自耗电极真空电弧炉控制系统的设计

收稿日期:2007-03-10.

作者简介:宁欣(1976-),女,河南长垣人,讲师,河南科技大学在读硕士研究生。

自耗电极真空电弧炉控制系统的设计

宁　欣

1,2

,李建朝

1

(1.河南科技大学,河南洛阳471003;2.河南科技学院,河南新乡453003)

摘要:针对纯模拟器件自耗电极真空电弧炉电极升降控制系统故障率高、维护量大等一系列问题,设计出了由P LC

和模糊控制组成的电极升降控制系统。介绍了系统主要硬件配置,并给出了主程序循环块方框图。该系统控制算法采用模糊控制算法,且根据现场工艺要求实现了从手动到自动的无扰切换功能。实验运行数据表明,基于模糊控制规律的电弧炉电极升降P LC 控制系统运行稳定可靠,操作方便,维护量小,对同行业的生产将起到推动作用。

关键词:电极升降;模糊控制;P LC;触摸屏

中图分类号:T M924.42　文献标识码:A 文章编号:167326060(2007)022*******

D esi gn of Con sumable Vacuum Arc Furnace Electr i c Con trol System

N ing Xin

1,2

,et al .

(1.Henan University of Science and Technol ogy,Luoyang,Henan 471003,China;2.Henan I nstitute of Science and Technol ogy,Xinxiang,Henan 453003,China )

Abstract:A i m ing at a series of p r oblem s such as high failure rate,a great deal of maintenance resulting fr om the self 2con 2su mp ti on electric pole vacuu m arc furnace electric pole fluctuati on contr ol syste m consisting of si m p le anal og device,the e 2lectric pole fluctuati on contr ol system consisting of P LC and fuzzy contr ol is designed .The main hard ware of the system and the skelet on diagra m of the main p r ogra m circulati on bl ock is als o given .Fuzzy algorith m is adop ted in the syste m,and the functi on of non 2disturbance shifting fr om manual mode t o aut omatic mode is realized according t o field p r ocess require ment .The date got fr om field manifests that arc furnace electric pole fluctuati on P LC contr ol system based on fuzzy contr ol rule has features of stable running,convenient operati on and little maintenance .The syste m will p r omote and i m pulse functi on t o p r o 2ducti on advance ment of the sa me trade .

Key words:electric pole fluctuati on;fuzzy contr ol;P LC;t ouch screen

目前,自耗电极真空电弧炉电极升降控制系统一般采用模拟器件控制方式,实践证明,这种模拟器件

的控制方式带来了诸如故障率高、维护量大、生产成本高等一系列问题。为了解决这些问题,必须采用一种新的控制方式。考虑到P LC 功能齐全、应用灵活、操作方便、稳定可靠,是现代控制系统设备的发展方向,并且已经成功应用于冶金、石化、机械等多种工业场合,因此,选择P LC 设计出了电极升降的控制系统。

1　控制系统的设计

1.1　控制系统简介

本操作系统是采用触摸屏(A I GT3100B )结合松

下P LC (FPG 2C24R2)对电弧炉三个电极的数据采集仪表进行检测、控制,系统以P LC 为核心,由A,B ,C 三相电流互感器检测电极电流,后由智能仪表分别对A,B ,C 三相电流进行A /D 采样,采样信号由RS 2485总线送入P LC,P LC 根据采集到的信号按预置模糊控制算法进行运算,运算后由P LC 分别驱动六个液压换向阀进行相应时间的动作,进而控制各电极的自动升降速度及位置,同时使电弧炉满足所输入功率,从而达到了低电耗、高熔化率的炼钢目的。同时具有电流、功率、限位保护等功能。1.2　控制系统的硬件配置1.2.1　可编程控制器　FPG 2C24R2P LC 属于小型

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6第35卷　第2期Vol .35　No .2河南科技学院学报(自然科学版)

Journal of Henan I nstitute of Science and Technol ogy 2007年6月Jun .2007

P LC,运行速度快(0.4μs/步),可灵活选择通讯插件RS485。

1.2.2　操作面板　操作面板采用GT30做为人机

界面,用GTW I N 软件来自定义GT30的显示与操作方法,从而达到过程控制要求的最佳效果。GT30通过A I GT8142电缆与P LC 相连。

1.2.3　采集数据仪表　三块电流表采用P DM 2801A 单相智能型网络电力监控仪表,具有标准的RS 2485通讯接口和Modbus 协议。功率表采用P DM 2803P 三相数字式有功功率表,具有标准的RS 2485通讯接口和Modbus 协议。1.3　系统软件设计

1.3.1　P LC 的编程　P LC 的程序控制流程图如图1

所示。在P LC 的编程中,仪表通讯和模糊算法的实现需要慎重设计。其中仪表的通讯协议是MODBUS 协议的RT U 通讯模式,因此P LC 的通讯协议也应以仪表为依据。

而模糊算法的实现采用查表的形式。

1.3.2　模糊控制及在P LC 中的实现

1.3.

2.1　模糊控制算法　由于电弧炼钢的工艺过

程是一个复杂的过程,很难用一数学模型描述被控对象。采用常规的P I D 控制算法往往控制精度不高。

针对这一模糊对象,我们采用了带修正因子的模糊控制算法,其控制规则是利用了炼钢工人对炼钢过程的经验,有很强的鲁棒性和控制稳定性,满足了电弧炉对冶炼过程的要求。其控制结构如图2

所示。

图2　模糊控制算法

其中　偏差　e (n )=I g (n )-I f (n )

偏差变化率　e m (n )=e (n )-e (n -1)

为模糊控制器的输入信号。I f 为被控电极电流的设定值,I g 为被控电极电流的实测值,e (n )为当前时刻的偏差,e (n -1)为前一个采样时刻的偏差。

将e,e m 进行模糊化,即将e,e m 分成若干档,每档对应一个模糊集。再依据人的控制经验总结出模糊控制规则(此处为二维表格),即可得到控制量的一个模糊集合,再经模糊判决,给出控制量的确切值,去控制电极运动。

这种模糊控制规则可描述为:

V =[αE +(1-α)EC ]

α∈(0,1)式中V ,E,EC 均为经过量化的模糊变量,其相

应的论域分别为偏差、偏差率及控制量。α为修正因子,通过调整α值的大小,可改变对偏差和偏差变化率的不同加权程度。现选取下列论域为:

E =EC =U ={-3,-2,-1,0,1,2,3}

当修正因子α=0.5时,则模糊控制表如表1所示:

表1　模糊控制表

U EC -15-10-5051015-3-2-10123E

-6

-3-3-3-2-2-1-10-4-2-3-2-2-1-101-2-1-2-2-1-101100-2-1-1011221-1-10112242-10112336

3

1

1

2

2

3

3

将电极电流控制范围划为两个区,即:

确定控制区:当|I g -I f|≥200A 时模糊控制区:当|I g -I f|<200A 时

确定控制区以全速减少或增加电极运动。而在模糊控制区内,在采样时刻计算电流偏差,经圆整处

理,并离散化、模糊化为7档,而后按模糊控制表中的规则进行控制。

1.3.

2.2　模糊控制在P LC 中的实现　被控电极电

流值是经过互感器转换成0～20mA 的数值,由于模糊控制器是选择偏差e 和偏差变化率em 作为输入变量,而把控制量u 作为控制器的输出变量,它既看现状又看动向。为了提高模糊控制的精度,我们将偏差e =±15和偏差变化率e m =±6为界分别分成二个区,只有在-15≤e ≤15和-6≤e m ≤6时才进行模糊控制。在其他区域时以最快速度使被控量向控制目标变化,而且在进入模糊控制区时,电极位

置变化较小。

模糊控制器的设计首先要将精确量转换为模糊

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6 宁　欣,等:自耗电极真空电弧炉控制系统的设计 第2期

量,把两个输入和一个输出的变量都采用7级模糊语言变量表示:{-3,-2,-1,0,1,2,3}。根据经验和控制原理初步拟定出模糊控制查询表存入P LC 的文件寄存器中。

表中为使用方便,控制量u直接按精确量列出,并按列顺序存入P LC文件寄存器中,控制量的首地址为DT9000单元。因此,查询表在文件寄存器中的地址范围是DT9000～DT9048。使用时可按e和e m,计算偏移地址Z用变址寻址的方法查表。计算公式为:

DT184=e/5+3

DT186=e m/2+3

DT189=7×DT184+DT186→Z

DT9000+Z即是控制量的存放地址。

在松下P LC中可以实现上述算法。FPG指令编程能力很强。执行一条区域比较指令[F62 W I N,DT138,k-15,k15],即可将偏差分成三个区域。数据寄存器DT138中存的是偏差e。这条指令执行后,会在三种可能之中产生一种结果。若e< -15则R900C ON;若-15≤e≤15则R900B ON;若e>15则R900A ON;类似地可将e m分成三个区域并产生相应的标志。再加上[F60C MP,DT138, K15]指令,利用这些辅助继电器的触点组合成所需的逻辑条件,即可实现如上控制规则。利用FPG P LC的除法、加法、乘法指令很容易求出变址寄存器Z的数值。整个模糊控制算法子程序仅用34条指令即可实现。

2　触摸屏的设计

为了提高电弧炉控制系统操作的使用性、即时性、可靠性及现场性,采用了小型的触摸屏作为操作面板。其主要功能有:电流、功率的实时采集、在线修改、手动操作及报警显示等。

电弧炉控制系统启动后通过人机界面可对多台电流表、功率表的当前数值、设定数值、设定范围等数据进行实时采集、同步修改(电流的设定可以通过人机界面或电流表),同时具有异常电流、功率报警功能。同时,系统还设计了自动控制和手动控制的自由切换,使设计更具有科学性、合理性。在整个系统的控制过程中,可以随时启动手动开关控制电极的升降操作,以防备紧急事故的发生。

3　运行结果

用日本松下的智能温控仪(带RS485通讯口)KT4代替实验,其中通讯协议的模式都为:MODBUS RT U。其通讯参数与智能仪表的通讯参数设定完全一致。

在温控仪上设置不同的数值,从P LC中监控到的数据和模糊控制表中的数据一致,即输出相应液压换向阀的动作时间和模糊控制表的数据相同,能实现相应的控制要求。

4　结语

本控制系统主要是针对中小型电弧炉设计的。控制要求能够实现预期的显示和控制功能,但若要达到冶金的要求,还应根据不同冶炼金属的性能、工艺要求做相应的修改,调试。电极升降控制利用RS-485串行通信功能和协议,基于模糊控制技术的P LC 控制系统,再加上组态的远程监控,操作方便、维护量小、安全性高、灵敏可靠,具有一定的推广价值。

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