電弧爐控制系統介紹

隨著(zhù)計算機技術(shù)的普及與應用，數字技術(shù)已經(jīng)滲透于各行業(yè)之中，特別是在一些傳統工業(yè)的改造與創(chuàng )新中，發(fā)揮了重要的作用。本文介紹的工控機參與自動(dòng)控制系統對電弧爐的控制，使控制系統技術(shù)含量大大提高。經(jīng)過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐證明，該系統在安全性、可靠性、靈敏度等方面大大優(yōu)于傳統的模擬控制方法。

1系統組成

本系統由一臺研華5X86/133工控機，輸入輸出電路板(D/A板，A/D板和觸發(fā)脈沖板)，WB系列電流電壓傳感器，富士G11型變頻器(四臺，其中一臺備用)以及交流異步電動(dòng)機組成。系統組成框圖如圖1所示。

本系統采用電氣傳動(dòng)控制電極上下運動(dòng)。經(jīng)計算，選用功率為7.5kW的異步電機，并以此為依據選用變頻器。本系統選用富士G11型變頻器，其特點(diǎn)是：不需要正負轉換信號，僅根據給定頻率控制輸出電壓的大小和極性即可控制電機的轉速與轉向。

由于電極的電弧電流太大(約為25kA)，所以傳感器從電流互感器進(jìn)行采樣。因為A/D轉換卡的輸入信號為電壓型，故我們選用電磁隔離、感應式的WBI412as1Q型電流—電壓傳感器。而對于電弧電壓(一般為250V左右)，則不需要中間環(huán)節，直接選用電磁隔離、感應式的WBV414asQ型電壓-電壓傳感器即可。

為了易于控制與維護，電極的每一相都為一套獨立設備(包括傳感器，變頻器，電機和印刷線(xiàn)路板)，為此在控制軟件的設計中采用分相進(jìn)行獨立控制的原則。此外，額定電流的設定和電源模塊的供電所需要的0～12V電源，可通過(guò)小型變壓器和WY17812，WY27912等組成的電路來(lái)實(shí)現，此處不一一詳述。

2硬件設計

系統的控制原理如圖2所示。

本系統選用研華公司開(kāi)發(fā)的PCL730型A/D轉換卡，此卡提供32路DIO(DigitalInputOutput)通道，其中包括16路輸入和16路輸出。每路都帶有光耦隔離，用于提高系統的抗干擾能力。選用分辨率為12位的PCL728型D/A轉換卡作為輸出卡，此板卡具有2個(gè)通道，其輸出電壓范圍可利用板卡的跳線(xiàn)設定到-10V～+10V之間，便可直接控制變頻器。在上述系統中，選用分辨率為12位的PCL813型A/D轉換卡，它可以提供32路模擬輸入量，故僅需一塊便可實(shí)現電弧電流、電弧電壓和電流設定值等的模數轉換。

圖1系統組成框圖

圖2控制系統框圖

圖3模擬系統與數字系統切換

圖4變頻器及相關(guān)電路

圖5變頻器開(kāi)關(guān)

本系統分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作狀態(tài)，其中自動(dòng)工作狀態(tài)又分為模擬狀態(tài)和數字狀態(tài)。在自動(dòng)工作狀態(tài)時(shí)，通過(guò)轉換開(kāi)關(guān)，可使繼電器觸點(diǎn)選擇模擬通路或數字通路(其中數字通路一般接常閉觸點(diǎn))，切換結構如圖3所示。手動(dòng)工作狀態(tài)下，電路實(shí)現較為簡(jiǎn)單，它不經(jīng)過(guò)中間電路和信號處理過(guò)程便可直接驅動(dòng)變頻器。所以它的優(yōu)先級較高，故適用于在緊急情況下的應急操作，其與自動(dòng)狀態(tài)下的切換如圖4所示。

富士變頻器端子12為設定電壓輸入端，端子11為模擬信號公共端，FWD為運行/停止命令端，CM為接點(diǎn)輸入公共端。因為不能采用直接接通與斷開(kāi)主電路電源的方法來(lái)操作變頻器的運行與停止。采用圖5所示的電路，在保持主電路接通的情況下，只需按按鈕開(kāi)關(guān)SB，使交流接觸器線(xiàn)包帶電，吸合KM1使指示燈亮，KM2給變頻器送電(見(jiàn)圖4)。

此類(lèi)變頻器通過(guò)鍵盤(pán)，面板操作體系(畫(huà)面轉換層次結構)來(lái)設定，監控，查詢(xún)。操作者通過(guò)LCD監視器與操作鍵來(lái)設定自己所需確定的參數，如最高頻率，額定電壓，加速時(shí)間，轉矩特征等。在運行過(guò)程中選擇自己所關(guān)心的數據(如輸出電壓)作為實(shí)時(shí)監控對象。設計者還可根據系統的實(shí)際要求設計適當的制動(dòng)電阻，處理報警輸出信號及抗干擾措施等等。

3軟件設計

電弧爐控制系統的軟件是根據各個(gè)爐子的實(shí)際情況而開(kāi)發(fā)的。在本工程中系統軟件由界面模塊，運算模塊和打印模塊三大部分組成。其中界面程序提供了一個(gè)人機對話(huà)窗口，操作者可以清楚地了解到電爐目前的各個(gè)參數，從外部輸入的模擬量的數字化值的大小(如檔位電壓)。另外，外部參數的修訂也都是利用人機界面從鍵盤(pán)輸入實(shí)現的。本系統的界面是用BORLANDC和匯編語(yǔ)言編制而成，在編制過(guò)程中力求達到美觀(guān)、直觀(guān)、易操作的目的。

輸入輸出采集運算是本系統的核心部分，在沿襲前輩工作經(jīng)驗的基礎上，通過(guò)跳線(xiàn)和小型轉換開(kāi)關(guān)，選擇出適合于系統的輸入輸出通道與形式(PCL為高集成板，提供了多種功能選擇，如可以電壓形式輸出，也可以電流形式輸出等)。在控制運算過(guò)程中根據電弧爐的點(diǎn)弧期，熔化期，精煉期以及鋼水出爐前弧流弧壓的不同狀況，在控制子程序的算法實(shí)施上應有所區別，其程序流程圖如圖6所示。在控制過(guò)程中充分利用了G11變頻器電壓速率的特點(diǎn)(如圖7所示)，降低了硬件的設計復雜度。電流設定值和電壓設定值的確定，根據外部電路所能提供的電源電壓而選擇不同的轉換算法。軟件中僅僅考慮采集與轉換是不夠的，本系統對于數據處理采用的是PID控制算法?？刂品绞缴?，模擬系統通過(guò)硬件電路來(lái)實(shí)現，而軟件設計則是通過(guò)PID算法來(lái)完成的。為了保證冶煉的溫度恒定，又要電極的運動(dòng)不會(huì )出現太大波動(dòng)，就在控制系統中增設給定積分環(huán)節。對電路的參數設定可借鑒模擬調節器的參數，衰減曲線(xiàn)法等，取得良好的比例積分(PI)控制參數。

圖6運行程序流程圖