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[導讀]針對電弧爐的非線性、大滯后、強耦合、時變及隨機干擾較強的特點,應用自適應控制理論,采用可編程邏輯控制器(PLC)為核心控制部件,實現電弧爐電極升降的自動準確控制,有效減少電極短路、斷弧和振蕩現象。在此給出控制方案、系統(tǒng)主要硬件及軟件流程圖。該系統(tǒng)已可靠運行于某煉鋼廠,并實現了降低電爐電耗,提高產品質量的目的。

    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行控制的。由于電弧爐的非線性、大滯后、強耦合、時變及隨機干擾較強等難點,以及工人的經驗不同,冶煉的效果分散性很大,導致產品質量下降,在冶煉的不同階段,控制效果很難一致,系統(tǒng)容易振蕩,增加電極消耗,嚴重時會引起斷電現象,不能保證三相電流的平衡輸入,產品質量不穩(wěn)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(tǒng)振蕩,使超調增大,調節(jié)過程加長,影響產品質量,增加能耗,導致電極上下頻繁動作,容易引起斷電現象,并縮短傳動機構的使用壽命。為了解決以上問題,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,實現了電弧爐電極升降的自動準確控制,有效地減少了電極短路、斷弧和振蕩現象。

1 電弧爐電極自動系統(tǒng)控制策略
1.1 電弧爐的冶煉過程工藝特點

    電弧爐的冶煉過程為間歇式操作,每爐次主要分為引弧加料期和熔化期。前者的特點是電弧不穩(wěn)定,電流波動極大,易發(fā)生斷弧、過電流跳閘和斷電極事故;后者的特點是弧溫較低,爐料比電阻較高,電極弧光埋在未熔化的爐料中,電流隨冶煉的進行逐漸趨于平穩(wěn),如果控制的三相電極非平衡滿負荷送電,可能使爐料不能迅速熔化而延長冶煉時問,增大功耗。
1.2 控制方案
    依據經典控制理論,只有建立了被控對象的數學模型,再按照系統(tǒng)工藝所要求的靜態(tài)指標和動態(tài)指標設計校正環(huán)節(jié)的參數,才能滿足工藝要求。但由于電弧爐具有多變量、非線性、大滯后、強耦合、數學模型參數的不確定性和系統(tǒng)工作點的劇烈變化等特點,其實質是一個多輸入、多輸出、非線性、強耦合的對象,顯然經典控制對此無能為力,甚至用現代控制理論也不能精確地解決問題,因為系統(tǒng)的特征所決定的數學模型難以建立,因此難以實現對被控量的精確控制。通過對電弧爐在冶煉過程中特點的了解,以及對被控對象特性的分析得知,電極調節(jié)系統(tǒng)是一個位置控制系統(tǒng),調節(jié)對象是弧長,但由于弧長沒有合適的檢測設備,只能通過檢測電弧爐主電路的電弧電流間接地反映弧長的大小,也就是通過控制電流來控制弧長。
    當控制對象的特性或參數隨著環(huán)境的變化或運行時間的加長而大幅度變化時,常規(guī)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得知,不同的電弧電流對應相同的電弧功率,當弧流超過最有利的調節(jié)電流時,輸入爐內的功率并未因電流的增加而增大,反而線路的電耗增大,效率降低。在熔煉時,將某一熔煉過程中最有利的調節(jié)電流作為電弧電流的額定值,再用自適應控制來調整相關參數。
    具體方法如下:當系統(tǒng)開始運行時,首先是點弧程序。其控制思路是:合高壓開關,冶煉開始,三相電極自動下降,在任一相電極接觸到導電爐料時,該相電極自動停止下降,直至另一電極起弧后第一相電極自動起弧,這時系統(tǒng)自動轉入熔煉程序,點弧程序結束。把電弧爐電流值的大小分為5個控制區(qū),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(qū)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(qū)也稱為下降飽和速度區(qū)。在Ⅱ區(qū)電弧電流小于弧流額定值,電極以速度線性減小下降,改變該區(qū)的寬度就可以改變直線的斜率,也就調節(jié)了靈敏度,該區(qū)也稱為電極下降速度調節(jié)區(qū)。在Ⅲ區(qū)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,該區(qū)也稱為非調節(jié)區(qū)或死區(qū)。在Ⅳ區(qū)電弧電流大于弧流額定值,電極以速度線性增加上升,改變該區(qū)的寬度就可以改變直線的斜率,也就調節(jié)了靈敏度,該區(qū)也稱為電極上升速度調節(jié)區(qū)。在V區(qū)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(qū)也稱為上升飽和速度區(qū)。在非調節(jié)區(qū)與相鄰兩區(qū)的邊界點,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檻電壓值,0~Up的電壓不能使液壓閥有任何動作。
    在上述調節(jié)期間如果出現弧光竄動、電流振蕩,甚至短路或斷弧時,再按照一定的程序去調整死區(qū)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的信號進行處理后,輸出可調的速度控制信號以控制電極動作,使每相電極都能依據流過自身的電流而以相應的速度上升、下降或停止,在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時,又提高了系統(tǒng)的快速性,使電爐的冶煉電流始終處于最佳狀態(tài)。

2 工藝實踐
    由該控制策略組建的自適應控制系統(tǒng)已在某鋼廠調試通過,并能可靠正常運行。運行結果表明,該系統(tǒng)控制精度高,可靠性高,動態(tài)響應速度快,弧流控制穩(wěn)定。提高了電極升降調節(jié)的快速性,可以保證電極平穩(wěn)調節(jié)。
2.1 系統(tǒng)硬件
    電極升降自動控制系統(tǒng)結構框圖如圖2所示,圖中僅畫出A相電極控制框圖,B,C相和A相相同。

    主要部分簡介如下:
    PLC選用西門子公司的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)現場的工況如實向上位機傳送。將弧流、弧壓數值、限位開關、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關量信號。同時控制三相伺服閥、液壓缸系統(tǒng)和各種現場設備。
    上位機選用工業(yè)控制計算機,通過工控軟件WINCC實現與下位機的對話,通過現場總線Profibus網對系統(tǒng)進行實時監(jiān)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(tǒng)是電極升降控制系統(tǒng)的執(zhí)行裝置,由電液伺服閥、液壓缸、背壓閥、換向閥等組成。該系統(tǒng)的液壓力為9 MPa。
2.2 軟件流程
   
系統(tǒng)用S7-300 PLC作為控制器,其軟件流程如圖3所示。

3 結 語
    系統(tǒng)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,對電弧爐的電極進行自動控制,克服了外界環(huán)境對電極控制的影響。該系統(tǒng)已在某煉鋼廠可靠運行。達到了降低電爐電耗,減輕工人勞動強度,提高產品質量的目的。

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