CN102297584A - 位置内环、电流外环的矿热炉电极控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种位置内环、电流外环的矿热炉电极控制系统，是由单相电炉变压器、输入电流检测装置、电极位置检测装置、PLC控制器、输出开关量、电极升降及压放机构、三个单相电极和上位机组成，被检测的电流信号和电极位置检测装置的信号直接输入到PLC控制器，PLC控制器通过将输入电流检测装置中的电流信号模糊处理和电极位置检测装置中的电极位置信号处理与各自的设定值比较后，输出开关量控制相应的电磁阀开或关，使电极升降压放机构动作，带动三个单相电极上升或下降，运行范围0～1500mm，上位机显示电极及变压器各个参数，实时监视电极运行状态。该系统动态响应快，具有很好的快速性和实时性；对被控对象的内扰、外扰等不确定的扰动有抑制能力。

Description

位置内环、电流外环的矿热炉电极控制系统

技术领域

本发明涉及一种位置内环、电流外环的矿热炉电极控制系统。

背景技术

铁合金电炉炼制铁合金，是由电能通过电炉变压器、短网、电极到炉料，以电弧和电阻发热的形式将炉料融化，再经化学反应产生铁合金。为此在冶炼过程中要求电炉电热能转换效率高，电弧炉耗电量少，对电网的谐波干扰小，而这就需要合理控制三相电流、三相功率的大小，对于电弧炉电极调节系统来说，一般都希望其输出能够快、稳、准地达到给定值，也就是要求电极实时、快速、准确地按照冶炼工艺要求动作。

炉料的熔化过程包括以下步骤：

1、起弧阶段：

从通电起弧至电极开始插入炉内称为起弧；

(1)电极下降接触炉料，产生极大的短路电流，电极与炉料间的空气被电离，当电极与金属炉料分开时形成电弧。

(2)电极下的金属料受到高温而发生爆裂，瞬时短路电流引起炉料之间、短网系统和变压器机械振动产生的声响，造成很大的噪音。

(3)起弧阶段的电压和电流波动大，电弧燃烧不稳定，短路和断弧现象时有发生。为使电弧稳定，通电前应在变压器高压侧串上电抗器进行工作。

2、穿井阶段：

主要是电极穿井和熔化电极下面炉料的过程。由于电极自动调节器的作用，电极始终要与炉料保持一定距离，所以电极随着炉料的熔化而不断下降。在炉料中形成三个比电极直径大30～40％的深坑，称为电极“穿井”。

3、电极回升阶段：

主要靠电弧热辐射使电极周围的炉料熔化。熔化的金属聚集在炉底，使铁合金液面不断上升，为维持一定的电弧长度，电极也相应回升，直到炉料熔化80％以上，最后仅剩下远离电弧低温区附近的炉料时，回升阶段即告结束。

4、熔清阶段：

主要任务是熔化靠近炉坡、出口及炉门两侧等低温区的炉料。

在整个熔化过程中，穿井和回升阶段占全部熔化时间的70～80％，是缩短熔化时间、降低熔化电耗的重点阶段。

矿热炉冶炼铁合金对电极调节器的要求

电极调节器的调节条件和调节任务颇为复杂。在起弧熔化冷料时，长度为数毫米的电弧在不甚大的范围内，就能产生数千千瓦的功率，此时电弧温度高达数千度，被熔料在电极下面迅速而激烈的熔化、飞溅，时有短路和断弧现象的发生，因此弧长、输入功率不断变化。当电弧电流小于额定值时，输入到炉内的电能减少，熔化时间拖长，电能及电极消量均有增加而当电流非常大时，虽仅数秒钟，就能使线路损耗大大增加，导致输入电弧炉内的电能减少，降低设备的各项指标，此时电弧长度非常短，特别是当电极同赤热或液态熔液接触时，会使熔液遭受增碳的危险，严重时可折断电极。可见，电极调节器的调节任务非常关键，即在保证稳定调节的条件下，要求电极调节器灵敏度高，快速性好，超调小。具体地说，对自动调节器的要求如下：

高灵敏度：对电弧电流变化的反应要灵敏。

电极调节快速性好：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，以免电极碰撞炉料而折断或插入熔液中。保证电弧电流能在额定值的范围内平滑地整定。

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。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。

调节器应能保证调节工作高度可靠，操作简单。

良好的三相间的平衡性及相互间的尽可能小的影响。由于炉内炉料的放置不是均匀的，因而三相电极之间是不平衡的。同时，三相电极之间也存在相互间的影响。这些都是设计电极调节器时需要考虑的。

具有抗参数时变的能力，即鲁棒性好。

上面的各项要求中，最重要的是快速性、灵敏度和系统超调小。

调节性能好的电极调节器对随机扰动反应快、平稳调节，可以缩短熔炼时间，提高电弧炉生产效率。

二、现存的问题

目前在铁合金生产企业，电极升降系统仍然采用人工手动控制方法，单凭经验、感觉下放电极，有时还需操作工人亲自到电炉旁观察。这不仅增加了操作工人的危险性，还容易造成电极烧结不好、炉况不稳定。

在所有的矿热炉电极控制系统中，一般的控制策略都是恒阻抗、恒电流、恒功率。主要是以检测电极电流与给定电流之差进行比较，通过升降电极保持电流恒定。

目前矿热炉的电极系统采用的电流表、电压表显示的电极工作状态。电极控制的操作仪表盘。操作人员根据所测的数据，电流表指示的数据手工操作仪表盘上的旋转手柄调节电极插入深度来控制电极电流满足工艺要求。矿热炉由于当时技术水平有限，经过多年运行，暴露出以下缺点和不足：

(1)电极系统的现场控制由操作人员手工操作实现。硅锰合金生产为三班连续作业，由于操作人员的素质(如技术水平、反映灵敏性和责任心等)不同，导致矿热炉运行不很规范，难以保证持续满负荷运行，影响产品产量和质量，技术经济指标很差。

(2)电极压放经常必须在停电状态下进行，影响生产的连续性。

(3)矿热炉运行参数和供配电状态分别由操作人员和电工定时观察和记录，难以做到规范准确，难以对数据进行分析，更难以对历史记录分析比较。

电极调节器的作用是通过调节电极的位置达到调节功率的目的。因此，确定最优的电极控制方案对冶炼时间的缩短、单位电能消耗的减少，降低铁合金的冶炼成本及提高功率因数都有极其重要的作用。

相对于矿热炉冶炼铁合金的快速性而言，电气-液压式自动调节系统的液压传动机构的惯性还是较大。如果控制器的算法采用不当，会造成系统超调大、调节时间长、电极上下窜动等问题。因此，针对电弧炉炼钢设备的特点，选择合适的控制算法对电弧炉炼钢有着重要意义。目前电弧炉的电极控制算法很多，传统的PID控制采用的PID调节器，其参数整定要依赖于被控对象的精确数学模型。电弧炉的电极调节系统是一个非线性、时变、输入和输出互相耦合，其精确数学模型很难建立，所以控制效果不是很好，尤其是动态性能指标很差。常规的模糊控制器有一些不足之处，比如系统的上升特性不理想、超调量大、调节时间长甚至产生震荡等。产生这些缺点的主要原因是常规模糊控制器在结构上过于简单，在设计中包括不少主观因素，而且一旦模糊规则确定就不再变化等。

鉴于上述原因，为了适应市场竞争需要，提高产品质量，降低能耗，需要开发适用铁合金生产实际需求的矿热炉电极控制系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种位置内环、电流外环的矿热炉电极控制系统，该系统动态响应快，具有很好的快速性和实时性；自调整模糊控制系统对被控对象的内扰、外扰等不确定的扰动有一定的抑制能力，具有很强的鲁棒性，很好的控制品质。

本发明是由单相电炉变压器、输入电流检测装置、电极位置检测装置、PLC控制器、输出开关量、电极升降及压放机构、三个单相电极和上位机组成，电源通过单相电炉变压器变压后与矿热炉中的三个单相电极连接，电极位置检测装置设置在矿热炉中，电极位置检测装置的检测信号通过光电编码器与PLC控制器连通，单相电炉变压器的输入端设置有输入电流检测装置，输入电流检测装置的电流强度信号与PLC控制器连通，PLC控制器通过输出开关量控制电极升降及压放机构工作，电极升降及压放机构夹持三个单相电极，上位机监控PLC控制器；PLC控制器通过将输入电流检测装置中的电流信号模糊处理和电极位置检测装置中的电极位置信号处理与各自的设定值比较后，输出开关量控制相应的电磁阀开或关，使电极升降压放机构动作，带动三个单相电极上升或下降。

本发明的控制过程是：

10kv的电能经过单相变压器变成低压为100v的电压，再经过短网至三个单相电极，其中输入电流检测装置是数字电流表，数字电流表安装在单相电炉变压器原边，被检测的电流信号和电极位置检测装置的信号直接输入到PLC控制器，PLC控制器通过将输入电流检测装置中的电流信号模糊处理和电极位置检测装置中的电极位置信号处理与各自的设定值比较后，输出开关量控制相应的电磁阀开或关，使电极升降压放机构动作，带动三个单相电极上升或下降，运行范围0～1500mm，上位机显示电极及变压器各个参数，实时监视电极运行状态。所有上述过程是自动完成的。

矿热炉是一个复杂的系统，在冶炼过程中，它的干扰很不确定比如炉料参数(外扰)和电炉的电阻(内扰)变化很大，采用电极位置作为内环、电极电流作为外环的双闭环控制系统，其中电极电流调节器采用自调整模糊控制器，电极位置调节器的被控对象---电炉是一个二阶系统，因为对于位置的控制只需准确跟踪控制信号即可，采用普通PI调节器，由于内环采用的PI调节器，控制系统简单，容易实现。

由于电极升降系统存在强耦合性、灵敏度高、参数时变以及非线性等因素，矿热炉的数学模型难以建立，采用常规PID算法难以满足控制要求。本发明提出了基于人工操作经验为基础的自调整模糊控制策略，利用PLC控制器的编程运算能力实现创建模糊控制表及电极升降查表控制功能。考虑一维情况下只有误差输入，其动态性能往往不佳，增加维数可提高控制精度，但控制规则变得复杂，算法实现也变得困难，因此将电极升降模糊控制系统设计成一个双输入单输出的系统。以矿热炉三相电极为被控对象，输出电流值为被控变量。将输出电流设定值与所测电流值比较得到的偏差(e)和偏差变化量(Δe)作为模糊控制器的输入信号。矿热炉电极升降控制系统模糊控制器结构设计为：采用调整量化因子、比例因子和输入变量作用权重这两种自调整方式结合起来的自调整模糊控制器。

(1)模糊化处理，根据输入变量偏差(e)和偏差变化量(Δe)的大小来改变模糊控制器的参数K₁，K₂，K₃的大小及E，EC作用的权重，经过模糊化、模糊推理及清晰化运算后，即可得到模糊控制表；

(2)当模糊控制表创建完成后，将模糊控制器输入e和Δe值进行尺度变换，根据上一步得到的模糊表实时查询得到输出值并将其量化处理得到控制器输出u；

(3)对模糊控制器输出信号进行调节处理后，由PLC控制器输出24V开关电压信号控制中间继电器，利用其带动现场220V开关电磁阀从而使液压缸动作，最终实现对电极的升降自动控制。

以上自调整方法，同时考虑了系统响应各个阶段误差E和误差变化EC对及K₃的影响，且为误差E的非线性函数，更符合系统响应过程变化特征，调整方法计算简单，易于实现在线实时控制。

本发明的有益效果是：

(1)、基于自调整模糊控制的矿热炉电极双闭环控制系统，由于被控过程的非线性、高阶次、时变性以及随机干扰等因素，其中电流调节器采用自调整模糊控制器(SAFC)，达到模糊控制规则在控制过程中自动调整和完善，从而使系统的控制性能不断完善，达到了预期的效果。系统的动态响应快，具有很好的快速性和实时性。

(2)、自调整模糊控制系统对被控对象的内扰、外扰等不确定的扰动有一定的抑制能力，具有很强的鲁棒性，很好的控制品质。

(3)、降低电极消耗和能源消耗，采用电流及电极位置双闭环控制系统，大幅度改善了冶炼能源的电效率和电极的调节性能。将矿热炉冶炼行业真正带入智能化控制时代。三相电弧功率的不平衡度减小到2％以内，供电效率提高10％以上，吨铁综合电耗降低5％以上；

(4)、由于采用位置内环控制系统，避免了电极上下串动，使控制系统更稳定。

(5)、本发明具有最简单的操作、最低的故障、最低的电耗。良好性能可为用户带来显著的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为本发明的系统结构图。

图2为本发明实施例的系统结构图。

具体实施方式

请参阅图1和图2所示，为本发明的实施例，该实施例是由单相电炉变压器1、输入电流检测装置2、电极位置检测装置3、PLC控制器4、输出开关量5、电极升降及压放机构6、三个单相电极7和上位机8组成，电源通过单相电炉变压器1变压后与矿热炉中的三个单相电极7连接，电极位置检测装置3设置在矿热炉中，电极位置检测装置3的检测信号通过光电编码器9与PLC控制器4连通，单相电炉变压器1的输入端设置有输入电流检测装置2，输入电流检测装置2的电流强度信号与PLC控制器4连通，PLC控制器4通过输出开关量5控制电极升降及压放机构6工作，电极升降及压放机构6夹持三个单相电极7，上位机8监控PLC控制器4。

本实施例的工作过程是：10kv的电能经过单相变压器1变成低压为100v的电压，再经过短网至三个单相电极7，其中输入电流检测装置2是数字电流表，数字电流表安装在单相电炉变压器1原边，被检测的电流信号和电极位置检测装置3的信号直接输入到PLC控制器4，PLC控制器4通过将输入电流检测装置2中的电流信号模糊处理和电极位置检测装置3中的电极位置信号处理与各自的设定值比较后，输出开关量5控制相应的电磁阀开或关，使电极升降压放机构6动作，带动三个单相电极7上升或下降，运行范围0～1500mm，上位机8显示电极及变压器各个参数，实时监视电极运行状态。所有上述过程是自动完成的。

Claims (1)

1.一种位置内环、电流外环的矿热炉电极控制系统，其特征在于：是由单相电炉变压器、输入电流检测装置、电极位置检测装置、PLC控制器、输出开关量、电极升降及压放机构、三个单相电极和上位机组成，电源通过单相电炉变压器变压后与矿热炉中的三个单相电极连接，电极位置检测装置设置在矿热炉中，电极位置检测装置的检测信号通过光电编码器与PLC控制器连通，单相电炉变压器的输入端设置有输入电流检测装置，输入电流检测装置的电流强度信号与PLC控制器连通，PLC控制器通过输出开关量控制电极升降及压放机构工作，电极升降及压放机构夹持三个单相电极，上位机监控PLC控制器；PLC控制器通过将输入电流检测装置中的电流信号模糊处理和电极位置检测装置中的电极位置信号处理与各自的设定值比较后，输出开关量控制相应的电磁阀开或关，使电极升降压放机构动作，带动三个单相电极上升或下降。

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