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目前，在我國冶金行業(yè)中，大多數三相電弧冶煉電爐是靠人工凋整電弧電流進(jìn)行控制的。由于電弧爐的非線(xiàn)性、大滯后、強耦合、時(shí)變及隨機干擾較強等難點(diǎn)，以及工人的經(jīng)驗不同，冶煉的效果分散性很大，導致產(chǎn)品質(zhì)量下降，在冶煉的不同階段，控制效果很難一致，系統容易振蕩，增加電極消耗，嚴重時(shí)會(huì )引起斷電現象，不能保證三相電流的平衡輸入，產(chǎn)品質(zhì)量不穩定，或者采用的控制器為BOOL型控制模式，輸出為通斷信號，電極的升降速度為恒值，不能根據電弧電流的變化趨勢調整電極的升降速度，容易引起系統振蕩，使超調增大，調節過(guò)程加長(cháng)，影響產(chǎn)品質(zhì)量，增加能耗，導致電極上下頻繁動(dòng)作，容易引起斷電現象，并縮短傳動(dòng)機構的使用壽命。為了解決以上問(wèn)題，應用自適應控制理論，采用可編程控制器(PLC)為核心控制部件，實(shí)現了電弧爐電極升降的自動(dòng)準確控制，有效地減少了電極短路、斷弧和振蕩現象。 1 電弧爐電極自動(dòng)系統控制策略 1．1 電弧爐的冶煉過(guò)程工藝特點(diǎn) 電弧爐的冶煉過(guò)程為間歇式操作，每爐次主要分為引弧加料期和熔化期。前者的特點(diǎn)是電弧不穩定，電流波動(dòng)極大，易發(fā)生斷弧、過(guò)電流跳閘和斷電極事故；后者的特點(diǎn)是弧溫較低，爐料比電阻較高，電極弧光埋在未熔化的爐料中，電流隨冶煉的進(jìn)行逐漸趨于平穩，如果控制的三相電極非平衡滿(mǎn)負荷送電，可能使爐料不能迅速熔化而延長(cháng)冶煉時(shí)問(wèn)，增大功耗。 1．2 控制方案 依據經(jīng)典控制理論，只有建立了被控對象的數學(xué)模型，再按照系統工藝所要求的靜態(tài)指標和動(dòng)態(tài)指標設計校正環(huán)節的參數，才能滿(mǎn)足工藝要求。但由于電弧爐具有多變量、非線(xiàn)性、大滯后、強耦合、數學(xué)模型參數的不確定性和系統工作點(diǎn)的劇烈變化等特點(diǎn)，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)多輸入、多輸出、非線(xiàn)性、強耦合的對象，顯然經(jīng)典控制對此無(wú)能為力，甚至用現代控制理論也不能精確地解決問(wèn)題，因為系統的特征所決定的數學(xué)模型難以建立，因此難以實(shí)現對被控量的精確控制。通過(guò)對電弧爐在冶煉過(guò)程中特點(diǎn)的了解，以及對被控對象特性的分析得知，電極調節系統是一個(gè)位置控制系統，調節對象是弧長(cháng)，但由于弧長(cháng)沒(méi)有合適的檢測設備，只能通過(guò)檢測電弧爐主電路的電弧電流間接地反映弧長(cháng)的大小，也就是通過(guò)控制電流來(lái)控制弧長(cháng)。 當控制對象的特性或參數隨著(zhù)環(huán)境的變化或運行時(shí)間的加長(cháng)而大幅度變化時(shí)，常規的反饋控制難以完成優(yōu)良的控制，而采用自適應控制的控制方案比較合理。由電弧爐的功率特性曲線(xiàn)得知，不同的電弧電流對應相同的電弧功率，當弧流超過(guò)最有利的調節電流時(shí)，輸入爐內的功率并未因電流的增加而增大，反而線(xiàn)路的電耗增大，效率降低。在熔煉時(shí)，將某一熔煉過(guò)程中最有利的調節電流作為電弧電流的額定值，再用自適應控制來(lái)調整相關(guān)參數。 具體方法如下：當系統開(kāi)始運行時(shí)，首先是點(diǎn)弧程序。其控制思路是：合高壓開(kāi)關(guān)，冶煉開(kāi)始，三相電極自動(dòng)下降，在任一相電極接觸到導電爐料時(shí)，該相電極自動(dòng)停止下降，直至另一電極起弧后第一相電極自動(dòng)起弧，這時(shí)系統自動(dòng)轉入熔煉程序，點(diǎn)弧程序結束。把電弧爐電流值的大小分為5個(gè)控制區，如圖1所示。 橫坐標表示電弧電流值，縱坐標表示PLC的輸出控制信號(-10～10 V)，在工區電弧電流遠遠小于弧流額定值，PLC輸出的控制電壓為Umin，電極以最大的設定速度下降，該區也稱(chēng)為下降飽和速度區。在Ⅱ區電弧電流小于弧流額定值，電極以速度線(xiàn)性減小下降，改變該區的寬度就可以改變直線(xiàn)的斜率，也就調節了靈敏度，該區也稱(chēng)為電極下降速度調節區。在Ⅲ區電弧電流等于或近似等于弧流額定值，PLC輸出的控制電壓為0，電極保持靜止不動(dòng)，該區也稱(chēng)為非調節區或死區。在Ⅳ區電弧電流大于弧流額定值，電極以速度線(xiàn)性增加上升，改變該區的寬度就可以改變直線(xiàn)的斜率，也就調節了靈敏度，該區也稱(chēng)為電極上升速度調節區。在V區電弧電流遠遠大于弧流額定值，PLC輸出的控制電壓為Umax，電極以最大的設定速度上升，該區也稱(chēng)為上升飽和速度區。在非調節區與相鄰兩區的邊界點(diǎn)，PLC輸出的控制電壓為±Up，Up為液壓伺服閥功率放大板的輸入門(mén)檻電壓值，0～Up的電壓不能使液壓閥有任何動(dòng)作。 在上述調節期間如果出現弧光竄動(dòng)、電流振蕩，甚至短路或斷弧時(shí)，再按照一定的程序去調整死區寬度，調整靈敏度和飽和臨界值，這樣反復幾次，直到最佳參數為止。 對輸入PLC的信號進(jìn)行處理后，輸出可調的速度控制信號以控制電極動(dòng)作，使每相電極都能依據流過(guò)自身的電流而以相應的速度上升、下降或停止，在保證系統穩定性的同時(shí)，又提高了系統的快速性，使電爐的冶煉電流始終處于最佳狀態(tài)。 2 工藝實(shí)踐 由該控制策略組建的自適應控制系統已在某鋼廠(chǎng)調試通過(guò)，并能可靠正常運行。運行結果表明，該系統控制精度高，可靠性高，動(dòng)態(tài)響應速度快，弧流控制穩定。提高了電極升降調節的快速性，可以保證電極平穩調節。 2．1 系統硬件 電極升降自動(dòng)控制系統結構框圖如圖2所示，圖中僅畫(huà)出A相電極控制框圖，B，C相和A相相同。 主要部分簡(jiǎn)介如下： PLC選用西門(mén)子公司的S7-300 PLC作控制器。用于向上和上位機通訊，接受上位機的命令，并將工業(yè)現場(chǎng)的工況如實(shí)向上位機傳送。將弧流、弧壓數值、限位開(kāi)關(guān)、繼電器、電弧爐變壓器的各種保護電磁閥的狀態(tài)、斷路器的分合閘等信息送給工控機。向下接受各種模擬量和開(kāi)關(guān)量信號。同時(shí)控制三相伺服閥、液壓缸系統和各種現場(chǎng)設備。 上位機選用工業(yè)控制計算機，通過(guò)工控軟件WINCC實(shí)現與下位機的對話(huà)，通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)Profibus網(wǎng)對系統進(jìn)行實(shí)時(shí)監控。 電流采集單元：由于電弧爐變壓器的二次側電流高達數萬(wàn)安培，因此將電流互感器安裝在一次側。電流采集單元的采集板將檢測到的相電流轉換成0～5 A的信號，再轉換成4～20 mA的電流信號，接到PLC的AI模塊中。同時(shí)將電壓互感器檢測到的信號，一方面給顯示電路，一方面給PLC的AI模塊。 伺服閥、液壓缸系統是電極升降控制系統的執行裝置，由電液伺服閥、液壓缸、背壓閥、換向閥等組成。該系統的液壓力為9 MPa。 2．2 軟件流程 系統用S7-300 PLC作為控制器，其軟件流程如圖3所示。 3 結 語(yǔ) 系統采用可靠性高，抗干擾能力強的S7-300 PLC作控制器。在此給出了采用靈敏度自適應控制的控制方案，對電弧爐的電極進(jìn)行自動(dòng)控制，克服了外界環(huán)境對電極控制的影響。該系統已在某煉鋼廠(chǎng)可靠運行。達到了降低電爐電耗，減輕工人勞動(dòng)強度，提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。 |
