Опыт внедрения разработок АСУТП в «Стальпроекте» по новым направлениям

ОАО «Институт Стальпроект» (бывший Государственный союзный институт по проектированию печных агрегатов) — старейшее инженерное заведение в металлургической отрасли из ныне действующих на территории бывшего СССР. Сегодня «Институт Стальпроект» — это инжиниринговая фирма, действующая в широком спектре промышленных областей. Перестройке технологии проектирования на основе перехода на САПР CADdy были посвящены статьи в «САПР и графика» № 1, 3’99. Настоящая публикация продолжает знакомить читателей журнала «САПР и графика» с новым опытом технологической модернизации в «Стальпроекте» на материале интервью, данного Виктором Перепеловым и Борисом Чайкиным — руководителями двух отделов Стальпроекта.

САПР и графика: Несколько слов об основных тенденциях изменения вашей проектной базы в последние годы.

Виктор Перепелов: Как известно, разработка проектов тепловых агрегатов различного назначения (в нашей терминологии — печей) включает в себя несколько «слоев» — от технологического до строительного или даже архитектурного проектирования. Каждая печь представляет собой сложную в инженерном отношении установку, включающую металлоконструкции, технологическое и механическое оборудование, футеровку, электропривод, системы водяного охлаждения, автоматического управления и т.д. Печной комплекс стыкуется с припечным оборудованием загрузки-выгрузки, устанавливается в цехе на определенной площадке и должен вписываться в эту площадку, сопрягаясь с подводом энергоносителей, транспортными и информационными потоками и пр.

В «Стальпроекте» между различными проектными отделами нет четких границ, и зачастую создание элементов строительных конструкций переходит в проектирование печей, а конструирование элементов автоматики — в проектирование газового оборудования. Поэтому основой всех разработок нашего отдела АСУ являются все виды проектирования.

Однако все более перспективными для нас становятся нетрадиционные сферы, и в первую очередь — проекты комплексной автоматизации неметаллургического производства. Это работы технического профиля в широком смысле слова, включающие проектирование, изготовление и поставку законченных комплексов оборудования (например, первичной подготовки нефти, стеклоплавильных и т.д.), которые характеризуются сложными, многовариантными компоновочными решениями.

СГ: Приведите пример подобного проекта, находящегося сейчас в работе.

В.П.: В настоящее время к завершающей стадии подходит проект установки первичной переработки нефти для компании «ЛУКОЙЛ» в городе Лангепасе. Этот проект охватывает строительную часть (проектирование фундаментов), технологическую часть (обвязка трубопроводами реконструированных агрегатов и емкостей, входящих в установку), а также полную автоматизацию на уровне АСУТП (на основе элементной базы — датчиков и новейших программируемых контроллеров Siemens).

В связи со сложностью проекта технологическую схему установки пришлось разбить на несколько подсхем: трубопроводов нефти, а также пластовой воды, трубопроводов газа, паропроводов для подогрева технологических трубопроводов, обвязки трубопроводов, управляющей пневматики для исполнительных механизмов (рис. 1, 2, 3, 4).

СГ: Какие инструментальные средства САПР вы используете?

В.П.: Поскольку сотрудничество с германскими и другими западноевропейскими компаниями — основа нашей работы, мы продолжаем разработку проектов в системе CADdy германской фирмы ZIEGLER-Informatics GmbH, «происхождение» которой обеспечивает европейское качество реализации проектов. Эта САПР обеспечивает выполнение всей проектно-конструкторской документации в рамках единого проекта с учетом требований ЕСКД при использовании типовых баз данных приборов КИП и автоматики.

Кроме того, для нас важно наличие единого графического интерфейса, позволяющего использовать электронные чертежи, выполненные специалистами технологических, архитектурно-строительных, машиностроительных и других подразделений для дальнейшего проектирования. Поскольку САПР CADdy имеет модульную структуру, это позволяет оптимизировать взаимодействие между разработчиками отдельных частей проекта.

Нужно подчеркнуть, что разработка проекта АСУТП в среде CADdy — пример сквозного проектирования. Здесь требуется проработка принципиальных электрических схем, таблиц подключений, схем компоновки шкафов, спецификаций и т.д. Хотя весь проект делится на две части — проект технических средств и проект программного обеспечения, сегодняшний проектировщик технических средств мало отличается от программиста. Это связано с тем, что выбор устройств (модулей, контроллеров и пр.) должен основываться не только на знании их технических параметров, но и на учете скорости обработки ими поступающей информации, скорости обмена данными, количества контуров регулирования и др.

Впоследствии, по окончании проектирования системы, разработчики технических средств принимают участие в пусконаладочных работах, отладке работы приборов по передаче сигналов в условиях помех, переделке схем и замене используемых устройств. При этом сложность современных проектов такова, что только сам разработчик АСУ может корректно и в сжатые сроки осуществить ее запуск. «Стальпроект» непосредственно участвует в пуске, наладке и сопровождении спроектированных систем, так как любая проектная ошибка (в технических характеристиках, установке, подборе комплектующих или проектной документации) немедленно вызвала бы существенный рост затрат.

СГ: Расскажите о проекте самой установки.

В.П.: Она служит для переработки сырой нефти (содержащей до 60% пластовой воды и попутный газ), поступающей из скважин, в товарную нефть и последующей транспортировки по нефтепроводам на перерабатывающие заводы.

Сама установка была построена более 20 лет назад немецкими специалистами и фактически реконструируется, сохраняя большинство имеющихся агрегатов (емкостей, отстойников и т.д.). К ней предъявляются высокие требования по взрыво- и пожаробезопасности, а проектирование технологической части и все расчеты учитывают особенности функционирования оборудования при температурах до –50 °С.

Этот проект является пилотным, и при его успешной реализации открывается перспектива применения его не только в Западной Сибири, но и для Казанского, Волгоградского и других регионов нефтедобычи и нефтепереработки фирмы «ЛУКойл». При расширении проектных задач мы планируем закупить соответствующие программные модули CADdy (включая расчеты фундаментов на свайном основании, актуальные для вечномерзлых грунтов региона). Естественно, все чертежи компоновки трубопроводов, емкостей и прочего оборудования мы привяжем к имеющимся фундаментам.

Мы являемся субподрядчиками по контракту фирмы Siemens с «ЛУКойл» и выполняем проект «под ключ», что предусматривает весь перечень заданий: проект технических средств, программное обеспечение, шеф-монтаж и пусконаладочные работы. Siemens взял на себя поставку электротехнического оборудования, а весь инжиниринг (шкафы, посты управления с пультами, операторские станции) мы реализуем сами на производственной базе «Стальпроекта». Это связано с возможностью осуществить системное тестирование оборудования после изготовления. Будет протестировано все программное обеспечение, связанное с SCADA-системами и подключением операторских станций, сетевые задачи связи с контроллерами, сами программируемые контроллеры и многое другое. После этого состоится «прогонка» всего программного обеспечения системы визуализации, проверка формирования протоколов сообщений, всех выходных документов, аларм-протоколов при сбоях в работе оборудования и пр.

СГ: Какие следующие проекты у вас в работе и в планах?

В.П.: Благодаря сотрудничеству с Siemens мы начали проект АСУТП стекловаренной печи для винно-водочного завода в Кингисеппе, который закупил за рубежом у фирмы VEDA-PACK линию по изготовлению стеклотары (полный цикл — начиная от формирования шихты, ее подготовки и загрузки и заканчивая тремя ручьями выпуска готовых бутылок разных видов).

Сейчас мы находимся на этапе формирования Технических обязанностей для этого проекта. Это некий аналог технического задания в привычном нам смысле, однако есть и отличия. Фактически они «проходят» через весь проект, включают таблицы тэгов и т.д. Это позволяет программисту, технологу и специалисту по эксплуатации системы просмотреть все стадии контролируемых процессов: порядковые номера и наименования сигналов от датчиков, назначение приборов, данные об их поставщиках и пр.

Кроме задач по автоматизации технологического процесса (управление тепловым режимом, контрольные функции) здесь имеются особые задачи оптимизации процессов сжигания в печи, связанные с необходимостью регулирования концентрации NOx — вредных выбросов окислов азота. Другая важная задача — визуализация процессов плавления. На выходе из печи будет стоять телекамера, ориентированная в сторону загрузки и позволяющая не просто наблюдать поступление шихты из бункеров, но и контролировать процесс, чтобы подаваемая смесь не превышала заданные границы (иначе будет брак в стекле). Естественно, при этом будет использован определенный алгоритм управления повышением и понижением мощности.

Это новая и интересная задача, которая в условиях нашей страны пока не решалась. Что касается задачи создания АСУТП для этого производства, то ее мы также выполняем «под ключ» — от проектирования до пусконаладки.

Решаемые в этих проектах задачи можно разделить на две группы. Общие задачи АСУТП — регулирование параметров температуры, давления, контроль некоторых соотношений для продуктов сгорания и других составляющих процесса, «перекидка» клапанов регенеративной системы отопления, выдача протоколов и пр. Здесь подходы общеизвестны. Что касается настроек для регулирования (например, оптимизации сжигания топлива и визуализации процессов плавления), то это — ноу-хау наших германских партнеров.

СГ: Что конкретно имеется в виду под визуализацией процессов производства?

В.П.: Если процессы контроля тепловых режимов работы печей — традиционная задача для разработчиков АСУТП, то задачи визуализации процесса плавления соответствуют новой автономной подсистеме. Фактически здесь реализуются варианты оптического распознавания образов с выдачей управляющих команд. В частности, в рамках автоматизированной системы контроля используется видеосервер с подключенной видеокамерой, которая ориентирована на участок периодической загрузки шихты и отслеживает площадь расплава. Вся поверхность расплава «виртуально» поделена координатной сеткой, и при приближении шихты к «запрещенным» координатам система управления реагирует (например, понижая мощность плавильной установки). В результате — предложенные нами макеты функционирования установки с объективно измеряемыми и динамически меняющимися параметрами позволяют решать весь комплекс задач, встающих перед технологами. Здесь мы берем за образец германские примеры проектов АСУТП подобного производства (рис. 5-6).

СГ: Несколько слов об элементной базе оборудования АСУТП для новых проектов.

В.П.: Например, в рамках ОСТ-АЛКО в подмосковной Черноголовке предполагается создать собственное производство пищевого спирта (наряду с уже действующим оборудованием автоматизированного производства в цехах по производству различных водок). Сейчас специалисты-«автоматчики» ОСТ-АЛКО прорабатывают с нами эти вопросы в связи с их намерением перейти на высокотехнологичную элементную базу Siemens (включая контроллеры поколения SIMATIC S7 с процессорами на девятислойных печатных платах). Это семейство контроллеров имеет очень широкую номенклатуру: от малых устройств, предназначенных для сбора и передачи информации, до мощнейших резервированных контроллеров с дублированием цепей и широким внутренним обменом информацией.

СГ: А каковы ваши новые разработки в области автоматизации собственно металлургических технологий?

Борис Чайкин: Специалисты отдела плавильных печей много сделали в направлении реконструкции печей и модернизации технологий медеплавильных процессов, а также плавления алюминия. Например, в настоящее время на рынке плавильного производства появилась новая ниша — небольшие печи для переработки лома цветных металлов, а также небольшие прокатные станы (установки прокатного производства для изготовления дверей, окон, сложных профилей и др.). Естественно, разработка автоматики для управления всеми этими процессами — актуальная задача.

Теперь по поводу алюминиевых печей. Три года назад мы разработали первые подобные печи, достаточно простые и дешевые, на которых отрабатывались разные варианты технологии и режимы тепловой работы. После получения обнадеживающих результатов мы начали проектировать печи более высокого технического уровня, решающие проблемы экологии. Они практически не дают выбросов в атмосферу, так что воздух в цехе не отличается от воздуха «на улице».

Эти печи характеризуются современными низкими уровнями расхода топлива (в полтора и более раз ниже, чем остальные российские печи). Так, если обычным в нашей стране является расход 120-140 кг условного топлива на каждую тонну выплавляемого алюминия, то в наших печах стабильные показатели составляют 80-90 кг. Благодаря ряду дополнительных новейших решений, которые пройдут проверку в ближайшее время, этот расход будет снижен еще. Суть их в том, что мы разделили процесс плавления и последующую доводку в печи.

СГ: Какова роль автоматизации в получении таких цифр удельного расхода топлива?

Б.Ч.: Очень большая. Мы закладываем в технологию принцип максимального использования конвективной составляющей теплообмена, когда дымовые газы идут через шахтную часть установки (рис. 7). При этом регулируется подача топлива и контролируются зональные температуры (с тем чтобы температура отходящего дыма была около 500 °C и колебалась в очень узких пределах). В обычных печах эта температура составляет 900-1000 °C, что вызывает большие энергетические потери. Дополнительно к этому мы разработали специальные рекуператоры, что позволяет использовать тепло газов после дожигания: воздух нагревается до 350 °C, если рекуператоры металлические, или даже до 500 °C — при применении металлокерамики.

Еще одной из особенностей такой печи по части автоматизации является возможность брать пробы и анализировать состав алюминиевого сплава в камере-копильнике по мере расплавления и корректировать подачу шихты (так как подача шихты осуществляется порциями — каждый час). Для повышения производительности новые печи будут оборудованы миксерами — смесителями расплава, чтобы сократить процесс доводки, когда из ванны копильника шихта переливается в миксер, добавляются флюсы и сплав доводится до марочного состава. Однако даже без миксеров наши печи обеспечивают высокое качество сплавов — вплоть до «пищевых».

Печь оборудована системой газоочистки с рукавными фильтрами. Важный аспект: в момент очередной загрузки шихты (а этот процесс длится менее минуты) нет выбросов дымовых газов и — соответственно — вредности. Загрузочное устройство достаточно герметично, что делает цех «чистым», непохожим на привычные всем металлургические цеха.

Для уменьшения теплопотерь (поскольку быстрая и герметичная загрузка шихты идет сверху) технологические окна для съема шлака и «черного» металла, удаляемого из алюминиевого сплава, выполнены очень маленькими. Система поддержания давления предотвращает выбивание из окон. Если же выбивание случается, то система аспирации улавливает газы и передает в рукавные фильтры системы газоочистки. Эта алюминиевая печь — первая сертифицированная отечественная установка такого типа, которая прошла все испытания государственными службами.

Дальнейшие перспективы — увеличение производительности рассматриваемой печи с одной до трех-четырех тонн в час. В этом случае показатели удельного расхода топлива еще уменьшатся, дойдя до цифр, характерных только для полностью автоматизированных печей, применяемых на Западе (которые и стоят очень дорого). Мы же выйдем на уровень конкурентоспособности с ними, создавая небольшие печи, актуальные для России. Это направление позволит заменять работающие в нашей стране крупные печи больших заводов, решая одновременно и энергетические, и экологические, и экономические проблемы.

В журнале «Цветные металлы» № 1 за 2001 год опубликована статья профессора Г.С. Макарова, которая посвящена запланированному в апреле круглому столу о путях технологической перестройки печного дела. Поскольку подача газа на металлургические заводы в последующие годы будет жестко ограничиваться, неоправданные энергозатраты будут снижены не только путем финансового давления (газ, по-видимому, подорожает более чем в два раза), но и прямым лимитированием в расчете на каждую тонну выпускаемого металла. Это приведет к необходимости повсеместной реконструкции печей на действующих производствах, где проекты нашей фирмы могут найти применение.

Таким образом, степень автоматизации процесса в малой печи адекватна современным требованиям к качеству сплавов, экологическому контролю и пр. Во-первых, автоматизируется контроль за температурой свода, что обеспечивает качество металла, и давлением под сводом, которое определяет выбросы. У нас температура свода достаточно мала (800 °C по сравнению с 1000 °C и более для действующих сегодня печей), что обеспечивает низкое содержание газов в металле. Кроме того, уменьшается и перепад температуры по глубине металла, также улучшая качество сплава. Во-вторых, автоматизируются поддержание оптимальной температуры в камере дожигания и соответствующая подача газа на горелки, что снижает расход топлива на тонну выплавляемого сплава и обеспечивает экологическую чистоту установки. В-третьих, автоматизируется контроль за температурой дыма перед фильтром (110-150 °C), чтобы стабилизировать его работу. Оператор получает всю необходимую информацию о важных параметрах во всех зонах технологического процесса.

СГ: Какие новинки еще применены в этой печи?

Б.Ч.: Их две. Для уменьшения угара алюминия (окисления металла) может применяться регенеративная система отопления камеры-копильника, что еще на 10-15% снижает удельный расход топлива. Кроме того, используя разработки нашего партнера АО «ШИБЕР», мы впервые в России оборудовали выпускное отверстие системой электронагрева летки. Поскольку это отверстие теперь «не замерзает», можно регулировать выпуск металла порциями, выдавая, например, часть плавки другой марки.

Обычно большие алюминиевые печи — качающиеся, что увеличивает их стоимость (необходим гидропривод для наклона печи при сливе металла, подводы топлива должны быть на шлангах и пр.). Наша печь — стационарная, что так же повышает ее конкурентоспособность.

СГ: Можно ли применить все эти новинки в производстве других металлов?

Б.Ч.: После изменения футеровки эти печи позволят плавить медь. В России пока не было такого, чтобы стационарная печь с выпуском из шахтной части использовалась в медеплавильном производстве. Такая технология повысит энергетический кпд процесса медеплавления на несколько десятков процентов. Разумеется, это потребует создания соответствующей АСУТП. Все необходимое для этого в нашем отделе «Стальпроекта» уже имеется — от технологического подразделения до специалистов, создающих математические модели процессов в новых печах, и проектировщиков, использующих современные САПР.

Мы также занимаемся печами для производства цинка (это тоже газовые печи, но с косвенным нагревом), а также свинца. При этом не забываем и черную металлургию: в разработке — интересный проект по предварительному нагреву лома (это — полностью наше ноу-хау) и высокотемпературному нагреву ковшей.

В.П.: Сейчас в нашем отделе АСУ на повестке дня — дальнейшее развитие технологии проектирования в рамках CADdy. Конечно, на сегодняшний момент некоторых возможностей конструирования не хватает для печников, некоторых других — для строителей. Но все эти проблемы можно решить в среде CADdy, не прибегая к использованию других САПР. В частности, можно разработать и интегрировать в систему требуемые расчетные модули на языке Си, используя средства модуля CADdy PLUS.

Для полномасштабного использования системы CADdy необходима перестройка организации и технологии процесса проектирования — на всем протяжении от разработки технологических заданий до выпуска полного пакета чертежей и прочей проектно-конструкторской документации. Разумеется, это пересекается с проблемами менеджмента, учитывающего как экономические, так психологические факторы.

СГ: Желаем вашей фирме дальнейших успехов.

Материал подготовлен Дмитрием Красковским

«САПР и графика» 4'2001