刚玉尖晶冶炼炉控制系统设计
时间：2022-12-09 16:15:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
曹红英，王琼林
（1.开封大学 电子电气工程学院，河南 开封 475004；
2.超达阀门集团股份有限公司，浙江 永嘉 325100）
刚玉尖晶冶炼炉控制系统的主要控制对象是电弧炉，电弧炉广泛应用于冶炼行业领域.在冶炼过程中，三相交流电弧炉的电力负载是不稳定、不对称的.特别是在熔化期，其电力负载更是不对称.由于电弧燃烧不稳定，所以常常产生断弧、短路及料块移动等现象，这是造成电力负载严重不对称的重要原因.另外，在电炉运行时电极调节器调整不当或其他一些人为因素，也会造成电弧炉三相电流不对称.由此可见，电弧炉是一个会受到严重的随机干扰的非线性时变系统，它的三相电流平衡和温度的稳定很难通过控制来实现［1］.高产、优质、多品种、节能降耗、获得最大利润一直是工厂追求的目标.工厂要想在激烈的市场竞争中生存和发展，就必须这样做.传统的以数学模型为基础的经典控制框架，显然已不能适应这一要求.以人工智能、控制理论和计算机科学为基础的新型控制技术——智能控制的出现，为解决控制领域的传统难题带来了新的希望，它可以实现过程控制自动化.智能控制是信息技术与计算机技术相结合的产物.20世纪六七十年代，国外一些学者针对电弧炉的过程控制提出了各具特色的控制算法，并且从不同的角度对电弧炉控制的难点作了深入的分析.例如，1972年Billings和Nichilson提出了电弧炉电极调节的温度加权的自适应控制算法，1979年Billings等人又提出了电弧炉的建模与控制方法［2］.其具体应用有，美国NAC公司采用人工神经网络与专家系统相结合的技术，控制电弧炉电极，使产量提高12%，电极消耗降低25%［3］.北京科技大学王顺晃等人采用专家系统技术，实现了对电弧炉的智能控制.显然，基于模型的控制方法需要建立准确的数学模型.现实中，很多实际系统都难以用数学模型来描述.基于知识的智能控制方法虽然不需要建立系统模型，但是显然需要相应的知识或经验，而人们的知识或经验有限，不可能将所有的方法都输入知识库中，因此这种智能系统无法判断知识库中未描述的现象.本文所设计的系统采用基于模糊控制的智能控制方法，具有强大的学习能力和定量数据的直接处理能力，控制器具有自调整、自适应能力，能够改善实时控制的效果.
1）实现炉体倾液和接引盘的自动控制；
2）实现炉体电极碰壳保护，防止炉体被击穿；
3）实现每相电极的功耗控制，使三相电极功耗维持在相对稳定的状态；
4）实现下料的自动控制及下料重量的计算和统计核算；
5）保证炉体冷却水系统的水泵发生故障时，备用泵能够立即投入使用，并能实现所有泵的平均磨损；
6）监测液压站油温，实时掌控液压站运行状况；
7）实现电极夹紧装置的自动控制，省却人工操作；
8）实现电炉变压器电气运行参数的实时监测，实时掌控变压器的运行状态（变压器配置通信接口）；
9）实现短网、水冷电缆的冷却水出水温度的实时检测，做到异常时能够快速排除故障.
刚玉尖晶冶炼炉控制系统采用PLC作为控制器，以实现对白刚玉和尖晶石两种材料的工业硅冶炼过程的智能控制.系统通过GM20－DTU全网通网关，把PLC的所有数据实时上传到互联网的云平台，与专家曲线进行对比，实时预警和控制.相关标准采用国标，进行规范设计.系统架构如图1所示.
图1 系统架构
2.1 控制器
控制器选用西门子1500PLC.S7－1500的外观设计更人性化，其模块比S7－300稍大，机架类似于S7－300，设置有为前连接器安装准备的接线位置，并提供专门的电源元件和屏蔽支架及线卡，使接线更方便，可靠性更高；
CPU上配置有LED显示屏，显示CPU的状态和故障信息等；
S7－1500的处理速度更快，联网能力更强；
组态和编程效率更高，信息采集和查看更方便.经过系统检测参数与控制参数统计可知，大约需要70点.系统部分I/O见表1.
表1 系统部分I/O
2.2 低压动力及控制电源
由系统动力柜接受车间馈电，进线电压为380V，三相四线制.进线供给主控室的电源柜，在电源柜上设有隔离开关.由塑壳断路器供给油泵电源、水泵电源、冷却风机电源、PLC电源、其他电控柜电源、仪表电源、开关电源等.电气控制柜的仪表板上安装有多功能电表，指示系统的电压、电流、功率、电能等，供计算机系统显示.
2.3 检测系统
2.3.1 炉内温度检测系统
利用三相电极产生的电弧进行冶炼.
2.3.2 冷却水系统
在短网、水冷电缆的9个冷却水出口设置有双金属温度计，9个热电阻用于计算机显示温度并进行预警.
2.3.3 液压系统
设计有本体压力保护系统，压力变送器提供计算机监测信息，用于监控油泵工作状态.
3.1 控制部分
3.1.1 电极升降自动控制系统
电极升降自动控制系统选用PLC完成对弧流、弧压、档位、给定等信号的采样，按照功率控制的原理进行运算处理，将最终结果输出到控制系统，完成对电极升降的自动控制.在自动控制过程中，随时可以人为干预，通过按键增大或减小输入功率，手动控制电极升降.
电极升降电机采用变频器驱动，采用PLC控制升降速度.电极采用锥环碟簧抱紧，液压缸加压松开.
3.1.2 电炉本体控制系统
电炉本体采用PLC控制液压系统、水冷系统等，来实现电炉辅助功能.倾炉油缸安装在炉室内，采用同步阀，保证双油缸同步.冶炼炉安装有感应线圈和闸阀，阀盘移动靠减速机转动带动链条拖动阀盘，到位后由锁紧油缸锁紧闸阀，开阀时先开锁后开阀门，以保证工作的可靠性［4］.关键的部位如倾炉设有液压锁，闸阀也设有液压锁，以确保安全可靠的操作.液压倾炉采用手动比例调速液压阀，液压站设有管式冷却器，对油进行冷却，确保液压油在低温下运行.
3.1.3 炉液接引盘的旋转控制
炉体倾液时，接引盘接收.一炉溶液使用三个接引盘接收，三个接引盘依圆周旋转，从而实现顺序控制.PLC检测炉体的倾斜角度，以控制每个接引盘的接受量，并根据生产工艺进行自动移位控制.
3.1.4 电极的碰壳保护
A、B、C三相电极若发生碰壳故障，就会击穿炉体，造成重大损失［5］.可采用两个方法解决：一是软件解决.PLC检测三相电流，假定相位角为120°，计算零序电流，根据零序电流的计算值和整定值的比较结果来调整，达到保护的目的.二是硬件解决.增装专用零序电流互感器，检测零序电流，与整定值比较，进行调整和保护.
3.1.5 三相电极不平衡率的控制
电极插入深度、电极的材质、电极的分布位置、矿料和功率因数等因素的影响，容易导致三相电极的不平衡运行，最终会导致电极的损耗差异.解决方法：检测每只电极的深度，在不影响产品质量的前提下，对三相电流设定值进行微调，从而控制电极的损耗，尽可能达到平衡.
软件流程如图2所示.
图2 软件流程
3.2 计算机监控系统
采用工业控制计算机和彩色监视器以及三维力控软件系统，对设备及运行过程进行监控，并对系统中的数据采集、处理进行画面显示、报警.将实时数据、曲线及关键工况信息储存起来；
对生产数据进行设定，生成各类报表.工作人员可直观地看到各个控制系统的数据，根据这些数据，对生产情况进行综合分析并进行调整.计算机组态的监控界面见图3.
图3 计算机组态的监控界面
系统拥有强大的学习能力和定量数据的直接处理能力，控制器拥有自调整、自适应的能力［6］，能够改善实时控制的效果.系统拥有完善的报警预告及处理机制，可以在很大程度上保证设备的安全；
拥有严格的质量工艺参数控制机制、可供灵活选择的工艺配方，可以在很大程度上保证产品的质量；
拥有优化的控制算法，可以提高生产效率；
拥有完整的财务信息输出系统，能够为客户带来更好的经济效益，可以取得更好的使用效果.
