专利名称：：矿热炉电极升降控制方法
技术领域：
：本发明属于自动控制领域，涉及ー种矿热炉电极升降控制方法。
背景技术：
：矿热炉，属电弧炉系列的ー种，冶炼的产品包括硅铁、硅锰合金、电石等，其冶炼的核心理论是通过电离空气形成定向高温离子流-电弧，将电能转换成热能，为发生还原反应提供足够高的温度。电弧的状态取决于电极端头和放电体的距离、放电体的导电性、电压以及电极周围的温度和炉料介质的电阻特性。在冶炼过程中，随着熔池液面的不断升高，炉料经常性下塌，电极端头因烧损从而导致插入料面下的长度变短以及熔池导电性的变化，需要适时调整三相电极的实际位置，以保持炉内始终能够处于最佳的冶炼状态，同时还要能够保持三相电极等效熔池电阻的平衡，以维持供电系统的稳定，达此目的的关键之一就是电极升降控制系统要有很好的控制性能，能根据炉内状态的变化适时调整电极位置，維持供电系统的稳定以及三相电极的稳定，与此同时还要利用低压无功补偿技术保证系统有较好的功率因数。冷态矿石不导电，熔融态混合体是良导电体，这ー特点决定了矿热炉电极升降控制系统的复杂性和难点，也是众多从事矿热炉自动化控制的先行者们至今仍未成功的原因所在。到目前为止，国内现有矿热炉电极升降普遍为人工手动控制，当电流大于规定值时，提升电极，当电流小于规定值时，下降电极，个别使用PLC控制也是基于和人工控制相同的方法，其主要缺点是人工操作的随意性大、三相电极功率不平衡、单位产品电耗高、产量低、矿石回收率低。影响矿热炉冶炼电耗的因素很多，首先要解决热源的稳定问题，由计算机控制三相电极在炉内的位置，保证炉内热场的均衡稳定；然后解决炉料的均匀性问题，最好也使用计算机控制。这两大因素是矿热炉节电与否的关键，综合节电的空间在15%左右。第一因素的空间约6%至10%，第二因素的空间约4%至7%。因此，取得低电耗的先决条件是要控制好电极位置，电极频繁的上下移动，这就导致高温区的不固定，破坏了形成的“坩埚”区，极大的影响化学反应的速度，大大增加电耗。
发明内容I.本发明所要解决的技术问题。为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供一种能降低冶炼电耗、提高生产率的矿热炉电极升降自动控制的方法。2.本发明解决上述问题的技术方案。矿热炉电极升降自动控制的方法，包括变压器，在该变压器的初级装有电流互感器，互感器的电流输入电流互感器从而得到4-20MA的直流电压模拟信号，提供给下位机模拟量输入模块；另一路三相交流电压信号直接取自变压器次级出线排上的交流电压信号，经互感器和变送器后输出也是420MA的直流电压模拟信号；上述六路信号经PLC模拟量输入模块和输入的手动控制开关信号和限位控制开关信号进行运算；运算后的输出信号分别输向液压驱动系统，即计算机的输出信号经数字量输出模块输出控制电极液压升降装置的升降，控制信号通过接触器控制液压电磁阀实电极上、下运动，从而改变三相电极的等效熔池阻抗；所述变压器的输入电源是由电网IOKV或35KV或IlOKV三相交流电经隔离开关、真空开关接入至变压器初级，经变换后在次级输出120V的三相交流电，通过由大截面铜管、软铜电缆组成的大截面短网、导电装置和石墨电极相接，进入炉内，提供还原反应所需的能量。根据矿热炉冶炼产品和エ艺对电压、电流的要求，以三相电极等效熔池电阻作为控制量，机控制系统将自动地实时地检测到的參数值(电压、电流)进行运算与设定值进行三相平衡和比较运算，井根据控制数学模型、控制策略和异常炉况模型进行分析判断，然后发出ー组控制信号给液压电磁阀，进而带动电极上下运动，改变熔池电阻，或脱离自动控制并提醒操作者处理，使系统迅速地纠正偏差，維持其运行在设定范围内；本发明采样系统是将控制对象的实时状态及其检测值送入下位机的关键接ロ，它的可靠性和准确性直接关系到系统的控制性能，本系统中采样的对象为短网电压和电流，采样部分包括互感器和变送器；下位机PLC是整个控制系统的核心，它负责控制模型的处理运算、决策、实时数据的存储运算；上位机使用WinCC作为监控软件；本发明的操作界面为全中文菜单提示，系统运行时可以实时看到电极电压、电流及电阻的实际数值及其波动图形，当冶炼出现异常炉况时，系统会提示操作者进行处理；当系统出现故障时，也可从显示器的画面上进行判断。本发明能够根据矿热炉冶炼过程中不同阶段的熔池电阻进行自动控制、降低単位广品能耗和提闻矿石回收率的目的。图I是本发明控制电路方框示意图。图2是矿热炉电极系统等效电路图。图3Matlab与WinCC实时通讯的结构示意图。图4Simulink控制系统框图。图5硅锰炉电极控制系统结构图。图6电极升降控制程序调用结构图。图7液压模型传递函数单位斜坡输入的响应曲线。图8为电极升降控制程序流程图。具体实施例方式下面将结合附图和实施方法对本发明作进ー步描述。实施例I參见图1，包括电カ电容器I、断路器2、电压互感器3、电流互感器4、电路变压器5、短网6、电极7、电炉本体8、检测仪表9，，电网IOKV三相交流电经隔离开关2、真空开关2接入矿热炉变压器5初级，经变换后在变压器5的次级输出120V的三相交流电，通过由大截面铜管、软铜电缆组成的大截面短网、导电装置和石墨电极相接，进入炉内，提供电功率。本发明的输入信号有在变压器5的初级或次级装有电流互感器，输出0-5安培的交流电流信号，经电流变送器变换为4-20MA的直流电流模拟信号，提供给下位机的模拟量输入模块；另一路三相交流电压信号直接取自变压器次级出线排上，是0-220V交流电压信号，经电压变送器变换为4-20MA的直流电流模拟信号，提供给下位机；二十路手动控制开关信号、六路限位控制开关信号通过数字量输入模块输入经控制系统处理后，本发明的输出信号控制液压驱动系统，具体是液压驱动系统下位机PLC输出数字量信号后经继电器从而控制接触器，进而控制液压电磁阀，控制液压驱动系统的液压油缸上、下运动，由液压油缸驱动电极升降机构使电极上、下运动，从而改变炉内电功率的大小。矿热炉电极控制的设定值通过上位机的键盘输入。本发明的设计原理是依据炉内电极电压，电流的大小，实时计算等效熔池电阻，再根据设定值和等效电阻之间的偏差进行控制。熔池电阻的计算方法是图2是矿热炉电极系统等效电路图，由此可以求出三相电极的等效熔池电阻rg,Iio,%。其中,=冷_44=4=4—测得电极的相电压为1，Hko,*%,可以求出三相电极熔池电阻r9,In,H1/Iy—^-具体控制方法是I.自适应内模控制器的设计Matlab7.O版本以上的软件中包含OPC工具箱，可以进行OPC的设置。Simlink7.I中集成了OPCtoolbox模块子库，其中包括OPCreadblock、OPCwriteblock、OPCConfiguration和OPCQualityParts。Matlab作为强大的客户端，可以实现控制算法编写、分析以及参数的在线整定。Matlab与WinCC实现数据交换如图3所示。利用OPCtoolbox工具箱实现Matlab与WinCC间动态数据交换，主要包括以下步骤(I)使用OPCregister命令,在服务器和客户端相应的Windows核心组件中注册0PC。(2)在OPC客户机和服务器上进行正确的DCOM配置。首先，获取网络中需要访问的节点名，确保OPCtoolbox中对象和OPC服务器对象成功连接。其次，下载安装OPCComponents2.ORedisbutable2.20.msi客户端开发工具包。(3)打开Simlink应用程序，找到OPCtoolbox模块库。将OPCreadblock、OPCwriteblock、0PCConfiguration拖至新建立的模型窗口中。双击OPCConfiguration,在ConfigureOPCclients中依次单击Add和select,选择添加OPCServer.WinCC;然后再打开OPCread的参数设置窗口，首先通过ConfigureOPCclient/Add/select选择添加OPCServer.WinCC；再在“AddItems”里选择localhost/OPCServer.WinCC中的A-dianzu-PV、A-dianzu-SV、B-dianzu-PV、B-dianzu-SV、B_dianzu-PV和C-dianzu-SV。同样的方法，在OPCwrite中添加三相电极的控制参数。OPCread和OPCwrite中的readmode和writemode参数设置为Sychronous(device),米样时间Sampletime设为O;(4)在OPC服务器WinCC中创建相关变量，建立OPC驱动程序并设置相关运行参数，确保通讯时OPC服务器处于运行状态。在Simulink中A相电极实时控制系统如图5所示，主要包括三个部分0PCreadblock(实时读取采集值)、自适应内模控制器和OPCwriteblock(实时写入控制量)。在软件Matlab的Simulink中建立OPC客户端控制算法，与组态软件WinCC的OPCDA服务器进行通信，获取对象的实时数据，同时将Matlab计算出的控制量发送给WinCC对现场设备进行控制。2.电极控制程序结构设计硅锰炉电极控制系统由液压脉冲-位置转换器和自适应内模控制控制器这两部分组成。液压脉冲-位置信号转换器系统输出的控制信号是脉冲信号，而控制器运算得出的信号却是位置信号，所以要使用液压系统传递函数将自适应内模控制器计算出的位置信号转化为脉冲控制信号。自适应内模控制器系统中设计了两种控制方式，分别是上位机控制和下位机控制，上位机为工控机，下位机是可编程控制器(PLC)。系统正常运行时，上位机直接控制电极；当上位机出现故障时，下位机仍然可以利用上个时间得出的控制参数进行控制，此时的控制参数是最符合现场生产情况的，能够保证硅锰炉炉况的稳定，与此同时提示操作人员处理上位机故障。硅锰炉电极控制系统结构如图6所示。根据自适应内模控制算法，电极控制系统的程序结构设计如图7示，主要包括模拟量采集与处理和电极升降控制两大部分，其余部分不属于本文研究的重点，这里就不作详细介绍。图7中模拟量子程序和电极升降控制子程序由电极控制程序循环调用，中断周期设置为100ms，其中模拟量子程序和电极升降控制子程序由多个程序块组成，采用四层树状调用的结构，便于程序的调试和修改。模拟量子程序主要功能是模拟量数据采样、滤波、标定，处理后的数据传输到指定的共享数据块中。组态软件^(^通过MPI通讯可以读取到这些数据，通过OPC通讯可以读出相应的数据并计算出控制量。计算出的控制量通过OPC和MPI通讯传给PLC控制电极的升降。模拟量子程序和电极升降子程序功能如表I和表2所示。表I模拟量数据处理程序组成权利要求1.一种矿热炉电极升降控制方法，包括变压器，其特征是在该变压器的初级装有电流互感器，该电流互感器所输出的电流经电流变送器后输出模拟信号送至PLC的模拟量输入模块；另一路三相交流电压信号直接取自变压器次级出线排上的交流电压信号，经电压变送器后的模拟信号同时将其输入模拟量输入模块，同时将手动控制开关信号和限位控制开关信号送至PLC数字量输入模块；经下位机运算后的输出信号驱动电极液压升降系统，驱动电磁阀运动，控制电极液压升降系统的液压油缸上、下运动，由液压油缸驱动电极升降机构使电极上、下运动，从而改变炉内电极等效电阻的大小。2.如权利要求I所述的矿热炉电极升降控制方法，其特征是所述变压器的输入电源是由电网IOKV或35KV或IlOKV三相交流电经隔离开关、真空开关接入至变压器初级，经变换后在次级输出120V的三相交流电，通过由大截面铜管、软铜电缆组成的大截面短网、导电装置和石墨电极相接，进入炉内，提供还原反应所需的能量。3.如权利要求I所述的矿热炉电极升降控制方法，其特征是所述电流互感器的输出交流电流信号为0-5安培，经电流变送器变换为4-20MA的直流电流模拟信号，提供给下位机的模拟量输入模块；另一路三相交流电压信号直接取自变压器次级出线排上，是0-220V交流电压信号，经电压变送器变换为4-20MA的直流电流模拟信号，提供给下位机；二十路手动控制开关信号、六路限位控制开关信号通过数字量输入模块输入。4.如权利要求I所述的矿热炉电极升降控制方法，其特征是二十路手动控制开关信号、六路限位控制开关信号通过数字量输入模块输入控制系统进行控制。全文摘要本发明涉及一种矿热炉电极升降自动控制的方法，根据矿热炉冶炼产品和工艺过程对电极电压、电流和功率以及功率因数的要求，下位机PLC采集现场的电流和电压并实时计算三相电极等效熔池电阻，控制系统将自动地实时地检测到的参数值(电压、电流)进行处理、计算后与设定值进行运算，并根据控制数学模型、控制策略和异常炉况模型进行分析判断，然后发出控制信号；通过控制电磁阀的开关控制油缸的升降进而带动电极上下运动。本发明能够根据矿热炉冶炼过程中不同阶段的熔池电阻进行自动控制、降低单位产品能耗和提高矿石回收率的目的。文档编号H05B7/156GK102630107SQ20121009800公开日2012年8月8日申请日期2012年4月6日优先权日2012年4月6日发明者孙瑜申请人:南京理工大学常熟研究院有限公司