基于S7-300 PLC的大型电弧炉控制系统

    目前，在我国冶金行业中，大多数三相电弧冶炼电炉是靠人工凋整电弧电流进行控制的。由于电弧炉的非线性、大滞后、强耦合、时变及随机干扰较强等难点，以及工人的经验不同，冶炼的效果分散性很大，导致产品质量下降，在冶炼的不同阶段，控制效果很难一致，系统容易振荡，增加电极消耗，严重时会引起断电现象，不能保证三相电流的平衡输入，产品质量不稳定，或者采用的控制器为BOOL型控制模式，输出为通断信号，电极的升降速度为恒值，不能根据电弧电流的变化趋势调整电极的升降速度，容易引起系统振荡，使超调增大，调节过程加长，影响产品质量，增加能耗，导致电极上下频繁动作，容易引起断电现象，并缩短传动机构的使用寿命。为了解决以上问题，应用自适应控制理论，采用可编程控制器(PLC)为核心控制部件，实现了电弧炉电极升降的自动准确控制，有效地减少了电极短路、断弧和振荡现象。

1 电弧炉电极自动系统控制策略
1．1 电弧炉的冶炼过程工艺特点
    电弧炉的冶炼过程为间歇式操作，每炉次主要分为引弧加料期和熔化期。前者的特点是电弧不稳定，电流波动极大，易发生断弧、过电流跳闸和断电极事故；后者的特点是弧温较低，炉料比电阻较高，电极弧光埋在未熔化的炉料中，电流随冶炼的进行逐渐趋于平稳，如果控制的三相电极非平衡满负荷送电，可能使炉料不能迅速熔化而延长冶炼时问，增大功耗。
1．2 控制方案
    依据经典控制理论，只有建立了被控对象的数学模型，再按照系统工艺所要求的静态指标和动态指标设计校正环节的参数，才能满足工艺要求。但由于电弧炉具有多变量、非线性、大滞后、强耦合、数学模型参数的不确定性和系统工作点的剧烈变化等特点，其实质是一个多输入、多输出、非线性、强耦合的对象，显然经典控制对此无能为力，甚至用现代控制理论也不能精确地解决问题，因为系统的特征所决定的数学模型难以建立，因此难以实现对被控量的精确控制。通过对电弧炉在冶炼过程中特点的了解，以及对被控对象特性的分析得知，电极调节系统是一个位置控制系统，调节对象是弧长，但由于弧长没有合适的检测设备，只能通过检测电弧炉主电路的电弧电流间接地反映弧长的大小，也就是通过控制电流来控制弧长。
    当控制对象的特性或参数随着环境的变化或运行时间的加长而大幅度变化时，常规的反馈控制难以完成优良的控制，而采用自适应控制的控制方案比较合理。由电弧炉的功率特性曲线得知，不同的电弧电流对应相同的电弧功率，当弧流超过最有利的调节电流时，输入炉内的功率并未因电流的增加而增大，反而线路的电耗增大，效率降低。在熔炼时，将某一熔炼过程中最有利的调节电流作为电弧电流的额定值，再用自适应控制来调整相关参数。
    具体方法如下：当系统开始运行时，首先是点弧程序。其控制思路是：合高压开关，冶炼开始，三相电极自动下降，在任一相电极接触到导电炉料时，该相电极自动停止下降，直至另一电极起弧后第一相电极自动起弧，这时系统自动转入熔炼程序，点弧程序结束。把电弧炉电流值的大小分为5个控制区，如图1所示。

    横坐标表示电弧电流值，纵坐标表示PLC的输出控制信号(-10～10 V)，在工区电弧电流远远小于弧流额定值，PLC输出的控制电压为Umin，电极以最大的设定速度下降，该区也称为下降饱和速度区。在Ⅱ区电弧电流小于弧流额定值，电极以速度线性减小下降，改变该区的宽度就可以改变直线的斜率，也就调节了灵敏度，该区也称为电极下降速度调节区。在Ⅲ区电弧电流等于或近似等于弧流额定值，PLC输出的控制电压为0，电极保持静止不动，该区也称为非调节区或死区。在Ⅳ区电弧电流大于弧流额定值，电极以速度线性增加上升，改变该区的宽度就可以改变直线的斜率，也就调节了灵敏度，该区也称为电极上升速度调节区。在V区电弧电流远远大于弧流额定值，PLC输出的控制电压为Umax，电极以最大的设定速度上升，该区也称为上升饱和速度区。在非调节区与相邻两区的边界点，PLC输出的控制电压为±Up，Up为液压伺服阀功率放大板的输入门槛电压值，0～Up的电压不能使液压阀有任何动作。
    在上述调节期间如果出现弧光窜动、电流振荡，甚至短路或断弧时，再按照一定的程序去调整死区宽度，调整灵敏度和饱和临界值，这样反复几次，直到最佳参数为止。
    对输入PLC的信号进行处理后，输出可调的速度控制信号以控制电极动作，使每相电极都能依据流过自身的电流而以相应的速度上升、下降或停止，在保证系统稳定性的同时，又提高了系统的快速性，使电炉的冶炼电流始终处于最佳状态。

2 工艺实践
    由该控制策略组建的自适应控制系统已在某钢厂调试通过，并能可靠正常运行。运行结果表明，该系统控制精度高，可靠性高，动态响应速度快，弧流控制稳定。提高了电极升降调节的快速性，可以保证电极平稳调节。
2．1 系统硬件
    电极升降自动控制系统结构框图如图2所示，图中仅画出A相电极控制框图，B，C相和A相相同。

    主要部分简介如下：
    PLC选用西门子公司的S7-300 PLC作控制器。用于向上和上位机通讯，接受上位机的命令，并将工业现场的工况如实向上位机传送。将弧流、弧压数值、限位开关、继电器、电弧炉变压器的各种保护电磁阀的状态、断路器的分合闸等信息送给工控机。向下接受各种模拟量和开关量信号。同时控制三相伺服阀、液压缸系统和各种现场设备。
    上位机选用工业控制计算机，通过工控软件WINCC实现与下位机的对话，通过现场总线Profibus网对系统进行实时监控。
    电流采集单元：由于电弧炉变压器的二次侧电流高达数万安培，因此将电流互感器安装在一次侧。电流采集单元的采集板将检测到的相电流转换成0～5 A的信号，再转换成4～20 mA的电流信号，接到PLC的AI模块中。同时将电压互感器检测到的信号，一方面给显示电路，一方面给PLC的AI模块。
    伺服阀、液压缸系统是电极升降控制系统的执行装置，由电液伺服阀、液压缸、背压阀、换向阀等组成。该系统的液压力为9 MPa。
2．2 软件流程
    系统用S7-300 PLC作为控制器，其软件流程如图3所示。

3 结 语
    系统采用可靠性高，抗干扰能力强的S7-300 PLC作控制器。在此给出了采用灵敏度自适应控制的控制方案，对电弧炉的电极进行自动控制，克服了外界环境对电极控制的影响。该系统已在某炼钢厂可靠运行。达到了降低电炉电耗，减轻工人劳动强度，提高产品质量的目的。