矿热炉电极工作长度监测系统的研究与实现

第2 期
吴俭民等． 矿热炉电极工作长度监测系统的研究与实现
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矿热炉电极工作长度监测系统 的研究与实现
吴俭民
a
王庆贤
a
徐志奇
a
朱强化
b
（ 兰州交通大学 a． 自动化与电气工程学院； b． 电子信息与工程学院， 兰州 730070 ）
摘
要
由于电极工作长度无法直接测量得到 ， 通过检测电极自重的变化 、 电极升降位移和压放长度 ，
L1 = K （ p 1 － p 2 ） （ 1）
式中
K— — —电极糊密度， 通过实验测得。
电极的升降通过控制把持器液压油缸的升降 实现。在电极把持器上安装超声波传感器， 通过 1 # 单片机即可得到电极的实时位移数据 。 设某相 电极在时刻 t0 采集的位移为 h0 ； 在时刻 t1 采集得 到的位移为 h1 ， 则位移差 L2 = h1 － h0 。 假设期间 t1 时 刻 相 对 于 t0 时 刻 电 极 增 长 L2 电极无消耗， （ 当 L2 ＜ 0 时， 电极实际工作长度为缩短 L2 ） 。 电极的压放是根据矿热炉进行定时自动压放 或手动压放。在大立缸位置安装编码器， 编码器 和电极筒直接接触， 当电极下降时， 由于两者的摩 # 擦带动编码器转动， 记录所转动的角度， 通过 2 和 3 单片机采集此部分数据， 通过实测某 30MVA
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图3
解矿热炉的长期运行状况提供依据， 从而提高生 产效率和提高产品质量。数据存储采用 TDMS 文 系统按照日期和时间生成相应的数据文件 。 件， TDMS 文件是 NI 主推的一种二进制记录文件， 兼 顾了高速、 易存取及方便等多种优势， 能够在 NI 的各种数据分析或挖掘软件之间进行无缝交互， 也能够提供一系列 API 函数， 供其他应用程序调 。 用 3 抗干扰措施 在硬件方面， 数据采集卡采用了差分输入接 共模抑制比高， 使系统具有更好的抗干扰性； 法， 现场所有连接线均采用屏蔽线， 防止由现场电磁 环境对传输线路产生辐射干扰。
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0906 收稿日期： 2013-
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化 工 自 动 化 及 仪 表
第 41 卷
硅锰炉， 该炉电极每次的压放量为 16 ～ 18mm， 则 有 t0 时刻至 t1 时刻， 电极共压放 n 次， 则压放总 在不考虑其他因素 长度 L3 = L1 + L2 + … + L n ， 的情况下， 在 t1 时刻相对于 t0 时刻， 电极的插入 深度增加量即为 L3 。 假设 t0 时刻电极的实时工作长度为 L0 ， 则 t1 时刻时， 电极的实时工作长度 H 应该为 t0 时刻工 位 作深度 L0 与 t0 时刻到 t1 时刻之间的消耗量、 、 ： 移 压放量三者之和
设计出一种电极工作长度监测系统 ， 从而为操作人员操作电极提供可靠的依据 。 该系统采用 LabVIEW 开发操作界面， 系统界面友好、 简洁、 便于操作， 能够实时显示电极的工作长度 。 实际运行表明： 该系统 对于提高冶炼效率和产品质量以及保障安全生产都具有一定的意义 。 关键词 电极工作深度 TH868 电极长度监测系统 文献标识码 B LabVIEW 文章编号 10003932 （ 2014 ） 02018104 中图分类号
隔， 在本次添加完直至下次添加前， 整个电极自重 中的变化量只有电极消耗量随时间的变化 。 通过 安装在液压油缸的压力传感器可实时检测到电极 的自重（ 通过压力信号反应 ） ， 电极的不断消耗反 映到所测得的压力信号时， 表现为随着电极的消 压力信号不断变小。因此， 通过压力变化可以 耗， 反映出电极的消耗情况， 即可以实时反映电极的 采集的压力信号 消耗量。设某相电极在时刻 t0 ， 为 p0 ； 在时刻 t1 ， 采集到的信号为 p1 。 若假设 t0 到 t1 期间只有正常消耗， 未加电极糊， 则有 p1 ＜ p0 ， 压力信号与电极长度换算公式为 ：
# 和 3 单片机采集， 经串口发往主机； 最后， 通过上 述计算方法进行数据处理， 最终得到电极参数并
电极参数实时显示界面如图 2 所示。 实时显示， 当电极工作长度超出设定的上、 下限时， 电极调节 报警灯点亮， 给出报警提示， 并进行相关操作。
图2 2． 2． 2
电极参数实时显示界面
数据存储与查询及报警等功能。 置、 矿热炉电极工作长度监测系统如图 1 所示。 用数据采集卡将所采集的压力信号直接传往工控 # 机； 以 1 单片机（ STC89C52 ） 为核心的超声波测距
［ 1］ 张培武． 密闭电石炉电极管理［ M］ ． 北京： 化学工业 ［ 2］ 蒋旭东， 张建良， 左海滨． 矿热炉电极系统的应用与 J］ ． 化工自动化及仪表， 2012 ， 39 （ 11 ） ： 1404 ～ 开发［ 1408 ， 1436．
Ｒesearch and Ｒealization of Electrode Working Depth Monitoring System for Submerged Arc Furnace
LabVIEW 调用串行端口配置如图 5 所示。
图 5 LabVIEW 调用串行端口配置 2． 2． 4 参数设置 参数设置用于设置系统参数和电极参数， 如 电极工作长度的初值、 电极工作长度上 / 下限及文 件记录频率等。参数设置需要根据所安装矿热炉 的实际情况确定， 从而保证冶炼过程尽可能地工 作在最优状态。参数设置界面如图 6 所示。
扰。 4 结束语 矿热炉电极参数实时监测系统应用于冶炼过 程中电极工作长度的实时监测。该系统在优化冶 炼生产过程、 提高产品质量及降低能耗等方面具 有重要的意义， 同时也使生产安全有了进一步的 保障。
184 参
2011． 出版社，
化 工 自 动 化 及 仪 表
第 41 卷
考
文
献
［ 3］ 谭 炜 洲， 康 进 才． 石 墨 电 极 在 冶 炼 电 炉 上 的 使 用 ［ J］ ． 炭素技术， 2005 ， 24 （ 4 ） ： 22 ～ 127． ［ 4］ 郑对元． 精通 LabVIEW 虚拟仪器程序设计［M］ ．北 2012． 京： 清华大学出版社， ［ 5］ 赵建领， 薛圆圆． 零基础学单片机 C 语言程序设计 ［ M］ ． 北京： 机械工业出版社， 2009．
图 4 压放工作过程示意图 1 、 2 和 3 # 单 片 机 都 通 过 串 口 与 主 机 通 信，
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经过硬件处理后， 由线路带来的干扰降低， 其 余的干扰主要为由于炉况对压力信号的干扰 。 冶 炼过程中的出炉及塌料等都对压力信号的采集有 一定的影响， 为了减小压力信号的波动， 系统采用 了递推平均滤波算法： 将连续得到的 N 个采样值 长度固定为 N， 每次采样到一个新 看作一个队列， 数据放入队尾， 并丢掉原队首的数据 （ 先进先出 原则） 。将队列中 的 N 个 数 据 进 行 算 术 平 均 运 就可获得新的滤波结果。 该方法使整个系统 算， 有效抑制了随机干 的抗干扰性有了很大的提高，
485 集电极的压放量和位移数据， 它们均通过 ＲS传给工控机， 工控机将采集得到的数据， 按电极工 作长度计算原理计算后分别得出三相电极相应的 实时工作长度。
［5 ］ 如图 3 所示， 采用 C 语言编写单片机程序 。 2． 2． 3 压放量检测系统 # # 电极压放量由 2 和 3 单片机配合检测得到，
［4 ］ 好、 直观及便于操作等优点 。 系统主要实现数 据采集、 传输、 处理、 电极参数实时显示、 参数设
电极实时工作长度计算中涉及到 3 类原始信 号： 压力信号、 位移信号、 压放量。 现场三相电极 的压力信号由 3 个压力传感器测得， 通过数据采 # 2# 位移信号和压放量分别通过 1 、 集卡进入主机，
电极作为矿热炉冶金过程中的关键设备， 担 ［1 ～ 3 ］ 。在 冶 炼 过 程 负着导电和传热的 双 重 作 用 中， 冶炼电流通过电极输入炉内， 利用电阻热和电 弧热释放能量， 进行矿热冶炼， 炉内温度主要由石 墨电极插入炉料的深度 （ 即电极的工作长度 ） 决 电极工作长度是影响冶炼生产过程中 定。因此， 炉况的关键因素， 也是影响产品质量和能耗的重 要因素。 在冶炼过程中， 电极不断消耗， 插入深度逐渐 为了保证生产的顺利进行， 必须及时调节电 变短， 极的工作长度， 使其保持在一个合理的范围内。 依靠手工调节电极升降， 很难达到操作要求， 频繁 的人工调节劳动强度大， 容易因为疲劳造成误操 并且因为各人的操作习惯与水平不同 ， 电极的 作， 笔 工作长度控制很难达到要求。 基于以上原因， 者开发出了一种能实时显示矿热炉电极工作长 自动控制电极升降的系统来优化生产过程 ， 以 度、 保障生产安全， 降低操作人员的劳动强度。 1 电极参数检测原理* 通过测量电极当前自重、 电极升降位移和电 极压放长度 3 个相关量计算得到电极的工作长 度。 电极当前自重包括电极当前的实际重量和其 他附属设备的重量之和。由于电极的附属设备是 所以电极当前自重中的变量只包括电极 确定的， 重量和电极糊重量。由于电极糊的添加量是由矿 热炉的炉况决定的， 每次添加都有一定的时间间
其中 2 单片机主要检测压放电极时， 把持器油缸 # 继电器和卸油所用继电器的动作情况； 3 单片机 用来检测编码器的计数值 ， 以 A 相电极为例 ， 压
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图6 2． 2． 5
参数设置界面
数据存储与查询
数据存储用来记录矿热炉在相当长时间内的 为管理人员通过总结分析历史数据 ， 了 运行数据， 超声波测距流程 放量检测系统工作过程如图 4 所示， 其中 1 （ 0 ） 代 表继电器的通（ 断） ； A（ a） 为工控机接收到不同继 写入 3 单片机的标示字； a123 电器的导通状态后， # a 表示 A 相电极， 123 表 为 3 单片机的返回数据， ， 示计数值 长度可以根据计数值和编码器所带轮 子直径计算得到。