五礦（湖南）鐵合金有限責任公司103#矽錳合金冶煉爐優化控制系統方案
設計說明
書中南大學資訊科學與工程學院
二○一○ 年三月
一、 開發背景
五礦（湖南）鐵合金集團****103#10000kva礦熱爐主要用於熔煉矽錳合金和碳錳合金，整個生產系統由爐體、供電變壓器及保護系統、配加料系統、電極捲揚公升降控制系統、電極壓放子系統和爐體水冷系統等組成。目前，配加料子系統採用了計算機自動控制；電極壓放子系統依靠人工憑經驗綜合考慮爐況、二次電壓、一次電流、熔煉時間等因素，輸入控制訊號給plc，由plc來完成電極的定長壓放；電極公升降是依靠人工憑經驗綜合考慮二次電壓、一次電流及爐蓋溫度等因素進行調節；供電變壓器二次側電壓等級靠人工根據爐況和電壓、電流、功率等因素憑經驗進行調整。這種靠人工憑經驗來控制冶煉過程的方法難以保證礦熱爐穩定持續地工作在最佳工作範圍內，調節過程相對滯後、工人操作強度大、工作效率低，容易出現電極燒結不好、耗電量大、爐況不穩定等問題，難以保證產品的產量和質量。
二、 設計要求
針對五礦（湖南）鐵合金集團****103#礦熱爐熔煉過程控制自動水平低下帶來的各種問題，通過現場調研和與工藝技術人員交流溝通，結合生產的實際需要，搭建103#礦熱爐優化控制系統，以達到如下目標：
1．通過建立電極位置模型，**檢測電極的公升降量和壓放量，實現電極自動公升降和自動壓放；並通過採用合理的演算法，計算電極長度及其位置，控制電極處於最優位置區域內，使三相有功功率平衡度在原有基礎上提高2-3%，提高功率因數。
2．通過建立實時資料庫，實時採集熔煉過程資料，實現整個礦熱爐控制系統的執行監視、事故報警與記錄、統計分析和報表列印、日常生產管理以及安全管理等功能，並實現變壓器的繼電保護。
3．通過對礦熱爐供電網電能質量**檢測與監視，實時監測電極公升降壓放等操作和供電電流電壓、功率因數的對應狀態，分析三相不平衡、無功損耗及其對用電裝置的影響，分析諧波損耗及其波形畸變用電裝置的影響，使電能質量各項指標的監測精度達到2%以上。
4．在保證產品質量的前提下，根據用電制度和造渣制度，綜合考慮原料成分和品位、產品成分、礦熱爐裝置引數、熔煉過程狀態引數等因數的影響，建立生產過程優化控制模型，優化供電電壓等級及電極插入深度，提高穩定執行率5%以上。
三、 設計方案
3.1系統總體結構
五礦（湖南）鐵合金集團****103#礦熱爐優化控制系統由電極位置自動控制子系統、生產過程引數集中監視子系統、生產裝置故障監測與預警子系統、生產過程優化控制子系統、電能質量**檢測與綜合分析子系統五部分組成，系統的整體結構如圖1所示。
圖1 103#礦熱爐優化控制系統總體結構
3.2 系統功能介紹
3.2.1 電極位置自動控制子系統
電極位置自動控制包括電極位置檢測和電極位置控制兩大部分。電極位置檢測的目的是建立電極位置模型，通過**檢測電極的公升降量和壓放量，計算電極長度及其位置。電極位置檢測和長度的計算採用間接測量法求得，電極位置模型為
電極長度模型為：
式中，為電極的初始位置；
為實測電極公升降量；
為電極的壓放量；
為電極的正常損耗量；
為電極異常損耗量；
為電極的長度；
為電極的初始長度。
由絕對式光電編碼器檢測得到；
由次數*固定壓放量統計得到；
由爐料消耗量、生產過程狀態引數、產量等推斷可得到乙個較準確的消耗速率（此速率可以根據路況不同更改），累積超過30mm提示壓放。
可由手動輸入估計的異常消耗量，超過30mm提示壓放。
電極位置控制的主要包括電極公升降控制和電極的壓放控制。電極公升降控制的目標是保持電極插入位置最佳，實現三相熔池有功功率平衡、有功功率大、功率因數高、線路電流小，保持較好的爐況。電極壓放控制的目標是通過壓放電極來補充電極的消耗量，以保持電極工作端的長度最佳。
1． 電極公升降控制
礦熱爐冶煉過程中，由於工況複雜，干擾較多，三相電極的最優位置會實時改變。為使電極穩定工作於最優位置區域內，可通過公升降電極來實現三相熔池有功功率平衡、有功功率大、功率因數高、線路電流小，並維持最佳的爐況。電極公升降控制分為手動控制和自動控制兩種方式，自動公升降控制系統結構如圖2所示。
圖2 電極自動公升降系統系統結構圖
但由於礦熱爐冶煉過程複雜，在冶煉過程中可能會出現一些特殊情況。為了能應對礦熱爐冶煉過程中可能出現的各種情況，設定不同的電極調節方法：
◆ 爐況正常時，採用最優位置控制
此時控制訊號由電極目前所處位置、最優插入深度和控制演算法求得。最優電極位置可由人工憑經驗來設定，也可通過對大量歷史資料（如電壓、電流、有功功率、功率因數、爐氣成分、爐膛溫度等）分析，綜合專家經驗知識，經建模和優化計算得到。電極最優位置穩定控制結構如圖3所示，
圖3 電極最優位置穩定控制結構圖
其中為電極設定的最優公升降量，為電極實際公升降量。控制器根據實際公升降量與電極設定最優公升降量差值的大小來給定頻率和公升降時間，當差值較大時採用較高速度公升降電極；當差值較小或爐況不穩定時，採用較低速度公升降電極。
◆ 當電流下降或上公升幅度過大時，採用恆電流控制
此時控制訊號由一次側電流決定，以便使電路中的電流快速地恢復到正常工作範圍之內。
◆ 不可抬公升電極的情況處理
出鐵時，為防止出現塌料，出鐵口附近的電極不能上抬；電極出現異常時，如中間凹陷，則一般不能抬公升。
◆ 故障情況下電極的處理
當礦熱爐自動控制系統出現故障時，系統給出相關狀態資訊並報警，提示操作人員切換到手動控制，以保證礦熱爐的正常生產。
2． 電極壓放控制
由於矽錳合金冶煉是連續進行的，隨著冶煉過程的進行，電極會不斷消耗，電極的工作端逐漸變短，其插入位置不斷上移。為確保礦熱熔煉爐處於最佳的熔煉狀態，電極的插入位置必須要在適宜的範圍內，因此，需要對電極的消耗不斷進行補充。電極壓放控制系統的主要功能是通過壓放電極來補充電極的消耗量，從而調整電極的插入位置。
電極壓放控制系統原理如圖4所示。
圖4 電極壓放控制系統原理圖
為確保放系統能可靠工作，根據生產的需要，設定了三種不同的壓放方式：自動壓放、手動壓放和現場壓放，具體的控制方式描述如下。
（1）自動壓放
自動壓放在電爐操作室內完成，這也是系統的主要執行方式。相關檢測與控制訊號與plc相連，由與plc相連的上位機據諧波檢測儀的分析結果及爐況最優化控制演算法輸出控制訊號，經plc根據相應狀態檢測訊號自動控制相應電磁閥的起停，從而完成電極壓放各環節之間的協調動作，實現電極自動定長壓放。
決定電極是否壓放的因素包括二次側電壓、一次電流、有功功率、功率因素、及爐況、爐蓋溫度等。如二次側電壓過高、二次電流過小或爐蓋溫度過高時則需要進行壓放。系統三相功率不均衡或功率因素過低時，綜合考慮電極公升降來作適當的壓放操作。
自動壓放控制的思想如圖5所示。
圖5 自動壓放系統結構
電極自動壓放的具體工作流程為：工業控制計算機獲取諧波檢測儀分析所得的電爐一次側電流、電壓、有功功率、功率因素等訊號及plc採集得到的爐況、爐蓋溫度、液壓系統狀態等訊號，結合當前各項電極位置，據最優化控制演算法，判斷各相電極是否需要壓放並輸出相應電極位置控制訊號 —— plc獲取控制訊號，開始壓放相應電極 —— 輸出「上閘松」訊號 —— 對上閘液壓壓力繼電器進行取樣，直至其反饋狀態為「松」，輸出「立缸公升」訊號 —— 對「立缸上限」行程開關進行取樣，直至其被觸發，輸出「上閘緊」訊號 ——對上閘液壓壓力繼電器進行取樣，直至其反饋狀態為「緊」，輸出「下閘松」訊號 —— 對下閘液壓壓力繼電器進行取樣，直至其反饋狀態為「松」，輸出「銅瓦松」訊號 —— 對銅瓦液壓壓力感測器進行取樣，直至其壓力下降至2.5mpa（待確定），輸出「立缸降」訊號 ——對「壓放量」通道進行取樣，直至壓放量達到規定值，輸出「下閘緊」訊號 ——對下閘液壓壓力繼電器進行取樣，直至其反饋狀態為「緊」，輸出「銅瓦緊」訊號 —— 對銅瓦液壓壓力感測器進行取樣，直至其壓力上公升至4 mpa。
至此，一次壓放過程結束。期間，若在設定時間內任一路壓力繼電器或行程開關未能達到期望狀態，則停止壓放過程並輸出相應報警訊號。
（2）手動壓放
手動壓放在電爐操作室內完成。當上位機出現故障或系統中元器件出現故障，不能進行自動壓放時，為確保礦熱爐生產系統的正常工作，需要人工控制plc進行電極壓放。在該方式下，由操作人員通過操作面板上的相應切換開關及按鈕，將控制訊號輸入plc，再由plc完成電極的壓放。
手動壓放的思想如圖6所示
圖6 電極壓放控制系統手動壓放系統結構圖
其具體操作流程為：各切換開關至0° —— 執行方式選擇「手動壓放」 —— 按下「試燈」按鈕，若所有狀態指示燈均正常亮起，繼續操作 —— 選相（左45°：a相; 右45°b相； 右90°：
c相）—— 上閘松（右45°，等待「上閘松」訊號燈亮）—— 立缸公升（右45°，等待「立缸上限」訊號燈亮） —— 上閘緊（0°，等待「上閘緊」訊號燈亮）—— 下閘」松（右45°，等待「下閘松」訊號燈亮） —— 銅瓦松（右45°，等待「銅瓦松」訊號燈亮） —— 立缸降（左45°，等待「立缸下限」訊號燈亮） —— 下閘緊（0°，等待「下閘緊」訊號燈亮）—— 銅瓦緊（0°，等待「銅瓦緊」訊號燈亮） —— 立缸手柄回0° —— 選相開關回0°。至此，一次壓放操作完成。若操作過程中，某訊號燈在較長時間內沒達到期望狀態，則應立即停止壓放操作並檢查系統，查詢故障。
注：做完每次壓放後，所有切換開關需要還原至0°，每次壓放之前亦須確保各切換開關均處在0°位置。
（3）現場壓放
現場壓放在液壓站內進行。用於當plc壓放系統出現故障無法工作或特殊情況下需要觀察電極情況進行操作時使用。由於操作過程中可以直接看到電極的公升降及上下抱閘和立缸的工作情況，建議使用現場壓放完成倒拔電極過程。
在該方式下，由有經驗的操作人員直接觀察液壓站內的油壓表讀數及電極情況，控制與電磁閥直接相連的切換開關，完成電極壓放的相應操作。該過程不需要plc或工業控制計算機的參與。根據實際需要，現場壓放分壓放和倒拔兩個過程，具體操作方法如下：
壓放過程：執行方式選擇「現場壓放」 —— 選相 —— 上閘松（右45°，上閘進油壓力指示上公升至4mpa）—— 立缸公升（右45°，觀察立缸上公升距離至所要求值，要求不能達到最高位）—— 立缸手柄回「0」位（垂直位置）—— 上閘緊（0°，上閘進油壓力指示降至0mpa）—— 下閘松（右45°，下閘進油壓力指示上公升至4mpa）—— 銅瓦松（銅瓦進油壓力指示降至2.5mpa）—— 立缸降（左45°，觀察立缸下降距離至所要求值，要求至最低位）—— 立缸手柄回「0」位—— 下閘緊（0°，下閘進油壓力指示降至0mpa）—— 銅瓦緊（銅瓦進油壓力指示上公升至4.
5mpa），壓放完成。
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