基于PLC实现的电弧炉电极控制系统
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应用技术
太原科技 2010 年第 3 期 TAIYU AN SCI- TECH
文 章 编 号 ：1006－4877（2010）03－0078－03
基于 PLC 实现的 电弧炉电极控制系统
赵惠军 1，2，周 浩 3
（ 1. 北方工业大学， 北京 100041； 2. 西门子楼宇科技 （ 天津） 有限公司， 北京 100102； 3. 北京科技大学， 北京 100083）
3. Beijing University of Science and Technology, Beijing 100083, China） Abstract: In this paper, the author introduced electrode conrol system which is constituted by PLC and converter and designed control block diagram of the whole system. Basing on system hardware, the author analyzed flow chart of system software. Finally, automatic control accurately of electrode lifting came true with advantages of better control effect, easy operation and easy maintenance, which effcitively reduced short circuit of electrode and arc breaking. Key words: arc furnace; PLC; electrode control
与质量,2003(2):45- 46. （ 实习编辑 高 腾）
Arc Furnace & Electrode Control System Basing on PLC
Zhao Hui-jun1，2，ZhLeabharlann Baiduu Hao3
（1. North University of Industry, Beijing 100041, China; 2. Siemens Building Technologies (Tianjin) Co., Ltd. Beijing 100102, China;
2） 变频器。 为了实现能源的充分利用和生产 的需要， 必须对电机进行转速调节， 考虑到电机的 启动、 运行、 调速和制动的特性， 该系统交流变频 调速器采用西门子 MICROMASTER 440 通用型变频 器对电机进行调速控制。
3） 监控系统。 图 1 为监控系统硬件结构图 。 监控系统包括两台监控计算机， 全部采用研华专业 工控机， 通过工业以太网与电极控制站 PLC 通信， 软件选用西门子 WinCC 开发的 监 控 界 面 ， 主 要 有 以下功能： 一是实时显示现场采集参数， 数据刷新 时间小于 1 s； 二是显示工艺画面； 三是通过画面
1） 可编程控制器 PLC 实现的系统逻辑控制部 分 。 系 统 中 的 S7-300 PLC 由 电 源 模 块 PS307、 数 字量输入模块 SM321、数字量输出模块 SM322、模拟 量 输 入 模 块 SM331 和 CPU315 等 组 成 。 SIMATIC S7-300 PLC 在 本 系 统 中 作 为 主 控 制 器 处 理 具 有 以 下功能： 一是作为 DP 网络的主站负责与子站的通 信； 二是作为逻辑控制器来处理各种输入、 输出信 号以及信号联锁等功能； 三是作为模拟信号的采集 器来负责采集三相电压及电流等模拟信号； 四是作 为调节器来控制电极的电流闭环控制； 五是电炉变 压器状态监测； 六是高压供电控制； 七是高压变压 器档位变换控制。
基 于 PLC 实 现 的 电 弧 炉 电 极 控 制 系 统 是 为 某 钢铁公司电弧炉改造的系统， 设备为卢森堡引进的 二手设备， 经过多年的使用， 该控制系统的可靠性 整体下降, 常常由于设备的故障而影响生产。 为了 能获得更好的冶炼指标， 降低冶炼成本， 提高设备 的可靠性， 公司提出对电弧炉进行改造， 改造后的 系统是采用 PC 和 PLC 相结合的电气控制系统。
可对功率调节器和电极升降进行自动操作、 手动操 作、 控制设定等； 四是可查阅各个参数的实时曲 线、 历史趋势，其中历史趋势可存档时间大于 15 d； 五是可对各报警信号进行归档并显示报警画面。
4） 制动电阻。 当电极减速运行时， 电动机处 于发电状态， 向变频器回馈电能， 电机的同步转速 下降， 造成交-直-交变频器的直流母线电压升高， 所以系统中必须配置制动电阻。 制动电阻的作用是 消耗回馈电能， 并能抑制直流母线电压升高。 3 控制软件功能
变压器换压控制功能是由操作台上的 1 个转换 开关来实现的， 另外两个按钮控制升压和降压的操 作。 升压或降压按钮发出的开关量信号输入 DI 模 块， 经处理后， 由 DO 模块输出开关量信号经中间 继电器后控制变压器换压继电器动作， 从而控制变 压器升压或降压。 该系统具有安全联锁及紧急处理 等功能， 为保证电炉的安全运行， PLC 程序控制中 必须有可靠的联锁控制。 在主操作台上还应安装一 个 “紧急停按钮”， 当出现紧急情况时， 按下此按 钮即可使高压开关柜分闸， 并处于自锁状态。 2 系统硬件构成
参考文献： [1] 马竹梧,邹立功.钢 铁 工 业 自 动 化.炼 钢 卷[M].北 京:冶 金 工
业 出 版 社 ,2003. [2] 李 志 宏.S7- 200 PLC 在 自 耗 电 极 电 弧 炉 电 极 升 降 控 制 系
统中的应用[J].太原重型机械学院学报,2003,24(3):23- 24. [3] 白 庆 阳.采 用 PC 与 PLC 的 电 炉 控 制 系 统[J].冶 金 标 准 化
应用技术
信号给执行机构， 对电极位置自动调节， 从而控制 输入炉内的功率， 满足冶炼工艺要求。 此方法具有 结构简单、 控制灵活、 自适应性强、 可靠性高和操 作简便等优点。
电极控制部分可分为自动、 软手动和硬手动 3 种 方 式 。 自 动 方 式 由 PLC 根 据 人 工 输 入 的 参 数 和 现场采集的数据进行综合分析， 得出最佳的升降方 案， 控制电极的动作； 软手动方式由人工通过键盘 或者鼠标对计算机进行操作， 实现对电极的控制； 硬手动方式则由操作台上的按钮来实现。
由于 PLC 的功能强大、 容易使用、 高可靠性， 常常被用做现场数据的采集和设备的控制。 因此该 系 统 由 PLC 完 成 数 据 采 集 和 对 变 频 器 、 电 机 等 设 备的控制任务。 利用软件 WinCC 良 好 的 人 机 界 面 和通信能力， 使工作人员可以在中央控制室的 PC 机上方便地浏览现场的工业流程、 变频器的参数设 置、 故障诊断、 电机的启动和停止等功能。 系统中 采用工控机作为人机界面平 台 ， 采 用 WinCC 作 为 系统上位机监控软件主要是显示各种数据及状态， 并通过人机界面进行操作及输入用户设定的数据， 也可完成各冶炼参数的采集归档[1]。 WinCC 监控软 件拥有强大的组态功能及细腻的画面显示， 并能方 便地和其他西门子产品通信连接。 1 系统结构
图 2 为系统 的 控 制 软 件 框 图 。 图 2 中 Ek 为 偏 差信号， SP 为电流给定百分比， PV 为电流反馈百 分比， 当 Ek>0 时， 电极上升； 当 Ek<0 时， 电极下 降 。 由 于 PID 调 节 原 理 简 单 、 适 应 性 好 、 鲁 棒 性 强， 因此该系统采用了 PID 调节。
经过改造的电弧炉系统由炉体本体、 电极调节 部分、 高压开关柜和变压器等部分组成， 控制部分 采用电气、 仪表和计算机三电一体化， 提高了整个 系统的可靠性。
电极选用西门子 MICROMASTER 440 系列变频 器， 用以控制驱动， 它具有可靠性强、 调速性能高 等特点， 同时具有较高的性价比和高度的灵活性。 电极控制系统由采集输入、 计算调节、 手动操作输 入和输出部分组成。 通过信号变换电路及输入模块 采集系统各相电弧电压、 电流、 变压器等级和其他 相关的给定信号， 经控制器 PID 运算处理后， 输出
收 稿 日 期 ：2009－11－28；修 回 日 期 ：2010－01－11 作者简介：赵惠军（ 1970- ） ，男，吉林长春人，在读硕士，助理工程师，主要从事控制工程研究，E- mail：huijun.zhao@siemens.com。
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消耗等。 该系统采用了恒定弧阻的调节原理， 当弧 压确定时， 恒定弧阻相当于恒定弧流， 电弧炉变压 器共有 11 个档位， 根据变压器档位不同将二次电 压、 电流设定为相应弧阻， 并对实时采集的弧流与 给定弧流进行比较， 其差值作为 PID 输入信号， 经 PID 运算后， 再经模板转换为模拟量信号， 调节电 磁阀的开关程度， 以达到控制电极升降的目的； S7 可编程控制器提供了标准的 PID 控制功能模块， 根 据电炉控制系统设计要求， 既要求冶炼时燃弧稳 定， 又要求引弧时要有较高的调节灵敏度且时间常 数大的特点， 以相等的时间间隔 3 次调用 PID 功能 块， 3 个电极的自动控制是分别进行的， 每个电极 的自动控制都是带 PID 算法的闭环系统[3]。
主 程 序 结 构 ： 系 统 主 程 序 由 OB1 完 成 ， 包 括 功 能 块 DB101， DB102， DB103， 其 功 能 是 运 行 PID 闭环调节的功能块。 数据块 DB 用来分类储存 设备或生产线中变量的值， 而数据块是用来实现各 逻辑块之间的数据交换、 数据传递和共享数据的重
开始
初始化程序
通信程序
接受上命令位机命令
采集工况信号
Ek=SP-PV
N Ek=0？
Y 电极静止
电极升
Y
N
Ek＞0？
电极降
通信程序
接受停止命令，结束
图 2 控制软件框图 系统控制软件主要有以下两大部分： 一是电极 升降控制程序； 二是弧压、 弧流运算， 高压供电及 上位机数据传送程序。 电弧炉电极升降的控制是电 弧炉控制系统重要组成部分， 其控制性能直接影响 输送到电弧炉的电功率、 电效率、 冶炼生产及电极
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， 借助于辐射和电 弧的直接作用对金属和炉渣进行加热的一种冶炼方 法。 电弧炉的主要能量来源于三相电极输入的电 能， 是通过升降电极的方法来调节电极电流以维持
电流、 功率和炉温满足工艺要求， 因而整个控制系 统的核心是对电极的位置进行精确控制， 最终实现 对定位信号的精确跟踪控制。 此外， 电极升降调节 系统的可靠性及响应速度直接对降低电能消耗、 减 少对电网的冲击以及最大限度地发挥电弧熔炼炉的 冶炼潜力等均会产生十分重要的影响[2]。
摘 要：利用可编程控制器和变频器构成电弧炉控制系统， 给出了整个系统的控制框图， 并在此基础上对系统的软 件流程图进行了分析， 实现了对电极升降的自动准确控制， 有效地减少了电极短路、 断弧等现象， 具有控制效果良 好、 操作简单和维护方便的优点。 关 键 词 ：电 弧 炉 ；PLC；电 极 控 制 中图分类号：TP273 文献标志码：A
要途径。 4 结束语
经过改造， 电炉冶炼时间由改造前的 60 min/炉 变为 30 min/炉， 同时有效降低了电弧炉的电耗量， 取得了较好的经济效益。 基于 PLC 实现的电弧炉电 极控制系统的主要性能指标为电弧电流整定范围在 30％～120％Ih； 三相功率不平衡度≤5%； 非灵敏区 2ΔIh≤±5％； 电极最大下降速度为 3 m/min； 电极最 大 上 升 速 度 为 5 m/min； 电 极 上 升 下 降 响 应 时 间≤ 0.3 s。
电极升降控制系统是利用弧流设定值与反馈值 比较差来对电极位置进行调节控制， 当设定值大于 反馈值时， 电极上升， 反之电极下降， 最终达到实 际电流值等于给定电流值。 在控制过程中， 如果发 生电极下降与炉渣接触的情况时， 应马上停止下 降， 以防电极插入钢液， 然后将电极缓慢上升到所 选电压的下极限值， 并转换到测量调节信号， 使电 极再次下降。 这一提升和下降过程不断重复直到起 弧为止。
太原科技 2010 年第 3 期 TAIYU AN SCI- TECH
文 章 编 号 ：1006－4877（2010）03－0078－03
基于 PLC 实现的 电弧炉电极控制系统
赵惠军 1，2，周 浩 3
（ 1. 北方工业大学， 北京 100041； 2. 西门子楼宇科技 （ 天津） 有限公司， 北京 100102； 3. 北京科技大学， 北京 100083）
3. Beijing University of Science and Technology, Beijing 100083, China） Abstract: In this paper, the author introduced electrode conrol system which is constituted by PLC and converter and designed control block diagram of the whole system. Basing on system hardware, the author analyzed flow chart of system software. Finally, automatic control accurately of electrode lifting came true with advantages of better control effect, easy operation and easy maintenance, which effcitively reduced short circuit of electrode and arc breaking. Key words: arc furnace; PLC; electrode control
与质量,2003(2):45- 46. （ 实习编辑 高 腾）
Arc Furnace & Electrode Control System Basing on PLC
Zhao Hui-jun1，2，ZhLeabharlann Baiduu Hao3
（1. North University of Industry, Beijing 100041, China; 2. Siemens Building Technologies (Tianjin) Co., Ltd. Beijing 100102, China;
2） 变频器。 为了实现能源的充分利用和生产 的需要， 必须对电机进行转速调节， 考虑到电机的 启动、 运行、 调速和制动的特性， 该系统交流变频 调速器采用西门子 MICROMASTER 440 通用型变频 器对电机进行调速控制。
3） 监控系统。 图 1 为监控系统硬件结构图 。 监控系统包括两台监控计算机， 全部采用研华专业 工控机， 通过工业以太网与电极控制站 PLC 通信， 软件选用西门子 WinCC 开发的 监 控 界 面 ， 主 要 有 以下功能： 一是实时显示现场采集参数， 数据刷新 时间小于 1 s； 二是显示工艺画面； 三是通过画面
1） 可编程控制器 PLC 实现的系统逻辑控制部 分 。 系 统 中 的 S7-300 PLC 由 电 源 模 块 PS307、 数 字量输入模块 SM321、数字量输出模块 SM322、模拟 量 输 入 模 块 SM331 和 CPU315 等 组 成 。 SIMATIC S7-300 PLC 在 本 系 统 中 作 为 主 控 制 器 处 理 具 有 以 下功能： 一是作为 DP 网络的主站负责与子站的通 信； 二是作为逻辑控制器来处理各种输入、 输出信 号以及信号联锁等功能； 三是作为模拟信号的采集 器来负责采集三相电压及电流等模拟信号； 四是作 为调节器来控制电极的电流闭环控制； 五是电炉变 压器状态监测； 六是高压供电控制； 七是高压变压 器档位变换控制。
基 于 PLC 实 现 的 电 弧 炉 电 极 控 制 系 统 是 为 某 钢铁公司电弧炉改造的系统， 设备为卢森堡引进的 二手设备， 经过多年的使用， 该控制系统的可靠性 整体下降, 常常由于设备的故障而影响生产。 为了 能获得更好的冶炼指标， 降低冶炼成本， 提高设备 的可靠性， 公司提出对电弧炉进行改造， 改造后的 系统是采用 PC 和 PLC 相结合的电气控制系统。
可对功率调节器和电极升降进行自动操作、 手动操 作、 控制设定等； 四是可查阅各个参数的实时曲 线、 历史趋势，其中历史趋势可存档时间大于 15 d； 五是可对各报警信号进行归档并显示报警画面。
4） 制动电阻。 当电极减速运行时， 电动机处 于发电状态， 向变频器回馈电能， 电机的同步转速 下降， 造成交-直-交变频器的直流母线电压升高， 所以系统中必须配置制动电阻。 制动电阻的作用是 消耗回馈电能， 并能抑制直流母线电压升高。 3 控制软件功能
变压器换压控制功能是由操作台上的 1 个转换 开关来实现的， 另外两个按钮控制升压和降压的操 作。 升压或降压按钮发出的开关量信号输入 DI 模 块， 经处理后， 由 DO 模块输出开关量信号经中间 继电器后控制变压器换压继电器动作， 从而控制变 压器升压或降压。 该系统具有安全联锁及紧急处理 等功能， 为保证电炉的安全运行， PLC 程序控制中 必须有可靠的联锁控制。 在主操作台上还应安装一 个 “紧急停按钮”， 当出现紧急情况时， 按下此按 钮即可使高压开关柜分闸， 并处于自锁状态。 2 系统硬件构成
参考文献： [1] 马竹梧,邹立功.钢 铁 工 业 自 动 化.炼 钢 卷[M].北 京:冶 金 工
业 出 版 社 ,2003. [2] 李 志 宏.S7- 200 PLC 在 自 耗 电 极 电 弧 炉 电 极 升 降 控 制 系
统中的应用[J].太原重型机械学院学报,2003,24(3):23- 24. [3] 白 庆 阳.采 用 PC 与 PLC 的 电 炉 控 制 系 统[J].冶 金 标 准 化
应用技术
信号给执行机构， 对电极位置自动调节， 从而控制 输入炉内的功率， 满足冶炼工艺要求。 此方法具有 结构简单、 控制灵活、 自适应性强、 可靠性高和操 作简便等优点。
电极控制部分可分为自动、 软手动和硬手动 3 种 方 式 。 自 动 方 式 由 PLC 根 据 人 工 输 入 的 参 数 和 现场采集的数据进行综合分析， 得出最佳的升降方 案， 控制电极的动作； 软手动方式由人工通过键盘 或者鼠标对计算机进行操作， 实现对电极的控制； 硬手动方式则由操作台上的按钮来实现。
由于 PLC 的功能强大、 容易使用、 高可靠性， 常常被用做现场数据的采集和设备的控制。 因此该 系 统 由 PLC 完 成 数 据 采 集 和 对 变 频 器 、 电 机 等 设 备的控制任务。 利用软件 WinCC 良 好 的 人 机 界 面 和通信能力， 使工作人员可以在中央控制室的 PC 机上方便地浏览现场的工业流程、 变频器的参数设 置、 故障诊断、 电机的启动和停止等功能。 系统中 采用工控机作为人机界面平 台 ， 采 用 WinCC 作 为 系统上位机监控软件主要是显示各种数据及状态， 并通过人机界面进行操作及输入用户设定的数据， 也可完成各冶炼参数的采集归档[1]。 WinCC 监控软 件拥有强大的组态功能及细腻的画面显示， 并能方 便地和其他西门子产品通信连接。 1 系统结构
图 2 为系统 的 控 制 软 件 框 图 。 图 2 中 Ek 为 偏 差信号， SP 为电流给定百分比， PV 为电流反馈百 分比， 当 Ek>0 时， 电极上升； 当 Ek<0 时， 电极下 降 。 由 于 PID 调 节 原 理 简 单 、 适 应 性 好 、 鲁 棒 性 强， 因此该系统采用了 PID 调节。
经过改造的电弧炉系统由炉体本体、 电极调节 部分、 高压开关柜和变压器等部分组成， 控制部分 采用电气、 仪表和计算机三电一体化， 提高了整个 系统的可靠性。
电极选用西门子 MICROMASTER 440 系列变频 器， 用以控制驱动， 它具有可靠性强、 调速性能高 等特点， 同时具有较高的性价比和高度的灵活性。 电极控制系统由采集输入、 计算调节、 手动操作输 入和输出部分组成。 通过信号变换电路及输入模块 采集系统各相电弧电压、 电流、 变压器等级和其他 相关的给定信号， 经控制器 PID 运算处理后， 输出
收 稿 日 期 ：2009－11－28；修 回 日 期 ：2010－01－11 作者简介：赵惠军（ 1970- ） ，男，吉林长春人，在读硕士，助理工程师，主要从事控制工程研究，E- mail：huijun.zhao@siemens.com。
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太原科技 2010 年第 3 期 TAIYU AN SCI- TECH
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太原科技 2010 年第 3 期 TAIYU AN SCI- TECH
消耗等。 该系统采用了恒定弧阻的调节原理， 当弧 压确定时， 恒定弧阻相当于恒定弧流， 电弧炉变压 器共有 11 个档位， 根据变压器档位不同将二次电 压、 电流设定为相应弧阻， 并对实时采集的弧流与 给定弧流进行比较， 其差值作为 PID 输入信号， 经 PID 运算后， 再经模板转换为模拟量信号， 调节电 磁阀的开关程度， 以达到控制电极升降的目的； S7 可编程控制器提供了标准的 PID 控制功能模块， 根 据电炉控制系统设计要求， 既要求冶炼时燃弧稳 定， 又要求引弧时要有较高的调节灵敏度且时间常 数大的特点， 以相等的时间间隔 3 次调用 PID 功能 块， 3 个电极的自动控制是分别进行的， 每个电极 的自动控制都是带 PID 算法的闭环系统[3]。
主 程 序 结 构 ： 系 统 主 程 序 由 OB1 完 成 ， 包 括 功 能 块 DB101， DB102， DB103， 其 功 能 是 运 行 PID 闭环调节的功能块。 数据块 DB 用来分类储存 设备或生产线中变量的值， 而数据块是用来实现各 逻辑块之间的数据交换、 数据传递和共享数据的重
开始
初始化程序
通信程序
接受上命令位机命令
采集工况信号
Ek=SP-PV
N Ek=0？
Y 电极静止
电极升
Y
N
Ek＞0？
电极降
通信程序
接受停止命令，结束
图 2 控制软件框图 系统控制软件主要有以下两大部分： 一是电极 升降控制程序； 二是弧压、 弧流运算， 高压供电及 上位机数据传送程序。 电弧炉电极升降的控制是电 弧炉控制系统重要组成部分， 其控制性能直接影响 输送到电弧炉的电功率、 电效率、 冶炼生产及电极
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， 借助于辐射和电 弧的直接作用对金属和炉渣进行加热的一种冶炼方 法。 电弧炉的主要能量来源于三相电极输入的电 能， 是通过升降电极的方法来调节电极电流以维持
电流、 功率和炉温满足工艺要求， 因而整个控制系 统的核心是对电极的位置进行精确控制， 最终实现 对定位信号的精确跟踪控制。 此外， 电极升降调节 系统的可靠性及响应速度直接对降低电能消耗、 减 少对电网的冲击以及最大限度地发挥电弧熔炼炉的 冶炼潜力等均会产生十分重要的影响[2]。
摘 要：利用可编程控制器和变频器构成电弧炉控制系统， 给出了整个系统的控制框图， 并在此基础上对系统的软 件流程图进行了分析， 实现了对电极升降的自动准确控制， 有效地减少了电极短路、 断弧等现象， 具有控制效果良 好、 操作简单和维护方便的优点。 关 键 词 ：电 弧 炉 ；PLC；电 极 控 制 中图分类号：TP273 文献标志码：A
要途径。 4 结束语
经过改造， 电炉冶炼时间由改造前的 60 min/炉 变为 30 min/炉， 同时有效降低了电弧炉的电耗量， 取得了较好的经济效益。 基于 PLC 实现的电弧炉电 极控制系统的主要性能指标为电弧电流整定范围在 30％～120％Ih； 三相功率不平衡度≤5%； 非灵敏区 2ΔIh≤±5％； 电极最大下降速度为 3 m/min； 电极最 大 上 升 速 度 为 5 m/min； 电 极 上 升 下 降 响 应 时 间≤ 0.3 s。
电极升降控制系统是利用弧流设定值与反馈值 比较差来对电极位置进行调节控制， 当设定值大于 反馈值时， 电极上升， 反之电极下降， 最终达到实 际电流值等于给定电流值。 在控制过程中， 如果发 生电极下降与炉渣接触的情况时， 应马上停止下 降， 以防电极插入钢液， 然后将电极缓慢上升到所 选电压的下极限值， 并转换到测量调节信号， 使电 极再次下降。 这一提升和下降过程不断重复直到起 弧为止。