一种直流电弧炉的自动控制系统及其控制方法与流程

本发明涉及一种自动控制系统及其控制方法，特别是一种直流电弧炉的自动控制系统及其控制方法。

背景技术：

直流电弧炉是在炉底电极（阳极）和石墨电极（阴极）之间的金属炉料上产生电弧进行冶炼。直流电弧炉与交流电弧炉设备的主要区别:增加整流装置、炉顶石墨电极由三根变成一根及增设炉底电极等。其中炉底电极的设置是直流电弧炉的最大特征。直流电弧炉的主要优点有：电弧稳定且集中，熔池搅拌良好，炉内温度分布均匀，炉衬侵蚀量少；电流和电压波动小、对电网的冲击减少，电缆寿命随之延长；电极损耗少，吨物料电极消耗比交流电弧炉少50%。但是在直流电弧炉运行过程中，直流电弧炉的运行参数，同时受到进料速度，电弧输出功率（包括电压和电流）的影响。因为电压与电流相互耦合彼此影响，因此直流电弧炉运行过程中，一旦发生工况波动，往往只能根据经验缓慢调整工况，实现自动控制比较困难。

直流电弧炉运行时，阴阳电极之间的电阻值，与阴阳电极的距离呈正相关。阴阳电极的间距越大，阴阳电极之间的电弧电阻值越大。因此一般的直流电弧炉自动控制方法，主要针对电源和升降装置进行控制（cn101782321a-一种直流电弧炉电极自动调节装置及其控制方法），控制方式主要有两种：

1、定电压控制法，将电源电压设置为固定值，当电流发生波动变大，则阴阳电极之间的实际电压u=i*r，大于设定电压值。此时自动控制系统将阴极电极下降，令电阻值降低，使得实际电压值恢复到设定值。反之当电流发生波动变小，则阴阳电极之间的实际电压u=i*r，小于设定电压值。此时自动控制系统将阴极电极上升，令电阻值升高，使得实际电压值恢复到设定值。

2、定电流控制法：将电源电流设置为固定值，当电压发生波动变大，则阴阳电极之间的实际电流i=u/r，大于设定电流值。此时自动控制系统将阴极电极上升，令电阻值升高，使得实际电流值恢复到设定值。反之当电压发生波动变小，则阴阳电极之间的实际电流i=u/r，小于设定电流值。此时自动控制系统将阴极电极下降，令电阻值降低，使得实际电流值恢复到设定值。

此两种传统控制方法的局限在于，只能针对电源本身（电流、电压）的参数波动进行调节，而不能对炉温，排渣温度等参数做出自动响应。实质上，只能实现电源和电极升降装置的自动控制，而不能实现直流电弧炉的整体自动控制。然而在实际运行过程中，无论是进料速度，还是排渣温度，都会对直流电弧炉的运行工况产生影响。采用传统控制方法，只能由操作人员根据经验对这些参数波动进行判断，手动进行调整，但是这样其实是降低了设备的自动化程度。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种直流电弧炉的自动控制系统及其控制方法，实现直流电弧炉的完全自动化控制。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种直流电弧炉的自动控制系统，其特征在于：包含直流电弧炉炉体、炉内红外线测温装置、阴极电极、电极升降装置、炉内温度控制传感器、电源设备、电压控制传感器、阳极电极、排料温度控制传感器、排料红外线测温装置和进料控制装置，阴极电极竖直设置在直流电弧炉炉体上端，阳极电极设置在电极升降装置上由电极升降装置驱动在直流电弧炉炉体内上下升降，电压控制传感器与阴极电极和阳极电极连接用于测量电极之间电压值，电压控制传感器与电极升降装置连接用于发送升降控制信号，炉内红外线测温装置固定在直流电弧炉炉体上端，炉内红外线测温装置与炉内温度控制传感器连接用于采集炉内熔池温度并发送给炉内温度控制传感器，电源设备与阴极电极和阳极电极连接用于给电极供电，炉内温度控制传感器与电源设备连接用于发送电流控制信号，进料控制装置设置在直流电弧炉炉体上端进料口，排料红外线测温装置设置在直流电弧炉炉体侧面出料口位置并且排料红外线测温装置与排料温度控制传感器连接用于采集出料口流出的物料温度并发送给排料温度控制传感器，排料温度控制传感器与进料控制装置连接用于发送进料控制信号。

进一步地，所述炉内温度控制传感器包含炉内温度dcs、炉内温度运算模块和电源电流控制信号触发模块，炉内温度dcs与炉内红外线测温装置连接用于将炉内红外线测温装置采集的炉内熔池温度与炉内dcs预设的熔池温度对比，炉内温度运算模块与炉内温度dcs连接用于计算采集的炉内熔池温度与炉内dcs预设的熔池温度的差值，电源电流控制信号触发模块与炉内温度运算模块连接用于根据炉内温度运算模块计算得到的差值生成直流电源的电压控制信号并发送给直流电源。

进一步地，所述电压控制传感器包含电压测量模块、电压dcs、电压运算模块、升降控制信号触发模块，电压测量模块连接阴极电极和阳极电极用于采集电极之间电压值，电压dcs与电压测量模块连接用于将采集的电极之间电压值与电压dcs预设的电压值进行对比，电压运算模块与电压dcs连接用于计算出采集的电极之间电压值与预设电压值的差值，升降控制信号触发模块与电压运算模块连接用于通过电压运算模块得到的电压差值生成电极升降装置的控制信号并发送给电极升降装置。

进一步地，所述排料温度控制传感器包含排料温度dcs、排料温度运算模块和进料控制信号触发模块，排料温度dcs与排料红外线测温装置连接用于将排料红外线测温装置采集的出料口流出的物料温度与排料dcs预设的物料温度对比，排料温度运算模块与排料温度dcs连接用于计算采集的出料口流出的物料温度与排料dcs预设的物料温度的差值，进料控制信号触发模块与排料温度运算模块连接用于根据排料温度运算模块计算得到的差值生成进料控制装置的进料控制信号并发送给进料控制装置。

一种直流电弧炉的自动控制方法，其特征在于包含以下步骤：

电压调节：采集直流电弧炉炉体内阴极电极和阳极电极间电压值，并将该采集的电压值与预设的电压值对比，计算差值并通过差值控制电极升降装置升降来调整电压值；

炉内温度调节：采集炉内温度，并将采集温度与预设温度对比，计算差值并通过差值控制直流电源的电流大小；

排料温度调节：采集排料口流出的物料温度，并将采集温度与预设温度对比，计算差值并通过差值控制进料量。

进一步地，所述电压调节具体为在直流电弧炉炉体的阴极电极和阳极电极之间设置电压控制传感器，电压控制传感器的电压测量模块实时采集阴极电极和阳极电极之间的电压值，电压dcs将采集的电极之间电压值与电压dcs预设的电压值进行对比，然后通过电压运算模块计算出采集的电极之间电压值与预设电压值的差值，升降控制信号触发模块通过电压运算模块得到的电压差值生成电极升降装置的控制信号并发送给电极升降装置，电极升降装置收到控制信号后通过内部执行器对阴极电极高度进行升降调整，引起阴极电极和阳极电极之间电弧长度的变化，从而调整阴极电极和阳极电极之间的实测电压，使其最终趋近于电压预设值。

进一步地，所述炉内温度调节具体为直流电弧炉炉体上端设置炉内红外线测温装置对炉内熔池温度进行实时采集，炉内温度dcs将采集到的熔池温度与炉内温度dcs预设的熔池温度对比，炉内温度运算模块计算采集的炉内熔池温度与炉内dcs预设的熔池温度的差值，电源电流控制信号触发模块根据炉内温度运算模块计算得到的差值生成直流电源的电压控制信号并发送给直流电源，直流电源设备收到电压控制信号后，通过内部执行器调整输出电流的大小，从而调整电弧输入能量大小，使得炉内熔池温度趋近于预设值。

进一步地，所述排料温度调节具体为直流电弧炉炉体进料口设置进料控制装置，排料红外线测温装置设置在直流电弧炉炉体侧面出料口位置并且实时采集出料口流出的物料温度，排料温度dcs将排料红外线测温装置采集的出料口流出的物料温度与排料dcs预设的物料温度对比，排料温度运算模块计算采集的出料口流出的物料温度与排料dcs预设的物料温度的差值，进料控制信号触发模块根据排料温度运算模块计算得到的差值生成进料控制装置的进料控制信号并发送给进料控制装置，进料控制装置收到进料控制信号后，通过内部执行器调整原料进炉速度，使得原料在熔池中停留的平均时间得以延长或缩短，达到控制出炉物料的效果。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

1、本发明避免了不同控制参数之间的交叉影响。直流电弧炉中，熔池的温度是重要的工艺参数。现有的直流电弧炉控制方式，直流电源设备同时要调整电压和电流，而这两者的调整又都会影响电源输出功率的大小。而电源输出功率直接影响熔池的温度。同时因为原料投入熔池需要发生吸热反应，因此进料速度也会影响熔池温度。一旦直流电弧炉熔池温度发生波动，往往不知道是应该调整进料速度、电源电压还是电流。一般都需要操作人员根据经验判断，进行手动操作调整。采用本专利的控制方法，进料速度，电压，电流这三个参数彼此解耦，控制逻辑彼此独立而又不冲突，可以有效的实现自动化控制，减少人工干预；

2、本发明可以充分利用直流电弧炉现有的设备和仪表，操作成本低。直流电弧炉中，无论是熔池测温装置，还是阴阳极测电压装置，都是经常用到的设备仪表。本发明采用这些常用设备的输出信号作为控制信号源，不需要额外增加设备，无论是对于新建直流电弧炉，还是现有直流电弧炉的改造，都不会带来较大的成本负担。

附图说明

图1是本发明的一种直流电弧炉的自动控制系统的示意图。

图2是本发明的一种直流电弧炉的自动控制方法的示意图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

如图1所示，本发明的一种直流电弧炉的自动控制系统，包含直流电弧炉炉体1、炉内红外线测温装置2、阴极电极3、电极升降装置4、炉内温度控制传感器5、电源设备6、电压控制传感器7、阳极电极8、排料温度控制传感器9、排料红外线测温装置10和进料控制装置11，阳极电极8竖直设置在直流电弧炉炉体1上端，阴极电极3设置在电极升降装置4上由电极升降装置4驱动在直流电弧炉炉体内上下升降，阳极电极8固定在直流电弧炉炉体1下端，电压控制传感器7与阴极电极3和阳极电极8连接用于测量电极之间电压值，电压控制传感器7与电极升降装置4连接用于发送升降控制信号，炉内红外线测温装置2固定在直流电弧炉炉体1上端，炉内红外线测温装置2与炉内温度控制传感器5连接用于采集炉内熔池温度并发送给炉内温度控制传感器5，电源设备6与阴极电极3和阳极电极8连接用于给电极供电，炉内温度控制传感器5与电源设备6连接用于发送电流控制信号，进料控制装置11设置在直流电弧炉炉体1上端进料口，排料红外线测温装置10设置在直流电弧炉炉体1侧面出料口位置并且排料红外线测温装置10与排料温度控制传感器9连接用于采集出料口流出的物料温度并发送给排料温度控制传感器9，排料温度控制传感器9与进料控制装置11连接用于发送进料控制信号。

炉内温度控制传感器5包含炉内温度dcs、炉内温度运算模块和电源电流控制信号触发模块，炉内温度dcs与炉内红外线测温装置连接用于将炉内红外线测温装置采集的炉内熔池温度与炉内dcs预设的熔池温度对比，炉内温度运算模块与炉内温度dcs连接用于计算采集的炉内熔池温度与炉内dcs预设的熔池温度的差值，电源电流控制信号触发模块与炉内温度运算模块连接用于根据炉内温度运算模块计算得到的差值生成直流电源的电压控制信号并发送给直流电源。

电压控制传感器7包含电压测量模块、电压dcs、电压运算模块、升降控制信号触发模块，电压测量模块连接阴极电极和阳极电极用于采集电极之间电压值，电压dcs与电压测量模块连接用于将采集的电极之间电压值与电压dcs预设的电压值进行对比，电压运算模块与电压dcs连接用于计算出采集的电极之间电压值与预设电压值的差值，升降控制信号触发模块与电压运算模块连接用于通过电压运算模块得到的电压差值生成电极升降装置的控制信号并发送给电极升降装置。

排料温度控制传感器9包含排料温度dcs、排料温度运算模块和进料控制信号触发模块，排料温度dcs与排料红外线测温装置连接用于将排料红外线测温装置采集的出料口流出的物料温度与排料dcs预设的物料温度对比，排料温度运算模块与排料温度dcs连接用于计算采集的出料口流出的物料温度与排料dcs预设的物料温度的差值，进料控制信号触发模块与排料温度运算模块连接用于根据排料温度运算模块计算得到的差值生成进料控制装置的进料控制信号并发送给进料控制装置。

一种直流电弧炉的自动控制方法，包含以下步骤：

电压调节：采集直流电弧炉炉体内阴极电极和阳极电极间电压值，并将该采集的电压值与预设的电压值对比，计算差值并通过差值控制电极升降装置升降来调整电压值；

具体为在直流电弧炉炉体的阴极电极和阳极电极之间设置电压控制传感器，电压控制传感器的电压测量模块实时采集阴极电极和阳极电极之间的电压值，电压dcs将采集的电极之间电压值与电压dcs预设的电压值进行对比，然后通过电压运算模块计算出采集的电极之间电压值与预设电压值的差值，升降控制信号触发模块通过电压运算模块得到的电压差值生成电极升降装置的控制信号并发送给电极升降装置，电极升降装置收到控制信号后通过内部执行器对阴极电极高度进行升降调整，引起阴极电极和阳极电极之间电弧长度的变化，从而调整阴极电极和阳极电极之间的实测电压，使其最终趋近于电压预设值，达到稳定电压的效果。

炉内温度调节：采集炉内温度，并将采集温度与预设温度对比，计算差值并通过差值控制直流电源的电流大小；

具体为直流电弧炉炉体上端设置炉内红外线测温装置对炉内熔池温度进行实时采集，炉内温度dcs将采集到的熔池温度与炉内温度dcs预设的熔池温度对比，炉内温度运算模块计算采集的炉内熔池温度与炉内dcs预设的熔池温度的差值，电源电流控制信号触发模块根据炉内温度运算模块计算得到的差值生成直流电源的电压控制信号并发送给直流电源，直流电源设备收到电压控制信号后，通过内部执行器调整输出电流的大小，从而调整电弧输入能量大小，使得炉内熔池温度趋近于预设值，达到稳定炉温的效果。

排料温度调节：采集排料口流出的物料温度，并将采集温度与预设温度对比，计算差值并通过差值控制进料量。

具体为直流电弧炉炉体进料口设置进料控制装置，排料红外线测温装置设置在直流电弧炉炉体侧面出料口位置并且实时采集出料口流出的物料温度，排料温度dcs将排料红外线测温装置采集的出料口流出的物料温度与排料dcs预设的物料温度对比，排料温度运算模块计算采集的出料口流出的物料温度与排料dcs预设的物料温度的差值，进料控制信号触发模块根据排料温度运算模块计算得到的差值生成进料控制装置的进料控制信号并发送给进料控制装置，进料控制装置收到进料控制信号后，通过内部执行器调整原料进炉速度，使得原料在熔池中停留的平均时间得以延长或缩短，达到控制出炉物料的效果。

以上三个步骤没有绝对的先后顺序，可以同时进行，也可以单独进行控制。通过分析直流电弧炉运行过程中各个控制参数的影响因素，将进料速度、电压、电流等炉温影响因素彼此解耦。采用不同的控制参量对电压、电弧、进料速度等进行修正，避免了以上因素的交叉影响，能够实现直流电弧炉的完全自动化控制。

本发明避免了不同控制参数之间的交叉影响。直流电弧炉中，熔池的温度是重要的工艺参数。现有的直流电弧炉控制方式，直流电源设备同时要调整电压和电流，而这两者的调整又都会影响电源输出功率的大小。而电源输出功率直接影响熔池的温度。同时因为原料投入熔池需要发生吸热反应，因此进料速度也会影响熔池温度。一旦直流电弧炉熔池温度发生波动，往往不知道是应该调整进料速度、电源电压还是电流。一般都需要操作人员根据经验判断，进行手动操作调整。采用本专利的控制方法，进料速度，电压，电流这三个参数彼此解耦，控制逻辑彼此独立而又不冲突，可以有效的实现自动化控制，减少人工干预；

本发明可以充分利用直流电弧炉现有的设备和仪表，操作成本低。直流电弧炉中，无论是熔池测温装置，还是阴阳极测电压装置，都是经常用到的设备仪表。本发明采用这些常用设备的输出信号作为控制信号源，不需要额外增加设备，无论是对于新建直流电弧炉，还是现有直流电弧炉的改造，都不会带来较大的成本负担。

本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。