毕业设计（论文）PLC电弧炉控制系统总体设计

1、摘要 电弧炉炼钢是靠电极和炉料间放电产生的电弧，使电能在弧光中转变为热能， 并借助辐射和电弧的直接作用加热并熔化金属和炉渣，是冶炼某些特殊金属及合金 必须使用的炼钢方法。 论文以 40 吨电弧炉计算机控制系统为背景，在查阅了大量国内外相关文献的基 础上，综述了电弧炉控制技术的发展历程、研究现状及今后的发展趋势。根据电弧 炉熔炼工艺对控制系统的控制要求，给出了控制系统总体设计方案，对电弧炉计算 机控制系统的硬件系统配置作了详细的说明。在电极调节器控制方案设计的基础上 给出了实用的控制算法的实现方法，应用日本欧姆龙系列编程软件编写了整个控制 系统控制软件，包括电极调节控制单元、液压站控制单元、真空

2、开关合、分闸控制 单元、变压器调压换档控制单元和其它逻辑控制单元。 关键词关键词：电弧炉，电极调节，计算机控制，plc abstract the steel-making of electric arc furnace transfers the electricity to heat by the arc between electrode and charging. the arc and its radiation melt the metals along with slag, it is the essential way to produce the special steel a

3、nd alloy. the thesis is based on the 40-ton electric arc furnace computer distributed control system of the second steel-making plant. the summaries of the historic, present state and perspective trend of control techniques of electric arc furnace are based on consulting a great deal of documentatio

4、n. according to the control demands of the system, the systems solving scheme is presented. the thesis thoroughly describes the hardware configuration of the computer distributed control system of electric arc furnace. based on the design of the electrodes position control algorithm, the realization

5、 method of control algorithm is proposed. the control software is designed with the omron series programming language produced by siemens company, including electrodes position control unit, hydraulics control unit, vacuum switch on/off control unit, changing the level of transformer control unit, o

6、xygen gun movement control unit and other logical control units. key words: electric arc furnace, electrode regulator, computer control.，plc 第一章第一章 概述概述.5 1.1 引言：.5 1.2 电弧炉系统.5 1.2.1 电弧炉炼钢发展概况.5 1.2.2 电弧炉炼钢的特点.6 1.2.3 电弧炉炼钢计算机控制发展概况.7 1.3 电弧炉炼钢设备概括.7 1.3.1 电弧炉炼钢的机械设备.8 1.3.2 电弧炉炼钢的电气设备.9 1.4 电弧炉炼钢过程

7、及工艺简介.11 1.4.1 电弧炉炼钢过程.11 1.4.2 电弧炉炼钢工艺简述.12 1.4.3 电弧炉工艺对控制系统的要求.13 1.4.4 电弧炉炼钢工艺对电极调节器的要求.13 1.5 本论文所做的工作.14 第二章第二章 电弧炉控制系统电弧炉控制系统.15 2.1 电极升降自动控制系统.15 2.2 液压、水冷、气动控制系统.16 2.2.1 液压控制系统.16 2.2.2 水冷控制系统.17 2.2.3 气动控制系统.18 2.3 plc 控制系统.18 2.3.1 计算机在电弧炼钢中的应用.18 2.3.2 电弧炉 plc 控制系统的构成 .20 2.3.3 电弧炉 plc 控

8、制系统的功能 .20 第三章第三章 电弧炉电极控制的建模电弧炉电极控制的建模.22 3.1 电极系统电气部分建模.22 3.1.1 单向电极的建模.22 3.1.2 三相电极的建模.24 3.2 电极工作原理及性能要求.27 3.2.1 工作原理.27 3.2.2 性能要求.28 3.3 传动系统的建模.29 第四章第四章 电弧炉控制系统的软硬件设计电弧炉控制系统的软硬件设计.31 4.1 变压器保护.31 4.2 液压站控制.33 4.3 炉体操作.38 4.4 水冷系统.43 4.5 事故报警.45 4.6 上料系统.46 4.7 电弧炉控制系统程序的检查和编译.49 结束语结束语.52

9、参考文献参考文献.53 致谢致谢.54 第一章第一章 概述概述 1.1 引言：引言： 钢包精炼炉，是用来对初炼炉（电弧炉、平炉、转炉）所熔钢水进行精炼， 并且能调节钢水温度，工艺缓冲，满足连铸、连轧的重要冶金设备。近年来， 钢包精炼炉由于具有投资少、功能强的特点，在炼钢厂占据越来越重要的地位，对 钢包精炼炉的自动控制技术既提供了机遇，又提出了挑战。目前世界上电炉钢产量 95%以上都是由交流电弧炉生产的，已成为主要的炼钢方法之一，电弧炉是利用电弧 的能量来熔炼金属的一种电炉，分为直流电弧炉和交流电弧炉两种。电弧炉控制系 统包括基础自动化和过程自动化。它是一个多变量、非线性、强藕合、时变、工作 环

10、境恶劣及随机干扰性较强的系统，各种参数的多变使得系统电极位置、电弧长度、 电弧电流/电压、系统功率及功率因数 cos 中很难保持在最佳状态下运行，也一直 阻碍着电弧炉过程控制技术的进一步发展。随着电力工业的进步，大型超高功率电 炉技术的发展以及炉外精炼技术的采用，使电弧炉炼钢技术有了很大的进步。高产、 优质、多品种、节能降耗达到降低成本，以获得最大利润一直是钢铁工业在竞争中 获得生存和发展的目标。但传统的以数学模型为基础的经典控制框架显然已不能适 应这一要求。随着信息技术和计算机技术的相结合，一种以人工智能、控制理论和 计算机科学为基础的新型控制技术一智能控制的出现，为控制领域解决传统难题带

11、来了新的生机，以实现过程控制的自动化。 1.2 电弧炉系统电弧炉系统 1.2.1 电弧炉炼钢发展概况电弧炉炼钢发展概况 近现代炼钢方法主要有转炉炼钢法，平炉炼钢法和电炉炼钢法。平炉炼钢法基 本被淘汰，电炉炼钢法与转炉炼钢最基本的差别在于，电炉炼钢是以电能作为热源， 而电弧炉炼钢是应用最为普遍的电炉炼钢方法。电弧炉炼钢是靠电极和炉料间放点 产生的电弧，使电能在弧光中转变为热能，并借助辐射和电弧的直接作用加热加热 并融化金属和炉渣，冶炼出各种成分的钢和合金的一种冶炼方法1。 电弧炉炼钢技术发展至今已有近 100 年的历史。虽然始终面临着其他炼钢方法 的挑战和竞争，特别是高效率的氧气转炉炼钢的冲击，

12、但是电弧炉钢产量在世界钢 总产量的比例仍然逐年上升。而经过电弧炉炼钢本体技术的不断完善，相关技术的 不断涌现并不断充实到电弧炉炼钢工艺流程中，以及吸取其他炼钢方法的重要功能 使电弧炉炼钢对原料适应性的不断增强，电弧炉炼钢以飞快的速度发展并成为 21 世 纪钢的生产技术的主流。19 世纪中叶以后，各种大规模实现电热转换的冶炼装置 陆续出现：1879 年西门子（william siemens）首先进行了使用电能熔化钢铁炉料 的研究，1889 年出现了普通感应炼钢炉，1900 年法国人赫洛尔特（paul heroult）设计的第一台炼钢电弧炉投入生产。从此，电弧炉炼钢在近一百年中得到 了长足的发展，

13、已成为最重要的炼钢方法之一。20 世纪以来世界总钢产量、电炉钢 产量和电炉钢所占百分比（表 1.1,1.2）的变化可以看出2： （1）五十年代前电炉钢占百分比很低，是一类特殊的炼钢方法。 （2）五十年代以后，电炉钢得到迅速发展，19501990 年间世界电炉钢总产量 增长近17 倍。电炉钢所占百分比也由6.5增至27.5。 （3）九十年代以来，世界电炉钢保持高速发展，19901998 年间世界电炉钢年 产量增加5123 万吨，电炉钢占百分比增长至33.9。 电弧炉炼钢发展过程中，经历了普通功率电弧炉高功率电弧炉超高功率电 弧炉。其冶金功能也发生了革命性的变化，其功能由传统的“三期操作”发展为只

14、 提供初炼钢水的“二期操作”。 表1.1 世界历年来电炉钢占钢总产量的比例 年代1920 193019401950196019701980199020002010 电炉 钢量 比% 1.22.02.36.99.713.822.027.433.538.5 表 1.2 我国历年来电炉钢占钢总产量的比例 年代1950 196019701980198519881993200020052010 电炉 钢量 比% 12.3817.1522.1719.121.1520.0521.822.528.433.5 1.2.2 电弧炉炼钢的特点电弧炉炼钢的特点 电弧炉炼钢是以电能为热源，利用电极与炉料间生产的电弧高温

15、来加热和熔化 炉料。因此电弧炉炼钢有以下一系列的优点3： (1)电能为热源，避免燃烧燃料对钢液污染，热效率高，可达65%以上； (2)冶炼熔池温度高且容易控制，满足冶炼不同钢种的要求； (3)电热转换，输入熔池的功率容易调节，因而容易实现熔池加热制度自动化， 操作方便； (4) 电弧炉炼钢可以消纳废钢，是一种铁资源回收再利用过程，也是一种处理 污染的环保技术 。相当于是钢铁工业和社会废钢的回收工具。由于钢铁良好的可再 生性及环境、资源和能源等方面日益苛刻的要求，使得尽可能多的利用废钢成为国 际趋势。废钢如得不到有效的回收和利用，将成为巨大的潜在环境污染源，有些甚 至可能对水质、土壤等构成严重威

16、胁。大量锈蚀的钢铁废料，不但造成资源的浪费， 也将造成严重的粉尘污染。废钢的堆积本身也给环境带来不利影响。 (5)炼钢过程的烟气污染和噪声污染容易控制； (6)设备简单，炼钢流程短，占地少，投资省、建厂快，生产灵活。钢铁工业产 生的大量固体钢制品若不认真对待，将是巨大的潜在环境污染源，有些甚至可能对 水质、土壤等构成严重威胁。当今钢铁生产可分为“从矿石到钢材” 和“从废钢到 钢材” 两大流程。相对于钢铁联合企业中以高炉转炉炼钢为代表的常规流程而言， 以废钢为主要原料的电弧炉炼钢生产线具有工序少、投资低和建设周期短的特点， 因而被称为短流程。近年来，短流程更特指那些电弧炉炼钢与连铸连轧相结合的

17、紧凑式生产流程。由最近的统计将两种流程作一比较(表1.3)，可见在投资、效率和 环保等方面, 以电弧炉为代表的短流程炼钢具有明显的优越性。 表1.3 高炉转炉炼钢和电弧炉炼钢两大流程的比较 类别 高炉-转炉流程 电弧炉流程 投资，美元/吨钢 1000-1500 500-800 从原料到钢水的能耗，标煤/吨钢 703.17 213.73 从原料到到成品材的运输力需求，吨/吨钢 15.8 9.48 二氧化碳排放，公斤/吨钢 2000-3000 800 但是，电炉炼钢也有其不可避免的缺陷，如电弧是点热源，炉内的温度分布的 不均匀，各部分的温差比较大；炉气或水分，在电弧的作用下，能电解出大量的 h、n

18、，从而使钢中的气体含量增高。 1.2.3 电弧炉炼钢计算机控制发展概况电弧炉炼钢计算机控制发展概况 随着计算机技术、微电子技术和检测技术的飞速发展，以计算机为核心的自动 化技术已成为电炉钢厂的重要生产工具，其应用程度从只能完成比较简单的熔炼控 制和电极升降控制，到对整个炼钢厂的控制和管理。应用计算机控制的目的是为了 提高生产率，改善劳动条件，降低冶炼电耗和操作成本，提高钢的质量，实现电炉 生产的综合自动化和生产过程的最优化。在发达国家的电炉生产中，计算机的应用 己相当普及，并已研制出系列化的硬、软件系统，如danieli公司的process control system, abb公司的mast

19、er melter system, krupp公司的geisweid model, mannesmann demag公司的process control system, proces公司的production management system等。我国炼钢用计算机控制起步不久，z作尚薄弱，但已取得一 定的效果。 由于炼钢技术上的复杂性，首先工艺上对计算机控制系统有一严格的时序要求。 其次是它的整个生产工艺上过程计算机管理，使物料的走向趋于合理，各种配比要 求达到经济、合理，全过程控制要达到它的鲁棒性、最优化、同时要在系统控制中 采用人工智能、专家系统、模糊控制等多种现代化的控制手段。 1.3

20、电弧炉炼钢设备概括电弧炉炼钢设备概括 1.3.1 电弧炉炼钢的机械设备电弧炉炼钢的机械设备 电弧炉的构造主要由炼钢工艺决定，同时与电弧炉的容量大小、装料方式、传 动方式等有关4。电弧炉的基本结构如图1.1。 图1.1 炼钢电弧炉示意图 1-倾炉用液压缸；2-倾炉摇架；3-炉门；4-熔池；5-炉盖；6-电极；7-电极夹 持器；8-炉体；9-电弧；10-出钢槽。 电弧炉的主要机械设备由炉体、电极夹持器、电极升降装置、炉体倾动装置、 炉盖提升、旋转装置和炉顶装料系统等以及液压系统、水冷系统、气动系统等辅助 系统组成。 炉体:是电弧炉的主要装置，用来熔化炉料和进行各种冶金反应。电弧炉的炉体 由金属构件

21、和耐火材料砌筑成的炉衬两部分组成。电弧炉的金属构件包括炉壳、炉 门、出钢槽、炉盖圈和电极密封圈。炉壳由钢板焊成，上部有加固圈。炉门可以用 来观测炉内情况及进行扒渣等操作，炉盖的上方一有三个呈正三角形不知的电极孔， 在孔与电极之间设有电极密封圈。炉壳的上部、炉盖和电极密封圈都通水冷却，炉 壳内部、炉盖及出钢槽内部都是用耐火砖砌成的。 电极夹持器及电极升降装置:电极夹持器可以用来夹紧和放松电极，还可以把电 流传送到电极上。在熔炼过程中，由于炉料不断熔化，不同的熔炼阶段要求给出不 同的电能。同时，电极自身的长度也会存在自消耗。因此，需要随时升降电极以调 整电弧的长度。电极通过电极夹持器固定在电极升降

22、装置上。电极升降装置由导电 横臂、立柱和传动装置组成。导电横臂由铜钢复合板制成，作为支持用的机械结果 部分，用来固定电极夹头。立柱和导电横臂连接成“”形支架，一起在固定的框 架内升降，框架固定在炉体的摇架上，框架内装有滚轮，立柱沿滚轮升降。电极夹 头、导电横臂都是内部通水冷却。传动方一式为液压传动。电极升降机构包括电极 升降液压缸、电极升降立柱、电极喷林环、夹头喷吹等部分。 炉体倾动装置:为底倾机构，传动形式为液压传动。炉子装在专门的摇架上，摇 架两侧的扇形板支撑在底座上，倾动时摇架的扇形板沿底座摆动，出钢槽末端的运 动轨迹为摆线。倾动时工作液进入液压缸，使液压活塞杆推动摇架，摇架沿水平底 座

23、滚动，带动炉体倾动，为防止摇架和水平底座发生相对滑动，在它们的整个接触 面上，分别加工上导钉孔和导钉。倾炉机构包括倾动摇架、倾动轨道、倾动液压缸、 水平支撑机构与炉盖旋转轴承和旋转锁定等。倾动摇架下部为弧形结构，在轨道平 面上进行滚动，定位准确、可靠。两个活塞式倾动炉液压缸下支座固定在水泥基础 上。上支座固定在摇架平台的底部。倾动油路上安装有液压锁，以保证炉子在任何 倾动位置失压时，停止不动。水平支撑状态，不得向出渣侧倾动。 炉盖提升及旋转装置:该机构包括炉盖旋转架、炉盖提升缸、提升连杆机构、炉 盖旋转机构及锁定机构等。旋转架通过旋转轴承连接在倾动摇架平台上。当固定在 平台上的液压缸活塞杆伸出

24、时，可使炉盖旋开。液压缸活塞杆缩回时，炉盖即可复 位。旋转架伸出臂下通水冷却，以防止高温变形。 液压系统:液压系统包括液压源、控制阀门、蓄液箱、蓄能器等。液压源有三台 恒压变量泵并配备一定数量的蓄能器。以保证事故状态的应急操作。电极升降采用 比例阀，以保证在穿井塌料时电极能快速提升，防止电极碰断和提高灵敏度。炉体 倾动采用比例阀，使倾动速度在0-3/s之间随意控制，以满足出钢和快速回倾的要求。 炉盖旋转采用比例阀控制，以保证在旋转过程平稳、快速。 水冷系统:为了延长电弧炉的使用寿命以及改善炉前操作条件，电弧炉的许多部 位通水冷却，如前所述的炉盖、炉壳等、水冷系统主要包括三部分:水冷炉壁、水冷

25、炉盖和水冷导电横臂、炉体为双层结构，中间为水冷夹层，炉壁匕有入水口和出水 口，冷却水不断从夹层中流过，使炉壁冷却。冷却水的进口压力要求一般在1.45个 大气压以上。电炉主体的水冷系统供给水冷炉壁、水冷炉盖、炉门、炉门框、导电 横臂电极夹头、电极喷林水冷电缆和铜管等。 气动系统:气动装置为电极夹头清灰，为加料斗气缸、炉门气缸等供气，系统由 主阀架气动三大件、气阀等组成，系统压力0.3mpa。 1.3.2 电弧炉炼钢的电气设备电弧炉炼钢的电气设备 电弧炉的电气设备主要分为主电路和电极升降自动调节系统。主电路的任务是 将高压电转变为低压大电流输往电弧炉，并以电弧的形式将电能转变为热能。电弧 炉的主电

26、路如图1.2，主要由高压断电器、电抗器、电炉变压器及低压短网等组成5。 电弧炉采用三相交流电供电，电气设备主要包括以下几个部分:高压供电系统、 二次回路、电炉变压器、电抗器、短网、低压供电系统和控制系统。 高压系统:一股由35kv电，经高压隔离开关、高压真空断路器、电抗器送至电弧 炉变压器，在高压供电系统中设有氧化锌避雷器、阻容吸收器，作为电压吸收装置， 吸收操作过电压和浪涌过电压，以保证变压器正常运行。高压测二次计量回路设有 高压侧电压、高压侧电流、功率因数、有功功率、有功电度及无功电度的计量，二 次保护回路设有过电流保护、欠压保护、缺相保护、变压器温度保护、变压器瓦斯 保护及冷却器保护等完

27、善的保护回路。 电炉变压器：采用高阻抗电弧炉专用变压器，变压器采用有载电动调压，低压 二次侧采用铜管侧出线、内封口，采用强油循环水冷却器进行冷却。变压器配套强 油循环冷却器及其电气控制台。 电抗器:电抗器为外附电抗器，无载调节可连续过载20%，配有隔离开关，接地 开关。 短网:也称大电流线路，是指从电弧炉变压器低压出线到电极(包括电极)之间的 各种形式导体的总和。电流经短网送入炉内，产生电流，将电能变成热能，把炉料 熔化。 低压动力及控制电源:由系统动力柜接收车间馈电，进线电压380/220v,三相四 线制。主要是给液压站、高压泵、加热器、闸整流电源、电炉变压器调压控制器、 油水冷却器、仪表电

28、源、控制电源、稳压电源等供电。 图1.2 电弧炉主电路简图 1-高压电缆；2-隔离开关；3-高压断路器；4-电抗器；5-电抗器短炉开关； 6- 电炉变压器；7-电极；8-电弧；9-金属。 1.4 电弧炉炼钢过程及工艺简介电弧炉炼钢过程及工艺简介 1.4.1 电弧炉炼钢过程电弧炉炼钢过程 电弧炉是以电弧为主要热源的电炉，分为直流电弧炉和交流电弧炉两种。在电 弧炉炼钢过程中，电弧产生于专用的电极棒和被熔化的炉料之间，炉料受到电弧的 直接加热。 电弧炉是继转炉、平炉之后出现的又一种炼钢方法，已有百年历史。目前世界 上电炉钢产量 95%以上都是由交流电弧炉生产的，已成为主要的炼钢方法之一。 如图 1.

29、3 三相电弧炉构造简图。它由一台特种变压器的三相交流电供电，三相 交流电流通过 3 个上下移动的电极直接加热炉内金属6。 图 1.3 三相电弧炉构造简图 1-炉底；2-钢液；3-渣层；4-流钢嘴；5-炉顶；6-电极；7-电极夹持器；8-短 网；9-电炉变压器；10-炉门。 电弧炉整个炼钢过程一般分为熔化期、氧化期和还原期三个时期，各个时期对 冶炼温度和功率的要求各不相同。 熔化期的任务是将固体炉料熔化为钢液，这个时期要求尽可能地向炉内输入最 大电功率以保证炉料在最短的时间内熔为金属液。氧化期主要是通过脱碳反应而造 成钢液沸腾，从而达到除磷、除杂、均匀等目的。还原期的主要任务是:(l)使钢和 炉

30、渣还原；(2)去除钢液中的氧和硫，使其含量达到规定的要求；(3)调整钢液的化 学成分，使其达到要求；(4)加热钢液至正常出钢温度。电弧炉炼钢过程工艺如图 1.4 所示。 熔化期装料氧化期除渣还原期 补料出钢 白云石 或镁粉 通电 废钢 吹氧助熔 熔渣 吹氧加合金块取样 废钢 （二次加料） 取样加矿石 取样化验造渣剂 图 1.4 电弧炉炼钢工艺过程 1.4.2 电弧炉炼钢工艺简述电弧炉炼钢工艺简述 电弧炉炼钢的工艺方法归纳起来有三种，即氧化法、不氧化法和返回吹氧法。 氧化法是电弧炉炼钢工艺的最基本的方法，不氧化法和返回吹氧法都是在氧化法的 基础上发展起来的7。 传统的氧化法冶炼工艺由补炉、装料、

31、熔化期、氧化期、还原期和出钢六个阶 段组成。在炉内即要完成熔化、脱磷、脱碳、升温，又要进行脱氧、脱硫、去气、 去除夹杂物、合金化以及温度成分的调整，因而冶炼周期很长。这即难保证对钢材 越来越严格的质量要求，又限制了电弧炉生产率的提高。工艺上的改进大大提高了 电弧炉设备能力，使其能够以尽可能大的功率进行熔化、升温操作，而把那些只需 要较低功率的操作转移到钢包精练炉内进行。并且越来越完善的电弧技术能进一步 满足钢液纯度和严格的成分、温度控制的要求。同时，在现代电弧炉炼钢工艺中， 在熔化初期就对炉内进行吹氧，因此熔化期和氧化期己无明显的区分，所以现代电 弧炉炼钢工艺包括补炉、装料、熔氧期和出钢四个阶

32、段。 补炉:补炉是指当上炉出钢完后，需要迅速将炉体损坏的部位进行维修，以保证 下一炉钢的正常冶炼。 装料:装料是指将固体炉料装入炉膛内。目前多数电弧炉采用炉盖上升，炉体开 出，或者炉盖升起旋开，用吊车吊起炉料一次加入炉膛内。 熔氧期:从通电开始到出钢阶段称为熔氧期。熔氧期的主要任务是迅速熔化全部 炉料，去除钢液中的磷、气体和夹杂物，将钢液温度加热到高于出钢温度10-20。 为了加速熔化和节约电能，在熔氧期一般采用吹氧助熔，有条件的也可以采川煤氧 助熔。 出钢:钢液脱碳、脱磷良好，化学成分符合要求，温度达到出钢要求，炉渣合乎 出钢要求，即可出钢。 1.4.3 电弧炉工艺对控制系统的要求电弧炉工艺

33、对控制系统的要求 由于炼钢工艺在电弧炉炼钢上采用了多种提高冶炼效果，缩短炼钢时间，节能 降耗的技术，从而使电弧炉的控制系统更为复杂。例如在电弧炉上采用吹氧技术之 后，对计算机控制系统的要求是:在炼钢过程中如何达到最佳的脱碳效果，同时要控 制化学反应中产生的一氧化碳在炉内进行充分二次燃烧。控制吹氧的效果，确保浮 渣的厚度足以去覆盖电弧，从而保证电能效率得以最大限度地发挥，提高钢水的搅 拌效果，迅速把热能传递给需熔化的废钢，扩大氧和钢水之间反应的有效区域，允 许电弧炉进行长弧操作。综合各种因素的控制，达到最大功率的冶炼效果8。 1.4.4 电弧炉炼钢工艺对电极调节器的要求电弧炉炼钢工艺对电极调节器

34、的要求 电极调节器的调节条件和调节任务颇为复杂。在起弧熔化冷料时，长度为数 毫米的电弧在不甚大的范围内，就能产生数千千瓦的功率，此时电弧温度高达数千 度，被熔料在电极下面迅速而激烈的熔化、飞溅，时有短路和断弧现象发生，因此 弧长、输入功率不断变化。当电弧电流小于额定值时，输入到炉内的电能减少，熔 化时间拖长，电能及电极消耗均有增加;而当电流非常大时，虽仅数秒钟，就能使线 路损耗大大增加，导致输入电弧炉内的电能减少，降低设备的各项指标，此时电弧 长度非常短，特别使当电极同炽热或液态熔液接触时，会使熔液遭受增碳的危险， 严重时可折断电极。可见，电弧炉电极调节器的调节任务非常关键，即在保证稳定 调节

35、的条件下，要求电极调节器灵敏度高，快速性好，超调小。 具体的说，40吨电弧炉对自动调节器的要求如下: （1）高灵敏度。对电弧电流变化的反应要灵敏，可以用非灵敏区来衡量。非灵 敏区指当电极调节被控量偏差发生变化时，电极仍保持静止的整个区间。通常用不 感系数来代表调节器非灵敏区的大小。执行机构在开始向两个方向动作时的被调量 之差与其算术平均值之比的百分数称为不感系数。 （2）电极调节快速性好。电极提升速度要快，否则容易造成短路而使高压断路 器自动跳闸；下降要慢，以免电极碰撞炉料而折断或插入熔液中。电极速度由零升 至最大速度的90%所需时间不得大于0.3s，电极速度由最大速度降到10%所需的时间 不

36、得大于0.15s。 （3）保证电弧电流能在额定值的30-125%的范围内平滑的整定。 （4）电极同炉料短路时，在保证电弧稳定的情况下，应使电极以最大速度上升。 （5）保证电极升降控制能迅速的从自动切换为手动，或由手动切换为自动。 （6）电弧炉通电时，电极调节器应能保证自动燃弧。 （7）调节器应能保证调节工作高度可靠，操作简单。 上面的各项要求，最重要的是快速性、灵敏度和系统的超调量小。调节器的快 速作用能够提高电弧功率平均值、功率因数cos和电效率，改善电气设备的工作 条件，同时有利于减少电极对熔液增碳。足够高的灵敏度不但能以高准确度来维持 每相电弧功率相等，而且能改善各项性能指标。如电弧功率

37、平均值、功率因数cos 和电效率。除此以外，还能消除每个电弧周围的耐火砖受热不均匀的可能性。高 灵敏度、快速性和整个系统的超调量控制之间的正确配合是设计性能优越调节器的 决定性条件。 1.5 本论文所做的工作本论文所做的工作 主要包括以下几个方面： （1）在查阅大量国内外文献的基础上，综述了精炼炉控制技术的发展历程、研 究现状及发展趋势。在深入了解电弧炉炼钢的工艺过程，以及国内外发展状况的基 础上，讨论了在未来的电弧炉发展中计算机控制将起到的决定性作用。 （2）根据所设计电极调节控制器，给出了实用控制算法的实现方法；用 cxprogrammer编程语言编写了系统的控制软件。 （3）首先研究了电

38、弧的特性，并建立了电弧弧长与电流及电压的关系，并通过 理论与实际经验的计算，确定了主要参数的大小，通过大量数据的计算及仿真，验 证了所提出方法的可行性和适用性。 （4）电弧炉控制系统的关键是电极控制。在电极控制及调节方法研究的基础上， 推导了单相电极由于其电弧电阻的变化而引起其电弧电压、电流变化的理论关系， 以及三相电极电弧电压和电流变化互扰之间的理论关系。系统的pid控制原理，并采 用不同算法对单相电极进行了仿真。 （5）在分析了控制系统工作机理的基础上，对电弧炉炼钢的电极调节系统进行 系统的分析，包括电气部分的建模和控制部分的建模。 （6）为电极调节系统设计了自适应pid电极调节控制器，得

39、到了良好的控制效 果，同时为了进一步的提高控制系统的各项性能指标，提出了模型参考自适应电极 调节控制器，并进行计算机仿真。 第二章第二章 电弧炉控制系统电弧炉控制系统 2.1 电极升降自动控制系统电极升降自动控制系统 电弧炉炼钢应遵循高产，优质，低消耗的原则。因此，各类钢种的冶炼过程的 供电制度应符合其工艺原则。 如图2.1为10t电弧炉，变压器容量为5500kva的电力曲线控制实例。图中纵坐标 为输入电流（a），曲线上标明输入电压值（v），输入功率即为二者乘积，图中阴 影部分为电流可调节范围，其值应根据钢液温度灵活掌握。表2.1为40t电弧炉，变 压器容量16mav的供电制度。 熔化期氧化期

40、还原期 停电 送电10min 熔清 化稀薄渣 渣变白 熔化开始 炉料80%熔化氧化末期还原剂加入出钢 扒 渣 0 电流/a 10000 5000 212-216 260212-260 212 140 212 140 122 图2.1电弧炉冶炼过程电力曲线控制图 表2.1 40t,16mav电弧炉变压器的供电制度 熔化期氧化期还原期 供 电 制 度 送电 前 10min 助熔助熔-熔清氧化-出渣化渣-出渣形 成 还原-出钢 档 位 6 3或5 6-86-106-810-16 电 压 /v 312.5353-326258.3-321.5285.3-312.5128.5-312.5177.5- 25

41、8.5 电 流 /a 2000026000- 30000 3000015000-250002500020000- 30000 电力曲线分析： （1）熔化期。在通电起弧5-10min内，为了避免弧光损坏炉盖，此阶段输入 中级电压，中级电流；10min后，熔炼进入穿井和电极回升阶段，为促使炉料快速熔 化，此阶段输入最大电压和最大电流，直到炉料熔化掉80%以上，熔池面逐渐上升平 展，只剩下炉坡，渣线处和低温区附近的一些炉料。同时，电极也相应上升，电弧 也暴露在熔池面上，如果继续采用高电压、大电流，势必严重损坏炉体和炉盖，故 改用中级电压、中级电流，减少输入功率，一直保持到炉料全熔，并将钢液加热到 需

42、要的温度为止。 （2）氧化期。这个阶段的主要任务之一就是合理地把钢液温度加热到出钢温 度或高于出钢温度。与熔化期相比，输入功率可适当减少，一般采用中级电压和中 级电流送电。 （3）还原期。加入稀薄渣料后，为了减少脱氧剂烧损及维护炉衬，应立即转 为低级电压供电。在正常情况下，应输入小功率只需弥补炉子正常的散热损失。 电极自动调节系统必须适应炼钢的合理供电规则，使炉料熔化时间最短、电能 消耗最小。炉料的熔化时间友下式确定： 0e g t eppksh = - 式中 -熔化期内平均点效应；eh -熔化期电炉变压器自电网取得的平均功率，kw；p -用来补充损失的功率，kw；pks -装入炉料中的炉料重

43、量，t；g -熔化1t金属在理论上的电能消耗，kw*h/t。0e 式中说明 ：炼钢时间取决于输入炉膛的平均功率和炼钢中散热损失的功率。为 了减少电能消耗，减少冶炼时间以便减小散热损失的电能，应视炼钢工艺过程情况 合理调节输入到炉膛的功率。 2.2 液压、水冷、气动控制系统液压、水冷、气动控制系统 2.2.1 液压控制系统液压控制系统 电弧炉电极升降机构采用液压传动方式控制的，称为全液压传动电弧炉。由于 电极升降的液压缸动作十分频繁，其工作时间几乎就是冶金时间，需要一个长时间 供应压力液体的液压系统，故一般都设有液压力蓄势器(贮压罐)作为长期供应的压 力源，整个液压系统比较复杂。而一般液压传动的

44、电弧炉，其电极升降机构作为机 械传动，在电炉冶炼工作时，只要其他机构不动作，液压系统的油泵可以停止工作， 也不需要蓄势器，液压系统较为简单9。 电弧炉液压系统由四个部分组成： （1）驱动部分：即油泵，它的作用是将机械能转换为液体的压力能。 （2）执行部分：即油缸，它的作用是将压力液体的压力能转换为工作部件运 动的机械能。 （3）控制部分：即控制液流的压力、流量和方向的各种阀件。它的作用是满 足执行部件提出的推动要求、动作方向要求和动作速度要求等。 （4）辅助部分：包括油管、邮箱、蓄能器、滤油管、管接头、压力表和液位 计等。它的作用是将驱动部分、控制部分和执行部分连成一个系统，并具有连接、 测量

45、、贮液、蓄能和过滤等功能。 2.2.2 水冷控制系统水冷控制系统 水冷系统包括短网的三相大截面水冷电缆、电极夹持器、导电横臂、炉体、炉 门及水冷壁、水冷炉盖圈。 水冷系统的驱动部分为冷循环水泵，它的作用是使冷却水循环并带走以上所述 电弧炉各部分设备的热量，延长电炉设备的使用寿命，改善现场的工作环境。冷却 水泵的控制工作原理如图2.2所示。 水冷控制系统还设有事故报警装置，炉门、炉门框、炉盖圈、上炉体水冷块、 旋转架、合金加料装置、水冷电缆、短网铜管、导电横臂各部件温度，总进水温度 和压力超过规定值时，则温度传感、压力传感部件的开关量闭合，并输入给plc系统 进行“或”操作，使故障报警输出继电器

46、动作，发出音响和灯光报警。 m dy plc ac220v u v w qf km p+p- uv 启动 停止 p+ sa ka p+ p- ac220v u ka kmkm km hr hg n 24v 直流 图2.2 冷却水泵的控制原理图 2.2.3 气动控制系统气动控制系统 气动控制系统主要为电极立柱气缸、炉门气缸、加料斗启闭气缸等部件提供压 缩空气。其驱动部分由空气压缩机组成；执行部分为气缸；控制部分分空压机的控 制和气动阀的控制两部分。空压机的控制为机旁手动操作。其控制原理与冷却水泵 控制原理相同。气动阀的控制利用炉前操作台上转换开关手动控制气动阀动作。其 控制原理如图2.3所示。

47、u n 气动阀控制 a相立柱锁定b相立柱锁定c相立柱锁定 合金加料 阀开 合金加料 阀关 ss1ss2ss3ss4 ac220v 图2.3 气动控制原理图 2.3 plc 控制系统控制系统 可编程控制器是基于微处理器技术的通用工业自动控制设备。其控制系统可分 为顺序逻辑控制和过程控制。并以顺序逻辑控制为主，回路调节为辅。顺序逻辑控 制的应用取代了传统的继电器控制线路，过程控制的应用是用作过程调节器，可在 工业环境下控制开关量和模拟量，具有可靠性高，环境适应能力强，使用方便等特 点。同时，plc控制系统还具有位置控制、温度控制、模糊控制、网络通信等硬件支 撑环境，因此，在电弧炉炼钢生产过程中pl

48、c得到广泛的应用。 2.3.1 计算机在电弧炼钢中的应用计算机在电弧炼钢中的应用 随着计算机技术、微电子技术和检测技术的飞速发展，以计算机为核心的自动 化技术已成为电炉钢厂的重要生产工具。计算机在生产自动化方面可用于数据检测 处理、顺序与数值控制、生产操作指导、监督或直接控制生产、自动调度管理等， 可实现最优控制、自适应和自学习控制等较为高级和完善的控制方式。 目前计算机控制系统的趋势是发展分级式集散控制系统。可分为基础极、过程 极、管理级。表2.1列出了电弧炉计算机控制系统各级别的功能、应用及层次。电弧 炉炼钢过程计算机应用的流程框图如图2.4.简单的计算机控制系统不分级，只实现 其中几项功

49、能，但一般都要求能对电弧功率进行自动控制。 计算机控制系统的基础极可由计算机承担，也可由可编程序控制器来承担，或 由计算机和可编程序控制器共同承担。 可编程序控制器plc，既可作为多级计算机系统的基础极，又可单独应用于电炉 自动控制中。plc系统同电气传动系统、仪表检测系统共同构成电气自动化系统。它 将收集到的电弧炉生产信息或人工指令经过逻辑运算和智能处理后，输出控制指令 指挥电气传动系统工作。 表2.1 电弧炉计算机控制系统各级别的功能、应用及层次 级别功能在电弧炼钢中的应用层次 1.基础级自动调节电炉本体操作、电极升降系统 2.过程级过程自动控制供电曲线自动程序控制 3.过程级生产装置自动

50、操作炼钢生产过程中计算机控制 4.管理级生产过程的控制与管理电弧炉炼钢车间的计算机系统 5.管理级生产系统的控制与管理电弧炉炼钢厂的计算机系统 低 高 电弧炉工艺过程控制 计算机系统 物料指标 能量指标 钢水生产 生产 信息 记录、报告、 警告、 生产指导 管理指标 过程 信息 过程 控制 图2.4 电弧炉炼钢过程计算机应用的流程框图 电弧炉生产过程中plc系统可控制如下项目：电极升降调节器；断路器分、合闸； 变压器的调压；电弧炉炉体各传动部位控制；加料、吹氧等控制；冶炼过程供电曲 线的控制等。应用plc可实现无接点控制，大大降低了电气系统事故率；可方便地实 现和更改控制逻辑，并且其使用、操作

51、和编程较计算机容易。 2.3.2 电弧炉电弧炉 plc 控制系统的构成控制系统的构成 图2.5为电弧炉plc控制系统构成配置框图。图由工控机作为上位机监控站，和 plc作为下位机构成的一个二级计算机监控系统。下位机构成基础控制级，承担电弧 炉各个设备运行状态的实时采集和过程、逻辑控制任务。上位机构成管理监控机， 可配置两套，互为备用。通过与plc点对点通信获得实时数据，监控整个电炉设备的 运行状态，以及电炉冶炼过程中的各个量的变化趋势、故障报警、生产与消耗报表 等。 电源编程器cpu子模块通信板 上位机1 上位机2 高速a/da/dd/a高速计数器i/obcd 过程信号 三 相 电 极 调 节

52、 液 压 站 控 制 变 压器 保护 及自 动跳 合闸 炉 体 控 制 上 料 控 制 热 工 物 理 量 检测 bus 管理监控级 工艺过程及检测 图2.5 plc控制系统构成框图 2.3.3 电弧炉电弧炉 plc 控制系统的功能控制系统的功能 电弧炉plc系统应完成变压器换挡及保护、液压站控制、炉体操作、上料系统控 制、水冷系统控制、电极调节智能控制等控制任务。在设计时应尽量加强软件功能， 简化设备操作，提高设备运行可靠性。 以某炼钢车间40t交流电弧炉plc控制系统为例进行阐述。 电炉工艺状况如下：40t电炉采用碱性炉衬，供熔炼普通结构钢、合金钢和特殊 钢。设备的结构形式为：炉盖旋开，顶

53、装料，偏心底出钢，电极升降采用电液伺服 阀智能自动调节。设备主要参数为：额定容量/最大容量：40t/50t；变压器额定容 量：16mva；变压器一次电压：6kv；变压器二次电压：392158（19档）；频率： 50hz；石墨电极直径：450mm；电极分布圆直径：11501250mm；电极最大行程： 3100mm；电极最大移动速率（上升/下降）：6000/4000（mm/min）；倾炉角（出钢 方向/出渣方向）：18/12；炉盖提升高度：300400mm；炉盖旋开角：70； 炉体水耗量：98/h；液压系统工作压力（高压/低压）： 3 m 4.06.0mpa/2.03.0mpa；液压介质：水-乙二

54、醇抗燃抗炼乳化液。 按电弧炉控制和工艺要求，计算机控制系统由基础控制级和过程控制级组成。 基础控制级配置omron,c200he系列plc装置，安装在电弧炉的主控室内。 该套plc控制系统分两个部分，一部分为电炉炉体的逻辑控制，另一部分为电炉 电极升降调节系统的逻辑过程控制。 第三章第三章 电弧炉电极控制的建模电弧炉电极控制的建模 电弧炉炼钢过程中，电极与炉料之间的相对位置必须进行控制，才能使电弧的l 度始终保持稳定。然而电弧压降梯度却随不同的冶炼阶段而异，因此必然会导致电 极调节液压比例系统的前馈增益变化；同时，为节省能耗，油源压力一般设置较低， 且由于电极调节液压系统的结构特点致使电极在升

55、、降时的特性不对称。这些都将 造成系统的动态特性变坏，引起频繁的短路和断弧，不仅倍耗能量，而且影响正常 生产，严重时甚至折断电极或使电极插入熔池酿成更大的事故。因此，寻求一种简 便有效的方法使电极调节液压系统能在冶炼的各个阶段和电极升、降过程中都有较 好的动态特性，是液压电弧炼钢炉急待解决的实际问题。 3.1 电极系统电气部分建模电极系统电气部分建模 3.1.1 单向电极的建模单向电极的建模 对于所要研究的控制对象，其模型的建立很大意义_l制约着控制效果的优劣控 制对象的模型，要符合实际应用的需要。建立数学模型通常采用测试法和机理法两 类。测试法主要是利用工业过程中的实测数据，运用经典辨识和现

56、代辨识的方法建 立数学模型；而机理法是根据生产过程中实际发生的变化机理，写出各种有关的平 衡方程式(能量、动量平衡)以及各种符合基本规律的运动方程(流体、化学、传热等)， 从而获得对象的数学模型。近20年来机理法得到了广泛的应用和迅速的发展。 电极调节系统由电气部分和液压传动两部分构成，相对于液压传动系统，电气 部分的时间常数相对较小，所以采用静态的数学模型加以表示。 首先选取单相电极为研究对象，建立单相电极的数学模型，再以单相电极为基 础建立三相电极间的数学模型10。单向电极的等效电路如图3.1。 图3.1 单向电极的等效电路 则一相电极的 （3.1） 222 ()() hhb uurii

57、x=+ 设当小扰动时，uc（常数）， （3.2） hhk uuu=+ d （3.3） hhh iii=+ d 代入（3.4）式进行运算并忽略幅值很小的二阶数值，有 （3.4） 22 ()()0 hhhhhhh u uiri uririxd+ + d + += 根据 billings 理论推导的弧压的表达式 hh ualb=+ 式中： 阴极和阳极间的电压降，当电极材料、气体压力和周围介质一定时，a 通常认为为常数（v） ；a 弧柱梯度，它是温度 t 的函数（v/mm） ；b 额定弧长。 h l 所以弧长变化时对电弧电流影响为 （3.5） 333111 311311 11111 313313311

58、1 iiiikl irml rrhrh uzizmlu d d d= d= d = d= d 式中: 电弧电流变化量； h id 额定电流； h i 额定弧压； h u 电弧等效电阻。p 若把电弧炉看成是调节系统中的一个环节，且把弧长视为输入量，把测量环节 的电流看作输出量，则电弧电流放大系数为： （3.6） 22 e iii dipr k dlrxp r b = + = -= + 若把电弧电压看作式输出量，则电弧电流放大系数为： （3.7） h u h du k dl b= 若测量参数为电弧电流和电压值，则对象放大系数相当于电极移动 1mm 这些量 的变化之和： （3.8）() hehe i

59、ueieue ee dildul kl kiku dlidlu =+=+ 3.1.2 三相电极的建模三相电极的建模 交流电弧炉是采用三相电极加热的装置，由于三相电的耦合作用，进行控制比 较困难。首先建立三相电弧弧长变化和偏差输入的关系，假定测量出的电压为每相 电压分别都是从电路的变压器端到炉底。如图3.2为三相电弧炉电极的数学模型，其 余两相结构与此相同。 图3.2 三相电极等效电路图 由三相电极等效图可以得到其每相电压为 （3.9） 22 11111 ()urrxi=+ （3.10） 22 22222 ()urrxi=+ （3.11） 22 33333 ()urrxi=+ 式中： 电路等效电

60、阻； i r 电路等效电感： i x 弧电阻： =1,2,3。ri 假设；。当第一相电路的电弧发生扰动时，即弧电阻 123 rrr= 123 xxx= 发生变化，它的电流也发生变化，从而使跟着改变，的变化量为： 1 r 1 u 1 u （3.12）()() 1 2 22 1 11111 1 1 u irrrrx r - =+ () 1 2 22 1 111 1 u rrx i =+ 11 111 11 uu uir ir d=d+d （3.14）()() 12 11111111 zrrlrixib - =+d+ d+ d 由此类推，当第二、三相弧电阻由扰动时，它们的电压的该变量为： 22 22