基于S7-300 PLC的大型電弧爐控制系統(tǒng)

目前，在我國冶金行業(yè)中，大多數(shù)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(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(tǒng)容易振蕩，增加電極消耗，嚴重時會引起斷電現(xiàn)象，不能保證三相電流的平衡輸入，產(chǎn)品質(zhì)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(jù)電弧電流的變化趨勢調(diào)整電極的升降速度，容易引起系統(tǒng)振蕩，使超調(diào)增大，調(diào)節(jié)過程加長，影響產(chǎn)品質(zhì)量，增加能耗，導致電極上下頻繁動作，容易引起斷電現(xiàn)象，并縮短傳動機構(gòu)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(xiàn)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(xiàn)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(jù)經(jīng)典控制理論，只有建立了被控對象的數(shù)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(shè)計校正環(huán)節(jié)的參數(shù)，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(shù)學模型參數(shù)的不確定性和系統(tǒng)工作點的劇烈變化等特點，其實質(zhì)是一個多輸入、多輸出、非線性、強耦合的對象，顯然經(jīng)典控制對此無能為力，甚至用現(xiàn)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(shù)學模型難以建立，因此難以實現(xiàn)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(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個位置控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)對象是弧長，但由于弧長沒有合適的檢測設(shè)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(shù)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(diào)節(jié)電流時，輸入爐內(nèi)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(diào)節(jié)電流作為電弧電流的額定值，再用自適應控制來調(diào)整相關(guān)參數(shù)。
??? 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(guān)，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(zhuǎn)入熔煉程序，點弧程序結(jié)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(shè)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(diào)節(jié)了靈敏度，該區(qū)也稱為電極下降速度調(diào)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(diào)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(diào)節(jié)了靈敏度，該區(qū)也稱為電極上升速度調(diào)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(shè)定速度上升，該區(qū)也稱為上升飽和速度區(qū)。在非調(diào)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(diào)節(jié)期間如果出現(xiàn)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(diào)整死區(qū)寬度，調(diào)整靈敏度和飽和臨界值，這樣反復幾次，直到最佳參數(shù)為止。
??? 對輸入PLC的信號進行處理后，輸出可調(diào)的速度控制信號以控制電極動作，使每相電極都能依據(jù)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(diào)試通過，并能可靠正常運行。運行結(jié)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(diào)節(jié)的快速性，可以保證電極平穩(wěn)調(diào)節(jié)。
2．1 系統(tǒng)硬件
??? 電極升降自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(xiàn)場的工況如實向上位機傳送。將弧流、弧壓數(shù)值、限位開關(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關(guān)量信號。同時控制三相伺服閥、液壓缸系統(tǒng)和各種現(xiàn)場設(shè)備。
??? 上位機選用工業(yè)控制計算機，通過工控軟件WINCC實現(xiàn)與下位機的對話，通過現(xiàn)場總線Profibus網(wǎng)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(cè)電流高達數(shù)萬安培，因此將電流互感器安裝在一次側(cè)。電流采集單元的采集板將檢測到的相電流轉(zhuǎn)換成0～5 A的信號，再轉(zhuǎn)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(jié) 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(chǎn)品質(zhì)量的目的。