基于S7-300 PLC的大型電弧爐控制系統

1 電弧爐電極自動(dòng)系統控制策略
1．1 電弧爐的冶煉過(guò)程工藝特點(diǎn)
電弧爐的冶煉過(guò)程為間歇式操作，每爐次主要分為引弧加料期和熔化期。前者的特點(diǎn)是電弧不穩定，電流波動(dòng)極大，易發(fā)生斷弧、過(guò)電流跳閘和斷電極事故；后者的特點(diǎn)是弧溫較低，爐料比電阻較高，電極弧光埋在未熔化的爐料中，電流隨冶煉的進(jìn)行逐漸趨于平穩，如果控制的三相電極非平衡滿(mǎn)負荷送電，可能使爐料不能迅速熔化而延長(cháng)冶煉時(shí)問(wèn)，增大功耗。
1．2 控制方案
依據經(jīng)典控制理論，只有建立了被控對象的數學(xué)模型，再按照系統工藝所要求的靜態(tài)指標和動(dòng)態(tài)指標設計校正環(huán)節的參數，才能滿(mǎn)足工藝要求。但由于電弧爐具有多變量、非線(xiàn)性、大滯后、強耦合、數學(xué)模型參數的不確定性和系統工作點(diǎn)的劇烈變化等特點(diǎn)，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)多輸入、多輸出、非線(xiàn)性、強耦合的對象，顯然經(jīng)典控制對此無(wú)能為力，甚至用現代控制理論也不能精確地解決問(wèn)題，因為系統的特征所決定的數學(xué)模型難以建立，因此難以實(shí)現對被控量的精確控制。通過(guò)對電弧爐在冶煉過(guò)程中特點(diǎn)的了解，以及對被控對象特性的分析得知，電極調節系統是一個(gè)位置控制系統，調節對象是弧長(cháng)，但由于弧長(cháng)沒(méi)有合適的檢測設備，只能通過(guò)檢測電弧爐主電路的電弧電流間接地反映弧長(cháng)的大小，也就是通過(guò)控制電流來(lái)控制弧長(cháng)。
當控制對象的特性或參數隨著(zhù)環(huán)境的變化或運行時(shí)間的加長(cháng)而大幅度變化時(shí)，常規的反饋控制難以完成優(yōu)良的控制，而采用自適應控制的控制方案比較合理。由電弧爐的功率特性曲線(xiàn)得知，不同的電弧電流對應相同的電弧功率，當弧流超過(guò)最有利的調節電流時(shí)，輸入爐內的功率并未因電流的增加而增大，反而線(xiàn)路的電耗增大，效率降低。在熔煉時(shí)，將某一熔煉過(guò)程中最有利的調節電流作為電弧電流的額定值，再用自適應控制來(lái)調整相關(guān)參數。
具體方法如下：當系統開(kāi)始運行時(shí)，首先是點(diǎn)弧程序。其控制思路是：合高壓開(kāi)關(guān)，冶煉開(kāi)始，三相電極自動(dòng)下降，在任一相電極接觸到導電爐料時(shí)，該相電極自動(dòng)停止下降，直至另一電極起弧后第一相電極自動(dòng)起弧，這時(shí)系統自動(dòng)轉入熔煉程序，點(diǎn)弧程序結束。把電弧爐電流值的大小分為5個(gè)控制區，如圖1所示。

橫坐標表示電弧電流值，縱坐標表示PLC的輸出控制信號(-10～10 V)，在工區電弧電流遠遠小于弧流額定值，PLC輸出的控制電壓為Umin，電極以最大的設定速度下降，該區也稱(chēng)為下降飽和速度區。在Ⅱ區電弧電流小于弧流額定值，電極以速度線(xiàn)性減小下降，改變該區的寬度就可以改變直線(xiàn)的斜率，也就調節了靈敏度，該區也稱(chēng)為電極下降速度調節區。在Ⅲ區電弧電流等于或近似等于弧流額定值，PLC輸出的控制電壓為0，電極保持靜止不動(dòng)，該區也稱(chēng)為非調節區或死區。在Ⅳ區電弧電流大于弧流額定值，電極以速度線(xiàn)性增加上升，改變該區的寬度就可以改變直線(xiàn)的斜率，也就調節了靈敏度，該區也稱(chēng)為電極上升速度調節區。在V區電弧電流遠遠大于弧流額定值，PLC輸出的控制電壓為Umax，電極以最大的設定速度上升，該區也稱(chēng)為上升飽和速度區。在非調節區與相鄰兩區的邊界點(diǎn)，PLC輸出的控制電壓為±Up，Up為液壓伺服閥功率放大板的輸入門(mén)檻電壓值，0～Up的電壓不能使液壓閥有任何動(dòng)作。
在上述調節期間如果出現弧光竄動(dòng)、電流振蕩，甚至短路或斷弧時(shí)，再按照一定的程序去調整死區寬度，調整靈敏度和飽和臨界值，這樣反復幾次，直到最佳參數為止。
對輸入PLC的信號進(jìn)行處理后，輸出可調的速度控制信號以控制電極動(dòng)作，使每相電極都能依據流過(guò)自身的電流而以相應的速度上升、下降或停止，在保證系統穩定性的同時(shí)，又提高了系統的快速性，使電爐的冶煉電流始終處于最佳狀態(tài)。