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PLC在鈦渣電爐電極升降控制過(guò)程應(yīng)用

鈦渣電爐借助于電極通過(guò)大電流,以電阻熱和電弧熱的形式加熱物料完成冶煉。從電爐的功率曲線可知,不同電弧電流對(duì)應(yīng)不同的電弧功率,當(dāng)弧流超過(guò)有利的調(diào)節(jié)電流時(shí),輸入爐內(nèi)的功率并不會(huì)因?yàn)殡娏鞯脑黾佣龃?,反而線路上的電耗將增大,難以獲得目標(biāo)中的經(jīng)濟(jì)效益,同時(shí)可能損壞爐襯,加大電極的消耗量。如何將電流控制在一個(gè)合理范圍,并可靠地控制,使其達(dá)到既保護(hù)設(shè)備安全又具有可觀經(jīng)濟(jì)收益,是電爐實(shí)現(xiàn)控制的目標(biāo)。

在攀鋼鈦業(yè)公司鈦渣廠,25.5MVA鈦渣電爐(國(guó)內(nèi)最大的鈦渣電爐)采用控制液壓系統(tǒng)電磁閥得電時(shí)間,來(lái)實(shí)現(xiàn)電極升降動(dòng)作從而達(dá)到對(duì)單相電極熔煉過(guò)程的恒流控制。為達(dá)到爐內(nèi)電極三相功率平衡,在以電流為主進(jìn)行控制的同時(shí)輔以二次電壓的調(diào)節(jié),來(lái)保證輸入爐內(nèi)的三相功率在一定范圍內(nèi)達(dá)到平衡。

在鈦渣冶煉工藝中,使用西門(mén)子S7-400 PLC對(duì)電極調(diào)節(jié)過(guò)程進(jìn)行控制能夠保證設(shè)備可靠、準(zhǔn)確運(yùn)行,完全能滿足鈦渣冶煉過(guò)程電極控制要求。

1 電極電流控制工藝要求及控制原理說(shuō)明

常規(guī)的電極升降控制,被控量計(jì)算取決于電極升降調(diào)節(jié)方式,有阻抗控制、功率控制和電流控制。而鈦渣冶煉是按功率曲線的設(shè)定和優(yōu)化進(jìn)行控制。

一個(gè)完整的工作過(guò)程是系統(tǒng)投運(yùn)前,自動(dòng)檢查各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),使其置于設(shè)定的初始位置,并由PLC系統(tǒng)發(fā)出確認(rèn)指令,電極的升降控制由預(yù)先輸入到PLC的功率曲線來(lái)完成。

在鈦渣冶煉過(guò)程中由于同時(shí)存在電阻爐和電弧爐的工作過(guò)程,所以我們應(yīng)按2個(gè)階段來(lái)考慮。在埋弧時(shí),電極下部埋在爐料中,其加熱來(lái)自電極和爐料之間的電弧熱,但主要是電流通過(guò)爐料時(shí)產(chǎn)生的爐料電阻熱,此時(shí)負(fù)荷量很小,電流從零逐漸上升,電流變化快,功率因數(shù)高,三相負(fù)荷電流控制較難實(shí)現(xiàn)。當(dāng)爐料逐漸熔化,熔體的導(dǎo)電性增加,電阻值下降,明弧放電現(xiàn)象更加明顯,常易出現(xiàn)塌料翻渣現(xiàn)象,此時(shí)須快速提升電極,以防短路。爐料完全熔化后,電極根據(jù)設(shè)定參數(shù)與爐料保持一定高度,該過(guò)程通過(guò)調(diào)節(jié)電極的升降,控制電極電流和相電壓的變化,使電極功率按給定曲線運(yùn)行。相對(duì)于整個(gè)工藝過(guò)程,此階段進(jìn)入冶煉“平穩(wěn)區(qū)”,同時(shí),電極與時(shí)間及爐內(nèi)熔體中的FeO含量一起作為控制終點(diǎn)的輔助控制。在冶煉終點(diǎn)鈦渣出爐時(shí),電極隨熔體液面下降,保持一定的電流電壓值,當(dāng)出渣時(shí)間接近設(shè)定值,切斷電爐供電電源。一個(gè)冶煉周期完成,電爐按預(yù)設(shè)程序恢復(fù)到開(kāi)爐前狀態(tài)。

因冶煉工藝的特點(diǎn),對(duì)爐子的控制和運(yùn)行要采取相應(yīng)的保護(hù)措施,主要有短路保護(hù)和斷電極保護(hù)。系統(tǒng)設(shè)有優(yōu)先級(jí):?jiǎn)蜗嗍謩?dòng)、三相手動(dòng)、短路或斷電極時(shí)快速提升。設(shè)定點(diǎn)的計(jì)算和給定在上位機(jī)完成。

短路保護(hù):監(jiān)控高壓側(cè)相電流,當(dāng)其超過(guò)一預(yù)設(shè)最大值時(shí),電極上升。如翻渣時(shí),電流成倍增大,計(jì)算機(jī)輸出電信號(hào)給液壓系統(tǒng),迅速給大力缸供液,在5s內(nèi)使電極達(dá)到2.5~3m/min的速度迅速提升,并使電流下降,甚至為零。如電流值仍不下降,則延時(shí)T秒后系統(tǒng)供電系統(tǒng)自動(dòng)切斷。

斷電極保護(hù):在起弧階段,當(dāng)出現(xiàn)三電極不同時(shí)與物料接觸時(shí),若仍采用正常調(diào)節(jié)方式,將因設(shè)定值和實(shí)際值之間偏差使電極下降,導(dǎo)致電極折斷。因此對(duì)這種情況采用“電壓-電流”控制方式,當(dāng)單個(gè)電極與爐料接觸時(shí),雖電流為零,但弧壓也為零,該相輸出為零,電極停止下插。

在冶煉中,我們期望以最小的輸入功率換取最佳冶煉效果,但在冶煉過(guò)程中,電極電流和電壓的變化與爐料反應(yīng)及爐況息息相關(guān)。因此要實(shí)現(xiàn)恒電流控制首先就要找出一個(gè)參照系來(lái)做被控參數(shù)??紤]到冶煉工藝與化工控制中精細(xì)性的區(qū)別,在本方案中恒流控制的參照系是在PLC中輸入的一條設(shè)定功率曲線,它按時(shí)間段設(shè)定電極電流的大小,在一個(gè)冶煉周期中的不同冶煉時(shí)間,對(duì)電極電流設(shè)定值加以調(diào)整。

電爐變壓器高壓側(cè)如A相電流互感器檢測(cè)到A相電流變化,通過(guò)電流變送器轉(zhuǎn)化成4~20mA的電信號(hào)。電壓信號(hào)經(jīng)I/O卡板整形濾波,并與設(shè)定值比較、運(yùn)算及放大處理后,去控制液壓系統(tǒng)的電磁閥,由電磁閥控制液壓換向閥導(dǎo)通時(shí)間,從而升降液壓缸以改變電極位置,最終達(dá)到控制電流的目的,原理圖見(jiàn)圖1。做為電爐本體的控制,爐體溫度、爐內(nèi)壓力、變壓器極數(shù)也是必須要檢測(cè)控制的。

用PLC裝置實(shí)現(xiàn)電極控制主要由硬件和軟件2部分組成。

2 硬件組成

鈦渣控制系統(tǒng)硬件組成如圖2所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)控制點(diǎn)數(shù)、控制的精確性,電爐控制系統(tǒng)采用SIEMENS公司的S7-400系列控制器。控制系統(tǒng)主要由S7414-1和S7414-2組成,并配有2套西門(mén)子工控機(jī)做為上位機(jī),1臺(tái)做操作員站,1臺(tái)通過(guò)權(quán)限設(shè)置平時(shí)做操作員站,修改程序時(shí)做工程師站。S7414-1主要完成電爐電極的升降控制、壓放控制,熱參數(shù)控制及電爐本體數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算及控制等;S7414-2主要完成原料稱量輸送數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算及控制。2臺(tái)主控制器與其遠(yuǎn)程I/O模塊之間通過(guò)Profibus-DP通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換與共享。S7414-1及S7414-2控制器與上位機(jī)之間通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)通信,2臺(tái)上位機(jī)互為冗余。計(jì)算機(jī)操作站主要完成對(duì)電爐系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)總線采集電極升降、電爐本體等各種模擬量、開(kāi)關(guān)量信號(hào),并在操作站實(shí)時(shí)顯示工藝過(guò)程動(dòng)態(tài)畫(huà)面、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及故障報(bào)警等信息。

2.1電爐本體S7 414-1控制器

電爐本體S7 414-1控制器主要由以下400系列模塊組成:

數(shù)字量輸入模塊DI,數(shù)字量輸出模塊DO,模擬量輸入模塊AI,模擬量輸出模塊AO,通信接口模塊461-0,電源模塊等。

I/O主要用于采集現(xiàn)場(chǎng)模擬量及數(shù)字量信號(hào),參與控制。

2.2主要檢測(cè)控制參數(shù)及檢測(cè)元件

2.2.1電信號(hào)

電流互感器(配電室內(nèi)的MCC柜內(nèi)),電流互感器裝于電爐變壓器的高壓側(cè),主要檢測(cè)二次電流,檢測(cè)后將0~5A電流信號(hào),接入綜合自動(dòng)化系統(tǒng),通過(guò)以太網(wǎng)送入PLC完成算法控制,并在操作站實(shí)時(shí)顯示。

電壓互感器,檢測(cè)電爐變壓器二次側(cè)電壓,并將電壓輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化為4~20mA模擬信號(hào)送入控制系統(tǒng)。

其它需要的電信號(hào)包括有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù),電度量等。

2.2.2非電量信號(hào)

(1)電極位置檢測(cè)。采用超聲波物位計(jì)將電極的相對(duì)位移量轉(zhuǎn)換成電信號(hào),經(jīng)PLC控制器比較,用于輸出顯示,并設(shè)置電極位置限位。

(2)爐內(nèi)負(fù)壓檢測(cè)。采用壓力傳感器檢測(cè)爐內(nèi)負(fù)壓,將其輸入PLC參與控制。爐內(nèi)負(fù)壓一般保持在-2~0Pa,當(dāng)出現(xiàn)渣沸騰時(shí),根據(jù)爐壓高低判斷,決定尾氣是否放散,以保證人身及設(shè)備安全。

(3)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。鈦渣電爐電極升降采用的是液壓裝置,每根電極被2個(gè)大力油缸支撐,當(dāng)上下缸內(nèi)充滿帶壓油時(shí),即可完成升降動(dòng)作。大力缸充油方向和時(shí)間決定電極的升降及其幅度。

當(dāng)壓力油進(jìn)入油缸桿腔時(shí),電極上升,電極下降靠電極自重,泵打出的油和桿腔排出的油進(jìn)入油缸的無(wú)桿腔,電極下降速度由調(diào)速閥確定。因此控制換向閥上2組電磁閥的通斷時(shí)間及通斷順序即可控制電極的升降。液壓系統(tǒng)采用雙油源,以確保可靠性。

3 PLC軟件組成

本系統(tǒng)采用西門(mén)子STEP7編程軟件,軟件采用LAD圖、STL語(yǔ)句表及FDB功能塊圖三者相結(jié)合的編程方式,實(shí)現(xiàn)冶煉過(guò)程的邏輯控制。通過(guò)硬件采集弧壓、弧流及檔位等信號(hào),按恒功率恒電流控制原理,將最終結(jié)果輸出到液壓控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)電極升降自動(dòng)控制,并按照最佳供電曲線自動(dòng)調(diào)節(jié)輸入爐內(nèi)的電弧參數(shù)。

電爐系統(tǒng)操作站采用擁有開(kāi)放協(xié)議、集成ODBC/SQL數(shù)據(jù)庫(kù)的WinCC組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)畫(huà)面監(jiān)視和設(shè)備狀態(tài)顯示。

4 控制過(guò)程

在鈦渣電爐操作過(guò)程中,冶煉電氣制度受到以下干擾:供電電壓波動(dòng)、負(fù)荷電阻系數(shù)變化、爐內(nèi)渣鐵面的變化、電極負(fù)荷、電極焙制的損耗、渣沸騰等。

與工藝要求相一致,電爐有功功率和電流變化時(shí)間表中給定了每個(gè)電氣參數(shù)的死區(qū)(也即偏差)。

在整個(gè)冶煉過(guò)程中,電氣制度控制算法的主要任務(wù)就是保持電爐有功功率和電流的預(yù)設(shè)值恒定,來(lái)限制強(qiáng)加在電爐變壓器高壓側(cè)的相電流。在PLC中,對(duì)采集的電極電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理后即進(jìn)入控制過(guò)程。電極自動(dòng)控制在工況相對(duì)穩(wěn)定時(shí)投運(yùn),每相電極按預(yù)設(shè)曲線自動(dòng)調(diào)整升降高度,直到電流檢測(cè)值達(dá)到設(shè)定值。在實(shí)際運(yùn)行中為防止電極頻繁動(dòng)作,可設(shè)置1~5KA的動(dòng)作死區(qū)。在爐料完全熔化,熔池打通或冶煉進(jìn)入到精煉區(qū)時(shí),電極電流波動(dòng)較大,此時(shí)僅當(dāng)電極電流測(cè)量偏差大于死區(qū)值時(shí),電極方才移動(dòng),控制功能實(shí)現(xiàn)較穩(wěn)定;當(dāng)冶煉初期及補(bǔ)加碳時(shí),因爐內(nèi)反應(yīng)劇烈,伴隨塌料現(xiàn)象,電極電流會(huì)大幅度上升,此時(shí)控制動(dòng)作頻繁,系統(tǒng)的抗干擾要求提高,在控制上更要多方考慮。

接下來(lái)看鈦渣電爐實(shí)現(xiàn)電極控制的一個(gè)算法流程。

當(dāng)A相選擇自動(dòng)控制投運(yùn)時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)高壓側(cè)電極電流,并送入PLC,經(jīng)處理,在T時(shí)間內(nèi)對(duì)采樣值取平均值,并與設(shè)定值進(jìn)行比較。當(dāng)檢測(cè)電流值II大于設(shè)定值,但尚未達(dá)到電極工作上限HS1,且電極內(nèi)、外裝置已處于自動(dòng)EC1方式下,則PLC發(fā)出電磁閥ELIC1接通指令,電磁閥得電,換向閥上行油缸充液,電極將提升,當(dāng)延時(shí)T時(shí)間后,檢測(cè)電極前后位置的變化,并轉(zhuǎn)入下個(gè)循環(huán)。當(dāng)檢測(cè)電流值II小于設(shè)定值,但尚未達(dá)到電極的工作下限LS1,且電極內(nèi)、外裝置已打在自動(dòng)EC1方式,則PLC發(fā)出電磁閥ELOC1接通指令,電磁閥得電,換向閥返回油缸,閥打開(kāi),電極靠自重下降,延時(shí)T時(shí)間后,檢測(cè)電極前后位置的變化量,并轉(zhuǎn)入下個(gè)循環(huán)。

在電極控制算法中要考慮3個(gè)因素:在升降的同時(shí)不能完成電極的壓放控制;在系統(tǒng)中要延時(shí)檢測(cè)電極的位置,以區(qū)別于其它因素導(dǎo)致的電流變化;將不正常因素以報(bào)警信號(hào)形式輸出。

根據(jù)工藝特點(diǎn), 在三相電極的電流調(diào)節(jié)中,每個(gè)電極電流控制都可獨(dú)立進(jìn)行,任一電極都可根據(jù)工況運(yùn)行在自動(dòng)或手動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)爐內(nèi)出現(xiàn)翻渣或塌料時(shí),控制系統(tǒng)能檢測(cè)出電流大幅上升,此時(shí)電極快速提升,直到電極電流達(dá)到設(shè)定值時(shí),停止上升。若電極已提升至上限值,電流還未下降到設(shè)定值,則電爐變壓器的電源將被切斷,正常冶煉被中止。

整個(gè)冶煉過(guò)程電極的控制均由操作工在控制室的操作臺(tái)上完成,因項(xiàng)目中變壓器采用35kV電源供電,系統(tǒng)的用電安全等級(jí)要求較高,在控制屏外單獨(dú)設(shè)置了操作臺(tái),以鑰匙開(kāi)關(guān)的方式將停送電權(quán)限交給操作工專人管理。

5 取得的成效

自鈦渣電爐生產(chǎn)PLC控制系統(tǒng)投運(yùn)以來(lái),所有信號(hào)集中處理,采用模塊化結(jié)構(gòu)易于調(diào)整和更換,備品備件量下降。更為重要的是采用PLC自動(dòng)控制電極的升降,取代了以往電極升降手動(dòng)操控方式。

采用高精度檢測(cè)元件,能更有效、更準(zhǔn)確地反映現(xiàn)場(chǎng)情況,實(shí)現(xiàn)精確控制。

在鈦渣冶煉中電極升降采用液壓系統(tǒng),使電極調(diào)節(jié)直觀,響應(yīng)速度更快,更能滿足鈦渣正常冶煉過(guò)程控制要求。

針對(duì)鈦渣電爐的多變量、非線形、大滯后、強(qiáng)耦合、時(shí)變、工作環(huán)境及隨機(jī)干擾較強(qiáng)的特點(diǎn),采用PLC可實(shí)現(xiàn)電爐電極升降的全自動(dòng)閉環(huán)控制,并能滿足三相電流平衡及溫度的穩(wěn)定。

6 存在的問(wèn)題及下步改進(jìn)措施

雖然PLC在電極電流控制上已取得良好效果,但由于采用PLC控制的25.5MVA容量特大型鈦渣電爐尚屬國(guó)內(nèi)首例,在控制的設(shè)計(jì)和程序的編制上還存在一些缺陷,如目前暴露出電極的升降死區(qū)范圍設(shè)得較大以及操作中獲得的曲線與設(shè)定曲線差距較大的問(wèn)題。造成這種影響主要原因是電極升降的液壓系統(tǒng)未采用伺服調(diào)節(jié)閥控制,使升降動(dòng)作啟停有較大機(jī)械死區(qū)。

此外鈦渣冶煉控制的最終目標(biāo)是輸入爐內(nèi)的總功率平衡。但目前還尚未摸索出一個(gè)合適的算法來(lái)將電極電流與三相功率的平衡在PLC中統(tǒng)一起來(lái)。

但PLC系統(tǒng)在電極控制中的成功運(yùn)用及其強(qiáng)大功能,將使我們?cè)诳刂凭?、安全性、?jīng)濟(jì)價(jià)值上找到更多的切入點(diǎn)去適應(yīng)鈦渣冶煉的生產(chǎn)控制要求。

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