Комплексная автоматизация технологического процесса на предприятии ПАО «НЛМК»

ОАНО ВО"МосТех"
Направление 09.03.03 «Управление в технических системах»
ВКР на тему «Комплексная автоматизация технологического процесса на предприятии ПАО «НЛМК»
Москва, 2025

Исходные данные
1.Объект исследования
Участок сушки и разогрева ковшей для разливки стали с монолитной кварцитовой футеровкой, включающий три стенда вертикальной сушки, расположенный на предприятии (ПАО «НЛМК»).
2.Характеристики объекта автоматизации:
- производительность участка: 4–10 ковшей в месяц;
- рабочая температура сушки: 1000–1200 °С;
- тип футеровки: монолитная кварцитовая и огнеупорный бетон;
- продолжительность цикла сушки: 48 часов;
- применяемое топливо: природный газ (давление на входе 5 кПа);
- горелочные устройства: диффузионные (до модернизации).
3. Выявленные проблемы существующей системы:
- ручное регулирование подачи топлива через запорно-регулирующую арматуру;
- отсутствие крышек на горелочных устройствах → высокие тепловые потери;
- перерасход природного газа (756 тыс. нм³/год для кварцитовой футеровки);
- неравномерный нагрев футеровки, несоответствие температурному графику;
- низкий ресурс футеровки: 220 наливов (вместо возможных 700);
- недостаточный уровень безопасности для обслуживающего персонала.
4. Цель ВКР: разработка комплексной системы автоматизации установки сушки ковшей, обеспечивающей точное поддержание температурного режима, снижение расхода энергоресурсов и повышение безопасности технологического процесса.
5. Основные задачи ВКР:
- провести анализ технологического процесса сушки футеровки ковшей и выявить возможности для автоматизации;
- разработать требования к системе автоматизации технологических процессов на участке;
- разработать функциональную и структурную схемы автоматизации участка;
- обосновать и выбрать технические средства системы автоматизации (ПЛК SIMATIC S7-300, датчики КИПиА, исполнительные механизмы);
- разработать технические решения по безопасности производственного процесса, электробезопасности, пожарной безопасности и охране окружающей среды;
- рассчитать капитальные вложения и экономическую эффективность внедрения системы автоматизации.
6. Результаты проектирования:
- функциональная схема автоматизации (с выделением регулируемых и контролируемых параметров);
- структурная схема системы управления с обоснованием выбора архитектуры;
- спецификация оборудования (контроллеры, датчики температуры/давления/расхода, исполнительные механизмы);
- алгоритм управления процессом сушки с режимами: автоматическим, дистанционно-ручным, локально-ручным;
- расчёт экономической эффективности (срок окупаемости, годовой экономический эффект).
7. Планируемые технико-экономические показатели после внедрения:
- снижение расхода природного газа: с 756 до 647 тыс. нм³/год (кварцитовая футеровка);
- увеличение ресурса футеровки: с 220 до 700 наливов;
- снижение трудоёмкости работ: на 20–30 %;
- срок окупаемости проекта: 4,5 года;
- годовой экономический эффект: 1729,56 тыс. руб.
8. Требования к системе управления:
- трёхуровневая иерархическая структура;
- автоматическое регулирование соотношения «газ-воздух»;
- контроль разрежения под крышкой в диапазоне –5…0 кПа;
- обеспечение безопасности: аварийные отсечные клапаны, контроль пламени (ионизационный электрод + фотодатчик), аварийная кнопка останова.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 3
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА 5
1.1 Общая характеристики предприятия ПАО «НЛМК» 5
1.2 Характеристика объекта – участка сушки ковшей на предприятии ПАО «НЛМК» 8
1.3 Разработка требований к автоматизации технологических процессов на участке 14
Выводы по разделу 1 17
2. ОРГАНИЗАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ 19
2.1 Разработка функциональной схемы автоматизации участка 19
2.2 Разработка структурной схемы автоматизации участка 25
2.3 Обоснование и выбор технических средств системы автоматизации 31
2.4 Математическое моделирование системы автоматизации 49
Выводы по разделу 2 53
3. РАЗДЕЛ ПО БЕЗОПАСНОСТИ РЕШЕНИЙ ПРОЕКТА 54
3.1 Технические решения по безопасности производственного процесса 54
3.2 Электробезопасность 61
3.3 Пожарная безопасность 62
3.4 Охрана окружающей среды 64
Выводы по разделу 3 66
4. ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ 67
4.1 Расчет капитальных вложений 67
4.2 Расчет экономической эффективности внедрения системы автоматизации 74
Выводы по разделу 4 81
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 82
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 85
Приложение А. Экологические показатели предприятия 87
Приложение Б. Спецификация шкафов 90