CN111239508A - 电熔镁炉打料工况分析系统及方法 - Google Patents

电熔镁炉打料工况分析系统及方法 Download PDF

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CN111239508A CN201911011451.4A CN201911011451A CN111239508A CN 111239508 A CN111239508 A CN 111239508A CN 201911011451 A CN201911011451 A CN 201911011451A CN 111239508 A CN111239508 A CN 111239508A
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Abstract

本发明提供一种电熔镁炉打料工况分析系统及方法，涉及工业自动控制技术领域。本系统包括数据采集硬件和人机交互界面软件平台；通过实时采集、存储、分析炉前三相电流、电压波形和电能指标数据，根据电流和电压的幅值、畸变率、三相不平衡度等参数，给出打料工况识别判据，分析了打料对炉内运行状态的影响，为冶炼工艺提升提供重要的理论指导和实验借鉴。

Description

电熔镁炉打料工况分析系统及方法
技术领域
本发明涉及工业自动控制技术领域，尤其涉及一种电熔镁炉打料工况分析系统及方法。
背景技术
电熔镁炉主要通过三相电极和熔池之间的电弧放热，把电能转化成热能来熔炼菱镁矿石，生产耐火材料电熔镁砂。电熔镁炉的冶炼工艺过程主要分为起炉、熔炼和收尾三个阶段，熔炼阶段是冶炼的最关键阶段，分为多个打料工况周期，加入的生冷炉料直接冲击熔池液面，破坏热平衡、电磁搅拌作用，导致电极晃动，影响了局部电网供电质量和产品的单吨能耗；同时每个打料周期随着矿石的融化程度，运行状态有着明显的区别。因此加深打料工况下电炉运行状态的认识，有助于在实际冶炼过程中，通过控制注入电流的大小和投放矿石的时机来调整不同运行状态所占时间的比例，使由于打料导致的恶劣运行状态的时间比例减小，不仅降低冶炼的单吨能耗而且获得高纯度的氧化镁产品。目前对炉内运行状态的认知主要是通过分析电流和电压幅值的变化趋势来识别工况，无法详细的描述电弧燃烧状态的变化以及氧化镁熔池的熔透特征，因此需要新的测量参量来构建氧化镁冶炼测控系统，优化冶炼生产工艺。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种电熔镁炉打料工况分析系统及方法。实时采集、存储、分析炉前三相电流、电压波形和电能指标数据；根据电流和电压的幅值、畸变率、三相不平衡度等参数，给出打料工况识别判据，分析了打料对炉内运行状态的影响，为冶炼工艺提升提供重要的理论指导和实验借鉴。
本发明所采取的技术方案是：
一方面，本发明提供一种电熔镁炉打料工况分析系统，包括数据采集硬件和人机交互界面软件平台；
所述数据采集硬件由工业现场实验平台和数据采集硬件设备两部分组成；
所述工业现场实验平台包括电极位置调节系统、供电系统、信号检测系统、炉体旋转系统、加料系统以及炉体；
所述电极位置调节系统包括拖动电机、电极升降立柱、电极夹持臂和电极，所述电极通过电极卡头固定在所述电极夹持臂上，电极夹持臂另一端则与所述电极升降立柱连接，所述拖动电机通过电极升降立柱上的齿条来带动电极夹持臂上下移动；
所述供电系统包括炉前变压器和短网，所述炉前变压器二次侧母线出线连接短网，所述短网为炉前变压器低压端出线到所述电极之间的各种形式导体的总和，短网直接连接电极夹持臂，实现为电极供电；
所述信号检测系统包括电压变送器、电流互感器、电流变送器、PLC控制机柜、操作台A B C三相电流表、操作台B相电压表，信号检测系统分别对电流和电压进行检测，电流检测时，炉前变压器二次侧支路连接所述电流互感器，电流互感器后接电流变送器，电流变送器输出连接PLC控制机柜，电压检测时，炉前变压器二次侧支路直接连接所述电压变送器，电压变送器输出连接PLC控制机柜；
所述炉体旋转系统包括转动电机和转盘，所述转动电机通过旋转齿轮带动所述转盘转动，进而带动转盘上炉体旋转；
所述加料系统包括原料仓和电振给料机，原料存储于所述原料仓内，通过原料仓底部出料口落入所述电振给料机中，电振给料机把原料加入炉内；
所述炉体包括炉壳和炉底活动底车，炉体内进行矿石的熔炼；
所述数据采集硬件设备包括高频电流钳式探头、电压冷压端子、电流数据采集板卡、电压数据采集板卡、数据传输系统机箱；
所述高频电流钳式探头包括电磁传感器头、开关控制杆、输出接口、消磁自动调零按钮、量程选择按钮、电源插口、过载指示灯、消磁指示灯、电源指示灯、手动偏置上调按钮、手动偏置下调按钮，用来把霍尔元件感应检测的电流经过功率放大电路转为小电压输出，进行非开路测量电流；
所述电压冷压端子包括蹄形金属垫片、铜质导线，冷压端子对金属导线接线端进行封装，蹄形垫片压在螺丝下，对测量过程的安全性进行保障；
所述电流数据采集板卡包括BNC输入端子、VGA接口、内部封装逻辑电路的金属机盒，以高频率、高精度、高带宽采集高频电流钳式探头输出的小电压；
所述电压数据采集板卡包括差分输入端子、VGA接口、内部封装逻辑电路的金属机盒，以高频率、高精度采集炉前变压器二次侧母线电压；
所述数据传输系统机箱包括4槽VGA接口、以太网线接口、电源插口、通讯指示灯，数据传输系统机箱内置同步计数器、定时器实现电压、电流数据采集板卡的同步精准测量，并把采集数据通过以太网和计算机通讯；
所述人机交互界面软件平台包括系统通讯模块，参数录入模块，数据存储模块，波形显示模块、数据分析模块、安全保障模块；
所述系统通讯模块应用配置管理软件作为硬件系统和软件平台通讯的中介，可以识别、自检、性能测试硬件设备和接口，便于计算机与硬件产品交互，用来配置管理连接计算机的各种硬件设备；采集三相电流和B相电压，包含四个通道的模拟量输入，对信号采集进行物理通道设置，包括准确选择与硬件插槽、设备对应的物理通道，设置模拟量输入范围、测量接线端配置功能；
所述参数录入模块改变采集参数的配置，包括设置板卡的相同采样时钟源、采样频率、采样数、实际采样频率；
所述数据存储设置模块选择文件保存的基路径及为文件存储的位置，历史数据存储到计算机的硬盘上；
所述波形显示模块对实时采集不断变化的负荷电压、电流数据波形进行多维度显示，包含瞬时波形显示图、长时间波形趋势图、伏安特性曲线图；
所述数据分析模块包括FFT频谱、电能指标分析功能，使用交互式窗口，在节点插入文本化算法、运行语法脚本，执行数据分析功能；
所述安全保障模块包括输入用户名和密码的安全登录界面。
另一方面，一种电熔镁炉打料工况分析方法，通过前述电熔镁炉打料工况分析系统实现：包括以下步骤：
步骤1、对测量点进行选取，选取电压测量点为炉前变压器二次侧输出母线，电流测量点为电流互感器二次侧；
步骤2、对硬件采集设备进行选型；
步骤3、对本电熔镁炉打料工况分析系统的软件平台进行设计，包含系统通讯模块，参数录入模块，数据存储模块，波形显示模块、数据分析模块、安全保障模块，实现对电熔镁炉冶炼生产炉内运行状态实时、直观的监测；实时采集、存储不断变化的负荷电压、电流数据，从频谱、电能指标等角度结合炉内运行状态进行数据分析；
上述步骤3对本电熔镁炉打料工况分析系统的软件平台进行设计，包含系统通讯模块，参数录入模块，数据存储模块，波形显示模块、数据分析模块、安全保障模块，各模块设计如下：
(1)系统通讯设计；
设备接口识别：应用配置管理软件作为硬件系统和软件平台通讯的中介，识别、自检、性能测试硬件设备和接口，使计算机与硬件产品交互，配置管理连接本机的各种硬件设备；
通道设置：采集三相电流和B相电压，有四个通道的模拟量输入，在连接好硬件系统、正式开始采集之前，实验员需要在人机交互界面上进行物理通道设置，包括准确选择与硬件插槽、设备对应的物理通道，设置模拟量输入范围、测量接线端配置功能；
(2)数据存储设计；
在人机交互界面上设置选择文件保存的基路径，选取文件存储的位置；
(3)参数录入设计；
结合不同情况下的数据采集需求，在人机交互界面上操作员可以改变采集参数的配置，包括板卡的相同采样时钟源、采样频率、采样数、实际采样频率；
(4)波形显示设计；
对实时采集不断变化的负荷电压、电流数据波形进行多维度实时显示，显示瞬态当下的波形畸变；长时间波形趋势图显示在一个生产时间段内电炉运行状态的变化规律；伏安特性曲线图分析电弧的非线性和热惯性滞后作用；
(5)数据分析设计；
利用数值分析软件对FFT频谱、电能指标进行分析，利用交互式窗口插入文本化算法、运行编程语言的语法脚本，使数值分析软件成为开发环境中的一个组件，执行数据分析功能，进行FFT快速傅里叶变换以及电能指标分析：
1)FFT快速傅里叶变换
任何周期信号均为一系列不同频率、幅值、相位的正弦信号的叠加，包括原始信号周期的和更高频率的正弦信号，如下式所示；
傅里叶级数：
Figure BDA0002244316840000041
Figure BDA0002244316840000042
式中T为信号周期；A0为直流分量；An为各次谐波幅值的有效值，an和bn分别为An的正弦和余弦分量；
Figure BDA0002244316840000043
为各次谐波的相位角；w为各次谐波频率；
傅里叶变换对：f(t)的傅里叶变换
Figure BDA0002244316840000044
F(w)的傅里叶逆变换
Figure BDA0002244316840000045
式中f(t)为时域下的周期信号；F(w)为频域下的周期信号；w为周期信号的频率；
2)电能指标
畸变率
Figure BDA0002244316840000046
有功功率
Figure BDA0002244316840000047
视在功率
Figure BDA0002244316840000048
功率因数
Figure BDA0002244316840000049
式中M为谐波的次数；In为各次谐波电流有效值；Un为各次谐波电压有效值；
Figure BDA0002244316840000051
为各次谐波的相位角；
电流三相不平衡度为最大电流与最小电流的差值再除以三相电流平均值；基于快速傅里叶变换提取得到基波电压和电流的有效值、直流分量幅值等电能指标参数；
(6)数据分析设计；
操作员使用本监测系统需要验证身份，输入用户名和密码，提高系统数据信息安全性。
步骤4、对硬件设备进行连接；
步骤4的具体步骤为：
步骤4.1、高频电流钳式探头、电压冷压端子接入；
所述高频电流钳式探头分别夹持到操作台A B C三相电流表的入线处导线上，确保夹持的电流探头规定的正方向和导线电流方向一致，把电压连接导线接头用电压冷压端子封装并差分接入到操作台B相电压表入线处；
步骤4.2、连接采集板卡；
高频电流钳式探头输出小电压，通过BNC连接线输入到电流数据采集板卡里；差分电压的两根导线接到电压数据采集板卡端子上，导线的上电压默认的正负和板卡端子接头的1+1-相对应；
步骤4.3、板卡连接数据传输系统机箱；
两个数据采集板卡后端通过VGA接口和机箱连接，电流、电压数据采集板卡分别连到数据传输系统机箱卡槽的上；
步骤4.4、数据传输系统机箱和计算机通信；
机箱采用以太网线和计算机通信、进行数据传输；当机箱上以太网接入端口指示灯亮绿灯时表示机箱和计算机已硬件接通；
步骤4.5、对设备进行供电；
现场要具备电源为三个高频电流钳式探头、数据传输系统机箱、计算机供电；
步骤5、软件平台功能实现；
步骤5的具体步骤为：
步骤5.1、首先应用硬件系统和软件平台通讯中介的配置管理软件执行对设备、接口对应识别匹配，完成硬件通讯自检，具体步骤包括：
步骤5.1.1、在我的系统—设备和接口—实际硬件设备，进行实际硬件连接识别；
步骤5.1.2、对机箱和计算机进行网络配置；
步骤5.1.3、右上方设备自检，自检成功后标志着硬件系统和软件系统已连接；
步骤5.2、自检成功后，操作员进行测量初始化、通道配置、参数录入、存储基路径配置的输入设置，具体步骤包括：
步骤5.2.1、点击前面板左上角向左灰色箭头刷新界面，软件环境初始化；
步骤5.2.2、为了保证硬件物理通道和软件平台的存储、显示完全对应，参照配置管理软件里的设备和接口配置参数，选择物理通道，接线端配置成差分；
步骤5.2.3、参数录入采样频率、采样数，板卡的采样时钟都选择板载时钟，保证了两个板卡数据采集的同步、准确性；
步骤5.2.4、选择存储基路径；
步骤5.3、操作员在人机交互界面上点击启动，采集开始，三相电流和B相电压的瞬时波形、波形趋势图、伏安特性曲线实时在界面上显示；
步骤5.4、通过文本编程实现平台的数据分析功能，包括历史数据回显、FFT频谱谐波分析、计算电能质量参数指标，对对炉内运行状态进行检测。
步骤6、数据分析，通过硬件平台实时采集并存储的负荷电压、电流的大数据，软件平台构成以FFT快速傅里叶变换为核心的多维度电能指标和频谱分析，从宏观到微观分析得出了打料工况下特征的定性结论；
步骤7、打料工况识别，用电流幅值和电流畸变率二者相结合的方法来实现对打料工况的准确识别；
步骤8、打料工况电炉运行状态分析，对打料工况下的数据进行分析，基于电压电流的幅值、畸变率、三相不平衡度，从开始打料按处于不同熔炼状态的时间划分为四个阶段，揭示了电炉冶炼的运行状态的变化。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明提供一种电熔镁炉打料工况分析系统，实时采集、存储、分析炉前三相电流、电压波形和电能指标数据；根据电流和电压的幅值、畸变率、三相不平衡度等参数，给出打料工况识别判据，分析了打料对炉内运行状态的影响，为冶炼工艺提升提供重要的理论指导和实验借鉴。
附图说明
图1为电熔镁炉基本结构示意图；
图2为系统硬件逻辑框图；
图3为电流钳式探头工作原理图；
图4为软件系统功能架构；
图5为软件平台人机交互界面图；
图6为系统硬件连接框图；
图7为三相电流、电压波形趋势图；
图8为两个周期三相电流、电压波形瞬时波形图；
图9为三相电流幅值图，B相相位图；
图10为B相电压幅值图；
图11为三相电流幅值图；
图12为功率密度图；
图13为打料周期下宏观到微观波形图.
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明。
一方面，本发明提供一种电熔镁炉打料工况分析系统，包括数据采集硬件和人机交互界面软件平台；
所述数据采集硬件由工业现场实验平台和数据采集硬件设备两部分组成；
所述工业现场实验平台，如图1所示，包括电极位置调节系统、供电系统、信号检测系统、炉体旋转系统、加料系统以及炉体；
所述数据采集硬件设备包括高频电流钳式探头、电压冷压端子、电流数据采集板卡、电压数据采集板卡、数据传输系统机箱；
所述人机交互界面软件平台包括系统通讯模块，参数录入模块，数据存储模块，波形显示模块、数据分析模块、安全保障模块；
本发明实施于某耐火材料有限公司电熔镁炉工业现场的炉前变压器二次侧供电电路和信号检测回路上。炉前变压器的容量为6300KVA，二次端母线输出为低电压、大电流RMS 200V、20000A；经由短网输送电能到三相电极，电能转化为热能冶炼炉料，短网的结构、电气组成较简单，短网的电阻包括直流电阻及邻近效应产生的附加电阻，电感包括导线的自感及三相导线间的互感，呈大电阻、小电感特性。
炉前变压器二次侧的三相电路安装有三个型号为DL01的电流互感器，把AC 0-20000A的大电流转化成AC 0-5A的小电流，互感器输出的0-5A电流输入到型号为M405802的电流变送器转为DC 4-20mA的直流电流；电压没有互感器，AC 0-200V的电压直接接入型号为FP0W201的电压变送器，同样转为DC 4-20mA的直流电流；电压、电流变送器输出的DC 4-20mA直流电流信号接入到型号为SP300的plc控制器。
另一方面，一种电熔镁炉打料工况分析方法，通过前述电熔镁炉打料工况分析系统实现：包括以下步骤：
步骤1、对测量点进行选取，选取电压测量点为炉前变压器二次侧输出母线，电流测量点为电流互感器二次侧；
本实施例电压测量点在炉前变压器二次侧，控制室机柜B相电压表PV50302的+50312和-50313端子；电流测量点在电流互感器DL01二次侧，控制室机柜三相电流表A相PA50301、B相PA50302、C相PA50303的分别50302、50322、50332端子上。
本电熔镁炉打料工况分析系统要在实际工业现场进行测量，因此应在首先满足工业现场线路接线规范、不影响现场工业生产的前提下，本着离熔炼电炉越近的原则，选取能明显体现和跟随炉内运行状态瞬时变化、炉前供电线路简单易于建模、可靠且安全的测量点进行接线。
工业现场的供电系统是从高压电网下来到工厂电力变压器，通过电抗器、断路器和隔离开关接入到额定容量为6300KVA炉前变压器上；炉前变压器利用电磁感应的原理来改变交流电压，其二次端输出为低电压、大电流RMS 200V、20000A；电炉变压器二次侧到电炉电极夹持器的三相电路是电炉电气回路中的重要部分短网，短网由很多种不同形状的导线组成，主要包括铜排、软电缆、铜管三部分，短网的电阻包括直流电阻及邻近效应产生的附加电阻，短网的电感包括导线的自感及三相导线间的互感。
工业现场的信号检测系统目前已经实现了对电炉变压器二次侧三相电压、电流有效值的测量，用于基于PLC平台的智能运行反馈控制。炉前变压器二次侧的三相电路安装有三个型号为DL01的电流互感器，把AC 0-20000A的大电流转化成AC 0-5A的小电流；从互感器二次侧输出的0-5A小电流输入到型号为M405802的电流变送器转为DC 4-20mA的直流直流小电流；电压没有互感器，AC 0-200V的电压直接接入型号为FP0W201的电压变送器，同样转为DC 4-20mA的直流直流小电流；变送器的功能是在测量电网中畸变严重的电压、电流信号时，把被测电量参数转成直流电流，并隔离输出模拟或数字信号，因此电压电流变送器输出的DC 4-20mA直流小电流信号接入到型号为SP300的PLC控制器；以2个/s的采样速率采集短网上三相电流电压的有效值。
因为原有的信号检测系统采样频率低、有效值不能体现电弧行为瞬时变化、变送器对信号有滤波和整流的作用，所以要构建一个新的信号检测路径。由于炉前变压器的降压作用，二次侧电压为AC 0-200V,电流互感器把电流降低为AC 0-5A；短网的线路铺设简单、电气设备少，所以选取电压测量点为炉前变压器二次侧输出母线，电流测量点为电流互感器二次侧。
步骤2、对硬件采集设备进行选型，基于采集模拟信号电流AC 0-5A，电压AC 0-200V的数据测量范围；以瞬态波形分析和谐波分析为目的的高频率、高带宽、高精度实时数据采集需求；高温、高粉尘、强磁场，恶劣复杂的工业生产环境对硬件系统安全可靠性、电磁兼容性的要求，选取了在工业数据采集模块化硬件和软件研发全球领先的美国国家仪器有限公司公司(NI)和知用系列的产品，系统硬件逻辑框图如图2所示。
本实施例中基于采集模拟信号电流AC 0-5A，电压AC 0-200V的数据测量范围；以瞬态波形分析和谐波分析为目的的高频率、高带宽、高精度实时数据采集需求；高温、高粉尘、强磁场，恶劣复杂的工业生产环境对硬件系统安全可靠性、电磁兼容性的要求，选取了在工业数据采集模块化硬件和软件研发全球领先的美国国家仪器有限公司公司(NI)和知用系列的产品。
(1)高频电流钳式探头
测量点的电流输入值为AC 0-5A大电流，因此选择了不断开原有线路、安全性、可靠性更高的基于霍尔效应闭环磁平衡(零磁通)的电流传感器——知用CP8030B高频电流钳式探头，具体参数如表1所示，高频电流钳式探头的工作原理如图3所示。
表1知用CP8030B高频电流钳式探头参数
型号 知用CP8030B 接口 BNC
精度 1％ 钳口直径 5mm
量程 30A(0.1V/A)5A(1V/A) 延时 14ns
带宽 50MHZ 温度 0-40
Peak 50A 供电方式 DC 12V/1A(标配适配器)
分辨率 1mA 价格 8800/个
(2)电流数据采集板卡
感应测量的电流被高频电流钳式探头转换成AC 0-0.8V范围的交流电压从BNC端口输出；本发明的采集板卡拟定采样频率25KHZ；数据采集精度至少保留小数点后3位；要求具备至少3路模拟量输入通道；采集板卡的输入端子要匹配电流钳式探头的BNC输出；针对多个通道模拟量输入，要具备通道间隔离功能，保证通道间的测量不彼此影响、烧坏板卡。综合以上几点因素选择了NI9239电压采集板卡，如表2所示。
表2 NI9239电压采集板卡参数
型号 NI 9239 接口 BNC
差分通道 4个 保护措施 60VDC通道间隔离
最大采样率 50KHZ 量程 -10-10V
分辨率 24bit 价格 13000
(3)电压数据采集板卡
电压数据采集板卡的量程应高于炉前变压器二次侧输出电压约250V；本发明的采集板卡拟定采样频率25KHZ；采集精度至少保留小数点后3位；针对大电压模拟量直接输入，采集板卡要有通道间隔离和对地隔离，避免接地回路、提高系统安全性。综合以上几点因素选择了NI9225电压采集板卡。如表3所示。
表3 NI9225电压采集板卡参数
型号 NI 9225 接口 BNC
差分通道 3个 保护措施 600Vrms通道间隔离
最大采样率 50KHZ 量程 -300-300Vrms
分辨率 24bit 价格 11000
(4)数据传输系统机箱
结合NI数据采集平台一体化的特点，已选取的NI电流、电压数据采集卡需要配合NI cDAQ系列的机箱实现多个板卡的同步时钟采集和数据传输。因此选择了4槽，基于TSN的以太网CompactDAQ机箱—cDAQ-9185，如表4所示。
表4 cDAQ-9185以太网机箱
型号 NI cDAQ-9185 电源 240V,10A
容纳板卡数 4槽 价格 10800
通讯方式 2个以太网端口
步骤3、对本电熔镁炉打料工况分析系统的软件平台进行设计，包含系统通讯模块，参数录入模块，数据存储模块，波形显示模块、数据分析模块、安全保障模块，实现对电熔镁炉冶炼生产炉内运行状态实时、直观的监测，如图4所示；实时采集、存储不断变化的负荷电压、电流数据，从频谱、电能指标等角度结合炉内运行状态进行数据分析；
软件开发环境选择NI MAX和Labview组成的数据采集、存储、显示系统，并调用在MATLAB/Simulink中把数据分析功能封装好的模块，该模块可在Labview同一编程环境中进行设备组态和应用程序编写，仅需一个软件就可以对项目进行配置、编程、运行、调试和诊断，软件平台人机交互界面如图5所示，包括如下设计：
(1)系统通讯设计；
设备接口识别：应用NI的配置管理软件NI MAX作为硬件系统和软件平台通讯的中介，可以识别、自检、性能测试NI硬件设备和接口，便于PC与NI硬件产品交互，用来配置管理连接本机的各种硬件设备。
通道设置：本平台采集三相电流和B相电压，有四个通道的模拟量输入，在连接好硬件系统、正式开始采集之前，实验员需要在人机交互界面上进行物理通道设置，包括准确选择与硬件插槽、设备对应的物理通道，设置模拟量输入范围、测量接线端配置功能。
(2)数据存储设计；
文件存储位置：在人机交互界面上可以设置选择文件保存的基路径，选取文件存储的位置。
文件存储格式：大数据以TDMS文件格式存储到计算机的硬盘上，TDMS文件是NI开发的针对大数据存储的一种二进制记录文件，文件的逻辑结构分为三层：文件(File)、通道组(Channel Groups)和通道(Channels)，每一层次上都可以附加特定的属性(Properties)，人工使用这三个逻辑层次定义测试数据属性、任意检索各个逻辑层次的数据。
(3)参数录入设计；
结合不同情况下的数据采集需求，在人机交互界面上操作员可以改变采集参数的配置。包括板卡的采样时钟源(两个采集板卡的采样时钟源相同，保证采样的同步、精确性)、采样频率、采样数(为在瞬时波形显示窗口每次显示的采样点数，采样数越高波形越清晰，但采样数不能超过采样频率的十分之一，否则会造成波形失真)、实际采样频率。
(4)波形显示设计；
对实时采集不断变化的负荷电压、电流数据波形多维度显示，有利于加深对炉内运行、燃烧状态的认识，包括：瞬时波形显示，可以显示瞬态当下的波形畸变；长时间波形趋势图，可以看出在一个生产时间段内电炉运行状态的变化规律；伏安特性曲线图，可以分析电弧的非线性和热惯性滞后作用。
(5)数据分析设计；
FFT频谱、电能指标分析等功能是在MATLAB中编程实现的，利用labviewMathScript交互式窗口，在MathScript节点VI插入文本化算法、运行m文件语法脚本，使MATLAB成为labview开发环境中的一个组件，执行数据分析功能。
1)FFT快速傅里叶变换
任何周期信号可以是为一系列不同频率、幅值、相位的正弦信号的叠加，包括原始信号周期的(基波)和更高频率的正弦信号(谐波)。傅里叶变换可以把原来难以处理的时域信号转换成了易于分析的频域信号(信号的频谱)。
傅里叶级数：
Figure BDA0002244316840000111
Figure BDA0002244316840000112
式中T为信号周期；A0为直流分量；An为各次谐波幅值的有效值，an和bn分别为An的正弦和余弦分量；
Figure BDA0002244316840000113
为各次谐波的相位角；w为各次谐波频率；
傅里叶变换对：f(t)的傅里叶变换
Figure BDA0002244316840000114
F(w)的傅里叶逆变换
Figure BDA0002244316840000115
式中f(t)为时域下的周期信号；F(w)为频域下的周期信号；w为周期信号的频率；
2)电能指标
畸变率
Figure BDA0002244316840000121
有功功率
Figure BDA0002244316840000122
视在功率
Figure BDA0002244316840000123
功率因数
Figure BDA0002244316840000124
式中M为谐波的次数；In为各次谐波电流有效值；Un为各次谐波电压有效值；
Figure BDA0002244316840000125
为各次谐波的相位角；
电流三相不平衡度为最大电流与最小电流的差值再除以三相电流平均值；基于快速傅里叶变换提取得到基波电压和电流的有效值、直流分量幅值等电能指标参数。
(6)数据分析设计；
操作员使用本监测系统需要验证身份，输入用户名和密码，提高系统数据信息安全性。
步骤4、对硬件设备进行连接，如图6所示；
步骤4的具体步骤为：
步骤4.1、高频电流钳式探头、电压冷压端子接入；
本实施例中使用知用CP8030B高频电流钳式探头通电后开关控制杆先锁定、消磁调零；核对电气二次原理图，明确线路电流方向，三个电流钳式探头分别夹持到A相PA50301-50302、B相PA50302-50322、C相PA50303-50332的导线上，确保夹持的电流探头规定的正方向和导线电流方向一致，否则数据要加负号；开关控制杆推至unlock标志消失为止，确认控制杆锁定。
把电压连接导线接头用冷压端子封装并差分接入到操作台显示电表入线处的B相PV50302+50312和-50313测量点。
步骤4.2、连接采集板卡；
本实施例中三相电流经由高频钳式探头转为AC 0-0.8V小电压，通过BNC连接线输入到NI 9239采集板卡里，连接时注意BNC线两端的极性、连接后拧紧锁死；ABC三相探头分别对应板卡由上到下的ai0、ai1、ai2的端子。
差分电压的两根导线接到NI 9225采集板卡中间的ai1端子，导线的上电压默认的正负和板卡端子接头的1+1-相对应。
步骤4.3、板卡连接数据传输系统机箱；
本实施例中两个数据采集板卡后端通过VGA接口和NI cDAQ-9185机箱连接，NI9239和NI 9225板卡分别连到卡槽的1、2上。
步骤4.4、数据传输系统机箱和计算机通信；
本实施例中NI cDAQ-9185机箱采用以太网线和计算机(4G内存、硬盘200G、Windows7 64位操作系统、基于x64的处理器)通信、进行数据传输；当机箱上以太网接入端口指示灯亮绿灯时表示机箱和计算机已硬件接通。
步骤4.5、设备供电；
现场要具备常规220V/50HZ电压源为三个高频电流钳式探头、数据传输系统机箱、计算机供电；
步骤5、软件平台功能实现
步骤5的具体步骤为：
步骤5.1、首先应用硬件系统和软件平台通讯中介NI MAX执行对设备、接口对应识别匹配，完成硬件通讯自检，具体步骤包括：
步骤5.1.1、在我的系统—设备和接口—实际硬件设备(灰色标识NIcDAQ9185-cDAQ9185-1D9EDE7、NI9239(BNC)-cDAQ9185-1D9EDE7Mod1、NI9225-cDAQ9185-1D9EDE7Mod2)，进行实际硬件连接识别；
步骤5.1.2、对机箱和计算机进行网络配置，其中IPV4 169.254.118.242MAC地址00：80：2F：22：C1:86；
步骤5.1.3、右上方设备自检，自检成功后标志着硬件系统和软件系统已连接；
步骤5.2、自检成功后，操作员进行测量初始化、通道配置、参数录入、存储基路径配置的输入设置，具体步骤包括：
步骤5.2.1、点击前面板左上角向左灰色箭头刷新界面，软件环境初始化；
步骤5.2.2、为了保证硬件物理通道和软件平台的存储、显示完全对应，参照NIMAX里的设备和接口配置参数，选择物理通道(NI9239(BNC)-cDAQ9185-1D9EDE7Mod1/ai0,ai1,ai2NI9225-cDAQ9185-1D9EDE7Mod2/ai1)，接线端配置成差分；
步骤5.2.3、参数录入采样频率25KHZ、采样数2500(采样数表示在瞬时波形图上每次刷新显示的采样点数，一般不超过采样频率的十分之一)，板卡的采样时钟都选择板载时钟，保证了两个板卡数据采集的同步、准确性；
步骤5.2.4、选择存储基路径D:\三相采集数据；
步骤5.3、操作员在人机交互界面上点击启动，采集开始，三相电流和B相电压的瞬时波形、波形趋势图、伏安特性曲线实时在界面上显示；
步骤5.4、平台的数据分析功能主要在MATLAB中文本编程实现，包括历史数据回显、FFT频谱谐波分析、计算电能质量参数指标，对对炉内运行状态进行检测。
步骤6、数据分析，通过硬件平台实时采集并存储的负荷电压、电流的大数据，软件平台构成以FFT快速傅里叶变换为核心的多维度电能指标和频谱分析，从宏观到微观分析得出了打料工况下特征的定性结论；
目前对打料工况的认知主要是通过电流数据幅值的变化趋势来识别打料工况，但是由于电熔镁炉冶炼机理复杂、生产操作随机性大，使电炉的工作状态极为不稳定，难以设置合理的电流幅值阈值作为打料工况识别的判据；并且单纯的通过幅值变化也无法深入的理解电弧燃烧和炉内运行的状态。本系统硬件平台以25KHZ的高频率、50MHZ的高宽带、精确到小数点后5位的高精度，实时采集并存储了负荷电压、电流的大数据；软件平台构成以FFT快速傅里叶变换为核心的多维度电能指标和频谱分析，更全面的捕捉了电炉运行的瞬态变化、从频域和电能质量的角度加深了对炉内运行状态的了解。
从采集数据宏观到微观的波形图发现打料工况下电压、电流波形总体呈现明显定性特征规律：
(1)电振给料机每次投料2-4s后出现电流幅值减小，对应电压幅值增大，如图7所示；
(2)电压电流波形严重畸变，三相相差不是120°，电流波形超前于电压，在每半周期开始电流波形出现明显死区，电压波形的畸变发生在波峰、波谷，如图8所示；
(3)由快速傅里叶变换的幅值图和相位图分析可知，在打料导致的大电流畸变处电流3、5次谐波幅值高且相位大、偶次谐波尤其是2次谐波的含量增加，如图9所示；
(4)电压相比其他工况下只含有基波和5次谐波，打料导致3次谐波含量明显增加，如图10所示；
(5)在打料导致的大电流畸变处，三相电流间谐波(0-100HZ)含量增加，间谐波消耗的能量也增加，如图11，图12所示；
步骤7、打料工况识别，用电流幅值和电流畸变率二者相结合的方法来实现对打料工况的准确识别；
打料工况下的电流幅值普遍小于其他工况，但通过幅值变化趋势无法准确的判定是否打料，如表2在非打料工况下的第5组数据，该时刻下的电流幅值17450A甚至要小于表1打料工况下的第1组数据电流值18100A，因此应增加新的测量参量来构建工况识别系统。根据数据分析的结果发现打料工况下电压电流畸变明显增大，电流畸变率4-22％、电压畸变率2.2-3.6％，并且波形畸变实时跟随着电弧燃烧行为的变化，能直观揭示瞬态下炉内的运行状态，可作为工况识别的参考。但由于复杂的冶炼过程中高发多种异常工况，一个炉次10h生产流程经常电炉启停，在每次电炉启动通电后3s内电流的畸变率很大，高达15-22％，电流幅值也增大到24000左右，所以单一的用畸变率也无法准确判定是否为打料工况。因此可以用电流幅值和电流畸变率二者相结合的方法来实现对打料工况的准确识别。
根据30次打料工况下的采集数据分析，给出如下打料工况识别判据：当电流幅值小于19000A且电流畸变率大于4.5％时处于打料工况，如表5，表6所示。
表5打料工况下任意时刻的数据分析
Figure BDA0002244316840000151
表6其他工况下任意采样时刻数据分析
Figure BDA0002244316840000152
步骤8、打料工况电炉运行状态分析，对打料工况下的数据进行分析，基于电压电流的幅值、畸变率、三相不平衡度，从开始打料按处于不同熔炼状态的时间划分为四个阶段，揭示了电炉冶炼的运行状态的变化。
打料工况平均每间隔40s打料10s，随着生冷的炉料投入熔池中，熔池原有的热平衡被逐渐破坏，局部温度迅速下降，热交换不均匀，熔池的电磁搅拌作用也受到抑制，影响了角向磁场对电弧的体积力，增大了电弧的非线性，加剧了波形的畸变；开始打料3.5-4s后部分矿石熔化，熔池被破坏的热平衡逐渐恢复，电磁搅拌力对熔池的影响也逐渐开始增强，波形畸变减弱；随着向熔池注入大量的电能，投入的矿石彻底融化，热平衡稳定，电磁搅拌力继续发挥作用，杂质元素在电磁场的作用下向熔池边缘运动，炉内呈现少有的稳定状态，这一状态有利于生成大粒径、高纯度晶体。从采集的数据也反应出了每次打料炉料熔化从未熔、半熔到熔融的渐变过程，如图13。对30次打料工况下的数据进行分析，基于电压电流的幅值、畸变率、三相不平衡度，从开始打料按处于不同熔炼状态的时间划分为四个阶段，揭示了电炉冶炼的运行状态的变化，如表7所示。
表7打料周期下熔炼的四个阶段指标
Figure BDA0002244316840000161
从表7中观察到在冶炼未熔状态、第二阶段的电熔镁炉运行状态最恶劣，不仅电压、电流畸变率、三相不平衡度较大，而且持续的时间相对较长，严重的影响了局部供电网的电能质量和单吨能耗。因此可以根据表格中给出的相关参数的阈值范围，对该恶劣的运行状态识别、适当加大该状态下的注入电流，减少该状态下运行的时间。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (5)

1.一种电熔镁炉打料工况分析系统，其特征在于：包括数据采集硬件和人机交互界面软件平台；
所述数据采集硬件由工业现场实验平台和数据采集硬件设备两部分组成；
所述工业现场实验平台包括电极位置调节系统、供电系统、信号检测系统、炉体旋转系统、加料系统以及炉体；
所述电极位置调节系统包括拖动电机、电极升降立柱、电极夹持臂和电极，所述电极通过电极卡头固定在所述电极夹持臂上，电极夹持臂另一端则与所述电极升降立柱连接，所述拖动电机通过电极升降立柱上的齿条来带动电极夹持臂上下移动；
所述供电系统包括炉前变压器和短网，所述炉前变压器二次侧母线出线连接短网，所述短网为炉前变压器低压端出线到所述电极之间的各种形式导体的总和，短网直接连接电极夹持臂，实现为电极供电；
所述信号检测系统包括电压变送器、电流互感器、电流变送器、PLC控制机柜、操作台AB C三相电流表、操作台B相电压表，信号检测系统分别对电流和电压进行检测，电流检测时，炉前变压器二次侧支路连接所述电流互感器，电流互感器后接电流变送器，电流变送器输出连接PLC控制机柜，电压检测时，炉前变压器二次侧支路直接连接所述电压变送器，电压变送器输出连接PLC控制机柜；
所述炉体旋转系统包括转动电机和转盘，所述转动电机通过旋转齿轮带动所述转盘转动，进而带动转盘上炉体旋转；
所述加料系统包括原料仓和电振给料机，原料存储于所述原料仓内，通过原料仓底部出料口落入所述电振给料机中，电振给料机把原料加入炉内；
所述炉体包括炉壳和炉底活动底车，炉体内进行矿石的熔炼；
所述数据采集硬件设备包括高频电流钳式探头、电压冷压端子、电流数据采集板卡、电压数据采集板卡、数据传输系统机箱；
所述高频电流钳式探头包括电磁传感器头、开关控制杆、输出接口、消磁自动调零按钮、量程选择按钮、电源插口、过载指示灯、消磁指示灯、电源指示灯、手动偏置上调按钮、手动偏置下调按钮，用来把霍尔元件感应检测的电流经过功率放大电路转为小电压输出，进行非开路测量电流；
所述电压冷压端子包括蹄形金属垫片、铜质导线，冷压端子对金属导线接线端进行封装，蹄形垫片压在螺丝下，对测量过程的安全性进行保障；
所述电流数据采集板卡包括BNC输入端子、VGA接口、内部封装逻辑电路的金属机盒，以高频率、高精度、高带宽采集高频电流钳式探头输出的小电压；
所述电压数据采集板卡包括差分输入端子、VGA接口、内部封装逻辑电路的金属机盒，以高频率、高精度采集炉前变压器二次侧母线电压；
所述数据传输系统机箱包括4槽VGA接口、以太网线接口、电源插口、通讯指示灯，数据传输系统机箱内置同步计数器、定时器实现电压、电流数据采集板卡的同步精准测量，并把采集数据通过以太网和计算机通讯；
所述人机交互界面软件平台包括系统通讯模块，参数录入模块，数据存储模块，波形显示模块、数据分析模块、安全保障模块；
所述系统通讯模块应用配置管理软件作为硬件系统和软件平台通讯的中介，可以识别、自检、性能测试硬件设备和接口，便于计算机与硬件产品交互，用来配置管理连接计算机的各种硬件设备；采集三相电流和B相电压，包含四个通道的模拟量输入，对信号采集进行物理通道设置，包括准确选择与硬件插槽、设备对应的物理通道，设置模拟量输入范围、测量接线端配置功能；
所述参数录入模块改变采集参数的配置，包括设置板卡的相同采样时钟源、采样频率、采样数、实际采样频率；
所述数据存储设置模块选择文件保存的基路径及为文件存储的位置，历史数据存储到计算机的硬盘上；
所述波形显示模块对实时采集不断变化的负荷电压、电流数据波形进行多维度显示，包含瞬时波形显示图、长时间波形趋势图、伏安特性曲线图；
所述数据分析模块包括FFT频谱、电能指标分析功能，使用交互式窗口，在节点插入文本化算法、运行语法脚本，执行数据分析功能；
所述安全保障模块包括输入用户名和密码的安全登录界面。
2.一种电熔镁炉打料工况分析方法，通过权利要求1所述电熔镁炉打料工况分析系统实现，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、对测量点进行选取，选取电压测量点为炉前变压器二次侧输出母线，电流测量点为电流互感器二次侧；
步骤2、对硬件采集设备进行选型；
步骤3、对本电熔镁炉打料工况分析系统的软件平台进行设计，包含系统通讯模块，参数录入模块，数据存储模块，波形显示模块、数据分析模块、安全保障模块，实现对电熔镁炉冶炼生产炉内运行状态实时、直观的监测；实时采集、存储不断变化的负荷电压、电流数据，从频谱、电能指标等角度结合炉内运行状态进行数据分析；
步骤4、对硬件设备进行连接；
步骤5、对软件平台功能的实现；
步骤6、数据分析，通过硬件平台实时采集并存储的负荷电压、电流的大数据，软件平台构成以FFT快速傅里叶变换为核心的多维度电能指标和频谱分析，从宏观到微观分析得出了打料工况下特征的定性结论；
步骤7、打料工况识别，用电流幅值和电流畸变率二者相结合的方法来实现对打料工况的准确识别；
步骤8、打料工况电炉运行状态分析，对打料工况下的数据进行分析，基于电压电流的幅值、畸变率、三相不平衡度，从开始打料按处于不同熔炼状态的时间划分为四个阶段，揭示了电炉冶炼的运行状态的变化。
3.根据权利要求2所述的电熔镁炉打料工况分析方法，其特征在于：
所述步骤3对本电熔镁炉打料工况分析系统的软件平台进行设计，包含系统通讯模块，参数录入模块，数据存储模块，波形显示模块、数据分析模块、安全保障模块，各模块设计如下：
(1)系统通讯设计；
设备接口识别：应用配置管理软件作为硬件系统和软件平台通讯的中介，识别、自检、性能测试硬件设备和接口，使计算机与硬件产品交互，配置管理连接本机的各种硬件设备；
通道设置：采集三相电流和B相电压，有四个通道的模拟量输入，在连接好硬件系统、正式开始采集之前，实验员需要在人机交互界面上进行物理通道设置，包括准确选择与硬件插槽、设备对应的物理通道，设置模拟量输入范围、测量接线端配置功能；
(2)数据存储设计；
在人机交互界面上设置选择文件保存的基路径，选取文件存储的位置；
(3)参数录入设计；
结合不同情况下的数据采集需求，在人机交互界面上操作员可以改变采集参数的配置，包括板卡的相同采样时钟源、采样频率、采样数、实际采样频率；
(4)波形显示设计；
对实时采集不断变化的负荷电压、电流数据波形进行多维度实时显示，显示瞬态当下的波形畸变；长时间波形趋势图显示在一个生产时间段内电炉运行状态的变化规律；伏安特性曲线图分析电弧的非线性和热惯性滞后作用；
(5)数据分析设计；
利用数值分析软件对FFT频谱、电能指标进行分析，利用交互式窗口插入文本化算法、运行编程语言的语法脚本，使数值分析软件成为开发环境中的一个组件，执行数据分析功能，进行FFT快速傅里叶变换以及电能指标分析：
1)FFT快速傅里叶变换
任何周期信号均为一系列不同频率、幅值、相位的正弦信号的叠加，包括原始信号周期的和更高频率的正弦信号，如下式所示；
傅里叶级数：
Figure FDA0002244316830000041
Figure FDA0002244316830000042
式中T为信号周期；A0为直流分量；An为各次谐波幅值的有效值，an和bn分别为An的正弦和余弦分量；
Figure FDA0002244316830000043
为各次谐波的相位角；w为各次谐波频率；
傅里叶变换对：f(t)的傅里叶变换
Figure FDA0002244316830000044
F(w)的傅里叶逆变换
Figure FDA0002244316830000045
式中f(t)为时域下的周期信号；F(w)为频域下的周期信号；w为周期信号的频率；
2)电能指标
畸变率
Figure FDA0002244316830000046
有功功率
Figure FDA0002244316830000047
视在功率
Figure FDA0002244316830000048
功率因数
Figure FDA0002244316830000049
式中M为谐波的次数；In为各次谐波电流有效值；Un为各次谐波电压有效值；
Figure FDA00022443168300000410
为各次谐波的相位角；
电流三相不平衡度为最大电流与最小电流的差值再除以三相电流平均值；基于快速傅里叶变换提取得到基波电压和电流的有效值、直流分量幅值等电能指标参数；
(6)数据分析设计；
操作员使用本监测系统需要验证身份，输入用户名和密码，提高系统数据信息安全性。
4.根据权利要求2所述的电熔镁炉打料工况分析方法，其特征在于：所述步骤4的具体步骤为：
步骤4.1、高频电流钳式探头、电压冷压端子接入；
所述高频电流钳式探头分别夹持到操作台A B C三相电流表的入线处导线上，确保夹持的电流探头规定的正方向和导线电流方向一致，把电压连接导线接头用电压冷压端子封装并差分接入到操作台B相电压表入线处；
步骤4.2、连接采集板卡；
高频电流钳式探头输出小电压，通过BNC连接线输入到电流数据采集板卡里；差分电压的两根导线接到电压数据采集板卡端子上，导线的上电压默认的正负和板卡端子接头的1+1-相对应；
步骤4.3、板卡连接数据传输系统机箱；
两个数据采集板卡后端通过VGA接口和机箱连接，电流、电压数据采集板卡分别连到数据传输系统机箱卡槽的上；
步骤4.4、数据传输系统机箱和计算机通信；
机箱采用以太网线和计算机通信、进行数据传输；当机箱上以太网接入端口指示灯亮绿灯时表示机箱和计算机已硬件接通；
步骤4.5、对设备进行供电；
现场要具备电源为三个高频电流钳式探头、数据传输系统机箱、计算机供电。
5.根据权利要求2所述的电熔镁炉打料工况分析方法，其特征在于：所述步骤5的具体步骤为：
步骤5.1、首先应用硬件系统和软件平台通讯中介的配置管理软件执行对设备、接口对应识别匹配，完成硬件通讯自检，具体步骤包括：
步骤5.1.1、在我的系统—设备和接口—实际硬件设备，进行实际硬件连接识别；
步骤5.1.2、对机箱和计算机进行网络配置；
步骤5.1.3、右上方设备自检，自检成功后标志着硬件系统和软件系统已连接；
步骤5.2、自检成功后，操作员进行测量初始化、通道配置、参数录入、存储基路径配置的输入设置，具体步骤包括：
步骤5.2.1、点击前面板左上角向左灰色箭头刷新界面，软件环境初始化；
步骤5.2.2、为了保证硬件物理通道和软件平台的存储、显示完全对应，参照配置管理软件里的设备和接口配置参数，选择物理通道，接线端配置成差分；
步骤5.2.3、参数录入采样频率、采样数，板卡的采样时钟都选择板载时钟，保证了两个板卡数据采集的同步、准确性；
步骤5.2.4、选择存储基路径；
步骤5.3、操作员在人机交互界面上点击启动，采集开始，三相电流和B相电压的瞬时波形、波形趋势图、伏安特性曲线实时在界面上显示；
步骤5.4、通过文本编程实现平台的数据分析功能，包括历史数据回显、FFT频谱谐波分析、计算电能质量参数指标，对对炉内运行状态进行检测。
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