專利名稱：：礦熱爐電極升降控制方法
技術領域：
：本發明屬于自動控制領域，涉及ー種礦熱爐電極升降控制方法。
背景技術：
：礦熱爐，屬電弧爐系列的ー種，冶煉的產品包括硅鐵、硅錳合金、電石等，其冶煉的核心理論是通過電離空氣形成定向高溫離子流-電弧，將電能轉換成熱能，為發生還原反應提供足夠高的溫度。電弧的狀態取決于電極端頭和放電體的距離、放電體的導電性、電壓以及電極周圍的溫度和爐料介質的電阻特性。在冶煉過程中，隨著熔池液面的不斷升高，爐料經常性下塌，電極端頭因燒損從而導致插入料面下的長度變短以及熔池導電性的變化，需要適時調整三相電極的實際位置，以保持爐內始終能夠處于最佳的冶煉狀態，同時還要能夠保持三相電極等效熔池電阻的平衡，以維持供電系統的穩定，達此目的的關鍵之一就是電極升降控制系統要有很好的控制性能，能根據爐內狀態的變化適時調整電極位置，維持供電系統的穩定以及三相電極的穩定，與此同時還要利用低壓無功補償技術保證系統有較好的功率因數。冷態礦石不導電，熔融態混合體是良導電體，這ー特點決定了礦熱爐電極升降控制系統的復雜性和難點，也是眾多從事礦熱爐自動化控制的先行者們至今仍未成功的原因所在。到目前為止，國內現有礦熱爐電極升降普遍為人工手動控制，當電流大于規定值時，提升電極，當電流小于規定值時，下降電極，個別使用PLC控制也是基于和人工控制相同的方法，其主要缺點是人工操作的隨意性大、三相電極功率不平衡、單位產品電耗高、產量低、礦石回收率低。影響礦熱爐冶煉電耗的因素很多，首先要解決熱源的穩定問題，由計算機控制三相電極在爐內的位置，保證爐內熱場的均衡穩定；然后解決爐料的均勻性問題，最好也使用計算機控制。這兩大因素是礦熱爐節電與否的關鍵，綜合節電的空間在15%左右。第一因素的空間約6%至10%，第二因素的空間約4%至7%。因此，取得低電耗的先決條件是要控制好電極位置，電極頻繁的上下移動，這就導致高溫區的不固定，破壞了形成的“坩堝”區，極大的影響化學反應的速度，大大增加電耗。
發明內容I.本發明所要解決的技術問題。為了克服現有技術的上述缺點，本發明提供一種能降低冶煉電耗、提高生產率的礦熱爐電極升降自動控制的方法。2.本發明解決上述問題的技術方案。礦熱爐電極升降自動控制的方法，包括變壓器，在該變壓器的初級裝有電流互感器，互感器的電流輸入電流互感器從而得到4-20MA的直流電壓模擬信號，提供給下位機模擬量輸入模塊；另一路三相交流電壓信號直接取自變壓器次級出線排上的交流電壓信號，經互感器和變送器后輸出也是420MA的直流電壓模擬信號；上述六路信號經PLC模擬量輸入模塊和輸入的手動控制開關信號和限位控制開關信號進行運算；運算后的輸出信號分別輸向液壓驅動系統，即計算機的輸出信號經數字量輸出模塊輸出控制電極液壓升降裝置的升降，控制信號通過接觸器控制液壓電磁閥實電極上、下運動，從而改變三相電極的等效熔池阻抗；所述變壓器的輸入電源是由電網IOKV或35KV或IlOKV三相交流電經隔離開關、真空開關接入至變壓器初級，經變換后在次級輸出120V的三相交流電，通過由大截面銅管、軟銅電纜組成的大截面短網、導電裝置和石墨電極相接，進入爐內，提供還原反應所需的能量。根據礦熱爐冶煉產品和エ藝對電壓、電流的要求，以三相電極等效熔池電阻作為控制量，機控制系統將自動地實時地檢測到的參數值(電壓、電流)進行運算與設定值進行三相平衡和比較運算，井根據控制數學模型、控制策略和異常爐況模型進行分析判斷，然后發出ー組控制信號給液壓電磁閥，進而帶動電極上下運動，改變熔池電阻，或脫離自動控制并提醒操作者處理，使系統迅速地糾正偏差，維持其運行在設定范圍內；本發明采樣系統是將控制對象的實時狀態及其檢測值送入下位機的關鍵接ロ，它的可靠性和準確性直接關系到系統的控制性能，本系統中采樣的對象為短網電壓和電流，采樣部分包括互感器和變送器；下位機PLC是整個控制系統的核心，它負責控制模型的處理運算、決策、實時數據的存儲運算；上位機使用WinCC作為監控軟件；本發明的操作界面為全中文菜單提示，系統運行時可以實時看到電極電壓、電流及電阻的實際數值及其波動圖形，當冶煉出現異常爐況時，系統會提示操作者進行處理；當系統出現故障時，也可從顯示器的畫面上進行判斷。本發明能夠根據礦熱爐冶煉過程中不同階段的熔池電阻進行自動控制、降低単位廣品能耗和提聞礦石回收率的目的。圖I是本發明控制電路方框示意圖。圖2是礦熱爐電極系統等效電路圖。圖3Matlab與WinCC實時通訊的結構示意圖。圖4Simulink控制系統框圖。圖5硅錳爐電極控制系統結構圖。圖6電極升降控制程序調用結構圖。圖7液壓模型傳遞函數單位斜坡輸入的響應曲線。圖8為電極升降控制程序流程圖。具體實施例方式下面將結合附圖和實施方法對本發明作進ー步描述。實施例I參見圖1，包括電カ電容器I、斷路器2、電壓互感器3、電流互感器4、電路變壓器5、短網6、電極7、電爐本體8、檢測儀表9，，電網IOKV三相交流電經隔離開關2、真空開關2接入礦熱爐變壓器5初級，經變換后在變壓器5的次級輸出120V的三相交流電，通過由大截面銅管、軟銅電纜組成的大截面短網、導電裝置和石墨電極相接，進入爐內，提供電功率。本發明的輸入信號有在變壓器5的初級或次級裝有電流互感器，輸出0-5安培的交流電流信號，經電流變送器變換為4-20MA的直流電流模擬信號，提供給下位機的模擬量輸入模塊；另一路三相交流電壓信號直接取自變壓器次級出線排上，是0-220V交流電壓信號，經電壓變送器變換為4-20MA的直流電流模擬信號，提供給下位機；二十路手動控制開關信號、六路限位控制開關信號通過數字量輸入模塊輸入經控制系統處理后，本發明的輸出信號控制液壓驅動系統，具體是液壓驅動系統下位機PLC輸出數字量信號后經繼電器從而控制接觸器，進而控制液壓電磁閥，控制液壓驅動系統的液壓油缸上、下運動，由液壓油缸驅動電極升降機構使電極上、下運動，從而改變爐內電功率的大小。礦熱爐電極控制的設定值通過上位機的鍵盤輸入。本發明的設計原理是依據爐內電極電壓，電流的大小，實時計算等效熔池電阻，再根據設定值和等效電阻之間的偏差進行控制。熔池電阻的計算方法是圖2是礦熱爐電極系統等效電路圖，由此可以求出三相電極的等效熔池電阻rg,Iio,%。其中,=冷_44=4=4—測得電極的相電壓為1，Hko,*%,可以求出三相電極熔池電阻r9,In,H1/Iy—^-具體控制方法是I.自適應內模控制器的設計Matlab7.O版本以上的軟件中包含OPC工具箱，可以進行OPC的設置。Simlink7.I中集成了OPCtoolbox模塊子庫，其中包括OPCreadblock、OPCwriteblock、OPCConfiguration和OPCQualityParts。Matlab作為強大的客戶端，可以實現控制算法編寫、分析以及參數的在線整定。Matlab與WinCC實現數據交換如圖3所示。利用OPCtoolbox工具箱實現Matlab與WinCC間動態數據交換，主要包括以下步驟(I)使用OPCregister命令,在服務器和客戶端相應的Windows核心組件中注冊0PC。(2)在OPC客戶機和服務器上進行正確的DCOM配置。首先，獲取網絡中需要訪問的節點名，確保OPCtoolbox中對象和OPC服務器對象成功連接。其次，下載安裝OPCComponents2.ORedisbutable2.20.msi客戶端開發工具包。(3)打開Simlink應用程序，找到OPCtoolbox模塊庫。將OPCreadblock、OPCwriteblock、0PCConfiguration拖至新建立的模型窗口中。雙擊OPCConfiguration,在ConfigureOPCclients中依次單擊Add和select,選擇添加OPCServer.WinCC;然后再打開OPCread的參數設置窗口，首先通過ConfigureOPCclient/Add/select選擇添加OPCServer.WinCC；再在“AddItems”里選擇localhost/OPCServer.WinCC中的A-dianzu-PV、A-dianzu-SV、B-dianzu-PV、B-dianzu-SV、B_dianzu-PV和C-dianzu-SV。同樣的方法，在OPCwrite中添加三相電極的控制參數。OPCread和OPCwrite中的readmode和writemode參數設置為Sychronous(device),米樣時間Sampletime設為O;(4)在OPC服務器WinCC中創建相關變量，建立OPC驅動程序并設置相關運行參數，確保通訊時OPC服務器處于運行狀態。在Simulink中A相電極實時控制系統如圖5所示，主要包括三個部分0PCreadblock(實時讀取采集值)、自適應內模控制器和OPCwriteblock(實時寫入控制量)。在軟件Matlab的Simulink中建立OPC客戶端控制算法，與組態軟件WinCC的OPCDA服務器進行通信，獲取對象的實時數據，同時將Matlab計算出的控制量發送給WinCC對現場設備進行控制。2.電極控制程序結構設計硅錳爐電極控制系統由液壓脈沖-位置轉換器和自適應內模控制控制器這兩部分組成。液壓脈沖-位置信號轉換器系統輸出的控制信號是脈沖信號，而控制器運算得出的信號卻是位置信號，所以要使用液壓系統傳遞函數將自適應內模控制器計算出的位置信號轉化為脈沖控制信號。自適應內模控制器系統中設計了兩種控制方式，分別是上位機控制和下位機控制，上位機為工控機，下位機是可編程控制器(PLC)。系統正常運行時，上位機直接控制電極；當上位機出現故障時，下位機仍然可以利用上個時間得出的控制參數進行控制，此時的控制參數是最符合現場生產情況的，能夠保證硅錳爐爐況的穩定，與此同時提示操作人員處理上位機故障。硅錳爐電極控制系統結構如圖6所示。根據自適應內模控制算法，電極控制系統的程序結構設計如圖7示，主要包括模擬量采集與處理和電極升降控制兩大部分，其余部分不屬于本文研究的重點，這里就不作詳細介紹。圖7中模擬量子程序和電極升降控制子程序由電極控制程序循環調用，中斷周期設置為100ms，其中模擬量子程序和電極升降控制子程序由多個程序塊組成，采用四層樹狀調用的結構，便于程序的調試和修改。模擬量子程序主要功能是模擬量數據采樣、濾波、標定，處理后的數據傳輸到指定的共享數據塊中。組態軟件^(^通過MPI通訊可以讀取到這些數據，通過OPC通訊可以讀出相應的數據并計算出控制量。計算出的控制量通過OPC和MPI通訊傳給PLC控制電極的升降。模擬量子程序和電極升降子程序功能如表I和表2所示。表I模擬量數據處理程序組成權利要求1.一種礦熱爐電極升降控制方法，包括變壓器，其特征是在該變壓器的初級裝有電流互感器，該電流互感器所輸出的電流經電流變送器后輸出模擬信號送至PLC的模擬量輸入模塊；另一路三相交流電壓信號直接取自變壓器次級出線排上的交流電壓信號，經電壓變送器后的模擬信號同時將其輸入模擬量輸入模塊，同時將手動控制開關信號和限位控制開關信號送至PLC數字量輸入模塊；經下位機運算后的輸出信號驅動電極液壓升降系統，驅動電磁閥運動，控制電極液壓升降系統的液壓油缸上、下運動，由液壓油缸驅動電極升降機構使電極上、下運動，從而改變爐內電極等效電阻的大小。2.如權利要求I所述的礦熱爐電極升降控制方法，其特征是所述變壓器的輸入電源是由電網IOKV或35KV或IlOKV三相交流電經隔離開關、真空開關接入至變壓器初級，經變換后在次級輸出120V的三相交流電，通過由大截面銅管、軟銅電纜組成的大截面短網、導電裝置和石墨電極相接，進入爐內，提供還原反應所需的能量。3.如權利要求I所述的礦熱爐電極升降控制方法，其特征是所述電流互感器的輸出交流電流信號為0-5安培，經電流變送器變換為4-20MA的直流電流模擬信號，提供給下位機的模擬量輸入模塊；另一路三相交流電壓信號直接取自變壓器次級出線排上，是0-220V交流電壓信號，經電壓變送器變換為4-20MA的直流電流模擬信號，提供給下位機；二十路手動控制開關信號、六路限位控制開關信號通過數字量輸入模塊輸入。4.如權利要求I所述的礦熱爐電極升降控制方法，其特征是二十路手動控制開關信號、六路限位控制開關信號通過數字量輸入模塊輸入控制系統進行控制。全文摘要本發明涉及一種礦熱爐電極升降自動控制的方法，根據礦熱爐冶煉產品和工藝過程對電極電壓、電流和功率以及功率因數的要求，下位機PLC采集現場的電流和電壓并實時計算三相電極等效熔池電阻，控制系統將自動地實時地檢測到的參數值(電壓、電流)進行處理、計算后與設定值進行運算，并根據控制數學模型、控制策略和異常爐況模型進行分析判斷，然后發出控制信號；通過控制電磁閥的開關控制油缸的升降進而帶動電極上下運動。本發明能夠根據礦熱爐冶煉過程中不同階段的熔池電阻進行自動控制、降低單位產品能耗和提高礦石回收率的目的。文檔編號H05B7/156GK102630107SQ20121009800公開日2012年8月8日申請日期2012年4月6日優先權日2012年4月6日發明者孫瑜申請人:南京理工大學常熟研究院有限公司