專利名稱：位置內(nèi)環(huán)、電流外環(huán)的礦熱爐電極控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種位置內(nèi)環(huán)、電流外環(huán)的礦熱爐電極控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
鐵合金電爐煉制鐵合金，是由電能通過電爐變壓器、短網(wǎng)、電極到爐料，以電弧和電阻發(fā)熱的形式將爐料融化，再經(jīng)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生鐵合金。為此在冶煉過程中要求電爐電熱能轉(zhuǎn)換效率高，電弧爐耗電量少，對電網(wǎng)的諧波干擾小，而這就需要合理控制三相電流、三相功率的大小，對于電弧爐電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，一般都希望其輸出能夠快、穩(wěn)、準(zhǔn)地達(dá)到給定值，也就是要求電極實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確地按照冶煉工藝要求動(dòng)作。爐料的熔化過程包括以下步驟1、起弧階段從通電起弧至電極開始插入爐內(nèi)稱為起?。?1)電極下降接觸爐料，產(chǎn)生極大的短路電流，電極與爐料間的空氣被電離，當(dāng)電極與金屬爐料分開時(shí)形成電弧。(2)電極下的金屬料受到高溫而發(fā)生爆裂，瞬時(shí)短路電流引起爐料之間、短網(wǎng)系統(tǒng)和變壓器機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的聲響，造成很大的噪音。(3)起弧階段的電壓和電流波動(dòng)大，電弧燃燒不穩(wěn)定，短路和斷弧現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。 為使電弧穩(wěn)定，通電前應(yīng)在變壓器高壓側(cè)串上電抗器進(jìn)行工作。2、穿井階段主要是電極穿井和熔化電極下面爐料的過程。由于電極自動(dòng)調(diào)節(jié)器的作用，電極始終要與爐料保持一定距離，所以電極隨著爐料的熔化而不斷下降。在爐料中形成三個(gè)比電極直徑大30 40%的深坑，稱為電極“穿井”。3、電極回升階段主要靠電弧熱輻射使電極周圍的爐料熔化。熔化的金屬聚集在爐底，使鐵合金液面不斷上升，為維持一定的電弧長度，電極也相應(yīng)回升，直到爐料熔化80%以上，最后僅剩下遠(yuǎn)離電弧低溫區(qū)附近的爐料時(shí)，回升階段即告結(jié)束。4、熔清階段主要任務(wù)是熔化靠近爐坡、出口及爐門兩側(cè)等低溫區(qū)的爐料。在整個(gè)熔化過程中，穿井和回升階段占全部熔化時(shí)間的70 80 %，是縮短熔化時(shí)間、降低熔化電耗的重點(diǎn)階段。礦熱爐冶煉鐵合金對電極調(diào)節(jié)器的要求電極調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)條件和調(diào)節(jié)任務(wù)頗為復(fù)雜。在起弧熔化冷料時(shí)，長度為數(shù)毫米的電弧在不甚大的范圍內(nèi)，就能產(chǎn)生數(shù)千千瓦的功率，此時(shí)電弧溫度高達(dá)數(shù)千度，被熔料在電極下面迅速而激烈的熔化、飛濺，時(shí)有短路和斷弧現(xiàn)象的發(fā)生，因此弧長、輸入功率不斷變化。當(dāng)電弧電流小于額定值時(shí)，輸入到爐內(nèi)的電能減少，熔化時(shí)間拖長，電能及電極消量均有增加而當(dāng)電流非常大時(shí)，雖僅數(shù)秒鐘，就能使線路損耗大大增加，導(dǎo)致輸入電弧爐內(nèi)的電能減少，降低設(shè)備的各項(xiàng)指標(biāo)，此時(shí)電弧長度非常短，特別是當(dāng)電極同赤熱或液態(tài)熔液接觸時(shí)，會(huì)使熔液遭受增碳的危險(xiǎn)，嚴(yán)重時(shí)可折斷電極?？梢姡姌O調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)任務(wù)非常關(guān)鍵，即在保證穩(wěn)定調(diào)節(jié)的條件下，要求電極調(diào)節(jié)器靈敏度高，快速性好，超調(diào)小。具體地說， 對自動(dòng)調(diào)節(jié)器的要求如下高靈敏度對電弧電流變化的反應(yīng)要靈敏。電極調(diào)節(jié)快速性好電極提升速度要快，否則容易造成短路而使高壓斷路器自動(dòng)跳閘，下降要慢，以免電極碰撞爐料而折斷或插入熔液中。保證電弧電流能在額定值的范圍內(nèi)平滑地整定。電極同爐料短路時(shí)，在保證電弧穩(wěn)定的情況下，應(yīng)使電極以最大速度上升。保證電極升降控制能迅速地從自動(dòng)切換為手動(dòng)，或由手動(dòng)切換為自動(dòng)。調(diào)節(jié)器應(yīng)能保證調(diào)節(jié)工作高度可靠，操作簡單。良好的三相間的平衡性及相互間的盡可能小的影響。由于爐內(nèi)爐料的放置不是均勻的，因而三相電極之間是不平衡的。同時(shí)，三相電極之間也存在相互間的影響。這些都是設(shè)計(jì)電極調(diào)節(jié)器時(shí)需要考慮的。具有抗參數(shù)時(shí)變的能力，即魯棒性好。上面的各項(xiàng)要求中，最重要的是快速性、靈敏度和系統(tǒng)超調(diào)小。調(diào)節(jié)性能好的電極調(diào)節(jié)器對隨機(jī)擾動(dòng)反應(yīng)快、平穩(wěn)調(diào)節(jié)，可以縮短熔煉時(shí)間，提高電弧爐生產(chǎn)效率。二、現(xiàn)存的問題目前在鐵合金生產(chǎn)企業(yè)，電極升降系統(tǒng)仍然采用人工手動(dòng)控制方法，單憑經(jīng)驗(yàn)、感覺下放電極，有時(shí)還需操作工人親自到電爐旁觀察。這不僅增加了操作工人的危險(xiǎn)性，還容易造成電極燒結(jié)不好、爐況不穩(wěn)定。在所有的礦熱爐電極控制系統(tǒng)中，一般的控制策略都是恒阻抗、恒電流、恒功率。 主要是以檢測電極電流與給定電流之差進(jìn)行比較，通過升降電極保持電流恒定。目前礦熱爐的電極系統(tǒng)采用的電流表、電壓表顯示的電極工作狀態(tài)。電極控制的操作儀表盤。操作人員根據(jù)所測的數(shù)據(jù)，電流表指示的數(shù)據(jù)手工操作儀表盤上的旋轉(zhuǎn)手柄調(diào)節(jié)電極插入深度來控制電極電流滿足工藝要求。礦熱爐由于當(dāng)時(shí)技術(shù)水平有限，經(jīng)過多年運(yùn)行，暴露出以下缺點(diǎn)和不足(1)電極系統(tǒng)的現(xiàn)場控制由操作人員手工操作實(shí)現(xiàn)。硅錳合金生產(chǎn)為三班連續(xù)作業(yè)，由于操作人員的素質(zhì)(如技術(shù)水平、反映靈敏性和責(zé)任心等)不同，導(dǎo)致礦熱爐運(yùn)行不很規(guī)范，難以保證持續(xù)滿負(fù)荷運(yùn)行，影響產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)很差。(2)電極壓放經(jīng)常必須在停電狀態(tài)下進(jìn)行，影響生產(chǎn)的連續(xù)性。(3)礦熱爐運(yùn)行參數(shù)和供配電狀態(tài)分別由操作人員和電工定時(shí)觀察和記錄，難以做到規(guī)范準(zhǔn)確，難以對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，更難以對歷史記錄分析比較。電極調(diào)節(jié)器的作用是通過調(diào)節(jié)電極的位置達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的。因此，確定最優(yōu)的電極控制方案對冶煉時(shí)間的縮短、單位電能消耗的減少，降低鐵合金的冶煉成本及提高功率因數(shù)都有極其重要的作用。相對于礦熱爐冶煉鐵合金的快速性而言，電氣-液壓式自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的慣性還是較大。如果控制器的算法采用不當(dāng)，會(huì)造成系統(tǒng)超調(diào)大、調(diào)節(jié)時(shí)間長、電極上下竄動(dòng)等問題。因此，針對電弧爐煉鋼設(shè)備的特點(diǎn)，選擇合適的控制算法對電弧爐煉鋼有著重要意義。目前電弧爐的電極控制算法很多，傳統(tǒng)的PID控制采用的PID調(diào)節(jié)器，其參數(shù)整定要依賴于被控對象的精確數(shù)學(xué)模型。電弧爐的電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個(gè)非線性、時(shí)變、輸入和輸出互相耦合，其精確數(shù)學(xué)模型很難建立，所以控制效果不是很好，尤其是動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)很差。常規(guī)的模糊控制器有一些不足之處，比如系統(tǒng)的上升特性不理想、超調(diào)量大、調(diào)節(jié)時(shí)間長甚至產(chǎn)生震蕩等。產(chǎn)生這些缺點(diǎn)的主要原因是常規(guī)模糊控制器在結(jié)構(gòu)上過于簡單，在設(shè)計(jì)中包括不少主觀因素，而且一旦模糊規(guī)則確定就不再變化等。鑒于上述原因，為了適應(yīng)市場競爭需要，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低能耗，需要開發(fā)適用鐵合金生產(chǎn)實(shí)際需求的礦熱爐電極控制系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種位置內(nèi)環(huán)、電流外環(huán)的礦熱爐電極控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，具有很好的快速性和實(shí)時(shí)性；自調(diào)整模糊控制系統(tǒng)對被控對象的內(nèi)擾、外擾等不確定的擾動(dòng)有一定的抑制能力，具有很強(qiáng)的魯棒性，很好的控制品質(zhì)。本發(fā)明是由單相電爐變壓器、輸入電流檢測裝置、電極位置檢測裝置、PLC控制器、 輸出開關(guān)量、電極升降及壓放機(jī)構(gòu)、三個(gè)單相電極和上位機(jī)組成，電源通過單相電爐變壓器變壓后與礦熱爐中的三個(gè)單相電極連接，電極位置檢測裝置設(shè)置在礦熱爐中，電極位置檢測裝置的檢測信號通過光電編碼器與PLC控制器連通，單相電爐變壓器的輸入端設(shè)置有輸入電流檢測裝置，輸入電流檢測裝置的電流強(qiáng)度信號與PLC控制器連通，PLC控制器通過輸出開關(guān)量控制電極升降及壓放機(jī)構(gòu)工作，電極升降及壓放機(jī)構(gòu)夾持三個(gè)單相電極，上位機(jī)監(jiān)控PLC控制器；PLC控制器通過將輸入電流檢測裝置中的電流信號模糊處理和電極位置檢測裝置中的電極位置信號處理與各自的設(shè)定值比較后，輸出開關(guān)量控制相應(yīng)的電磁閥開或關(guān)，使電極升降壓放機(jī)構(gòu)動(dòng)作，帶動(dòng)三個(gè)單相電極上升或下降。本發(fā)明的控制過程是IOkv的電能經(jīng)過單相變壓器變成低壓為IOOv的電壓，再經(jīng)過短網(wǎng)至三個(gè)單相電極，其中輸入電流檢測裝置是數(shù)字電流表，數(shù)字電流表安裝在單相電爐變壓器原邊，被檢測的電流信號和電極位置檢測裝置的信號直接輸入到PLC控制器，PLC控制器通過將輸入電流檢測裝置中的電流信號模糊處理和電極位置檢測裝置中的電極位置信號處理與各自的設(shè)定值比較后，輸出開關(guān)量控制相應(yīng)的電磁閥開或關(guān)，使電極升降壓放機(jī)構(gòu)動(dòng)作，帶動(dòng)三個(gè)單相電極上升或下降，運(yùn)行范圍0 1500mm，上位機(jī)顯示電極及變壓器各個(gè)參數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)視電極運(yùn)行狀態(tài)。所有上述過程是自動(dòng)完成的。礦熱爐是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，在冶煉過程中，它的干擾很不確定比如爐料參數(shù)(外擾)和電爐的電阻(內(nèi)擾)變化很大，采用電極位置作為內(nèi)環(huán)、電極電流作為外環(huán)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中電極電流調(diào)節(jié)器采用自調(diào)整模糊控制器，電極位置調(diào)節(jié)器的被控對象一電爐是一個(gè)二階系統(tǒng)，因?yàn)閷τ谖恢玫目刂浦恍铚?zhǔn)確跟蹤控制信號即可，采用普通 PI調(diào)節(jié)器，由于內(nèi)環(huán)采用的PI調(diào)節(jié)器，控制系統(tǒng)簡單，容易實(shí)現(xiàn)。由于電極升降系統(tǒng)存在強(qiáng)耦合性、靈敏度高、參數(shù)時(shí)變以及非線性等因素，礦熱爐的數(shù)學(xué)模型難以建立，采用常規(guī)PID算法難以滿足控制要求。本發(fā)明提出了基于人工操作經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自調(diào)整模糊控制策略，利用PLC控制器的編程運(yùn)算能力實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建模糊控制表及電極升降查表控制功能?？紤]一維情況下只有誤差輸入，其動(dòng)態(tài)性能往往不佳，增加維數(shù)可提高控制精度，但控制規(guī)則變得復(fù)雜，算法實(shí)現(xiàn)也變得困難，因此將電極升降模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成一個(gè)雙輸入單輸出的系統(tǒng)。以礦熱爐三相電極為被控對象，輸出電流值為被控變量。將輸出電流設(shè)定值與所測電流值比較得到的偏差(e)和偏差變化量(Δβ)作為模糊控制器的輸入信號。礦熱爐電極升降控制系統(tǒng)模糊控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為采用調(diào)整量化因子、比例因子和輸入變量作用權(quán)重這兩種自調(diào)整方式結(jié)合起來的自調(diào)整模糊控制器。(1)模糊化處理，根據(jù)輸入變量偏差(e)和偏差變化量(Δ e)的大小來改變模糊控制器的參數(shù)K1, K2，K3的大小及E，EC作用的權(quán)重，經(jīng)過模糊化、模糊推理及清晰化運(yùn)算后，即可得到模糊控制表；(2)當(dāng)模糊控制表創(chuàng)建完成后，將模糊控制器輸入e和Δ e值進(jìn)行尺度變換，根據(jù)上一步得到的模糊表實(shí)時(shí)查詢得到輸出值并將其量化處理得到控制器輸出u ；(3)對模糊控制器輸出信號進(jìn)行調(diào)節(jié)處理后，由PLC控制器輸出24V開關(guān)電壓信號控制中間繼電器，利用其帶動(dòng)現(xiàn)場220V開關(guān)電磁閥從而使液壓缸動(dòng)作，最終實(shí)現(xiàn)對電極的升降自動(dòng)控制。以上自調(diào)整方法，同時(shí)考慮了系統(tǒng)響應(yīng)各個(gè)階段誤差E和誤差變化EC對及K3的影響，且為誤差E的非線性函數(shù)，更符合系統(tǒng)響應(yīng)過程變化特征，調(diào)整方法計(jì)算簡單，易于實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)控制。本發(fā)明的有益效果是(1)、基于自調(diào)整模糊控制的礦熱爐電極雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，由于被控過程的非線性、高階次、時(shí)變性以及隨機(jī)干擾等因素，其中電流調(diào)節(jié)器采用自調(diào)整模糊控制器(SAFC)， 達(dá)到模糊控制規(guī)則在控制過程中自動(dòng)調(diào)整和完善，從而使系統(tǒng)的控制性能不斷完善，達(dá)到了預(yù)期的效果。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，具有很好的快速性和實(shí)時(shí)性。(2)、自調(diào)整模糊控制系統(tǒng)對被控對象的內(nèi)擾、外擾等不確定的擾動(dòng)有一定的抑制能力，具有很強(qiáng)的魯棒性，很好的控制品質(zhì)。(3)、降低電極消耗和能源消耗，采用電流及電極位置雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，大幅度改善了冶煉能源的電效率和電極的調(diào)節(jié)性能。將礦熱爐冶煉行業(yè)真正帶入智能化控制時(shí)代。 三相電弧功率的不平衡度減小到2%以內(nèi)，供電效率提高10%以上，噸鐵綜合電耗降低5% 以上；0)、由于采用位置內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)，避免了電極上下串動(dòng)，使控制系統(tǒng)更穩(wěn)定。(5)、本發(fā)明具有最簡單的操作、最低的故障、最低的電耗。良好性能可為用戶帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式請參閱圖1和圖2所示，為本發(fā)明的實(shí)施例，該實(shí)施例是由單相電爐變壓器1、輸入電流檢測裝置2、電極位置檢測裝置3、PLC控制器4、輸出開關(guān)量5、電極升降及壓放機(jī)構(gòu)6、三個(gè)單相電極7和上位機(jī)8組成，電源通過單相電爐變壓器1變壓后與礦熱爐中的三個(gè)單相電極7連接，電極位置檢測裝置3設(shè)置在礦熱爐中，電極位置檢測裝置3的檢測信號通過光電編碼器9與PLC控制器4連通，單相電爐變壓器1的輸入端設(shè)置有輸入電流檢測裝置2，輸入電流檢測裝置2的電流強(qiáng)度信號與PLC控制器4連通，PLC控制器4通過輸出開關(guān)量5控制電極升降及壓放機(jī)構(gòu)6工作，電極升降及壓放機(jī)構(gòu)6夾持三個(gè)單相電極7，上位機(jī)8監(jiān)控PLC控制器4。 本實(shí)施例的工作過程是10kv的電能經(jīng)過單相變壓器1變成低壓為IOOv的電壓， 再經(jīng)過短網(wǎng)至三個(gè)單相電極7，其中輸入電流檢測裝置2是數(shù)字電流表，數(shù)字電流表安裝在單相電爐變壓器1原邊，被檢測的電流信號和電極位置檢測裝置3的信號直接輸入到PLC 控制器4，PLC控制器4通過將輸入電流檢測裝置2中的電流信號模糊處理和電極位置檢測裝置3中的電極位置信號處理與各自的設(shè)定值比較后，輸出開關(guān)量5控制相應(yīng)的電磁閥開或關(guān)，使電極升降壓放機(jī)構(gòu)6動(dòng)作，帶動(dòng)三個(gè)單相電極7上升或下降，運(yùn)行范圍0 1500mm， 上位機(jī)8顯示電極及變壓器各個(gè)參數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)視電極運(yùn)行狀態(tài)。所有上述過程是自動(dòng)完成的。
權(quán)利要求
1. 一種位置內(nèi)環(huán)、電流外環(huán)的礦熱爐電極控制系統(tǒng)，其特征在于是由單相電爐變壓器、輸入電流檢測裝置、電極位置檢測裝置、PLC控制器、輸出開關(guān)量、電極升降及壓放機(jī)構(gòu)、 三個(gè)單相電極和上位機(jī)組成，電源通過單相電爐變壓器變壓后與礦熱爐中的三個(gè)單相電極連接，電極位置檢測裝置設(shè)置在礦熱爐中，電極位置檢測裝置的檢測信號通過光電編碼器與PLC控制器連通，單相電爐變壓器的輸入端設(shè)置有輸入電流檢測裝置，輸入電流檢測裝置的電流強(qiáng)度信號與PLC控制器連通，PLC控制器通過輸出開關(guān)量控制電極升降及壓放機(jī)構(gòu)工作，電極升降及壓放機(jī)構(gòu)夾持三個(gè)單相電極，上位機(jī)監(jiān)控PLC控制器；PLC控制器通過將輸入電流檢測裝置中的電流信號模糊處理和電極位置檢測裝置中的電極位置信號處理與各自的設(shè)定值比較后，輸出開關(guān)量控制相應(yīng)的電磁閥開或關(guān)，使電極升降壓放機(jī)構(gòu)動(dòng)作， 帶動(dòng)三個(gè)單相電極上升或下降。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種位置內(nèi)環(huán)、電流外環(huán)的礦熱爐電極控制系統(tǒng)，是由單相電爐變壓器、輸入電流檢測裝置、電極位置檢測裝置、PLC控制器、輸出開關(guān)量、電極升降及壓放機(jī)構(gòu)、三個(gè)單相電極和上位機(jī)組成，被檢測的電流信號和電極位置檢測裝置的信號直接輸入到PLC控制器，PLC控制器通過將輸入電流檢測裝置中的電流信號模糊處理和電極位置檢測裝置中的電極位置信號處理與各自的設(shè)定值比較后，輸出開關(guān)量控制相應(yīng)的電磁閥開或關(guān)，使電極升降壓放機(jī)構(gòu)動(dòng)作，帶動(dòng)三個(gè)單相電極上升或下降，運(yùn)行范圍0～1500mm，上位機(jī)顯示電極及變壓器各個(gè)參數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)視電極運(yùn)行狀態(tài)。該系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，具有很好的快速性和實(shí)時(shí)性；對被控對象的內(nèi)擾、外擾等不確定的擾動(dòng)有抑制能力。
文檔編號F27B3/28GK102297584SQ20111028909
公開日2011年12月28日 申請日期2011年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月27日
發(fā)明者楊本全, 王玉華, 陳志剛, 陳愛華 申請人:臺州學(xué)院