电炉电仪自动控制系统讲解

电炉电仪自动控制系统讲解1.1.电气、自动化、仪表设备:熔分电炉电仪自动化控制系统是基于以下目的设计的:熔炼成本主要取决于电能的单位消耗量和原料的有效利用率，因此只有控制好电炉的冶炼过程，才能实现能耗小、产量高以及最大效率地利用原料。2.2.1.电气设备：2.2.1.1.电源接入点：35kV电源：由35kV变电站提供一路电源到电炉冶炼车间高压配电室的35kV受电柜内，接至受电断路器。380V电源：由35kV变电站提供两种电源，一种常规供电，另一种作为一类负荷供电，接入电炉冶炼车间低压配电室的+1B0、+2B0两个低压受电柜。2.2.1.2.各主要用电设备的电压等级：PLC电源：AC220VPLC输入信号：DC24VPLC信号输出：DC24V（驱动信号灯、中间继电器）非调速电动机：AC380V液压电磁阀：DC24V，AC220V信号灯：DC24V，AC220V电炉变压器进线侧输入电压：35kV动力电源：380V50Hz控制电源：220V50Hz动力电源来自35kV变电站/0.4KV动力变压器，控制柜采用固定分隔式；一类负荷380V供电电源来自35kV变电站送电柜内；控制电源从低压配电室取电源经磁饱和稳压器后提供给系统；系统所需的24V控制电源根据用途经稳压电源（220V/24V）分别提供。2.2.1.3.用电负荷说明：熔分电炉生产主要用电负荷包括高压负荷：9MVA电炉冶炼用1台35kV、9000kVA三相变压器；低压负荷：二次燃烧室鼓风机、出铁牵引卷扬电机、单梁吊、出渣、出铁堵口装置、液压油泵、变压器辅助设备、配料皮带称等。液压油泵电机、电炉冷却水等设备为一级负荷，其余设备均为二、三级负荷。对于一级负荷设备采用双路进线，母联互备的方式供电，正常运行时保安电源不投入使用，在断电时通过电源自动转换装置切换到380v保安电源供电。2.2.1.4.供配电系统:2.2.1.4.1.高压配电设备:由厂区35kV供电区引一路35kV高压三相交流电接入电炉冶炼车间高压配电室35kV进线柜中，经35kV配电室内的高压开关柜输出到9000kVA变压器的一次侧进线端，再从变压器的二次侧经短网与三根电炉冶炼用电极相连接。35kV高压配电室设置在电炉车间+11米平台处，主要布置有35kV电源进线柜、PT及过电压保护器柜、电炉变压器馈线柜。电源进线柜内设有手车式真空断路器，PT柜中主要设有高压电压互感器、过电压保护器；变压器馈出柜内设有手车式真空断路器、电流互感器等。高压开关柜选用JYN1-35型移开式金属封闭开关柜,断路器选用ZN23-35/1250A-31.5kA真空断路器，柜内设有氧化锌避雷器、阻容吸收器，作为过电压吸收装置，吸收操作过电压和浪涌过电压，以保护变压器正常运行。在高压系统中还设有接地保护刀闸，用于断路器分开后的接地保护。高压开关柜内主要设备见下表：序号开关柜名称元件名称型号及规格数量135KV电源进线柜真空断路器1操作机构1电流互感器3过电压保护器1智能电力监测仪12电压互感器柜电压互感器3熔断器3过电压保护器13电炉变压器馈线柜真空断路器1操作机构1过电压保护器1电流互感器3智能电力监测仪1接地开关1高压系统的真空断路器合、分闸控制由高压柜和控制室的主操作台两地操作控制。高压供电系统二次回路的计量仪表设置在主控室的计量柜上。在高压柜上同时设有电压表及电流表。2.2.1.4.2.直流屏:高压柜的操作采用免维护直流电源屏操控，该装置配有一组100Ah/220V蓄电池，内设监测装置，保护信号装置等。电源屏相关参数如下：输入电压：AC380V输出电压：DC220V输出信号：4~20mA模拟量5A开关通讯方式：RS-232串行接口直流屏：PK-10D电池厂家：合资厂家优质产品2.2.1.4.3.微机保护装置:继电保护采用微机综合保护系统，具有保护、控制、测量及通讯的功能。系统中的工控机将测量到的高压侧电压、高压侧电流、功率因数、有功功率、无功功率、有功电度及无功电度等完整的记录下来，并记录系统动作的过程及时间,综合保护系统还可与PLC通信将测量信号传给PLC系统中。在35kV开关站内高压开关柜上安装独立的微机综合保护器，综合保护系统预留与用户控制管理机的通讯接口,以便统一调度管理。微机综合保护系统拟选用北京紫光产品或同等次的综保系统，综保系统结构图见附图1。2.2.1.4.4.35KV电炉变压器：熔分电炉采用一台9000kVA三相变压器给三根电极供电，通过电极加热原料进行熔炼，直到钛铁分离，最终得到钛渣。变压器二次侧采用角形接法。电炉变压器保护设置高压侧电流速断保护、过负荷保护、油循环中断保护、轻重瓦斯保护、绕组温度保护信号报警、油温保护信号报警、压力释放阀动作跳闸、有载调压开关轻重瓦斯保护、油水冷却器信号等，同时与变压器馈出断路器互锁。2.2.1.4.5.低压供配电系统：在电炉车间+7.00米平台设有低压配电室，布置有低压受电柜、母联柜及低压设备配电用动力柜。电炉的低压供电系统由动力配电柜（柜型为GGD）及电源柜(柜型为KS)、控制柜(柜型为KS)组成，表面涂装颜色为冰灰色，色标号为RAL7032。动力柜接受车间动力变压器输出馈电，进线电压为380V/220V三相四线制，通过低压母排连接，然后至每路断路器，分别供给液压油泵电机、二次燃烧室风机、出铁卷扬电机、炉顶单梁吊、变压器控制电源、变压器油水冷却器、炉顶配料皮带称等控制单元。一级负荷、二级负荷主回路分开布置，经过母联柜相连，事故时通过电源自动切换断路器切换到保安电源给一级负荷供电。动力柜的仪表板上安装有指示灯，指示系统的运行状态、通断电情况，在必要回路的仪表面板上还装有电压表、电流表，指示系统电压、电流。操作台、控制柜：主要包括电炉控制操作台、上位机操作台、综保后台、电源柜、PLC柜、中间继电器柜、电极控制柜、除尘PLC柜等组成。从低压配电馈出柜引一路380V电源进+7.00米平台的电炉操作电源柜，经由电源柜的总断路器、隔离变压器（磁饱和稳压变压器），通过每路断路器提供操作控制用电、液压控制电源、辅助设备电源及备用电源。计算机系统电源采用两台UPS供电（UPS电源保证断电延时30min），以给计算机系统提供故障处理时间。在断电情况下，UPS电源的容量可同时满足网络上的工控机记录保存数据，以便于追查事故原因。电炉控制操作台配有二次电流表、一次电压表、变压器档位显示表、控制高压真空开关的合/分闸、电极升降调节、变压器有载调压开关调压、用于炉子操作的控制开关及状态指示器。上位机操作台用于安装电炉的HMI上位机系统及其附件。电源柜内装有二台标准的直流24V电源模块，以供给液压系统电磁阀、PLC系统、检测元件用24V直流电源。PLC柜包含电炉本体设备控制系统的PLC。中间继电器柜、电极控制柜内配有PLC系统输出中间继电器、电极升降系统的纯手动控制继电器系统，用于当PLC系统发生故障时的紧急动作。低压供电及控制系统设备清单：名称数量安装地点动力柜8面低压配电室电源柜1面主控室中间继电器柜2面主控室PLC控制柜1面主控室主操作台1台主控室计算机台2台主控室综保后台机1台主控室现场控制箱及接线箱40现场现场设备1)操作箱：在电炉操作平台上设置有现场操作箱，主要用于在操作平台上控制电极升降与液压系统油泵启动、停止等控制操作。安装有相应的控制按钮和信号灯。2)按钮盒：在现场还设有二次燃烧室风机等系统设备的启动、停止；安装有操作控制按钮、选择开关和信号灯。3)接线盒：为方便现场检测元件连接电缆的铺设，在现场还就近设有接线盒。控制箱、台、柜采用的低压回路控制元件、操作元件统一选用国产优质厂家的低压产品,光电编码器、行程开关、接近开关选用国产优质产品。电线电缆：所有电线电缆均选用铜导体，高压电缆及大容量低压电缆选用YJV电力电缆，普通动力电缆、控制电缆选用聚氯乙烯绝缘聚氯乙烯护套电缆，部分控制电缆选择带屏蔽的聚氯乙烯绝缘聚氯乙烯护套电缆，电炉热区附近，选择耐高温硅橡胶电力电缆。供电外线及车间动力电缆敷设以电缆桥架敷设为主，局部穿保护管埋地敷设。配电室内为电缆沟敷设。2.2.1.5.电机清单：序号名称参数数量附注1二次燃烧室风机18.5kw22铁水车移动用卷扬机15kw13堵口机移动装置0.36kw2公司购买45t单梁葫芦起重机15.6kw1公司购买5液压系统5.1液压油泵电机（升降）（一用一备）30kw2一类负荷5.2液压油泵电机（压放）7.5kw1一类负荷5.3烟道阀油泵电机11kw1一类负荷5.4循环冷却泵电机7.5kw1一类负荷6炉气除尘风机160kw1公司购买7出炉烟气除尘风机100kw1公司购买8变压器油水冷却器2×4kw1一类负荷9有载调压开关电机及滤油机0.5kw+1kw1一类负荷2.2.1.6.外形尺寸、涂层方案：熔分炉电控箱、台、柜的表面涂装颜色为冰灰色，色标号为：RAL7032。2.2.1.7.接地系统:所有电气设备均应按国家标准及相关规定接入厂区接地网的就近接地点上,高压电气接地电阻不大于4Ω,低压电气接地电阻不大于4Ω,仪表、PLC接地电阻不大于1Ω,以上接地体分别埋设,最终接入厂区接地网。2.2.2.自动化、仪表系统：2.2.2.1.系统概述：大重设计采用电气—计算机—仪表三电一体控制系统的设计方案，整套电炉系统使用计算机自动化控制，并预留接口供生产管理设备使用，以实现钛渣生产的控制、操作、管理一体化。控制网络结构采用两层网络结构，即上层的工业以太网（PLC与工控机之间、工控机之间）和下层的现场总线网（PROFIBUSDP）。根据工艺提出的控制要求和电炉冶炼模型算法，钛渣生产自动化控制系统要实现电极自动升降、电炉负压的自动调节等。根据系统要完成的功能将系统分为以下几个部分：1）电极升降自动控制系统；2）炉压自动控制系统；3）辅助控制系统；4）HMI人机界面系统；2.2.2.2.系统配置:电炉本体PLC选用SIEMENSS7-400系列模块。主要监控点有：电炉本体的运行状态（炉温、炉压、弧流、弧压、功率等）、电极系统（电极位置、电极压放情况等）、循环水系统（水温、水压、流量等）及其它辅助系统的运行状况，模拟量信号经隔离后再进入PLC模块，系统I/O点数留有20%的裕量。PLC系统配置如下：电炉本体PLC配置：机型SIEMENS数量1、CPU414-2DP6ES7414-2XG03-0AB012、32点数字量输入模块6ES7421-7BH00-0AB0103、32点数字量输出模块6ES7422-1BH11-0AA024、16路数字量输出模块14、16路模拟量输入模块6ES7431-0HH00-0AB035、8路模拟量输出模块16、16路热电偶输入模块27、电源28、分支模块29、以太网通讯模块110、编程适配器111、前连接器22用来监控钛渣冶炼生产过程的HMI工作站的配置均选用当前主流硬件配置，保证了对大量数据的快速计算处理能力。2.2.2.3.控制系统功能说明:1）电极升降自动控制系统电极升降自动控制系统主要根据采集到的弧流、弧压、炉压、档位给定等信号，按照恒功率或恒电流的控制原理对电极进行控制，通过控制液压系统来实现电极升降的自动控制。在自动控制过程中，随时可以人为干预，通过按键增大或减少输入功率、电流、阻抗或直接修改控制参数，对于钛渣炉可以根据已有的控制模型输入相应的参数值，也可以手动控制电极升降。系统可能出现电极软断、硬断等特殊情况时，系统具有相应的保护措施，如电极自动提升等并提供相应的报警；恢复正常后，可继续完成当前的冶炼过程。也可人为地当电极升降自动调节出现故障、低压配电站出现意外断电等特殊情况时，切换为手动控制，继续完成当前的冶炼过程，保证生产过程的连续。控制系统具有故障自诊断功能（如CPU故障、热电阻断线等）。电极系统(升降、压放)中检测信息、测量和控制点及在过程控制时的控制要求说明如下：序号检测数据类型测量和控制点控制要求1变压器等级电炉变压器根据电炉冶炼曲线，变压器等级需自动/手动切换，并在监视器上显示切换时间及次数2电极电流电炉变压器电炉冶炼时电极电流要根据工况调整3电极电压电炉变压器显示在操作台及监视器上4电极功率电炉变压器显示在操作台及监视器上5有功功率电炉变压器检测功率消耗，并将其显示在操作台及监视器上6无功功率电炉变压器显示在操作台及监视器上7COSφ电炉变压器显示在操作台及监视器上8电极工作位置电极1、2、3显示在操作台及监视器上9电极压放量电极1、2、3检测电极消耗，判断是否进行压放，并将其显示在操作台及监视器上控制信号的分布：信号类型数量信号点描述模拟量输入信号15三个电极、一台变压器模拟量输出信号12弧压、弧流、变压器等位的显示数字量输入信号40电极升降限位信号、电极控制信号的输入等数字量输出信号50控制电极升降、压放液压阀、显示动作情况等2)炉压自动控制系统炉压自动控制系统设计的目的是为了在不同的冶炼阶段将炉内压力保持在一个稳定的微负压范围内，并最大限度地利用炉内热量来完成矿热炉的冶炼。本系统通过两个（原设计一个）安装在炉盖上的微差压变送器检测炉内压力，用测温仪测量炉气温度。根据炉况的不同调节安装在烟道上的水冷蝶阀以及电极位置，以保证炉内压力始终保持-2Pa到+10Pa这样一个微负压范围内。在电炉冶炼开始时，炉压控制程序同时运行，在电炉冶炼初期（炉温<560度），始终保证炉压稳定在(-1.5Pa，+2.5Pa)范围内,如果检测到的两个负压信号中有任一一个不在这个区间里,则调节安装在气体处理排出烟道上的水冷蝶阀在1S内完成开阀(炉压小)/关阀(炉压大)的动作；如果阀得到同时开、闭的信号时，则通过3S内的两个负压信号的平均值的差值作出动作判断。在炉温>600度时，需要以0.4Pa/min的速度增大炉压，要求20min内使压力达到(-8Pa，+10Pa)这样一个范围，并且这个负压需要一直保持到铁沉淀开始，然后减小炉压，20min内使炉压减小到(-1.5Pa，+2.5Pa)范围内，并一直持续到出渣完毕。在炉压保持在(-8Pa，+10Pa)这一阶段，我们将通过检测电极电流和炉内负压这两个参数来判断是否将产生渣沸腾现象，并通过调节电极位置、开闭切断阀的方法来消除渣沸腾，如果还不能终止沸腾，则通知操作员通过人工加料的方式来停止渣沸腾。如果沸腾终止，那么程序控制将继续。安装在炉气烟道上的阀也可以通过操作台上的按钮操作其打开或关闭，同时有指示灯来提示阀的位置。炉压系统中检测信息、测量和控制点及在过程控制时的控制要求说明如下：序号检测类型测量和控制点控制要求1炉内压力电炉炉盖通过调节烟道阀门保证炉压维持在-2~+10Pa的范围内。2烟气温度炉气出口管道根据烟气温度及冶炼时间，控制烟道阀使炉盖底的负压维持在-2.5Pa左右3阀位烟道调节阀、钟罩阀根据炉压控制水冷蝶阀开闭，并在监视器上显示，故障时报警控制信号的分布：信号类型数量信号点描述模拟量输入信号2电炉炉内负压模拟量输出信号2电炉负压、烟温在操作台上的显示3)辅助控制系统辅助控制系统完成对下列系统的检测控制：液压系统、水冷系统、加热器系统等，并与除尘系统进行通讯。液压系统设有一台10kW升降油泵电机、一台11kW烟道阀油泵电机、一台7.5kW压放油泵电机、一台10kW备用油泵电机和一台11kW过滤泵电机，系统正常运行时，五台液压泵都处于工作状态，备用泵不投入运行。当升降系统油泵出现故障时，手动切换到备用泵（含管路切换），启动该油泵即可。当液压油箱介质温度高时，循环冷却阀自动启动，通过冷却水系统冷却油箱，介质温度正常后过一段时间自动停止，自动冷却时间不小于30分钟（可改）。当油路滤油器滤网堵塞、油箱液位低时，系统自动发出灯光及声响报警信号。液压控制系统主要控制电极升降、电极压放和烟道水冷蝶阀的开闭。水冷系统设有五个水分配器，将进水总管进来的循环水经由不同的分管路分别用于出铁口、出渣口、炉盖、烟道、电极的冷却。通过安装在进水总管上的温度计、流量开关，安装在各个回水管路上的流量开关、温度开关，判断各个部件的运行状况。并在HMI画面上弹出报警信息提示操作人员是哪个管路可能发生故障，以便检修。辅助控制系统中检测信息、测量和控制点及在过程控制时的控制要求说明如下：序号检测数据类型测量和控制点控制要求1炉体温度电炉通过检测电炉炉衬温度来判断是否存在炉壁烧穿的可能，并在监视器上显示温度值及报警信息。2炉底温度电炉通过检测电炉炉衬温度来判断是否存在炉底烧穿的可能，并在监视器上显示温度值及报警信息。3CO浓度(待定)二次燃烧室出口在监视器上显示数值并在浓度超过一定值时显示报警信息，根据用户提供的信号确定。4冷却水状态冷却循环水管路检测水温、水压、流量的增减，在监视器上显示，产生报警信息。4)HMI人机界面系统HMI人机界面系统实现对整个电炉系统的运行状况进行监视与控制；实时显示工艺参数及设备运行状态画面，实现历史数据的查询、报警记录查询，完成原料配比等数据的设定功能；可对检测数据进行储存、拷贝以及故障追忆和诊断功能；并实现生产报表和各种故障报警的打印功能。5）操作方式本套系统的操作方式为三种：机旁控制方式、集中手动控制方式、微机自动控制方式。机旁控制方式是指通过操作安装在设备附近的按钮盒上按钮达到每个单独系统设备自己独立工作或停止的操作方式，这种操作方式应用于设备调试、设备发生故障检修及系统的日常检修时，为非正常日常操作方式。集中手动操作方式是指通过PLC系统，通过操作安装于操作室内的操作台或柜面的元件达到让远程设备根据一定的连锁条件运行或停止的操作方式，这种操作方式为当整个系统内的某个设备发生故障但不影响系统中主要设备的情况下的系统操作方式，为正常日常操作方式。计算机自动操作方式是指系统依据电炉冶炼电极控制算法，按照已经规定好的程序（连锁条件）自动、固定的执行系统设备运行或停止的操作方式，在这种操作方式下，操作人员只要求进行系统设备的监测和控制参数的设定。这种操作方式为正常的系统操作方式。2.2.2.4.仪器仪表:本套钛渣炉冶炼系统选用数显表18块，热电偶18台，PT100测温元件10台，流量开关100台，温度开关100台，压力变送器20台，电极位置测量装置3套。仪表类型：温度仪表：选用测量精度不低于工业II级的铂热电阻、热电偶。压力仪表：集中检测和控制仪表，选用测量精度不低于0.5%的智能仪表，就地测量采用弹簧管压力表,测量精度不低于1%。压力变送器选用rosemount(罗斯蒙特)系列或与其水平相当的进口优质可靠的仪表。流量仪表：集中检测和控制仪表，选用测量精度不低于0.5%的智能仪表,。对于有特殊要求的仪表，由甲方提供至少三家仪表厂家供乙方招标采购。电炉车间内主要检测点：▲电极位置检测（位移传感器）3个▲设备运行位置检测（限位开关）5个▲炉内压力检测（微差压变送器）3个▲炉体温度检测（热电偶）18个▲冷却水流量检测（流量开关）100个▲冷却水温度检测（温度开关）100个2.2.2.5.计算机系统:计算机系统包括两套工控机，一台笔记本编程器，两台打印机，通过工业以太网卡与PLC系统组成星形网络，实现操作站与PLC、操作站与操作站之间的数据通讯。预留与用户联网、除尘通讯所用的网络接口，以便于与工厂的生产管理层电脑接入。计算机系统主要对电炉系统的运行状态进行监视控制，通过与