Uvajanje programske opreme za procesno vodenje na potisno peč Introduction of Software for the Process Control on the Pusher Type Furnace T. Kolenko, M. Hodošček, T. Šuštar, Univerza v Ljubljani, Ljubljana B. Glogovac, IMT, Ljubljana Raziskava obravnava uvajanje programske opreme za zajemanje in obdelavo merilnih signalov ter nadzor ogrevanja plošč v potisni peči. Izdelava programske opreme temelji na meritvah dvajsetih obratovalnih parametrov potisne peči in petih temperatur v testni plošči, posnetih s sistemom za zajemanje meritvenih podatkov med procesom ogrevanja. S pomočjo teh podatkov simuliramo na osebnem računalniku testne fizikalne veličine, ki aproksimirajo realne obratovalne razmere. Simulirane obratovalne razmere prenašamo preko vmesnika RS-232 na drug osebni računalnik, na katerem je programska oprema za izračun trenutne porabe kemijske toplote goriva, temperaturne porazdelitve kot tudi akumulacije toplote v ploščah in iz teh postavk trenutnega izkoristka kemijske toplote goriva v realnem času. Ključne besede: procesna simulacija, osebni računalnik, vmesnik RS-232 The research deals with an applicability of the data acquisition and on-line handling software for monitoring the slabs reheating in the pusher type furnace. The development of the software is based on the measurements of twenty process parameter s of the pusher type furnace and five temperatures in the test slab obtained by the data accjuisition system. By the use of these data test physical cjuantities approximating real performance conditions are simulated. The simulated performance conditions are transferred over the RS-232 interface to another PC computer, M'hich calculates on-line the chemical heat of fuel, temperature distribution in the slabs, heat accumulated in the slabs and from those items the instantaneous efficiency of chemical heat of fuel. Key words: process simulation, PC computer, interface RS-232 1 Uvod Uvajanje programske opreme za procesno vodenje na potisno peč je zahtevna naloga. Programska oprema mora zagotoviti nadzor nad temperaturno porazdelitvijo v ploščah vzdolž peči in učinkovitostjo uporabe kemijske toplote goriva. Zato smo razvili v okviru procesne opreme program za zajemanje in pretvarjanje signalov senzorjev ter program za računanje temperaturne porazdelitve in akumulirane toplote ter porabe kemijske energije goriva. Zbrali smo podatke o zaslonkah in merilnih pretvornikih, ki so montirani na peči za nadzor porabe plina ter izračunali ustrezne pretvorne faktorje za preračunavanje tokovnih merilnih signalov v m3/h m izdelali matematični model ogrevanja plošč. Med procesom ogrevanja poraba goriva niha iz različnih vzrokov. Zato je s stališča nadzora optimalne porabe goriva smiselno uvesti trenutni termični izkoristek, ki ga računamo s pomočjo meritev porabe plina in matematičnega modela ogrevanja plošč v potisni peči. Za globinske peči je podal ustrezno termodinamično analizo ogrevanja kovin z definicijo trenutnega termičnega izkoristka že E. Kostovvski1. Podobno predvidevajo znižanje specifične porabe energije na potisni peči in dveh pečeh z dvižnimi mizami v valjarni firme Krupp Stahl AG z uvedbo stalnega izračunavanja toplotne bilance v procesno vodenje peči2. Model, s katerim opisujemo proces ogrevanja, upošteva dolžino peči, način in lastnosti obzidave peči, debelino plinske plasti, sestavo dimnih plinov, razmerje notranjega površja peči in površja vložka, enostransko in dvostransko ogrevanje v peči, emisijski koeficient, toplotno prevodnost in specifično toploto vložka kot funkcije temperature in temperaturno porazdelitev površja sten vzdolž peči. Podrobno je opisan v nekaterih predhodnih člankih.3-4-5-6. Raziskava je obsegala izdelavo matematičnega modela za delo v realnem času in vgraditev modela v programsko opremo za avtomatsko akvizicijo in preračunavanje signalov merilnih pretvornikov. Graditi model za delo v realnem času na delujočem sistemu ni smotrno, ker lahko s tem motimo delovni proces. Zato smo na osnovi meritev obratovalnih parametrov razvili simulator testnih pogojev, ki aproksimirajo realne obratovalne razmere v potisni peči. S pomočjo simulatorja je možno sprotno testiranje razvoja programske opreme za spremljanje toplotno tehničnih parametrov v realnem času. 2 Eksperimentalno delo Raziskava je v okviru eksperimentalnega dela obsegala zajemanje 25 signalov merilnih pretvornikov na peči s sistemom za akvizicijo meritvenih podatkov. Tipični zapis podatkov o obratovalnih parametrih s sistemom za akvizicijo meritev je v tabeli 1 (RS232 in) Slika 1. Podprogram "readw" za branje znakov na serijskem vhodu s funkcijo RS-232in Figure 1. Procedure "readvv" for reading characters on the serial port vvith the funetion RS-232in 3 Simulacija procesnega sistema za nadzor ogrevanja plošč Simulacijo procesnega sistema sestavljajo: dva osebna računalnika, ki sta povezana z vmesnikoma RS-232, ustrezna programska oprema za komunikacijo med računalnikoma in matematični model procesa ogrevanja v potisni peči. Prvi računalnik deluje kot simulator testnih fizikalnih veličin, ki aproksimirajo realne obratovalne razmere v potisni peči. Realne obratovalne razmere so zapisane v obliki merilnih signalov v datoteki na trdem disku, kamor smo jih prepisali iz sistema za akvizicijo merilnih signalov, s katerim smo posneli podatke med prehodom testne plošče skozi potisno peč. Z ustreznim programom beremo podatke o realnih obratovalnih razmerah iz datoteke na trdem disku in jih pošiljamo preko vmesnika RS-232 na drug osebni računalnik. Na tem računalniku je programska oprema za sprejem meritvenih podatkov in direkten izračun trenutne porabe kemijske toplote goriva, temperaturne porazdelitve kot tudi akumulacije toplote v ploščah in iz teh postavk trenutnega izkoristka kemijske toplote goriva. Sprejeti podatki so v enakem formatu, kot ga ima sistem za akvizicijo meritvenih podatkov, kar omogoča enostaven prenos procesnega nadzora na potisno peč. Slika 2. Program "DATALOG" za pisanje znakov na serijski izhod Figure 2. Program "DATALOG" for vvriting characters on the serial port Tabela 1. Tipični zapis podatkov o obratovalnih parametrih s sistemom za akvizicijo podatkov Table 1. Typical data record of process parameters by the use of data acquisition system S T 1 08:04:23. 8 C 001 1253.83 STC C 002 1251.22 STC C 003 01311.6 STC C 004 01320.6 STC C 005 01310.0 STC C 006 01309.9 STC C 007 04.4869 mAd C 008 04.7289 mAd C 009 05.1241 mAd C 010 05.6239 mAd C 011 04.2012 mAd C 012 04.3756 mAd C 013 04.4339 mAd C 014 04.7129 mAd C 015 04.0674 mAd C 016 04.1985 mAd C 017 04.7355 mAd C 018 05.0876 mAd C 019 11.0479 mAd C 020 05.0870 mAd C 021 0052.40 dgC C 022 0088.45 dgC C 023 0055.23 dgC C 024 0054.70 dgC C 025 0065.33 dgC D T 1 Za branje posameznih besed smo napisali podprogram "readw", ki ustreza formatu prejetih podatkov ( slika 1). Podprogram prebere s pomočjo funkcije za branje znak na serijskem vhodu in ga doda nizu. To ponavlja toliko časa, dokler ni znak enak presledku. V nizu zbrani znaki predstavljajo besedo. Podatke beremo iz datoteke na disku prvega računalnika znak za znakom in jih pišemo na serijski izhod s pomočjo ustreznega programa (slika 2). Obenem razbiramo posamezne skupine znakov in jih izpisujemo na zaslon zaradi kontrole. Ko je odposlana skupina znakov, ki jih prikazuje tabela 1, je programiran zastoj pošiljanja nekaj sekund, da drugi računalnik lahko prispele podatke razbere v posamezne veličine in izvede račun ogrevanja (slika 3). PREBERI NE ŠTEVILKO KANALA 1 PREBERI VREDNOST 1 PREBERI ENOTO NE (READW) {READW) (READVV) (READVV) Slika 3. Program "ANAL19" za branje znakov na serijskem vhodu in izračun ogrevanja. Figure 3. Program "ANAL19" for reading characters on the serial port and heating calculation. Na drugem računalniku uporabimo program ("ANALI 9"), s ka-terim razbiramo podatke prebrane na serijskem vhodu (Slika 3). V primeru, da je prebrani znak "S", razberemo s podprogramom "readw" nadaljnje znake, ki prispejo na serijski vhod, kot čas začetka meritev na kanalih sistema za akvizicijo meritev. V primeru, da je prebrani znak "C", razberemo s podprogramom "readw" znake do prvega presledka, ki jih shranimo v spremenljivko številka kanala. Naslednji niz znakov shranimo v spremenljivko vrednost. Zadnji niz znakov shranimo v spremenljivko enota. Ko je prispeli znak enak "D" zaključimo z dešifracijo podatkov, in začnemo z njihovo obdelavo. Podatke na kanalih 8, 10, 12, 14, 16 in 18 npr. preračunamo v "m3/h", seštejemo in kot skupno porabo plina prenesemo v podprogram za izračun ogrevanja vseh plošč v peči in trenutnega termičnega izkoristka. 4 Rezultati raziskave Rezulat raziskave je programska oprema za spremljanje procesa ogrevanja plošč v potisni peči s stališča neoporečnosti ogrevanja in gospodarnosti porabe goriva za ogrevanje v realnem času. V programski opremi smo povezali avtomatsko akvizicijo signalov merilnih pretvornikov, njihovo nadaljnjo obdelavo v ustrezne fizikalne veličine in matematični model ogrevanja. Podatki meritev in rezultati matematičnega modela omogočajo izračunavanje trenutnega termičnega izkoristka t.j. deleža akumulirane toplote v ploščah v razmerju do kemijske toplote goriva. Na koncu članka je prikazan izsek iz obširnega računalniškega izpisa simulacije ogrevanja v realnem času. Meritve potekajo na vsaki dve minuti. Račun ogrevanja poteka vedno od začetka zadnjih dveh minut. V izpisu je številka kanala, enota fizikalne veličine in vrednost. Ob vsakem pomiku izpišemo zgodovino ogrevanja plošče, ki je prišla iz peči. Za vsako polje peči je v prvi vrsti izpisano za ploščo: - čas bivanja plošče v polju, - povprečna temperatura plošče, - največja temperaturna diferenca v plošči, - toplotna prevodnost in specifična toplota, - temperatura sten peči, - temperatura na spodnjem in zgornjem površju plošče, - izračunana toplotna prestopnost in temperatura dimnih plinov nad ploščami, - izračunana toplotna prestopnost in temperatura dimnih plinov pod ploščami, in v drugi vrsti: - akumulacija toplote v plošči v posameznem polju, - vsota akumulirane toplote v plošči, - akumulacija toplote v vseh ploščah, ki so v peči, ko se opazovana plošča nahaja v posameznem polju, - poraba plina v času bivanja plošče v posameznem polju in ustrezna kemijska toplota, - termični izkoristek kemijske toplote. Porabo plina v m3/h prenesemo v podprogram za račun ogrevanja, kjer poteka računanje temperaturnega profila in akumulirane toplote na 5 sek vedno od začetka do konca zadnjih dveh minut. Porabo plina vsakih 5 sek seštevamo od pomika do pomika. Po vsakem pomiku jo postavimo zopet na 0. V prikazanem izpisu lahko preverimo pravilnost časovnega izpisovanja. Ko so bili izpisani rezultati 50. pomika, je ostalo do konca zadnjih dveh minut še 30 sekund. Nato so sledile 4 meritve na 2 minuti. Zadnji dve minuti sta v intervalu od 30 + 3><120 = 390 do 510 sekund od predhodnega pomika. V tem intervalu je nastopil po 420 sekundah, kot je razvidno iz podatka o trajanju bivanja plošče v 21. polju, 51. pomik. Do konca zadnjih dveh minut, do koder poteka račun ogrevanja, je torej minilo od 51. pomika še 90 sekund, kar se ujema s podatkom na koncu izpisa. 5 Sklep Razvoj programske opreme za nadzor ogrevanja plošč in gospodarnosti porabe goriva v potisni peči temelji na meritvah signalov merilnih pretvornikov, ki so bili posneti s sistemom za akvizicijo meritvenih podatkov na peči v realni velikosti Pri razvoju je bil povdarek na pripravi programa za delo v realnem času. V ta namen smo sestavili simulator testnih signalov merilnih pretvornikov, ki aproksimirajo realne obratovalne razmere. Simulacijo nadzora sestavljata dva osebna računalnika povezana preko serijskega vmesnika RS-232. Sistem za akvizicijo merilnih signalov, osebni računalnik in programsko opremo je možno uporabiti na peči v realnem času ali tudi za naknadne analize procesa ogrevanja. 6 Literatura 1 Kostowski: Minimaler Brennstoffverbrauch beim Ervvarmen von Metallen, Gas vvarmc international, Band 27 (1978), Hefl 10, 558-563 2 Brod H., G. Thiemann, H. Voigt in D. Wick: Optimierung der Wiedererwarmungsofen des Warmbreitbandwalzwerkes der Krupp Stahl AG, Stahl und Eisen 112 (1992) Nr. 8, 41-52 3 Kolenko T., B.Sicherl, B. Glogovac, A. Mandelc, B. Brudar: A Simulation of Heating Process in the Pusher Fumace for the Determination of the Furnace Throughput, lst European Conference on Industrial Furnaces and Boilers, Lizbona, 1988 4 Kolenko T., M. Hodošček, B. Glogovac, A. Mandelc, P. Sekloča: Računalniški model ogrevanja plošč v potisni peči, Zbornik 39. posveta o metalurgiji in kovinskih gradivih, Ljubljana 1988 5 Kolenko T., B. Glogovac, D. Novak, D. Žagar, B. Omejc: Konceptualna rešitev procesnega vodenja ogrevanja vložka v potisni peči, Kovine zlitine tehnologije, 26, (1992) št 1-2 6 Kolenko T., M. Debelak, B. Glogovac: Ugotavljanje začetnega temperaturnega stanja vročih plošč pri zalaganju v potisno peč , ŽEZB, 25 (1991) 2 IZSEK IZPISA ZGODOVINE OGREVANJA PLOŠČ IN OBDELAVE MERILNIH SIGNALOV Izpisal za 50.-ti pomik časovni interval od pomika 30.000 sek poraba: 13.7 m3 Meritev: 274 12:37:39.6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 st.C st.C st.C st.C st.C st.C m3/h m3/h m3/h m3/h m3/h m3/h m3/h 1230 1243 1310 1317 1309 1310 2618 325 6453 800 1367 193 2687 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Kanali 02 st.C st.C st.C st.C st.C % 02 st.C st.C st.C st.C st.C st.C 314 279 42 568 76 9 8 1327 1252 1332 1288 1293 Konec meritev 274, Časovni interval od pomika: 150.0 sek, poraba: 72.0 m3 Meritev: 275 12:39:39.6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 st.C st.C st.C st.C st.C st.C m3/h m3/h m3/h m3/h m3/h m3/h m3/h 1228 1245 1306 1316 1310 1310 2616 337 6610 817 1408 195 2717 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Kanali m3/h m3/h m3/h m3/h m3/h Pa % 02 st.C st.C st.C st.C st.C st.C 342 266 41 580 75 8 8 1359 1265 1348 1328 1295 Konec meritev: 275, Časovni interval od pomika: 270.0 sek, poraba: 132.3 m3 Meritev: 276 12:41:39.6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 st.C st.C st.C st.C st.C st.C m3/h m3/h m3/h m3/h m3/h m3/h m3/h 1228 1245 1306 1316 1310 1310 2616 337 6610 817 1408 195 2717 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Kanali m3/h m3/h m3/h m3/h m3/h Pa %02 st.C st.C st.C st.C st.C st.C 342 266 41 580 75 8 8 1359 1265 1348 1328 1295 Konec meritev: 276, Časovni interval od pomika: 390.0 sek, poraba: 192.5 m3 Meritev: 277 12:43:39.6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 st.C st.C st.C st.C st.C st.C m3/h m3/h m3/h m3/h m3/h m3/h m3/h 1228 1245 1306 1316 1310 1310 2616 337 6610 817 1408 195 2717 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Kanali m3/h m3/h m3/h m3/h m3/h Pa % 02 st.C st.C st.C st.C st.C st.C 342 266 41 580 75 8 8 1359 1265 1348 1328 1295 Konec meritev: 277 51. interval oz. slab; čas = 539 min 0 s odsek min s t- dif lam cp pec temperature al faz tdplz alfas tdpls 1 21 0 130 38 50.3 497 760 141 158 51 833 43 742 akumulacija 40 40 1351 kJ/kg 441 m3 2110 kJ/kg eta: 64.1 2 13 0 i90 40 48.9 523 762 201 219 56 838 47 746 akumulacija 26 66 762 kJ/kg 243 m3 1164 kJ/kg eta: 65.4 3 13 0 247 42 47.3 544 765 259 278 62 843 53 750 akumulacija 26 93 753 kJ/kg 279 m3 1333 kJ/kg eta: 56.5 4 11 0 299 42 45.8 560 768 318 328 68 847 64 812 akumulacija 24 117 701 kJ/kg 248 m3 1184 kJ/kg eta: 59.2 5 12 0 354 42 44.2 575 771 374 383 75 851 71 815 akumulacija 27 144 776 kJ/kg 295 m3 1412 kJ/kg eta: 55.0 6 12 0 407 43 42.6 591 775 428 437 83 854 78 819 akumulacija 27 171 767 kJ/kg 317 m3 1516 kJ/kg eta: 50.6 7 11 0 452 44 41.0 625 780 473 483 91 857 85 821 akumulacija 24 195 700 kJ/kg 287 m3 1372 kJ/kg eta: 51.0 8 12 0 501 47 39.3 671 800 526 533 102 874 98 850 akumulacija 28 223 763 kJ/kg 325 m3 1554 kJ/kg eta: 49.1 9 11 0 554 66 37.4 724 880 581 601 127 964 116 904 akumulacija 31 254 698 kJ/kg 288 m3 1379 kJ/kg eta: 50.6 10 12 0 623 95 34.7 827 970 659 690 162 1067 145 994 akumulacija 43 297 761 kJ/kg 314 m3 1503 kJ/kg eta: 50.6 11 34 0 810 166 26.3 784 1120 847 933 262 1224 212 1077 akumulacija 154 451 1835 kJ/kg 727 m3 3475 kJ/kg eta: 52.8 12 6 0 866 191 25.8 628 1180 926 1005 300 1291 257 1184 akumulacija 31 482 294 kJ/kg 111 m3 532 kJ/kg eta: 55.3 13 17 0 1039 142 28.0 652 1240 1094 1137 349 1319 324 1261 akumulacija 103 585 885 kJ/kg 341 m3 1633 kJ/kg eta: 54.2 14 12 0 1139 106 29.2 665 1280 1205 1208 379 1345 379 1348 akumulacija 61 646 626 kJ/kg 242 m3 1158 kJ/kg eta: 54.0 15 17 0 1215 50 30.1 672 1280 1247 1247 382 1317 382 1317 akumulacija 53 699 892 kJ/kg 347 m3 1662 kJ/kg eta: 53.7 16 12 0 1246 31 30.3 677 1280 1266 1266 287 1323 287 1323 akumulacija 23 722 629 kJ/kg 253 m3 1209 kJ/kg eta: 52.0 17 11 0 1254 24 30.3 678 1280 1247 1272 355 1298 0 0 akumulacija 10 731 599 kJ/kg 243 m3 1162 kJ/kg eta: 51.6 18 12 0 1259 24 30.3 679 1280 1251 1274 344 1294 0 0 akumulacija 8 739 676 kJ/kg 284 m3 1357 kJ/kg eta: 49.8 19 11 0 1262 21 30.4 679 1280 1255 1276 333 1291 0 0 akumulacija 6 745 635 kJ/kg 292 m3 1398 kJ/kg eta: 45.5 20 11 0 1265 17 30.4 680 1280 1259 1276 324 1290 0 0 akumulacija 6 751 653 kJ/kg 307 m3 1470 kJ/kg eta: 44.4 21 7 0 1267 16 30.4 680 1280 1261 1277 314 1290 0 0 akumulacija 4 754 436 kJ/kg 208 m3 993 kJ/kg eta: 43.9 časovnih korakov = 6,651 Izpisal za 51.-ti pomik časovni interval od pomika 90.000sek poraba: 45.2 m3