电冶炉控制系统及电冶炉电极的控制方法与流程

本发明涉及电冶炉过程控制技术领域，具体来讲，涉及一种电冶炉(例如，电渣重熔炉)控制系统以及电冶炉(例如，电渣重熔炉)电极的控制方法。

背景技术：

通常，在电冶炉(例如，电渣重熔炉)的电渣熔铸过程中，对熔铸质量、消耗的电能和生产效率影响最大的环节是对电极的控制。由于随着熔化的进行，电极不断缩短而铸锭逐渐上涨，为了保证熔速和电流稳定在设定值需要实时调节电极高度。若电极下降速度过慢，会产生电弧放电，电流波动很大，电渣过程被破坏；若电极下降速度过快，就会造成电极与金属熔池的短路现象。因而，电极位置控制是重熔过程中一个重要的控制参数，也是所有电渣炉必不可少的控制环节。另外，由于电网参数波动和冶炼条件的改变，冶炼电流、冶炼电压的稳定性也难以得到保证。

电渣重熔工艺可获得结晶组织均匀致密的锭坯，广泛应用于特种金属和合金钢的生产。目前，很多企业使用的多是中小型单相电渣重熔炉，其优点是造价低，操作灵活方便，缺点是控制系统落后，控制精度及稳定性较差，直接影响电渣锭的质量和生产效率，制约了其经济效益的进一步提高。

由于电渣炉自耗电极底部在熔化过程中形成的固液相变界面无法直接测量，导致自耗电极位置很难精确判断。传统的自耗电极位置控制，有的是通过操作人员在炉前观看和实际手动操作来完成，有的是采用基于常规比例积分微分(pid)控制的自动控制系统、有的采用模糊控制代替常规pid控制，但都无法达到迅速跟踪，精确控制的目的。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种能够提高电冶炉(例如，电渣重熔炉)电极控制的及时性和精确度的电冶炉(例如，电渣重熔炉)控制系统。

为了实现上述目的，本发明的一方面提供了一种电冶炉控制系统。所述电冶炉控制系统包括机械控制控制系统、冷却控制系统和电极控制系统。其中，所述电极控制系统包括：数据采集单元、第一数据处理单元、第二数据处理单元、反馈单元和电极驱动单元，其中，数据采集单元实时采集电冶炉的电信号，将其转化为数字值；第一数据处理单元接收所述数字值，将所述数字值与设定目标值进行比较，利用第一过程控制算法得到控制信号；反馈单元包括用于实时采集自耗电极位置信息的位移传感装置；第二数据处理单元根据所述自耗电极位置信息确定自耗电极的实际熔速值，并将实际熔速值与设定目标熔速值进行比较，然后利用第二过程控制算法对所述设定目标值进行调整；电极驱动单元根据所述控制信号驱动自耗电极升高或降低。

在本发明的一个示例性实施例中，所述电极控制系统还可包括反馈信号转换单元，所述反馈信号转换单元对所述自耗电极位置信息进行模数转换，并将转换后的信号提供至第二数据处理单元。

在本发明的一个示例性实施例中，所述数据采集单元可包括信号隔离变送模块和采集模块，所述信号隔离变送模块将电冶炉的电信号转换为标准信号，所述采集模块将所述标准信号转换为所述数字值。

在本发明的一个示例性实施例中，所述电极控制系统还可包括信号隔离切换模块和电位器，所述电位器被配置为能够设置用于驱动自耗电极升降的手动控制信号，所述信号隔离切换模块分别将电位器和第一数据处理单元与电极驱动单元连接，并能够选择将所述控制信号或所述手动控制信号输入至电极驱动单元。

在本发明的一个示例性实施例中，所述电极控制系统还可包括输出信号转换单元，所述输出信号转换单元对所述控制信号进行数模转换，并将转换后的信号提供至电极驱动单元。

本发明的另一目的在于提供一种能够提高电冶炉电极控制的及时性和精确度的方法。

本发明的另一方面提供了一种电冶炉电极的控制方法。所述方法包括：实时采集电冶炉的电信号，将所述电信号转化为数字值；将所述数字值与设定目标值进行比较，利用第一过程控制算法得到控制信号；电极驱动单元根据所述控制信号驱动自耗电极升高或降低，其中，所述方法包括还包括通过实时采集的自耗电极位置信息确定自耗电极的实际熔速值，并将实际熔速值与设定目标熔速值进行比较，然后利用第二过程控制算法对所述设定目标值进行调整。

在本发明的一个示例性实施例中，所述方法还可包括对所述实时采集的自耗电极位置信息进行模数转换的步骤。

在本发明的一个示例性实施例中，所述实时采集电冶炉的电信号的步骤可包括在将电信号转化为数字值之前，先将所述电信号转化为标准信号。

在本发明的一个示例性实施例中，所述方法还可包括通过手动输入的信号来驱动自耗电极升高或降低。

在本发明的一个示例性实施例中，所述方法还可包括对所述控制信号进行数模转换，然后根据转换的信号驱动自耗电极升高或降低。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：结构简单、安装操作方便、智能化程度高，能够提高电冶炉自耗电极控制的及时性和精度。

附图说明

图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的电冶炉控制系统的示意图。

图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的电冶炉控制系统的结构示意图。

具体实施方式

在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述本发明的电冶炉控制系统以及电冶炉电极的控制方法。以下术语中出现的第一、第二等除非明确说明，否则其不表示严格的顺序，通常其仅用于相互区别不同部件或单元。例如，第一数据处理单元、第二数据处理单元、第一过程控制算法和第二过程控制算法中的第一、第二并不表示顺序，而是仅用于区别这两组术语。以下通过电渣重熔炉作为本发明的电冶炉的示例，以期具体示出本发明的一个示例性实施例，然而，本发明不限于此。例如，只要需要追踪和控制自耗电极与熔池位置关系的电冶金炉均可作为本发明的控制系统和控制方法的使用目标。

图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的电冶炉(例如，电渣重熔炉)控制系统的示意图。图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的电冶炉(例如，电渣重熔炉)控制系统的结构示意图。

如图1和2所示，在本发明的一个示例性实施例中，所述电冶炉控制系统(例如，电渣重熔控制系统)可包括机械控制控制系统(未示出)、冷却控制系统(未示出)和电极控制系统。机械控制控制系统和冷却控制系统可采用电渣重熔炉的常规机械系统和冷却系统。其中，电极控制系统可包括：数据采集单元、数据处理单元和电极驱动单元。

数据采集单元能够实时采集电渣重熔炉的电信号(例如，二次电流信号和二次电压信号等)，并将其转化为数字值。例如，电信号可以为二次电流信号和二次电压信号。二次电流信号可以通过二次电流互感器得到。二次电压信号可通过变压器得到。

此外，数据采集单元可包括信号隔离变送模块和采集模块。信号隔离变送模块可以将电渣重熔炉的电信号转换为标准信号。例如，电流、电压等电信号也可以采用信号分配器(例如，mk-502h全隔离双输出信号分配器)，将原电渣炉的控制系统已经变换的标准信号变为双路互相隔离的信号；分别供本发明的电极控制系统以及电渣重熔炉的原控制系统使用。这样相当于将本发明的电极控制系统直接并联在电渣重熔炉的原控制系统上(如图1所示)，从而有利于实现对现有的电渣重熔炉进行改进。然而，本发明不限于此，也可仅通过本发明的电极控制系统接收电渣重熔炉的电信号(例如，二次电电流信号和二次电压信号)，并对电渣重熔炉的电极进行控制。例如，数据采集单元直接分别从二次电流互感器和变压器接收二次电流信号和二次电压信号。采集模块可以将标准信号转换为所述数字值，例如，进行a/d转换。例如，采集模块可以为usb采集模块，例如，可以为研华usb-4702，或usb-4704或usb-4711等。

第一数据处理单元能够接收数据采集单元所转化得到的数字值，将该数字值与设定目标值进行比较，利用第一过程控制算法(例如，pid算法)得到控制信号。这里，设定目标值可以通过重熔工艺曲线确定，也可由操作者通过经验或历史记录确定。例如，第一数据处理单元可以为触屏工控一体机。此外，本示例性实施例的电极控制系统还可包括与第一数据处理单元连接且用于输出打印的打印模块。

反馈单元可以包括用于实时采集电极位置信息的位移传感装置(例如，编码器)。此外，电极控制系统还可进一步包括反馈信号转换单元。反馈信号转换单元能够对反馈单元实时采集的电极位置信息进行模数转换，并将转换后的信号提供至第二数据处理单元。例如，反馈信号转换单元可以与数据采集单元的采集模块一体化形成。

第二数据处理单元能够根据反馈单元实时采集的电极位置信息确定电极的实际熔速值，并将实际熔速值与设定目标熔速值进行比较，然后利用第二过程控制算法(例如，比例积分微分算法，简称pid算法)对第一数据处理单元中的设定目标值进行调整。设定目标熔速值可根据正常熔炼速度或经验数据人为设定。另外，第一过程控制算法和第二过程控制算法可以相同或不同。此外，第一数据处理单元可以与第二数据处理单元一体化形成。另外，第一数据处理单元和/或第二数据处理单元还可包括能够存储和记录历史数据的存储模块。历史数据可以包括第一数据处理单元中的输入的数字值、设定的目标值和/或输出的控制信号，以及第二数据处理单元中的实际熔速值和设定目标熔速值等中的一项或多项参数在一段时间内或全部时间段的数据。

电极驱动单元能够根据所述控制信号驱动电极升高或降低。电极驱动器可以采用电机、液压等驱动方式。

此外，本示例性实施例的电极控制系统还可在上述结构之上进一步包括：信号隔离切换模块和电位器。其中，电位器可以被配置为能够设置用于驱动电极升降的手动控制信号；信号隔离切换模块可以分别将电位器和第一数据处理单元与电极驱动单元连接，并能够选择将控制信号和手动控制信号的其中一个信号输入至电极驱动单元。

此外，本示例性实施例的电极控制系统还可在上述结构之上进一步包括输出信号转换单元。这里，输出信号转换单元能够对所述控制信号进行数模转换，并将转换后的信号提供至电极驱动单元。此外，输出信号转换单元可以与数据采集单元的采集模块一体化形成。例如，输出信号转换单元的功能可通过作为采集模块的usb采集模块来实现。

另外，在本发明的另一个示例性实施例中，电极控制系统的各个单元或部件中的一个或多个可进行集成或一体化形成。

在本发明的一个示例性实施例中，电渣重熔炉电极的控制方法可通过以下步骤实现：

实时采集电渣重熔炉的电信号，将所述电信号转化为数字值。可通过信号采集单元来实现实时采集电渣重熔炉的电信号，并将所述电信号转化为数字值。例如，电信号可以为二次电流信号和二次电压信号。二次电流信号可以通过二次电流互感器得到。二次电压信号可通过变压器得到。

将所述数字值与设定目标值进行比较，利用第一过程控制算法(例如，pid算法)得到控制信号。例如，可计算所述数字值与设定目标值二者的差值与设定目标值的百分比，再通过智能pid算法得到控制信号。可通过第一数据处理单元来实现将所述数字值与设定目标值进行比较，并利用第一过程控制算法得到控制信号。这里，设定目标值可以通过重熔工艺曲线确定，也可由操作者通过经验或历史记录确定。例如，在电流实际值小于设定目标值的情况下，则通过第一数据处理单元处理后，输出控制信号至电极驱动器将电极向熔池中插入；如果电流实际值大于设定目标值，则通过第一数据处理单元处理后，输出控制信号至电极驱动器抬起电极。

随后，根据所述控制信号驱动电极升高或降低。可通过电极驱动单元来实现根据所述控制信号驱动电极升高或降低。例如，电极驱动器可以采用电机、液压等驱动方式。

所述电渣重熔炉电极的控制方法还包括：通过实时采集的电极位置信息确定电极的实际熔速值，并将实际熔速值与设定目标熔速值进行比较，然后利用第二过程控制算法(例如，pid算法)得出比较结果，并根据该结果对第一过程控制算法中的所述设定目标值进行调整。

其中，设定目标熔速值可根据正常熔炼速度或经验数据人为设定。例如，进入正常熔炼后，5分钟内电极下降10cm，以可此作为设定熔速目标值。随后，由电极位移得出的实际熔速与设定熔速目标值相比较，熔速偏差经pid算法得调整值，对第一过程控制算法中的所述设定目标值进行调整。例如，若实际熔速大，则经过第二过程控制算法处理后，降低设定目标值(例如，设定电流值)；若实际熔速小，则经过第二过程控制算法处理后，升高设定目标值(例如，设定电流值)，从而通过第二数据处理单元、反馈单元和第一数据处理单元的结合实现对电极位置的嵌套反馈循环控制，进而提高电渣重熔炉自耗电极控制的及时性和精度。

此外，在本发明的一个示例性实施例中，电渣重熔炉电极的控制方法还可包括对所述实时采集的电极位置信息进行模数转换的步骤。另外，所述实时采集电渣重熔炉的电信号的步骤可包括在将电信号转化为数字值之前，先将所述电信号转化为标准信号。此外，电渣重熔炉电极的控制方法还可包括通过手动输入的信号来驱动电极升高或降低。此外，电渣重熔炉电极的控制方法还可包括对所述控制信号进行数模转换，然后根据转换的信号驱动电极升高或降低。

综上所述，本发明的电冶炉控制系统及电冶炉电极控制方法的优点包括以下方面：

(1)结构简单，安装操作方便，投入成本低；

(2)对电渣炉自耗电极位置跟踪迅速、控制精度高；

(3)智能化程度高且使用效果好，提高了熔铸质量和生产效率。

尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。