电弧炉控制系统方案

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五矿（湖南）铁合金有限责任公司103#硅锰合

金冶炼炉优化控制系统

方

案

设

计

说

明

书

中南大学信息科学与工程学院

二○一○年三月

一、开发背景

五矿（湖南）铁合金集团有限公司103#10000KVA矿热炉主要用于熔炼硅锰合金和碳锰合金，整个生产系统由炉体、供电变压器及保护系统、配加料系统、电极卷扬升降控制系统、电极压放子系统和炉体水冷系统等组成。目前，配加料子系统采用了计算机自动控制；电极压放子系统依靠人工凭经验综合考虑炉况、二次电压、一次电流、熔炼时间等因素，输入控制信号给PLC，由PLC来完成电极的定长压放；电极升降是依靠人工凭经验综合考虑二次电压、一次电流及炉盖温度等因素进行调节；供电变压器二次侧电压等级靠人工根据炉况和电压、电流、功率等因素凭经验进行调整。这种靠人工凭经验来控制冶炼过程的方法难以保证矿热炉稳定持续地工作在最佳工作范围内，调节过程相对滞后、工人操作强度大、工作效率低，容易出现电极烧结不好、耗电量大、炉况不稳定等问题，难以保证产品的产量和质量。

二、设计要求

针对五矿（湖南）铁合金集团有限公司103#矿热炉熔炼过程控制自动水平低下带来的各种问题，通过现场调研和与工艺技术人员交流沟通，结合生产的实际需要，搭建103#矿热炉优化控制系统，以达到如下目标：1．通过建立电极位置模型，在线检测电极的升降量和压放量，实现电极自动升降和自动压放；并通过采用合理的算法，计算电极长度及其位置，控制电极处于最优位置区域内，使三相有功功率平衡度在原有基础上提高2-3%，提高功率因数。

2．通过建立实时数据库，实时采集熔炼过程数据，实现整个矿热炉控制系统的运行监视、事故报警与记录、统计分析和报表打印、日常生产管理以及安全管理等功能，并实现变压器的继电保护。

3．通过对矿热炉供电网电能质量在线检测与监视，实时监测电极升降压放等操作和供电电流电压、功率因数的对应状态，分析三相不平衡、无功损耗及其对用电设备的影响，分析谐波损耗及其波形畸变用电设备的影响，使电能质量各项指标的监测精度达到2%以上。

4．在保证产品质量的前提下，根据用电制度和造渣制度，综合考虑原料成分和品位、产品成分、矿热炉设备参数、熔炼过程状态参数等因数的影响，建立生产过程优化控制模型，优化供电电压等级及电极插入深度，提高稳定运行率5%以上。

三、设计方案

系统总体结构

五矿（湖南）铁合金集团有限公司103#矿热炉优化控制系统由电极位置自动控制子系统、生产过程参数集中监视子系统、生产设备故障监测与预警子系统、生产过程优化控制子系统、电能质量在线检测与综合分析子系统五部分组成，系统的整体结构如图1所示。

图1103#矿热炉优化控制系统总体结构

系统功能介绍

电极位置自动控制子系统

电极位置自动控制包括电极位置检测和电极位置控制两大部分。电极位置检测的目的是建立电极位置模型，通过在线检测电极的升降量和压放

量，计算电极长度及其位置。电极位置检测和长度的计算采用间接测量法求得，电极位置模型为

yx xh y sj L L L L L L ∆-∆-∆+∆+=0

电极长度模型为：

yx xh y cs cd L L L L L ∆-∆-∆+=

式中，

0L 为电极的初始位置；

sj L ∆为实测电极升降量；

y L ∆为电极的压放量；

xh L ∆为电极的正常损耗量；

yx L ∆为电极异常损耗量；

cd L 为电极的长度；

cs L 为电极的初始长度。

sj L L ∆+0由绝对式光电编码器检测得到；

y L ∆由次数*固定压放量统计得到；

xh L ∆由炉料消耗量、生产过程状态参数、产量等推断可得到一个较准

确的消耗速率（此速率可以根据路况不同更改），累积超过30mm 提示压放。

yx L ∆可由手动输入估计的异常消耗量，超过30mm 提示压放。

电极位置控制的主要包括电极升降控制和电极的压放控制。电极升降控制的目标是保持电极插入位置最佳，实现三相熔池有功功率平衡、有功功率大、功率因数高、线路电流小，保持较好的炉况。电极压放控制的目标是通过压放电极来补充电极的消耗量，以保持电极工作端的长度最佳。

1． 电极升降控制

矿热炉冶炼过程中，因为工况复杂，干扰较多，三相电极的最优位置会实时改变。为使电极稳定工作于最优位置区域内，可通过升降电极来实现三相熔池有功功率平衡、有功功率大、功率因数高、线路电流小，并维持最佳的炉况。电极升降控制分为手动控制和自动控制两种方式，自动升降控制系统结构如图2所示。

电流测量电压测量PLC 控制器

u i

功率检测交流力矩电机

电极升降机构

光电编码器 主电路变频器电极位置设定

工业控制计算机检测信号电能质量在

线监测与分

析装置温度

压力

产量、质量、能耗指标图2电极自动升降系统系统结构图

但因为矿热炉冶炼过程复杂，在冶炼过程中可能会出现一些特殊情

况。为了能应对矿热炉冶炼过程中可能出现的各种情况，设置不同的电极调节方法：

炉况正常时，采用最优位置控制

此时控制信号由电极目前所处位置、最优插入深度和控制算法求得。最优电极位置可由人工凭经验来设定，也可通过对大量历史数据（如电

压、电流、有功功率、功率因数、炉气成分、炉膛温度等）分析，综合专家经验知识，经建模和优化计算得到。电极最优位置稳定控制结构如图3所示， 控制器变频器电极位置优

化模型工况参数:原料组分、配比、产量、

能耗、电压、电流、功率因数...交流异步

电机电极升降机构

电极的消耗量、压

放量和升降量

qw L ∆xj

L ∆光电编码器

图3电极最优位置稳定控制结构图

其中qw L ∆为电极设定的最优升降量，sj L ∆为电极实际升降量。控制器根

据实际升降量与电极设定最优升降量差值的大小来给定频率和升降时间，当差值较大时采用较高速度升降电极；当差值较小或炉况不稳定时，采用较低速度升降电极。

当电流下降或上升幅度过大时，采用恒电流控制

此时控制信号由一次侧电流决定，以便使电路中的电流快速地恢复到正常工作范围之内。

不可抬升电极的情况处理

出铁时，为防止出现塌料，出铁口附近的电极不能上抬；电极出现异常时，如中间凹陷，则一般不能抬升。

故障情况下电极的处理

当矿热炉自动控制系统出现故障时，系统给出相关状态信息并报警，提示操作人员切换到手动控制，以保证矿热炉的正常生产。

2． 电极压放控制