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103#电弧炉控制系统方案

五矿（湖南）铁合金有限责任公司103#硅锰合金冶炼炉优化控制系统

方

案

设

计

说

明

书

中南大学信息科学与工程学院

二○一○年三月

一、

开发背景

五矿（湖南）铁合金集团有限公司103#10000KVA矿热炉主要用于熔炼硅锰合金和碳锰合金，整个生产系统由炉体、供电变压器及保护系统、配加料系统、电极卷扬升降控制系统、电极压放子系统和炉体水冷系统等组成。

目前，配加料子系统采用了计算机自动控制；电极压放子系统依靠人工凭经验综合考虑炉况、二次电压、一次电流、熔炼时间等因素，输入控制信号给PLC，由PLC来完成电极的定长压放；电极升降是依靠人工凭经验综合考虑二次电压、一次电流及炉盖温度等因素进行调节；供电变压器二次侧电压等级靠人工根据炉况和电压、电流、功率等因素凭经验进行调整。

这种靠人工凭经验来控制冶炼过程的方法难以保证矿热炉稳定持续地工作在最佳工作范围内，调节过程相对滞后、工人操作强度大、工作效率低，容易出现电极烧结不好、耗电量大、炉况不稳定等问题，难以保证产品的产量和质量。

二、设计要求

针对五矿（湖南）铁合金集团有限公司103#矿热炉熔炼过程控制自动水平低下带来的各种问题，通过现场调研和与工艺技术人员交流沟通，结合生产的实际需要，搭建103#矿热炉优化控制系统，以达到如下目标：

1．通过建立电极位置模型，在线检测电极的升降量和压放量，实现电极自动升降和自动压放；并通过采用合理的算法，计算电极长度及其位置，控制电极处于最优位置区域内，使三相有功功率平衡度在原有基础上提高2-3%，提高功率因数。

2．通过建立实时数据库，实时采集熔炼过程数据，实现整个矿热炉控制系统的运行监视、事故报警与记录、统计分析和报表打印、日常生产管理以及安全管理等功能，并实现变压器的继电保护。

3．通过对矿热炉供电网电能质量在线检测与监视，实时监测电极升降压放等操作和供电电流电压、功率因数的对应状态，分析三相不平衡、无功损耗及其对用电设备的影响，分析谐波损耗及其波形畸变用电设备的影响，使电能质量各项指标的监测精度达到2%以上。

4．在保证产品质量的前提下，根据用电制度和造渣制度，综合考虑原料成分和品位、产品成分、矿热炉设备参数、熔炼过程状态参数等因数的影响，建立生产过程优化控制模型，优化供电电压等级及电极插入深度，提高稳定运行率5%以上。

三、设计方案

3.1系统总体结构

五矿（湖南）铁合金集团有限公司103#矿热炉优化控制系统由电极位置自动控制子系统、生产过程参数集中监视子系统、生产设备故障监测与预警子系统、生产过程优化控制子系统、电能质量在线检测与综合分析子系统五部分组成，系统的整体结构如图1所示。

图1103#矿热炉优化控制系统总体结构

3.2系统功能介绍

电极位置自动控制包括电极位置检测和电极位置控制两大部分。

电极位置检测的目的是建立电极位置模型，通过在线检测电极的升降量和压放量，计算电极长度及其位置。

电极位置检测和长度的计算采用间接测量法求得，电极位置模型为

电极长度模型为：

式中，

为电极的初始位置；

为实测电极升降量；

为电极的压放量；

为电极的正常损耗量；

为电极异常损耗量；

为电极的长度；

为电极的初始长度。

由绝对式光电编码器检测得到；

由次数*固定压放量统计得到；

由炉料消耗量、生产过程状态参数、产量等推断可得到一个较准确的消耗速率（此速率可以根据路况不同更改），累积超过30mm提示压放。

可由手动输入估计的异常消耗量，超过30mm提示压放。

电极位置控制的主要包括电极升降控制和电极的压放控制。

电极升降控制的目标是保持电极插入位置最佳，实现三相熔池有功功率平衡、有功功率大、功率因数高、线路电流小，保持较好的炉况。

电极压放控制的目标是通过压放电极来补充电极的消耗量，以保持电极工作端的长度最佳。

1．电极升降控制

矿热炉冶炼过程中，因为工况复杂，干扰较多，三相电极的最优位置会实时改变。

为使电极稳定工作于最优位置区域内，可通过升降电极来实现三相熔池有功功率平衡、有功功率大、功率因数高、线路电流小，并维持最佳的炉况。

电极升降控制分为手动控制和自动控制两种方式，自动升降控制系统结构如图2所示。

图2电极自动升降系统系统结构图

但因为矿热炉冶炼过程复杂，在冶炼过程中可能会出现一些特殊情况。

为了能应对矿热炉冶炼过程中可能出现的各种情况，设置不同的电极调节方法：

◆炉况正常时，采用最优位置控制

此时控制信号由电极目前所处位置、最优插入深度和控制算法求得。

最优电极位置可由人工凭经验来设定，也可通过对大量历史数据（如电压、电流、有功功率、功率因数、炉气成分、炉膛温度等）分析，综合专家经验知识，经建模和优化计算得到。

电极最优位置稳定控制结构如图3所示，

图3电极最优位置稳定控制结构图

其中

为电极设定的最优升降量，

为电极实际升降量。

控制器根据实际升降量与电极设定最优升降量差值的大小来给定频率和升降时间，当差值较大时采用较高速度升降电极；当差值较小或炉况不稳定时，采用较低速度升降电极。

◆当电流下降或上升幅度过大时，采用恒电流控制

此时控制信号由一次侧电流决定，以便使电路中的电流快速地恢复到正常工作范围之内。

◆不可抬升电极的情况处理

出铁时，为防止出现塌料，出铁口附近的电极不能上抬；电极出现异常时，如中间凹陷，则一般不能抬升。

◆故障情况下电极的处理

当矿热炉自动控制系统出现故障时，系统给出相关状态信息并报警，提示操作人员切换到手动控制，以保证矿热炉的正常生产。

2．电极压放控制

因为硅锰合金冶炼是连续进行的，随着冶炼过程的进行，电极会不断消耗，电极的工作端逐渐变短，其插入位置不断上移。

为确保矿热熔炼炉处于最佳的熔炼状态，电极的插入位置必须要在适宜的范围内，因此，需要对电极的消耗不断进行补充。

电极压放控制系统的主要功能是通过压放电极来补充电极的消耗量，从而调整电极的插入位置。

电极压放控制系统原理如图4所示。

图4电极压放控制系统原理图

为确保放系统能可靠工作，根据生产的需要，设置了三种不同的压放方式：

自动压放、手动压放和现场压放，具体的控制方式描述如下。

（1）自动压放

自动压放在电炉操作室内完成，这也是系统的主要运行方式。

相关检测与控制信号与PLC相连，由与PLC相连的上位机据谐波检测仪的分析结果及炉况最优化控制算法输出控制信号，经PLC根据相应状态检测信号自动控制相应电磁阀的起停，从而完成电极压放各环节之间的协调动作，实现电极自动定长压放。

决定电极是否压放的因素包括二次侧电压、一次电流、有功功率、功率因素、及炉况、炉盖温度等。

如二次侧电压过高、二次电流过小或炉盖温度过高时则需要进行压放。

系统三相功率不均衡或功率因素过低时，综合考虑电极升降来作适当的压放操作。

自动压放控制的思想如图5所示。

图5自动压放系统结构

电极自动压放的具体工作流程为：

工业控制计算机获取谐波检测仪分析所得的电炉一次侧电流、电压、有功功率、功率因素等信号及PLC采集得到的炉况、炉盖温度、液压系统状态等信号，结合当前各项电极位置，据最优化控制算法，判断各相电极是否需要压放并输出相应电极位置控制信号——PLC获取控制信号，开始压放相应电极——输出“上闸松”信号——对上闸液压压力继电器进行采样，直至其反馈状态为“松”，输出“立缸升”信号——对“立缸上限”行程开关进行采样，直至其被触发，输出“上闸紧”信号——对上闸液压压力继电器进行采样，直至其反馈状态为“紧”，输出“下闸松”信号——对下闸液压压力继电器进行采样，直至其反馈状态为“松”，输出“铜瓦松”信号——对铜瓦液压压力传感器进行采样，直至其压力下降至2.5Mpa（待确定），输出“立缸降”信号——对“压放量”通道进行采样，直至压放量达到规定值，输出“下闸紧”信号——对下闸液压压力继电器进行采样，直至其反馈状态为“紧”，输出“铜瓦紧”信号——对铜瓦液压压力传感器进行采样，直至其压力上升至4Mpa。

至此，一次压放过程结束。

期间，若在设定时间内任一路压力继电器或行程开关未能达到期望状态，则停止压放过程并输出相应报警信号。

（2）手动压放

手动压放在电炉操作室内完成。

当上位机出现故障或系统中元器件出现故障，不能进行自动压放时，为确保矿热炉生产系统的正常工作，需要人工控制PLC进行电极压放。

在该方式下，由操作人员通过操作面板上的相应切换开关及按钮，将控制信号输入PLC，再由PLC完成电极的压放。

手动压放的思想如图6所示

图6电极压放控制系统手动压放系统结构图

其具体操作流程为：

各切换开关至0°——运行方式选择“手动压放”——按下“试灯”按钮，若所有状态指示灯均正常亮起，继续操作——选相（左45°：

A相;右45°B相；右90°：

C相）——上闸松（右45°，等待“上闸松”信号灯亮）——立缸升（右45°，等待“立缸上限”信号灯亮）——上闸紧（0°，等待“上闸紧”信号灯亮）——下闸”松（右45°，等待“下闸松”信号灯亮）——铜瓦松（右45°，等待“铜瓦松”信号灯亮）——立缸降（左45°，等待“立缸下限”信号灯亮）——下闸紧（0°，等待“下闸紧”信号灯亮）——铜瓦紧（0°，等待“铜瓦紧”信号灯亮）——立缸手柄回0°——选相开关回0°。

至此，一次压放操作完成。

若操作过程中，某信号灯在较长时间内没达到期望状态，则应立即停止压放操作并检查系统，查找故障。

注：

做完每次压放后，所有切换开关需要还原至0°，每次压放之前亦须确保各切换开关均处在0°位置。

（3）现场压放

现场压放在液压站内进行。

用于当PLC压放系统出现故障无法工作或特殊情况下需要观察电极情况进行操作时使用。

因为操作过程中可以直接看到电极的升降及上下抱闸和立缸的工作情况，建议使用现场压放完成倒拔电极过程。

在该方式下，由有经验的操作人员直接观察液压站内的油压表读数及电极情况，控制与电磁阀直接相连的切换开关，完成电极压放的相应操作。

该过程不需要PLC或工业控制计算机的参与。

根据实际需要，现场压放分压放和倒拔两个过程，具体操作方法如下：

压放过程：

运行方式选择“现场压放”——选相——上闸松（右45°，上闸进油压力指示上升至4MPa）——立缸升（右45°，观察立缸上升距离至所要求值，要求不能达到最高位）——立缸手柄回“0”位（垂直位置）——上闸紧（0°，上闸进油压力指示降至0MPa）——下闸松（右45°，下闸进油压力指示上升至4MPa）——铜瓦松（铜瓦进油压力指示降至2.5MPa）——立缸降（左45°，观察立缸下降距离至所要求值，要求至最低位）——立缸手柄回“0”位——下闸紧（0°，下闸进油压力指示降至0MPa）——铜瓦紧（铜瓦进油压力指示上升至4.5MPa），压放完成。

倒拔过程：

运行方式选择“现场压放”——选相——下闸松（右45°，下闸进油压力指示上升至4MPa）——铜瓦松（铜瓦进油压力指示降至2.5MPa）——立缸升（右45°，观察立缸上升距离至所要求值，要求不能达到最高位）——立缸手柄回“0”位（垂直位置）——下闸紧（0°，下闸进油压力指示降至0MPa）——铜瓦紧（铜瓦进油压力指示上升至4.5MPa）——上闸松（右45°，上闸进油压力指示上升至4MPa）——立缸降（左45°，观察立缸下降距离至所要求值，要求至最低位）——立缸手柄回“0”位——上闸紧（0°，上闸进油压力指示降至0MPa）。

倒拔完成

3.2.2生产过程参数集中监视和生产设备故障监测与预警子系统

生产过程参数集中监视与生产设备故障监测与预警系统的主要功能是将生产过程的工艺流程和生产过程数据实时进行显示，并以图形、表格、曲线、动画等多种形式反映生产过程当前的工作状态，为工艺人员和操作人员提供技术指导。

设备出现故障时，能及时告知故障源，为维修维护技术人员提供依据，系统结构如图7所示。

图7生产过程参数集中监视和生产设备故障监测与预警子系统结构图

电能质量在线检测与分析用于实时准确地检测出矿热炉各分相电压有效值3、分相电流有效值3、分相有功功率3、分相无功功率3、分相视在功率3、分相功率因数3、总有功功率1、总无功功率1、总视在功率1、电压相序检测3、电流相序检测3、分相电压谐波25*3、分相电流谐波25*3、总有功电能1、总无功电能1等参数，监测1~25次谐波电压和电流含有率25*3*2，统计谐波电压畸变率3、谐波电流畸变率3，二次侧三相电压、（三相电压平衡度、三相电流平衡度、三相有功功率平衡等图示方法）了解系统中谐波分量的大小、三相有功功率、无功功率、视在功率的平衡情况及功率因数的变化范围和趋势，为调节电极最优插入深度、选择最优供电电压等级和提高矿热炉功率因素提供依据。

（合计331个变量）

3.3详细设计

1．原理图

电极升降系统原理图见附录1

2．I/O点配置

名称

信号范围

DI

DO

AI

AO

备注

24VDC

标准24VDC

继电器220VAC

4-20mA

0-20mA

输入（控制）：

手动/自动方式

24VDC

1

电极升降距离

profibus通信

输入（状态检测）：

上限位开关

24VDC

3

下限位开关

24VDC

3

变频器故障报警信号

24VDC

3

输出（控制）：

变频器正转启动

24VDC

3

变频器反转启动

24VDC

3

变频器停止

24VDC

3

变频电路接通

220VAC

3

变频器调速

0~20mA

3

输出（状态显示）：

变频器故障

24VDC

3

电极升

24VDC

3

电极降

24VDC

3

电极上限位

24VDC

3

电极下限位

24VDC

3

总计

10

24

3

3

3．元器件清单

现场设备

序号

名称

用途

型号

数量

备注

1

光电编码器

统计升降量

倍加福PVM58I-011AGROBN-1213

3

连轴器

PSM58I-011-9401

安装支架

PSM58I-011-9203

连接插头

　配套（赠送）

电缆

　配套（赠送）

2

重锤式限位开关

升降限位

LX22-31

6

已有

电器柜

序号

名称

用途

型号

数量

备注

1

变频器

变频调速

西门子MM6SE6440-2UD31-1CA1

3

2

BOP基本操作板

设置变频器参数

西门子6SE6400-0AP00-0AA0

1

3

交流接触器

变频电路

施耐德CJX2-D25

12

已有6个

4

熔断器

变频器保护

西门子3NA-3014,35A

9

5

制动电阻

变频器保护

西门子6SE6400-4BD16-5CA0

3

6

空气断路器QF

主电路保护

施耐德NSC100B3060

3

已有

7

空气断路器QF1

控制电路保护

施耐德OSMC32N1C6

3

已有

8

熔断器

控制电路保护

西门子3NA3802

3

已有

操作台

序号

名称

用途

型号

数量

备注

1

转换开关

自动/手动

施耐德K2D-002UCH

1

2

信号灯

变频器故障

施耐德XB2BVB4C

3

24V

3

信号灯

电极升

施耐德XB2BVB3PC

3

24V（已有220V）

4

信号灯

电极降

施耐德XB2BVB3PC

3

24V（已有220V）

5

信号灯

电极上限位

施耐德XB2BVB4C

3

24V（已有220V）

6

信号灯

电极下限位

施耐德XB2BVB4C

3

24V（已有220V）

7

转换开关

手动控制电极升降

施耐德K2D-002UCH

3

已有

卷扬平台上的控制箱（已有）

1

熔断器

电机

RL2-25,5A

6

2

中间继电器

电机

JZC-44,380V

3

3

空气断路器

电机

DZ47-63/A,Ieq=10A

3

4

空气断路器

电机

DZ20-100/3300,Ieq=100A

3

1．原理图

压放控制系统原理图见附录2

2．I/O点配置

名称

信号范围

DI

DO

AI

AO

备注

24VDC

标准24VDC

继电器220VAC

4-20mA

0-20mA

输入（控制）：

压放选相

24VDC

3

上闸

24VDC

1

下闸

24VDC

1

铜瓦松

24VDC

1

立缸升

24VDC

1

立缸降

24VDC

1

试灯

24VDC

1

自动压放

24VDC

1

输入（状态检测）：

上抱闸

24VDC

6

每个压力控制器接两个DI

下抱闸

24VDC

6

每个压力控制器接两个DI

铜瓦

24VDC

6

每个压力控制器接两个DI

立缸位置

24VDC

6

上下限位

立缸位置

4-20mA

3

来自DJY-213压放量监测仪表

输出（控制）：

上抱闸

220VAC继电器

3

下抱闸

220VAC继电器

3

立缸升

220VAC继电器

3

立缸降

220VAC继电器

3

铜瓦

220VAC继电器

3

输出（状态显示）：

上闸松紧

24VDC固态继电器

2

下闸松紧

24VDC固态继电器

2

铜瓦松紧

24VDC固态继电器

2

立缸上下限位

24VDC固态继电器

2

手动运行

24VDC固态继电器

1

自动运行

24VDC固态继电器

1

现场操作

24VDC固态继电器

1

总计

34

11

15

3

3．元器件选型清单

电器柜

序号

名称

用途

型号

数量

备注

1

信号灯（红）

运行方式

XB2BVB4C

3

2

空气断路器

DZ47-63/1,Ieq=10A

1

3

熔断器

电磁阀

RT28-20,1A

15

4

熔断器

D0

RT28-20,2A

5

5组

5

熔断器

DI

RT28-20,1A

4

4组

6

熔断器

电源端子

RT28-20,5A

1

7

变送器

检测压放量

维博WBV344U01

3

0～5Vto4～20mA电源：

24V

操作台

序号

名称

用途

型号

数量

备注

1

按钮（绿）

试灯

XB2EA131

1

2

信号灯（绿）

XB2BVB3PC

4

3

信号灯（红）

XB2BVB4C

4

4

切换开关

立缸

K2D-002UCH

1

零位在中间

5

切换开关

上闸、下闸、铜瓦

K2A-001ACH

3

45°开关

6

切换开关

运行方式

K2F-013NCH

1

3档、两极、不带零位

7

切换开关

压放选向

K2C-003QCH

1

3档、单极、带零位

1．生产过程参数集中监视

生产过程参数主要在上位机通过工业以太网（或MPI）与PLC主机连接，PLC将现场采集的生产过程数据如电压、电流、功率因素、炉膛温度、炉内压力等实时数据传递给上位机。

同时，整个系统的操作和工艺参数设定均可在计算机上完成，如在上位计算机上可以设定电极的插入深度、电极的升降速度，输入检测化验的质量指标等参数。

上位机采用WINCC作为组态软件，实现过程监控、数据存档、流程显示及人机交互等功能。

PLC编程软件采用STEP7V5.3，用于PLC系统组态、程序设计与调试及软件与数据的下载与上传。

工控机外接打印机以打印报表，保证工控机的正常工作和数据的完整记录。

图8生产过程参数集中监视

2．生产设备故障监测与预警

矿热炉生产系统各设备在长时间运行过程中，会出现多种故障隐患，如炉盖温度过高，液压系统管路油压过低、油量不足，炉体冷却系统系统管路堵塞、流量不足、水压过低电炉变压器过热等，及时准确地发现故障隐患，为系统维护、维修提供方便。

3．炉体状态监测与预警

炉体状态检测的参数包括炉盖温度、炉膛压力、冷却水水压等，当炉盖温度超过上限值或三相熔池温度严重不等时发出报警信号；当炉内压力过高或出现负压时，调整排气阀开度，确保炉内维持微正压状态，当排气阀出现故障开度不能调节时，发出报警信号；当炉盖冷却水水压过低时，发出报警信号，系统原理及PLC连线如图9所示。

图9炉体状态监测及烟道蝶阀控制PLC连线图

（1）原理图

炉体状态监测及烟道蝶阀控制原理图见附录3

（2）I/O点配置

名称

信号范围

DI

DO

AI

AO

备注

24VDC

220V

24VDC

220V继电器

输入（控制）：

手动

1

切换开关

自动

1

切换开关

输入（状态检测）：

阀门全开

24VDC

1

行程开关触点输入

阀门关闭

24VDC

1

行程开关触点输入

阀门半开

24VDC

1

行程开关触点输入

温度检测

3

热电偶输入

冷却水水压

1

水压传感器输入

炉膛压力

1

炉膛压力传感器输入

碟阀位置

1

碟阀位置传感器

输出（控制）：

阀门打开

220VAC

1

继电器输出

阀门关闭

220VAC

1

继电器输出

输出（状态显示）：

阀门全开

24VDC

1

指示灯

阀门关闭

24VDC

1

指示灯

阀门半开

24VDC

1

指示灯

温度报警

24VDC

3

指示灯

冷却水水压报警

24VDC

1

指示灯

炉膛压力报警

24VDC

1

指示灯

手动显示

24VDC

1

指示灯

自动显示

24VDC

1

指示灯

总计

4

1