基于S7-300 PLC的大型電弧爐控制系統(tǒng)

1 電弧爐電極自動(dòng)系統(tǒng)控制策略
1．1 電弧爐的冶煉過程工藝特點(diǎn)
電弧爐的冶煉過程為間歇式操作，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(wěn)定，電流波動(dòng)極大，易發(fā)生斷弧、過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(wěn)，如果控制的三相電極非平衡滿負(fù)荷送電，可能使?fàn)t料不能迅速熔化而延長(zhǎng)冶煉時(shí)問，增大功耗。
1．2 控制方案
依據(jù)經(jīng)典控制理論，只有建立了被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，再按照系統(tǒng)工藝所要求的靜態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)設(shè)計(jì)校正環(huán)節(jié)的參數(shù)，才能滿足工藝要求。但由于電弧爐具有多變量、非線性、大滯后、強(qiáng)耦合、數(shù)學(xué)模型參數(shù)的不確定性和系統(tǒng)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、非線性、強(qiáng)耦合的對(duì)象，顯然經(jīng)典控制對(duì)此無能為力，甚至用現(xiàn)代控制理論也不能精確地解決問題，因?yàn)橄到y(tǒng)的特征所決定的數(shù)學(xué)模型難以建立，因此難以實(shí)現(xiàn)對(duì)被控量的精確控制。通過對(duì)電弧爐在冶煉過程中特點(diǎn)的了解，以及對(duì)被控對(duì)象特性的分析得知，電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個(gè)位置控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)對(duì)象是弧長(zhǎng)，但由于弧長(zhǎng)沒有合適的檢測(cè)設(shè)備，只能通過檢測(cè)電弧爐主電路的電弧電流間接地反映弧長(zhǎng)的大小，也就是通過控制電流來控制弧長(zhǎng)。
當(dāng)控制對(duì)象的特性或參數(shù)隨著環(huán)境的變化或運(yùn)行時(shí)間的加長(zhǎng)而大幅度變化時(shí)，常規(guī)的反饋控制難以完成優(yōu)良的控制，而采用自適應(yīng)控制的控制方案比較合理。由電弧爐的功率特性曲線得知，不同的電弧電流對(duì)應(yīng)相同的電弧功率，當(dāng)弧流超過最有利的調(diào)節(jié)電流時(shí)，輸入爐內(nèi)的功率并未因電流的增加而增大，反而線路的電耗增大，效率降低。在熔煉時(shí)，將某一熔煉過程中最有利的調(diào)節(jié)電流作為電弧電流的額定值，再用自適應(yīng)控制來調(diào)整相關(guān)參數(shù)。
具體方法如下：當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，首先是點(diǎn)弧程序。其控制思路是：合高壓開關(guān)，冶煉開始，三相電極自動(dòng)下降，在任一相電極接觸到導(dǎo)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(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)入熔煉程序，點(diǎn)弧程序結(jié)束。把電弧爐電流值的大小分為5個(gè)控制區(qū)，如圖1所示。

橫坐標(biāo)表示電弧電流值，縱坐標(biāo)表示PLC的輸出控制信號(hào)(-10～10 V)，在工區(qū)電弧電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于弧流額定值，PLC輸出的控制電壓為Umin，電極以最大的設(shè)定速度下降，該區(qū)也稱為下降飽和速度區(qū)。在Ⅱ區(qū)電弧電流小于弧流額定值，電極以速度線性減小下降，改變?cè)搮^(qū)的寬度就可以改變直線的斜率，也就調(diào)節(jié)了靈敏度，該區(qū)也稱為電極下降速度調(diào)節(jié)區(qū)。在Ⅲ區(qū)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(qū)也稱為非調(diào)節(jié)區(qū)或死區(qū)。在Ⅳ區(qū)電弧電流大于弧流額定值，電極以速度線性增加上升，改變?cè)搮^(qū)的寬度就可以改變直線的斜率，也就調(diào)節(jié)了靈敏度，該區(qū)也稱為電極上升速度調(diào)節(jié)區(qū)。在V區(qū)電弧電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于弧流額定值，PLC輸出的控制電壓為Umax，電極以最大的設(shè)定速度上升，該區(qū)也稱為上升飽和速度區(qū)。在非調(diào)節(jié)區(qū)與相鄰兩區(qū)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(diào)節(jié)期間如果出現(xiàn)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(diào)整死區(qū)寬度，調(diào)整靈敏度和飽和臨界值，這樣反復(fù)幾次，直到最佳參數(shù)為止。
對(duì)輸入PLC的信號(hào)進(jìn)行處理后，輸出可調(diào)的速度控制信號(hào)以控制電極動(dòng)作，使每相電極都能依據(jù)流過自身的電流而以相應(yīng)的速度上升、下降或停止，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)，又提高了系統(tǒng)的快速性，使電爐的冶煉電流始終處于最佳狀態(tài)。