Aleksander B O D O R A Arkadiusz D O M O R A C K I
ZASTOSOWANIE STEROWNIKA PROGRAMOWALNEGO DO STEROWANIA REAKTOREM ELEKTROCHEMICZNYM
Streszczenie. W artykule przedstaw iono koncepcję układu sterow ania reaktorem elektro
chemicznym służącym do produkcji topników spaw alniczych. R eaktor znajduje się w Z akładach E lektrochem icznych w Raciborzu. Przedstaw iono konstrukcję reaktora, niety
powy układ zasilan ia oraz om ów iono przebieg jed n eg o cyklu pracy.
Z aprezentow ano założenia konstrukcyjne układu sterow ania, którego budow ę oparto na sterowniku program ow alnym PLC. O m ów iono idę działania układu sterow ania reaktorem elektrochem icznym o raz korzyści w ypływ ające z zastosow ania now ego układ u sterow ania.
A PPLIC A TIO N OF PRO G R A M M A B LE LO G IC C O N TR O LLER FO R CONTROL E LEC R TR O C H EM IC A L R EA C TO R
Sum m ary. Idea o f the control system o f an electrochem ical reactor designed for w elding fluxes production is presented in this paper. The reactor is located in E lectrochem ical W orks in Raciborz. C onstruction o f the reactor and untypical pow er system are discussed and one duty cycle is reported. Structural guidelines o f the control system designed basing on are p ro gram m able logic controller are presented. Principle o f operation o f th e control system o f the electrochem ical reactor and profits from application o f the new control system are discussed as well.
W P R O W A D Z E N IE
W iele procesów technologicznych przem ysłu elektrochem icznego p rzeb ieg a w obecności w ysokich tem peratur. S ą to w szelkiego rodzaju procesy term oredukcji, spiekania, w w yniku których otrzym uje się karbid, żelazostopy, w olastonit, ja k rów nież topniki spaw alnicze. Spo
śród różnych m etod w ytw arzania w ysokich tem peratur najbardziej rozpow szechnione s ą m e
tody elektryczne: oporow e, łukow e, łukow o-oporow e, elektrodow e.
U rządzenia stosow ane w przem yśle elektrochem icznym w zależności od prow adzonych procesów technologicznych, trybu pracy ró żn ią się m iędzy so b ą konstrukcją, w ielkością oraz sposobem obsługi.
W w ielu przypadkach są to urządzenia przestarzałe, w yposażone w prym ityw ne układy sterow ania. N iejednokrotnie m odernizacja istniejących jed n o stek pociąga za so b ą duże koszty inw estycyjne, co w o becnych czasach m oże stanow ić d u ż ą przeszkodę w ich realizacji. C zę
sto za p o m o cą p rostych i stosunkow o tanich zabiegów m ożna uzyskać z n a c z n ą popraw ę
pracy urządzenia, a tym sam ym polepszyć rentow ność procesu technologicznego. N astępują
cy w ostatnich latach olbrzym i rozw ój sterow ników program ow alnych PLC stw arza duże m ożliw ości w dziedzinie autom atyzacji i budow y układów sterow ania. S zeroka gam a produ
kow anych urządzeń zarów no p od w zględem m ożliw ości zastosow ań, ja k i ceny pow oduje, że są one obecnie pow szechnie dostępne.
P R Z E D ST A W IE N IE O B IE K TU
O biektem sterow ania je s t reaktor elektrochem iczny służący do produkcji topników spa
w alniczych. K onstrukcję reaktora przedstaw iono n a ry s .l.
W Z akładach E lektrochem icznych w R aciborzu znajduje się osiem identycznych reakto
rów p racujących w cyklicznym trybie pracy. R eaktory zasilane s ą po przez układ szyn zb io r
czych z jed n eg o transform atora (15 M V A , 20/0.1 kV). Taki układ zasilania pociąga za sobą pew ne o g raniczenia dotyczące sposobu sterow ania przebiegiem procesu w ytw arzania to p n i
ków. Sterow anie m o c ą do starczan ą do poszczególnych reaktorów m oże się odbyw ać jedynie za p o m o cą zm iany położenia elektrod. Pojedynczy reaktor składa się z m isy topielnej (2) podw ieszonej p od pancerzem (1), układu posuw u elektrod (12,13,14), trzech elektrod (6) oraz układu p rzechyłu reak to ra (9). R eaktor zasilany je s t napięciem trójfazow ym (0.79-0.9 kV ) o częstotliw ości sieciow ej. Przebieg procesu technologicznego rozpoczyna się od zasypu skład
ników m ineralnych do m isy topielnej. N astępnie załącza się napięcie. W pierw szej fazie re
aktor pracuje podobnie ja k piec łukow o-oporow y. W tym czasie (ok. 20 m in) proces przebie
ga bardzo niestabilnie, n astęp u ją gw ałtow ne, stochastyczne uderzenia prądow e, których w ar
tości niejednokrotnie p rzek raczają w artości znam ionow e (3200 A). O kres ten w pływ a bardzo niekorzystnie na żyw otność m isy topielnej, elektrod, ja k rów nież w yłącznika głów nego (D S.3200).
R y s .l. K onstrukcja reaktora elektrochem icznego Fig. 1. C onstruction o f electrochem ical reactor
Układ szyn zbiorczych
, 10 11 .
1 3 A 1A 15A 1 A
Rys.2. U kład zasilania reaktorów elektrochem icznych Fig.2. P o w er system o f electrochem ical reactor
W drugiej fazie procesu w okół elektrod tw orzy się pew na ilość roztopionego w sadu, dzię
ki czem u p roces zaczyna przebiegać stabilniej. Tę część procesu technologicznego (trw ającą 2-3 godziny) m ożna porów nać do procesów elektrożużlow ych, elektrodow ych. P roces tech
nologiczny kończy się spustem gotow ego produktu do basenu granulacyjnego.
D O T Y C H C Z A SO W Y U K Ł A D ST E R O W A N IA R E A K T O R E M E L E K T R O C H E M IC Z N Y M
Jak ju ż w cześniej w spom niano, sterow anie procesem m oże przebiegać je d y n ie na drodze posuw u elektrod. E lem entam i w ykonaw czym i s ą silniki trójfazow e (0.8 kW ) sterow ane z konsoli operatorskiej. K ażdy reak to r w yposażony je s t w układ autom atycznej regulacji p o łożenia elektrod. U kład ten m a za zadanie stałe utrzym yw anie nastaw ionej w artości prądu w każdej z elektrod.
D otychczasow y układ sterow ania nie pracow ał popraw nie. W ynikało to częściow o z konstrukcji (duża liczba podzespołów ), ja k rów nież ze sposobu d ziałania.U kład nie był w stanie w łaściw ie reagow ać na w ystępujące w czasie p rocesu przeciążenia, co często prow a
dziło do w yłączeń w yłącznika głów nego i w konsekw encji pow odow ało znaczne skrócenie czasu żyw otności tego w yłącznika.
K O N C E PC JA S T E R O W A N IA O P A R T A N A ST E R O W N IK U PLC
Z aproponow any układ sterow ania oparto n a sterow niku program ow alnym S 7-200 firm y Siem ens. S terow nik ten rozbudow ano o dodatkow y m oduł w ejść analogow ych. Podstaw ow e zadania sterow nika to:
- regulacja p o ło żen ia elektrod,
- zabezpieczenie układu zasilania reaktora przed przeciążeniam i,
- utrzym yw anie stałej w artości prąd ó w elektrod w trybie pracy autom atycznej, generow anie sy gnałów alarm ow ych.
K oncepcja sterow ania reaktorem elektrochem icznym przedstaw iona n a rys. 3 polega na ciągłej kontroli p rzeciążeń w ystępujących w obw odach reaktora. R eakcja na przeciążenia przebiega w dw óch etapach. W zależności od czasu trw ania przeciążenia, w pierw szej kolej
ności następuje podnoszenie elektrody, dopiero po określonym czasie następuje w yłączenie w yłącznika głów nego. D zięki tem u znacznie zm niejszono ilość w yłączeń aw aryjnych w ystę
pujących w czasie trw an ia procesu, a przez to rów nież w ydłużyła się żyw otność w yłącznika.
R ys.3. Schem at działania program u sterow ania reaktorem elektrochem icznym Fig.3. W orking diagram o f controlling o f electrochem ical reactor
U kład um ożliw ia pracę w trybie ręcznym oraz w trybie autom atycznego utrzym yw ania zadanej w artości prądu. W odróżnieniu od poprzedniej w ersji sterow ania, zrezygnow ano z nastaw iania w artości zadanej za p o m o cą potencjom etru. W artość odniesienia ustaw iana je st program ow o ja k o najw ięk sza dopuszczalna w artość prądu w jed n ej z elektrod.
D odatkow o w ty m trybie prow adzona je s t ciągła kontrola stabilności p rądów reaktora.
Podczas w ystępow ania gw ałtow nych zm ian prądu, w którejś z elektrod układ przeryw a pracę w trybie autom atycznym , aż do czasu, kiedy prądy w elektrodach u stab ilizu ją się. W ów czas układ sam oczynnie pow raca do trybu autom atycznego.
P odnoszenie i opuszczanie elektrod odbyw a się n a podstaw ie sygnału błędu liczonego w zględem różnicy m iędzy p rzy jętą w arto ścią zadaną prądu a bieżącym sygnałem prądu w danej elektrodzie. D odatkow o układ w yposażono w m ożliw ość dostrajania niektórych w arto
ści nastaw za p o m o c ą pan elu operatorskiego TD -200.
W ielkości, takie ja k czas w ystępow ania przeciążenia do całkow itego w yłączenia w yłącz
nika głów nego, m aksym alna w artość prądu w elektrodzie, strefa nieczułości układu, m ożna zadawać za p o m o c ą prostego w obsłudze panelu operatorskiego, bez konieczności k ażdora
zowego p odłączania kom putera.
W ystąpienie stanów aw aryjnych reaktora pow oduje załączanie sygnalizacji akustycznej, która zostaje w yłączana p o przez sygnał potw ierdzenia z konsoli sterującej.
W ażnym elem entem now ego układu sterow ania je s t także w yposażenie go w tzw . proce
durę eksploatacyjnego w yłączenia. P rocedura ta dopuszcza w yłączenie w yłącznika głów nego jedynie w stanie całkow itego zaniku prądu w elektrodach. W pływ a to korzystnie na czas ży
cia tego w yłącznika.
Rys.4. Schem at układu sterow ania reaktorem elektrochem icznym Fig.4. D iagram o f the control system o f electrochem ical reactor
PO D SU M O W A N IE
Przedstaw iona koncepcja m odernizacji układu sterow ania reaktorem elektrochem icznym została zw eryfikow ana praktycznie. Zastosow anie now ego układu sterow ania um ożliw iło polepszenie pracy reaktora elektrochem icznego, zm niejszyło znacznie liczbę przestojów i aw arii,a tym sam ym w płynęło na popraw ę rentow ności procesu technologicznego.
B udow ę now ego układu sterow ania oparto na sterow niku p rogram ow alnym S7-200 firm y Siemens.
L IT E R A T U R A
1. B odora A .: A n aliza techniczno-ekonom iczna pieca łukow o-oporow ego do produkcji topników . P raca dyplom ow a, G liw ice 1996.
2. B odora A .: A n aliza m ożliw ości aplikacji energoelektronicznych i elektrom echanicznych u kładów zasilan ia i sterow ania p ieców łukow o-rezystancyjnych p rzeznaczonych do pro
dukcji topników spaw alniczych. P rojekt badaw czy K B N nr 8T 10A 08015, prace nie pu b li
kowane.
3. Pierw sze kro k i ze sterow nikiem S7-200. M ateriały firm y Siem ens.
4. S 7-200 U sers M anuał. M ateriały firm y Siem ens.
Recenzent: Prof. dr hab.inż. W łodzim ierz Jabłoński
W płynęło do R edakcji 15 m aja 1999 r.
A bstract
The control system o f on electrochem ical reactor is presented in this paper. T his reactor is designed for w elding fluxes production. In the firs part o f the paper there are presented con
struction o f electrochem ical reactor and untypical pow er system , as w ell as there is reported one duty cycle. In the second part new control system constructed basing on the program m a
ble logic controller is presented. The system consists o f a central unit w ith an additional ana
logue in p u t unit. In the further part o f the paper principle o f operation o f th e control system o f the electrochem ical reactor and profits from application o f the n ew control system are dis
cussed.
