专利名称：电熔镁炉嵌入式自动控制装置及控制方法
技术领域：
本发明属于冶金行业过程控制技术领域，特别是涉及一种电熔镁炉嵌入式自动控制装置及控制方法。
背景技术：
电熔镁砂的主要成分是高纯度晶体氧化镁，是许多工业行业的重要原料和耐火材料，用来冶炼电熔镁砂的设备是三相交流电熔镁炉冶炼过程中，原料在电熔镁炉内被电弧放出的热所熔化形成熔液，熔液经过冷却后结晶，最终的成品为含量在95%以上的氧化镁晶体，电熔镁炉冶炼过程主要是通过调节三相电极位置，使三相电极电流稳定跟踪电流设定值来保证冶炼过程的稳定，目前电熔镁炉冶炼过程的控制方式多采用人工手动控制或使用可编程逻辑控制器(PLC)作为控制器来实现自动控制，整个冶炼过程的控制目标是确保产品产量同时尽量降低单位合格产品的能耗，控制目标的实现与三相电极电流的大小及其稳定程度关系密切，冶炼过程中炉内反应剧烈，固、液、气三种形态的物质共存，造成三相电极电流波动频繁，人工控制方法中，工人操作劳动强度大，操作员容易处于疲劳状态，很难保证将三相电极电流与电流设定值之间的偏差控制在偏差允许范围内，导致冶炼过程中三相电极电流波动剧烈，影响产品产量，同时浪费能量，虽然PLC在工业过程的自动控制中应用广泛，但在电熔镁炉冶炼过程中使用依然存在一定的缺点由于三相电极电流波动频繁， 若要很好的实现控制三相电极电流稳定需要相对复杂和智能化的控制算法，但是受PLC自身计算能力的限制，复杂的控制算法无法在PLC中运行；虽然可以使用PLC+工业控制计算机的控制系统结构实现相对复杂的控制算法，但是同样也存在许多问题，例如控制系统的构建由于采用了不同供应商的多种平台，为整合各种不同的专用总线，各部分之间的衔接有赖于第三方提供的 OPC(Object Linking and Embedding for Process Control)服务， 故其实施并不是一件轻松和容易的事情；PLC和工业控制计算机均为通用设备，并非为电熔镁炉冶炼过程专门设计，存在硬件资源浪费和增加整个系统故障率的不足；运行于工业控制计算机上的通用操作系统无法保证稳定性；电熔镁炉冶炼现场环境极其恶劣，工业控制计算机上使用的带旋转的磁性硬盘和风扇较难保证可靠性等。
发明内容
针对现有装置及方法存在的不足，本发明提出一种电熔镁炉嵌入式自动控制装置及控制方法，以实现电熔镁炉冶炼过程的安全、稳定、可靠的运行。本发明的技术方案是这样实现的一种电熔镁炉嵌入式自动控制装置，包括监控计算机、电流传感器、电机、接触器及交流220V继电器，还包括嵌入式控制器和接口电路板，其中，所述的嵌入式控制器由CPU主板和扩展板组成，所述的接口电路板是由接线端子、隔离器、三极管驱动电路、直流24V继电器组成，其连接关系如下监控计算机的输入输出端连接所述CPU主板的第一输入输出端，所述CPU主板的第二输入输出端连接扩展板的输入输出端，所述扩展板的输入端连接接线端子的输出端，所述接线端子的第一输入端连接第一隔离器的输出端，所述接线端子的第二输入端连接第二隔离器的输出端，所述接线端子的第三输入端连接第三隔离器的输出端，所述扩展板的输出端连接三极管驱动电路的输入端，所述三极管驱动电路的输出端连接24V继电器，所述24V继电器的输出端连接交流 220V继电器的输入端，交流220V继电器的输出端连接接触器的输入端，接触器的输出端连接电机的输入端，所述第一隔离器的输入端连接第一电流传感器的输出端，所述第二隔离器的输入端连接第二电流传感器的输出端，所述第三隔离器的输入端连接第三电流传感器的输出端，电熔镁炉的第一输出端连接第一电流传感器的输入端，电熔镁炉第二输出端连接第二电流传感器的输入端，电熔镁炉第三输出端连接第三电流传感器的输入端，电熔镁炉的三相电极分别与电极的输出端连接。本发明一种电熔镁炉嵌入式自动控制方法，包括以下步骤步骤1 电流传感器采集流经电熔镁炉三相电极的三相电流；步骤2 电流传感器将采集到的三相电流传递给隔离器，隔离器将所述电流转换为电压信号输出给接线端子，接线端子将所述电压信号传递给扩展板，扩展板将模拟信号转换为数字信号后经过PC104总线输出给CPU主板；步骤3 根据步骤2处理后的数据与电流设定值之间的差值来判断是否有电流超限，所述电流超限是指电极电流与电流设定值之间的差值的绝对值大于偏差允许值，所述偏差允许值的范围为1000A 1500A，若差值大于所述偏差允许值，则电流超限，执行步骤 4，否则保持电极现有状态不动，并返回步骤1 ；步骤4 判断电流超限的电极个数，若满足下述三种情况之一，则控制电机正转或反转，并带动相应电极运动；所述的3个电极分别由3台电机控制，电机正转，则提升对应的电极，电机反转，则降低对应的电极；第一种情况若有一相电流超限，则判断是否为正向超限若为正向超限，则提高该相电极；若是负向超限，则降低该相电极；所述的正向超限是指电极电流与电流设定值之间的差值为正数，反之即为负向超限，执行完毕后返回步骤1 ；第二种情况若有两相电流超限，首先判断这两相电流是否都为正向或负向超限， 若都为正向超限则提高相应两相电极，若都为负向超限则降低相应两相电极，若超限的两相电流为一正向超限一负向超限，则提高正向超限的电极，执行步骤1 ；第三种情况若有三相电流超限，首先判断三相电流是否都为正向或负向超限，若都为正向超限则提高三相电极，若都为负向超限则降低三相电极；若三相电极超限方向不一致，则判断三相电流中是否有两相为正向超限，若存在两相为正向超限，则提高相应的两相电极；若不存在两相为正向超限，则说明三相电流为一正向超限、两负向超限，则提高正向超限的那一相电极，执行完毕后返回步骤1。本发明优点本发明可实现三相电极电流的采集、控制和存储等功能，使三相电极电流与电流设定值之间的偏差稳定在偏差允许范围内，保证产品产量的同时降低电能消耗；本发明采用无硬盘、无风扇设计，能够在的电熔镁炉冶炼现场长期、稳定、可靠的运行， 本发明的嵌入式控制器相对于PLC，具有成本低、功耗小、使用寿命长、维护简便的优点；本发明能够实现现有的以PLC为控制器的自动控制装置的全部功能，包括远程监控、手动/自动控制转换、三相电极电流值设定、三相电极电流调整、三相电极电流曲线及数字量实时显示等功能，在此基础上由于嵌入式控制器的浮点数运算能力远强于PLC，因此本发明还可以完成以往PLC所不能实现的复杂的控制及优化算法，使得复杂算法可直接运行于嵌入式控制器内部，在稳定性和实时性方面具有较高风险的工业控制计算机不再承担运行控制和优化算法的任务，大幅提升运行速度、效率、及控制精度，同时降低了控制装置的故障率。
图1为本发明一种电熔镁炉嵌入式自动控制装置结构框图；图2为本发明实施例一种电熔镁炉嵌入式自动控制装置的电路原理图；图3为本发明实施例一种电熔镁炉嵌入式自动控制装置接触器连接原理图；图4为本发明实施例一种电熔镁炉嵌入式自动控制装置接线端子电路原理图；图5为本发明实施例一种电熔镁炉嵌入式自动控制方法流程图；图6为本发明实施例一种电熔镁炉嵌入式自动控制装置信号输入结构框图；图7为本发明实施例一种电熔镁炉嵌入式自动控制装置信号输出结构框图；图8为本发明实施例一种电熔镁炉嵌入式自动控制装置三相电极电流波动曲线。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。本实施例中，电熔镁炉的基本设备参数为炉体直径为1300mm，炉体高度为3. 3m, 石墨电极直径为250mm，设计生产能力为8吨/炉，冶炼过程额定电压为100V ；本实施例中，电熔镁炉嵌入式自动控制装置结构框图如图1所示，CPU主板采用符合 PC104 总线标准的 SysCentreModule/PMI2-6C，扩展板的型号为 SysExpanModule/ ADT652，隔离器的型号为P-U61，接触器的型号为LC1-D5011Q5C，电机的型号为Y100L1-4， 电流传感器的型号为LMZB-20 ；电路原理和连接图如图2、图3和图4所示，第一电流传感器的输入端连接电熔镁炉的三相电极中的第一电极，第二电流传感器的输入端连接电熔镁炉的三相电极中的第二电极，第三电流传感器的输入端连接电熔镁炉的三相电极中的第三电极；第一电流传感器的两个输出端中的一个连接第一隔离器的第3引脚，另一个连接第一隔离器的第4引脚，第二电流传感器的两个输出端中的一个连接第二隔离器的第3引脚，另一个连接第二隔离器的第4引脚，第三电流传感器的两个输出端中的一个连接第三隔离器的第3引脚，另一个连接第三隔离器的第4引脚；第一隔离器的第5引脚连接接线端子的111引脚，第一隔离器的第6引脚连接接线端子的112引脚，第一隔离器的第7、8引脚连接第一直流24V开关电源正负两端；第二隔离器的第5引脚连接接线端子的121引脚，第二隔离器二的第6引脚连接接线端子的122 引脚，第二隔离器二的第7、8引脚连接第二直流24V开关电源正负两端；第三隔离器的第5 引脚连接接线端子的131引脚，第三隔离器的第6引脚连接接线端子的132引脚，第三隔离器三的第7、8引脚连接第三直流24V开关电源正负两端；接线端子的Il引脚连接扩展板的 Al引脚，接线端子的12引脚连接扩展板的A3引脚，接线端子的13引脚连接扩展板的A5引脚。转换开关SAl作为外部输入信号，连接扩展板的A30引脚，作用是实现手动和自动控制的转换；扩展板通过PC104总线与CPU主板相连接；扩展板的D27引脚经电阻Rll与三极管Pl的基极相连接，三极管Pl的发射极与地相连接，三极管Pl的集电极经电阻R12与直流24V继电器KADl的线圈一端相连接；扩展板的D28引脚经电阻R21与三极管P2的基极相连接，三极管P2的发射极与地相连接，三极管P2的集电极经电阻R22与直流24V继电器 KAD2的线圈一端相连接；扩展板的拟9引脚经电阻R31与三极管P3的基极相连接，三极管 P3的发射极与地相连接，三极管P3的集电极经电阻R32与直流24V继电器KAD3的线圈一端相连接；扩展板的D30引脚经电阻R41与三极管P4的基极相连接，三极管P4的发射极与地相连接，三极管P4的集电极经电阻R42与直流24V继电器KAD4的线圈一端相连接；扩展板的D31引脚经电阻R51与三极管P5的基极相连接，三极管P5的发射极与地相连接，三极管P5的集电极经电阻R52与直流24V继电器KAD5的线圈一端相连接；扩展板的D32引脚经电阻R61与三极管P6的基极相连接，三极管P6的发射极与地相连接，三极管P6的集电极经电阻R62与直流24V继电器KAD6的线圈一端相连接；直流24V继电器KAD1-KAD6的线圈另一端经直流MV电源与地相连接；直流24V继电器KAD1-KAD6触点的一端分别与交流220V 电源的220N端相连接，直流24V继电器KADl触点的另一端与交流220V继电器KAAl线圈的一端相连接，直流24V继电器KAD2触点的另一端与交流220V继电器KAA2线圈的一端相连接，直流24V继电器KAD3触点的另一端与交流220V继电器KAA3线圈的一端相连接，直流24V继电器KAD4触点的另一端与交流220V继电器KAA4线圈的一端相连接，直流24V继电器KAD5触点的另一端与交流220V继电器KAA5线圈的一端相连接，直流24V继电器KAD6 触点的另一端与交流220V继电器KAA6线圈的一端相连接，交流220V继电器KAA1-KAA6的线圈另一端分别与交流220V电源的220L端相连接；交流220V继电器KAA1-KAA6触点的一端分别与交流220V电源的220L端相连接，交流220V继电器KAAl触点的另一端Ql与接触器KMl的L引脚相连接，交流220V继电器KAA2触点的另一端Q2与接触器KM2的L引脚相连接，交流220V继电器KAA3触点的另一端Q3与接触器KM3的L引脚相连接，交流220V继电器KAA4触点的另一端Q4与接触器KM4的L引脚相连接，交流220V继电器KAA5触点的另一端Q5与接触器KM5的L引脚相连接，交流220V继电器KAA6触点的另一端Q6与接触器KM6的L引脚相连接；接触器KM1-KM6的N引脚与交流220V电源的220N端相连接；接触器KM1-KM6的第1引脚与交流380V电源的X端相连接，接触器KM1-KM6的第2引脚与交流380V电源的Y端相连接，接触器KM1-KM6的第3引脚与交流380V电源的Z端相连接，接触器KMl的第4引脚与第一三相电机Ml的第一输入端相连接、接触器KMl的第5引脚与第一三相电机Ml的第二输入端相连接、接触器KMl的第6引脚与第一三相电机Ml的第三输入端相连接，接触器KM2的第4引脚与接触器KMl的第6引脚相连接，接触器KM2的第5引脚与接触器KMl的第5引脚相连接，接触器KM2的第6引脚与接触器KMl的第4引脚相连接；接触器KM3的第4引脚与第二三相电机M2的第一输入端相连接、接触器KM3的第5引脚与第二三相电机M2的第二输入端相连接、接触器KM3的第6引脚与第二三相电机M2的第三输入端相连接，接触器KM4的第4引脚与接触器KM3的第6引脚相连接，接触器KM4的第5引脚与接触器KM3的第5引脚相连接，接触器KM4的第6引脚与接触器KM3的第4引脚相连接；接触器KM5的第4引脚与第三三相电机M3的第一输入端相连接、接触器KM 5的第5引脚与第三三相电机M3的第二输入端相连接、接触器KM 5的第6引脚与第三三相电机M3的第三输入端相连接，接触器KM6的第4引脚与接触器KM5的第6引脚相连接，接触器KM6的第5引脚与接触器KM5的第5引脚相连接，接触器KM6的第6引脚与接触器KM5的第4引脚相连接。接线端子的电路原理图如图4所示，第一电阻Rjl的一端作为接线端子的Il端， 第一电阻Rjl的另一端引出两条支路，一条支路连接第一电容Cjl的一端，另一条支路作为接线端子的111端；第一电容Cjl的另一端引出两条支路，一条支路作为接线端子的112 端，另一条支路接地；第二电阻Rj2的一端作为接线端子的12端，另一端引出两条支路，一条支路作为接线端子的121端，另一条支路连接第二电容Cj2的一端，第二电容Cj2的另一端引出两条支路，一条支路作为接线端子的122端，另一条支路接地；第三电阻Rj3的一端作为接线端子的13端，第三电阻Rj3的另一端引出两条支路，第一支路作为接线端子的131 端，第二支路连接第三电容Cj3的一端，第三电容Cj3的另一端引出两条支路，一条支路作为接线端子的132端，另一条支路接地；信号输入通道主要实现将电流传感器采集的电流信号传输至CPU主板。电流传感器将交流0-15000A的三相电极电流转换为交流0-5A电流信号，交流0-5A电流信号通过隔离器转换为扩展板可接受的直流0-5V电压信号，其中隔离器通过开关与隔离器电源相连接，实现隔离器的外部供电。直流0-5V电压信号通过接线端子被传送给扩展板，再经过扩展板进行A/D转换后通过PC104总线传送给CPU主板，进而实现了嵌入式控制器的模拟量输入，如图6所示。信号输出通道主要实现将嵌入式控制器输出的数字量转换成可以用来控制电机启停的开关量，冶炼现场的执行机构包括交流220V继电器和接触器，嵌入式控制器的输出为数字量输出，不能直接用来控制交流220V继电器的吸合，因此需引入了一组线圈电压为直流MV的继电器来控制交流220V继电器，并利用三极管的开关特性，设计三极管驱动电路来实现数字量输出对直流24V继电器的控制，将嵌入式控制器输出的数字量信号传送至接口电路板上的三极管驱动电路，三极管驱动电路的电源由24V开关电源提供。 嵌入式控制器输出的数字量信号经过三极管驱动电路放大后可以控制直流24V继电器线圈的吸合，这样就实现了嵌入式控制器的继电器型输出，嵌入式控制器的继电器型输出被用来实现控制现场执行机构中交流220V继电器线圈的吸合，进而通过交流220V继电器线圈的吸合来控制接触器实现控制电机的转动和停止，如图7所示。设本发明所有实施例都满足如下条件设置有6个接触器，第一接触器与第二接触器同时连接第一电机，第三接触器与第四接触器同时连接第二电机，第五接触器与第六接触器同时连接第三电机；第一电机连接A相电极，第二电机连接B相电极，第三电机连接 C相电极。实施例1 采用本发明电熔镁炉嵌入式自动控制方法，包括以下步骤步骤1 电流传感器采集流经电熔镁炉三相电极的三相电流，如表1所示表1为采集到的三相电流值
权利要求
1.一种电熔镁炉嵌入式自动控制装置，包括监控计算机、电流传感器、电熔镁炉三相电极、电机、接触器及交流220V继电器，其特征在于还包括嵌入式控制器和接口电路板， 其中，所述的嵌入式控制器由CPU主板和扩展板组成，所述的接口电路板是由接线端子、隔离器、三极管驱动电路、直流24V继电器组成，其连接关系如下监控计算机的输入输出端连接所述CPU主板的第一输入输出端，所述CPU主板的第二输入输出端连接扩展板的输入输出端，所述扩展板的输入端连接接线端子的输出端，所述接线端子的第一输入端连接第一隔离器的输出端，所述接线端子的第二输入端连接第二隔离器的输出端，所述接线端子的第三输入端连接第三隔离器的输出端，所述扩展板的输出端连接三极管驱动电路的输入端，所述三极管驱动电路的输出端连接24V继电器，所述24V继电器的输出端连接交流220V 继电器的输入端，交流220V继电器的输出端连接接触器的输入端，接触器的输出端连接电机的输入端，所述第一隔离器的输入端连接第一电流传感器的输出端，所述第二隔离器的输入端连接第二电流传感器的输出端，所述第三隔离器的输入端连接第三电流传感器的输出端，电熔镁炉的第一输出端连接第一电流传感器的输入端，电熔镁炉第二输出端连接第二电流传感器的输入端，电熔镁炉第三输出端连接第三电流传感器的输入端，电熔镁炉的三相电极分别与电极的输出端连接。
2.采用权利要求1所述的电熔镁炉嵌入式自动控制装置进行自动控制的方法，包括以下步骤步骤1 电流传感器采集流经电熔镁炉三相电极的三相电流； 步骤2:电流传感器将采集到的三相电流传递给隔离器，隔离器将所述电流转换为电压信号输出给接线端子，接线端子将所述电压信号传递给扩展板，扩展板将模拟信号转换为数字信号后输出给CPU主板；步骤3:步骤2处理后的数据与电流设定值之间的差值来判断是否有电流超限，所述电流超限是指电极电流与电流设定值之间的差值的绝对值大于偏差允许值，所述偏差允许值的范围为1000A 1500A，若差值大于所述偏差允许值，则电流超限，执行步骤4，否则保持电极现有状态不动，并执行步骤1 ；步骤4:判断电流超限的电极个数，若满足下述三种情况之一，则控制电机正转或反转，并带动相应电极运动；所述的3个电极分别由3台电机控制，电机正转，则提升对应的电极，电机反转，则降低对应的电极；第一种情况若有一相电流超限，则先判断是否为正向超限若为正向超限，则提高该相电极；若是负向超限，则降低该相电极；所述的正向超限是指电极电流与电流设定值之间的差值为正数，反之即为负向超限，执行步骤1 ；第二种情况若有两相电流超限，首先判断这两相电流是否都为正向或负向超限，若都为正向超限则提高相应两相电极，若都为负向超限则降低相应两相电极，若超限的两相电流为一正向超限一负向超限，则提高正向超限的电极，执行步骤1 ；第三种情况若有三相电流超限，首先判断三相电流是否都为正向或负向超限，若都为正向超限则提高三相电极，若都为负向超限则降低三相电极；若三相电极超限方向不一致， 则判断三相电流中是否有两相为正向超限，若存在两相为正向超限，则提高相应的两相电极；若不存在两相为正向超限，则说明三相电流为一正向超限、两负向超限，令提高正向超限的那一相电极，执行步骤1。
全文摘要
一种电熔镁炉嵌入式自动控制装置，包括监控计算机、电流传感器、电熔镁炉三相电极、电机、接触器及交流220V继电器，还包括嵌入式控制器和接口电路板，电流传感器采集流经电容镁炉三相电极的三相电流；电流传感器将采集到的三相电流传递给隔离器，经接线端子传递给扩展板，后输出给CPU主板；处理后的数据与电流设定值之间的差值来判断是否有电流超限，若电流超限，则控制电机调节电极运动，若电流不超限，则保持电极不动；本发明方法嵌入式控制器内部，在稳定性和实时性方面具有较高风险的工业控制计算机不再承担运行控制和优化算法的任务，大幅提升运行速度、效率、及控制精度，同时降低了控制装置的故障率。
文档编号G05B19/042GK102393662SQ201110309560
公开日2012年3月28日 申请日期2011年10月13日 优先权日2011年10月13日
发明者吴志伟, 张新海, 方正, 柴天佑, 王超 申请人:东北大学