基于S7-300 PLC的大型電弧爐控制系統(tǒng)
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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