２０１３年第３期 铁合金 ２０１３ＮＯ．３ 总第２３０期 ＦＥＲＲｏ．ＡＬＬＯＹＳ Ｔｏｔ．２３０ 矿热炉电极恒功率的自动控制与调节 董元江 （云南斗南锰业股份有限公司 文山 中国 ６６３１０１） 摘 要 阐述了矿热炉电极恒功率自动控制与调节设计及应用实践，通过对传统矿热炉人工半自动控制负荷改变 为恒功率自动控制与调节方式，使电极负荷控制精确，保证电极电流满足冶炼工艺要求，减少电极插入熔融料层内 做功的概率，从而达到节能的目的，即系统运用Ｌｏｇｉｘ５０００可编程软件，Ｒｓｖｉｅｗ３２上位软件，根据电炉运行实际工况 进行编程，改变传统控制方式，使电炉转为自动控制模式，精确控制电炉负荷。 关键词 自动控制 电炉负荷编辑程序 中图分类号ＴＦ３３３．１ 文献标识码Ｂ 文章编号１００１—１９４３（２０１３）０３—００３１－０３ ＥＬＥＣＴＲｏＤＥ ＣＯＮＳＴＡＮＴ．ＰＯＷＥＲ ＡＵＴｏＣｏＮＴＲｏＬ＆ ＲＥＧＵＬＡＴＩＮＧ ｏＦ ＳＵＢＭＥＲＧＥＤ．ＡＲＣ ＦＵＲＮＡＣＥ Ｄｏｎｇ Ｙｕａｎｊｉａｎｇ Ｙｕｎｎａｎ Ｄｏｕｎａｎ Ｍａｎｇａｎｅｓｅ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｗｅｎｓｈａｎ ６６３１０１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｔ ｅｘｐｌａｉｎｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｆｏｒ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｃｏｎｓｔａｎｔ—ｐｏｗｅｒ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇ ｏｆ ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ－・ａｒｃ ｆｕｒｎａｃｅ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｍａｎｕａｌ ｓｅｍｉ－－ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｈａｒｇｅ ｔｏ ｃｏｎｓｔａｎｔ－－ｐｏｗｅｒ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇ．Ｔｈｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａｃｃｕｒａｔｅ ｃｈａｒｇｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｆｉｔｓ ｓｍｅｌｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｒｅｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｄｏｉｎｇ ｗｏｒｋ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｉｎｓｅｒｔｉｎｇ ｍｏｌｔｅｎ ｍａｔｅｒｉｌａ ｂｅｄ，ａｔｔａｉｎｉｎｇ ｅｎｅｒｇｙ－ｓａｖｉｎｇ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｐｐｌｉｅｓ Ｌｏｇｉｘ５０００ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ Ｒｓｖｉｅｗ３２ ｕｐｐｅｒ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｉｔ ｐｒｏｇｒａｍｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｆｕｒｎａｃｅ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｂｙ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｏ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｏｒｌ，ａｃｈｉｅｖｅｓ ｐｒｅｃｉｓｅ ｃｈａｒｇｅ ｃｏｎｔｒｏ１． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｆｕｒｎａｃｅ，ｃｈａｒｇｅ，ｅｄｉｔｉｎｇ ｐｒｏｇｒａｍ 前言 程控制及信息综合管理，控制系统按梯级方式设计， 分４级设置控制，即电极运行负荷阶梯设置控制级、 传统矿热炉的控制多以手动控制为主，且电极 电极行程位置与外围设备信号检测控制级。电极负 三相负荷控制偏差较大，致使三相电极负荷严重不 荷变化缓冲响应升降控制级、计算机上位模拟画面 平衡。采用可编程逻辑控制器，利用其硬件和软件上 显示和信息综合管理数据处理级。该系统包含了从 的数控措施直接安装在工作现场并稳定工作。但如 电极液压系统、升降油缸、抱闸装置、压放油缸、把持 果单纯采用控制系统还是不宜实现现场监控以及工 油缸及电气控制的５７个检测监控点位信号检测装 艺参数的现场设置和修改，而且，电极负荷控制精度 置．并将各个设备的运行状态统一显示在计算机的 的不同，不仅决定了电炉的炉况、产品单耗及生产成 自动控制与调节画面上．通过动态模拟和数控显示 本的不同，还直接影响电炉炉缸的运行寿命。 电极当前控制状态和运行负荷情况。 １．２控制系统的选型 １系统配置需求 控制器选用美国Ａ—Ｂ公司的Ｌｏｇｉｘ５０００可编程 软件．上位人机界面显示软件采用Ｒｓｖｉｅｗ３２，该型号 １．１ 系统总体配置需求 的ＰＬＣ性价比高，故障率低，运行稳定，编程人员易 为确保控制系统的运行安全，实现电极负荷、行 学易操作，具有普及性；其次，系统软件具有开放性、 作者简介董元江男，１９７８年７月出生，２００５年７月毕业于昆明冶金专科学校电气自动化专业，助理工程师。现从事安全技 术管理工作。 收稿日期２０１３．０４—２０ ・３２・ 铁 合 金 ２０１３生 兼容性。界面直观。操作系统采用ｗｉｎｄｏｗｓ２０００，组态软 件为ＲＳｌｏｇｉｘ５０００，通讯软件为ＲＳｌｉｎｘ，通讯方式为 ＲＳ４８５。操作站采用ＨＰＰＣ，完成控制系统状态监控、 操作、数据分析、数据比较、数据打印功能。 １．３ 系统功能需求 控制系设置三大功能：（１）通过接受操作人员给 定的一次侧电流负荷数据。自动给定调节范围，设置 负荷控制的上限值与下限值；（２）通过上下限，将一 次侧电流负荷控制在一定范围内，并适时调节，保证 生产平稳进行；（３）在自动控制的同时，若因环境因素 需要手动控制电极，也能及时操作，不必进行切换操 作。具有适应生产需要的灵活性能，并保证生产安全 有序地进行。 ２功能模块分析与设计 ２．１ 系统功能结构分析 矿热炉负荷自动控制与调节主要分为自动控制 和手动控制。自动控制包括负荷计算和自动调节。 ２．２系统业务流程分析 详见图１、图２和图３。 图１第０层控制图 Ｆｉｇ．１ Ｌｅｖｅｌ ０ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｈａｒｔ 自动控 制系统 信息反馈一 图２第１层控制图 Ｆｉｇ．２ Ｌｅｖｅｌ １ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｈａｒｔ 堑 童 塞鎏 堑 图３第２层控制图 Ｆｉｇ．３ Ｌｅｖｅｌ ２ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｈａｒｔ ３设计依据 ３．１选择控制参数原理 变压器参数及负荷计算。型号为ＨＴＤＳＰＺ２０一 ＲＢ一８５００／１１０ Ｗ２，电炉额定容量为２．５ ＭＶＡ。当达 到额定负荷生产时，一次侧电压：１ １０ ｋＶ，一次侧电流： Ｉ１＝１３１．２ Ａ。不考虑短网原因及无功补偿的情况下， 根据高压侧电流与高压侧电压，计算出高压侧端的 功率，在变压器两端，剔除补偿，也不考虑热损失，变 压器的电压等级１１０ ｋＶ。根据变压器两端的电功率 相等，计算出低压侧电流的一个模糊值。 Ｕ高压侧・，高压侧＝Ｕ低压侧・，低压侧 （１） 在实际生产中变压器分接开关等级为４级．二 次侧电压一般在１４０ Ｖ左右，即，在满负荷生产时二 次侧电流１２＝１０３ １０１．３ Ａ，根据公式（１），计算二次电 流为，２＝，】 ／ ＝ｌ １０ ０００ｘ１３１．２／１４０＝１０３ ０８５．７ Ａ 由上式知．根据高压侧负荷控制，同样能够对低 压侧的负荷达到控制的效果，且与电压比成反比，即 １１ｉ Ｉ２＝Ｕ２｜Ｕ ３．２恒功率输出架构 由上述分析可知，电炉冶炼电能的有效利用率 依赖于电功率，即有功功率Ｐ、无功功率Ｑ和视在 功率Ｉｓ，只有利用功率计算，才能通过功率补偿来提 高电炉的电能有效利用率。Ｓ＝、／３ ，一次侧电压 １ １０ ｋＶ，且二次侧电压的值是根据工艺生产而考虑 的参数，经过变压，二次侧电压是一个确定参数，不做 考虑。又１１／，２＝ ／Ｕ，＝Ｋ，式中 为变压器变压系数。 所以．可以锁定视在功率的范围。只需要控制电流值， 而其中最重要的是确定一次侧电流，做到恒功率输 出，并通过给出的功率值，计算有功功率及无功功率， 并且加入补偿系统，降低无功损耗，提高功率因素，达 到电能的有效利用。 ３．３电极自动调节控制原理 系统设计的原理为：通过实际一次侧电流值，与 给定一次侧电流值相比较，若实际值＞给定值，则相 应地提升电极，使实际负荷降低，与给定值相等；反 之则相反。但在实际生产中，由于炉况的不稳定因素， 造成一次侧电流波动较大，如刺火、翻渣等的发生概 率较高。若给定一次侧电流时，只给定一个值和实际 电流比较来确定电极该情况，则容易造成电极动作 频繁。负荷更加不稳定。因此，最有效的办法是根据 给定的电流，计算出该电流的数据缓冲区。在负荷发 生变化的情况下，只要不超过缓冲区的范围。则不调 第３期 董元江 矿热炉电极恒功率的自动控制与调节 ・３３・ 节电极；如若超过缓冲区的范围，则相应地调节电极， 保证负荷平稳．维持功率的恒定设定范围。 ３．４负荷缓冲区的设置 ３．４．１基于考虑电流变化的上、下限值，必须保证变 化范围不超过给定电流的９０％。 器 ３．４．２延时部分。确定实际负荷的变化是瞬间负荷 整簪３绞 ０１８３．Ｍ 变化还是恒定负荷变化，确保电极运行平稳。通过预 设负荷与电极预设调整时间的综合比较，在设定时 间内如负荷变化呈上升或下降趋势，则电极执行相 应地调整：电极调整时间则在保证电极负荷平稳变 化下进行预设：延时时间一般确定在３００ ｓ内将电 极负荷调整在预设负荷内。 ３．４＿３ 添加波动系数。经过与电炉实际情况的实验 确定系数。主要根据电极升降油缸速度、电炉炉型、 几何尺寸参数、综合人炉原料结构进行具体设定。 在实际生产的时候，首先应给定一次侧负荷值 ，】，并根据给定的， ，计算出相应的上、下限值。 ，础＝Ｉ１×（１ ％） （２） ＝，１×（１－ｘ％） （３） 并根据，懈与 的值和电炉实际情况的参数， 确定电流变化的数据缓冲区，设上限为 ，下限为 ，则实际一次侧电流，就应满足 ＜，＜ 。再根据 控制原理，实际值＞给定值，则相应的提升电极，使实 际负荷降低，与给定值相等；反之则相反。 ４主要功能模块原理图 模块控制原理见图４、图５和图６。 ＋１５ Ｖ 图４数字输入模块控制原理图 Ｆｉｇ．４ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｉｎｐｕｔ ｍｏｄｕｌｅ 图５模拟输入模块控制原理图 Ｆｉｇ．５ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｈａｒｔ ｏｆ ａｎａｌｏｇ ｉｎｐｕｔ ｍｏｄｕｌｅ 简化示意糊ＤＣ。０（＋） 图６模拟输出模块控制原理图 Ｆｉｇ．６ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｈａｒｔ ｏｆ ａｎａｌｏｇ ｏｕｔｐｕｔ ｍｏｄｕｌｅ ５运用效果 ２００９年初。将新研发的矿热电炉电极恒功率自 动控制与调节控制系统在公司内的３种不同炉型、 不同容量的电炉上运用。通过３年的实践，运行控制 效果显著，电炉三相电极负荷控制均衡，达到了预期 效果，三相电极的负荷均控制在３～５ Ａ的偏差范围 内，产品单耗（电耗）每吨下降４０￣６０ ｋＷｈ，减少了线路 损耗，提高了电炉变压器、高压断路器的使用寿命， 降低了操作工劳动强度，同时还提高了设备整体的 运行效率．减少了设备事故。 ６结语 优化电炉设备性能、提高电炉自动化控制水平、 降低能耗、提高产量是目前国内倡导各个高耗能企 业实现节能减排的发展趋势。实践表明，利用ＰＬＣ可 编程控制器研发的电极恒功率自动控制与调节控制 系统在大型矿热电炉生产运用中是可行的。在保证 产品质量、优化设备性能、延长电炉运行寿命、降低 生产成本、提高经济效益方面起到了积极作用。