工控機(jī)在電弧爐控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及與應(yīng)用，數(shù)字技術(shù)已經(jīng)滲透于各行業(yè)之中，特別是在一些傳統(tǒng)工業(yè)的改造與創(chuàng)新中，發(fā)揮了重要的作用。本文介紹的工控機(jī)參與自動(dòng)控制系統(tǒng)對電弧爐的控制，使控制系統(tǒng)技術(shù)含量大大提高。經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐證明，該系統(tǒng)在安全性、可靠性、靈敏度等方面大大優(yōu)于傳統(tǒng)的模擬控制方法。

1系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由一臺研華5X86/133工控機(jī)，輸入輸出電路板（D/A板，A/D板和觸發(fā)脈沖板），WB系列電流電壓傳感器，富士G11型變頻器（四臺，其中一臺備用）以及交流異步電動(dòng)機(jī)組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

本系統(tǒng)采用電氣傳動(dòng)控制電極上下運(yùn)動(dòng)。經(jīng)計(jì)算，選用功率為7.5kW的異步電機(jī)，并以此為依據(jù)選用變頻器。本系統(tǒng)選用富士G11型變頻器，其特點(diǎn)是：不需要正負(fù)轉(zhuǎn)換信號，僅根據(jù)給定頻率控制輸出電壓的大小和極性即可控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向。

由于電極的電弧電流太大（約為25kA），所以傳感器從電流互感器進(jìn)行采樣。因?yàn)锳/D轉(zhuǎn)換卡的輸入信號為電壓型，故我們選用電磁隔離、感應(yīng)式的WBI412as1Q型電流—電壓傳感器。而對于電弧電壓（一般為250V左右），則不需要中間環(huán)節(jié)，直接選用電磁隔離、感應(yīng)式的WBV414asQ型電壓－電壓傳感器即可。

為了易于控制與維護(hù)，電極的每一相都為一套獨(dú)立設(shè)備（包括傳感器，變頻器，電機(jī)和印刷線路板），為此在控制軟件的設(shè)計(jì)中采用分相進(jìn)行獨(dú)立控制的原則。此外，額定電流的設(shè)定和電源模塊的供電所需要的0～12V電源，可通過小型變壓器和WY1?7812，WY2?7912等組成的電路來實(shí)現(xiàn)，此處不一一詳述。

2硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的控制原理如圖2所示。

本系統(tǒng)選用研華公司開發(fā)的PCL?730型A/D轉(zhuǎn)換卡，此卡提供32路DIO（DigitalInputOutput）通道，其中包括16路輸入和16路輸出。每路都帶有光耦隔離，用于提高系統(tǒng)的抗干擾能力。選用分辨率為12位的PCL?728型D/A轉(zhuǎn)換卡作為輸出卡，此板卡具有2個(gè)通道，其輸出電壓范圍可利用板卡的跳線設(shè)定到－10V～＋10V之間，便可直接控制變頻器。在上述系統(tǒng)中，選用分辨率為12位的PCL?813型A/D轉(zhuǎn)換卡，它可以提供32路模擬輸入量，故僅需一塊便可實(shí)現(xiàn)電弧電流、電弧電壓和電流設(shè)定值等的模數(shù)轉(zhuǎn)換。

圖1系統(tǒng)組成框圖

圖2控制系統(tǒng)框圖

圖3模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)切換

圖4變頻器及相關(guān)電路

圖5變頻器開關(guān)

本系統(tǒng)分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作狀態(tài)，其中自動(dòng)工作狀態(tài)又分為模擬狀態(tài)和數(shù)字狀態(tài)。在自動(dòng)工作狀態(tài)時(shí)，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)，可使繼電器觸點(diǎn)選擇模擬通路或數(shù)字通路（其中數(shù)字通路一般接常閉觸點(diǎn)），切換結(jié)構(gòu)如圖3所示。手動(dòng)工作狀態(tài)下，電路實(shí)現(xiàn)較為簡單，它不經(jīng)過中間電路和信號處理過程便可直接驅(qū)動(dòng)變頻器。所以它的優(yōu)先級較高，故適用于在緊急情況下的應(yīng)急操作，其與自動(dòng)狀態(tài)下的切換如圖4所示。

富士變頻器端子12為設(shè)定電壓輸入端，端子11為模擬信號公共端，F(xiàn)WD為運(yùn)行/停止命令端，CM為接點(diǎn)輸入公共端。因?yàn)椴荒懿捎弥苯咏油ㄅc斷開主電路電源的方法來操作變頻器的運(yùn)行與停止。采用圖5所示的電路，在保持主電路接通的情況下，只需按按鈕開關(guān)SB，使交流接觸器線包帶電，吸合KM?1使指示燈亮，KM?2給變頻器送電（見圖4）。

此類變頻器通過鍵盤，面板操作體系（畫面轉(zhuǎn)換層次結(jié)構(gòu)）來設(shè)定，監(jiān)控，查詢。操作者通過LCD監(jiān)視器與操作鍵來設(shè)定自己所需確定的參數(shù)，如最高頻率，額定電壓，加速時(shí)間，轉(zhuǎn)矩特征等。在運(yùn)行過程中選擇自己所關(guān)心的數(shù)據(jù)（如輸出電壓）作為實(shí)時(shí)監(jiān)控對象。設(shè)計(jì)者還可根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際要求設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)闹苿?dòng)電阻，處理報(bào)警輸出信號及抗干擾措施等等。

3軟件設(shè)計(jì)

電弧爐控制系統(tǒng)的軟件是根據(jù)各個(gè)爐子的實(shí)際情況而開發(fā)的。在本工程中系統(tǒng)軟件由界面模塊，運(yùn)算模塊和打印模塊三大部分組成。其中界面程序提供了一個(gè)人機(jī)對話窗口，操作者可以清楚地了解到電爐目前的各個(gè)參數(shù)，從外部輸入的模擬量的數(shù)字化值的大小（如檔位電壓）。另外，外部參數(shù)的修訂也都是利用人機(jī)界面從鍵盤輸入實(shí)現(xiàn)的。本系統(tǒng)的界面是用BORLANDC和匯編語言編制而成，在編制過程中力求達(dá)到美觀、直觀、易操作的目的。

輸入輸出采集運(yùn)算是本系統(tǒng)的核心部分，在沿襲前輩工作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過跳線和小型轉(zhuǎn)換開關(guān)，選擇出適合于系統(tǒng)的輸入輸出通道與形式（PCL為高集成板，提供了多種功能選擇，如可以電壓形式輸出，也可以電流形式輸出等）。在控制運(yùn)算過程中根據(jù)電弧爐的點(diǎn)弧期，熔化期，精煉期以及鋼水出爐前弧流弧壓的不同狀況，在控制子程序的算法實(shí)施上應(yīng)有所區(qū)別，其程序流程圖如圖6所示。在控制過程中充分利用了G11變頻器電壓速率的特點(diǎn)（如圖7所示），降低了硬件的設(shè)計(jì)復(fù)雜度。電流設(shè)定值和電壓設(shè)定值的確定，根據(jù)外部電路所能提供的電源電壓而選擇不同的轉(zhuǎn)換算法。軟件中僅僅考慮采集與轉(zhuǎn)換是不夠的，本系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)處理采用的是PID控制算法。控制方式上，模擬系統(tǒng)通過硬件電路來實(shí)現(xiàn)，而軟件設(shè)計(jì)則是通過PID算法來完成的。為了保證冶煉的溫度恒定，又要電極的運(yùn)動(dòng)不會(huì)出現(xiàn)太大波動(dòng)，就在控制系統(tǒng)中增設(shè)給定積分環(huán)節(jié)。對電路的參數(shù)設(shè)定可借鑒模擬調(diào)節(jié)器的參數(shù)，衰減曲線法等，取得良好的比例積分（PI）控制參數(shù)。

圖6運(yùn)行程序流程圖

圖7速度—電壓曲線

圖8電流曲線及功率曲線

(a)電流曲線(b)功率曲線

由于PC機(jī)的介入，控制軟件中也應(yīng)該考慮到數(shù)據(jù)的記錄與保存問題，尤其一些重要參數(shù)，功率曲線，電流曲線及電壓曲線都應(yīng)打印出來，以對日后的故障診斷、維修以及設(shè)備的改進(jìn)提供一手資料。

另外，對于所涉及的參數(shù)預(yù)先進(jìn)行估計(jì)與計(jì)算，定出其最大值，以確保取得或處理后的數(shù)據(jù)在其值域內(nèi)，不會(huì)溢出。既保證結(jié)果的合理與執(zhí)行的可靠性，又避免了數(shù)據(jù)的跳躍，引起元件壽命縮短與機(jī)械損傷。

4現(xiàn)場抗干擾設(shè)計(jì)及運(yùn)行結(jié)果

冶煉爐工作環(huán)境一般較為惡劣，干擾比較嚴(yán)重，針對現(xiàn)場存在的問題，采取了以下措施：

（1）由于鋼廠電壓偏高（有時(shí)控制電壓達(dá)270V

左右，子夜更高），為此，工控機(jī)電源必須加穩(wěn)壓器，以保證工控機(jī)正常工作；

（2）電弧爐在冶煉過程中產(chǎn)生極強(qiáng)電磁場，電磁

干擾嚴(yán)重影響了控制線路的精度，故變頻器和工控機(jī)的輸入輸出線路全采用屏蔽線，顯示器選液晶型的（電子槍式顯示屏?xí)诖艌鲋惺艿礁蓴_，使畫面扭曲，無法正常工作）；

（3）變頻器、工控機(jī)電源地線與固定零線短接；

（4）現(xiàn)場空氣中含有大量金屬粉塵，對于易受污

染的電器設(shè)備進(jìn)行密封，并定期用皮老虎進(jìn)行除塵。

采用以上措施，干擾基本排除，圖8(a)是冶煉期得到的電流曲線圖，圖8(b)為功率曲線圖，其中0～t1為點(diǎn)弧初期，t1～t2為熔化期，t2～t3為精練期。

5結(jié)語

本系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試期的試運(yùn)行，以其操作簡便，電極起落平穩(wěn)，電流穩(wěn)定，節(jié)約電能，操作簡便，較模擬系統(tǒng)有較大的優(yōu)越性，而得到工廠各部門的好評，該控制系統(tǒng)可在此行業(yè)中進(jìn)一步推廣使用。