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摘 要：采用PLC对钛渣电炉电极升降进行控制，实现电极电流的控制。结合实际的工艺及设备特点，从PLC硬件及软件入手，阐述了恒流控制原理及实现方式。
关键词：钛渣冶炼；电极电流控制；PLC；恒流控制；冶炼自动化
0 引 言
钛渣电炉借助于电极通过大电流，以电阻热和电弧热的形式加热物料完成冶炼。从电炉的功率曲线可知，不同电弧电流对应不同的电弧功率，当弧流超过有利的调节电流时，输入炉内的功率并不会因为电流的增加而增大，反而线路上的电耗将增大，难以获得目标中的经济效益，同时可能损坏炉衬，加大电极的消耗量。如何将电流控制在一个合理范围，并可靠地控制，使其达到既保护设备安全又具有可观经济收益，是电炉实现控制的目标。
在攀钢钛业公司钛渣厂，25.5MVA钛渣电炉（国内最大的钛渣电炉）采用控制液压系统电磁阀得电时间，来实现电极升降动作从而达到对单相电极熔炼过程的恒流控制。为达到炉内电极三相功率平衡，在以电流为主进行控制的同时辅以二次电压的调节，来保证输入炉内的三相功率在一定范围内达到平衡。
在钛渣冶炼工艺中，使用西门子S7-400 PLC对电极调节过程进行控制能够保证设备可靠、准确运行，完全能满足钛渣冶炼过程电极控制要求。
1 电极电流控制工艺要求及控制原理说明
常规的电极升降控制，被控量计算取决于电极升降调节方式，有阻抗控制、功率控制和电流控制。而钛渣冶炼是按功率曲线的设定和优化进行控制。
一个完整的工作过程是系统投运前，自动检查各设备运行状态，使其置于设定的初始位置，并由PLC系统发出确认指令，电极的升降控制由预先输入到PLC的功率曲线来完成。
在钛渣冶炼过程中由于同时存在电阻炉和电弧炉的工作过程，所以我们应按2个阶段来考虑。在埋弧时，电极下部埋在炉料中，其加热来自电极和炉料之间的电弧热，但主要是电流通过炉料时产生的炉料电阻热，此时负荷量很小，电流从零逐渐上升，电流变化快，功率因数高，三相负荷电流控制较难实现。当炉料逐渐熔化，熔体的导电性增加，电阻值下降，明弧放电现象更加明显，常易出现塌料翻渣现象，此时须快速提升电极，以防短路。炉料完全熔化后，电极根据设定参数与炉料保持一定高度，该过程通过调节电极的升降，控制电极电流和相电压的变化，使电极功率按给定曲线运行。相对于整个工艺过程，此阶段进入冶炼“平稳区”，同时，电极与时间及炉内熔体中的FeO含量一起作为控制终点的辅助控制。在冶炼终点钛渣出炉时，电极随熔体液面下降，保持一定的电流电压值，当出渣时间接近设定值，切断电炉供电电源。一个冶炼周期完成，电炉按预设程序恢复到开炉前状态。
因冶炼工艺的特点，对炉子的控制和运行要采取相应的保护措施，主要有短路保护和断电极保护。系统设有优先级：单相手动、三相手动、短路或断电极时快速提升。设定点的计算和给定在上位机完成。
短路保护：监控高压侧相电流，当其超过一预设最大值时，电极上升。如翻渣时，电流成倍增大，计算机输出电信号给液压系统，迅速给大力缸供液，在5s内使电极达到2.5~3m/min的速度迅速提升,并使电流下降,甚至为零。如电流值仍不下降，则延时T秒后系统供电系统自动切断。
断电极保护：在起弧阶段，当出现三电极不同时与物料接触时，若仍采用正常调节方式，将因设定值和实际值之间偏差使电极下降，导致电极折断。因此对这种情况采用“电压-电流”控制方式，当单个电极与炉料接触时，虽电流为零，但弧压也为零，该相输出为零，电极停止下插。
在冶炼中，我们期望以最小的输入功率换取最佳冶炼效果，但在冶炼过程中，电极电流和电压的变化与炉料反应及炉况息息相关。因此要实现恒电流控制首先就要找出一个参照系来做被控参数。考虑到冶炼工艺与化工控制中精细性的区别，在本方案中恒流控制的参照系是在PLC中输入的一条设定功率曲线，它按时间段设定电极电流的大小，在一个冶炼周期中的不同冶炼时间，对电极电流设定值加以调整。
电炉变压器高压侧如A相电流互感器检测到A相电流变化，通过电流变送器转化成4~20mA的电信号。电压信号经I/O卡板整形滤波，并与设定值比较、运算及放大处理后，去控制液压系统的电磁阀，由电磁阀控制液压换向阀导通时间，从而升降液压缸以改变电极位置，最终达到控制电流的目的，原理图见图1。做为电炉本体的控制，炉体温度、炉内压力、变压器极数也是必须要检测控制的。
（图片） 用PLC装置实现电极控制主要由硬件和软件2部分组成。
2 硬件组成
钛渣控制系统硬件组成如图2所示。根据现场控制点数、控制的精确性，电炉控制系统采用SIEMENS公司的S7-400系列控制器。控制系统主要由S7414-1和S7414-2组成，并配有2套西门子工控机做为上位机，1台做操作员站，1台通过权限设置平时做操作员站，修改程序时做工程师站。S7414-1主要完成电炉电极的升降控制、压放控制，热参数控制及电炉本体数据的采集、计算及控制等；S7414-2主要完成原料称量输送数据的采集、计算及控制。2台主控制器与其远程I/O模块之间通过Profibus-DP通信实现数据的交换与共享。S7414-1及S7414-2控制器与上位机之间通过工业以太网通信，2台上位机互为冗余。计算机操作站主要完成对电炉系统的运行状态监控，通过网络总线采集电极升降、电炉本体等各种模拟量、开关量信号，并在操作站实时显示工艺过程动态画面、设备运行状态及故障报警等信息。（图片） 2.1电炉本体S7 414-1控制器
电炉本体S7 414-1控制器主要由以下400系列模块组成：
数字量输入模块DI，数字量输出模块DO，模拟量输入模块AI，模拟量输出模块AO，通信接口模块461-0，电源模块等。
I/O主要用于采集现场模拟量及数字量信号，参与控制。
2.2主要检测控制参数及检测元件
2.2.1电信号
电流互感器（配电室内的MCC柜内），电流互感器装于电炉变压器的高压侧，主要检测二次电流，检测后将0～5A电流信号，接入综合自动化系统，通过以太网送入PLC完成算法控制，并在操作站实时显示。
电压互感器,检测电炉变压器二次侧电压，并将电压输出信号转化为4～20mA模拟信号送入控制系统。
其它需要的电信号包括有功功率、无功功率、功率因数，电度量等。
2.2.2非电量信号
（1）电极位置检测。采用超声波物位计将电极的相对位移量转换成电信号，经PLC控制器比较，用于输出显示，并设置电极位置限位。
（2）炉内负压检测。采用压力传感器检测炉内负压，将其输入PLC参与控制。炉内负压一般保持在-2～0Pa，当出现渣沸腾时，根据炉压高低判断，决定尾气是否放散，以保证人身及设备安全。
（3）执行机构。钛渣电炉电极升降采用的是液压装置,每根电极被2个大力油缸支撑，当上下缸内充满带压油时，即可完成升降动作。大力缸充油方向和时间决定电极的升降及其幅度。
当压力油进入油缸杆腔时，电极上升，电极下降靠电极自重，泵打出的油和杆腔排出的油进入油缸的无杆腔，电极下降速度由调速阀确定。因此控制换向阀上2组电磁阀的通断时间及通断顺序即可控制电极的升降。液压系统采用双油源，以确保可靠性。
3 PLC软件组成
本系统采用西门子STEP7编程软件，软件采用LAD图、STL语句表及FDB功能块图三者相结合的编程方式，实现冶炼过程的逻辑控制。通过硬件采集弧压、弧流及档位等信号，按恒功率恒电流控制原理，将最终结果输出到液压控制系统以实现电极升降自动控制，并按照最佳供电曲线自动调节输入炉内的电弧参数。
电炉系统操作站采用拥有开放协议、集成ODBC/SQL数据库的WinCC组态软件实现画面监视和设备状态显示。
4 控制过程
在钛渣电炉操作过程中，冶炼电气制度受到以下干扰：供电电压波动、负荷电阻系数变化、炉内渣铁面的变化、电极负荷、电极焙制的损耗、渣沸腾等。
与工艺要求相一致，电炉有功功率和电流变化时间表中给定了每个电气参数的死区（也即偏差），如表1所示。（图片） 在整个冶炼过程中，电气制度控制算法的主要任务就是保持电炉有功功率和电流的预设值恒定，来限制强加在电炉变压器高压侧的相电流。在PLC中，对采集的电极电流进行转换处理后即进入控制过程。电极自动控制在工况相对稳定时投运，每相电极按预设曲线自动调整升降高度，直到电流检测值达到设定值。在实际运行中为防止电极频繁动作，可设置1~5KA的动作死区。在炉料完全熔化，熔池打通或冶炼进入到精炼区时，电极电流波动较大，此时仅当电极电流测量偏差大于死区值时，电极方才移动，控制功能实现较稳定；当冶炼初期及补加碳时，因炉内反应剧烈，伴随塌料现象，电极电流会大幅度上升，此时控制动作频繁，系统的抗干扰要求提高，在控制上更要多方考虑。
图3是钛渣电炉实现电极控制的一个算法流程。
（图片） 当A相选择自动控制投运时，系统自动检测高压侧电极电流，并送入PLC，经处理，在T时间内对采样值取平均值，并与设定值进行比较。当检测电流值II大于设定值，但尚未达到电极工作上限HS1,且电极内、外装置已处于自动EC1方式下，则PLC发出电磁阀ELIC1接通指令，电磁阀得电，换向阀上行油缸充液，电极将提升，当延时T时间后，检测电极前后位置的变化，并转入下个循环。当检测电流值II小于设定值，但尚未达到电极的工作下限LS1,且电极内、外装置已打在自动EC1方式，则PLC发出电磁阀ELOC1接通指令，电磁阀得电，换向阀返回油缸，阀打开，电极靠自重下降，延时T时间后，检测电极前后位置的变化量，并转入下个循环。
在电极控制算法中要考虑3个因素：在升降的同时不能完成电极的压放控制；在系统中要延时检测电极的位置，以区别于其它因素导致的电流变化；将不正常因素以报警信号形式输出。
根据工艺特点， 在三相电极的电流调节中，每个电极电流控制都可独立进行，任一电极都可根据工况运行在自动或手动状态。当炉内出现翻渣或塌料时，控制系统能检测出电流大幅上升，此时电极快速提升，直到电极电流达到设定值时，停止上升。若电极已提升至上限值，电流还未下降到设定值，则电炉变压器的电源将被切断，正常冶炼被中止。
整个冶炼过程电极的控制均由操作工在控制室的操作台上完成，因项目中变压器采用35kV电源供电，系统的用电安全等级要求较高，在控制屏外单独设置了操作台，以钥匙开关的方式将停送电权限交给操作工专人管理。
5 取得的成效
自钛渣电炉生产PLC控制系统投运以来，所有信号集中处理，采用模块化结构易于调整和更换，备品备件量下降。更为重要的是采用PLC自动控制电极的升降，取代了以往电极升降手动操控方式。
采用高精度检测元件，能更有效、更准确地反映现场情况，实现精确控制。
在钛渣冶炼中电极升降采用液压系统，使电极调节直观，响应速度更快，更能满足钛渣正常冶炼过程控制要求。
针对钛渣电炉的多变量、非线形、大滞后、强耦合、时变、工作环境及随机干扰较强的特点，采用PLC可实现电炉电极升降的全自动闭环控制，并能满足三相电流平衡及温度的稳定。
6 存在的问题及下步改进措施
虽然PLC在电极电流控制上已取得良好效果，但由于采用PLC控制的25.5MVA容量特大型钛渣电炉尚属国内首例，在控制的设计和程序的编制上还存在一些缺陷，如目前暴露出电极的升降死区范围设得较大以及操作中获得的曲线与设定曲线差距较大的问题。造成这种影响主要原因是电极升降的液压系统未采用伺服调节阀控制，使升降动作启停有较大机械死区。
此外钛渣冶炼控制的最终目标是输入炉内的总功率平衡。但目前还尚未摸索出一个合适的算法来将电极电流与三相功率的平衡在PLC中统一起来。
但PLC系统在电极控制中的成功运用及其强大功能，将使我们在控制精度、安全性、经济价值上找到更多的切入点去适应钛渣冶炼的生产控制要求。
参考文献
[1] 刘云，等.冶金自动化（第三版）[M]. 北京：冶金技术出版社，1989
[2] 莫畏，等.钛冶金（第二版）[M]. 北京：冶金工业出版社，1998
[3] 花皑.炼钢电弧炉电气设备[M]. 北京：北京机械工业出版社，1987
9/19/2011
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