CN102331193B - 矿热电炉电极控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种矿热电炉电极控制系统，包括：电流信号采集模块；设定模块；计算模块；电极控制器；变压器控制器；和控制模块，当电流信号采集模块获得的电流检测值未超出计算模块计算的电流变化比较区时，所述控制模块不改变所述电极的行程和/或所述变压器的电压等级。通过本发明实施例能够实现矿热电炉电极负荷的自动调节，从而使得大型矿热电路三相电极负荷控制平衡，减少线路无功损耗，提高电路变压器、高压断路器的使用寿命，具有精确度高、实时的优点。并且，在本发明的实施例中将一次侧的电流作为负荷控制的最主要参数，有利于提高控制精度。通过本发明实施例对电极故障的判断，能够进一步提高电炉的安全运行性能。

Description

矿热电炉电极控制系统及方法

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，特别涉及一种矿热电炉电极控制系统及方法。

背景技术

目前大型矿热电炉负荷控制主要是通过人工调节液压系统实现对电炉升降油缸的控制。通过改变电极接触炉料的面积，即对电极在该电弧段的做功位置进行调整，从而控制电炉电极负荷，而人工控制方式不能实现精确、连续跟踪控制的要求。

现有技术的缺点是，目前人工控制的方式具有滞后性、稳定性差、效率不高等缺陷。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷，特别是解决现有技术中电极控制的滞后性、稳定性差、效率不高的缺陷。

为达到上述目的，本发明一方面提出了一种矿热电炉电极控制系统，包括：电流信号采集模块，用于检测变压器一次侧的电流以获得电流检测值；设定模块，用于设定变压器一次侧的电流设定值；计算模块，所述计算模块与所述设定模块相连，所述计算模块用于根据所述设定模块设定的电流设定值计算电流变化比较区间的上限值和下限值；电极控制器，用于控制矿热电炉的电极的升降；变压器控制器，用于控制所述矿热电炉的变压器的电压等级；和控制模块，所述控制模块与所述电流信号采集模块、所述计算模块、所述电极控制器和所述变压器控制器相连，当所述电流信号采集模块获得的电流检测值超出所述计算模块计算的电流变化比较区时，所述控制模块控制所述电极控制器和/或所述变压器控制器以改变所述电极的行程和/或所述变压器的电压等级，当所述电流信号采集模块获得的电流检测值未超出所述计算模块计算的电流变化比较区时，所述控制模块不改变所述电极的行程和/或所述变压器的电压等级。

在本发明的一个实施例中，所述控制器根据所述电流检测值计算所述矿热电路的三相电极的电流变化量，并根据所述三相电极的电流变化量计算所述三相电极的行程变化量，并根据所述行程变化量对所述三相电极进行升降控制。

在本发明的一个实施例中，还包括：判断模块，所述判断模块判断在预设的延时时间内所述电流检测值为瞬间变化或者恒变化，如果所述电流检测值为瞬间变化，则所述控制模块不改变所述电极的行程和/或所述变压器的电压等级。

在本发明的一个实施例中，还包括：切换控制模块，所述切换控制模块在出现突发事件时将所述矿热电路电极控制系统切换为手动控制模式。

在本发明的一个实施例中，还包括：故障判断模块，如果某相电极电流瞬间增大，且经所述矿热电炉电极控制系统在预设时间内不能改善负荷增大的情况，则所述故障判断模块判断为电极下滑事故。且，如果某相电极电流在短时间内负荷不在控制区间，且波动较大，经所述矿热电炉电极控制系统在预设时间内不但不能改善，还导致该相电极负荷为0，则所述故障判断模块还用于判断为电极硬断事故。

通过本发明实施例能够实现矿热电炉电极负荷的自动调节，从而使得大型矿热电路三相电极负荷控制平衡，减少线路无功损耗，提高电路变压器、高压断路器的使用寿命，具有精确度高、实时的优点。并且，在本发明的实施例中将一次侧的电流作为负荷控制的最主要参数，有利于提高控制精度。通过本发明实施例对电极故障的判断，能够进一步提高电炉的安全运行性能。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例的矿热电炉电极控制系统的构成图；

图2为本发明实施例矿热电炉电极控制系统的程序模块结构示意图；

图3为本发明实施例中矿热电炉等效电路图；

图4为本发明实施例矿热电炉电极控制系统结构图；

图5为本发明实施例电流变化比较区间及对应控制情况的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示，为本发明实施例的矿热电炉电极控制系统的构成图。该系统采用C/S(Client客服端/Server服务器端)架构，主要由三层结构组成：现场控制层、操作管理层和网络通讯层。其中，现场控制层由控制器组成，例如PLC服务器、DCS服务器等，控制器可按电极控制系统的大小和运算复杂程度来选用。该控制器通过I/O接口与现场设备、开关、仪表连接；主要负责现场数据、位置状态的采集，现场设备的监视、控制和保护，可独立工作；要求有较高的可靠性和稳定性。操作管理层由中控室的客户机(安装监控软件)组成，通过这些客户机来显示现场的状态和数据(集中管理)，并将要进行操作发送到PLC控制器(分散控制)；同时可对采集的数据和状态进行记录、生成报表、声光报警(警告及故障)、修改设定参数，此外还可通过网络与公司的管理系统进行交换数据(生产信息化)。每台工控机都能实现所有的功能，为确保系统的安全可靠，根据需要配备一定数量的工控机；对某一台工控机来讲，一旦出现故障均不影响系统的控制。网络通讯层是连接现场控制层和操作管理层的中间媒介，由通讯设备和通讯电缆(或光纤，长距离时应用)组成，现场控制层与功能操作层通过TCP/IP协议实现数据通讯。它的通讯速率和效率决定现场控制层和操作管理层可连接的数量，较大的系统均采用工业以太网(100MB)，小一些系统选用较便宜串口(COM)网络(如Profibus、12MB，MB+、1MB，ControNET 5MB等)。这里将选用工业以太网作通讯网络。

如图2所示，为本发明实施例矿热电炉电极控制系统的程序模块结构示意图。本发明实施例基于高类聚低耦合程序架构的自动控制技术，其利用数据库建模的形式，采集大型矿热电炉相关控制参数，建立智能数据比较分析模块，各个子程序模块都能调用该智能比较分析模块，进行相关控制，真正实现了数据高类聚，程序模块低耦合的程序设计路线，并成功投入使用。如图所示，电极控制系统、电路负荷控制系统、分合闸控制系统和电炉动力控制均与信息数据库相连，信息数据库中保存有一次侧的电流设定值，以及电流变化比较区间的上限值和下限值等信息，从而将这些信息汇聚在信息数据库中。在该实施例中，采用矿热电炉三相电极负荷平衡基于高类聚低耦合程序架构的自动控制技术，使三相电极负荷控制精度及二次电压控制精度大大提高，三相电极电流偏差控制在1-3安。

本发明实施例中选择变压器一次侧的电流进行检测判断，具体原因如下：

在该实施例中，以型号为HTDSPZ20-RB-25000/110W2的变压器为例，举例描述。其额定容量为25000KVA、当达到额定负荷生产的时候，一次侧电压为110KV。

其中，一次侧电流： $I_1=\frac{S}{\sqrt{3}U}=\frac{25000\×{10}^3}{110000\×\sqrt{3}}=131.2\left(A\right)$

在不考虑短网原因及无功补偿的情况下，根据高压侧电流与高压侧电压，计算高压侧端的功率，在变压器两端，如果不考虑补偿，也不考虑热损失，因为变压器的电压等级是已知的，根据变压器两端的电功率相等的原理，计算出低压侧电流的一个模糊值，即：

U高压侧I高压侧＝U低压侧I低压侧(公式1)

在实际生产中变压器分接开关等级为4级，二次侧电压一般在140V左右，也就是说，在满负荷生产时，二次侧电流：

$I_2=\frac{S}{\sqrt{3}U}=\frac{25000\×{10}^3}{140\×\sqrt{3}}=103101.3\left(A\right)$

根据上述公式1计算二次电流：

$I_2=\frac{I_1{U}_1}{U_2}=\frac{110000\×131.2}{140}=103085.7\left(A\right)$

根据前面的介绍可以得出这样的结论，用公式1计算出来的二次电流与直接用功率计算公式求出的二次电流基本一致，所以控制高压侧负荷大小，就相当于控制低压侧电流(冶炼电流)的大小，且二者之前为正比关系，即：

又因为

(变压系数)，所以

通过上述分析可知，由于在实际生产中，二次电流很大且无法直接测量并取值，计算需要考虑的因素很多，因此很难得出一个精确的二次侧电流，所以本专利将一次侧电流作为负荷控制的最主要参数。

如图3所示，为本发明实施例中矿热电炉等效电路图。其中，Z1＝R1+X1Z2＝R2+X2，Z3＝R3+X3分别为三相等效负载。传统的电极电流控制一般是根据操作台显示的各相电流的大小，手动升降某相电极，改变此相阻抗，达到平衡三相电流的目的。但是由于矿热炉是一个不对称三相负载(如：炉况不稳定、出铁口分布不均匀、原料的比电阻各有不同)，三相负荷零点相对变压器零点存在一定电压差，也就是存在零点漂移现象且在矿热电炉由于加热原料时，三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器的三角形连接线圈而注入电网。因此，任何一相阻抗的变化，不仅会影响本相电流，而且还对其他两相电流产生影响，三相电流之间是藕合非线性关系，这也是为什么手动升降电极难以平衡三相电流的重要原因，调节不及时，调节时间过长，控制效果不理想。

因此，在本发明的实施例中，糊算法计算电极动作与电流之间的关系，如下所示：

公式2：ΔS＝Δt×v；其中，ΔS为电极变化的位置，Δt为电极位置变化的时间，v为电极位置变化的速度。

公式3：

$\begin{array}{c}\left.\begin{array}{ccccc}{I}_A& K_{A1}& K_{A2}& K_{A3}& \mathrm{\Δ}{S}_A\end{array}\right)\\ \left\{I_B\right\}=\left\{\begin{array}{ccc}{K}_{B1}& K_{B2}& K_{B3}\end{array}\right\}\×\left\{\mathrm{\Δ}{S}_B\right\}\\ \begin{array}{ccccc}{I}_C& K_{C1}& K_{C2}& K_{{C3}^{\′\′}}& \mathrm{\Δ}{S}_C\end{array}\end{array},$

其中，I_A、I_B、I_C分别为三相电极的电流变化量，ΔS_A、ΔS_B、ΔS_C分别为三相电极的行程变化量(即电极的位置变化量)、K_A1、K_A2、......、K_C3分别为三相电极之间炉料比电阻参数。有上述计算公式可知，移动电极位置ΔS，能得出相应电极负荷。因此，在本发明实施例中，只要计算得电极的电流变化量就可以计算出控制电极改变的行程变化量，从而控制电极升降。

如图4所示，为本发明实施例矿热电炉电极控制系统结构图。该矿热电炉电极控制系统包括电流信号采集模块110、设定模块120、计算模块130、控制模块140、电极控制器150和变压器控制器160。其中，计算模块130与设定模块120相连、控制模块140与电流信号采集模块110、计算模块130、电极控制器150和变压器控制器160均相连。电流信号采集模块110用于检测变压器一次侧的电流以获得电流检测值，在该实施例中检测变压器一次侧(即变压器高压侧)电流的原因在以上已经描述，在此不再赘述。设定模块120用于设定变压器一次侧的电流设定值。计算模块130用于根据设定模块120设定的电流设定值计算电流变化比较区间的上限值和下限值。在本发明的实施例中，电流变化比较区间的上限值I_max＝(I₁×(1+x％)-k)；电流变化比较区间的下限值I_min＝(I₁×(1-x％)+k)；其中，I₁为电流设定值，k为负荷波动系数，x为电极的动态变量，即电流最高和最低上下限调整系数。

其中，k需要经过反复的实验才能确定，在该本发明中，k在125-135之间，优选为130。如图5所示，为本发明实施例电流变化比较区间及对应控制情况的示意图。

其中，电极控制器150用于控制矿热电炉的电极(即三相电极)的升降。变压器控制器160用于控制矿热电炉的变压器的电压等级。当电流信号采集模块110获得的电流检测值超出计算模块130计算的电流变化比较区时，控制模块140控制电极控制器150和/或变压器控制器160以改变电极的行程和/或变压器的电压等级，当电流信号采集模块110获得的电流检测值未超出计算模块130计算的电流变化比较区时，控制模块140不改变电极的行程和/或变压器的电压等级。

在实际生产中，由于炉况的不稳定因素，造成一次侧电流波动较大，如：刺火，翻渣等，且这些情况的发生概率较高，若给定一次侧电流时，只给定一个值和实际电流比较，来确定电极的动作情况，则容易造成电极动作频繁，导致负荷更加不稳定的结果。故所述最有效的办法，就是根据给定的电流，计算出一个电流的比较区间，当负荷发生变化的情况下，只要不超过比较区间的范围，就不动作电极，如若超过比较的范围，才相应的动作电极，这样才能保证负荷平稳，维持功率的恒定。

在本发明的一个实施例中，控制器140根据电流检测值计算矿热电路的三相电极的电流变化量，并根据三相电极的电流变化量计算三相电极的行程变化量(具体计算方式参见公式2和3)，并根据行程变化量对三相电极进行升降控制。在该实施例中，在超出一定负荷之后，必须判定升降多少安培，然后把这个转化为具体的时间参数(通常电极的运动速度是恒定的)。

由于考虑电极受瞬间炉料比电阻的影响会发生瞬时超负荷情况出现，或零点飘移现象的出现，所以应设计一个时间缓冲区分析电流波动情况及电极位置实际变化的情况，用来标识电极动作到什么时候停止，这也是大型矿热电炉负荷自动控制技术的关键所在。所以，跟据上述计算，在负荷自动控制中，当某项负荷过高或过低时，首先进入延时分析。其中，延时分析有2个作用：

1、分析电流变化是否是瞬时值，若瞬间的电流变化则电极不动作，反之进入电极调节阶段。

2、自动调节电极位置，使一次电流的实际值等于给定值，停止电极动作。

因此，本发明实施例的矿热电炉电极控制系统还包括判断模块170。判断模块170判断在预设的延时时间内电流检测值为瞬间变化或者恒变化，如果电流检测值为瞬间变化，则控制模块140不改变所述电极的行程和/或变压器的电压等级。

在本发明的一个实施例中，矿热电炉电极控制系统还包括切换控制模块180。切换控制模块180在出现突发事件时将矿热电路电极控制系统切换为手动控制模式。

在本发明的一个实施例中，矿热电炉电极控制系统还包括故障判断模块190。如果某相电极电流瞬间增大，且经本发明的矿热电炉电极控制系统在预设时间内不能改善负荷增大的情况，则故障判断模块190就可判断为电极下滑事故，并立即断电。且，如果某相电极电流在短时间内负荷不在控制区间，且波动较大，经本发明的矿热电炉电极控制系统在预设时间内不但不能改善，还导致该相电极负荷为0，则故障判断模块190还用于判断为电极硬断事故，并立即断电。

通过本发明实施例能够实现矿热电炉电极负荷的自动调节，从而使得大型矿热电路三相电极负荷控制平衡，减少线路无功损耗，提高电路变压器、高压断路器的使用寿命，具有精确度高、实时的优点。并且，在本发明的实施例中将一次侧的电流作为负荷控制的最主要参数，有利于提高控制精度。通过本发明实施例对电极故障的判断，能够进一步提高电炉的安全运行性能。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (9)

1.一种矿热电炉电极控制系统，其特征在于，包括：

电流信号采集模块，用于检测变压器一次侧的电流以获得电流检测值；

设定模块，用于设定变压器一次侧的电流设定值；

计算模块，所述计算模块与所述设定模块相连，所述计算模块用于根据所述设定模块设定的电流设定值计算电流变化比较区间的上限值和下限值；

电极控制器，用于控制矿热电炉的电极的升降；

变压器控制器，用于控制所述矿热电炉的变压器的电压等级；和

控制模块，所述控制模块与所述电流信号采集模块、所述计算模块、所述电极控制器和所述变压器控制器相连，当所述电流信号采集模块获得的电流检测值超出所述计算模块计算的电流变化比较区间时，所述控制模块控制所述电极控制器和/或所述变压器控制器以改变所述电极的行程和/或所述变压器的电压等级，当所述电流信号采集模块获得的电流检测值未超出所述计算模块计算的电流变化比较区间时，所述控制模块不改变所述电极的行程和/或所述变压器的电压等级。

2.如权利要求1所述的矿热电炉电极控制系统，其特征在于，

所述电流变化比较区间的上限值I_max=（I₁×（1+x%）-k）；

所述电流变化比较区间的下限值I_min=（I₁×（1-x%）+k）；

其中，所述I₁为电流设定值，k为负荷波动系数，x为电极的动态变量。

3.如权利要求2所述的矿热电炉电极控制系统，其特征在于，所述k在125-135之间。

4.如权利要求1所述的矿热电炉电极控制系统，其特征在于，所述电极控制器根据所述电流检测值计算所述矿热电炉的三相电极的电流变化量，并根据所述三相电极的电流变化量计算所述三相电极的行程变化量，并根据所述行程变化量对所述三相电极进行升降控制。

5.如权利要求4所述的矿热电炉电极控制系统，其特征在于，所述电极控制器根据以下公式计算所述三相电极的行程变化量：

I_AK_A1K_A2K_A3△S_A

{I_B}={K_B1K_B2K_B3}×｛△S_B｝，

I_CK_C1K_C2K_C3△S_C

其中，I_A、I_B、I_c分别为三相电极的电流变化量，△S_A、△S_B、△S_C分别为三相电极的行程变化量、K_A1、K_A2、……、K_C3分别为三相电极之间炉料比电阻参数。

6.如权利要求1所述的矿热电炉电极控制系统，其特征在于，还包括：

判断模块，所述判断模块判断在预设的延时时间内所述电流检测值为瞬间变化或者恒变化，如果所述电流检测值为瞬间变化，则所述控制模块不改变所述电极的行程和/或所述变压器的电压等级。

7.如权利要求1所述的矿热电炉电极控制系统，其特征在于，还包括：

切换控制模块，所述切换控制模块在出现突发事件时将所述矿热电炉电极控制系统切换为手动控制模式。

8.如权利要求6所述的矿热电炉电极控制系统，其特征在于，还包括：

故障判断模块，如果某相电极电流瞬间增大，且经所述矿热电炉电极控制系统在所述预设的延时时间内不能改善负荷增大的情况，则所述故障判断模块判断为电极下滑事故。

9.如权利要求8所述的矿热电炉电极控制系统，其特征在于，如果某相电极电流在短时间内负荷不在所述电流变化比较区间，且波动较大，经所述矿热电炉电极控制系统在所述预设的延时时间内不但不能改善，还导致该相电极负荷为0，则所述故障判断模块还用于判断为电极硬断事故。

Images