proměnných Vyjádření logických funkcí Základní grafické vyjádření logických funkcí jsou pravdivostní tabulky, logické výrazy a logické mapy. Tyto formy zápisu se užívají pro úvodní operace zápisu a zpracování logických funkcí, logických výrazů tak, abychom získali konečnou formu výrazu vhodnou pro jeho realizaci v logickém řízení. Tato forma je v dalším zpravidla minimalizována, tj. hledáme takový tvar logického výrazu, aby bylo pro jeho realizaci možno použít minimálního počtu prvků Pravdivostní tabulka Definujme např. logickou funkci tří proměnných y = f(a, b, c). Nechť je tato funkce popsána pravdivostní tabulkou tab V prvých třech sloupcích pravdivostní tabulky jsou zapsány všechny kombinace hodnot vstupních proměnných, ve čtvrtém pak hodnota funkce odpovídající příslušné kombinaci vstupních proměnných. Někdy pro orientaci uvádíme v pravdivostní tabulce i stavový index s. Tab Pravdivostní tabulka zadané funkce s c b a y Touto pravdivostní tabulkou je příslušná logická funkce plně zadána Logický výraz Užívají se dva základními tvary zápisu logické funkce logickým výrazem: úplná disjunktivní normální forma (ÚDNF), tedy součet součinů základních proměnných nebo jejich negací, úplná konjunktivní normální forma (ÚKNF), tedy součin součtů základních proměnných nebo jejich negací. 55

56 Při přepisu funkce zadané pravdivostní tabulkou do tvaru logického výrazu lze postupovat víceméně mechanicky. Přepis do tvaru součtu součinů (ÚDNF) provedeme tak, že vyhledáváme ty kombinace vstupních proměnných, pro které má výstupní proměnná hodnotu 1. Pro každou takto nalezenou kombinaci napíšeme takový součin vstupních proměnných, resp. jejich negací, aby tento součin měl právě hodnotu 1. Znamená to, že v případě, že vstupní proměnná má v daném řádku hodnotu 1, zapíšeme tuto proměnnou přímo, pokud má vstupní proměnná hodnotu 0, zapíšeme do výrazu negaci této vstupní proměnné. Součet takto vytvořených součinů je logickým výrazem dané logické funkce. Přepíšeme logickou funkci zadanou tabulkou 6.1 do logického výrazu ve tvaru ÚDNF. V tabulce postupně shora vyhledáváme ty řádky, v nichž je hodnota y = 1 člen odpovídající stav. indexu s = y = abc + abc + abc (6.1) Při přepisu do tvaru součinu součtů (ÚKNF) naopak vyhledáváme ty řádky, kde je hodnota funkce y = 0 a do jednotlivých součtů zapisujeme podmínky odpovídající nulové hodnotě tohoto součtu. Tedy naopak proti minulému postupu musíme zapsat přímou proměnnou v případě, že tato proměnná má v daném řádku hodnotu 0 a negaci této proměnné, jestliže má tato proměnná hodnotu 1. Součinem těchto podmínek dostaneme výslednou výraz určující podmínky nulové hodnoty této funkce. Pro funkci zadanou tabulkou 6.1: člen odpovídající stavovému indexu Mapy s = y = ( a + b + c)( a + b + c)( a + b + c)( a + b + c)( a + b + c) (6.2) Mapa je tvořena obdélníkem nebo čtvercem rozděleným na políčka, přičemž každému políčku odpovídá jedna kombinace vstupních proměnných. Do políčka pak zapisujeme hodnotu logické funkce odpovídající této kombinaci vstupních veličin. Z řady různých možných druhů map patří mezi nejznámější mapa Karnaughova (čti Karnafova), která je definována tak, že při změně logické hodnoty pouze jedné vstupní proměnné sousedí políčko odpovídající této nové kombinaci vstupních veličin s políčkem výchozím. Příklad možného tvaru Karnaguhovy mapy funkce podle tab. 6.1 je na obr Třem vstupním proměnným přísluší osm hodnot logické funkce, tedy mapa musí mít osm polí. Zvolíme tvar dva řádky po čtyřech sloupcích. Na okrajích jsou označeny svorkou ty řádky, resp. sloupce, které odpovídají hodnotě příslušné vstupní proměnné rovné logické jedničce. Pak zapisujeme logickou 1 do polí, které odpovídají příslušné kombinaci vstupních proměnných. b c a Obr Karnaughova mapa logické funkce z tab

57 Zbývá upozornit, že základní vlastnost takto definované mapy, tj. při změně jediné vstupní veličiny, dochází k přechodu do sousedního políčka, je zachována i pro okrajové prvky mapy, tedy např. Mezi prvky v horních rozích tabulky jak je naznačeno elipsami Minimalizace logických výrazů Zadání logické funkce některým z uvedených způsobů není pro konečnou realizaci vhodné. Proto musíme získaný logický výraz zjednodušit, tzv. minimalizovat, a případně upravit do takového tvaru, aby byl realizovatelný zvolenými prvky. Zápis logické funkce ve tvaru pravdivostní tabulky je poměrně přehledný, ale není vhodným výchozím tvarem pro minimalizaci výsledného logického výrazu. Logický výraz (6.1) můžeme upravovat podle pravidel uvedených v odst Zde záleží na zkušenostech, zda dosáhneme minimálního vyjádření zadané logické funkce. Nicméně jsou tyto postupy vhodné pro vytvoření takového výsledného výrazu, který umožňuje realizovat logickou funkci vybranými technickými prostředky. Upravme výraz (6.1), přitom se budeme odvolávat na zákony uvedené v odstavci 6.3.3: y = abc + abc + abc = abc + abc + abc + abc = ab( c + c) + ( a + a) bc Podle zákona 5 byl zdvojen střední člen, podle zákona 4 byly z dvojic členů vytčeny společné proměnné. V dalším postupu aplikujeme na závorky zákon 8 a vytkneme společnou proměnnou podle zákona 4. y = ab + bc = b( a + c) (6.3) Obdobně můžeme upravit vztah (6.2). Podle zákona 7 celý výraz dvakrát negujeme a aplikujeme zákon 9: y = y = ( a + b + c) + ( a + b + c) + ( a + b + c) + ( a + b + c) + ( a + b + c) Aplikací zákona 9 na negované závorky, v dalším kroku vytknutím podle zákona 4 a nakonec aplikací zákona 8 obdržíme: y = abc + abc + abc + abc + abc = abc + ( a + a) bc + ( a + a) bc = abc + bc + bc Zdvojením středního členu podle zákona 5, vytknutím společného členu ve dvojicích podle 4, aplikací zákona 6 na prvou a 8 na druhou závorku a po roznásobení prvé závorky obdržíme: y = abc + bc + bc + bc = ( ab + b) c + b( c + c) = ( a + b) c + b = ac + bc + b Vytknutím b, aplikací zákona 1 na závorku a konečnou aplikací zákona 9 na celý výraz a dále na prvý člen získáme výsledný tvar shodný s tvarem (6.3): ( ) ( ) y = ac + b c + 1 = ac + b = ac b = a + c b (6.4) Při úpravě výsledného výrazu na vyjádření negovaným logickým součinem, neboli Shefferovou funkcí se obvykle postupuje tak, že se výraz dvakrát neguje a aplikuje se zákon 9. Tím se prakticky dostaneme k předposlednímu vyjádření výsledků ve vztahu (6.4). 57

58 Velmi přehlednou minimalizaci umožňuje Karnaughova mapa. V mapě vyhledáváme sousedící dvojice, čtveřice, osmice,... logických jedniček. Protože Karnaughova mapa je uspořádána tak, že pro přechod z jednoho pole označeného jedničkou na sousedící pole označené rovněž jedničkou se musí změnit hodnota jedné vstupní proměnné, pak z toho plyne, že v tomto případě dosahuje logická funkce hodnoty 1 pro oba stavy této vstupní proměnné, tedy na této vstupní proměnné nezávisí. Do výsledného výrazu pak tuto proměnnou nezapisujeme. Například v mapě na obr. 6.1 jsou tyto dvojice označeny čárkovanou elipsou. Jedna hodnota logické 1 může být užita vícekrát. Výsledný výraz pak určíme tak, že pro společnou skupinu logických jedniček zapíšeme součin pouze těch vstupních veličin, které se v označené skupině nemění a to podle pravidel pro zápis ÚDNF. Tedy pro náš případ je výsledný výraz: y = bc + ab = ( a + c) b (6.4) Užitím Karnaughovy mapy jsme velmi rychle došli k minimalizovanému výrazu. Existuje řada dalších metod minimalizace logických funkcí a to ať mapových, např. mapa Svobodova, nebo vhodné algoritmy, např. metoda Quineova - Mc Cluskeyova a další Realizace logického řízení. Logických funkcí používáme k řízení technologických procesů. Jedná se jak o systémy zcela jednoduché, např. dvoutlačítkové ovládání motoru, až po vrchol současného logického řízení - číslicový počítač - který veškeré funkce včetně matematických operací s čísly - provádí užitím základních logických funkcí. Logické funkce jsou realizovány logickými obvody. Ty mohou mít různou technickou podstatu, lze je realizovat mechanicky (např. dveřní zámek tvoří funkci logického součinu), pneumaticky, elektricky. V současné době převládá realizace elektronickými polovodičovými obvody, tzv. integrovanými obvody, které mají na jedné křemíkové destičce - substrátu - integrovány elektronické obvody realizující tyto logické funkce. Nejsložitějším z těchto obvodů je mikroprocesor - srdce všech moderních počítačů. Nejrozsáhlejší jsou polovodičové paměti. Logické obvody dělíme podle následujícího schématu: Logické obvody (funkce) kombinační sekvenční synchronní asynchronní Kombinační - hodnota výstupních veličin závisí jen na kombinaci vstupních veličin. Sekvenční - hodnota výstupních veličin závisí jednak na kombinaci vstupních veličin a dále na předchozím stavu (např. logické automaty pro řízení výrobních linek, automatické pračky apod.). Tyto obvody musí vždy obsahovat vnitřní proměnné (paměti). Synchronní - všechny změny v logickém obvodu probíhají současně. Změny jsou řízeny synchronizačními impulsy. Asynchronní - stav obvodu se mění ihned po změně vstupu, práce obvodu není synchronizována. 58

59 Pro realizaci sekvenčních obvodů se užívá stejných kombinačních prvků jako pro obvody kombinační. Informace o předchozím stavu systému se získávají zavedením výstupních veličin na vstupy zpracovávajících členů současně se vstupními veličinami. Při realizaci vycházíme zpravidla z minimalizovaného tvaru logické funkce Realizace užitím relé Relé je přístroj obsahující elektromagnet, který ovládá spínání kontaktů. Kontakty jsou dvojího druhu, tzv. pracovní (spínací), které jsou sepnuty tehdy, je-li cívka relé pod proudem, a dále klidové (rozpínací), které jsou sepnuty v bezproudém stavu cívky a po připojení proudu se rozepnou. Klidové a pracovní kontakty mají i různé ovládací prvky, jako jsou tlačítka, koncové spínače apod. Při realizaci logické funkce je pracovní kontakt vyjádřením přímého vstupu funkce, klidový kontakt vyjádřením negace vstupu funkce, sériové zapojení kontaktů realizuje logický součin, paralelní zapojení kontaktů realizuje logický součet. Příklad realizace příkladu logické funkce podle vztahu (6.3) je na obr _ b _ a y - c Obr Realizace funkce y = b( a + c) pomocí relé Jako příklad nejjednoduššího sekvenčního obvodu uveďme na obr. 6.3 ovládání motoru dvěma tlačítky pomocí stykače, což je relé vybavené silnoproudými kontakty pro spínání motoru (nekresleno) a dále pomocnými ovládacími kontakty. Stiskem tlačítka a sepne stykač y. Tím sepne i pomocný kontakt y, který přemostí tlačítko a, takže i po puštění tlačítka zůstává stykač přitažen. Kontakt y je vnitřní proměnnou sekvenčního obvodu. Stiskem rozpínacího tlačítka b se obvod rozepne, stykač odpadne a motor se zastaví. + _ b a y - y Obr Sekvenční logický obvod ovládání motoru 59

60 Realizace užitím logických členů V současné době jsou k disposici elektronické prvky, tzv. logické integrované obvody. Na křemíkové destičce, tzv. čipu, jsou vytvořeny polovodičové obvody realizující různé logické funkce. Propojením vývodů těchto základních obvodů lze vytvořit složitější funkce. Jestliže chceme použít integrované obvody realizující negované logické součiny, upravíme logický výraz do tvaru vyjadřující funkci pomocí negovaných logických součinů. Výsledný tvar je pak návodem pro realizaci obvodu. Schématický znak funkce negovaného logického součinu je obdélník se znakem &, kolečko na výstupu je znakem negace. Jako příklad použijeme předposlední tvar výrazu (6.4). Negaci signálu vytvoříme tak, že na oba vstupy členu realizujícího negovaný logický součin přivedeme stejný signál - viz pravdivostní tabulka tohoto členu. a b b c c & & & & _ y & y y = ac b = ( a + c) b Obr Realizace funkce y = b( a + c) negovanými logickými součiny Logické automaty Realizace logické funkce jednoduchými prvky jako jsou např. kontakty, integrované obvody realizující základní logické funkce apod. má nevýhodu v tom, že funkce je zadána vodivým propojením těchto prvků např. drátovými spoji. Při změně logické funkce musíme tyto spoje rovněž změnit, což je pracné a přináší nebezpečí možných omylů. Zejména složitější logické řízení se proto realizuje pomocí tzv. logických automatů, což jsou jednoúčelové počítače přizpůsobené právě pro zpracování logických funkcí. Základní schéma logického automatu je: 60

61 CENTRÁLNÍ JEDNOTKA PAMĚŤ PROGRAMU OPERAČNÍ PAMĚŤ SERVISNÍ ZAŘÍZENÍ povely C adresy A data D VSTUPNÍ JEDNOTKA VÝSTUPNÍ JEDNOTKA PANEL OBSLUHY Obr Blokové schéma logického automatu Logická funkce, kterou automat realizuje, je uložena v paměti ve formě programu, který může být běžnými prostředky výpočetní techniky zapisován, editován, měněn. Navíc celý vývoj logické funkce je zde podporován řadou programů umožňujících testování jednotlivých vstupních a výstupních proměnných, ladění, "krokování" programu, výpisy stavů atd. Výsledná logická funkce - odladěný program - se pak často ukládá do nemazatelné paměti (ROM - read only memory). Pro vstup a výstup logických proměnných je automat vybaven deskami pro zpracování signálů různých napěťových úrovní, změnovými kartami, kontaktními výstupy, polovodičovými výstupními spínači, kartami pro řízení krokových motorů apod. Logické řízení zajišťuje i běžný číslicový počítač - zejména specializovaný řídicí počítač. I zde je realizace logického řízení podporována účinnými programovacími prostředky. 61

62 7. ČÍSLICOVÉ POČÍTAČE 2 hodiny Text - normální Čas ke studiu Cíl Výklad Číslicový počítač je zařízení pro zpracování informací, matematických výpočtů, logických funkcí. Hodnoty proměnných jsou v počítači zobrazovány nejčastěji ve formě binárních čísel, tj. čísel vyjádřených v číselné soustavě se základem 2. Při tomto zobrazení mohou tyto proměnné nabývat pouze určitých, diskretních hodnot. Přesnost zobrazení je dána počtem použitých binárních řádů pro vyjádření hodnoty proměnné. S hodnotami takto zobrazených proměnných pak na základě zadaného programu provádí příslušné operace. I nejsložitější matematické výpočetní operace musí být převedeny na operace logické - realizovatelné základními logickými funkcemi. Schéma číslicového počítače je na obr zásahy obsluhy OPERAČNÍ JEDNOTKA OVLÁDACÍ ZAŘÍZENÍ ŘADIČ PAMĚŤ informace o provozu stroje VSTUPNÍ ZAŘÍZENÍ VÝSTUPNÍ ZAŘÍZENÍ instrukce data výsledky Obr Blokové schéma číslicového počítače 62

63 Operační jednotka - je část počítače, která provádí matematické a logické operace. Paměť - je zařízení sloužící k uchovávání hodnot jednotlivých proměnných tj. dat, čísel, se kterými se má počítat, a dále programu. Řadič - řídí chod celého zařízení podle programu uloženého v paměti. Program - je souhrn jednotlivých kroků výpočtu, tzv. instrukcí problému. Je uložen v paměti počítače. určujících postup řešení Vstupní a výstupní zařízení - slouží ke vkládání dat a programů do paměti počítače a k výstupu výsledku. Vstupní jednotkou je např. klávesnice, deska analogo-číslicových převodníků, deska číslicových vstupů, kterými se počítač připojuje na řízený proces. Výstupní jednotkou je např. obrazovka monitoru, tiskárna, výstupní jednotky číslicových výstupů, číslicově-analogových převodníků apod. bit - nejmenší množství informace - může nabýt hodnoty 0 nebo 1. Byte (bajt) - nejmenší přístupná (programovatelná) část paměti, v současné době se ustálila velikost 1 Byte = 8 bitů. U moderních počítačů je řadič, operační jednotka a část paměti integrována v jediném integrovaném obvodu tzv. mikroprocesoru. Počítač vybavený mikroprocesorem nazýváme mikropočítač. Současné obvyklé konstrukční řešení počítače má na základní desce, tzv. motherboardu, umístěný mikroprocesor, integrované obvody operační paměti a sběrnici, tj. souhrn vodičů umožňující přenos signálů mezi jednotlivými částmi počítače. Do konektorů sběrnice se zasunují desky zajišťující komunikaci počítače s dalšími vnějšími zařízeními, tzv. periferiemi jako je klávesnice, monitor, tiskárny, jednotky pro styk s technologickým procesem apod. a dále jednotky pro spolupráci s vnějšími pamětmi, které mají většinou velkou kapacitu, ale jsou podstatně pomalejší než operační paměť, se kterou spolupracuje procesor. Jako vnější paměti slouží např. disketové jednotky s výměnným paměťovým médiem, harddisk - disková jednotka s vysokou kapacitou paměťového prostoru, zapouzdřená, bez možnosti výměny paměťového média, přídavné polovodičové paměti atd Funkce počítače Velmi zjednodušeně popíšeme funkci počítače. Operační jednotka obsahuje tzv. střadač, tj. registr posledního výsledku a dále tzv. střadač adres. Program je uložen spolu s daty, která mají být výpočtem zpracována, v operační paměti. Každé místo v operační paměti má své číslo, tzv. adresu. Program je v paměti uložen ve tvaru instrukcí, přičemž každá instrukce obsahuje kód adresy a operační kód. Instrukce jsou řazeny na následujících adresách se vzestupnými čísly adres v pořadí, v jakém mají být postupně prováděny. Při zahájení výpočtu se zapíše do střadače adres adresa prvé instrukce programu. Do operační jednotky se načte obsah této adresy, tj. operační kód, a podle něho se přestaví operační jednotka na provedení funkce 63

64 odpovídající tomuto operačnímu kódu, např. na sčítání, odečítání, logickou operaci apod. Dále se přečte podle adresního kódu instrukce obsah adresy, která obsahuje tzv. operand, tj. číslo se kterým má být proveden výpočet. Nyní operační jednotka provede operaci s tímto operandem a obsahem střadače. Výsledek výpočtu zůstane uložen ve střadači. Obsah střadače adres se zvýší o jedničku, tím je určena adresa další instrukce programu a postup se opakuje. Tím, že lze provádět operace nejen s operandy, ale i s adresami, lze realizovat i různé skokové funkce, porovnávací funkce apod. Na této úrovni zápisu je program i adresy uloženy ve tvaru binárních čísel, tzv. binárních souborů. Přímý zápis programu v binárním tvaru je velmi složitý a náročný, proto byla vyvinuta řada programovacích jazyků (BASIC, FORTRAN, ALGOL, COBOL, PASCAL, C-jazyk atd.), které umožňují zápis programu pomocí různých mnemotechnických zkratek a matematických výrazů. Současně obsahují i řadu pomocných prostředků pro hledání chyb v programu, jeho ladění, úpravy atd. Program zapsaný v programovacím jazyce je zkontrolován po formální stránce, zda splňuje pravidla tzv. gramatiky jazyka, tedy užívá pouze povolených slov, výrazů, znaků a jejich vazeb. Takto zapsaný tzv. zdrojový program je pak počítačem přeložen prostřednictvím speciálního programu tzv. překladače do binární formy vhodné pro zpracování úlohy výše uvedeným postupem Řídicí počítače Používají se k přímému řízení výrobního procesu. Jejich použití má především tyto výhody: možnost realizovat takové přenosy regulátorů, které nelze realizovat klasickými analogovými prvky, centralizace zařízení - jediný počítač nahrazuje řadu přístrojů a provádí řadu funkcí, snadná změna postupu řízení - tak zvaného algoritmu řízení, možnost pružného přizpůsobování algoritmu řízení skutečným podmínkám, tedy možnost realizace tzv. adaptivního řízení, adaptivních algoritmů, možnost realizace speciálních optimalizačních algoritmů řízení, snadný přenos informací mezi jednotlivými řídicími systémy, vypracování protokolů ve formě vhodné pro další zpracování počítači (na vhodném paměťovém médiu - disketě,...). Vzhledem k současnému rozvoji mikroelektroniky se zejména mikroprocesory staly velmi dostupnými a prakticky vytlačují i v základních přístrojích klasickou analogovou regulační techniku. Často se přístroj z hlediska vnějšího připojení chová jako analogový, přitom vnitřní zpracování dat je provedeno mikropočítačem. Nevýhody počítačového řízení jsou: protože počítač většinou realizuje současně větší množství různých funkcí, které při výpadku počítače všechny přestanou pracovat, je nutno počítač vhodně zálohovat, 64

65 příprava pro nasazení řídicího počítače je zpravidla složitější než pro užití klasické regulační techniky, i když moderní technologie montáže a připojování už značně tuto nevýhodu potlačily. Řídicí počítač musí mít následující vlastnosti: univerzálnost - musí umožnit řešit různé typy úloh, stavebnicová koncepce systému - musí být k disposici řada druhů desek pro připojení počítače na proces tak, aby šlo s daným počítačem řešit různé regulační úlohy - jiná aplikace je u válcovací stolice, jiná u ohřívací pece, obráběcího stroje apod., přitom vlastní procesorová deska může být pro všechny případy stejná, musí být vybaven analogově-číslicovými (A/D) a číslicově-analogovými převodníky (D/A) pro připojení na proces, vysoká rychlost, vysoká spolehlivost a nenáročnost na údržbu. 65

66 8. AUTOMATIZOVANÉ SYSTÉMY ŘÍZENÍ 2 hodiny Text - normální Čas ke studiu Cíl Výklad Při praktických aplikacích automatizovaných systémů řízení technologických procesů (ASŘTP) se vyskytuje velký počet regulovaných soustav, kombinace různých typů automatických regulačních obvodů, ovládání a ručního řízení. Jedná se pak o složité mnohoparametrové úlohy, jejichž popis nelze uskutečnit z jediného úhlu pohledu. Všechny vazby se nedají popsat jedinou strukturou vazeb. Systém je nutno popisovat z různých hledisek. Prvky charakteristické pro určité hledisko vytvářejí vazby určitého druhu - vznikají specifické struktury, které spolu souvisí. Doporučuje se rozlišovat tyto struktury: rozhodovací S1 funkční S2 organizační S3 informační S4 technická S5 Jednotlivé struktury je možno obecně vyjádřit v podobě orientovaných grafů, nebo blokových schémat. Popis ASŘTP je pak dán průnikem jednotlivých struktur. Rozhodovací struktura S1 Chápe se jako řešení obecné úkoly řízení. Popisuje zákony a strategii řízení na dané rozlišovací úrovni. Tato struktura odráží technologii výroby. Někdy lze již na této úrovni sestavit dále popsanou algoritmickou strukturu. Funkční struktura S2 Vyjadřuje všechny druhy činnosti systému při jeho práci. Je rozvinutím rozhodovací struktury a spolu s ní vyjadřuje všechny procedury, které podmiňují a provázejí rozhodování. Pro každou funkci se stanovují požadavky na její automatizaci. Funkční struktura může být dále dokomponována podle různých hledisek. Nejčastěji se jedná o hierarchické členění. 66

67 Organizační struktura S3 Určuje skladbu a vzájemné vztahy všech řídicích center, mezi jejichž operátory je rozdělena množina funkcí systému. Každému prvku organizační struktury přiřazuje souhrn odpovídajících funkcí. Znázorňuje se opět grafem, v němž uzly představují množinu všech řídicích center a hrany vyjadřují hierarchii vztahů mezi těmito centry tj. vztahy administrativní podřízenosti. Odvozuje se ze struktury funkční. Organizační struktura ve formě schématu se doplňuje tabulkovým soupisem funkcí příslušejících danému prvku, soupisem vstupních a výstupních informací, adresami zdrojů a uživatelů informací atd. V ASŘTP postihuje úlohu lidského činitele. Informační struktura S4 Vyjadřuje směry a charakteristiky informačních toků v systému. Lze ji znázornit orientovaným grafem, kde uzly představují množinu funkcí nebo řídicích center a hrany vyjadřují informační toky mezi nimi. Ke každé spojnici se přiřazují parametry předávaných informací, jejich četnost atd. Technická struktura systému S5 Představuje výpočetní a automatizační prostředky určené k realizaci algoritmů řízení. V orientovaném grafu uzly představují množinu technických prostředků pro sběr, zpracování a přenos informací, hrany jsou informační kanály. Technická struktura se znázorňuje rovněž ve tvaru blokového schématu, doplněného textem, který zobrazuje potřebné režimy činnosti a údaje o informačních tocích. Na straně procesu se měřením získávají informace o stavu procesu. Dále jsou zde zařízení a informace pro podsystém přerušení (signály o dosažení mezních hodnot). výkonové mechanizmy (motory, ventily), které ovlivňují proces. Spojení s počítačem je obvykle uskutečněno jednotkami styku s prostředím, které normalizují úroveň a formu signálů (analogové., digitální, binární). Na straně uživatele se uskutečňuje vazba s procesem přes počítač. V jednotce styku s operátorem provádí testování, získávání údajů, vyhodnocování trendů atd. Stykovým zařízením je konzola, která informuje o činnosti procesu a dovoluje zásah do procesu. Počítač spolu se softwarovým zabezpečením tvoří výpočetní systém. Může se jednat o systém se soustředěnou jednoprocesorovou strukturou - jedna centrální jednotka s velkou kapacitou operační paměti. Stále častěji se užívá rozložená mnohoprocesorová struktura. Automatizační jednotky se pak na různých úrovních realizují různými malými decentralizovanými systémy spojenými v síti. Výhody jsou v menších nárocích na paměť, automatizovaný systém je možno realizovat po etapách, počítačové jednotky jsou blízko u agregátů a tím vzniknou úspory na kabeláži, zvýší se frekvence sběru dat, zvýší se spolehlivost systému Algoritmická a programová struktura Má-li být automatické řízení zabezpečováno prostřednictvím řídicího počítače, je nezbytné, aby jeho provedení bylo formulováno jako výpočetní proces. Ten je představován 67

68 algoritmem řízení. Je odvozen od funkční struktury a je formulován tak, aby byl zajištěn vytýčený cíl řízení systému. Algoritmus řízení je uzlovým prvkem algoritmické struktury. Algoritmus je soustava pravidel a předpisů pro správný výkon funkce řízení na technických prostředcích systému. Algoritmická struktura zachycuje informační vazby mezi jednotlivými uzlovými prvky představovanými algoritmy řízení. Vzájemný vztah funkční a algoritmické struktury je možno charakterizovat tak, že algoritmická struktura vytváří formální předpoklady (v úrovni logického schématu systému) pro praktickou realizaci funkční struktury. Algoritmus převedený do podoby řídicího programu je praktickým provedením určité funkce řízení. Obecná funkce řízení zachycená schématem vstup - zpracování - výstup je popisována seznamem informací. Technologie řízení je zachycena v sekci zpracování, tj. v transformační části, kde je po krocích popsán způsob převodu vstupních informací na informace výstupní a to buď prostřednictvím matematického nebo logického výrazu, nebo i verbálně. Hovoříme o technologickém algoritmu - představuje funkci řízení. vstupní informace VSTUPNÍ ČÁST TRANSFORMAČNÍ ČÁST VÝSTUPNÍ ČÁST výstupní informace Obr Funkce řízení Technologický algoritmus reprezentující funkci řízení je nutno převést do podoby systémového algoritmu. Ten představuje zadání pro programátora na vytvoření řídicího programu. Zde je již respektována skutečnost, že praktické provedení algoritmu řízení bude provedeno na počítači určitých vlastností a je třeba jej formulovat s ohledem na zatížení centrální jednotky či operační paměti. Praktické provedení automatické funkce řízení na řídicím počítači je pak řídicí program Funkce automatizovaných systémů řízení technologických procesů Uvedené struktury systémů řízení jsou schopny plnit následující funkce: funkce informační, funkce řídicí, funkce pomocné. Informační funkce Úkolem informačního podsystému ASŘTP je kontrola chodu výroby a sledování průběhu vlastního technologického procesu. Podsystém poskytuje informace operátorům a dispečerům o stavu procesu a o odchylkách od žádaného průběhu tak, aby bylo možno proces operativně řídit. V případě výpadku řídicího počítače musí být poskytnuty všechny informace potřebné k nouzovému řízení procesu. 68

69 Vyskytuje se zde sběr a prvotní zpracování údajů, kontrola a registrace, analýza činnosti blokování a ochrany, diagnostika a predikce průběhu procesu, diagnostika informací, operativní zobrazení, přenos informací do vyšší úrovně řízení. Řídicí funkce ASŘTP Řídicí funkce jsou určeny k realizaci úloh bezprostředního řízení technologických procesů s cílem dosáhnout optimálního průběhu regulačního děje i optimálního průběhu procesu podle kritérií zabezpečujících splnění ekonomických požadavků. Jedná se o logické řízení, stabilizaci, optimalizaci, kontrolu zatížení strojů a toků materiálu, řízení návaznosti na okolí, havarijní režimy, diagnostiku. Jiné funkce ASŘTP ochrana zdraví, ochrana okolí, respektování omezujících podmínek Automatizované systémy řízení jako kybernetické systémy Automatizované systémy řízení technologických procesů je možno řadit mezi kybernetické systémy Kybernetika zkoumá podobnosti v chování živých organizmů a složitých strojů a určuje obecné zákonitosti řízení systémů se složitou vnitřní strukturou. Pro toto zkoumání je základním hlediskem přenos informace - stranou zůstává hledisko energetické, které se používá při studiu fyzikální podstaty chování systémů. Informace je ústředním pojmem technické kybernetiky. S tím souvisí rozšíření definice kybernetiky je to věda o obecných zákonech vzniku, přenosu a zpracování informací ve složitých systémech. Technická kybernetika je dnes uznávaná jako jedna ze základních teoretických disciplín oborů zabývajících se řízením technologických procesů. Vlastní proces rozvíjení kybernetiky ve smyslu vnitřního členění obsahuje: teorii informace, teorii systémů, teorii řízení, teorii rozhodování a umělou inteligenci. Systémy ASŘTP jsou do této kategorie systémů řazeny na základě těchto vlastností: spojitost systémů, dynamika systému, existence podsystému, hierarchická struktura, prvky samočinné organizace, velký počet typů technických prostředků, účast člověka na řízení. 69

70 8.4. Klasifikace ASŘTP Zařízení užitá pro realizaci automatizace technologických procesů se dají rozlišovat podle následujících hledisek: podle charakteru řízeného procesu - spojité, diskrétní, kombinované, dopravní, montážní, podle stupně složitosti - počet kontrolovaných a řízených veličin, velké systémy mají více jak 1000 prvků, podle dosahu automatizovaného systému řízení - lokální, integrované, zahrnující základní technologické procesy i procesy pomocné, podle stupně automatizace - určuje intelektuální rozdělení funkcí mezi počítačem a člověkem, systémy s automatickým sběrem a zpracováním informací - automatické informační systémy - řídicí funkce zde vykonává člověk, systémy s automatickou analýzou stavu systému a s vytvořením rad operátorům -počítač je v tomto případě off-line, systémy automatického řízení - procesy jsou řízeny automaticky bez přímé účasti člověka - zapojení počítačů in line, podle funkčně algoritmických příznaků: - systémy logického a programového řízení, - systémy stabilizace parametrů, - systémy extremálního řízení, - systémy adaptivního řízení, - systémy organizačně technologického řízení, atd., podle příznaků architektury řídicích systémů: - jednoúrovňové systémy s jedním výpočetním komplexem, - dvou a víceúrovňové řízení s využitím počítačů na různých úrovních řízení. Často je užitečné rozlišovat systémy podle vazeb počítačů a lokálních regulátorů navzájem a s procesem. Prolíná se zde dělení podle stupně automatizace i podle architektury řídicího systému. Některé ze základních vazeb jsou: 8.5. Základní vazby řídicího počítače na proces OFF-LINE Člověk přijímá a zpracovává informace z procesu. Zavádí je do počítače a informace z počítače po zhodnocení využívá zpětně k řízení procesu. 70

71 PROCES měřicí zařízení regulační zařízení ČLOVĚK POČÍTAČ Obr Spojení počítače s procesem off-line ON-LINE Při způsobu připojení on-line je počítač přímo spojen s procesem Způsob činnosti ON-LINE, OPEN-LOOP (otevřená smyčka) Převod informací z procesu do počítače probíhá automaticky, člověk zhodnocuje výstup z počítače a zavádí ho zpět do procesu. PROCES měřicí zařízení POČÍTAČ regulační zařízení ČLOVĚK Obr Spojení počítače s procesem on-line, open-loop Způsob činnosti ON-LINE, CLOSED-LOOP (uzavřená smyčka) Převod informací z procesu do počítače i z počítače zpět na proces probíhá automaticky, bez zásahu člověka. Ten má zde jen kontrolní funkci. 71

72 PROCES měřicí zařízení regulační zařízení POČÍTAČ Obr Spojení počítače s procesem on-line, closed-loop Spojení soustavy s počítačem způsobem FEED-BACK Při tomto spojení se na základě naměřených hodnot vstupních a výstupních veličin procesu přestavují konstanty řízení. PROCES regulační zařízení měřicí zařízení POČÍTAČ Obr Spojení způsobem feed-back Spojení soustavy s počítačem způsobem FEED-FORWARD Počítač zavádí vstupní data do modelu, který mu určí chování systému podstatně rychleji, než k němu opravdu dojde na řízeném procesu. Tím může počítač okamžitě reagovat na změny v procesu a zkvalitňovat tak řízení. Problém je se zpětnou kontrolou kvality modelu. PROCES měřicí zařízení regulační zařízení POČÍTAČ MODEL Obr Spojení způsobem feed-forward 72

73 8.6. Syntéza algoritmů řízení Algoritmy řízení musí řešit úlohy v jednotlivých úrovních řízení Úlohy v oblasti rozvrhování výroby Cílem algoritmizace je sestavit optimální rozvrh výrobních úkolů, dosáhnout shody mezi požadavky zakázek a možnostmi výroby v daném období, provádět transformace zakázek na úroveň dne nebo směny, ovlivňovat průchodnost zakázek, přiřazovat technologické operace jednotlivým agregátům. Kriteriální funkcí může být odchylka kapacitních nároků a možností. Kritériem optimality může být např. minimalizace nákladů nebo maximální využití výrobního zařízení Úlohy ASŘ v operativním řízení výroby Cílem je optimální plnění požadavků v daném časovém intervalu. Reaguje se na stav zásob, připravenost pomůcek, stav výrobního zařízení, propustnost dopravních cest, možnost dodávek energie, nepředvídané situace. Typické úkoly zde jsou: operativní kontrola stavu výrobních zařízení, snímání údajů z výrobního zařízení, signalizace havarijních stavů, koordinace mezi pracovišti, zajištění vazby na ASŘTP a nadřazenou úroveň Algoritmy řízení technologických procesů Úlohy ASŘTP jsou: kontrola stavu, stabilizace, automatické najíždění a odstavování, optimalizace technologického procesu, optimalizace procesu řízení, propojení lokálních regulátorů do ASŘTP. K tomu je třeba řešit teoretické problémy ASŘTP: formulace cílů a efektivnosti řízení, problém matematického popisu řízeného systému, problém syntézy algoritmu řízení, problém získání a přenosu prvotní informace, problém transformace informačních signálů na výkonové, problém přesnosti realizace algoritmu řízení, problém spolehlivosti řízení. Algoritmy ASŘTP se vyznačují úzkou množinou vstupních a výstupních informací a těžiště spočívá v návrhu jeho střední, tj. transformační části. 73

74 Při použití počítače k řízení je nutné pracovat s diskrétními vzorky signálů, které analogově číslicový převodník v diskrétních okamžicích kvantuje a převádí na číselné vyjádření. Časové konstanty většiny regulovaných soustav jsou o mnoho řádů větší, než je doba potřebná pro výpočet regulačního zásahu. Mezi jednotlivými akčními zásahy je dost času pro využití počítače pro jiné regulační úlohy. Počítač je pak postupně připojován do většího počtu regulačních obvodů. Uvažujme řízení mnohorozměrné soustavy počítačem: Objekt identifikace si lze znázornit takto: v 1 v 2 v k { u 1 u 2 u n SOUSTAVA y 1 y 2 y m } AKČNÍ ČLENY Č/A ŘÍDICÍ POČÍTAČ A/Č Obr Připojení řídicího počítače Blok A/Č obsahuje vzorkovací zařízení, multiplexor, který je programově řízeným přepínačem pro postupné připojování jednotlivých regulovaných veličin na vstup převodníku a analogově číslicový převodník. Blok Č/A obsahuje číslicově analogový převodník a tvarovací obvody, které udržují hodnoty akčních veličin po dobu mezi jednotlivými řídícími zásahy na požadované úrovni. Před tvarovacími členy musí být rovněž zařazen multiplexor. Cílem algoritmu řízení není jen prostá náhrada klasických regulátorů známých z teorie automatického řízení, i když i ta je možná, ale vytváření obecných závislostí mezi akčním signálem a odchylkou regulačního obvodu umožňující změny struktury a parametrů regulátoru v průběhu regulačního děje podle změn vlastností regulovaných soustav. Cílem je dosažení optimálního průběhu regulačního pochodu. 74

75 9. OPTIMÁLNÍ ŘÍZENÍ 1 hodinu Text - normální Čas ke studiu Cíl Výklad Praktické řešení algoritmu optimálního řízení vyžaduje značný objem informací. Existují dvě možnosti: nemáme dostatečné apriorní informaci o objektu, máme dostatečné apriorní informaci o objektu. V případě nedostatečnosti informací využíváme průběžné informace, která je výsledkem pozorování experimentu v průběhu řízení. Optimalizujeme-li takový systém, jehož parametry se neustále mění, jedná se o optimalizaci nedeterministickou. Při ní se proces identifikace a řízení vykonává současně. Optimálního řízení se dosáhne adaptivními systémy, které jsou schopny své vlastnosti přizpůsobovat změnou parametrů, nebo učícími se systémy, které jsou schopny své vlastnosti během řízení zlepšovat. Optimalizujeme-li systém, který jsme schopni matematicky popsat, jedná se o optimalizaci deterministickou. U takových systémů lze podle znalosti chování v určitém časovém intervalu usuzovat i na chování mimo tento interval. Patří sem tedy systémy stochastické, u kterých znalost chování těchto procesů v nějakém úseku umožňuje určit pravděpodobnostní charakteristiky chování i vně tohoto časového intervalu. V praxi považujeme apriorní informace za základ pro formulaci problému optimálního řízení a průběžnou informaci za prostředek řešení Nedeterministická optimalizace Řídicí systém vykonává funkci identifikace a řízení. Tuto činnost vykonává tzv. optimalizátor. Ten působí aktivně na objekt a podle výsledků působení mění algoritmus řízení tak, aby bylo dosahováno extrému kritéria optimality. Optimální hodnoty jsou charakterizovány dosažením extrému stanoveného kritéria - odtud název extremální regulace. Optimalizace se děje samočinným vyhledáváním extrému kritéria optimality. 75

76 Všimněme si extremálního charakteru některých vybraných veličin charakterizujících ohřev. Jedná se především o tyto veličiny: spalovací poměr ρ, účinnost pece η, ztráta tepla odpadními spalinami, gradient růstu teploty v peci, spotřeba paliva k ohřevu, teplota plamene. Je žádoucí, aby ohřev probíhal s co nejvyšší účinností. Jedním z činitelů je využití tepla přivedeného do pece. To vyžaduje udržování spalovacího poměru na optimální hodnotě. Poměrová regulace stabilizačního typu však nezajišťuje maximální využití paliva, neboť nerespektuje změny spalovacích poměrů v peci, změny složení paliva, infiltraci studeného vzduchu apod. Dá se ukázat, že výše uvedené veličiny mají extrém při spalování s přibližně teoretickým množstvím vzduchu. Zároveň bude maximální teplota plamene, nejrychleji poroste teplota vsázky, bude nejmenší spotřeba paliva na ohřev. Maximální účinnost pece při ohřevu je určena jedinými extrémy výrazných nelineárních závislostí teploty plamene, komínových ztrát, gradientu růstu teploty vsázky a spotřeby paliva v závislosti na spalovacím poměru ρ. Funkci extremálního regulátoru lze znázornit na obr Jako kritérium optimality si lze představit měřenou teplotu plamene M v závislosti na spalovacím poměru. Pro soustavy s delšími časovými konstantami je vhodné provedení extremálního regulátoru jako krokového. Krokový extremální regulátor vykonává svou činnost tak, že provede změnu spalovacího poměru ρ tím, že zvýší množství spalovacího vzduchu (1). V případě, že došlo k přírůstku kritéria optimality (1), vyhodnotí se tento krok jako správný a provede se další změna spalovacího poměru ve stejném směru (2). Protože však došlo ke snížení hodnoty kritéria optimality (2), provede se další krok opačným směrem (3) a množství vzduchu se sníží. Tento krok způsobí opět zvýšení hodnoty kritéria optimality (3) a následně proto dojde k opakování kroku stejným směrem, tj. K dalšímu snížení množství vzduchu (4). Tento krok způsobí snížení hodnoty kritéria optimality (4) a množství vzduchu se opět zvýší. Celý proces se neustále opakuje a regulátor činí kroky kolem maximální hodnoty zvoleného kritéria. Tím vznikají ztráty hledáním, které jsou tím větší, čím jsou větší pokusné kroky extremálního regulátoru. Zároveň s velikostí kroku roste odolnost regulátoru proti nesprávnému kroku při výskytu nežádoucí poruchy, která se může projevit na hodnotě kritéria optimality aniž je vyvolána pokusným krokem extremálního regulátoru. Vzhledem k tomu, že se poloha extrému neustále mění, musí být regulátor schopen se této změně přizpůsobit. To je zabezpečováno volbou periody kroku. 76

77 1 2 M ρ opt ρ Obr Funkce extremálního regulátoru Pro zabezpečení funkce musí být extremální regulátor vybaven zařízením pro měření přírůstku kritéria optimality, zařízením pro zapamatování směru kroku regulátoru a logickým obvodem pro určení směru dalšího kroku. Označíme-li ρ jako přidání nebo snížení množství vzduchu, tj. kladný nebo záporný směr pokusného kroku, a M zvýšení nebo snížení hodnoty kritéria optimality, tj. kladnou nebo zápornou hodnotu změny kritéria optimality, je možno pravdivostní tabulku logického obvodu pro vyhodnocení směru příštího kroku napsat ve tvaru: Tab Pravdivostní tabulka logického obvodu ρ n M n ρ n n - pořadí pokusného kroku, ρ n - ρ n+1 = ρ n - velikost kroku, M n - M n-1 = M n - přírůstek kritéria Přenos extremálního regulátoru je F = 1 F = -1 F = sign ρ. sign M (9.1) - zvětšení množství vzduchu - snížení množství vzduchu 9.2. Deterministická optimalizace Tato optimalizace může být definována jako převedení systému z počátečního stavu do cílového stavu zadaného žádanými hodnotami takovým způsobem, aby bylo minimalizováno kritérium optimality, které je určeno ekonomickými hledisky a to při respektování všech omezení na akční i řízené veličiny systému. 77

78 Příkladem může být vedení ohřevu tělesa tak, aby bylo dosaženo minimální spotřeby energie, minimálního okysličení materiálu, minimálních nákladů atd. Kritérium optimality je zpravidla vyjádřeno jako funkcionál. Obecnou metodou řešení optimálního řízení je variační počet pro hledání extrému funkcionálu. Vzhledem k omezujícím podmínkám se však užívá speciálních metod, jako je Pontrjaginův princip maxima nebo Bellmannova metoda dynamického programování. 78

79 10. ŘÍZENÍ TECHNOLOGICKÝCH PROCESŮ 1 hodinu Text - normální Čas ke studiu Cíl Výklad Pod pojmem řízený technologický proces rozumíme takový proces, u kterého jsou definovány základní vstupní vlivy a výstupní proměnné procesu, které je nutno řídit v reálném čase, kde jsou stanoveny determinované anebo pravděpodobnostní závislosti mezi vstupními vlivy a výstupními proměnnými (tj. je znám matematický model procesu), jsou rozpracovány metody automatického měření proměnných a jsou definovány cílové změny. Při řízení výrobně technologických procesů jsou v reálném čase přímo řízeny procesy transformace a rozvodu energie a hmoty. Potom při specifikaci cílů řízení je nutno ještě uvažovat kritéria technologického charakteru a zejména požadavky optimalizace vlastního technologického procesu. Charakteristickým znakem řízení těchto procesů je vysoký stupeň automatizace řízení na úrovni jednotkových procesů. Výrobní procesy podléhají četným náhodně působícím vlivům, které se z hlediska dosažení cílů řízení projevují jako poruchy. Ty mohou být způsobeny výkyvy jakosti materiálů a polotovarů, nepředpokládanými změnami zatížení, nedostatkem energie, poruchami strojů a zařízení, atmosférickými vlivy, ale i nedostatky v dodržování technologické disciplíny, neschopností rychle a správně analyzovat složité situace apod.. Řízení technologických procesů a zařízení je jednou částí širší oblasti řízení výrobních procesů. Přitom řízení výrobních procesů zahrnuje, podle charakteru výroby ve větší nebo menší míře, tyto úkoly: výrobní rozvrhování, operativní řízení výroby, řízení technologických procesů a zařízení. Rozsah řešených úloh ve výrobním rozvrhování, operativním řízení výroby a řízení technologických procesů a zařízení je dán charakterem výrobně technologického procesu. V přetržité (diskrétní) výrobě hrají velkou roli úlohy ve výrobním rozvrhování a operativním řízení výroby, zatímco v nepřetržité (kontinuální) výrobě převládají úlohy spojené s přímým řízením technologických procesů a zařízení. Všechny tři stupně řízení výrobních procesů jsou vcelku rovnoměrně zastoupeny v přetržitě nepřetržitých výrobách. Výrobní rozhodování 79

80 Cílem výrobního rozhodování je sestavit optimální rozvrh výrobních úkolů, tj. dosáhnout shody mezi požadavky zakázky a možnostmi výroby v daném období. Úlohy, které se zde řeší, jsou : transformace zakázek až na úroveň dne nebo směny, ověřování průchodnosti zakázek, tj. přiřazování jednotlivých operací určitému intervalu časové stupnice příslušného stroje apod. při dodržení požadované kvality výroby a respektování všech omezujících podmínek (kapacitních, technologických a j.). Na této úrovni řízení vystupuje počítač pouze jako prostředek při automatizaci výpočtů, tj. umožňuje rychle prošetřit různé varianty řešení, ale do procesu řízení a rozhodování přímo nezasahuje. Pracuje tedy jako počítač - rádce (tj. v zapojení typu off-line). Operativní řízení výroby Cílem operativního řízení výroby je optimální plnění požadavků na daný časový interval v daném výrobním úseku (až do úrovně lhůtových rozvrhů operací na jednotlivých technologických pracovištích). Jako objekty řízení zde vystupují výrobní úseky představované mnoha parametrovými systémy (např. výrobními stroji) se sériovými a paralelními toky surovina a polotovarů. Jsou zde složité problémy prostorové i časové koordinace, které je třeba řešit podle kombinovaných ekonomických a technologických kritérií. Mezi nejvážnější kritéria patří obvykle výrobní náklady, minimalizace prostojů, zkrácení průběžné doby výroby a plnění plánu i při působení náhodných poruch. Operativní řízení výroby musí být schopno reagovat na okamžitou situaci ve výrobě, tj. na stav zásob resp. připravenosti materiálu a výrobních pomůcek, stav výrobního zařízení, propustnost dopravních cest, rozpracovanost, nepředvídané situace atd.. Od informačního a řídícího systému se tedy vyžaduje sběr a zpracování informace v reálném čase. Při realizaci úloh operativního řízení výroby může automatizační a výpočetní technika plnit již celou řadu funkcí bez přímé účasti operátora. Do určité míry lze automatizovat i některé řídící zásahy a přípravu rozhodnutí. Vlastní rozhodovací úloha (např, při alternativních možnostech) zůstává člověku. Přímé řízení technologických procesů a zařízení Cíle řízení technologických procesů a zařízení jsou velmi silně závislé na charakteru příslušného procesu a na vlastnostech zařízení. Protože jde o přímé řízení procesů transformace a rozvodu energie a hmoty, může být kritériem např. optimalizace vlastního technologického procesu nebo minimalizace přechodových stavů při změně režimu aj. Při řízení technologických procesů a zařízení mohou řídící systémy přímo zasahovat a ovlivňovat průběh řízených procesů. Počítače a další automatizační prostředky mohou pracovat buď s cílem koordinovat, kontrolovat ev. ovlivňovat automaty nasazené na úrovni jednotkových procesů (ve způsobu on-line), nebo mohou bezprostředně řídit průběh procesů (ve způsobu in-line nebo DDC). V obou případech jde o řízení automatické,v němž člověku přísluší jen úloha dohlížecí a rozhodovací. Charakter technologických procesů z hlediska řízení Složitost problémů řízení závisí velmi silně na charakteru výrobně technologických procesů. Podle průběhu a organizace procesů rozlišujeme: nepřetržité (spojité, kontinuální) procesy - se vyznačují relativně úzkou nomenklaturou produkce, tuhými vazbami mezi jednotlivými výrobními úseky, málo častými změnami ve 80

81 výrobě a relativně ustálenými podmínkami a cíli řízení. Procesy chemicko-technologické a procesy transformace energie. přetržité (nespojité, diskrétní) procesy - se vyznačují širokým sortimentem produkce a jeho častými změnami, jednotlivé výrobní úseky mají různou kapacitu, což oslabuje jejich vzájemné vazby, existují křížové vazby mezi paralelními technologickými úseky, což ztěžuje podmínky pro jejich součinnost a jsou vysoké požadavky na koordinaci jednotlivých úseků pro konečnou montáž výrobku. Procesy strojírenské výroby. kombinované (přetržitě nepřetržité) procesy - jsou zde zastoupeny jak nepřetržité (spojité) procesy, tak procesy přetržité (diskrétní), vyznačují se častými změnami sortimentu výroby, složité technologické a organizační vazby mezi jednotlivými částmi výrobního systému, silné náhodné vlivy (výsledky některých technologických operací, doby jejich trvání) a pro hutní výrobu jako typického představitele práce s horkým resp. tekutým kovem. 81

82 11. INTEGROVANÝ HUTNÍ PODNIK 1 hodinu Text - normální Čas ke studiu Cíl Výklad Integrované hutní podniky jsou charakteristické sítí nezávislých materiálových a energetických toků mezi různými výrobními jednotkami (závody aglomerace, peletizace, koksovny, vysoké pece a kyslíkové ocelárny s následným odléváním), zaujímající plochu až několik km 2. (obr. 1) Před tím, než budou podrobně pospány jednotlivé typy zařízení a systémy řízení bude prezentován přehled vzájemných závislostí metalurgické výroby. Obr. 1 Letecký pohled na integrovaný hutní podnik 82

83 11.1 Přehled postupů Schematické znázornění pracovních postupů v rámci integrovaného hutního podniku je uvedeno na obr. 2. Obrázek představuje schematický přehled hlavních materiálových vstupů a výstupů pro každou etapu výrobního postupu. V provozech integrovaných hutních podniků je vysoká pec hlavní provozní jednotkou, kde dochází k primární redukci oxidických rud na tekuté surové železo, resp. na surové železo v houskách. Moderní vysoce výkonné vysoké pece vyžadují fyzikální a metalurgickou přípravu vsázky. Dvěma druhy zařízení pro přípravu železné rudy jsou závody aglomerace a peletizace. Pelety se téměř vždy dělají z jedné, velmi dobře definované rudy nebo koncentrátu v dolech a v této formě se přepravují. V současné době v Evropě existuje pouze jeden integrovaný hutní podnik, který provozuje i peletizační zařízení. Aglomerát se obvykle vyrábí v železárnách z předem stanovených směsí jemných rud, odpadních zbytků a přísad. Hlavními redukčními činidly ve vysoké peci jsou koks a práškové uhlí, tvořící oxid uhelnatý a vodík, které redukují oxidy železa. Koks a uhlí fungují také částečně jako palivo. Koks se vyrábí z uhlí pomocí suché destilace v koksovně a má lepší fyzikální a chemické vlastnosti než uhlí. V mnoha případech se podávají přídavná redukční činidla/paliva injektáží oleje, zemního plynu a (v několika případech) i plasty. Horký vzduch poskytuje nutný kyslík pro tvorbu oxidu uhelnatého, který je zásaditým redukčním činidlem oxidů železa. Vysoká pec se zaváží shora vsázkou, která se skládá střídavě z vrstvy koksu a směsí aglomerátu a/ nebo pelet, kusové rudy a tavidel. V peci se železná ruda postupně redukuje a tekuté železo a struska se shromažďují na dně pece, odkud se odpichují. Struska z vysoké pece se granuluje, peletizuje, nebo odpichuje do struskových jam. Granulovaná struska nebo pelety se obvykle prodávají společnostem vyrábějícím cement. Struska z jam se může použít také ke stavbě silnic. Tekuté železo z vysoké pece (surové železo v houskách) se přepravuje do kyslíkových konvertorů, kde se snižuje obsah uhlíku (z cca 4 %) na méně než 1 % a tím dochází k přeměně surového železa v ocel. Na výstupu z kyslíkového konvertoru se tekutá ocel odlévá buď do ingotů nebo pomocí plynulého odlévání. Odlité výrobky (ingoty, bramy, sochory nebo bloky) se následně zpracovávají ve válcovnách a dokončovacích výrobních linkách. 83

84 Obr. 2 Přehled postupů výroby v integrovaném hutním podniku 84

85 12. KOKSOVNY 2 hodiny Text - normální Čas ke studiu Cíl Výklad Hlavním produktem výroby v koksovnách je koks. Koks je tuhým pórovitým zbytkem (hmota ocelově šedé barvy) vzniklým karbonizací uhelné vsázky, takových vlastností, které jsou požadovány při jeho dalším použití zejména ve vysokých pecích a slévárnách. Koks se vyrábí ze směsi vhodných druhů rozemletých (při sypném provozu je asi 80% hmot. % zrn menších než 3 mm, při pěchovacím provozu až 90 hmot. %.) koksovatelných černých uhlí s vlastnostmi správné spékavosti, plasticity a puchnutí uhlí v koksovacích komorách sdružovaných do koksárenských baterií. Spékavost je schopnost uhlí spéci se v pevný koksový zbytek. Plasticita je schopnost některých složek uhlí přejít při zahřívání mezi teplotami 320 až 450 C do plastického stavu. Puchnutí uhlí je zvětšování objemu uhlí při jeho plastickém stavu, které je způsobeno vyvíjejícími plyny, kterým plastická hmota klade odpor. Přeměnu uhelné vsázky na koks označujeme jako karbonizaci, tzn. pyrolýzu uhlí při vysoké teplotě, což znamená zahřívání uhlí v neoxidační atmosféře za tvorby plynů, kapalin a pevných zbytků. Při tomto procesu je teplota spalných plynů běžně 1150 až 1350 C při nepřímém zahřívání uhlí až C po dobu 14 až 24 hod. Při karbonizaci vzniká vedle koksu i surový koksárenský plyn, zpracovávaný v chemické části koksoven, při kterých se získává řada cenných produktů (čistý technický koksárenský plyn, dehet, benzol, amoniak a další). Koksovnu lze rozdělit na následující subsystémy: Uhelná služba (manipulace s uhlím), Koksová baterie (vsazování uhlí, zahřívání /žhnutí, koksování, vytlačování koksu, hašení koksu), Koksová služba (manipulaci s koksem), Chemie (jímání a úpravu koksárenského plynu a rekuperace vedlejších produktů). Zjednodušené schéma celé soustavy pochodů a procesů potřebných k výrobě koksu je znázorněno na obr.3. 85

86 Následně jsou podrobněji popsány hlavní již uvedené kroky Uhelná služba Uhelná služba představuje procesy spojené s manipulací s uhlím, která zahrnuje především následující etapy : - vyklápění uhlí: uhlí se vyklopí z vlaků na přepravní systém nebo na složiště. Používají se obvykle velké jeřáby s drapáky; - skládka uhlí: koksovny jsou běžně spojeny s velkou plochou uhelných skládek; - přeprava uhlí: musí se počítat s přepravou uhlí dopravníky, možnými přepravními uzly mimo budovy a přepravu po silnicích; - příprava uhlí: přípravou uhlí se rozumí promíchávání ve vrstvách, míšení v zásobnících a drcení, během mísícího procesu se mohou přidávat také látky k recyklaci, jako např. dehet; - zavážení uhelné věže pomocí zavážecích vozů. Obr. 3 Dekompozice koksovny 86

87 12.2 Koksová baterie Subsystém koksové baterie zahrnuje procesy v koksovacích komorách baterie. V roce 1940 byl vyvinut základní prototyp moderních koksovacích pecí. Pece byly asi 12 m dlouhé, 4 m vysoké a 0,5 m široké, vybavené na obou stranách dveřmi. Přívod vzduchu se předehříval horkým vystupujícím plynem. Rekuperace odpadního tepla umožnila vyšší teploty a zvýšila rychlost koksování. Od roku 1940 se proces mechanizoval a zdokonalily se konstrukční materiály bez významných projektových úprav. Současné soustavy mohou obsahovat až 60 komor o rozměrech 14 m délky a 6 m výšky. S ohledem na přenos tepla byla šířka ponechána v rozmezí 0,3 0,6 m. Každá pec v baterii obsáhne až 30 t uhlí. Obr. 5 takovou baterii ukazuje. Nicméně v dnešní době postavené koksovny dále zvětšily rozměry. Např. komory nové koksovny Kaiserstuhl, které byly uvedeny do provozu na konci roku 1992 jsou 18 m dlouhé, 7,6 m vysoké a 0,61 m široké a pojmou cca 65 t uhlí. Obr. 4 Koksovna koksové baterie [IPPC] Operace v komorách koksové baterie zahrnují: - zavážení uhlí - ohřívání /zapálení komor - koksování - vytlačování koksu - hašení koksu 87

88 Obr. 5 Řez koksovací baterií Zavážení uhlí Pro zavážení koksovacích komor práškovým uhlím (70-85 % pod 3 mm) zavážecími otvory existuje několik technik. Nejběžnější technikou je gravitační zavážení zavážecími vozy (Obr. 6). To může být nepřetržité, postupné nebo etapové pomocí regulované rychlosti vodorovného šroubového podavače nebo točen. Komora se naplňuje postupným vypouštěním uhlí z jednotlivých zásobníků na plnícím voze ve stanoveném pořadí tak, aby se vsázka rovnoměrně uložila v komoře. Před ukončením plnění se urovná její povrch srovnávací tyčí. Tím se vytvoří sběrný prostor nad vsázkou, v němž se shromažďují karbonizační plyny a páry během koksování. vozů Obr. 6 Technologické schéma zavážení koksovací komory uhlím pomocí zavážecích Optimalizace zvýšení sypné hustoty koksovací vsázky Na následujících obrázcích je naznačena problematika optimalizace zavážení koksovací komory. Jako nezávislé proměnné zde vystupují: pořadí jednotlivých zásobníků, čas začátku sypání, obsah jednotlivých zásobníků, počet pohybů srovnávací tyčí. Výstupními závislými proměnnými jsou vyhrnutá vsázka, zaplněný objem koksovací komory a celkový čas plnění. Systém plnění D-A-BC 88

89 Zásobník Obsah Doba sypání [ s ] [ % ] Od Do Čistý čas A 26, B 23, C 23, D 26, Počet pohybů srovnávací tyče 3 Vyhrnutá vsázka 1,26 % Systém plnění D-A-BC Zásobník Obsah Doba sypání [ s ] [ % ] Od Do Čistý čas A 26, B 24, C 24, D 25, Počet pohybů srovnávací tyče 3 Vyhrnutá vsázka 0 % Systém plnění AD-BC Zásobník Obsah Doba sypání [ s ] [ % ] Od Do Čistý čas A 26, B 24, C 23, D 26, Počet pohybů srovnávací tyče 4 Vyhrnutá vsázka 0 % 89

90 Systém plnění BC-AD Zásobník Obsah Doba sypání [ s ] [ % ] Od Do Čistý čas A 25, B 25, C 24, D 24, Počet pohybů srovnávací tyče 3 Vyhrnutá vsázka 0 % Legenda sběrný prostor na konci sypání, před pohybem srovnávací tyče po pohybu srovnávací tyče Další systémy jsou možné rovněž. Bez ohledu na systém se přísun uhlí musí provádět za regulace. Pro všechny tyto systémy se uvádějí obecná opatření. Účelem těchto opatření je dosáhnout "bezdýmého" zavážení (zavážení s omezenými emisemi). Zavážení potrubím nebo pěchovaného zavážení se používá vzácně. V závislosti na uspořádání závodu lze použít jednu, nebo kombinace více technik Ohřev/ zapalování komor Jednotlivé koksovací komory jsou odděleny vyhřívanými stěnami. Ty obsahují určitý počet topných kanálků s tryskami pro dodávané palivo a s jednou nebo více boxy pro přívod vzduchu v závislosti na výšce stěny koksovací pece. Průměrná teplota vezděné trysky charakteristické pro provoz vyhřívání spalinami se obvykle pohybuje mezi 1150 a 1350 C. Obvykle se jako paliva používá vyčištěného koksárenského plynu, ale může se rovněž použít i dalších plynů jako (obohaceného) vysokopecního plynu. Aby se zlepšila energetická účinnost, jsou vpravo pod pecemi umístěny regenerátory pro výměnu tepla z kouřových plynů se spalovacím vzduchem nebo vysokopecním plynem. Obr. 7 ukazuje schematický diagram systému ohřívání koksovací pece s identifikací emisních bodů. Nejsou-li ohřívací stěny dokonale plynotěsné z důvodů trhlin, (což je velmi častý případ), proniká koksový plyn do spalin a bude s nimi odcházet komínem. 90

91 Obr. 7 Schéma ohřívacího systému u koksovacích pecí. Znázorněný nákres platí pro jednostupňové spalování, kdežto většina dnešních moderních závodů má vícestupňové spalování; používaný koksárenský plyn se předem běžně odsiřuje Obr. 8 Schéma ohřívacího systému u koksovacích pecí Koksování Proces karbonizace začíná bezprostředně po zavážce uhlím. Odchází plyn a vlhkost, která je okolo 8-11 % vsazeného uhlí. Tento surový koksárenský plyn se vyfukuje stoupačkami do hlavního sběrného vedení. Vysoká výhřevnost tohoto plynu znamená, že se může po vyčištění (viz úprava KP) použít jako palivo (např. pro ohřev baterie). Uhlí se zahřívá vlivem vyhřívacího/spalovacího systému popsaného výše a zůstává v koksovací peci dokud střed uhelné vsázky nedosáhne teploty C. 91

92 Koksovací proces je ukončen v závislosti na šířce pece a podmínkách vyhřívání po hodinách. Obr. 9 ukazuje hlavní zdroje emisí během koksování. Mohou to být úniky dveřmi, emise z plnících otvorů a stoupaček a také v případě prasklin ve stěnách i emise koksárenského plynu přes ohřívací plyny. Při karbonizaci uhlí probíhají složité fyzikálně chemické a chemické reakce, následkem nichž se uvolňují paroplynové produkty a vzniká koks. Současně probíhají fyzikální procesy, které mají podstatný vliv na tvorbu koksu. /Brožhutnictví železa/ První stádium odpovídá ohřevu uhlí do 200 C. Z energetického hlediska jsou vnitromolekulární vazby v organických látkách silnější než vazby mezimolekulární. Proto se uvolňují nízkomolekulární plyny (CO 2, CO, H 2 O aj.) a snižuje se zastoupení skupin OH a COOH. Zásadní degradace strukturního řetězce neprobíhá. Druhé stádium odpovídá teplotám 200 až 350 C při nich nedochází k podstatnému úbytku Obr. 9 Schéma hmoty, tepelné vibrace molekul napomáhají další uvolňování H 2 O, CO, CO 2, CH 4 a H 2. končí významné vnitromolekulární přeskupení. Ve třetí stádiu od 350 do 450 C dochází k nevýraznému úbytku hmoty a sypký stav uhelné vsázky se začíná měnit v plastický a pozorujeme uvolňování dehtu. Čtvrté stádium odpovídá teplotám 450 až 550 C, při nichž dochází k prudkému úbytku hmoty zejména následkem uvolňování dehtu. Tuhne plastické fáze, roste poměr C:H, pokračuje uvolňování nízkomolekulárních plynů. Páté stádium 550 až 990 C je doprovázeno postupným úbytkem hmoty vlivem úniku nízkomolekulárních plynů zejména vodíku. Stále se zvyšuje poměr C:H a také roste skutečná hustota koksuj teplot 500 až 800 C se vlivem smršťování mění geometrické rozměry kusů koksu. Zahříváním vsázky (3. až 5. stádium) se plastické vrstvy posunují ke středu komory za nimi je již nízkoteplotní koks (polokoks), který dalším zvyšováním teploty přechází v koks. V určitém okamžiku dochází k setkání obou plastických vrstev v ose komory (6. stádium)a vytváří se tzv. dehtový šev. Karbonizace je dokončena prostupem tepla (7. a 8. stádium) Vlivem smrštění v závěrečných fázích karbonizace se vzniklý koks vzdaluje od stěny komory a švem je rozděluje na dvě poloviny. Tloušťka plastické vrstvy závisí na koksovacích vlastnostech uhlí a je 15 až 23 mm, čím je tato tloušťka větší tím lépe proces probíhá. Z 1000 kg uhlí se získá mezi kg koksu a cca 325 mł koksárenského plynu, což odpovídá cca 187 kg (koksárenského plynu). Je třeba uvést, že výtěžek koksu, produkce koksárenského plynu a složení závisí do značné míry na složení uhlí a době koksování. 92

93 Vytlačování a hašení koksu Při vytlačování koksu musí být sejmuty pecní dveře a připraveny potřebné obsluhovací stroje. Při tom pořadí komor se volí podle tzv. grafikonu cykličnosti tvořeného čísly komor a časem. Tato pořadí doznala různých modifikací ( pětkový, desítkový systém aj.), tzv. tlačením na každé páté resp. desáté peci apod., všechny však vycházejí z těchto požadavků: Zabránit přílišnému ochlazování zdiva topné stěny, vyvolanému obsazením sousedních komor vlhkou vsázkou. Kompenzovat tlaky na zdivo, vznikající zejména při vytlačování koksu, protitlakem dosud nesmrštěné uhelné vsázky vedlejších komor. Obvykle se sousední komory nacházejí ve 40 až 50% koksovací doby od komory vytlačované. Zcela karbonizovaný koks se vytlačuje ven z koksovací komory pomocí pístu výtlačného stroje do kontejneru (Obr.10). Styk se vzdušným kyslíkem způsobuje, že se koks začne ihned žhavit. Kontejnerem může být koksový hasící vůz, který převeze horký koks do hasící věže. Zde se koks hasí přímo velkými objemy vody. Vodní frakce, která se neodpaří, se může zachycovat a použít pro příští dávku, tudíž se předchází emisím do odpadní vody. Žhavý koks, vytlačený z komory do hasicího vozu se dosud převážně hasí vodou v hasící věži. Cyklus hašení má několik fází, nejprve je koks sprchován asi 150 sekund vodou. Po odkapání přebytku vody se vyklopí na koksovou rampu k odpaření povrchové vody, což trvá zhruba 30 min. Rampa představuje nakloněnou plochu, jejíž sklon činí 28, na spodní hraně uzavřenou soustavou automaticky otevíraných hradítek, která umožňují posun koksu na rampový pás. Jím se koks dopravuje do třídírny. Obr. 10 Vytlačování karbonizovaného koksu z koksovací komory do hasícího vozu 93

94 V alternativním systému, známém jako suché hašení, převáží hasící vůz horký koks do vertikální hasící komory. Inertní hasící plyn cirkuluje komorou, která je izolována od atmosféry, tedy se předchází spalování ochlazovaného koksu. Plyn se chladí ve výměníku tepla, aby se rekuperovala tepelná energie Manipulace s koksem a třídění Po hašení se koks skladuje na zásobních skládkách, ze kterých se přepravuje dopravníky (s uzlovými překladišti) po silnici, železnicí, nebo kombinací obou. Nakonec se koks drtí a třídí. Menší frakce ( < 20 mm) se používají obvykle v aglomeračním procesu, větší frakce (20-70 mm) se vkládají do vysoké pece ASŘ koksovny Řídicí systém koksovny Řídicí systém koksovny se člení na podsystémy pro řízení jednotlivých výrobních úseků. Uhelná služba řízení dopravních linek je realizováno většinou pomocí sekvenčních automatů nebo řídícího počítače. Musí umožňovat volbu a spouštění dopravních cest a jejich provoz podle blokovacích podmínek. Při použití řídícího počítače je možné automaticky řídit míchání uhelné směsi. Koksová baterie především řízení topení u jednotlivých tepelných bloků, kde přívod plynu se řídí automaticky pro celý blok. Teplota se měří buď termočlánky buď v topných stěnách nebo za generátory, kde však je měření méně přesné. V obou případech se množství přiváděného plynu reguluje podle průměru změřených hodnot. Kromě toho podle průměrných teplot se na jednotlivých měřících místech se upravuje rozdělení plynu pro jednotlivé topné stěny. Reverze topení se provádí v pravidelných intervalech. Při řízení počítačem je možné reverzovat podle teploty spalin za regenerátorem. Je potřeba řídit zavážení koksovací baterie v různých časech, aby bylo dosaženo za pomoci srovnávací tyče optimální naplnění. Koksová služba - řízení je analogické jako u uhelné služby. Chemie pro řízení je možné použití řídícího počítače pro informační systém nebo pro přímé číslicové řízení regulačních obvodů Systémy automatické regulace tepelného režimu koksárenské baterie Stabilizace tepelného režimu koksárenské baterie je jedním z nejobtížnějších problémů klasické regulace. Automatická regulace směšovací stanice topných plynů Účel: stabilizace tepelného příkonu do systému Řízení pracuje na principu vlečné regulace směšovacího poměru topných plynů s korekcí od Wobbeho čísla nebo od výhřevnosti směsného plynu H Wobbeho číslo W = S H výhřevnost, kterou je nutno spočítat z tepelného výkonu P = Q. H 94

95 S hutnost plynu S = γ γ plyn vzduch Q = c γ p plyn P = c γ p plyn H = c γ p plyn W γ γ plyn vzduch = c γ p vzduch W W lze měřit S m šovací Obr. 11 Schéma regulace tepelného příkonu Důvodem této regulace je vyloučení vlivu složení plynu. Jestliže provádíme regulaci na konstantní Wobbeho číslo snažíme se o konstantní tepelný výkon. Systém řízení koksárenské baterie Je rozdělen na dva způsoby: Regulace poměru tlaku plynu ve větvích Regulace poměru průtočných množství plynu ve větvích Jedná se o problematiku stabilizace žádané veličiny 95

96 Regulace dle obsahu kyslíku ve spalinách (spalovacího poměru) v Ho řák s Problém: zjišťování množství kyslíku (zdlouhavé, nákladné) Obr. 12 Regulace spalovacího poměru V vzd ρ = V plyn ρ = V V plyn vzd η - účinnost 96

97 13. PŘÍPRAVA VSÁZKY PRO VYSOKOPECNÍ POCHOD 2 hodiny Text - normální Čas ke studiu Cíl Výklad V souladu s členěním výrobní soustavy integrovaného hutního podniku rozděluje se oblast přípravy vsázky pro vysokopecní proces na dva úseky: studený úsek: výklopníky, drtírna, třídírna, rudiště a homogenizační skládka, teplý úsek: aglomerace resp. peltizace, tzn. směšovací zásobníky, příprava směsi, spékací pásy a chlazení Studený úsek přípravy vsázky V technologickém výrobním úseku má studený úsek za úkol zajistit pro vysokopecní závod vykládání výchozích surovin výroby surového železa z železničních vozů (rudy, koncentráty, vápenec, dolomit a jiné) a jejich granulometrickou úpravu drcením a tříděním. Dalším důležitým úkolem je kvalitativní úprava rudných komponent aglomerační směsi v homogenizačních skládkách tak, aby rudná směs odeslaná z homogenizačních hromad pro následný provoz aglomerace měla zprůměrněnou granulometrickou strukturu a zprůměrněnou chemickou analýzu. Schéma uspořádání homogenizační skládky je znázorněno na obr. 13. Dokonalá homogenizace rudné složky aglomerační směsi ve spojení s přidáváním některých přísad (vápence) je velmi důležitým hlediskem při dalším zrovnoměrnění obsahu železa a zásaditosti hotového aglomerátu. Aglomerační prachové rudy, koncentráty a přísady (vápenec) jsou z výklopníků a mlýnice koksu a vápence dopravovány systémem dopravních pásů do objektu dávkovacích zásobníků, kde jsou podle druhů skladovány. Podle své chemické analýzy a granulometrických vlastností jsou rudy a přísady plynule dávkovány pásovými dávkovacími vahami v předvoleném poměru, míseny v mísícím bubnu (zde může být směs dovlhčena), dopravovány k homogenizační skládce a zakládány zakladačem v jednotlivých vrstvách do homogenizačních hromad (šířka hromady je 69 m, v koruně podle sypného úhlu cca 43 m, výška hromady 13 m, její délka cca 100 m i více (celková délka homogenizační skládky obvykle kolem 700 m). Jednotlivá vrstva je tvořena příčným 97

98 pohybem shazovací smyčky dopravního pásu umístěného v portálu zakladače a postupným projížděním portálu podél homogenizační hromady. Obr. 13 Homogenizační hromady Rudná směs, která je uložena do hromad v horizontálních vrstvách, je po vytvoření hromady a "odležení" odebírána korečkovým elevátorem naběrače, který je vytvořen opět jako pojezdný portál s dopravním pásem, který se pohybuje jako samostatný stroj pod portálem zakladače. Korečkový naběrač odebírá z hromady šikmé vrstvy směsi v podélném směru hromady po celé její ploše. Uvedený systém homogenizace slouží jako příklad pro poznání problematiky homogenizačních skládek z hlediska jejich řízení a ovládání. V jiných hutních závodech jsou používány jiné konstrukce homogenizačních strojů, v zásadě se však jedná shodnou problematiku. 98

99 Obr. 14 Systém homogenizace [TOMIS] Systém ASŘ TP studeného úseku přípravy vysokopecní vsázky Hlavní pozornost je soustředěna ve studeném úseku přípravy vsázky na řízení technologických agregátů a dopravních pásů, které výlučně zajišťují dopravu surovin mezi jednotlivými agregáty, počínaje výklopníky a konče homogenizačními skládkami. Na příkladu řešení řídicího systému studeného úseku přípravy vsázky lze rozlišit rozdílnou složitost problematiky ovládání jednotlivých výrobních agregátů i složitějších technologických souborů. Některé pohony lze ovládat bez jakýchkoliv vazeb, jiné tvoří skupiny pohonů se složitými funkčními vazbami. Z hlediska řízení musí být dodrženy tyto zásady dodržet logické vazby a technologické principy jednotlivých navazujících části technologické linky; zajistit a kontrolovat plněni požadovaných technologických funkci; kontrolovat provoz zařízeni a předejít ztrátám při případných poruchách; snížit na nejmenší možnou míru počet obslužného personálu a zaručit jeho bezpečnost; snížit nároky na energii operativním vypínáním zařízení a dopravních linek; evidovat časové využití technologických zařízení a sledovat výskyt poruch; 99

100 soustředit řízení chodu do jednoho nebo je-li to nezbytné do nejmenšího možného počtu řídicích center - velínů. Aplikací těchto zásad vyplývají následující úkoly řízení: Volba linky - před uvedením dopravní linky do chodu provádí obsluha její volbu. Volba je logickým zobrazením technologické cesty, (technologická zařízení, dopravní pásy zásobníky apod.), kterou má být surovina dopravována resp. přetvářena. Obvykle se volba provádí tlačítky pro počáteční a konečný pohon dopravní linky. Programování - provádí se například u klap a reverzních pásů, kde se tok materiálu rozdvojuje nebo u zavážených zásobníků, z nichž pouze některé mají byt plněny (směšovací zásobníky aglomerace, zásobníky rudného mostu aj.). Programováni je možno provádět různými technickými prostředky (tlačítka, voliče) vždy tak, že se určí pokračování technologické linky. Startování a výstražná signalizace - Startovat lze pouze navolenou, to znamená i naprogramovanou linku, vždy ve směru proti toku materiálu. Při startování, které lze provádět volbou počátečního a konečného čísla linky podobné jako volbu, řídicí systém zkontroluje, jak jsou splněny podmínky startu, zapojí výstražnou signalizaci (houkačka, světelný signál) v prostoru startované linky a uvádí do chodu pohony linky v pořadí daném technologickými podmínkami. Po naběhnuti celé linky jsou výstražná signalizace a startování ukončeny, Je-li některý pohon linky v poruše nebo v opravárenském provozu, ukončí se startování u technologicky následujícího pohonu, pří čemž nastartovaná část linky zůstává v provozu. Startování každého pohonu je vždy funkčně a časové sledováno a při nesouladu nebo časovém překročení hlášeno jako porucha. Zastavení a doběh - Volbou počátku a konce linky a příslušným tlačítkem lze dopravní linku vypnout bezprostředné a bez ohledu na to, zda na ní zůstane dopravovaný nebo přetvářeny materiál. Tento způsob odstavení je nezbytný při jakémkoliv havarijním stavu nebo stavu ohrožujícím bezpečnost obsluhy (kdekoliv v provozu lze vypnout tlačítky nebo lanky s vypínači přímo). Je-li potřebné linku před vypnutím vyprázdnit, je linka vypínána postupně počínaje začátkem linky v časových intervalech, které zaručují vyprázdnění dopravního pásu nebo jiného technologického zařízení (drtič, třídič, mísící buben a pod.). Způsob ovládání - Podmínky provozu vyžadují, aby systém pro řízení technologických linek umožňoval ovládání několika odlišnými způsoby, podle zvyklostí jednotlivých hutních podniků např. centrální ovládání se provádí z centrálního velínu plně automaticky. Obsluha podle potřeby volí a startuje dopravní linky, které se uvádí do chodu automaticky podle principů popsaných výše. Chod zařízeni je vhodným způsobem sledován a signalizován (monitor počítače, signál, tablo a jiné). Na výskyt poruch je obsluha výstražné upozorněna. dálkové ovládání v některých provozech si provozní situace v případech odstraňování důsledků poruch a havárií vynucuje i doplnění řídicího systému o dálkové ovládání jednotlivých pohonů. V tomto případě je však nutno pozornost věnovat bezpečnosti provozní obsluhy zajištěním výstražné signalizace a dokonalou informovaností operátora o skutečném stavu zařízení např. optickou signalizací, použitím průmyslové televize nebo jinak, místní ovládání je určeno pro ovládání pohonů technologického zařízení, jehož start či provoz vyžaduje trvalý dozor a nemůže být dálkové spouštěn, opravárenský provoz umožňuje provádění oprav technologického zařízení, provádění revizních prohlídek a čištěni a kontrolního spouštění před přepnutím do centrálního ovládání, 100

101 nouzové vypínání netvoří samostatný způsob ovládání. Nezbytně doplňuje předcházející způsoby ovládání, se kterými je trvale v činnosti. Vypínání zajišťuje možnost vypnutí v případě ohrožení pracovníků nebo zařízení v souladu s normou ČSN Technické prostředky pro řízení studeného úseku 1) Volně programovatelný automat - výhodou je snazší přizpůsobivost provozním technologickým změnám a úpravám řídícího algoritmu 2) Kombinační a sekvenční obvody - pomocí logických obvodů, algoritmy jsou řešeny přepínáním pevně elektricky propojených částí Vedlejší úlohy - dodržování zadaného složení směsi (chemická analýza) - řízení geometrického uložení homogenizační skládky (granulometrie, změna množství) -stabilizace chemických a fyzikálních vlastností směsi Řízení homogenizace surovin: Stabilizaci fyzikálně-chemických vlastností rudné směsi odebírané z homogenizačních skládek lze realizovat aplikací automatizovaného systému řízení technologického procesu programového zakládání jednotlivých surovin do homogenizačních hromad. Základní úlohou řídicího systému je řízení: předem požadovaného chemického složení vsázky, optimálního střídání ucelených vrstev surovin po výšce hromady a minimálního zdržného železničních vozů. Je zřejmé, že splnění těchto úloh není snadné u vynucuje si řadu opatření nejen v organizaci vyklápění rudních podílu směsi a'přísad, ale i v uspořádání a doplnění technologického zařízení navazujícího na vlastní homogenizační stroj o vážící zařízení, regulační uzly apod.. V souladu s pravidlem, podle kterého je vždy nutno složité řídicí systémy vhodné dekomponovat - členit v dílčí systémy, jejichž řešení je relativné snazší, lze i funkci řídicího systému homogenizace členit v následující části: A) Podsystém vyklápění - má sladit frekvenci vyklápění vagónů, to je přísunu rud, s potřebami ukládání ucelených a stejnoměrných vrstev a vyloučit kolísání zakládaného množství řízením frekvence vyklápění, B) Podsystém základného množství - řídí váhové množství materiálu vynášeného z dávkovacího zásobníku, tak aby bylo dosaženo požadovaného chemického složení směsi C) Podsystém přidávání přísad - na váhově identifikovanou a v chemickém složení určenou vrstvu je nutno v toku materiálu plynule přidávat množství zásaditých přísad D) Podsystém řízení ucelené vrstvy - základní údaje o geometrii zakládané hromady a znalost přisunovaného množství umožňují stanovit celkovou váhu potřebnou pro založení ucelené vrstvy 101

102 E) Podsystém řízení optimálního střídání vrstev - optimální střídání vrstev je závislé na mnoha okolnostech, z nichž je možno uvést volbu nejvhodnější suroviny s přisunutých vlakových souprav pro zakládání příštích vrstev. To je ovlivněno skladbou dosud založených vrstev, technologickými požadavky a velikostí ekonomických nákladů za překročení lhůty vykládky vagónu Teplý úsek přípravy vsázky Na technologický úsek studených cest navazuje v souladu s tokem materiálu teplý úsek přípravy vsázky. Úkolem úseku je z dodaných surovin, paliva a přísad vyrobit pro vysoké pece tepelně upravenou rudnou směs (aglomerát, pelety) v požadované kvalitě. Hlavním měřítkem kvality výroby jsou vhodné složení, granulometrie, redukovatelnost apod., druhotným kritériem je vyrobené množství. Z hlediska technologie teplého úseku přípravy vsázky rozlišujeme: aglomerační závody, peletizační závody Aglomerační závody Technologie spékacího procesu Moderní vysoce výkonné vysoké pece dosahují zlepšeného výkonu přípravou vsázky po stránce fyzikální i metalurgické, což zlepšuje prostupnost a schopnost redukce. Tato příprava znamená aglomeraci pecní vsázky buď spékáním nebo peletizací (viz dále). Vsázka obsahuje směs drobných rud, aditiv, recyklované materiály s obsahem železa z následných procesů, jakými jsou hrubý prach a kal z čištění vysokopecního plynu, válcovenské okuje, slévárenské okuje atd., ke kterým se přidává koksový mour k zapálení směsi. V Evropě se spékací proces provádí výhradně spodním tahem na kontinuálních pohyblivých roštech (Obr. 15 a Obr. 16) Obr. 15 Fotografie spékacího pásu se zavážecím zařízením 102

103 (bubny nebo skluznými žlaby) a zážehovým krytem na začátku pásu [IPPC] Míchání a příprava směsí surovin Suroviny je třeba před spékacím procesem promíchat. To obyčejně znamená vrstvení materiálů na přípravné ploše v přesných množstvích, potřebných pro spékací operaci. V této etapě se mohou také přidávat některá tavidla, materiály k recyklaci z následně probíhajících pochodů, jak již bylo uvedeno. Spodní vrstvy rudy se překrývají vrstvou hrubého materiálu, aby se zabránilo víření při závanu větru. Na začátku procesu spékání se promísená ruda přendá do úložného zásobníku na začátku aglomeračního zařízení. V etapě mísení se mohou do promíchávané rudy přidávat další aditiva jako vápno, olivín, zachycený prach a válcovenské okuje, prach z čištění vysokopecního plynu ( a mnohem nižší množství kalů) a recyklovaný aglomerát ( částice o velikosti < 5 mm) z třídění aglomerátu (Obr. 13). Při pochodu spékání se nejčastěji používá jako palivo koksový mour (o velikosti částic menších než 5 mm). Obvykle se vyrábí přímo na místě v koksovnách a ukládá se do zásobních násypek pro následné použití. Mour lze také získat drcením koksu. V některých případech se používá jako paliva antracitu. Integrované hutní závody s kapacitou koksu, která není dostačující pro zásobování aglomeračního závodu, jsou závislé na externích dodavatelích koksového prachu. Směs rudy a koksového prachu se na dopravníkových pásech váží a sype se do směsného bubnu. Zde se dokončí promíchávání a směs se navlhčí, aby se vytvořily mikropelety, které přispívají k prodyšnosti aglomeračního lože (Obr. 13). Obr. 16 Schéma aglomeračního závodu [IPPC] 103

104 Spékání na aglomeračním pásu Aglomerační zařízení tvoří v podstatě široký pohyblivý rošt z tepelně odolné litiny. Materiál, který se má spékat je umístěn navrch mm hluboké vrstvy recyklovaného aglomerátu. Tato spodní vrstva zabraňuje směsi, která se spéká, aby propadala otvory v roštu a chrání rošt před přímým teplem hořící směsi. V moderních aglomeračních závodech je vrstva materiálů ke spékání asi mm hluboká, ale ve starších závodech jsou obvykle lože mělčí. Na začátku roštu zažehává kryt plynových hořáků koksový mour ve směsi. Při pochodu se spodním tahem prosávají výkonné ventilátory vzduch aglomeračním ložem do rozvodných komor (větrovodů) umístěných na spodní straně podél celé délky roštu. Jak aglomerovaná směs postupuje podél roštu, je čelo spalování taženo dolů směsí. Tím se vytváří teplo ( C) dostatečné k tomu, aby se spekly jemné částice dohromady do porézního slínku, který se nazývá aglomerát. Během aglomeračního procesu probíhá řada chemických i metalurgických reakcí. Ty vedou jak k tvorbě aglomerátu samotného, tak také ke vzniku prachu a plynných emisí. Reakce se překrývají a ovlivňují se vzájemně, nastávají jak reakce v tuhém skupenství, tak heterogenní reakce mezi taveninou, pevnými a plynnými fázemi, které se vyskytují v zóně spékání. V basickém prostředí (1,5-1,7 CaO/SiO 2 bazicity, která je velmi běžná) probíhají ve spékané směsi následující procesy a reakce: - odpařování vlhkosti; - předehřev a kalcinace basických sloučenin, zážeh koksového mouru a reakce mezi uhlíkem, pyritem, chloridovými a fluoridovými sloučeninami a vzdušným kyslíkem; - rozklad hydrátů a štěpení uhličitanů; - reakce mezi CaO a hematitem (krevel-druh železné rudy); - reakce mezi křemičitanovou fází a CaO, jakož i fázemi oxidů železa za tvorby taveniny křemičitanu a zvýšeného podílu roztavených fází; - tvorba sloučenin vápníku a síry a sloučenin s obsahem fluoru, společně s alkalickými chloridy a chloridy kovů; - redukce oxidů železa na kovové železo ve vysoko-teplotní zóně; - vytváření dutin a kanálků při spalování koksu a odpařování vlhkosti; - reoxidace a rekrystalizační procesy se smršťováním, přeměnou a vytvrzováním během ochlazování aglomerátu; - tvorba trhlin z důvodu tepelného pnutí během ochlazování aglomerátu a deformace v mikrostruktuře aglomerátu. Před dosažením konce roštu je koksový mour zcela spálen a jeden nebo dva poslední větrovody se využívají pro počínající proces ochlazování. Chladič může být zabudován do aglomeračního pásu, nebo je oddělen, což je nejběžnější. Produkt spékání vypadává z konce roštu ve formě spečence, který se rozlamuje na nárazové plošině a pomocí drtiče. V mnohých závodech pak aglomerát prochází procesem třídění za horka, čímž se oddělí jemné částice menší než cca 5 mm a recyklují se do vsázkové směsi (obr. 13) 104

105 Třídění horkého aglomerátu a chlazení Není-li chlazení zabudováno do aglomeračního pásu, pak po přechodu pásu postupuje aglomerovaný materiál na chladič. Chladič má charakteristickou kruhovou konstrukci o průměru 20 až 30 m, ve kterém se umístí aglomerát ve vrstvě větší než 1 m. Aglomerát se chladí vzduchem vháněným vertikálně do vrstvy. Objemový průtok chladícího vzduchu aglomerátem je vysoký a závisí na druhu a stáří použitého systému. Specifický průtokový objem je Nm 3 /t aglomerátu, což vede k průtokové rychlosti až Nm 3 /hod. Někdy se značného tepla odpadního plynu z chlazeného aglomerátu využívá v kotlích na odpadní teplo, do zážehových čel aglomeračního roštu, nebo k předehřevu čerstvé vsázky. Ochlazený aglomerát se přepravuje k sítům, které oddělují frakce, které se použijí ve vysoké peci (4-10 mm a mm) od frakcí, které se navrátí do aglomeračního procesu (0-5 mm jako vratná jemná frakce a mm jako spodní vrstva) Peletizační závody Jak je uvedeno na začátku této kapitoly jsou peletizace a aglomerace dvěma komplementárními procesními pochody k přípravě surovin s obsahem oxidů železa pro výrobu oceli. Každý má své vlastní specifické výhody a stinné stránky. Ty jsou do značné míry ovlivněny místními podmínkami, jako je dostupnost a druh surovin. Z různých důvodů se aglomerát vyrábí na podporu oceláren prakticky vždycky: to umožňuje, aby se recyklovaly pevné odpady; koksový prach je v ocelárnách k dispozici pro použití jako palivo; aglomerát má sklon se během transportu a manipulace rozpadat. Pelety se tvoří ze surovin drobné rudy a aditiv o velikosti částic < 0,05 mm do 9 16 mm při využívání velmi vysokých teplot a to se provádí hlavně v místě dolů nebo jejich překladišť. (Pozn. V 15 členských státech EU existuje pouze jeden integrovaný hutní podnik, jehož součástí je peletizační závod (v Holandsku). Švédsko má čtyři samostatně stojící peletizační závody.)[ippc] Výroba pelet v pěti závodech EU, uvedených výše byla v roce ,1 Mt. V roce 1995 byla v EU 15 celková spotřeba pelet okolo 35 Mt, zatímco spotřeba aglomerátu byla 3x vyšší. [IPPC] Technologie sbalovacího procesu Pelety jsou malé krystalické sbalky železné rudy o velikosti 9 16 mm. Proces peletizace obsahuje drcení a sušení nebo odvodňování, sbalování a vytvrzování, po němž následuje třídění a manipulace (Obr.17) 105

106 Obr. 17 Schéma peletizačního závodu [IPPC] Drcení a sušení/odvodňování Ruda se před vložením do peletizačního zařízení třídí několikerým proséváním a v etapách obohacení pomocí rozmělnění a drcení. Převládajícími prostředky zakoncentrování rudy je magnetická separace, která vychází z vlastností rudy. Ve švédských závodech se rozmělňování a koncentrace provádí mokrými pochody. V závodech v Dánsku se rozmělňování provádí při relativně vysoké teplotě (asi 100 o C). Při mokrém pochodu se přísady (olivín, dolomit a/nebo vápenec v závislosti na konečném produktu) rozdrtí a potom se přidávají do rudné kaše běžně v množství 3 3,5 % ještě před odvodněním. Při dalším pochodu po drcení za tepla se materiál opětně smáčí v lopatkových míchačkách a spojuje se s přísadami. V obou případech se upraví obsah vlhkosti na 8 9 % Příprava čerstvých sbalků Odvodněná nebo opětně smáčená vsázka pelet se smíchá s přísadami a potom se zpracuje v závodě na přípravu čerstvých sbalků. Ten je běžně vybaven 4 až 6 balnými okruhy, které obsahují zásobník vsázky, sbalný buben, bubnová síta a dopravníky kolujících materiálů. Sbalný buben je nakloněn o 6 8 o v horizontálním směru. Aby se získala správně definovaná velikost čerstvých sbalků, běžně v rozmezí 9 16 mm, vytřídí se větší nebo menší frakce a nechají se recirkulovat Vytvrzování Vytvrzování, což znamená tepelnou úpravu, se skládá ze sušení, zahřívání a chlazení. Lze ji provádět ve dvou různých jednotkách; na rovném roštu nebo v systémech roštových pecí. Během tepelné úpravy se magnetit většinou zcela zoxiduje na hematit. To přispívá k většímu množství tepla, které je potřebné k průběhu pochodu. 106

107 Třídění a manipulace Na konci vytvrzovacího pásu se pelety shromažďují a třídí. Podměrečné velikosti a úlomky pelet se mohou recyklovat. Může docházet ke značným emisím hmotných částic. U samostatně stojících závodů ve Švédsku se vytvrzené pelety před nakládáním na otevřené železniční vagóny pro přepravu do přístavišť v norském Narviku a švédském Lulea uchovávají v zakrytých zásobnících. Při nakládání na loď se vytřídí 2 3 % materiálu jako podsítné a prodá se jako aglomerační vsázka. Pokud jde o všechny materiály do vysoké pece (koks, aglomerát, pelety a kusovou rudu), provádí se konečné třídění v místě vysoké pece Systém ASŘ TP teplého úseku přípravy vysokopecní vsázky Z důvodu větší rozšířenosti aglomeračních závodů bude pozornost věnována především těmto provozům, avšak principiální řešení lze aplikovat i na peletizační závody. Řídicí systém teplého úseku: přísun aglomerační směsi o požadovaném složení (řízení množství rudné směsi, množství koksu a vápence, množství přidávaného vratného aglomerátu) vlhčení podle hmotnosti, vlhkosti a teploty směsi (vlhkost směsi lze měřit neutronovou sondou, jejíž údaj je s ohledem na část mezikrystalické vody korigována podle sběrné hmotnosti směsi) udržování mezizásobníků na požadované úrovni (v mezizásobnících je celkový součtový signál všech vah žádanou hodnotou pro přísun rudy do směšovacích zásobníků, množství rudné směsi je žádanou hodnotou pro množství koksu, vápence a vratného aglomerátu poměrová regulace; nastavování poměrů je ovlivněno korekcí ze vzorkovny ) spékání a chlazení aglomerátu z mezizásobníků je směs dávkována do 2. stupně míchání, přes násypku dopravována na spékací pás a zapálena, drcena a chlazena - na tomto subsystému lze z hlediska řízení rozlišovat další subsystémy 1) plnění násypky nad spékacím pásem - řídící dávkování aglomerační směsi do rotačního bubnu podle hladiny směsi v násypce 2) )podávání směsi na pás - řídí se bubnový podavač násypky podle měřeného množství materiálu před hradítkem, k měření slouží kapacitní sondy 3) řízení spékání - řízení plošného zapalovacího hořáku poměrovou regulací případně přídavného hoření. Pás je v podobě palet, vrstva je prosávána pomocí exhaustoru, rychlost je řízena tak, aby teplota byla maximální v předposlední komoře 4) řízení chlazení - u těchto operací se měří teplota na výstupu a podle ní se řídí úroveň chlazení vzduchem, celý proces je plně automatizován a řízen výpočetní technikou. Techniky řízení: ovládaní, poměrová regulace, programová regulace, blokování, signalizace. 107

108 14. VYSOKÉ PECE 2 hodiny Text - normální Čas ke studiu Cíl Výklad Produkty vysoké pece jsou: surové železo, struska, vysokopecní plyn. Surové železo je sloučenina železa a uhlíku. V surovém železe jsou vedle uhlíku ještě dodatečné zbytky doprovodných prvků, jako jsou mangan (Mn), křemík (Si), síra (S) a fosfor (P). Surové železo není kujné, je pouze dobře slévatelné a nehodí se pro výrobky pro svou křehkost Druhy surového železa Rozdělení jednotlivých druhů surového železa se uskutečňuje podle obsahu C, S, P, Mn a Si. Základní rozdělení je na ferromangan a ferrosilicium. Ferromangan Ocelárenské surové železo pro výrobu ocelí (dřívější označení bílé surové železo). Má bílou, jemně zrnitou, třpytivou plochu lomu, když se do vysoké pece přidávají slitiny s velkým procentem manganu. Uhlík se působením manganu chemicky váže jako karbid železa a stejnoměrně se rozdělí (žádný grafit). Ocelárenské surové železo se nalévá v tekutém stavu do pojízdných pánví a přivádí se přes mísič surové oceli do ocelárny. Příklad složení C 3,5 4,5 hmot. % S max. 0,04 hmot. % P 0,1 0,25 hmot. % Mn 0,4 1,0 hmot. % Si max 1,0 hmot. % Zbytek Fe Ferrosilicium Slévárenské surové železo pro výrobu litiny (dřívější ozn. šedá litina). Má šedou, hrubě zrnitou plochu lomu a vzniká, když se ve vysoké peci přidávají přísady s vysokým obsahem křemíku. Uhlík se vylučuje působením křemíku jako grafit mezi krystaly feritu. 108

109 Slévárenské surové železo se odlévá na licích strojích do kovových forem(kokil) - vznikají housky. Housky jsou železné prvky s lichoběžníkovým průřezem o hmotnosti od 15 kg. Příklad složení C 3,5 4,5 hmot. % S max. 0,06 hmot. % P 0,3 2,00 hmot. % Mn max. 1,0 hmot. % Si 1,5 3,0 hmot. % Zbytek Fe 14.2 Vysokopecní proces Vysokopecní pochod patří do skupiny nepřetržitých hutnických pochodů a tímto pojmem je označován souhrn velkého počtu různých dějů, které probíhají ve vsázkových surovinách během jejich zpracování ve vysoké peci. Vysokopecní pochod jako celek lze charakterizovat těmito zvláštnostmi: Vysoká pec je protiproudý reaktor, který s výjimkou nejnutnějších oprav pracuje nepřetržitě a dlouhodobě ( obvykle 10 až 15 let ). Plnění pece, dmýchání větru a odvod plynu jsou plynulé, vypouštění surového železa a strusky se u velkoobjemových vysokých pecí pracujících s bohatou vsázkou k plynulosti blíží. Redukce železa ze vsázky je téměř dokonalá, nepatrné ztráty železa ( asi 0,5 % ) jsou způsobovány struskou. Ve srovnání s jinými způsoby železa má nejnižší měrnou spotřebu energie. Závažným nedostatkem vysokopecního pochodu jsou vysoké nároky na jakost koksu a na přípravu kovonosné vsázky. 109

110 Obr. 19 Vstupní suroviny a výstupní produkty vysokopecního pochodu [IPPC] Technologická soustava není jak je z výše uvedeného obrázku patrné tvořena pouze výrobním agregátem vysoké pece produkujícím surové železo. Soustava je tvořena následujícím i subsystémy Rudný most včetně dávkovacích vah Zařízení pro dopravu vsázky na sazebnu vysoké pece (skip nebo dopravníkový pás) Zařízení sazebny Agregát vysoké pece Ohřívače větru Hlavní pochody jsou následující : - zavážení surovin - tvorba proudu horkého větru - vysokopecní proces - přímá injektáž redukčních činidel - odlévání - zpracování strusky Rudný most V zásobnících rudného mostu jsou skladovány jednotlivé podíly vysokopecní vsázky (aglomerát, koks, železné rudy, vápenec). V předvoleném pořadí a v předvolených dávkách jsou jednotlivé druhy vsázky dopravovány na sazebnu vysoké pece. 110

111 Obr. 20 Schéma rudného mostu [TOMIS] Vysokopecní vsázka se skládá z paliva, železo rudných surovin a struskotvorných přísad v takovém vzájemném poměru, který zaručuje získání určitého množství surového železa o žádaných chemických a fyzikálních vlastnostech. Účelem paliva je dodávat do vysoké pece potřebná množství tepla a redukční látky, nauličovat železo až do jeho nasycení a vytvářet zejména ve spodní části pece pevnou kostru, která usnadňuje proudění plynu vsázkou při teplotách, při nichž rudné suroviny měknou a taví se. Tyto podmínky nejlépe plní černouhelný koks, ostatní paliva (zemní plyn, oleje, prášková paliva at.) jsou pouze doplňková. Železorudná vsázka přináší do vysoké pece potřebné množství železa v podobě jeho oxidů nebo jiných sloučenin, které tyto oxidy obsahují. Hlavní složkou železorudné vsázky jsou aglomerát, pelety a tříděné kusové rudy. Současně se zpracovává železný vratný materiál. Účelem struskotvorných přísad je odvádět z vysoké pece nezredukovatelné oxidy a síru v podobě strusky o žádaných chemických a fyzikálních vlastnostech. Jedná se především o zásadité přísady jako jsou dolomit a vápenec. Většina potřebných přísad se přidává do aglomerační vsázky, takže do vysoké pece se přidávají v množstvích, která pouze vyrovnávají odchylky zásaditosti od žádané hodnoty Zavážení Vsázka a doprovodný koks se zavážejí vrchem pece buď skipy, nebo mechanickými dopravními pásy. Vsázka se vkládá do pece utěsněným zavážecím systémem, který izoluje pecní plyny od okolní atmosféry. Tento systém je nezbytný, protože vysokopecní tlak je vyšší než atmosférický (0,25 až 2,5 barů. Zatěsněný zavážecí systém může být zvonovým vsazováním, nebo bezzvonovou sazebnou. Zvonová sazebna se skládá z malého a velkého zvonu, které jsou doplněny otočnou násypkou a soustavou přepouštěcích ventilů. Bezzvonová sazebna obsahuje přesunovací násypku, dva surovinové zásobníky, otočný skluz. Surovinové zásobníky jsou nahoře i dole opatřeny uzávěry, které regulují tok materiálu na otočný skluz. Cílem sazebny - rovnoměrné rozprostření vsázkových surovin po celé ploše vysoké pece. 111

112 Vysoká pec První skutečná vysoká pec, která používala koks zahájila svůj provoz v roce Vysoká pec zůstává zdaleka nejdůležitějším procesem výroby surového železa. A tato technika bude pravděpodobně v popředí nejméně příštích 20 let. [IPPC] Obr. 21 Celkový pohled na dvě vysoké pece. [IPPC] Všeobecný popis Suroviny vstupují do vysoké pece shora, zatímco produkty (tavenina železa a struska) se odpichují u dna pece (nístěj). Pevná vsázka se pohybuje shora dolů a přitom se setkává se vznikajícím proudem horkého redukčního plynu. Na vrcholu pece, v kychtě, se vysokopecní plyn o zbytkové výhřevnosti shromažďuje a odvádí se k další úpravě. Vysokou pec lze rozdělit na 6 teplotních zón : - Kychta: V kychtě vysoké pece dochází k zavážení vsázky a odvádění vysokopecního plynu - Šachta: V šachtě předává horký vysokopecní plyn své teplo pevné vsázce. Teplota vsázky vzrůstá proti teplotě okolí na cca 950 C a oxidy železa se v této zóně částečně redukují. - Rozpor vysoké pece: Rozpor připojuje šachtu k sedlu vysoké pece. V této části roste teplota dále z 950 C asi na 1250 C. Nastává další redukce oxidů železa a začíná reakce s koksem. - Sedlo: Reakce koksu pokračují v zóně sedla. Tvoří se tavenina železa a strusky. - Výfučny: V této zóně se do pece zavádí proud horkého vzduchu pomocí řady výfučen (mezi 16-42). Výfučny jsou umístěny okolo horního obvodu nístěje a jsou propojeny velkou rourou (okružní větrovod) obtočenou okolo pece ve výšce sedla. Teplota tady může přestoupit 2000 C a oxidy se zcela zredukují. 112

113 - Nístěj: Nístěj shromažďuje tekuté surové železo a strusku. Okolo nístěje jsou umístěny jeden až čtyři odpichové otvory, při čemž je jeden nebo dva v kteroukoliv dobu v provozu. Šachta, rozpor, sedlo a pás výfučen mají typické chlazení vodou, nístěj se chladí vodou, olejem nebo vzduchem. Pec je vyzděna žáruvzdorným materiálem (nístěj mívá tloušťku přinejmenším až 1,5 m) Produkce surového železa se u vysokých pecí pohybuje asi od 0,5 Mt/rok u malých až do téměř 4 Mt/rok u velkých vysokých pecí. Vysoká pec je uzavřený systém, do kterého se zavážejí materiály obsahující Fe (kusová železná ruda, aglomerát a/nebo pelety), aditiva (struskotvorné přísady jako je vápenec) a redukční činidla (koks) a to plynule vrcholem pecní šachty pomocí zavážecího systému, který zabraňuje úniku vysokopecního plynu. Obrázek 22 ukazuje zjednodušené schéma vysoké pece, které obsahuje vlastní vysokou pec, licí halu, ohřívače větru a dvoustupňovou úpravu vysokopecního plynu. Obr. 22 Zjednodušené schéma vysoké pece Horký dmýchaný proud vzduchu obohacený kyslíkem a pomocná redukční činidla (práškové uhlí, olej, zemní plyn a v několika případech i plasty) se injektují v úrovni výfučny a poskytují protiproud redukčních plynů. Dmýchaný vzduch reaguje s redukčními činidly především za vzniku CO, který naopak redukuje oxidy Fe na kovové železo. Tekuté železo se shromažďuje v nístěji současně se struskou a obojí se pravidelně odlévá. Tekuté železo se přepravuje v torpédových pánvích do ocelárny a struska se zpracovává na přísady, do granulí nebo pelet pro stavbu silnic a výrobu cementu. Vysokopecní plyn se shromažďuje ve vrcholu pece, upravuje se a rozesílá do provozů, kde se ho používá jako paliva pro vytápění nebo k výrobě elektřiny. 113

114 K dispozici jsou rozličná redukční činidla: uhlík (uhlovodíky) v podobě koksu, uhlí, oleje, zemního plynu nebo v současné době v některých případech také plasty. Železná ruda dnes zpracovávaná obsahuje velké množství hematitu (Fe 2 O 3 ) a někdy malé množství magnetitu (Fe 3 O 4 ). Ve vysoké peci se tyto složky postupně redukují a přecházejí přes nižší oxidy (FeO) až k částečně redukované nauhličené podobě pevného železa. Nakonec se vsázka železa taví, reakce spějí do závěrečného stupně a horká tavenina kovu a struska se shromažďují u dna. Redukující uhlík přechází na CO a CO 2. Tavidla a přísady se přidávají proto, aby se snížil bod tavení hlušiny, zlepšil přechod síry do strusky, zajistila se požadovaná jakost tekutého surového železa a umožnilo se další zpracování strusky. Jak se vsázka vysoké pece pohybuje směrem dolů (klesá), stoupá její teplota, tudíž se usnadňují redukční reakce oxidů a tvorba strusky. Nastává řada změn ve složení vsázky: - oxid železitý ve vsázce se postupně redukuje za vzniku železné houby až ke konečnému roztavenému surovému železu - kyslík ze železné rudy reaguje s koksem za vzniku CO, nebo s CO za vzniku CO 2, který se hromadí ve vrcholu pece - složky hlušiny se spojují s tavidly a tvoří strusku. Tato struska je souborem směsi silikátů o nižší hustotě než je roztavené železo - koks slouží především jako redukční činidlo, ale také jako palivo a opouští pec v podobě CO, CO 2, nebo uhlíku obsaženém v surovém železe - jakýkoliv přítomný vodík reaguje také jako redukční činidlo a reakcí s kyslíkem dává vodu. Redukce oxidů železa Redukce železa z jeho oxidů probíhá postupně od vyšších oxidů k nižším podle dvou schémat: při teplotách nad 570 C: Fe 2 O 3 Fe 3 O 4 Fe 1-γ O Fe při teplotách pod 570 C: Fe 2 O 3 Fe 3 O 4 Fe Redukce oxidů kovů oxidem uhelnatým se nazývá redukcí nepřímou, redukce uhlíkem je označována jako redukce přímá. Redukce vodíkem bývá často zahrnována do redukce nepřímé. Přímá reakce uhlíku koksu s tuhými oxidy kovů je velmi omezena nedokonalým stykem obou tuhých fází, a proto i přímou redukci tuhých oxidů při teplotách nad 900 až 950 C je třeba chápat jako výsledek nepřímé redukce a Boudouardovy reakce. Označí-li se kov obecně Me, bude zápis reakcí následující: MeO (s) + CO (g) = Me (s) + CO 2 (g) CO 2 (g) + C (koks) = 2 CO (g) MeO (s) + C (koks) = Me (s) + CO (g) Teprve při vyšších teplotách, kdy tuhé oxidy přecházejí do strusky a zvětšuje se styčná plocha fází, uvažuje se přímá reakce mezi uhlíkem koksu a oxidem kovu. Redukce oxidů železa oxidem uhelnatým probíhají při teplotách nad 570 C takto: 3 Fe 2 O 3 (s) + CO (g) 2 Fe 3 O 4 (s) + CO 2 (g) Fe 3 O 4 (s) + CO (g) = 3 FeO (s) + CO 2 (g) FeO (s) + CO (g) = Fe (s) + CO 2 (g) 114

115 Při teplotách pod 570 C probíhají jen dvě reakce 3 Fe 2 O 3 (s) + CO (g) 2 Fe 3 O 4 (s) + CO 2 (g) Fe 3 O 4 (s) + 4 CO (g) = 3 Fe (s) + 4 CO 2 (g) Souhrnná reakce redukce Fe 2 O 3 oxidem uhelnatým Fe 2 O 3 (s) + 3 CO (g) 2 Fe (s) + 3 CO 2 (g) Ohřívače větru Horký vítr pro vysokopecní operace poskytují ohřívače větru (někdy nazývané vysokopecní kaupery ). Ohřívače jsou pomocným zařízením, které je schopno ohřát dmýchaný proud vzduchu. Rostoucí teplota dmýchaného větru vede ke snížení potřeby uhlíku. Horký vzduch je zapotřebí k přenosu tepla do pevné vsázky, aby se zvýšila reakční teplota. Horký vítr také pomáhá při zajištění potřeby kyslíku pro zplynění koksu a při transportu plynu, který při styku se vsázkou redukuje oxidy železa. Ohřívače se provozují cyklicky.vyhřejí se hořícími plyny (běžně obohaceným vysokopecním plynem) až je v klenbové báni správná teplota (asi C): spalování plynu se potom přeruší a přes větrovody se v opačném směru protlačí studený okolní vzduch. Studený vzduch se ohřeje o horké cihly a tak se vytvoří proud horkého vzduchu ( C), který se zavádí do vysoké pece. Proces pokračuje, až ohřívače nemohou dále dosáhnout charakteristické teploty dmýchaného proudu plynu a původní ohřívací cyklus začíná znova. Trvání každého cyklu závisí na individuálních místních podmínkách, jakými může být např. zdroj energie, charakteristika systému a zavedená opatření. Principiálně lze ohřívače větru jako takové klasifikovat buď jako interní, nebo externí podle toho, zda mají spalovací komorou zabudovanou uvnitř nebo ne (Obr.23). Pro jednu vysokou pec jsou potřeba 3-4 ohřívače větru. Obr. 23 Příčný řez ohřívači větru (kaupery) s vnitřní a vnější ohřívací komorou [IPPC] 115

116 Přímá injektáž redukčních činidel Většina vysokopecních zařízení injektuje redukční činidla do pece v úrovni výfučny. To částečně nahrazuje koks ve vsázce. Tento postup umožňuje provozovateli optimalizovat využití redukčních činidel. Dalšími výhodami jsou rostoucí výkony a snížení požadavků na koksovny, a tím následně i pokles měrných emisí z koksoven na tunu vyrobené oceli. Mnohé závody injektují práškové uhlí, olej nebo zemní plyn. Dvě společnosti začaly injektovat odpady plastů, využívajíce pro redukční procesy jejich vysokého obsahu uhlovodíků. [IPPC] Odlévání Vysoká pec se periodicky odpichuje, aby se z nístěje vypustila tavenina surového železa a struska. Za tímto účelem se otevře jeden z odpichových otvorů v postranní stěně nístěje pomocí průrazného vrtáku, nebo odpichové tyče. V některých případech se pro otevření odpichového otvoru používá kyslíkové trysky. Vysoká pec má obvykle 1-4 odpichové otvory. Počet odpichových otvorů je dán kapacitou /velikostí vysoké pece. V moderních vysokých pecích se tavenina železa i struska odpichují současně (charakteristické je, že struska začíná odcházet až po vypuštění horké taveniny). Struska a surové železo se následně oddělují v odlučovači strusky v licí hale, z něhož každý proud pokračuje svou vlastní cestou. Tavenina surového železa odpíchnutá z vysoké pece proudí podél vyzdívky nebo nízko cementem vyloženými žlaby, obezděnými tepelně odolnou směsí karbidu hliníku nebo křemíku a odlévá se do pánví ( přímo, nebo prostřednictvím sklopných žlabů). Tyto pánve mohou být otevřené, nebo uzavřeného typu, nebo se jedná o torpédové vozy (Obr. 24). V tomto roztaveném stavu má kov teplotu přibližně C. Struska odpíchnutá z pece proudí ve žlabech do závodu granulace, nebo do struskových pánví, či do otevřené jámy. Na konci cyklu odlévání se odpichový otvor uzavře mechanicky injektováním jílovité směsi odolné ke specifickému teplu odpichového otvoru za použití tzv. ucpávačky. Obr. 24 Zavážení horké kovové taveniny do torpédové pánve. [IPPC] 116

117 Zpracování strusky Množství vyrobené strusky je určeno použitou železnou rudou a množstvím tavidel, které se vyžadují, aby se dosáhlo potřebné jakosti surového železa. Strusku lze použít k mnohým účelům včetně materiálu pro stavbu silnic, přísad do cementu, jako tepelnou izolaci (minerální vlna) a náhradu cementu. V nynější době je cílem využít veškerou vysokopecní strusku, čehož bylo v mnohých případech již dosaženo. V současnosti existují tři procesy, které se při úpravě vysokopecní strusky používají: - granulace strusky - zakládání strusky do jam - peletizace strusky : Všechny procesy chlazení strusky mohou být doprovázeny vznikem sirovodíku, který zapáchá Úkoly řídícího systému 1. Stabilizace výrobního procesu - tzn. zjistit vhodný poměr mezi uhlíkem paliva a kyslíkem rudy 2. Ovlivnění tvorby a pohybu proti proudu plynu 3. Zajistit využití energie horkého větru Poruchové faktory 1. VNĚJŠÍ - jsou dány vlastnostmi hmot 2. VNITŘNÍ - jsou reprezentovány nahodilým porušováním rovnováhy procesu samotnou mechanikou řídícího procesu Základní úlohou řídícího procesu je optimalizace - spočívá v aplikaci řídícího systému a schopnosti dosáhnout optima výrobních nákladů s využitím vysokopecních modelů Systém řízení je rozdělen na 6 základních subsystémů 1. Příprava a stabilizace vsázky - subsystém kontroluje a řídí jednotlivé technologické zařízení rudného mostu a zda jsou vsázkové materiály dávkované v dané kvalitě a množství. 2. Podsystém zavážení - subsystém kontroluje a řídí vyprazdňování vážných nádob, chod skipového výtahu a funkce uzávěrů, které jsou řízeny programem a obsluha je pouze kontroluje 3. Řízení pece zavážkou - subsystém vyhodnocuje obvodové teploty na sazebně a teploty horizontálních zásobních sond, dále vyhodnocuje teploty v plynovodech a rychlost poklesu vsázky 4. Podsystém tepelně technického stavu - jsou řízeny metalurgické procesy v nístěji pece, řídí se hladina a gradient teplotního pole, při poklesu teplotní hladiny se přidá kyslík, při nárůstu se přidá pára, teplota v prostoru výfučen se měří nepřímo, podle oteplení chladící vody 5. Subsystém řízení intenzity práce pece - úkolem je určit a zabezpečit dynamickou rovnováhu protiproudu správným množstvím dmýchaného větru a zabezpečit 117

118 dynamickou rovnováhu dmýchaného větru. K tomuto účelu má sloužit dynamický model, který je neustále zdokonalován 6. Řízení ohřívačů větru včetně jejich optimalizace 14.4 Řízení tepelně teplotního stavu vysoké pece Vysokopecní vsázka se skládá z paliva, železnorudných surovin a struskotvorných přísad v takovém poměru, který zaručuje získání určitého množství surového železa o žádaných chemických a fyzikálních vlastnostech. Základním palivem je metalurgický koks a foukacími formami je injektován olej. Ve zjednodušené formě lze říci, že jedna z komor je označována jako koksová a druhá jako rudná. Koksová komora je plněna metalurgickým koksem, rudná pak obsahuje : - pelety - aglomerát - vápenec - kusové rudy Výfučnami rovnoměrně rozloženými po obvodu horní části nístěje se vhání do vysoké pece velké množství větru stlačeného na 0,2 až 0,5 MPa a ohřátého na 1000 až 1300 stupňů. Kyslíkem větru se spaluje jednak koks, který jako součást vsázky prošel celou vysokou pecí a v protiproudu žhavého plynu se ohřál na 1500 až 1600, jednak plynná, kapalná nebo prášková přídavná paliva, přiváděná do nístěje spolu s dmýchaným větrem. Hořením tohoto paliva se uvolňuje teplo potřebné k průběhu celého vysokopecního pochodu a současně vzniká redukční plyn o teplotě 1800 až 2100 nezbytný k redukci oxidů železa a některých doprovodných prvků. Aktivními složkami redukčního plynu jsou jen oxid uhelnatý a vodík, zatímco dusík tvoří plynný balast. Subsystém řízení intenzity práce pece - úkolem je určit a zabezpečit dynamickou rovnováhu protiproudu správným množstvím dmýchaného větru. K tomuto účelu má složit dynamický model, který je neustále zdokonalován. Rovnoměrný chod vysoké pece je podmíněn plynulým sestupem surovin a kapalných produktů tavby a lze ho dosáhnout jen účelným řízením intenzity proudění plynu v jednotlivých částech vodorovného průřezu pece. Zastavení sestupu surovin se nazývá zavěšováním. Za počátek zavěšování vsázky je nutno pokládat okamžik, kdy součet sil působících na jednotlivé kusy vsázky proti směru jejich pohybu dosahuje hodnoty jejich tíhy Teoretické možnosti ovlivňování protiproudu Oddělené řízení rozdělení plynové prodyšnosti a únosnosti koksu je možné v moderních systémech zavážení velkoobjemových vysokých pecí, které zahrnují pružný podsystém dávkování a formování dávek vsázkových matriálů, pásové zavážení vsázkových surovin na sazebnu a bezzvonové plnící zařízení. K uskutečnění režimů zavážení, zajišťujících oddělené 118

119 řízení, nutno cílevědomě vytvořit zadané rozdělení granulometrického složení v délce každé dávky vsázky v průběhu jejího ukládání na pásový dopravník dopravy surovin na sazebnu vysoké pece. Zadané rozdělení granulometrického složení v délce dávky vsázky musí brát zřetel na zvláštnosti realizovaného programu zavážení i na mechanismus přerozdělení granulometrického složení dávky vsázky při plnění a vyprazdňování komory bezzvonového plnícího zařízení. Rozdělení plynové prodyšnosti po poloměru sloupce vsázky lze řídit bez změny zadaného rozdělení únosnosti koksu provozem rozdělovače vsázky dle zadaného programu zavážení, kdy se ukládá větší množství vsázky s drobnými podíly do oblastí, ve které nutno zmenšit plynovou prodyšnost a větší množství kusových podílů se ukládá do míst, kde je třeba plynovou prodyšnost zvětšit. Příliš drobné rudy a ostatní vysokopecní suroviny nejen snižují prodyšnost vsázkového sloupce, ale jsou také příčinou vzniku širších kanálů, jimiž může plyn proudit velkou rychlostí a strhávat drobné podíly vsázky. Velikost tlakové ztráty více ovlivňuje příčný průřez kanálků než objem volných prostorů. Třídění surovin podle velikosti zrn má velký význam pro zvětšení prodyšnosti vsázkového sloupce, avšak podmínkou je odstranění drobných podílů, které by jinak zaplňovaly volné prostory mezi většími kousky. Prodyšnost zrnité vrstvy závisí jak na vzájemném poměru drobných a hrubých podílů, tak na jejich skutečném množství. Čím větší je rozdíl ve velikosti zrn, tím větší je pokles prodyšnosti vrstvy a dosahuje maxima při 60 až 70% hrubší frakce, kdy drobná zrnka nejdokonaleji vyplňují volné prostory mezi hrubšími kousky. Ve vysoké peci hraje významnou úlohu i segregace surovin podle velikosti kousků a značně ovlivňuje rozložení plynných proudů. Z tohoto důvodu má velký význam oddělené zasypávání surovin podle zrnitosti. Třebaže při průchodu vsázky vysokou pecí dochází k určitému promíchávání surovin tím, že drobnější podíly předstihují hrubší, při odděleném zasypávání surovin se cesta plynného proudu různě zakřivuje a prodlužuje a lépe se tak využije jeho tepelné a redukční schopnosti. Praxe potvrzuje tyto závěry a v mnohých případech tak bylo dosaženo značného zvýšení výrobnosti vysoké pece a snížení její měrné spotřeby paliva. Množství plynů, které může projít pecí, určuje její výrobnost. Avšak při značném zvětšení množství větru se zhoršuje kontakt mezi tuhou a plynnou fází ve vysoké peci, narušuje se plynulý pokles vsázkových surovin a pec se začíná provozovat jako plynový generátor. Pro každou pec existuje hraniční množství větru. Proto obsluha musí ihned po zjištění zhoršení chodu pece, aby nedošlo k jeho dalšímu rozvinutí, provést odpovídající změny technologického pochodu. K přijetí kvalifikovaného řešení regulace ukazatelů vysokopecní tavby při změně podmínek maximálně možné intenzifikace, a tím i výrobnosti, nutno znát kvantitativní vliv regulačních ukazatelů na hodnotu diferenčního tlaku po výšce pece. Ukazatele horkého větru mají určitý vliv na hodnotu diferenčního tlaku plynů ve vysoké peci. Na diferenční tlak má nejvyšší vliv množství větru a množství zemního plynu.při zvýšení výkyvů diferenčního tlaku se snižuje míra využití chemické energie plynů. Zatížení obvodové oblasti pece rudnými materiály vede ke zvýšení celkového diferenčního tlaku. Úroveň zavážky surovin podstatně ovlivňuje hodnotu diferenčního tlaku. Pochod nahromadění tekutých produktů tavby v nístěji pece ovlivňuje výrazně hodnotu celkového diferenčního tlaku. Maximální hodnoty dosahuje před otevřením výpusti surového železa a nejmenší v době ucpání výpusti surového železa. K nadměrnému růstu diferenčního 119

120 tlaku dochází při zpoždění odpichu surového železa, což nutí technologický personál snižovat množství dmýchaného větru, aby nedošlo k visení vsázky. Diferenční tlak plynů po výšce pece je nejvýznamnějším impulsem v ASŘ chodu vysoké pece. Jeho udržování na stanovené úrovni a regulace dílčích diferenčních tlaků po výšce pece v automatickém režimu změnami řádu větru a tlaku plynu na sazebně poskytuje možnost vést pochod intenzivně při stabilním a rovnoměrném chodu pece Přestup tepla ve vysoké peci Se zřetelem na teplotní poměry lze vysokou pec rozdělit po její výšce na tři části - horní pásmo výměny tepla - střední pásmo tepelně - spodní pásmo výměny tepla Přestup tepla ve vysoké peci se vyznačuje těmito zvláštnostmi: Teplota na povrchu jednotlivých kusů vsázky je ovlivňována jak vnějším přestupem tepla (z plynu k povrchu kusů), tak i vnitřním (od povrchu kusů dovnitř). Vnější přestup tepla se uskutečňuje sáláním, vedením i konvekcí, přičemž podíl těchto způsobů na celkovém přestupu tepla se mění s teplotou Vysokopecní vsázka je granulometricky a kvalitativně nehomogenní, což znemožňuje získat přesné zákonitosti. Mění se tvar, velikost i vnitřní struktura kusů, a tím se mění i podmínky pro proudění plynu. Mění se také vlastnosti plynné fáze a vznik kapalných fází vytváří velmi složitou protiproudní soustavu. Na přestupu tepla se podílejí také stěny vysoké pece s chladícími armaturami. Aby se vyloučily nejobtížněji zjistitelné vlivy a podstatně se zjednodušily výpočty, budou další úvahy vedeny za těchto předpokladů: 1. Vsázka je tvořena granulometricky ideální vrstvou složenou z pravidelných koulí o stejné velikosti. V takovém případě lze zanedbat přestup tepla vedením mezi jednotlivými kusy. 2. Jednotlivé kusy vsázky mají nekonečně velkou tepelnou vodivost. To umožňuje předpokládat, že teplota uvnitř kusů je stejná jako teplota na jejich povrchu. 3. Soustava je dokonale tepelně izolována, tj. vykazuje nulové tepelné ztráty d oblastí mimo vrstvu Systémy řízení ohřívačů větru Na rozdíl od většiny ostatních výměníků nevyužívá citelného tepla spalin odcházejících z pece, nýbrž je výměníkem vytápěným. Palivem je vyčištěný vysokopecní plyn, mísený s koksárenským,resp. zemním plynem. Studený vítr je pro potřeby vysoké pece ohříván v baterii ohřívačů větru. Všem těmto bateriím z hlediska budování ASŘTP je společný rekuperační ohřev větru, při kterém je v jednom nebo maximálně ve dvou ohřívačích studený vítr ohříván a zbývající jsou vytápěny. Cílem ASŘTP je sladit vzájemné požadavky na ohřev větru s možnostmi daného typu ohřívače tak, aby byla zajištěna max. teplota dmýchaného větru s využitím paliv, která jsou pro vysokopecní závod k dispozici. 120

121 Řízení ohřívačů je zajišťováno dvěma navzájem skloubenými částmi: zařízením pro automatickou reverzaci baterie ohřívačů a zařízením pro regulaci vytápěni a ohřev větru. Automatická reverzace zajišťuje podle předem určeného logického postupu ve vhodné okamžiky přeřazování z polohy odstaveno na vytápění nebo ohřev větru a naopak v případě, že v průběhu reverzačních cyklů dojde k poruše, provádí se automaticky nezbytný bezpečnostní zásah. Základní zásadou řízení je splnění podmínky pro trvalý ohřev větru bez přerušení, které by mohlo nastat při reverzaci. Regulace vytápění a ohřevu větru navazují na zařízení programové reverzace. Regulační systém vytápění umožňuje podle požadavku provozu resp. podle následujícího podsystému optimalizace vytápění nastavení potřebného tepelného příkonu změnou množství topného plynu a jeho automatickou regulaci. Automatická regulace ohřevu větru může řídit teplotu horkého větru změnou množství přídavného větru nebo poměrnou změnou množství dmychaného větru při současném průchodu dvěma ohřívači, jejichž míra ochlazení je fázově posunuta. Ohřev větru i vytápění mohou být řízeny třemi rozdílnými způsoby: I - Běžným způsobem, při kterém se vítr ohřívá průchodem jedním ohřívačem, zbývající ohřívače jsou vytápěny. II- Paralelním způsobem ( ), při kterém se vítr ohřívá současně ve dvou ohřívačích zbývající dva jsou vytápěny. Teplota horkého větru je regulována na předvolené konstantní hodnotě proměnným množství přídavného větru. III- Sdružené- paralelním způsobem (2/2), při kterém se vítr ohřívá současné ve dvou ohřívačích, jejichž míra ochlazeni je vzájemně o polovinu cyklu posunuta. Množství větru, procházející oběma ohřívači, se reguluje regulačními klapami v potrubí studeného větru tak, aby teplota výsledného větru po smísení odpovídala žádané teplotě horkého větru. 121

122 15. SUROVÉ ŽELEZO A OCEL 1 hodinu Text - normální Čas ke studiu Cíl Výklad Surové železo je sloučenina železa a uhlíku. V surovém železe jsou vedle uhlíku ještě dodatečné zbytky doprovodných prvků, jako jsou mangan (Mn), křemík (Si), síra (S) a fosfor (P). Surové železo není kujné, je pouze dobře slévatelné a nehodí se pro výrobky pro svou křehkost. Ocel je materiál s mnohostranným použitím. Podle čistoty, množství legovacích přídavků a úpravy rozeznáváme a dělíme ocel např. na měkkou nebo tvrdou, pevnou v tahu, odolnou proti opotřebení, korozi nebo teplu. Ocel se dá kovat, válcovat, slévat a zpracovávat třískovým obráběním i beztřískovým obráběním. O L slou enina Fes méně než sloučenina Fes více než 2,14 122

123 Obr. 25 Typy ocelových slitin dle obsahu uhlíku. Sloučeniny železa s uhlíkem o obsahu C do 2,14% označujeme jako ocel (stavební ocel, nástrojová ocel, ocelolitina), zde jsou Fe a C také v pevném stavu v sobě navzájem rozpuštěny, žíháním dosahujeme změněnou strukturu. Tyto sloučeniny železa a uhlíku se dobře tváří válcováním, tažením, kováním atd. Sloučeniny železa a uhlíku s obsahem C od 2,14 % označujeme jako litina, mimo tvrdé litiny mají ve struktuře volný uhlík ve formě grafitových lupínků, které strukturu přerušují, a tím snižují pevnost sloučenin Fe-C. Grafitové lupínky nemohou být odstraněny žíháním. Tyto sloučeniny železa a uhlíku se dají velmi dobře odlévat elezo Srovnání chemického složení surové železa a nástrojové oceli z ocel.sur.ž 3,6 0,4 F 0,5 0,55,0,0,07 e Rozdělení ocelí Podle chemického složení se oceli dělí na uhlíkové a slitinové (legované). Uhlíková ocel - slitina železa a uhlíku, jehož je méně než 2,14 %; má obvyklý obsah doprovodných prvků bez dalších úmyslných přísad a její vlastnosti jsou dány především obsahem uhlíku. Slitinová (legovaná) ocel obsahuje ještě další, úmyslně přidané prvky, obvykle ve větším množství (tabulka). Podle použití se oceli dělí na oceli konstrukční a nástrojové. Konstrukční oceli jsou buď obvyklých jakostí, mají poněkud větší obsah fosforu a síry. Až na malé výjimky se tepelně nezpracovávají. Ušlechtilé konstrukční oceli uhlíkové a slitinové se vyznačují větší čistotou, dokonalejším způsobem výroby. Dají se obvykle tepelně zpracovávat. Slitinové oceli s přídavkem legovacích prvků do 2,5 % se nazývají nízkolegované, do 5 % středně legované, do 10 % výše legované a nad 10 % vysokolegované. Nástrojové oceli jsou buď uhlíkové nebo slitinové. Označení ocelí Oceli se označují číselnými znaky podle norem. V různých státech se používají různé normy. V ČR používáme následující značení ocelí: 123

124 Základní Doplňkové Třída 1 x x x x. x x Význam 3., 4. a 5. číslice Stupeň přetváření Druh tepelného Význam jednotlivých čísel: první číslice -1 znamená, že jde o ocel tvářenou druhá číslice - ve spojení s první označuje třídu oceli (10,11,12,13,14,15,16,17,19) třetí číslice - udává informace podle třídy oceli čtvrtá číslice - udává informace podle třídy oceli pátá číslice - s výjimkou oceli pro výztuž betonu má význam pořadový Doplňkové číslice: první číslice - stav oceli v závislosti na tepelném zpracování druhá číslice-stav přetváření Rozdělení ocelí do tříd Třída oceli 10 - oceli konstrukční nelegované, s předepsanými mechanickými vlastnostmi, zpravidla nezaručené chemické složení Třída oceli 11 -ocelí konstrukční nelegované, předepsané mechanické vlastnosti a předepsaný obsah C. P, S. Třída oceli 12 - oceli ušlechtilé uhlíkové - předepsaný obsah C, Mn, Si, P, S aj. Třída oceli 13 - oceli ušlechtilé slitinové, nízkolegované prvky: Mn, Si, Mn + Si, Mn + V Třída oceli 14 - oceli ušlechtilé slitinové, nízkotegované prvky: Cr, Cr + AI, Cr + Mn, Cr + Si, Cr+Mn + Si Třída oceli 15 - oceli ušlechtilé slitinové, nízkolegované prvky: Mo, Cr + Mo, Cr + V, Cr + W, Mn + Mo, Cr + V + W, Cr + Si + Mo + V a další kombinace těchto prvků Třída oceli 16 - oceli ušlechtilé slitinové nízko a stredně legované prvky: Ni, Cr + Ni, Ni + V, Cr +Ni +V, Cr + Ni + W, Cr + Ni + Mn, Ni + V + W, Cr+Ni + V + W Třída oceli 17 - oceli ušlechtilé slitinové, střed-měavysoce legované prvky: Cr, Ni, Cr + Mn, Cr frsi, Cr + Ni + Ti + AI, Cr + Ni + V + W + Mn a další kombinace uvedených prvků (jsou to oceli korozivzdorné, žáruvzdorné, žárupevné, speciální. Třída oceli 19-oceli nástrojové uhlíkové a slitinové uhlíkové-nelegované, předepsaný obsah C, Mn, Si, P, S slitinové - nízko, středně a vysoce legované prvky Cr, V, W, Mo, Ni, Co, Si v různých kombinacích těchto prvků. rychlořezné, přelegované W. 124

125 16. VÝROBA OCELI 2 hodiny Čas ke studiu Cíl Výklad 16.1 Způsoby výroby oceli V současné době se používají čtyři pracovní postupy výroby oceli (viz Obr. 22): klasický způsob vysoká pec/ kyslíkový konvertor, přímo tavený šrot (elektrická oblouková pec), redukční tavení a přímá redukce. Obr. 27: Způsoby výroby surové oceli. V roce 1998 se výroba oceli v EU 15 zakládá na způsobu kombinace vysoká pec / kyslíkový konvertor ( přibližně 65 %) a na procesu elektrických obloukových pecí (přibližně 35 %). Procentuelní množství světové výroby surové oceli tavením z rud a přímou redukcí bylo v roce 1996 okolo 4 %. V Evropě se přímá redukce železa omezuje na množství t/rok 125

126 (Německo a Švédsko), což představuje přibližně 1,5 % světové kapacity. Spotřeba přímo redukovaného železa v elektrických obloukových pecích se pro EU 15 v roce 1995 udává ve výši 400 tis. t/rok, ale zájem o tento materiál stoupá a právě jsou ve vývoji nové technologie výroby. [IPPC] 16.2 Výroba oceli kyslíkovými pochody Výroba oceli kyslíkovými pochody je v soudobém hutnictví založena na technologickém schématu vyjádřeném pomocí Obr. 28. Z něj v podstatě vyplývají i nejdůležitější úkoly, které musí zajistit každý ocelářský výrobní způsob: Roztavit suroviny, popřípadě zvýšit jejich teplotu na teploty typické pro ocelářské pochody. Ty jsou dány zejména potřebou dosáhnout u vyrobené oceli dostačujícího přehřátí nad teplotu likvidu, aby vyrobenou ocel bylo možno podrobit dalším nezbytným operacím v pánvi a odlít, ať již do kokil, či na zařízeních pro plynulé odlévání oceli. Oxidačními pochody snížit obsah uhlíku a dalších prvků ve vsázce, zejména nežádoucího fosforu, na požadované obsahy dané značkou vyráběné oceli. Rovněž je nezbytné snížit obsah síry v kovu, hlavně převedením části síry z kovu do strusky. Jelikož v průběhu oxidačních pochodů dochází k téměř úplnému zoxidování křemíku, k úbytku obsahu manganu a k přechodu kyslíku do roztaveného kovu, jsou obsahy těchto prvků v kovu po ukončení zkujňování mimo meze požadované výrobními předpisy. Aby se zajistily požadované vlastnosti oceli, je nezbytné roztavený kov dezoxidovat, nalegovat, popř. ještě snížit obsahy síry, dusíku, vodíku a nekovových vměstků na zařízeních pánvové metalurgie, pokud to vyžaduje speciální použití vyráběné oceli. Jednotlivé ocelářské výrobní pochody se metalurgicky odlišují tím, jaký oxidační prostředek se používá pro zajištění potřebných oxidačních pochodů. Rozvoj kyslíkových pochodů výroby oceli, při nichž se jako oxidačního prostředku používá technicky čistého kyslíku, převážně o čistotě na 99 %, vytvořil podmínky pro to, aby byl celkový přínos tepla vyšší, než vyžaduje zvýšení teploty tekutého surového železa na odpichovou teplotu oceli, tvorba strusky a krytí tepelných ztrát. Proto je nezbytné použití chladicích prostředků, či ještě lépe účelné využití přebytků tepla ke zpracování části ocelového odpadu v kovonosné vsázce. Tím jsou vytvořeny podmínky pro zpracování odpadů kovu při výrobě oceli (viz Obr. 28), odpadu z válcoven (např. hlavových částí ingotů), zmetků apod., tedy tzv. vratného odpadu. K němu se řadí ještě zpracovatelský odpad (např. při třískovém obrábění kovů) a spotřebitelský odpad (např. amortizační odpad apod.). Na rozdíl od SM pecí, kde volba přínosu tepla palivem umožňuje zpracovávat ocelový odpad v širokém rozmezí jeho podílu v kovonosné vsázce, je u kyslíkových způsobů výroby oceli podíl ocelového odpadu ve vsázce limitován. Závisí hlavně na teplotě a složení surového železa, na požadovaném složení a teplotě vyráběné oceli, na využití tepla spalování CO a CO 2 a na výši tepelných ztrát. Právě tandemové pece využívají do jisté míry fyzikálního a reakčního tepla spalování CO na CO 2 v předehřívací nístěji k prohřevu tuhé vsázky. Tímto opatřením se dosahuje zvýšení množství tuhé kovonosné vsázky a snížení podílu tekutého surového železa ve vsázce. 126

127 Obr. 28 Schematické znázornění dominantního hutnického řetězce výroby oceli. Sledovaný systém vysoké 7 10 ocelářská odlévací pece MO pec pánev PM 14 část odlévání oceli Vysvětlivky: uzly, které se vyskytují vždy uzly možné suroviny odpadní produkty produkty MO - mimopecní rafinace surového železa PM - pánvová metalurgie oceli Význam číselných symbolů je uveden v následující tabulce. 127

128 Význam číselných symbolů ze schématu hutnického řetězce výroby oceli Suroviny Odpadní produkty Produkty č. název č. název č. název a typické parametry 1 vzduch nebo vzduch obohacený 5 vysokopecní plyn 7 surové železo: 4 % C; 0,8 % Si; 0,7 % Mn; kyslíkem 6 vysokopecní struska 0,03 % S; 0,2 % P; 2 ruda 9 struska po odsíření surového železa t = 1340 C; t likvidu = 1160 C 3 redukční prostředky a palivo bohatá na síru 10 odsířené surové železo: 3,9 % C; 0,7 % Si; 4 struskotvorné přísady 15 odpadní plyny z ocelářské pece 0,65 % Mn; 0,005 % S; 0,19 % P; 8 odsířovací prostředky 16 pecní ocelářská struska t = 1300 C; t likvidu = 1155 C 11 kyslík 20 struska 17 ocel na žlábku: 0,1 % C; 0 % Si; 0,2 % Mn; 12 palivo 23 odpadní plyny při pánvové metalurgii 0,020 % S; 0,014 % P; 0,040 % O 2 ; 13 chladicí prostředky 26 odpady oceli při odlévání 0,003 % N 2 ; (ruda, ocelový odpad apod.) t = 1600 C; t likvidu = 1524 C 14 vyzdívka ocelářské pece 19 ocel : 0,35 % C; 0,35 % Si; 0,98 % Mn; 18 legovací a dezoxidační přísady 0,019% S; 0,014 % P; 0,0030 % O 2 ; 21 inertní plyn pro vakuové zpracování 0,0035 %N 2 ; 24 speciální přísady t = 1540 C; t likvidu = 1485 C (licí prášky, krycí strusky, exotermické 22 mimopecně rafinovaná ocel přísady apod.) 27 odlitá ocel 25 intenzifikátory varu neuklidněných ocelí 128

129 Výroba oceli v Siemens Martinských pecích V martinských pecích se převážná část oceli vyrábí tzv. rudným pochodem. Tento typ pece má samostatné regenerátory pro plyn a vzduch. Mřížoví regenerátorů je ohříváno odcházejícími spalinami. Po dosažení dostatečně vysoké teploty je pak přes mřížoví regenerátorů propouštěn vzduch a plyn. Předběžný ohřev plynu a vzduchu zajišťuje zvýšení teploty plamene, což zlepšuje předávání tepla ohřívanému materiálu. Vždy se jeden pár mřížoví ohřívá odváděnými spalinami a druhý pár mřížoví předává naakumulované teplo vzduchu a plynu. PO uplynuti určité doby, kdy se jeden pár mřížoví dostatečně ohřeje a druhý dostatečně ochladí, se proudy plynu, vzduchu a spalin reverzují-ohřáté regenerátory se převádějí na předávání tepla plynu a vzduchu a ochlazené na ohřev. Řízení tavby v SM peci vyžaduje velké umění. Tavič, který bere v úvahu celý předešlý průběh tavby, odhaduje okem obsah uhlíku a ostatních příměsí podle charakteru varu lázně a řady jiných příznaků, přičemž údaje chemické analýzy mu slouží k potvrzení výsledků svých odhadů. Značnou komplikaci vnáší do řízení tavby směnnost. Úlohy algoritmizace chodu jednotlivých pecí navzájem mezi sebou a taktéž úlohy stanovování jednotlivých údobí tavby v každé peci řeší informační řídící systém ocelárny. Řeší úlohy ve třech úrovních. Na prvním stupni systém řídí tepelný režim každé pece. Další stupeň vybírá systém zadání systému tepelného režimu na jednotlivá údobí tavby, provádí se kontrola jejich průběhu, určuje se jak složení vsázkových materiálů, sazených do pece, tak i množství sazeného železa, nalévaného do pece, stanovuje se doba nalévání surového železa a doby sázení materiálů v údobí dohotovení. Na nejvyšším stupni hierarchie systém řeší metodou predikce algoritmus časové návaznosti údobí taveb na různých pecích a vydává pokyny na změny délek jednotlivých údobí druhému stupni. Prvořadou úlohou je vypočet množství vsázkových materiálů a surového železa, potřebných k vytavení v dané peci oceli zadané značky a váhy. Tento výpočet musí být proveden v časovém předstihu před započetím tavby, aby byl dostatek času k přípravě soupravy se v sázkovými materiály a k jejímu převezení k peci. Další funkci, kterou plní druhý stupeň je předpověď délky každého údobí tavby. Doba trvání sazení se určuje podle normativní doby trváni operace sazeni koryta do pece, celkového počtu koryt počtu sázeček, které se účastní sázení Výroba oceli v tandemových pecích Jak vyplývá z definice tandemového pochodu výroby oceli, jedná se o typ dvounístějové pece, kde v jedné nístěji probíhají pochody typické pro metalurgii výroby oceli a v druhé nístěji pochody tepelně energetické, jako je spalování odpadních plynů a sdílení tepla, jejichž cílem je co nejvíce prohřát tuhou vsázku. Proto musí být tandemová pec konstrukčně řešena tak, aby účinně plnila úlohy jak metalurgické, tak tepelně energetické. Těmto úkolům musí být podřízeno i optimální řešení potřebných obslužných zařízení. 129

130 Princip tandemového pochodu výroby oceli Kyslíkové pochody výroby oceli byly v polovině šedesátých let tohoto století rozšířeny o tandemový výrobní pochod. Tandemové pece tvoří přechod mezi Siemensovy - Martinovými pecemi (SM pece) a LD kyslíkovými konvertory. Na rozdíl od LD konvertoru je v tandemových pecích kyslík dmýchán do lázně ze vzdálenosti řádově centimetrů, u LD konvertoru řádově metr. Tento způsob dmýchání při vhodné konstrukci zkujňovacích trysek umožňuje u tandemové pece výrazně omezit spalování vyvíjeného CO ve zkujňovací nístěji a využít jej k učinnějšímu předehřevu tuhé vsázky při spalování kyslíkem nebo při kombinovaném spalování kyslíkem a vzduchem v předehřívací nístěji. Tím je dán i další rozdíl mezi posuzovanými pochody. Zatímco u pochodu LD a Martinova pochodu se využívá jednonístějových jednotek, tandemová pec je dvounístějová. Avšak na rozdíl od nístějové SM pece je to pecní jednotka bez regenerátorů, u níž se v jedné nístěji zkujňuje plynným kyslíkem jako u LD konvertoru a v druhé nístěji se využívá fyzikálního tepla a spalování CO odpadních plynů na CO 2 k předehřevu tuhé vsázky. Po každém odpichu se funkce nístějí vzájemně mění (viz harmonogram tavby v tandemové peci na Obr. 29) Obr. 29 Harmonogram tavby v tandemové peci [BÖHM1984] Jednotlivé operace znázorněné na Obr.29 mají tento význam: 1 - prohlídka pece - po každé tavbě je nezbytné prohlédnout nístěj, Výsledkem prohlídky je rozhodnutí, zda je možno pokračovat v cyklování funkce nístějí bez mezitavbové opravy. 2 - sázení ocelového odpadu - po prohlídce pece následuje období sázení tuhé vsázky. U 200 tunové pece se obvykle vsazují dvě velkoobjemové bedny, každá obsahuje kolem 28 tun tuhé kovonosné vsázky. 3 - sázení vápna - pro zajištění rychlé tvorby primární strusky je nutno první dávku vápna použít již do vsázky. Z organizačních důvodů se obvykle sázení vápna provádí okamžitě po nasázení ocelového odpadu. Množství vápna do vsázky se určuje podle obsahu křemíku v surovém železe. Pohybuj se od 4 tun (při obsahu křemíku pod 0,5 hmotnostních %) do 8 tun (obsah křemíku nad 1,0 hmotnostních %). 130

131 4 - nalévání surového železa - celkové množství tekutého surového železa se pohybuje kolem 150 až 155 tun. Nalévání nemá začít dříve než při odběru první zkoušky na vedlejší nístěji, a to proto, aby byl zajištěn dostatečný prohřev tuhé vsázky. Avšak nalití surového železa má být ukončeno před začátkem odpichu na vedlejší nístěji, aby nevznikly prostoje. Údobí mezi operací 3 a 4 se nazývá prohřev vsázky. 5 - začátek dmýchání kyslíku - před touto operací je nutno zavést zkujňovací trysky do pracovní polohy. Kyslík se začíná dmýchat nejdříve při začátku odpichu na vedlejší nístěji. 6 - stahování pěnivé strusky - Údobí mezi operací 5 a 6 se nazývá první část zkujňování I. 7 - odběr prvního zkušebního vzorku - odebírá se vzorek kovu, u vybraných jakostí i vzorek strusky, a změří se teplota roztavené lázně. Údobí mezi operacemi 6 a 7 se nazývá druhá část zkujňování I a údobí mezi operacemi 5 a 7 je označováno jako zkujňování I. 8 - odběr posledního zkušebního vzorku - provádí se po ukončení zkujňování, při předpokládaném odpichovém obsahu uhlíku a předpokládané odpichové teplotě a po splnění podmínky dostatečně nízkých obsahů fosforu a síry. Odebírá se vzorek kovu, vzorek strusky a měří se teplota lázně. Údobí mezi operacemi 7 a 8 se nazývá zkujňování II. 9 - odpich - po obdržení informací o teplotě kovu a obsahu uhlíku a o jistotě, že obsah síry a fosforu bude odpovídat požadavkům vyráběné jakosti oceli, lze přistoupit k odpichu kovu z pece do odlévací pánve. Údobí mezi operacemi 8 a 9 se nazývá úprava kovové lázně, popř. strusky. V tomto údobí se např. vnášejí do pece legovací a dezoxidační přísady u jakostí, které vyžadují značná množství těchto přísad. Zbývající dávka se pak přisazuje do pánve. Po každém odpichu je nutné provést reverzaci uzavíracích zařízení odtahových traktů. Po reverzaci se změní směr proudění spalin a ze zkujňovací nístěje se stává nístěj předehřívací. Konstrukce tandemových pecí a obslužného zařízení Pro snazší pochopení konstrukčních řešení tandemové pece a obslužného zařízení je uveden stručný popis základních uzlů tandemové pece a obslužného zařízení včetně jejich funkcí. Schematické znázornění je na Obr

132 Obr. 30 Schématické znázornění významných technologických uzlů tandemových pecí [BÖHM1984] 1 - zkujňovací tryska, 2 - zkuňovací nístěj, 3 - roztavená lázeň, 4 - převáděcí kanál, 5 - dospalovací tryska, 6 - tuhá vsázka, 7 - předehřívací nístěj, 8 -odtahový oblouk, 9 - vodní sprcha pro chlazení odpadních plynů, 10 - odtahová šachtice, 11 - reverzační klapka, 12 - vodní zvonový uzávěr, 13 - odtahový kanál, 14 - mokré odprašování spalin, 15 - ventilátor, 16 - komín. Z obrázku vyplývá, že obě nístěje jsou geometricky a konstrukčně shodné. V jedné z nich probíhá zkujňování lázně technicky čistým kyslíkem. Pro přívod kyslíku do lázně slouží zkujňovací trysky. Vznikající plynné zplodiny zkujňování, bohaté na CO, s teplotou kolem 1500 C se převádějí ze zkujňovací nístěje do předehřívací nístěje. K tomuto účelu slouží převáděcí kanál. Ke spalování CO v předehřívací nístěji je nutno přivést oxidační médium, a to kyslík či směs kyslíku a vzduchu. K tomuto účelu jsou zde zabudovány dospalovací trysky. Jelikož funkce nístějí se periodicky mění, musí být zkujňovacími i dospalovacími tryskami vybaveny obě nístěje. 132

133 Spaliny z předehřívací nístěje vstupují do odtahového traktu. Ten musí být vybaven uzavíracím zařízením, které se po tavbě střídavě otevírají a uzavírají a určuje směr proudění spalin podle toho, která z nístějí je předehřívací. U odtahových šachtic je umístěna strusková komora k zachování větších částic strhávané strusky a prachu změnou směru a rychlosti proudění plynů. Rovněž se zde používá chlazení plynů vodní sprchou ke snížení teploty spalin pod bod výbušnosti, obvykle pod 500 C. Jelikož odpadní plyny jsou značně znečištěny prachem, což je typické pro všechny kyslíkové pochody výroby oceli, je dalším důležitým uzlem čistírna plynu. Obr. 31 Podélný řez sklopnou tandemovou pecí 1 - tandemová pec, 2 - zkujňovací tryska, Obr. 32 Příčný řez sklopnou tandemovou pecí 1 - tandemová pec, 2 - sázecí otvor, 3 - velkoobjemová sázecí nádoba, 4 - odpichový Vlastní pec tvoří nístěj, dále pak stěny a klenba, které jsou zpravidla sestaveny z panelů pro rychlou výměnu vyzdívky. V přední stěně jsou sázecí otvory, jeden pro každou nístěj. Tyto otvory jsou zakryty pohyblivými dvířky. Při stanovení rozměrů nístěje bylo nutno brát ohled na tepelnou práci pece. Užitečné teplo tandemové pochodu, a tím i podíl odpadu je za daného složení a teploty surového železa tím vyšší, čím menší jsou tepelné ztráty stěnami obou nístějí. V zadní stěně tandemové pece je umístěn odpichový otvor. Některé parametry nístěje, typické pro konstrukční řešení 2 x 200 tunové tandemové pece, jsou znázorněny na Obr

134 Obr. 33 Příčný řez vyzdívkou sklopné 2 x 200 tunové tandemové pece s vyznačením důležitých rozměrů (mm) [BÖHM1984] Výroba oceli v kyslíkových konvertorech První zásaditá pec s dmýcháním kyslíku o výrobní velikosti (také nazývaná kyslíkový konvertor) byla postavena v Linci v roce

135 Obr. 34 Kyslíkový konvertor v okamžiku zavážení taveninou kovu. [IPPC] Následně proces kyslíkového konvertoru společně s elektrickou obloukovou pecí (EOP) nahradily méně energeticky efektivní stávající procesy výroby oceli jako je Thomasův proces, a SM pochod, (Besemer, Siemens-Martin). V EU byly poslední S-M pece vyřazeny z provozu na konci roku Tím pádem jsou dnes v EU k výrobě oceli pouze pochody v kyslíkovém konvertoru a elektrické obloukové peci. Procesy v kyslíkovém konvertoru pokrývají 2/3 výroby oceli a zbývající 1/3 pak obstarávají elektrické obloukové pece (týká se Evropské 15 v roce 1996). Cílem kyslíkové výroby oceli je spálení (tj. oxidace) nežádoucích nečistot obsažených v kovové vsázce. Hlavními prvky, které tudíž přecházejí na oxidy jsou uhlík, křemík, mangan, fosfor a síra. Účelem tohoto oxidačního procesu tedy je : - snížit obsah uhlíku na předepsanou úroveň ( z přibližně 4% na méně než 1 %, ale často níže), - upravit obsah potřebných cizích prvků, - odstranit nežádoucí nečistoty v maximálně možné míře. Výroba oceli kyslíkovým pochodem je diskontinuální proces, který zahrnuje následující kroky: přepravu a skladování taveniny horkého kovu předúpravu taveniny horkého kovu (odsiřování) oxidaci v kyslíkovém konvertoru (oduhličení a oxidaci nečistot) úpravu sekundární metalurgií odlévání (kontinuální a/nebo do ingotů) Přeprava a skladování taveniny horkého kovu Tavenina kovu se dodává do ocelárny z vysoké pece pomocí přepravních vozů nebo torpédových pánví. Pánve jsou vyzděny korundem (Al 2 O 3 ), mulitem, bauxitem, nebo cihlami z dolomitu s přídavnou isolující mezivrstvou mezi ocelí a žáruvzdorným materiálem. Torpédová pánev tvaru míchačky horké taveniny pohybující se po kolejích se stala převládajícím systémem. Směsná nádoba je na jedné straně podepřena a může se při vylévání svého obsahu otáčet. Torpédové pánve se obvykle projektují o kapacitě mezi 100 a 300 tunami, u největších jednotek dosahují až 400 tun. Projekt torpédové pánve minimalizuje tepelné ztráty. Skutečnost, že torpédová pánev zastává funkci míchačky horkého kovu, eliminuje potřebu zvláštního systému pro skladování horké taveniny. I když dochází k přelévání do otevřené pánve, přechovává se horký kov v některých případech v míchačích. Jsou to otočné horizontální ocelové nádoby vyzděné žáruvzdornou vyzdívkou. Slouží k tomu, aby kompenzovaly výkyvy mezi výrobou vysoké pece a ocelárny, vyrovnávaly chemické složení u jednotlivých vysokopecních taveb a zajistily homogenní teploty. Kapacita moderních míchačů horkého kovu dosahuje až tun Předúprava taveniny kovu Klasická předúprava taveniny horkého kovu zahrnuje následující pochody: odsíření, odfosfoření, 135

136 odstraňování křemíku, V Evropě se používá při přípravě taveniny kovu pro kyslíkové konvertory obvykle pouze odsiřování. Odstraňování fosforu a křemíku ze vsázky zahrnuje nákladově a technicky dokonalý technologický proces, který se objeví v dohledné budoucnosti, aniž by byl zárukou současných požadavků. Zlepšená vysokopecní metalurgie a snížené množství zaváděné síry pomocí redukčních činidel má za následek nižší obsah síry v tavenině horkého kovu. Dnes specifikované koncentrace síry (mezi 0,001 a 0,020 %) pro vsázku do konvertoru se běžně upravují v zařízení na odsíření taveniny kovu, které je umístěno vně vysoké pece. Mimopecní odsíření také s sebou přináší přínos z hlediska ochrany životního prostředí. Naproti vysokopecnímu pochodu tyto operace znamenají obvykle sníženou spotřebu koksu a aglomerátu, menší výtěžek taveniny kovu a ocelárenské strusky, lepší kvalitu metalurgické strusky, delší dobu životnosti žáruvzdorné vyzdívky a nižší spotřebu kyslíku. Známá odsiřovací činidla obsahují látky nasycené karbidem vápenatým, louhem sodným, bezvodou sodou, vápnem a hořčíkem. Nejrozšířenější metoda odsiřování taveniny, které se dnes používá v Evropě, je založena na karbidu vápenatém, který dřívější sodný proces nahrazuje, s ohledem na likvidaci odpadu a důvodům zohledňujícím kvalitu ovzduší. Použití směsi karbidu vápenatého CaC 2, hořčíku a vápna umožňuje, aby se tavenina kovu odsířila na výsledné hodnoty, pod 0,001 % bez ohledu na původní obsah síry. Nevýhody spočívají v dosti nízké efektivitě odsiřovacího činidla a potřebě intenzivního promíchávání odsiřovacího činidla s horkou taveninou. Jediným specifickým přínosem je, že procesem vzniká drobivá (rozpadavá) struska, která se může snadno odstraňovat. Použití hořčíku kromě karbidu vápenatého je asi tak běžné, jako použití karbidu vápníku samotného. Další odsiřovací činidla obsahují práškové vápno, vápno v kombinaci se zemním plynem a hořčíkem. Proces odsiřování se uskutečňuje větším počtem různých metod a systémů. V běžnějších variantách se odsiřování odbývá: - v licích žlabech vysoké pece, - v proudu odlévání, - v přepravní pánvi, nebo - v účelově projektovaných hutních nádobách. Známé odsiřovací zařízení obsahuje ponornou trysku, výpustnou pánev, rotující a oscilující nádoby a třepací zařízení pro použití v pánvi. Nejobvykleji se používá karbidu vápenatého v kombinaci s ponornou tryskou a mícháním. Hořčík se přidává do nosného plynu v práškové formě pomocí ponorné trysky. Proces odsiřování se uskutečňuje ve zvláštních úpravárenských jednotkách Oxidace v kyslíkovém konvertoru S ohledem na plnění výše uvedených cílů se nežádoucí nečistoty oxidují při následném odstranění s odcházejícím plynem nebo se struskou. V dalším odstavci jsou 136

137 vyjmenovány hlavní oxidační procesy, ke kterým v kyslíkovém konvertoru dochází. Nežádoucí nečistoty se odstraňují v odcházejícím plynu, nebo tekuté strusce. Chemické reakce, které nastávají během oxidačního procesu. eliminace uhlíku : oxidace doprovodných prvků z příměsí [C] + [O] CO (výstupní plyn) [CO] + [O] CO 2 (výstupní plyn) přechází do strusky odstranění křemíku: [Si] + 2[O] +2(CaO) ( 2 CaO. SiO 2 ) reakce manganu: [Mn] + [O] (MnO) odfosfoření: 2 [P] + 5 [O] + 3 [CaO] ( 3 CaO.P 2 O 5 ) odsíření: redukce (odkysličení) [S] + [CaO] (CaS ) + [O] odstranění zbytkového kyslíku: [Si] + 2[O] (SiO 2 ) pomocí ferrosilicia pomocí hliníku: 2 [Al] + 3 [O] (Al 2 O 3 ) pozn: [ ] = rozpouští se v železe ( ) = přechází do strusky Energie potřebná ke zvýšení teploty a k tavení vstupních surovin se dodává exotermickou reakcí při oxidaci tak, že na jedné straně není třeba žádného přídavného tepla na vstupu a na straně druhé se musí přidávat šrot nebo ruda, aby se vyrovnávalo teplo. Do některých konvertorů a při pochodech spojených s dmýcháním se injektují dmýšními trubkami jako chladící médium plynné uhlovodíky (např. zemní plyn - viz Obr.36). Proces v kyslíkovém konvertoru je semikontinuální. Úplný cyklus tvoří následující fáze: - zavážení šrotu a roztaveného surového železa, - dmýchání kyslíku (hlavní dmýchání-měření teploty a chemického složenídofuky) - vzorkování a zaznamenávání teploty, - odpich. V moderních ocelárnách se vyrobí cca 300 t oceli v průběhu minutového cyklu. Pro uzpůsobení jakosti oceli a tvorbu strusky se během pochodu přidávají rozličné přísady. Během zavážení a odpichu je konvertorová pec nakloněna. Během dmýchání kyslíku má konvertor svislou polohu. Existuje několik druhů reaktorů, které se používají při tomto kyslíko-konvertorovém procesu. Nejběžněji používaným typem je konvertor LD (Linz-Donawitz), který se používá pro surové železo s nízkým obsahem fosforu. V případě vysokého obsahu fosforu se využívá procesu modifikovaného (LD/AC proces, tj. procesu Linz-Donawitz / Arbed- CRM). 137

138 Konvertor má hruškovitý tvar se žáruvzdornou vyzdívkou, kde je naspodu zavedena vodou chlazená tryska pro kyslík. Touto tryskou se do tekutého surového železa dmýchá čistý kyslík (> 99 %) z kyslíkárny. (Obr. 35) Obr. 35. Konvertor s horním dmýcháním /Ullmann s, 1994/ Další typy reaktorů pro výrobu oceli jsou OBM (proces Oxygen - Bottom- Maxhütte ), nebo Q-BOP a LWS (proces Loire-Wendel-Sprunch ). Tyto pochody se liší od LD konvertoru v tom, že namísto vrchního dmýchání kyslíku pomocí zatažitelné trubky se kyslík a tavidla dmýchají pomocí ponorných trysek u dna pece (Obr. 36) /EC BOF, 1995/. V těchto konvertorech se kyslík injektuje ode dna tryskami chlazenými pomocí uhlovodíků, dmýchaných do taveniny. Následně byly vyvinuty kombinované techniky dmýchání. Tam, kde je to nutné, může být proces v určité fázi intenzifikován promícháváním odspoda s argonem nebo dusíkem přes porézní cihly ve vyzdívce dna.. Alternativně se dmýšní trubice ve dně využívají v průběhu fáze dmýchání k injektáži čistého kyslíku nebo jiných plynů. Dochází k intenzivnější cirkulaci roztavené oceli a zlepšuje se reakce mezi kyslíkem a roztaveným kovem. Nejčastějšími typy jsou procesy LBE (Lance-Bubbling-Equilibrium = tryska pro rovnoměrné probublávání) a proces TMB (Thyssen-Blowing Metallurgy = metalurgie dmýchání Thyssen). Zvláštní verzí je pochod KMS (Klökner-Maxhütte- Steel Making = Kloknerův proces výroby oceli), kdy se kyslík injektuje zdola společně s vápnem a uhlím. 138

139 Obr. 36 Řez konvertorem OBM. [IPPC] Obr. 37 Kombinovaná technika dmýchání s horní nebo postranní dmýšní trubkou. [IPPC] Množství spotřebovaného kyslíku závisí na složení kovové taveniny (tj. obsahu C, Si, P). Vývoj procesu tvorby oceli se posuzuje odebíráním vzorků roztaveného kovu. V moderních závodech se vzorkování provádí, aniž by se přerušilo dmýchání kyslíku používáním pomocné trubky. Stejného výsledku se dosáhne normováním postupu výroby a/nebo použitím odpovídajícího modelování dynamiky a monitorování. Tyto pracovní postupy udržují jakost, produktivitu a snižují emise kouřových plynů během naklánění konvertoru. Jakmile jakost oceli vyhovuje požadavkům, zastaví se dmýchání kyslíku a surová ocel se odpichem vypustí z konvertoru na pánev. Roztavená ocel se pak po sekundární metalurgii přepraví k odlévacímu stroji. Oxidační reakce jsou exotermní, tedy narůstá teplota roztaveného železa. Pro ochlazení se přidává šrot, železná ruda nebo jiné ochlazovací příměsi a teplota se udržuje přibližně v rozmezí 1600 až 1650 o C. Obvykle tvoří šrot % vsázky konvertoru, ale někdy může dosáhnout až 40 %. Množství vsazovaného šrotu závisí na způsobu předúpravy surového železa a na teplotě potřebné pro odpich tekuté oceli /UBA, Comments, 1997/. Výkyvy tržních cen šrotu a požadované specifikace oceli mají také svůj vliv. 139

140 Během procesu výroby oceli se tvoří struska. Záměrem regulace strusky je efektivní snížení množství nežádoucích substancí, které jsou obsaženy v horké tavenině a produkce strusky o vysoké jakosti, která bude vyhovující pro následné zpracování a použití Mimopecní zpracování oceli Mimopecní rafinace (označovaná též jako pánvová metalurgie, sekundární metalurgie) plní dnes funkci spojovacího článku mezi výrobním agregátem a vyšším stupněm zpracování tekuté oceli na ZPO s vysokými požadavky na exaktnost vstupů. Tato úprava oceli se vyvinula jako odezva na stále rostoucí požadavky na jakost a vedla k podstatnému růstu produktivity přesunem vsázky při metalurgickém rafinačním procesu mimo konvertor. Lze konstatovat, že bez mimopecní metalurgie lze obtížně hovořit o dodržení potřebné jakosti, o uplatnění sekvenčního lití, lití malých průřezů apod. Obsah a záměry mimopecní metalurgie jsou podstatně širší než bylo naznačeno. Homogenizaci a korekci lze ovšem považovat za obecný a společný rys všech postupů mimopecního zpracování oceli, která je při plynulém zpracování oceli základní kvalitativní podmínkou. Hlavní úkoly sekundární metalurgie jsou následující: - míchání a homogenizace - úprava chemického složení v mezích analytické tolerance - včasná úprava teploty pro následný proces odlévání - odkysličení - odstranění nežádoucích plynů jako jsou vodík a dusík - zlepšení čistoty oxidace oddělením nekovových příměsí Přehled operací u sekundární metalurgie se uvádí na obrázcích Obr. 38 a Obr. 39. Tyto pochody se konají na pánvi, nebo v pánvové peci ve vakuu, nebo v účelově konstruovaných pecích. Nejdůležitějším krokem při sekundární metalurgii je úprava ve vakuu. Ta slouží hlavně k odstranění plynů, vodíku, kyslíku, dusíku nebo zbytkových koncentrací uhlíku z oceli při vakuu až 50 Pa. Účelem této operace je oduhličení a oproštění oceli od plynů rozpuštěných za tepla během cyklu dmýchání. Tak se může poklesem tlaku až na 10 mbarů snížit hmotnostní obsah kyslíku a dusíku až na 0,0002 % resp. 0,005 %. 140

141 Obr. 38 Přehled pochodů sekundární metalurgie. [IPPC] Obr. 39 Procesy sekundární metalurgie/úprava na pánvi. [IPPC] Legenda: VOD: Vakuum-Oxygen-Decarburisation= oduhličení kyslíkem ve vakuu; VAD:Vacuum-Arc-Degassing=odplynění obloukem ve vakuu; AOD: Argon-Oxygen-Decarburisation = oduhličení argonem a kyslíkem; 141

142 CAS:Compositional Adjustment by Sealed Argon Bubbling= úprava složení probubláváním argonem v izolaci; OB:Oxygen Blowing= dmýchání kyslíku 16.4 Zařízení sekundární metalurgie Stanice homogenizace inertním plynem (SHIP) Vhánění jemně rozptýlených bublin argonu do ocelové lázně usnadňuje přechod plynů rozpuštěných v tavenině do plynné fáze a vyvozuje flotační účinek na nekovové vměstky v tavenině, které se usazují na plynových bublinkách a jsou jimi vynášeny do strusky. Kromě uvedeného fyzikálního vlivu argonu lze jeho vhánění vyvodit i mechanický účinek, kterým se dosahuje co nejdůkladnější homogenizace lázně po stránce chemického složení i rozložení teplot. Schématické znázornění stanice homogenizace inertním plynem je na obrázku 40. Obr. 40 Schematické uspořádání při vhánění argonu do roztavené oceli 1 - prodyšná tvárnice, 2 - licí pánev, 3 - regulátor tlaku, 4 - redukční ventil, 5 - měření spotřeby argonu, 6 - tlakové láhve s argonem Vakuovací stanice (DH/RH) (DH - vakuové vztlakové odplynění, RH - vakuové recirkulační odplynění). Dnes operace úpravy ve vakuu zahrnují přesné oduhličení a odkysličení nelegovaných ocelí, oduhličení chromem legovaných jakostních tříd, odstranění síry a vměstků, stejně jako rozličné legování, homogenizaci, řízení teploty a preventivní opatření před reoxidací. Vakuová metalurgie poskytuje oceli o lepší čistotě, nižším obsahu plynu a užší toleranci legování. Používají se následující metody vakuové úpravy : - odplynění stojící pánve nebo nádrže a - recirkulační odplynění 142

143 Při vakuovém zpracování oceli způsobem DH se postupuje tak, že se odpichová pánev s roztavenou ocelí vhodně umístí pod nasávací trubici ponorné vakuové komory. Vyčerpáním vzduchu a plynů z vakuové komory se hladina ve vakuové komoře zvedne do výšky odpovídající rozdílu tlaků ve vnější atmosféře a v komoře, tj. do výše asi 1400 mm. Opakovaným zvedáním a spouštěním vakuové komory nebo pánve se komora naplňuje a vyprazdňuje. Při jednom pracovním cyklu vstoupí do komory 1/10 až 1/20 oceli v pánvi; proto se tyto cykly opakují až do dosažení žádaného stupně odplynění. Dnes obvyklejším procesem je recirkulační odplynění (RH). Při odplynění na pánvi je pánev, obsahující oxidovaný kov umístěna do vakuovaného kontejneru. Vstup přídavné energie zajišťuje vyšší reakční rychlosti a snižuje konečnou koncentraci nežádoucích složek v lázni. Tato intenzifikace může být doprovázena injektáží argonu pomocí jedné nebo více porézních zátek ve dně pánve, při homogenizaci taveniny pomocí trysky nebo procesem indukčního míchání. Účel zpracování zamezit tvorbě vloček ve výkovcích a vývalcích podstatným snížením obsahu vodíku zlepšit mechanické vlastnosti výrobků zejména jejich plastické hodnoty zlepšit ultrazvukovou čistotu materiálu omezením tvorby trhlin a hrubých vměstků zvýšit fyzikální i chemickou homogenitu taveniny a tím rovnoměrnost celé tavby snížit propal desoxidačních a legujících prvků a zpřesnit desoxidační a legovací postup, zejména úpravou pořadí legujících přísad zúžit rozmezí chemického složení při výrobě jednotlivých značek a provést jejich mikrolegování zvýšit oxidickou mikročistotu kovu. Obr. 41 Schéma vakuovací stanice DH I - horní poloha II - dolní poloha 1 - licí pánev, 2 - ponorná vakuová komora, 3 - ohřev komory, 4 - zásobník legovacích přísad, 5 - odsávací trubice, 6 - odplyňovaná ocel, 7 - vytékající ocel 143

144 Hlavní části vakuová nádoba s jedním nasávacím hrdlem, vyzděná basickým žáruvzdorným materiálem vývěvová stanice s paroproudými vývěvami v barometrickém uspořádání zařízení pro ohřev žáruvzdorné vyzdívky vakuovací nádoby plynovým ohřevem a pro její udržování na teplotě elektrickým odporovým ohřevem plně mechanizované a automatizované dávkovací zařízení přísad umožňující podávání přísad do oceli ve vakuu automatizovaný řídící a kontolní systém ovládající chod všech částí vakuovací stanice vůz pro přepravu pánve mechanismus s hydraulickým pohonem zajišťující kmitavý vertikální pohyb vakuové nádoby ocelové konstrukce zařízení pro rychlovýměnu vakuové nádoby a pro opravy její vyzdívky zařízení pro měření teploty a pro odběr vzorků. Zpracování oceli Hrdlo komory se ponoří do tekuté oceli v pánvi. Snížením tlaku v komoře se nasaje část ocele z pánve do komory a působením podtlaku se odplyní. Zvednutím komory nebo snížením pánve se odplyněná ocel vypustí pět do pánve, kde se promíchá se zbývající taveninou. Tento cyklus se opakuje, až se celý obsah pánve odplyní na požadovanou úroveň. Výměna obsahu komory se provádí 3 až 5 krát za minutu podle typu zařízení. V závěru zpracování se na hladinu ocele v komoře přisazují automaticky po dávkách potřebné desoxidační a legující přísady. Základní technologické postupy Ocel vyrobená v běžné ocelářské peci nebo konvertoru se odpíchne do pánve a přemístí k vakuové stanici. Podle zvoleného technologického postupu se mohou při odpichu přisadit do pánve některé legující nebo desoxxidační přísady, případně nauhličovadlo. Pánev se obvykle umístí na převážecí vůz a převeze pod hrdlo komory. Podle značky vyráběné oceli a požadavků na její vlastnosti se na zařízení DH provádí: chemická a tepelná homogenizace odplyňování vakuová uhlíková desoxidace desoxidace a legování nauhličování oduhličování Pánvová pec (LF) Pánvová pec (dále jen LF) je zařízení, kde je elektrickým obloukem ohřívána ocel v licí pánvi pod syntetickou struskou. Licí pánev s bazickou vyzdívkou je uložena na převážecím pánvovém voze. Vůz s tekutou ocelí v licí pánvi zajede pod víko LF. Vodou chlazené víko se spustí na pánev. Ocel v licí pánvi je prodmýchávána inertním plynem (Ar, N 2 ) v množství 1-5 l/min.t, který je foukán porézní tvárnicí ve dně licí pánve. 144

145 Ocel v licí pánvi je ohřívána elektrickým obloukem, který hoří mezi třemi grafitovými elektrodami a hladinou oceli. Elektrody mají průměr 300 mm. K dosažení potřebného proudu a napětí slouží pecní transformátor o výkonu 10 MVA. Pro úpravu chemického složení oceli v pánvi je LF zařízení vybaveno osmi zásobníky přísad (FeMn, Al, CaO, CaF 2, FeV, FeSi, FeCr, C). Přísady jsou do pánve podávány mechanicky. Účel zpracování: ohřev tekuté oceli o 2-5 C/minutu rafinace oceli, zejména snížení obsahu síry, kyslíku a nekovových vměstků udržení tekuté oceli na teplotě zvýšení výrobnosti tavící pece. 8 - bublinky argonu Obr. 42 pánvové pece 1 - pánev Schéma 2 - prodyšná tvárnice 3 - víko pánve 4 - grafitové elektrody 5 - roztavená ocel 6 - zásaditá struska 7 - redukční atmosféra Hlavní části zařízení LF ochranné víko s vodou chlazenými díly stojan s držáky, elektrodami a vodicími kladkami přívody elektrické energie s chlazenými díly zvedací zařízení víka třífazový tranformátor s regulací příkonu hydraulické pohony pro pohyb víka a pohyb elektrod zařízení pro odsávání a čištění plynů vzniklých v procesu zpracování tekuté oceli zařízení pro mechanický odběr vzorku a měření teploty oceli a aktivity kyslíku v oceli včetně vyhodnocovací zařízení zařízení pro úpravu chemického složení oceli. Proces zpracování 145

146 Po bezstruskovém odpichu tekuté oceli z tavicího agregátu do pánve resp. po odstranění strusky z povrchu oceli v pánvi se pánev s ocelí dopraví pod víko LF zařízení. Po spuštění víka na pánev se hladina oceli v pánvi pokryje vrstvou syntetické strusky v požadovaném množství a grafitovými elektrodami ponořenými ve strusce se ocel ohřívá za současného dmýchání argonu dnem pánve. Během procesu se odebírají vzorky a upravuje se chemické složení, měří se teplota oceli a aktivita kyslíku v oceli. Proces končí pokrytím hladiny v pánvi izolační struskou a pánev se dopraví k licímu poli, kde se odleje do ingotů nebo k zařízení plynulého odlévání oceli. Základní technologické postupy zpracování Ohřev taveniny spojený s legováním a desoxidací lázně: provádí se s menším množstvím strusky s hlavním cílem dosáhnout optimální licí teplotu. Uplatňuje se hlavně v případech kombinovaného zpracování tekuté oceli v pánvi. Ohřev s rafinací oceli zahrnující rafinační působení strusky na taveninu, tj. zejména odsíření oceli. Současně s tím se provádí i legování a desoxidace taveniny. Používá se větší množství syntetické strusky. Výsledky zpracování způsobem LF zvýšení teploty taveniny a regulace licí teploty v úzkém rozmezí, rafinace taveniny působením syntetické strusky, zejména snížení obsahu síry, kyslíku a nekovových vměstků, dlouhodobé udržování tekuté oceli na stanovené teplotě, zvýšení výrobnosti ocelářských pecí převedením rafinace, legování a desoxidace ocele do pánve Odlévání Když se dosáhne konečné jakosti oceli, převede se ocel v odlévací pánvi k odlévacímu stroji. Před několika lety bylo standardní metodou vylít roztavenou ocel do stabilních forem (kokila nebo odlévání do ingotů) v diskontinuálním procesu. Dnes se volí metoda plynulého (kontinuální) odlévání, při kterém se ocel odlévá do nepřetržitého pásu Řízení při výrobě oceli kyslíkovými pochody Cíle řízení na ocelárně- z rozsahu řízené soustavy vyplývají dvě základní řídící úrovně 1. Úroveň řízení technického procesu v agregátech ocelárny 2. Řízení výrobního pochodu v ocelárně Ad 1) a) řízení vlastní výroby oceli v konvertoru - cílem je vyrobit ocel o požadovaném množství a kvalitě 1. výpočet parametrů vsázky dle statického modelu 146

147 2. řízení automatu přípravy a dopravy vsázky 3. řízení automatu pro ovládání polohy kyslíkové trysky nad lázní 4. ovládání a regulace množství kyslíku pro foukání 5. řízení plynné čistírny 6. řízení průběhu tavby v konvertoru podle dynamického modelu 7. komunikace s laboratoří pro vyhodnocení vzorků surového železa a oceli 8. sběr zobrazení uložení a vyhodnocování dat o stavu a průběhu technologického procesu 9. řešení havarijních situací, vzniklých v průběhu tavby b) řízení technologického procesu v dalších agregátech ocelárny s cílem řídit dílčí technologický proces k dosažení kvality oceli 1. výpočet a řízení bezezbytkového lití ingotů 2. řízení technologického procesu plynulého odlévání oceli - ovládání výšky hladiny v krystalizátoru - řízení rychlosti tažení kontislitku -řízení a ovládání chladících sekcí -řízení bezezbytkového řezání kontislitku 3. řízení technologického procesu vakuování 4. řízení a ovládání dopravy přísad do zásobníku v ocelárně 5. sběr, vyhodnocování, zobrazení a zaznamenání údajů o průběhu propcesu6. řešení havarijních situací na jednotlivých technologických úsecích Ad 2) řízení výroby oceli v ocelárně s cílem vyrábět na ocelárně plánovaná množství plánovaných kvalit oceli v potřebném rytmu a s maximální efektivitou 1. zpracování krátkodobých plánů výroby (den-týden) 2. zpracování výrobního rozvrhu z hlediska hlavních agregátů na jednotlivé směny 3. operativní řízení práce v ocelárně 4. sledování toku materiálu výroby a energie na úseku ocelárny 5. řešení havarijních situací ve výrobě 6. statistika, evidence a bilancování 7. tisk výrobních záznamů 8. koordinace a vazba na spolupracující řídící systémy vysokých pecí, válcovny, dopravy a energetiky a komunikace s nadřazeným řídícím systémem podniku a) a b) úroveň 1. c) - úroveň Elektrická výroba oceli a odlévání Používané postupy a techniky Přímé tavení materiálů s obsahem železa, jako je např. šrot se provádí obvykle v elektrických obloukových pecích (EOP), které hrají důležitou a stále rostoucí úlohu v konceptech moderních oceláren (viz Obr. 2, 27). Dnes dosahuje procentuální množství oceli z elektrické obloukové pece 35,5 % celkové výroby oceli v EU. [IPPC] V Itálii a Španělsku je výroba oceli v elektrických obloukových pecích výrazně vyšší než výroba oceli postupem přes vysokou pec a kyslíkový konvertor (aniž by se uvažovaly členské státy, které mají výlučně výrobu založenou na elektrických obloukových pecích). 147

148 Hlavní vsázkou do elektrické obloukové pece je železný šrot, který může tvořit šrot z vlastních z oceláren (např. odřezky), odstřižky ze zpracování ocelových výrobků (např. součástí vozidel) a městský nebo spotřebitelský šrot (např. výrobky po uplynutí doby životnosti). Přímo redukovaného železa (DRI) se také využívá zvyšující se měrou jako vsázky z důvodů jak jeho nízkého zbytkového obsahu, tak kolísavým cenám šrotu. Stejně jako u kyslíkových konvertorů se struska tvoří z vápna, které váže nežádoucí složky z oceli. Obr. 38 ukazuje závod EOP. V tomto případě je stavba, která obsahuje dvouplášťovou elektrickou obloukovou pec úplně uzavřena, aby se minimalizovaly emise prachu, plynů a hluku. Obr. 43 Závod elektrické obloukové pece. [IPPC] Na Obr. 44 lze sledovat elektrickou obloukovou pec s 3 elektrodami a šachtou pro zavážení šrotu. 148

149 Obr. 44 Elektrická oblouková pec se 3 elektrodami a šachtou (v popředí) pro vsazování šrotu.. [IPPC] Přehled postupů spojených s výrobou elektrooceli je uveden na obr. 45. Pokud jde o konečné produkty, musí se rozlišovat mezi výrobou běžné, tzv. uhlíkové oceli, stejně jako nízkolegované oceli a oceli vysokolegované tzv. korozivzdorné oceli. V EU se vyrábí okolo 85 % uhlíkové anebo nízkolegované oceli. [IPPC] Obr. 45 Přehled postupů spojených s výrobou oceli v elektrické obloukové peci. [IPPC] 149

150 Při výrobě uhlíkové a nízkolegovaných ocelí se provádějí následující hlavní doprovodné operace: - manipulace se surovinou a skladování, - zavážení šrotu do pece včetně předehřevu nebo bez něho, - tavení šrotu v EOP, - odpichování oceli a strusky, - úprava na pecní pánvi na požadovanou jakost, - manipulace se struskou, - plynulé (kontinuální) odlévání. U vysokolegovaných a speciálních ocelí je souslednost operací složitější a přizpůsobuje se konečným produktům. Kromě těchto zmiňovaných postupů se provádějí u uhlíkových ocelí rozličné úpravy na pánvi (sekundární metalurgie) jako jsou: - odsiřování, - odplyňování (eliminace rozpuštěných plynů, jako je dusík a vodík) - oduhličování (procesy AOD=Argon-Oxygen-Decarburisation nebo VOD=Vakuum-Oxygen Decarburisation) Manipulace a skladování surovin Hlavní úložiště šrotu jsou obvykle venku na velkém nezakrytém a nevydlážděném šrotišti, což může vést ke znečištění půdy, ale existují také určité závody, které mají šrotiště zakrytá a vydlážděná (upravenou úložnou plochu). Dnes se stala důležitým problémem kontrola radioaktivity vstupního šrotu, ale tento relevantní problém se v tomto materiálu neřeší. Určité třídění šrotu se provádí proto, aby se snížilo riziko zavlečení nebezpečných znečišťujících látek. Vnitropodnikový výrobní šrot se může řezat na vhodně manipulovatelné velikosti za použití kyslíkových hořáků. Šrot se může vkládat do sázecích košů na šrotišti nebo se může přepravit do prozatímních vyhrazených oddělení uvnitř pecní haly. V některých případech se šrot předehřívá v šachtě, nebo na dopravníku (viz předehřev šrotu). Ostatní suroviny, včetně tavidel v kusech a prášku, práškového vápna a uhlí, legovacích přísad, antioxidačních činidel a žáruvzdorných materiálů se běžně skladují pod střechou. Po dodávce je manipulace minimální a kde je to zapotřebí, může se použít zařízení na odsávání prachu. Práškovité materiály se mohou skladovat v izolovaných zásobnících (vápno je třeba udržovat v suchu) a přepravovat pneumaticky, nebo uchovávat a překládat v nepropustných pytlích Předehřev šrotu V minulých letech stále více nových, stejně jako stávajících EOP doplňovalo své vybavení systémem pro předehřev šrotu pomocí výstupních plynů se zřetelem k rekuperaci energie. Dnes jsou odzkoušeny dva systémy, které byly úspěšně zavedeny do 150

151 praxe a sice tzv. šachtová technologie a ConSteel Proces. [IPPC] Šachtová technologie se vyvíjela po etapách. [IPPC] S jedinou šachtovou pecí se může běžně předehřát jen asi polovina vsazovaného šrotu, zatímco s kolébkovou chapadlovou šachtovou pecí (čímž se rozumí šachta s klecí na šrot), se může předehřát 100 % šrotu. První koš se ohřeje teplem během předchozí rafinace a druhý během roztavení prvního. Další modifikací je dvojitá šachtová pec, která se skládá ze dvou identických šachtových pecí (dvouplášťové uspořádání), umístěných jedna vedle druhé a obsluhují se jedinou soupravou elektrodových ramen. Šrot se částečně předehřeje odcházejícím plynem a částečně postranními hořáky. Až do nynější doby (říjen 1998) se celosvětově provozovalo více než 20 šachtových pecí, z toho 8 v Evropě. Při ConSteel Procesu se šrot plynule vsazuje do obloukové pece horizontálním dopravníkem. [IPPC] Tento systém, se ale obecně nepovažuje za odzkoušenou techniku Vsazování Šrot se obvykle vsazuje do košů společně s vápnem nebo dolomitickým vápnem, kterého se používá jako struskotvorné přísady pro tvorbu strusky. V některých závodech se také přidává kusové uhlí, což má za následek relevantní emise benzenu (a také toluenu a xylenů). Pecní elektrody se při vsazování zdvíhají nahoru a klenba pece se přitom odklopí. Na počátku je běžné s prvním košem šrotu zavážet okolo % šrotu; klenba se potom uzavře a elektrody se sníží dolů ke šrotu. Uvnitř, mm nad šrotem se zažehne oblouk. Potom, co se roztaví první vsázka, se přidá zbytek šrotu ze druhého nebo třetího koše Tavení v obloukové peci a rafinace Během počáteční doby tavení je použitá energie nízká, aby se předešlo škodám na pecních stěnách a klenbě působením záření z elektrod, zatímco se umožní elektrodám, aby se ponořily šrotu. Jakmile se oblouky skryjí v okolním šrotu, může výkon vzrůstat až do úplného roztavení. Stále častěji se používají kyslíkové trysky anebo kyslíkové hořáky, aby napomáhaly v časném stádiu tavení. Paliva tvoří zemní plyn a olej. Kromě toho se může do tekuté oceli vhánět speciálními tryskami ve dně a ve stěnách elektrické obloukové pece kyslík. V průběhu posledních 30 let nalezl kyslík v ocelárnách s elektrickými obloukovými pecemi zvýšené uplatnění nejen z důvodů metalurgických, ale také z důvodů rostoucích požadavků na produktivitu. Růst využívání kyslíku se může přičítat dnešní dostupnosti kapalného kyslíku a kyslíkáren postavených v místě působení závodů /Knapp, 1996/. Kyslíku se pro metalurgické potřeby používá pro oduhličení taveniny a odstranění dalších nežádoucích prvků, jakými jsou fosfor, mangan, křemík a síra. Kromě toho reaguje s uhlovodíky za vzniku exotermních reakcí. Injektáž kyslíku má za následek značný nárůst tvorby plynu a spalin na výstupu z pece. Tvoří se plyny oxidu uhelnatého a uhličitého a velmi jemné částice oxidu železa a další součásti kouřových spalin. V případě dospalování je obsah CO nižší než 0,5 % obj. Pro vyrovnání teploty a k promíchávání lázně lze použít argon nebo další inertní 151

152 plyny injektované do taveniny. Touto technikou se také zlepšuje rovnováha mezi kovem a struskou Odpich oceli a strusky V závodech bez odděleného zařízení sekundární metalurgie se prvky k legování a další přísady vkládají často do pánve s ocelí během odpichu nebo před ním. Tyto přísady mohou během odpichu znatelně zvyšovat vznik kouřových plynů. Strusku je potřeba během ohřívání a oxidace ke konci ohřevu před odpichem odstranit. Pec se naklání, vzad ve směru struskových dveří a struska vytéká nebo se vyhrabává do jámy nebo na zem pod pec za vzniku prachu a kouře. Dnes se ocel běžně odpichuje odpichovacím systémem u dna s minimem strusky přenesené na pánev Manipulace se struskou Vedle odpichu strusky se tvoří další prach a kouřové odpary během jejího shrabování a protože bývá ještě horká, používá se hrabel, či bagrů. Mimo prostor pecní haly může pak docházet k chlazení strusky ostřikováním vodou, ještě předtím, než se drtí a prosévá, aby se umožnilo rekuperovat kov Řízení při výrobě v elektrických obloukových pecích Řízení technologického procesu a výroby oceli v elektrických obloukových pecích zahrnuje následující oblasti: 1. řízení energetického režimu Základním úkolem je plné využití instalovaného výkonu pecního transformátoru elektrické obloukové pece. Během jednoho pracovního cyklu (tavby) je pecní transformátor plně zatížen po dobu tavení základní vsázky. Při oxidační a redukční periodě je značně odlehčen a při odpichu není zatížen vůbec. V počátečním údobí tavby, kdy oblouky pod elektrodami jsou přikryty vsázkou, je možno transformátor přetěžovat s cílem zkrácení doby natavování. Přetěžování transformátoru musí být plynule kontrolováno např. měřením teploty vinutí pecního transformátoru. Pec zpracovává studenou vsázku. Spotřeba el. Energie na roztavení vsázky je hlavním ukazatelem charakterizující tavící chod. Optimálního stavu se nedosáhne minimalizací spotřeby el. energie. Kriterium minimálnosti je širší. Zahrnuje spotřebu grafitových elektrod a opotřebení vyzdívky pece 2. řízení technologického procesu Citlivým ukazatelem průběhu metalurgického pochodu je aktivita kyslíku v lázni pece. Znalost vzájemných vztahů mezi aktivitou kyslíku a dalšími činiteli charakterizujícími použitou technologii tavení (složení strusky, obsah prvků v lázni atd.) poskytuje podklady pro úpravy metalurgie tavení. Aktivita kyslíku lázně má tyto vazby: 152

153 - v období varu je řízena aktivita kyslíku v lázni koncentrací uhlíku a dobou uplynulou od roztavení vsázky - v období desoxidace lázně hliníku ferosiliciem je řízena aktivita kyslíku v lázni koncentrací křemíku - v závěru tavby je aktivita kyslíku řízena koncentrací hliníku - po odpichu je aktivita kyslíku v pánvi závislá na teplotě oceli, koncentraci uhlíku a době setrvání oceli v pánvi. 3. výpočet a optimalizace vsázky Tato část systému řízení výroby oceli v elektrické obloukové peci se principielně neliší od obdobné úlohy pro jiný výrobní ocelářský agregát. Musí pouze respektovat specifické podmínky vsázky elektrické obloukové pece. Vzhledem k univerzálnosti obloukové pece jako tavícího agregátu bude také řešení této úlohy závislé na konkrétních výrobních podmínkách Odlévání oceli Odlévání ingotů Při odlévání ingotů se tekutá ocel odlévá do odlévacích forem. V závislosti na požadované jakosti povrchu se mohou během odlévání do ingotové formy přidávat odplyňovací činidla (jako NaF). Po vychladnutí se ingoty vyklopí z odlévací formy a přepraví se do válcoven. Následně se ingoty po ohřevu válcují na bramy, předvalky nebo sochory. Na mnoha místech se odlévání ingotů nahradilo plynulým odléváním. Očekává se, že odlévání ingotů bude během času téměř zcela nahrazeno plynulým odléváním, vyjma těch případů, kdy některé výrobky vyžadují pro dosažení potřebné jakosti odlití do ingotů, jako tomu je při výrobě těžkých vah pro kování. Obr. 46 Odlévání do kokil 153

154 Plynulé (kontinuální) odlévání Plynulé odlévání je proces, který umožňuje odlévání jedné, nebo sledu pánví tekuté oceli na plynulý pás pro sochory, bloky, bramy, nosníky nebo páskovinu Obr. 47 znázorňuje příklady konfigurací strojů pro plynulé odlévání, kde zakřivený radiální typ je dnes jednoznačně nejpoužívanější. Obr. 48 ukazuje proudění oceli z pánve (1) do mezipánve (2) a vodou chlazené měděné formy (krystalizátoru) (3). Tuhnutí začíná ve formě a kontinuálně pokračuje v sekundární zóně (4) a prochází tažnými válci (5). V některých konfiguracích následuje rovnací prvek (6), dále následuje dělící zařízení (8), dopravní zařízení (12) dopravuje polotovary do skladu nebo horkou cestou pro konečné válcování. Obr. 47 Typy strojů pro plynulé lití Obr. 48 Schéma provozu na plynulé odlévání sochorů 1-pánvová revolverová hlavice; 2-mezipánev; 3-krystalizátor (forma); 4-sekundární chlazení (primární sekce); 5-tažné zařízení+sekundární chlazení; 6-rovnací zařízení; 7- odpojení zaváděcí zátky; 8-dělící zařízení; 9-dopravní zařízení; 10-příčný dopravník; 11-značkovací zařízení; 12-skladovací zařízení Obr. 49 ukazuje schéma závodu plynulého odlévání s ohřívací pecí a válcovnou s teplou vsázkou. 154

155 Obr. 49: Schéma závodu plynulého odlévání s napojeními válcovnu Plynulé odlévání nabízí několik významných přínosů: - úspory energie, nižší emise a menší potřebu vody následkem eliminace válcování bram a sochorových tratí, - zlepšené pracovní podmínky, - vysoké podíly výtěžnosti větší než 95 %, - vysokou produktivitu. Přestože plynulé odlévání bylo poprvé zavedeno v průmyslovém měřítku v pozdních 60. letech, jeho podíl v celkové výrobě oceli EU stoupl na cca 95,4 %. V celém světě se nyní z celkové vyrobené oceli 75 % odlévá plynulým procesem. Nehledě na tradiční proces odlévání do ingotů, nahradily stroje pro plynulé odlévání pochody odlévání předvalků, bram a operace s polotovary v konvenčních závodech teplého válcování. Dnes může být většina všech jakostí oceli pro válcované výrobky provedena cestou plynulého odlévání, protože nutné předúpravy podmínek, jako je odkysličení a odplynění se uskutečňují moderní sekundární metalurgií. Existují rozličné typy strojů na kontinuální odlévání, označované jako vertikální typ, ohýbací a rovnací typy, obloukový typ a stroje typu oválného prohnutí a to v závislosti na jejich uspořádání. Technologie Tekutá ocel se odlije z konvertoru do pánve, kterou se ocel přepraví za sekundární metalurgií do tzv. mezipánve stroje pro kontinuální odlévání. To je střední pánev s regulovatelnou výpustí. Před tím, než se pánve plní tekutou ocelí, předehřejí se, aby se zamezilo nerovnoměrnosti teplot v mezipánvi. Jakmile má tekutá ocel požadovanou teplotu, vylije se do mezipánve (viz Obr. 50). Odtud prochází do krátké vodou chlazené měděné formy, ve které není žádný vzduch a která se kývá nahoru a dolů, aby se zamezilo uváznutí (přilnutí) oceli. Forma poskytuje požadovaný profil kovu. Když kov opouští licí formu, vytváří se "slupka" ztuhlé oceli a velké množství unášecích válců vede odlitou ocel mírným obloukem ve směru horizontální polohy. Zde se nekonečný ocelový pás rozřezává na kusy řezacím hořákem. Tímto způsobem se odlévají jak bramy, tak předvalky a sochory. 155

156 Obr. 50 Technologický uzel licí pánev- mezipánev- krystalizátor V případě nesamonosných úseků se do ruda rozžhavený pás se zónou svého ztuhlého povrchu pohybuje prostřednictvím několika párů hnacích válců, které slouží jako jeho opora proti ferostatickému tlaku. Protože je jádro stále tekuté, ostřikuje se pás pečlivě vodou a ochlazuje se až zcela ztuhne (sekundární chlazení). Tento proces zabraňuje prasklinám v oblasti povrchu pásu, který je ještě dosti tenký, ale také chrání válce před přehřátím. Podpůrnými, transportními a hnacími prvky jsou obvykle válce vybavené vnitřním i vnějším chlazením. V zóně sekundárního chlazení lze vnitřní chlazení válce postrádat, jakmile se zajistí dostatečné snížení teploty skrápěním vodou. Většina ložisek je spojena se systémem automatického mazání. Když je pás zcela ztuhlý, může se řezat na velikosti podle tříd řezacími hořáky, které se pohybují s pásem, nebo pomocí strojních nůžek. Proces rychlého chlazení poskytuje ocel o stejnoměrné mikrostruktuře tuhnutí s příznivými technologickými vlastnostmi. Mikrostruktura tuhnutí pásu může být ovlivněna souproudým chlazením vzduchem nebo vodou. Profil pásu je určen geometrií formy. Současné typy forem mají tvar obdélníku, čtverce, kruhu nebo polygonálních tvarovek. Pro výrobu ocelových profilů lze použít forem, které se podobají přibližnému průřezu tvaru předpokládaného produktu. Typické rozměry pásu při plynulém odlévání se pohybují mezi 80 x 80 mm a okolo 310 x 310 mm, kruhový 500 mm u sochorů a 450 x 650 mm u soustav předvalků, zatímco při odlévání bram se formují velikosti až do 350 mm tloušťky a až do mm šířky, Odlévací stroje na sochory mohou vést několik (současně až 8) pásů zároveň, zatímco počet pásů u odlévání bram se omezuje na dva. 156

157 16.9 Řídicí systém procesu plynulého odlévání oceli Měřící zařízení: 1. měření teploty oceli v mezipánvi 2. měření teploty bramy v průběhu lití 3. měření výšky hladiny v mezipánvi 4. měření výšky hladiny v krystalizátoru 5. měření teploty chladící vody v primárním a sekundárním okruhu 6. měření rychlosti vytahování bramy 7. měření délky bramy Regulační a ovládací zařízení 1. Zařízení pro plynulý rozběh mechanismu na zadanou rychlost 2. Regulace rychlosti mechanizmu při změně rychlosti lití 3. Regulace výšky hladiny kovu v mezipánvi na zadanou hodnotu 4. Regulace výšky hladiny kovu v krystalizátoru na zadanou hodnotu se vztahem na rychlost tažené bramy 5. Primární dělení bramy dle zadání operátora 6. Ovládání přívodu vody do chladících zón Vážení 1. Vážení oceli v mezipánvi 2. Vážení bramy za pálicím strojem 3. Vážení bram v úpravně Řídící počítač - řídící počítač pro jednotlivé proudy vlastního agregátu ZPO s úkoly: - řízení rychlosti tažení kontislitku - řízení optimálního chlazení kontislitku -řízení bezezbytkového dělení kontislitku Z hlediska operativního řízení - sledování a příprava mezipánví -sladění výroby mezi kontislitkem a úpravnou -sledování a značení kontislitků 157

158 17. VÁLCOVNY 2 hodiny Text - normální Čas ke studiu Cíl Výklad 17.1 Technologické procesy válcovny Principem je deformace polotovaru (např. bramy, sochoru, ingotu, což je pro logický model nepodstatné) pomocí tlaku dvou pracovních válců. Obr. 51 Schematické znázornění průběhu válcování Válcování se dá dělit na válcování za tepla (vhodné jako pokračování kontinuálního lití nebo pro veliké změny průřezu) a za studena (vhodné spíše na konečnou úpravu). Liší se v působení na vnitřní strukturu válcovaného polotovaru. Válcování za tepla se válcuje materiál při teplotách, kdy je kov ještě není tekutý, ale díky podstatnému snížení deformačního tlaku velice tvarný. Při válcování za studena se tlakem zrna materiálu protahují a tím se daný materiál vytvrdí, ovšem při přílišném vytvrzení je třeba před navazujícím válcováním kov takzvaně regenerovat, to znamená, že se zahřeje na vysokou teplotu a poté nechá vychladnout. Což může, při opakované regeneraci materiálu, znamenat vysokou finanční zátěž. 158

159 Teplota - teplé, studené Konstrukce - podle počtu válců Podle materiálu - 2 válcové - 3 válcové - mnoho a univerzální - kolejnicové - hrubé tratě - střední - těžké tratě - sochorové tratě Tyčová ocel - do 70 mm šířky Pás - do 500 mm až 800mm (široký pás) Tlusté plechy - od 3mm Tenké plechy - do 3mm Sochor - materiál čtvercového průřezu, strana mm Blok - materiál čtvercového průřezu, strana od mm Bramy (vstupní materiál) - obdelníkový průřez, šířka mm, tloušťka mm Ploštiny (vstupní materiál) - obdelníkový průřez, šířka mm, tloušťka 6-30mm 17.2 Postup válcování Obr. 52 Postup samotného válcování za tepla a za studena se příliš neliší, s výjimkou odpadajících počátečních úkonů spojených se zahříváním materiálu u válcování za studena. Další popis bude pro válcování za tepla. 159

160 Obr. 53 Boční pohled na kvarto stolici Obr. 54 Víceválcová stolice Úseky válcovny - úsek ohřevu - úsek válcování - úsek výstupní Ohřev materiálu ohřívací pec Úsek ohřevu Typy pecí: - jedná se o řízení spojitých procesů, - různé pece, - docílení teploty na povrchu stejné jako uvnitř materiálu. - narážecí pec, - karuselová pec, - kroková pec. Obr

161 Ohřívací pec je zařízení, kde podle pevně zadaných hodnot dochází k ohřevu hutního materiálu. Výsledným produktem pece je válcovací teplota daného materiálu. V našem případě se teplota pohybuje od 1050 C do 1150 C v závislosti na jakosti materiálu a způsobu dalšího průběhu zpracování (počet úběrových stolic). K ohřevu se vesměs používá směsný plyn (pokud válcovna je součástí hutního závodu), který má k dispozici. Směsný plyn je tedy složením v určitém poměru z koksárenského, vysokopecního, konvertorového plynu. Pokud výhřevnost plynu není dostačující, přidává se do spalovacího procesu také zemní plyn. Celá pec je rozdělena do několika regulačních smyček, které jsou propojeny na řídící počítač pece. xxxxxxxxxxxxxxx Obr Řízení teploty a spalovacího poměru Celá ohřívací pec je rozdělena do několika zón. Ohřívaný materiál postupuje průběžně těmito zónami proti proudu spalovacího vzduchu a v každé zóně se provádí regulace teploty podle pevně zadaných hodnot (řízený ohřev). To se děje kontinuálním nastavováním průtoku spalovacího vzduchu a průtoku spalin. V každé z těchto zón jsou umístěny dva snímače teploty (např. termočlánky typu S Pt/Pt-Rh). V případě špatné funkce jednoho termočlánku systém automaticky přepne řízení dle hodnoty funkčního termočlánku. Teplota je snímána kontinuálně a na základě jejich hodnot regulační obvod zóny reguluje množství spalin procházející danou zónou. Regulace se provádí škrtící klapkou na výstupu spalin a měření množství těchto spalin se provádí pomocí měřící clony (snímač průtoku a tlaku). V případě nedostatečného ohřevu materiálu v dané zóně regulátor přenastaví spalovací poměr mezi spalovacím vzduchem a palivem Řízení tlaku v peci Funkce této regulační smyčky spočívá v řízení tlaku uvnitř pece, podle nastavené hodnoty. Tato procedura se realizuje průběžným seřizováním (nastavováním) polohy 161

162 spalinového ventilu. Tlak v peci se udržuje regulátorem tlaku, jehož výstup ovlivňuje servomotor spalinového ventilu. Hodnota tlaku v peci se zjišťuje čidlem tlaku a je indikována a registrována systémem. V případě, že se tlak v peci zvyšuje v porovnání s hodnotou nastavenou na regulátoru tlaku, jeho výstup zmenšuje otevření spalinového ventilu a naopak Řízení tlaku spalovacího vzduchu Funkce této regulační smyčky spočívá v řízení tlaku spalovacího vzduchu ke kolektoru podle nastavené hodnoty. Toto se děje průběžným seřizováním (nastavováním) počtu otáček ventilátoru spalovacího vzduchu. Měření počtu otáček se provádí snímačem rychlosti otáčivého pohybu (otáčkoměr). Tlak spalovacího vzduchu, měřený v barelu tlakovým snímačem, je indikován a registrován systémem Teplota spalovacího vzduchu Funkce této regulační smyčky spočívá v řízení teploty spalovacího vzduchu ke kolektoru podle nastavené hodnoty. Toto se děje průběžným seřizováním (nastavováním) polohy odvzdušňovacího ventilu teplého vzduchu. Teplota spalovacího vzduchu vystupujícího z rekuperátoru je řízena snímačem tepla (např. termočlánek typu K Cr Al). V případě, že teplota spalovacího vzduchu vystupujícího z rekuperátoru dosahuje nebo překračuje nastavenou hodnotu, jeho výstup se otevře a umožní seřízení výfukového ventilu teplého vzduchu, ovládaného servomotorem. V případě, že teplota teplého vzduchu nedosáhne ani nepřevýší nastavenou hodnotu (hodnota nastavená na regulačním zařízení), zůstává výfukový ventil teplého vzduchu zavřený Řízení teploty spalin na vstupu do rekuperátoru Funkce této regulační smyčky je chránit rekuperátor řízením teploty spalin vstupujících do rekuperátoru, podle nastavené hodnoty. To se děje průběžným nastavováním polohy ventilu pro ředění/zchlazování spalin. V případě, že teplota spalin vstupujících do rekuperátoru, regulována vhodným termočlánkem např. typu K Cr Al, dosáhne nebo překročí hodnotu nastavenou na regulátoru, jeho výstup otevře ventil pro ředění spalin vzduchem, řízený servomotorem Okruh paliva Tato regulační smyčka nám indikuje stav a polohu ventilu jednotlivých potrubí, která dodávají palivo hlavním hořákům pece. Sběrné potrubí (kolektor) paliva, které dodává palivo k hlavním hořákům pece je vybaveno: snímačem minimálního a maximálního tlaku měřící clonou, která indikuje a postupně načítá celkové množství paliva termistorem, jenž teplotně kompenzuje hodnotu množství paliva snímačem tlaku, jehož hodnota tlakově kompenzuje hodnotu množství paliva Okruh chladící vody (nepřímá chladící voda) Zařízení chladící vody je vybaveno pro různé okruhy pece. Na tomto okruhu snímače mají za úkol měření průtoku a teploty vody v daných okruzích. Měření teploty provádíme např. termistorem typu PT 100. Jelikož pro každý okruh, vztahující se k valníkům a vytahovacímu zařízení, se předpokládá regulace množství chladící vody prováděná měřičem průtoku s výstrahou minimálního průtoku. 162

163 Kontrolní zařízení Po ukončení ohřevu je hutní materiál připraven k dalšímu zpracování. Než opustí bezprostřední okolí za výstupem z pece, je hutnímu materiálu důkladně změřena jeho teplota. K měření se zpravidla používají pyrometry (bezkontaktní spektrální měřiče tepla), které fungují jako zpětná vazba pro žádanou teplotu ohřívaného materiálu. Pokud skutečná teplota je nižší než žádaná, řídící systém reguluje zvýšením výkonu pece a naopak. Souhrn k ohřívací peci Celý řídicí systém pro svou komplexní činnost vyhodnocuje mnoho dalších veličin a stavů. Jsou to hlavně informace, které spadají do oblasti bezpečnosti a oblasti pohybu materiálu. Nemají bezprostřední vliv na technický proces, ale jsou nedílnou součástí celku. V oblasti bezpečnosti jsou to hlavně senzory od napájení servopohonů, motorů, senzory hlídající vnější teplotu pece až po různá blokovací čidla. V oblasti pohybu materiálu řídící systém dostává informace o bezkolizním pohybu materiálu. K tomu účelu nám slouží snímače pohybu, např. fotonky. Před vstupem hutního materiálu do ohřívací pece řídící počítač získává informaci o hmotnosti a jakosti materiálu a na základě těchto údajů opět koriguje chod pece. Při menším hmotnostním objemu vsázky se snižuje automaticky výkon pece a naopak. Řídící počítač má také za úkol hlídat omezující podmínky chodu pece jako je maximální výkon pece, nebezpečná přehřátí pohonů, měničů, nebezpečné koncentrace plynů apod. Tyto informace o stavech důležitých zařízení řídící počítač shromažďuje pro další zpracování Termobox termochemické chlazení Před vstupem hutního materiálu do prvního předhotovostního válce prochází materiál termoboxem nebo termochemickým řízeným chlazením. Dopravu nám zabezpečuje řada válečkových dopravníků. Zde jsou umístěny fotonky, které nám indikují polohu materiálu, ve kterém místě se momentálně materiál nachází. Řídící systém válcovny reguluje rychlost pohybu dle potřeby. Pokud se válcování z různých technických příčin zbrzdí, materiál se zastaví v termoboxu. Termobox nám slouží k zamezení ochlazování čekajícího materiálu na válcování. I zde se teplota materiálu průběžně snímá a předává řídícímu systému. K měření teploty se používají pyrometry. Pro správnou funkci pyrometrů se před snímače zařazuje ostřik tlakovou vodou, která nám z povrchu materiálu odstraňuje okuje. Pokud teplota hutního materiálu klesne pod stanovenou mez, řídící počítač zakáže další zpracování a tento materiál se vyřazuje z pracovního cyklu. Některé jakosti vyžadují pro správnou finální mikrostrukturu termochemické ochlazování. Je to proces, při kterém se řadou vodních tlakových trysek snižuje teplota. Množství vody a dobu chlazení řídící systém reguluje na základě snímačů teploty pomocí pyrometrů Technologický proces válcování Válcování se provádí řadou za sebou jdoucích stolic. Od předhotovostních až po hotovostní (finální) stolice. Zde má řídící počítač válcování hlavní úlohu řídit rychlost otáček stolic. Regulace se provádí pomocí tyristorových měničů, které napájí hlavní pohony (motory stolic). Chlazení válců se provádí chladicí vodou, zde počítač reguluje průtok a tlak této vody za pomocí snímačů teplot a tlaků na výstupu. 163

164 Předhotovostní stolice Obr. 51 Řízení žádaných otáček válců předhotovostních pořadí je společná pro všechny stolice předhotovostního pořadí a zároveň pro válečkový dopravník za těmito stolicemi a je základ pro další automatické řízení rychlosti otáček. V případě řízení otáček samotných stolic je toto automatické řízení vybaveno beztahovou regulací otáček. Řídící systém, který ovládá řízení otáček stolic, je navržen pro řízení v kaskádě, jejíž směr je proti směru válcování. To znamená, že veškeré změny v rychlosti otáček příslušné stolice se přenášejí na pohony všech stolic, které jsou před touto stolicí. Tímto způsobem je zabezpečeno, že vývalek, procházející předcházející stolicí, bude sledovat změny v otáčkách stolice následující. Výchozí hodnotou otáček je brána hodnota otáček výběhové stolice (poslední). Tento systém regulace (integrální typ řízení) spočívá na základě analýzy výkonu, který je dodáván motorem příslušné stolice v okamžiku přítomnosti materiálu. Na operátorské stanici je možnost nastavení procentuální hodnoty tahu válcovaného materiálu mezi dvěma sousedními stolicemi (tato hodnota je vyjádřením výkonu motoru, který je dodáván stolicí). V okamžiku, kdy materiál vstoupí do odpovídající stolice, dojde k záznamu odebíraného proudu motoru stolice do paměti. Tato hodnota vytváří žádanou hodnotu pro samotnou regulaci. Po vstupu materiálu do následující stolice začne být regulace aktivní, kde jako regulační odchylka slouží rozdíl mezi žádanou hodnotou a hodnotou, která odpovídá velikosti skutečného odebíraného proudu. Následné řízení otáček má tento rozdíl minimalizovat. Tento systém regulace je integrálního typu, to znamená, že naměřené hodnoty jsou uchovávány v paměti a po příchodu nového válcovaného materiálu jsou nově přečtené hodnoty použity pro opravu údajů v paměti. Toto se děje při průchodu každého válcovaného materiálu. Před vstupem válcovaného materiálu do první stolice je zařazen ostřik okují. Zde má řídící systém úlohu kontroly. Snímače zde poskytují počítači hodnoty o tlaku a množství stříkající tlakové vody na povrch válcovaného materiálu. V případě kolize počítač zastavuje další pohyb materiálu do válců. Zamezuje se tím vyrobení zmetku z důvodu zaválcování velkého množství okují do povrchu materiálu. Za předhotovostními stolicemi jsou umístěny nůžky. Tyto nůžky mají tři funkce. Za normálního provozu slouží k odstřihu začátku materiálu. Řídící systém ovládá tyto nůžky na základě vyhodnocování pohybu materiálu v daném úseku pomocí snímačů pohybu (fotonek). Druhou funkcí je dělení válcovaného materiálu. Řídící systém předčasně vypočítá konečnou délku vyválcovaného materiálu po průchodu poslední stolicí a provede dělení konce materiálu. Zamezuje se tím vzniku velkého množství šrotu z nepoužitelných délek konců. Třetí funkcí nůžek je šrotování. V případě jakékoliv kolize při válcování za těmito nůžkami počítač přepíná funkci nůžek z odstřihu a dělení do šrotování. Důvodem je zamezení zamrznutí válcovaného 164

165 materiálu v předhotovostních válcích a tím se zamezí velký prostoj na odstraňování tohoto materiálu z válců Hotovostní stolice Hotovostní stolice dává válcovanému materiálu finální požadovanou velikost. Například hotovostní stolice ASC (automatic size control) se vyznačují hydraulickým nastavením mezery mezi válci. Tím mohou být dosaženy velmi dobré tolerance velikosti v konečném stavu válcovaného materiálu. Tato válcovací stolice je vybavena dvěma laserovými snímači velikosti profilu vývalků. Jeden z nich je umístěn před stolicí a druhý za stolicí. Úkolem těchto laserových snímačů je počítači dávat informace s maximální přesností o velikosti (tloušťce) vstupujícího a vystupujícího materiálu během válcování. Pomocí laserového snímače, umístěného před stolicí, řídící počítač reguluje (kalibruje) mezeru mezi válci. Tímto způsobem může počítač dobře korigovat nerovnosti materiálu před vstupem do válců. Laserový snímač, umístěný za stolicí, předává řídícímu počítači skutečný rozměr po válcování a tedy funguje jako zpětná vazba pro jemnou deregulaci mezery mezi válci. Tato regulace může být prováděna za předpokladu extrémně rychlého hydraulického nastavení mezery válců. Obr. 52 Ke kontrole tohoto způsobu řízení válcování nám slouží další senzory jako jsou senzor momentální polohy válců, údaje o válcovací síle (tlaku) apod. Na korekci mezery válců má také vliv čidlo teploty (pyrometr), který je umístěn před stolicí. Řídící počítač na základě naměřené velikosti teploty materiálu provede doregulaci přítlačné síly (tlaku) válcování. Dalším specifickým snímačem před stolicí je skenovací kamera. Ta má za úkol hlídat tzv. předválcovací smyčku. Před vstupem materiálu do válce se na konci dopravníku nadzvedne pomocí hydraulického pístu poslední váleček a tím vznikne zmiňovaná smyčka. Smyčka se provádí z důvodu tahové regulace válců, aby nedošlo k nebezpečnému natáhnutí nebo přetrhnutí válcovacího materiálu. V průběhu válcování zmiňovaná skenovací kamera předává informaci o prohybu válcovaného materiálu řídícímu počítači a ten, na základě regulace otáček válců, udržuje přiměřenou velikost této smyčky. 165

166 Jednou z výhod takto řízených válců je jejich delší životnost (opotřebování válců se zpětnovazebně koriguje). Řídící systém také s předstihem informuje o blížícím se totálním opotřebování těchto válců Sledování toku materiálu Spojité řízení Tato funkce je určena specificky právě pro spojité tratě a jejich cílem je automatická indikace možných výmětů, které mohou vzniknout při nápichu válcovacího materiálu do různých válcovacích zařízení. Pro tento účel se používají signály fotonek, snímačů smyček a zatížení stolic. Z těchto signálů je určeno, zda materiál v průběhu válcování dosáhnul určených kontrolních bodů. To znamená, že pokud je známa válcovací rychlost materiálu a vzdálenost těchto kontrolních bodů (viz Obr. 53), lze řídícímu systému vypočítat dobu, za kterou má projít materiál z jednoho kontrolního bodu, k následujícímu, přičemž k tomuto času je připočítána jistá tolerance a tím se zabraňuje vzniku hazardních stavů Výběhový úsek Obr. 53 Princip kontrolních bodů Chladník Jak už je patrno z názvu, chladník nám slouží k ochladnutí hotového výrobku. Chladnutí probíhá volně na vzduchu nebo řízeně pomocí chladící vody. Řídící systém zde kontroluje stav zaplnění tohoto chladníku, aby nedošlo k jeho přeplnění a zastavení celé válcovací tratě. Informace o stavu zaplnění chladníku si počítač hlídá na základě přísunu odsunu množství vyválcovaného materiálu. Toto množství porovnává s nastavenou kapacitou chladníku. Na řídící počítač jsou samozřejmě napojeny veškeré pohony, koncové spínače, překlápěče chladníku. Kontrolní a rovnací zařízení Tyto zařízení už přímo nezasahují do celého řízení tratě, ale jsou taky součástí komplexu válcovny. Pro zjišťování podélných vad se využívá kruhového magnetického toku se dvěmi rotujícími jhy. Spolurotující snímače magnetického pole zjišťují rozptylové toky vystupující nad povrchovými vadami. Pro zjišťování příčných vad jsou magnetické toky vytvářeny dvěmi stacionárními cívkami uspořádanými za 166