|
Реферат: Hазработка системы регулирования, контроля и регистрации потребления энергоносителей печью скоростного нагрева (Цифровые устройства)
[pic]1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Мировой рынок предъявляет все более высокие требования к показателям
качества опорных валков прокатных станов (твердость, глубина закаленного
слоя, распределение остаточных напряжений).
Известны следующие технологии закалки прокатных валков: в
электромасляных ваннах, токами промышленной частоты, токами высокой
частоты, регулируемым охлаждением водой, водовоздушной смесью и др.
Одним из таких процессов является дифференцированная термическая
обработка (в дальнейшем – ДТО) опорных валков прокатных станов.
Технологический процесс ДТО направлен на снижение энергозатрат при нагреве
валка до температуры закалки за счет нагрева не всего объема валка, а лишь
поверхностного (закаливаемого) слоя.
Суть ДТО заключается в следующем (схема и этапы режима ДТО приведены
на рисунке 1):
Рисунок 1.1 - Схема и этапы режима ДТО
Этап 1 – предварительный подогрев валка.
Производится в термической печи с выкатным подом с целью перевода
материала сердцевины валка в более пластичное состояние, способное
выдержать высокие растягивающие напряжения при последующем интенсивном
нагреве в печи скоростного нагрева (в дальнейшем – ПСН).
Рациональная среднемассовая температура предварительного подогрева для
всех типоразмеров валков находится в пределах Тп(500(С. При более низких
температурах велика опасность разрушения валка при быстром нагреве бочки из-
за недостаточной пластичности слабо прогретой сердцевины валка. С ростом
температуры предварительного подогрева повышаются остаточные напряжения
после ДТО и, следовательно, растет вероятность разрушения валка после
окончания режима. Требуемая равномерность температуры печи в конце
подогрева (5(С.
Этап 2 – градиентный нагрев в ПСН.
Параметры нагрева валка определяются маркой стали, требованиями по
глубине активного (закаленного) слоя, уровнем трещиностойкости металла
центральной части валка и размерами возможных дефектов металлургического
происхождения.
Оптимальная температура нагрева Тн выбирается из расчета получить
максимальную закаливаемость, т.е. максимальную твердость структуры,
образующейся в поверхностном слое валка при закалке. Оптимальный режим
нагрева состоит из максимально интенсивного нагрева поверхности бочки до
температуры Тн и выдержке при данной температуре до прогрева на заданную
глубину. Ограничить интенсивность нагрева могут либо возможности
оборудования (мощность ПСН) либо высокие растягивающие напряжения, которые
возникают в центральной зоне валка при интенсивном нагреве.
Этап 3 – выдержка для обеспечения прогрева бочки валка на заданную
глубину в ПСН.
Продолжительность выдержки при поддержании температуры бочки валка на
уровне температуры нагрева Тн зависти от желаемой глубины прогрева
поверхностного слоя. В свою очередь, оптимальная величина прогрева зависит
от прокаливаемости стали и интенсивности дальнейшего охлаждения.
Этап 4 – транспортировка валка из ПСН в спрейерную установку.
Продолжительность переноса валка из ПСН к спрейерной установке должна
быть сведена к минимуму. Это обусловлено тем, что на воздухе поверхностный
слой валка быстро теряет тепло.
Этап 5 – интенсивное водяное охлаждение в спрейерной установке.
Производится с максимально возможной плотностью орошения с целью
формирования наиболее благоприятной структуры и максимальной глубины
активного слоя.
Этап 6 – мягкое регулируемое водовоздушное охлаждение в спрейерной
установке с отогревом поверхности.
На этом этапе продолжается принудительный теплосъем с поверхности
валка теплового потока, поступающего из внутренних слоев. Продолжительность
водовоздушного охлаждения определяется по условию достижения среднемассовой
температуры валка Т0 (температуры копежа).
Этап 7 – отпуск в печи с выкатным подом.
Температура и продолжительность отпуска определяются исходя из
требований на твердость бочки валка.
Новокраматорский машиностроительный завод – лидер отечественного
машиностроения – является одним из ведущих поставщиков валков прокатных
станов как для Украины, так и в страны ближнего и дальнего зарубежья.
Заводом успешно освоены перечисленные выше технологии.
Технология ДТО реализована на участке ДТО, который включает в себя две
термические печи с выкатным подом, печь скоростного нагрева, спрейерную
установку.
Автоматизированная система управления технологическим процессом ДТО
построена на базе оборудования фирмы «SIEMENS» по иерархической структуре.
1. Теоретические сведения об этапе дифференцированной
термической обработки прокатных валков - градиентном
нагреве в печи скоростного нагрева
Параметры нагрева валка определяются маркой стали, требованиями по
глубине активного слоя, уровнем трещиностойкости металла центральной части
валка и размерами возможных дефектов металлургического происхождения.
Рассмотрим более подробно факторы, влияющие на выбор параметров нагрева.
Оптимальная температура нагрева ТН выбирается из расчета получить
максимальную закаливаемость, т.е. максимальную твердость структуры
мартенсита и остаточного аустенита, образующейся в поверхностном слое валка
при закалке. С ростом температуры нагрева ТН в легированных валковых сталях
увеличивается степень растворения карбидов и, как следствие, повышается
прокаливаемость стали и твердость мартенситной матрицы. Но при этом
одновременно увеличивается содержание остаточного аустенита в закаленной
структуре, что ведет к снижению твердости. Действие этих двух
противоположно направленных факторов приводит к появлению максимума на
кривой зависимости твердости закаленной структуры стали заданного состава
от температуры нагрева.
Дополнительным фактором, который ограничивает ТН сверху, является
отрицательное влияние перегрева на рост зерна аустенита и, следовательно,
огрубление структуры мартенсита после закалки. Кроме того, повышение
температуры нагрева увеличивает уровень максимальных растягивающих
остаточных напряжений. Для стали 90ХФ оптимальной температурой нагрева при
ДТО является ТН(920(С, для стали 75ХМ ТН(950(С.
Оптимальный режим нагрева состоит из максимально интенсивного нагрева
поверхности бочки до температуры ТН и выдержке при данной температуре до
прогрева на заданную глубину выше температуры аустенизации АС3.
Ограничивать интенсивность нагрева могут либо возможности оборудования
(мощность печи скоростного нагрева - ПСН), либо высокие растягивающие
напряжения, которые возникают в центральной зоне валка при интенсивном
нагреве.
KOBE STEEL (предприятие-разработчик теории дифференцированной
термической обработки прокатных валков - ДТО) рекомендует следующий режим
нагрева: до 960(С по металлу за 3ч и выдержка в течение 1ч при температуре
поверхности валка 960(С. скорость нагрева (менее 140(С/ч) довольно мала и
ограничивается, по-видимому, возможностями применяемой системы отопления с
радиационными горелками. При таком нагреве возникающие максимальные
растягивающие напряжения, которые формируются в конце выдержки, очень малы
(в пределах 180 МПа для всех диаметров). Таким образом, с точки зрения
безопасности режим градиентного нагрева существенно менее напряжен, чем
режим предварительного подогрева. При заданном режиме поверхностный слой
валков разных диаметров прогревается на 140-160 мм.
Проектируемая ПСН, оборудованная скоростными горелками, по данным
базового варианта может обеспечить скорость подъема температуры поверхности
бочки валка вплоть до 300(С/ч (по металлу). Для определения рационального
диапазона параметров нагрева разработчиками базового варианта (фирма
«Термосталь» г. Санкт-Петербург) выполнен цикл расчетов нагрева валков из
стали 75ХМФ до 950(С по поверхности бочки с варьированием диаметра валков
D=1200, 1600, 2000 мм, температуры предварительного подогрева ТП=400, 450,
500(С и скорости нагрева по металлу VН=100, 200, 300(С/ч. При этом
фиксировался критический размер дефекта для всех режимов.
Результаты расчетов приведены на рисунке 1.2, где хорошо видно влияние
масштабного фактора: с ростом диаметра форма зависимости критического
дефекта от скорости нагрева меняется на противоположную. Если для диаметра
1200 мм ДКР уменьшается при увеличении скорости нагрева, для диаметра 1600
мм зависимость немонотонна, то для диаметра 2000 мм размер критического
дефекта увеличивается с ростом VН.
При выборе оптимального сочетания ТП и VН предварительно можно
руководствоваться формальным ограничением на уровень допустимых дефектов по
ОСТ 24.023.33-86 «Ультразвуковой контроль ВХП», который допускает для
валков диаметром свыше 1200 мм одиночные несплошности с эквивалентным
диаметром до 200 мм. Принимая это ограничение, можно видеть из рисунка 1.2,
что применение максимально возможной интенсивности нагрева (300(С/ч по
металлу) допустимо при ТП=480(С, 450(С и 400(С для валков диаметром
соответственно 1200, 1600 и 2000 мм.
Рисунок 1.2 – Распределение температуры в поверхностном слое валков
диаметром 1200, 1600 и 2000 мм из стали типа 75ХМФ в конце градиентного
нагрева.
Следует подчеркнуть, что реальное проектирование режима нагрева
возможно только после определения реально возможной максимальной
интенсивности нагрева в ходе теплотехнических испытаний ПСН, а также
реальной трещиностойкости металла в сердцевине валков из разных марок
стали, подвергнутых улучшению.
Продолжительность выдержки при поддержании температуры бочки валка на
уровне температуры нагрева ТН зависит от желаемой глубины прогрева
поверхностного слоя до температуры аустенизации АС3. В свою очередь,
оптимальная величина прогрева зависит от прокаливаемости стали и
интенсивности охлаждения. Суть процесса заключается в следующем.
При увеличении глубины аустенизированного слоя растет и глубина
закаленного слоя, но только до определенной величины, ограниченной
возможностями стали (прокаливаемостью) и спрейерной установки (максимальной
интенсивностью охлаждения).
Рост глубины прогрева свыше этого оптимального значения приводит к
накоплению излишнего тепла в валке, что начинает снижать скорость
охлаждения на границе закаленного слоя, повышает температуру на оси валка и
приводит к росту остаточных напряжений. Вкратце этот принцип следует
охарактеризовать так: не следует прогревать валок больше необходимого.
В качестве иллюстрации на рисунке 1.3 для валка диаметром 1200 мм
показаны зависимости глубины аустенизированного слоя LА и закаленного слоя
LЗ (закаленным слоем условно принят слой с твердостью выше 45HS, что
соответствует наличию в структуре не менее 50% бейнитно-мартенситной смеси)
от продолжительности нагрева при температуре поверхности ТН=950(С (сталь
75ХМФ) и ТН=920(С (сталь 90ХФ). Нагрев до температуры ТН проводился со
скоростью 300(С/ч по металлу, охлаждение – с максимально возможной для
данной спрейерной установки, которая допускает проводить охлаждение с
максимальной плотностью орошения от 1.14 кг/м2(с (валок диаметром 2000 мм)
до 1.9 кг/м2(с (валок диаметром 1200 мм).
Рисунок 1.3 – Зависимость глубины аустенизированного слоя LЗ (а) и
температуры центра ТЦ (б) от продолжительности прогрева при градиентном
нагреве валка диаметром 1200 мм.
Из рисунка 1.3 видно, что увеличение продолжительности прогрева свыше
1 ч практически не увеличивает глубину закаленного слоя для валка из стали
75ХМФ и 90ХФ. При этом прогрев свыше 1.5 ч даже снижает глубину закаленного
слоя в валке из стали 90ХФ. Дополнительным аргументом в пользу ограничения
продолжительности нагрева служит тот факт, что при выдержке температура
центра растет довольно интенсивно, что будет сопровождаться увеличением
остаточных напряжений.
При выборе оптимальной продолжительности прогрева следует учитывать,
что с ростом выдержки при температуре аустенизации увеличиваются остаточные
напряжения в валке после закалки, поэтому этот параметр надо выбирать с
учетом ограничений на уровень остаточных напряжений.
В свою очередь, уровень остаточных напряжений можно определить, только
выбрав режим охлаждения, который зависит от режима нагрева. Таким образом,
параметры нагрева и охлаждения оказываются взаимозависимыми. Это означает
необходимость многовариантных (многопараметрических) расчетов на стадии
проектирования режима для определения оптимальных значений параметров ДТО.
2. Назначение, структура и состав АСУ ПСН
1.2.1 Назначение
ПСН предназначена для скоростного нагрева бочки валка (предварительно
подогретого в печи с выкатным подом до температуры 400-550(С) с постоянной
скоростью 100-300(С/ч (по металлу) до температуры закалки 920-970(С и
последующей выдержкой в течение 45-60 мин. В результате нагрева в ПСН в
валке формируется градиентное распределение температуры с прогревом
поверхностного слоя на заданную глубину.
Спрейер предназначен для регулируемого охлаждения бочки валка, при
этом на первом этапе используется интенсивное водяное охлаждение с
максимальным расходом воды в течение 30-60 мин. На втором этапе применяется
мягкое водо-воздушное охлаждение с регулируемым расходом воды в течение 75-
145 мин.
Оборудование системы управления (СУ) ПСН предназначено для управления
тепловым режимом печи скоростного нагрева в ручном и автоматизированном
режиме.
Оборудование СУ спрейера предназначено для управления режимом
охлаждения на спрейерной установке в ручном и автоматизированном режиме.
Оборудование системы управления предназначено для работы в следующих
условиях:
- номинальное значение климатических факторов внешней среды по ГОСТ 15150-
69, ГОСТ 15543-70 для климатического исполнения У;
- температура окружающей среды от +5(С до +50(С, окружающая среда не
взрывоопасная, с содержанием коррозионно-активных агентов в атмосфере
типов I и II по ГОСТ 15150-69, верхняя концентрация инертной пыли (в т.ч.
токопроводящей) в воздухе не более 10 мг/м(;
- питание осуществляется от трехфазной сети переменного тока;
- колебания напряжения питания относительно номинального в пределах 0,85 –
1,1;
- по способу обслуживания шкафов и пультов с размещенными в них
техническими средствами АСУ выполнены одностороннего обслуживания с
доступом спереди;
- для защиты персонала от поражения электрическим током при прикосновении
к электрооборудованию и для уменьшения помех в цепях управления применена
система шин для заземления и выравнивания потенциала PE, заземление
экранов кабелей и проводов.
1.2.2 Структура и состав АСУ
Работа автоматизированных систем управления СУ ПСН и СУ спрейера
основана на принципах управления технологическими процессами с
использованием одного микропроцессорного контроллера, осуществляющего
одновременное управление обеими установками в реальном масштабе времени.
Для связи между отдельными электронными устройствами системы управления
(контроллер, децентрализованная периферия, панель оператора и промышленный
компьютер) организованы локальные сети управления MPI и Profibus DP
(Европейский стандарт EN 50 170).
Архитектура системы управления построена по двухуровневой схеме:
- нижний уровень управления;
- средний уровень управления.
Нижний уровень управления (НУУ) включает в себя модули
микропроцессорного контроллера SIMATIC S7 - 315 DP с цифровыми и
аналоговыми входами-выходами и его децентрализованную периферию (удаленные
входы-выходы), объединенную сетью PROFIBUS DP. Оборудование НУУ
осуществляет сбор информации с пультов, шкафов и датчиков, ее
предварительную обработку и передачу на средний уровень управления, а также
выдачу управляющих воздействий на исполнительные механизмы установки в
зависимости от алгоритма управления.
Средний уровень управления (СУУ) представляет собой промышленный
компьютер SIMATIC RI25P, панель оператора ОР7 и микропроцессорный
контроллер SIMATIC S7-315DP объединенные сетью MPI. Оборудование СУУ
предназначено для ввода параметров технологического процесса, программного
управления, контроля, диагностики и протоколирования хода технологического
процесса .
В состав системы управления входят:
- шкаф контроллера;
- шкаф электрооборудования, КИП и А;
- шкаф компьютерный;
- пульт управления;
- датчики технологических параметров и электрооборудование на
механизмах ПСН и спрейерной установки.
1.2.3 Управление тепловым режимом ПСН с помощью системы управления
на базе микропроцессорного контроллера
Система управления тепловым режимом ПСН реализована на принципах
управления технологическим процессом в режиме реального времени на базе
микропроцессорного контроллера и предназначена для решения следующих задач:
- подготовки и задания переменных технологического процесса и
настройки параметров регулирования;
- управления автоматикой безопасности печи;
- управления розжигом горелок;
- регулирования температуры поверхности бочки прокатного валка или
температуры печи;
- регулирования соотношения «газ-воздух»;
- регулирования давления в рабочем пространстве печи;
- визуализации, контроля, диагностики и протоколирования хода
технологического процесса.
В состав системы управления функционально входят следующие подсистемы:
- подсистема измерения технологических параметров;
- подсистема визуализации, контроля, диагностики и протоколирования;
- подсистема автоматического регулирования;
- подсистема автоматики безопасности.
-
1.2.4 Подсистема измерения технологических параметров
Подсистема измерения технологических параметров предназначена для
сбора и обработки информации от аналоговых и дискретных датчиков
технологического процесса.
К контролируемым аналоговым параметрам относятся:
- температура газовой среды в трех точках рабочего пространства печи
(около торцевых стенок и посередине печи);
- температура поверхности нагреваемого металла;
- температура отходящих газов перед дымовым клапаном;
- температура отходящих дымовых газов после воздушного клапана на
дымопроводе;
- давление в рабочем пространстве печи:
- расход газа на печь;
- расход воздуха на печь;
- положение заслонок газа, воздуха и дымоудаления.
Контроль температуры в рабочем пространстве печи осуществляется с
помощью термопар типа ТПР-1788.
Контроль температуры нагреваемого металла производится автоматическим
оптическим пирометром ARDOCELL PZ20 фирмы Siemens.
Контроль температуры отходящих газов осуществляется с использованием
термопар ТХА-2388.
Давление в печи измеряется измерительным преобразователем «Сапфир-22М-
ДИВ»
Расход газа и воздуха измеряется перед регулирующими органами
комплектом приборов, состоящих из зондов измерения расхода SDF фирмы SKI и
измерительных преобразователей SITRANS P фирмы Siemens, размещенных по
месту на трубопроводах газа и воздуха. Применение зондов обусловлено
необходимостью минимизации потерь давления по воздушному тракту печи и
существенно более широким в сравнении с измерительными диафрагмами
диапазоном измерения. Программой контроллера предусматривается
демпфирование мгновенных (текущих) измерений значений расхода газа и
воздуха для сглаживания пульсации результатов.
Положения заслонок газа, воздуха и дымоудаления, связанных через тяги
с исполнительными механизмами контролируется блоками БСПТ-10 встроенными в
МЭО.
К контролируемым дискретным параметрам относятся информационные
сигналы:
- положение и состояние вспомогательных механизмов печи;
- минимальное и максимальное открытие МЭО;
- наличие срабатывания электромагнитных клапанов горелок;
- наличие контроля факела горелок и сигналов с датчиков автоматики
безопасности;
- текущее состояние кнопок управления.
Информация о положении и состоянии вспомогательных механизмов печи
поступает на входы контроллера с сухих контактов промежуточных реле и
служит для целей диагностики.
Сигналы о минимальном и максимальном открытии МЭО поступают при
срабатывании их встроенных конечных выключателей и служат для ограничения
хода исполнительных механизмов.
Наличие срабатывания электромагнитных клапанов фирмы Kromschroeder
контролируется встроенными указателями положения.
Наличие пламени факела горелок контролируется приборами Ф34.3.
Текущее состояние каждой кнопки управления постоянно отслеживается
контроллером и при его изменении производятся действия в соответствие с
функциональным назначением соответствующей кнопки.
1.2.5 Подсистема визуализации, контроля, диагностики и
протоколирования
Подсистема визуализации, контроля, диагностики и протоколирования
предназначена для организации доступа в диалоговом режиме оператора-
технолога и мастера КИП и А печи к выполнению операций предусмотренных
технологией при работе ПСН. В состав подсистемы функционально входят
промышленный компьютер SIMATIC RI 25P (компьютер) и панель оператора
SIMATIC OP7 (панель оператора ОР7), работающие под управлением контроллера
SIMATIС S7-315 DP (контроллер), все оборудование фирмы Siemens.
Компьютер и панель оператора ОР7 выполняют функцию отображения
переменных технологического процесса (температура, давление и т.д.), ввода
технологии, параметров (задания регуляторам, настроечные коэффициенты и
т.д.) и служат как средство для выдачи управляющих команд на контроллер под
управлением оператора-технолога.
Для мастера КИП и А предусмотрена возможность изменения настройки
параметров регуляторов, параметров вентиляции, розжига и т.д., а также
изменения конфигурации компьютера и панели оператора ОР7 (работа с
аварийными сообщениями, изменение паролей, установка времени и т.д).
При работе ПСН система диагностики контроллера осуществляет
непрерывной контроль за состоянием механизмов и параметров технологического
процесса и управляет выдачей текстовых сообщений на монитор компьютера и
панель оператора ОР7, а также световой и звуковой сигнализацией.
После запуска режима печи по температурно-временному графику
производиться протоколирование хода технологического процесса с записью на
жесткий диск памяти промышленного компьютера.
1.2.6 Подсистема автоматического регулирования
Подсистема автоматического регулирования предназначена для управления
тепловым режимом печи и включает в себя три контура регулирования:
- контур регулирования температуры печи,
- контур регулирования соотношения «газ-воздух»;
- контур регулирования давления в печи.
Регулирование температуры в печи осуществляется путем воздействия на
исполнительный механизм, связанный регулируемой тягой с заслонкой на
газопроводе, в функции изменения температуры печи по температурно-
временному графику нагрева. Задание регулятору формируется в контроллере по
алгоритму управления в виде единичных значений в зависимости от заданной
технологии (изменение задания температуры по скорости или во времени).
Регулирование соотношения “газ – воздух” осуществляется путем
воздействия на исполнительный механизм, связанный регулируемой тягой с
заслонкой на воздушном трубопроводе, в функции каскадной схемы
регулирования соотношения газовоздушной смеси. По этой схеме ведущий
регулятор (температуры) работает в функции изменения температуры печи по
температурно - временному графику нагрева и при этом формирует текущее
задание ведомому (соотношения “газ-воздух”) по графику соотношения расходов
газа и воздуха, а ведомый регулятор в свою очередь формирует управляющее
воздействие на исполнительный механизм.
Регулирование давления в рабочем пространстве печи осуществляется в
функции поддержания постоянным заданного давления в печи, путем
воздействием на исполнительный механизм связанный регулируемой тягой с
заслонкой дымоудаления.
Элементы подсистемы автоматического регулирования унифицированы и
состоят из бесконтактных тиристорных реверсивных пускателей ПБР и
исполнительных электрических механизмов МЭО. Контроль положения
исполнительного органа ведется через токовый датчик обратной связи и
индицируется на соответствующем экране компьютера или панели оператора ОР7.
Управление исполнительными механизмами возможно и при отключенных
регуляторах - в ручном режиме, дистанционно, с технологической клавиатуры
панели оператора ОР-7 или с клавиатуры компьютера.
1.2.7 Подсистема автоматики безопасности
Подсистема автоматики безопасности предназначена для эксплуатации в
составе оборудования печи скоростного нагрева. Функционально аппаратная
часть автоматики безопасности работает автономно от контроллера и управляет
электромагнитом, устанавливаемым на предохранительно-запорном клапане на
вводе газа к печи.
Схема безопасности реализована на базе контроллера “LOGO!” фирмы
Siemens . Контроллер “LOGO! “ представляет собой логическое устройство с 12
дискретными входами (24В),8 релейными выходами и реализует алгоритм
управления отсечным газовым клапаном печи и аварийной звуковой и световой
сигнализацией.
Включение электромагнита отсечного газового клапана осуществляется
кнопкой «Отсечной клапан. Включить». Включение отсечного клапана возможно в
том случае, если не выполняются условия отсечки газа.
Отсечка газа осуществляется в следующих случаях:
- при понижении давления газа после регулятора давления ниже
допустимого предела;
- при повышении давления газа после регулятора давления выше
допустимого предела;
- при понижении давления воздуха в воздухопроводе печи ниже
допустимого предела;
- при нажатии кнопки «Отсечной клапан. Отключить»;
- при нажатии кнопки «Аварийный стоп»;
- при сигнале от контроллера «Газ отключить» (данный сигнал выдается
контроллером при погасании факелов горелок или при падении давления
в печи ниже аварийно допустимого предела).
При срабатывании отсечного клапана выдается звуковой сигнал и
загорается лампа, сигнализирующая о причине отсечки газа:
- при понижении давления газа после регулятора давления ниже
допустимого предела – лампа «Давление газа мало»;
- при повышении давления газа после регулятора давления выше
допустимого предела – лампа «Давление газа велико»;
- при понижении давления воздуха в воздухопроводе печи ниже
допустимого предела - лампа «Давление воздуха мало»;
- при нажатии кнопки «Отсечной клапан. Отключить», при нажатии кнопки
«Аварийный стоп» и при сигнале от контроллера «Газ отключить» -
лампа «Отсечка газа».
3. Анализ существующей системы управления и
постановка задачи проектирования
Существующая в базовом варианте система управления печью ПСН обладает
рядом достоинств и недостатков. К достоинствам следует отнести
централизованное управление всем участком ДТО от одного контроллера,
высокую степень автоматизации процесса нагрева валка и механизации
загрузочно-разгрузочных работ.
К недостаткам такой системы можно отнести следующие:
- применение электроприводов вращения и ориентирования, имеющих
значительные габариты, стоимость и обладающие значительно меньшей
надежностью в сравнении с аналогичными гидравлическими приводами;
- применение электрических регулирующих механизмов в магистралях
подачи газа и воздуха, обеспечивающих регулирование в очень узком
диапазоне;
- отсутствие синхронизации работы приводов и регуляторов подачи
газовоздушной смеси;
- отсутствие контроля потребления энергоносителей (природного газа и
электроэнергии);
- применение в системе управления дорогостоящего импортного
оборудования.
Следовательно, проектируемая система должна быть, по возможности
избавлена от этих недостатков или, по крайней мере, сводить их к минимуму.
Основными задачами проектирования являются:
- разработка следящей системы регулирования, контроля и регистрации
потребления энергоносителей для снижения себестоимости конечного
продукта – валков для прокатных станов;
- замена электрических приводов на гидравлические, обладающие
меньшими габаритами (не требуется установки редукторов и других
передаточных механизмов), стоимостью (реализованы на аппаратуре
отечественного производства) и надежностью;
- установка регуляторов подачи газовоздушной смеси с пропорциональным
электрическим управлением, обеспечивающих регулирование в широком
диапазоне с высокой точностью;
- обеспечение синхронизации работы приводов и регуляторов подачи для
поддержания процесса прогрева валка с оптимальными параметрами;
- обеспечение минимальных затрат на установку самой системы путем
возможно минимального изменения уже существующей – т.е. без
изменения общей структуры участка в целом и печи в частности.
-----------------------
[pic]
Т, (С
Расстояние от
поверхности, мм
[pic]
Глубина слоя, мм
Продолжительность
прогрева, ч
[pic]
Продолжительность
прогрева, ч
Тц,(С
а)
б)
T
(
Tп
Tн
Tо
1
2
3
4
5
6
7
Реферат на тему: Physical Methods of Speed-Independent Module Design
Physical Methods of Speed-Independent Module Design
Oleg Izosimov
INTEC Ltd, Room 321, 7a Myagi Street, Samara 443093, Russia
1. Introduction
Any method of logic circuit design is based on using formal models
of gates and wires. The simplest model of a gate is determined by only two
"parameters": (a) Boolean function is to be calculated, (b) fixed
propagation delay. The simplest model of a wire is an ideal medium with
zero resistance and consequently, with zero delay. Such simple models allow
circuit design procedures which are a sequence of elementary steps easily
realized by a computer.
When logic circuits designed by using the simplest models expose
unreliable operation as in the case of gate delay variations, designers
introduce less convenient but more realistic models with arbitrary but
finite delay. Using more complicated models may produce logic circuits that
are called speed-independent [1].
In speed-independent circuits transition duration can be arbitrary.
So a centralized clock cannot be used. Instead special circuitry to detect
output validity is applied. Besides, additional interface circuitry is
needed to communicate with the environment in a handshaking manner. A speed-
independent circuit can be seen as a module consisting of combinational
logic (CL) proper, CL output validity detector (OVD) and interface
circuitry (Fig.1). To enable OVD to distinguish valid output data from
invalid ones, the redundant coding scheme was proposed [2]. The main idea
of the scheme is to enumerate all possible input and output data, both
valid and invalid. The OVD must be provided with appropriate information on
data validity. To realize the idea of redundant coding some constraints on
CL design are imposed [3]:
[pic]
(i) CL must be free of delay hazards, i.e. CL output data word must not
be dependent on the relative delay of signal paths through CL.
(ii) In changing between input states, any intermediate or transient
states that are passed through must not be mapped by CL onto valid output
states.
When these constraints were formulated, the circuit designers
realised that not every Boolean description could be implemented in a speed-
independent style. Other approaches to speed-independent module design were
needed.
SIM design as a science has two branches: logical and physical. For
a long time physical branch was overshadowed in spite of its
competitiveness. The main properties of physical approach to SIM design
are:
(a) Arbitrary coding scheme.
(b) Conventional procedure of operational unit design.
(c) Races of signals in SIM do not affect on its proper operation.
In this paper we propose an approach based on the physical nature of
transitions in CL. We believe that each transition is actually a transfer
of energy which can be naturally detected by physical methods.
From the viewpoint of a radio engineer CL behaves like a radio
transmitter. It emits radio frequencies in the 108-1010Hz band modulated by
signals of 106-108Hz. Obviously, the carrier wave is produced by gate
switchings during transitions in CL. The modulating wave is produced by
control schemes (OVD and interface circuitry) that detect transition
completion and inform the environment about the readiness of CL. OVD is a
kind of radio receiver that extracts the modulation envelope and enhances
the received signal. The main properties that OVD circuit must expose from
a radio engineer's point of view are selectivity and high gain. Since the
useful signals can propagate through non-conducting medium, OVD circuits
can be coupled with CL indirectly.
Advances in semiconductor technology gave birth to two methods of
transition detecting based on two kinds of the information carrying signal,
namely electromagnetic radiation and current consumption. Frequency of the
signal produced by switching logic gates is determined by gate delay.
For instance, CMOS network of 1-ns gates produces 1-GHz signal, ECL
array of 100-ps gates gives 10-GHz radiation. Logic circuits consisting of
10-ps gates will emit infra-red radiation. That signal could be easily
detected by photosensitive devices.
2. Background
Let us have a closer look at the structure of speed-independent
modules (SIM) as presented in Fig.1. All input data are processed in CL,
all output data are obtained from CL, too. So, CL is the only unit in SIM
which is involved in proper data processing. The result of that processing
is specified by Boolean functions. Algorithms for calculating the Boolean
function are realised by the internal structure of CL. Generally, its
structure is series-parallel as well as algorithm implemented.
When n-bit data word is put into the CL, n or more signal
propagation paths (SPPs) can be activated concurrently. So, one can say
that the calculation of a Boolean function by CL is of parallel nature. On
the other hand, each SPP is a gate chain which processes data in a serial
manner. So, calculation in CL is also of sequential nature.
The OVD circuit is intended for detecting transient and steady
"states" of CL. If any SPP in CL is still "active", CL is in transient
state, otherwise it is in steady state. Each gate switching results in both
logical and electromagnetic effects on its surrounding medium. The logical
effects of switching has been heavily investigated; we consider physical
one.
To provide speed-independence of the module the OVD and interface
circuitry must also work in a speed-independent mode. This means that any
arbitrary but finite transistor or wire delay cannot impair proper
operation of OVD and interface circuitry.
The interface circuitry is a mediator between OVD and environment of
SIM. It implements any kind of signalling convention, commonly a two- or
four-cycle one [4] based on request Req and acknowledgement Ack signal
using. The interface circuitry receives the output validity (OV) signal
from the OVD circuit, a Req signal from the environment and transmits an
Ack signal to the environment (Fig.1).
Consider an algorithm of operation for interface circuitry realizing
speed-independent four-cycle signalling convention (FCSC). In accordance
with FCSC the control signals must go in the following sequence: Req+OV-
Ack+Req-Ack- where "+" corresponds to rising the signal and "-" corresponds
to falling the signal. All signals are assumed to adhere to positive logic.
Initially the signals Req and Ack are low, the signal OV is high. If the
environment state changes, the Req signal rises and transient state of CL
occurs (OV-). Upon completion of the transitions in CL, signal OV rises and
the interface circuitry generates the Ack signal rising. After that the
environment produces a falling Req signal and then the interface circuitry
transmits the falling Ack signal to the environment. All the signals have
to be reset into the initial state.
To develop the interface circuitry a circuit designer must take into
account that any OVD circuit has finite (non-zero) turn-on delay ton. This
means that OVD cannot respond on transitions of short duration t tr< ton .
An example of interface circuitry is shown in Fig.2. It contains a
flip-flop, a NOR-gate, an asymmetrical delay and an inverter as an output
stage [5].
[pic]
The asymmetrical delay is intended for delaying Req rising signal
for + period where + > ton . Delaying Req falling signal noted - is to be
as short as possible. Note that speed-independent operation of interface
circuitry is vulnerable to delay + variation. If + becomes less than ton ,
proper operation of SIM can not be guaranteed. Otherwise, if + is much
more than ton , performance of SIM will be significantly reduced. To
provide exact accordance of + and ton a circuit emulator can be used.
Such an emulator is either an exact copy of OVD or its functional
copy, i.e. resistive-capacitive model of OVD's critical path. In the chip
the emulator must be placed next to active OVD circuit in order to ensure
identical conditions of fabrication and operation.
In this example we use a simplified asymmetrical delay implemented
as an asymmetrical CMOS inverter chain (Fig.3). Contrary to the common
inverter an asymmetrical one has non-equal rise and fall times of output
signal.
[pic]
A time diagram for interface circuitry is presented in Fig.4 for two
cases: (a) ttr < ton and (b) ttr ton. In case (a) the signal sequence
Req+Ack+ is formed for (++tNOR) period where tNOR is a NOR-gate delay. In
case (b) the above sequence is formed for (ttr +toff+tNOR) duration where
toff is a turn-off delay of OVD circuit. When the SIM returns to the
initial steady state, the signal sequence Req-Ack- is formed for (-+tNOR)
interval.
[pic]
After considering the SIM in operation it is obvious that the main
problems of the module design are in the area of CL and OVD interaction.
This includes (a) kind of signal used as a carrier of information about CL
output validity, and (b) method of OVD circuit design.
4. Current consumption detection
Using current consumption of CMOS CL for output validity detection
was proposed in 1990 [7]. Contrary to the method of EMR detection this one
is based on introducing direct coupling of source and receiver. While CL is
in steady state it consumes current of about 10-9-10-8A which does not
allow OVD switching. The interface circuitry gets information on CL output
validity and in turn informs the environment about CL readiness to input
data processing. When an input data arrives CL changes its state to
"transient", current consumption increases to 10-4-10-2A, which switches
the OVD, thus informing the interface circuitry about output invalidity.
The latter lets the environment know about CL business.
After the computations in the CL are finished, the current consumption
decreases down to the steady state value, and the OVD sends a signal of
output validity.
4.1 Information carrying signal
Current consumption by CMOS CL contains useful information on CL
state. CMOS CL is a network of CMOS gates, so the current consumed by CL is
a superposition of currents consumed by CMOS gates included in the CL.
Each CMOS gate contains PMOS transistor and NMOS transistor networks
(Fig.5). While a gate is in a steady state either the PMOS or the NMOS
network is in a conducting mode. When a gate switches the non-conducting
transistor network becomes conducting. There is usually a short period in
switching time when both networks are in a conducting mode.
[pic]
Generally, current consumed by a CMOS gate includes three
components [9,10]:
(a) leakage current Ilk passing between power supply and ground due
to finite resistance of non-conducting transistor network;
(b) short-circuit current Isc flowing while both networks are in a
conducting mode;
(c) load capacitance CL charge current ILC flowing while a CMOS gate
is switching from low to high output voltage via conducting PMOS network
and CL .
SPICE simulation has shown [5] that amplitude of current consumed by
a typical CMOS inverter depends on CL and is limited by the non-zero
resistance of the conducting PMOS network (Fig.7). The integral of consumed
current is proportional to CL . When a gate switches from high to low
output voltage, the component ILC is negative by direction and negligible
by value (Fig.7b). It is evident, the switchings from high to low output
voltage occur at the expense of energy accumulated in CL during the
previous switching from low to high output voltage. The component Isc does
not depend on direction in which a gate switches.
[pic]
[pic]
The component ILC equals to ILC = CLVdd f where Vdd is a power
supply voltage, f is a gate switching frequency. Veendrick has investigated
the component Isc dependencies on CL and rise-fall time of input potential
signal [10]. He showed that if both input and output signal have the same
rise-fall time, the component Isc cannot be more than 20 percent of summary
current consumption [10]. However, when the output signal rise-fall time is
less than input one, the component Isc can be of the same order of
magnitude as ILC. In that case it must be taken into account. As to the
component Ilk, it entirely depends on CMOS process parameters and for state
of the art CMOS devices Ilk is about 10-15 -10-12 A.
So, the analysis of CMOS gate current consumption allows us to
conclude that in transient state a CMOS gate consumes a current I=
Ilk+Isc+ILC and in steady state it consumes only Ilk | |
