CN101868077B - 一种矿热炉电极的非接触检测及最佳熔炼控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明矿热炉电极的非接触检测及最佳熔炼控制方法涉及矿热炉冶炼技术领域，该方法基于光电式非接触检测原理，检测电极相对长度的方法，用此数据来描述电极的损耗与电极的相对长度，电极在压放过程中其电流环与位置环的关系集参数，同时结合导电横梁的位置、电极的垂直度、炉料与的电极电流的相互关系建立系统模型，实现矿热炉的连续智能自动化生产。本发明实现电弧炉的全自动智能化操作，降低劳动强度，降低产品投入成本和能耗。

Description

一种矿热炉电极的非接触检测及最佳熔炼控制方法

技术领域

本发明涉及矿热炉冶炼中的生产工艺过程，特别涉及一种矿热炉冶炼过程中电极相对长度的非接触检测及最佳熔炼控制方法。

背景技术

电弧炉按其工作原理可分为直接加热电弧炉、间接加热电弧炉和电阻电弧炉三大类，矿热炉是直接加热式电弧炉，它的特点是：电弧在电极和炉料之间放电使焦炭催化燃烧，将铁矿粉熔化。炉料实际上亦为燃弧电极之一。在此类电弧炉中，直接处于高温电弧之下的炉料瞬即熔化。如果，炉料的熔点较低，气化温度低，则炉料大量气化，造成很大的损耗。另外，由于该种电弧炉的电极是直立的，不受弯曲的应力，所以电极的尺寸可以加大。很显然，电极的尺寸大，则输入炉内的功率就可以加大，所以炉子的容量就不受限制，可以做成超大型的。综上所述可以认为：直接加热式电弧炉适合用来熔炼熔点较高，且产量较高的金属。

所以在工业当中，主要用它来冶炼不同规格的钢铁、特种钢以及各种合金材料。特别适用于以下两种情况：第一，用来熔炼优质钢，因为电弧炉的炉温高，且调温方便，在炉内能够保持还原性气氛，从而能有效的除硫、磷等有害杂质。第二、这种电弧炉还适宜铸钢车间熔炼铸造钢。这一方面是由于浇铸钢件时，钢水需用量不多，电弧炉在容量匹配上容易满足浇铸要求；另一方面，还因为在电弧炉内熔炼及精炼出来的钢水温度高，且流动性好，因而适宜用来浇铸形状复杂的铸钢件。现代化电弧炉均为直接加热、炉底不导电式电炉。电弧发生在每一电极与炉料之间，已熔化的金属则形成负荷的中心点。

目前，在国内95％以上的电弧炉都没有实现全自动智能化的无人操作的电弧炉，都还使用人工操作方法，操作人员工作环境艰苦、劳动强度大、产品投入成本过高、耗能突出等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种矿热炉电极的非接触检测及最佳熔炼控制方法，其实现全自动智能化操作，降低劳动强度，降低产品投入成本，降低能耗。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种矿热炉电极的非接触检测及最佳熔炼控制方法，包括如下步骤：

第一步：在矿热炉的三相电极控制装置上，加装三套电极相对长度传感器，用于检测三个电极的各自插入矿热炉内部的相对长度，为最佳熔炼过程提供电极的相对长度及电极的耗损参数，以使工业控制计算机系统根据最佳熔炼过程的算法及其参数，确定对电极输出的控制量；

第二步：在矿热炉的三相电极液压控制装置上，加装导电横梁双侧液压缸位置检测系统，用于检测导电横梁的平衡及电极的垂直度，以使工业控制计算机系统结合电极相对长度传感器所检测的参数，计算出电极与冶炼溶面的电弧间距，调整最佳熔炼过程；

第三步：在矿热炉的布料控制装置上，由工业控制计算机系统控制布料车根据按需布料的原则，配合电极的运行方式实现矿热炉的自动合理布料；

第四步：根据电极的相对长度、导电横梁的位置量、布料下料量、炉底温度的参数，建立矿热炉电极的控制算法，并采用遗传算法对测量结果进行优化处理，由工业控制计算机系统自动输出控制量；

第五步：在矿热炉的电流环控制中，控制算法根据电流的变化区间内电极的相对长度及导电横梁的位置，编制电极控制量在子区间的位置上、下限，从而保证电极在运行中不飞车和失控，并在每一子区间设定报警、问询子系统，其问询量包括布料量、炉底温度、出品量等工艺参数，此过程由软件及算法自动完成；

第六步：采用数字液压控制系统实现对电极的精确控制，同时结合第四步的控制算法及输出量，对电极进行精确的闭环控制，从而实现矿热炉电极的非接触检测及最佳熔炼控制方法。

本发明的方法在实施过程中有如下要求：

1)在熔炼过程中具有高灵敏度，对电弧电流变化的反应要灵敏，可以用非灵敏区来衡量。非灵敏区指当电极调节量发生变化时，电极仍保持静止的整个区间。通常用不感系数代表调节器非灵敏区的大小。执行机构在开始向两个方向动作时的被调量之差与其算术平均值之比的百分数称为不感系数。

2)对电极调节的快速性要好，电极提升速度要快，否则容易造成短路而使高压断路器自动跳闸；下降要慢，适量进给，以免电极碰撞炉料而折断或插入熔液中。电极速度由零升至最大速度的90％所需时间不得大于0.35S，电极速度由最大速度降到10％所需时间不得大于0.155。

3)自动运行过程中，要保证电弧电流能在额定值的30-125％的范围内平滑地整定，无断流发生。

4)在电极同炉料短路时，在保证电弧稳定的情况下，应使电极以最大速度上升，并停止布料。

5)在控制过程中，保证电极升降控制能迅速地从自动切换为手动，或由手动切换为自动。

6)在矿热炉通电时，电极控制系统能保证自动燃弧。其调节器应能保证调节工作高度可靠，操作简单。

7)要保证良好的三相间的平衡性及相互间的尽可能小的影响。

本发明的有益效果是：由于对矿热炉的电极电流变化区间参数、电极的相对长度及导电横梁的位置关系参数的精确检测，使电极与熔液面之间的位置关系为最佳，在熔炼过程中的功率释放为最大，降低其电能的损耗，达到节能的目的；本发明的方法能够实现全自动智能化操作，降低劳动强度，降低产品投入成本。

附图说明

图1是本发明矿热炉电极的非接触检测及最佳熔炼控制方法示意图。

图2是本发明矿热炉电极的非接触检测原理示意图。

图3是本发明采用的遗传算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明是在矿热炉电极的相关部位上，加装非接触式传感器检测其电极的相对长度，加装导电横梁的位置传感器检测导电横梁的平衡和电极的垂直度，配合电流环、炉底温度的检测、布料量的检测，使矿热炉电极工作在最佳熔炼状态的控制方法。

本发明采用电极放电最佳位置及工况参数的在线检测技术，基于机电一体化综合技术、现代控制技术对矿热炉电极的相对长度及工况进行数据采集分析，通过工业控制计算机系统及电极数控液压进给控制系统，来控制电极的工作电流，保证矿热炉在熔炼过程中，电极的相对长度及垂直度处于最佳状态，同时结合电流控制系统，使矿热炉的功率因数在最佳参数上运行，降低无功消耗，调平三相输出功率，提高电能的利用率，降低企业生产成本。

本发明采用光电转换原理设计了一个非接触式电极位移在线检测装置及方法，对于测量结果的误差采用遗传算法原理做优化，并结合矿热炉的其它参数，完成电极的控制动作。

如图1所示，其为本发明矿热炉电极的非接触检测及最佳熔炼控制方法示意图。其中，矿热炉1是矿热炉的炉体结构，其作用是将矿料通过冶炼形成钢铁材料；导电横梁双侧液压缸系统2用以完成对电极在熔炼过程中的升或降；导电横梁双侧液压缸伺服电磁阀控制系统3是一数字式液压驱动系统，通过导电横梁双侧液压缸位置检测系统9完成数字给定的要求；非接触式电极相对长度传感器系统4采用光电鼠标传感器或激光红外线式传感器，其包括有光源、光学系统和探测器，用以完成对矿热炉电极10的相对长度的检测；非接触式电极相对长度检测转换系统5包括信号处理电路、A/D采集系统，用以完成对检测信号的处理及转换；非接触式电极相对长度检测接口系统6包括USB通信接口及接口协议，用以完成信号的传输，也可以采用双机通讯系统来实现；工业控制计算机系统7是矿热炉最佳熔炼控制的核心控制器，用以完成整个检测与控制系统中数据的运算和处理；显示、存储及记录系统8是一人机接口设备，是本发明的综合显示、存储及记录系统；导电横梁双侧液压缸位置检测系统9：在矿热炉中共有三相电极，其中每个电极都有两支液压缸系统，控制电极在熔炼过程中的升或降，而每支液压缸都对应安装一个位置传感器，用以完成导电横梁的平衡及电极垂直度的检测；矿热炉电极10：在矿热炉中共有三相电极，图1中所示为其中一相电极，是一自培式电极，检测电极的相对长度是由非接触式电极相对长度传感器系统4、非接触式电极相对长度检测转换系统5、非接触式电极相对长度检测接口系统6实现，检测电极的位置由导电横梁双侧液压缸位置检测系统9实现，对电极实施控制由导电横梁双侧液压缸系统2、导电横梁双侧液压缸伺服电磁阀控制系统3、工业控制计算机系统7实现；矿热炉的矿料熔池11是一容纳冶炼后的铁水的矿料熔池。

如图2所示，本发明电极相对长度非接触位移检测方法主要由光电非接触式长度传感器、信号处理电路、USB通信接口、工控计算机系统及电极控制系统实现；光电非接触式长度传感器将检测到的模拟信号送至信号处理电路，信号处理电路将信号进行模数转换后，再送至USB通信接口电路，经工控计算机系统运算处理后，将控制参数送给电极控制系统，达到对电极长度的相对检测及控制。图中：

1、光电非接触式长度传感器包括：

①光源：采用发光二极管，提供系统需要的光源，其主要任务是满足光学传感器的拍摄需要，将所要拍摄的目标照亮。

②光学系统：选用专用的LED透镜，即与LED紧密联系在一起的有助于提升LED的出光效率、改变LED的光场分布的光学系统。

③光学传感器：光学传感器选用安捷伦科技推出的一款LED用的光电鼠标传感器ADNS3060；ADNS3060的工作电压3.3V，节电模式下电流消耗为30uA，最大时钟频率为24MHz，在每秒6400帧时的最大速度为每秒40英寸，分辨率为800cpi；该芯片采用先进的光学导航技术，主要包括图像获取系统数字信号处理器两线串行端口；图像获取系统通过照明系统和透镜组获得微小的图像，然后这些图像信息被DSP处理后判断移动的方向和距离。

2、信号处理电路包括：

①控制芯片：控制芯片负责协调装置中各元器件的工作，并与外部电路进行桥接及各种信号的传送和收取。本发明选取CY7C63743A-PC控制芯片，CY7C63743A-PC是一款带集成USB串口引擎的8位RISC MCU。CY7C63743A-PC与ADNS3060之间的通信通过集成串行外围接口实现。

②数据采集系统：主要是A/D转换器等，用以完成对光电非接触式长度传感器处理后的模拟电信号，进行模数转换后送到工控计算机处理。

3、USB通信接口电路：

①完成USB驱动和系统软件的驱动通过VB编程采集输出信号，构建USB主机的协议，并通过一系列算法实现检测结果输出。

②在工控计算机主机部分基于VB 6.0的测量结果输出，通过VB 6.0面向对象的形象化的界面输出测量结果。光电非接触式电极相对长度传感器系统4的运动在工控计算机的显示器上体现为显示器坐标位置的变化，不同坐标的变化体现为光电非接触式电极相对长度传感器系统4上下左右不同的运动情况。基于Windows xp的VB 6.0能够准确的获得非接触式电极相对长度传感器系统4的位置坐标，通过编译将光电非接触式电极相对长度传感器系统4的位移以直线段的形式输出，得到光电非接触式电极相对长度传感器系统4的运动轨迹从而具体分析运动情况。

4、工控计算机系统：

基于遗传算法对测量结果优化，并参照冶炼过程中的其它参数对矿热炉电极10进行检测与控制。

如图3所示，遗传算法参数的设定：

①确定编码方案。采用遗传算法的二进制编码方案，其具体用法为：假设某一参数的范围是[U_min，U_max]，用一m位二进制数n来表示，则它们的关系如下：

$u=U_{\min }+\frac{n}{2^m-1}(U_{\max }-U_{\min })$

此过程为解码，它的反过程即为编码。首先确定待优化的取值范围，然后根据上式，用它的反应过程对参数进行反编码。

②初始种群的产生。初始种群为8次对同一刻度测量的8个数据。

③确定适应度函数。个体适应度函数是确定个体评价方法，是遗传算法的关键。本装置中适应函数的获取是按照多次试验平均值基于Matlab最小二乘法曲线拟合的方法。获取一个3阶的曲线函数，用此函数作为适应度函数的初始函数。

④控制参数的选取。控制参数包括种群的规模，变量的个数，算法执行的最大代数、执行不同遗传操作的概率以及其它一诶辅助的空子参数等。根据具体情况可以选择不同的参数，本发明选择：初始种群大小psize＝8，变量个数为1，最大迭代数mxa gen＝25，交叉概率P_c＝0.85，变异概率P_m＝0.05。

⑤遗传算子的设计

遗传算法中的遗传算子主要包括选择、交叉和变异。最常用的的选择算子是比例选择算子，比例选择方法是一种回放式随机采样的方法。其基本思想是：各个个体被选择的概率与其适应度大小成正比。由于是随机操作的原因，这种选择方法的选择误差比较大，有时甚至连适应度较高的个体也选择不上。

设群体大小为M，个体i的适应度为F_i，则个体i被选中的概率p_is为：

$p_{\mathrm{is}}=F_i/\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i$ (i＝1，2，…，M)

由上式可见，适应度越高的个体被选中的概率也越大；反之，适应度越低的个体被选中的概率也越小。

交叉是指对2个相互配对的染色体按某种方式相互交换其部分基因，从而形成2个新的染色体。常用单点交叉和双电交叉，本发明中选用单点交叉，一般交叉的经验取值为0.4-0.99。变异是将个体染色体编码串长度中某些基因座上基因值用该基因座的其他等位基因来替代，形成新的个体，通常变异概率的取值范围是0.0001-0.1。

⑥确定算法的终止条件

遗传算法的终止条件即遗传算法的终止进化代数，一般取值100-500。本发明选择最大迭代数为300。

本发明涉及的一种矿热炉冶炼过程中电极相对长度的非接触检测及最佳熔炼控制方法，其中光电非接触式电极长度传感器4及非接触式电极相对长度检测转换系统5，用来检测矿热炉电极10的相对长度；导电横梁双侧液压缸位置检测系统9可选择拉绳式光电编码器或拉杆式位置传感器或超声波式位置传感器等，其安装位置可地平式平装或在导电横梁倒置安装，其安装位置可以互换，导电横梁双侧液压缸位置检测系统9用来检测导电横梁的位置，以防止电极10在运行过程中偏离中心线；由光电非接触式电极长度传感器4及非接触式电极相对长度检测转换系统5，结合导电横梁双侧液压缸位置检测系统9，对电极10的最佳工作长度及位置进行精确检测，通过图2所示的工控计算机系统进行处理，由导电横梁的压放系统完成电极10的压放，同时由导电横梁双侧液压缸伺服电磁阀控制系统3及导电横梁双侧液压缸系统2完成电极10的位置控制；为了在工作过程中对电极10导电横梁位置和导电横梁是否平衡的检测，对导电横梁双侧液压缸系统2的定位进行精确检测，由导电横梁双侧液压缸位置检测系统9完成。由光电非接触式电极长度传感器4及非接触式电极相对长度检测转换系统5，完成电极10在冶炼运行过程中的耗损量及压放的进给量。导电横梁的升起或下降，由导电横梁双侧液压缸伺服电磁阀控制系统3、导电横梁双侧液压缸系统2及导电横梁双侧液压缸位置检测系统9完成。其中，每个导电横梁双侧液压缸系统2得到一个共同的数字开关量控制信号，由导电横梁双侧液压缸伺服电磁阀控制系统3控制，电磁阀使得液压缸升起或下降，它是由工业控制计算机系统7及可编程控制器发来的开关量信号控制。电极10的导电横梁的位置，是由工业控制计算机系统7根据具有顺序号的光电非接触式电极长度传感器4、导电横梁双侧液压缸位置检测系统9得到每个液压缸的位置参数，从而可检测到电极10的导电横梁是否平衡。通过矿热炉1熔炼过程中电极10上升或下降的编号，计算出其偏差。然后，对电极10的导电横梁的液压驱动装置即导电横梁双侧液压缸伺服电磁阀控制系统3及导电横梁双侧液压缸系统2，施加液压补偿控制或进行偏差校正等控制技术方面的影响，以保证矿热炉1在工作过程中，电极10的导电横梁位置平衡。同时保证导电横梁双侧液压缸系统2的位置参数，通过有顺序号的导电横梁双侧液压缸位置检测系统9和光电非接触式电极长度传感器4，有效的配合矿热炉1在冶炼过程中，电极10电流强度与电极10长度及位置参数的最佳运行状态。导电横梁的升起或下降的位置参数被检测，并通过有顺序号的导电横梁双侧液压缸位置检测系统9发出的数字量信号传送给计算机系统显示或控制。检测到导电横梁双侧液压缸系统2的位置参数偏差，由计算机进行位置参数偏差计算，求出偏差值并通过液压补偿器对导电横梁双侧液压缸系统2驱动装置施加控制，保证炉料熔炼的最佳工作状态。其电炉的布料系统要根据矿热炉三相电极的相互位置关系，布料车进行合理布料，以避免在炉子中发生塌料现象。

矿热炉电极10在熔炼过程中的最佳状态的控制方法如表1所示，表中的检测量有电极的相对长度、导电横梁的位置量、布料下料量、炉底温度的参数，在算法中依此为依据对矿热炉的电极进行控制。表1中：e(i)代表的是矿热炉三相电极的最佳工作电流量的变化率；E(Imax)代表的是矿热炉三相电极的最大工作电流量变化率；Δe(i)代表的是矿热炉三相电极的瞬态工作电流量的变化率；E(Imin)代表的是矿热炉三相电极的最小工作电流量变化率。

表1三相电极电流控制规则表

本发明根据矿热炉压放过程中的速度慢，位移量小的特点，利用光电转换原理设计了一套光电非接触式电极相对长度检测方法。该方法利用发光二极管发出的光线经过透镜折射到被测电极表面，光学传感器接收图像，经DSP分析处理后由USB转交计算机。本发明中数据的读取由面向对象的所编程序完成。该方法与电极的非接触测量间距离在5mm以下，每个液压缸得到一个共同的控制信号。导电横梁的位置及电极的相对长度，由计算机根据具有顺序号的非接触式传感器，得到每个电极的相对位置长度参数，从而可检测并计算出电极的位置及电极的运动长度，通过矿热炉熔炼过程中电极上升或下降的编号算出其偏差。然后，对导电横梁的驱动装置施加控制技术的影响，以保证电炉工作过程中，导电横梁的位置平衡及电极最佳长度。同时保证液压缸的位置参数可得到显示及可控制，解决了矿热炉连续自动化无人参与的闭环智能化控制的问题，从而达到低碳、节能、降耗、减排的目的。

Claims (5)

1.一种矿热炉电极的非接触检测及最佳熔炼控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

第一步：在矿热炉(1)的三相电极控制装置上，加装三套电极相对长度传感器(4)用于检测三个电极(10)的各自插入矿热炉(1)内部的相对长度，为最佳熔炼过程提供电极的相对长度及电极的耗损参数，以使工业控制计算机系统(7)根据最佳熔炼过程的算法及其参数，确定对电极输出的控制量；

第二步：在矿热炉(1)的三相电极液压控制装置上，加装导电横梁双侧液压缸位置检测系统(9)，用于检测导电横梁的平衡及电极的垂直度，以使工业控制计算机系统(7)结合电极相对长度传感器(4)所检测的参数，计算出电极与冶炼溶面的电弧间距，调整最佳熔炼过程；

第三步：在矿热炉(1)的布料控制装置上，由工业控制计算机系统(7)控制布料车根据按需布料的原则，配合电极的运行方式实现矿热炉的自动合理布料；

第四步：根据电极的相对长度、导电横梁的位置量、布料下料量、炉底温度的参数，建立矿热炉电极的控制算法，并采用遗传算法对测量结果进行优化处理，由工业控制计算机系统(7)自动输出控制量；

第五步：在矿热炉(1)的电流环控制中，控制算法根据电流的变化区间内电极的相对长度及导电横梁的位置，编制电极控制量在子区间的位置上、下限，并在每一子区间设定报警、问询子系统；

第六步：采用数字液压控制系统实现对电极的精确控制，同时结合第四步的控制算法及输出量，对电极进行精确的闭环控制，从而实现矿热炉电极的非接触检测及最佳熔炼控制方法。

2.根据权利要求1所述的矿热炉电极的非接触检测及最佳熔炼控制方法，其特征在于，第一步所述的电极相对长度传感器(4)为接触式光电传感器或非接触式光电传感器。

3.根据权利要求1或2所述的矿热炉电极的非接触检测及最佳熔炼控制方法，其特征在于，所述的电极相对长度传感器(4)为光电鼠标传感器或激光红外线式传感器。

4.根据权利要求1所述的矿热炉电极的非接触检测及最佳熔炼控制方法，其特征在于，第二步所述的导电横梁双侧液压缸位置检测系统(9)对导电横梁的升起或下降实施控制，每个液压缸得到一个共同的控制信号。

5.根据权利要求1或4所述的矿热炉电极的非接触检测及最佳熔炼控制方法，其特征在于，所述的导电横梁双侧液压缸位置检测系统(9)由两个传感器组成，其安装位置可互换，导电横梁双侧液压缸位置检测系统(9)通过得到每个液压缸的位置参数，可检测电极是否垂直。

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