《毕业设计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、真空开关合、分闸控制单元、

2、变压器调压换档控制单元和其它逻辑控制单元。关键词：电弧炉，电极调节，计算机控制，PLC ABSTRACTThe 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 and alloy.The thes

3、is 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 documentation. According to th

4、e 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 method of control

5、 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, oxygen gun movement

6、 control unit and other logical control units.Key words: Electric Arc Furnace, Electrode Regulator, Computer Control.，PLC TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc294454124 第一章 概述 PAGEREF _Toc294454124 h 5 HYPERLINK l _Toc294454125 1.1引言： PAGEREF _Toc294454125 h 5 HYPERLINK l _Toc294454126 1.2 电弧炉系统 PAGEREF

7、_Toc294454126 h 5 HYPERLINK l _Toc294454127 电弧炉炼钢发展概况 PAGEREF _Toc294454127 h 5 HYPERLINK l _Toc294454128 电弧炉炼钢的特点 PAGEREF _Toc294454128 h 6 HYPERLINK l _Toc294454129 电弧炉炼钢计算机控制发展概况 PAGEREF _Toc294454129 h 7 HYPERLINK l _Toc294454130 1.3 电弧炉炼钢设备概括 PAGEREF _Toc294454130 h 7 HYPERLINK l _Toc294454131

8、电弧炉炼钢的机械设备 PAGEREF _Toc294454131 h 8 HYPERLINK l _Toc294454132 电弧炉炼钢的电气设备 PAGEREF _Toc294454132 h 9 HYPERLINK l _Toc294454133 1.4 电弧炉炼钢过程及工艺简介 PAGEREF _Toc294454133 h 11 HYPERLINK l _Toc294454134 电弧炉炼钢过程 PAGEREF _Toc294454134 h 11 HYPERLINK l _Toc294454135 电弧炉炼钢工艺简述 PAGEREF _Toc294454135 h 12 HYPERL

9、INK l _Toc294454136 电弧炉工艺对控制系统的要求 PAGEREF _Toc294454136 h 13 HYPERLINK l _Toc294454137 电弧炉炼钢工艺对电极调节器的要求 PAGEREF _Toc294454137 h 13 HYPERLINK l _Toc294454138 1.5 本论文所做的工作 PAGEREF _Toc294454138 h 14 HYPERLINK l _Toc294454139 第二章 电弧炉控制系统 PAGEREF _Toc294454139 h 15 HYPERLINK l _Toc294454140 2.1 电极升降自动控制

10、系统 PAGEREF _Toc294454140 h 15 HYPERLINK l _Toc294454141 2.2 液压、水冷、气动控制系统 PAGEREF _Toc294454141 h 16 HYPERLINK l _Toc294454142 液压控制系统 PAGEREF _Toc294454142 h 16 HYPERLINK l _Toc294454143 水冷控制系统 PAGEREF _Toc294454143 h 17 HYPERLINK l _Toc294454144 气动控制系统 PAGEREF _Toc294454144 h 18 HYPERLINK l _Toc2944

11、54145 2.3 PLC控制系统 PAGEREF _Toc294454145 h 18 HYPERLINK l _Toc294454146 计算机在电弧炼钢中的应用 PAGEREF _Toc294454146 h 18 HYPERLINK l _Toc294454147 电弧炉PLC控制系统的构成 PAGEREF _Toc294454147 h 20 HYPERLINK l _Toc294454148 电弧炉PLC控制系统的功能 PAGEREF _Toc294454148 h 20 HYPERLINK l _Toc294454149 第三章 电弧炉电极控制的建模 PAGEREF _Toc29

12、4454149 h 22 HYPERLINK l _Toc294454150 3.1 电极系统电气部分建模 PAGEREF _Toc294454150 h 22 HYPERLINK l _Toc294454151 单向电极的建模 PAGEREF _Toc294454151 h 22 HYPERLINK l _Toc294454152 三相电极的建模 PAGEREF _Toc294454152 h 24 HYPERLINK l _Toc294454153 3.2 电极工作原理及性能要求 PAGEREF _Toc294454153 h 27 HYPERLINK l _Toc294454154 工作

13、原理 PAGEREF _Toc294454154 h 27 HYPERLINK l _Toc294454155 性能要求 PAGEREF _Toc294454155 h 28 HYPERLINK l _Toc294454156 3.3 传动系统的建模 PAGEREF _Toc294454156 h 29 HYPERLINK l _Toc294454157 第四章 电弧炉控制系统的软硬件设计 PAGEREF _Toc294454157 h 31 HYPERLINK l _Toc294454158 4.1 变压器保护 PAGEREF _Toc294454158 h 31 HYPERLINK l _

14、Toc294454159 4.2 液压站控制 PAGEREF _Toc294454159 h 33 HYPERLINK l _Toc294454160 4.3 炉体操作 PAGEREF _Toc294454160 h 38 HYPERLINK l _Toc294454161 4.4 水冷系统 PAGEREF _Toc294454161 h 43 HYPERLINK l _Toc294454162 4.5 事故报警 PAGEREF _Toc294454162 h 45 HYPERLINK l _Toc294454163 4.6 上料系统 PAGEREF _Toc294454163 h 46 HY

15、PERLINK l _Toc294454164 4.7 电弧炉控制系统程序的检查和编译 PAGEREF _Toc294454164 h 49 HYPERLINK l _Toc294454165 结束语 PAGEREF _Toc294454165 h 52 HYPERLINK l _Toc294454166 参考文献 PAGEREF _Toc294454166 h 53 HYPERLINK l _Toc294454167 致谢 PAGEREF _Toc294454167 h 54第一章 概述1.1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

16、，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

17、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来了新的生机，以实现过程控制的自动化。 1.2 电弧炉系统 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

18、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，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

19、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，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。（

20、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 1960197019801985198

21、81993200020052010电炉钢量比%12.3817.1522.1719.121.1520.0521.822.528.433.5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

22、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

23、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

24、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，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

25、统，如Danieli公司的Process control system, ABB公司的Master 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、

26、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 电弧炉炼钢设备概括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和耐火材料

27、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装置上。电极升降装置由导电

28、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，摇架沿水平底座滚动，带动炉体倾动，为防止摇架和水平底座发生

29、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

30、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

31、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。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

32、、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

33、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

34、 电弧炉炼钢过程及工艺简介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1.3三相电弧炉构造简图。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

35、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。图1.4电弧炉炼钢工艺过程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

36、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、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

37、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。由于炼钢

38、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。 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

39、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

40、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

41、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

42、性条件。1.5 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

43、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 电弧炉控制系统2.1 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

44、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。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供电制度熔化期氧化期还原期送电前10min助熔助熔-熔清氧化-出渣化渣-出渣形成还原-出钢档位63或56-86-106-810-16电压/V312.5353-326258.3-321.5285.3-312.512

45、8.5-312.5177.5-258.5电流/A2000026000-300003000015000-250002500020000-30000 电力曲线分析：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

46、要的温度为止。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。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：式中 -熔化期内平均点效应； -熔化期电炉变压器自电网取得的平均功率，kW； -用来补充损失的功率，kW； -装入炉料中的炉料重量，t； -熔化1t金属在理论上的电能消耗，kW*h/t。式中说明 ：炼钢时

47、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 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

48、部分组成：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。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。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。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、贮液、蓄能和过滤等功能。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

49、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动作，发出音响和灯光报警。图2.2 冷却水泵的控制原理图 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

50、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。图2.3 气动控制原理图2.3 PLC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PLC得到广泛的应用。随着计算机技术、微电子技术和

51、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。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

52、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、电极升降系统低高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

53、制逻辑，并且其使用、操作和编程较计算机容易。 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。图2.5 PLC控制系统构成框图电弧炉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

54、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）：1

55、8/12；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）：4.06.0MPa/2.03.0MPa；液压介质：水-乙二醇抗燃抗炼乳化液。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 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

56、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、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

57、法主要是利用工业过程中的实测数据，运用经典辨识和现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） 设当小

58、扰动时，UC（常数）， （3.2） （3.3）代入（3.4）式进行运算并忽略幅值很小的二阶数值，有 （3.4）根据Billings理论推导的弧压的表达式式中： 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，通常认为为常数（V）； 弧柱梯度，它是温度T的函数（V/mm）；额定弧长。所以弧长变化时对电弧电流影响为 （3.5） 式中: 电弧电流变化量； 额定电流； 额定弧压； 电弧等效电阻。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）若把电弧电压看作式输出量，则电弧电流放大系数为： （3.7）若测量参数为电弧电

59、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）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） （3.10） （3.11）式中： 电路等效电阻； 电路等效电感： 弧电阻：=1,2,3。假设；。当第一相电路的电弧发生扰动时，即弧电阻发生变化，它的电流也发生变化，从而使跟着改变，的变化量为： （3.12） （

60、3.14）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： （3.15） （3.16）由于三相电路的特性，当其中一相电压或电流发生扰动时，其它两相电路的电压、电流也必受到其影响。下面分别计算其影响程度。当第一相电路有扰动而产生时，此扰动对另两相电路电压的影响为: （3.17）同理，当第二相有扰动时，另两相电压的变化为: （3.18）当第三相有扰动时，另两相电压的变化为: （3.19）交流电弧炉电弧电流的波动，会引起整个电极控制系统的变化，对电网的冲击也很大，能源的消耗加大，所以电弧电流的稳定是电极控制系统的关键，其结构如图3.3所示。电弧炉电极电路为三相不平衡电路，故采用回路电压法