鈦渣電爐借助于電極通過大電流，以電阻熱和電弧熱的形式加熱物料完成冶煉。從電爐的功率曲線可知，不同電弧電流對應(yīng)不同的電弧功率，當(dāng)弧流超過有利的調(diào)節(jié)電流時，輸入爐內(nèi)的功率并不會因為電流的增加而增大，反而線路上的電耗將增大，難以獲得目標(biāo)中的經(jīng)濟(jì)效益，同時可能損壞爐襯，加大電極的消耗量。如何將電流控制在一個合理范圍，并可靠地控制，使其達(dá)到既保護(hù)設(shè)備安全又具有可觀經(jīng)濟(jì)收益，是電爐實現(xiàn)控制的目標(biāo)。

　　在攀鋼鈦業(yè)公司鈦渣廠，25.5MVA鈦渣電爐（國內(nèi)最大的鈦渣電爐）采用控制液壓系統(tǒng)電磁閥得電時間，來實現(xiàn)電極升降動作從而達(dá)到對單相電極熔煉過程的恒流控制。為達(dá)到爐內(nèi)電極三相功率平衡，在以電流為主進(jìn)行控制的同時輔以二次電壓的調(diào)節(jié)，來保證輸入爐內(nèi)的三相功率在一定范圍內(nèi)達(dá)到平衡。

　　在鈦渣冶煉工藝中，使用西門子S7-400 PLC對電極調(diào)節(jié)過程進(jìn)行控制能夠保證設(shè)備可靠、準(zhǔn)確運行，完全能滿足鈦渣冶煉過程電極控制要求。

　　1 電極電流控制工藝要求及控制原理說明

　　常規(guī)的電極升降控制，被控量計算取決于電極升降調(diào)節(jié)方式，有阻抗控制、功率控制和電流控制。而鈦渣冶煉是按功率曲線的設(shè)定和優(yōu)化進(jìn)行控制。

　　一個完整的工作過程是系統(tǒng)投運前，自動檢查各設(shè)備運行狀態(tài)，使其置于設(shè)定的初始位置，并由PLC系統(tǒng)發(fā)出確認(rèn)指令，電極的升降控制由預(yù)先輸入到PLC的功率曲線來完成。

　　在鈦渣冶煉過程中由于同時存在電阻爐和電弧爐的工作過程，所以我們應(yīng)按2個階段來考慮。在埋弧時，電極下部埋在爐料中，其加熱來自電極和爐料之間的電弧熱，但主要是電流通過爐料時產(chǎn)生的爐料電阻熱，此時負(fù)荷量很小，電流從零逐漸上升，電流變化快，功率因數(shù)高，三相負(fù)荷電流控制較難實現(xiàn)。當(dāng)爐料逐漸熔化，熔體的導(dǎo)電性增加，電阻值下降，明弧放電現(xiàn)象更加明顯，常易出現(xiàn)塌料翻渣現(xiàn)象，此時須快速提升電極，以防短路。爐料完全熔化后，電極根據(jù)設(shè)定參數(shù)與爐料保持一定高度，該過程通過調(diào)節(jié)電極的升降，控制電極電流和相電壓的變化，使電極功率按給定曲線運行。相對于整個工藝過程，此階段進(jìn)入冶煉“平穩(wěn)區(qū)”，同時，電極與時間及爐內(nèi)熔體中的FeO含量一起作為控制終點的輔助控制。在冶煉終點鈦渣出爐時，電極隨熔體液面下降，保持一定的電流電壓值，當(dāng)出渣時間接近設(shè)定值，切斷電爐供電電源。一個冶煉周期完成，電爐按預(yù)設(shè)程序恢復(fù)到開爐前狀態(tài)。

　　因冶煉工藝的特點，對爐子的控制和運行要采取相應(yīng)的保護(hù)措施，主要有短路保護(hù)和斷電極保護(hù)。系統(tǒng)設(shè)有優(yōu)先級：單相手動、三相手動、短路或斷電極時快速提升。設(shè)定點的計算和給定在上位機完成。

　　短路保護(hù)：監(jiān)控高壓側(cè)相電流，當(dāng)其超過一預(yù)設(shè)最大值時，電極上升。如翻渣時，電流成倍增大，計算機輸出電信號給液壓系統(tǒng)，迅速給大力缸供液，在5s內(nèi)使電極達(dá)到2.5~3m/min的速度迅速提升,并使電流下降,甚至為零。如電流值仍不下降，則延時T秒后系統(tǒng)供電系統(tǒng)自動切斷。

　　斷電極保護(hù)：在起弧階段，當(dāng)出現(xiàn)三電極不同時與物料接觸時，若仍采用正常調(diào)節(jié)方式，將因設(shè)定值和實際值之間偏差使電極下降，導(dǎo)致電極折斷。因此對這種情況采用“電壓-電流”控制方式，當(dāng)單個電極與爐料接觸時，雖電流為零，但弧壓也為零，該相輸出為零，電極停止下插。

　　在冶煉中，我們期望以最小的輸入功率換取最佳冶煉效果，但在冶煉過程中，電極電流和電壓的變化與爐料反應(yīng)及爐況息息相關(guān)。因此要實現(xiàn)恒電流控制首先就要找出一個參照系來做被控參數(shù)。考慮到冶煉工藝與化工控制中精細(xì)性的區(qū)別，在本方案中恒流控制的參照系是在PLC中輸入的一條設(shè)定功率曲線，它按時間段設(shè)定電極電流的大小，在一個冶煉周期中的不同冶煉時間，對電極電流設(shè)定值加以調(diào)整。

　　電爐變壓器高壓側(cè)如A相電流互感器檢測到A相電流變化，通過電流變送器轉(zhuǎn)化成4~20mA的電信號。電壓信號經(jīng)I/O卡板整形濾波，并與設(shè)定值比較、運算及放大處理后，去控制液壓系統(tǒng)的電磁閥，由電磁閥控制液壓換向閥導(dǎo)通時間，從而升降液壓缸以改變電極位置，最終達(dá)到控制電流的目的，原理圖見圖1。做為電爐本體的控制，爐體溫度、爐內(nèi)壓力、變壓器極數(shù)也是必須要檢測控制的。

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　　用PLC裝置實現(xiàn)電極控制主要由硬件和軟件2部分組成。

　　2 硬件組成

　　鈦渣控制系統(tǒng)硬件組成如圖2所示。根據(jù)現(xiàn)場控制點數(shù)、控制的精確性，電爐控制系統(tǒng)采用SIEMENS公司的S7-400系列控制器。控制系統(tǒng)主要由S7414-1和S7414-2組成，并配有2套西門子工控機做為上位機，1臺做操作員站，1臺通過權(quán)限設(shè)置平時做操作員站，修改程序時做工程師站。S7414-1主要完成電爐電極的升降控制、壓放控制，熱參數(shù)控制及電爐本體數(shù)據(jù)的采集、計算及控制等；S7414-2主要完成原料稱量輸送數(shù)據(jù)的采集、計算及控制。2臺主控制器與其遠(yuǎn)程I/O模塊之間通過Profibus-DP通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換與共享。S7414-1及S7414-2控制器與上位機之間通過工業(yè)以太網(wǎng)通信，2臺上位機互為冗余。計算機操作站主要完成對電爐系統(tǒng)的運行狀態(tài)監(jiān)控，通過網(wǎng)絡(luò)總線采集電極升降、電爐本體等各種模擬量、開關(guān)量信號，并在操作站實時顯示工藝過程動態(tài)畫面、設(shè)備運行狀態(tài)及故障報警等信息。

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　　2.1電爐本體S7 414-1控制器

　　電爐本體S7 414-1控制器主要由以下400系列模塊組成：

　　數(shù)字量輸入模塊DI，數(shù)字量輸出模塊DO，模擬量輸入模塊AI，模擬量輸出模塊AO，通信接口模塊461-0，電源模塊等。

　　I/O主要用于采集現(xiàn)場模擬量及數(shù)字量信號，參與控制。

　　2.2主要檢測控制參數(shù)及檢測元件

　　2.2.1電信號

　　電流互感器（配電室內(nèi)的MCC柜內(nèi)），電流互感器裝于電爐變壓器的高壓側(cè)，主要檢測二次電流，檢測后將0～5A電流信號，接入綜合自動化系統(tǒng)，通過以太網(wǎng)送入PLC完成算法控制，并在操作站實時顯示。

　　電壓互感器,檢測電爐變壓器二次側(cè)電壓，并將電壓輸出信號轉(zhuǎn)化為4～20mA模擬信號送入控制系統(tǒng)。

　　其它需要的電信號包括有功功率、無功功率、功率因數(shù)，電度量等。

　　2.2.2非電量信號

　　（1）電極位置檢測。采用超聲波物位計將電極的相對位移量轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)PLC控制器比較，用于輸出顯示，并設(shè)置電極位置限位。

　　（2）爐內(nèi)負(fù)壓檢測。采用壓力傳感器檢測爐內(nèi)負(fù)壓，將其輸入PLC參與控制。爐內(nèi)負(fù)壓一般保持在-2～0Pa，當(dāng)出現(xiàn)渣沸騰時，根據(jù)爐壓高低判斷，決定尾氣是否放散，以保證人身及設(shè)備安全。

　　（3）執(zhí)行機構(gòu)。鈦渣電爐電極升降采用的是液壓裝置,每根電極被2個大力油缸支撐，當(dāng)上下缸內(nèi)充滿帶壓油時，即可完成升降動作。大力缸充油方向和時間決定電極的升降及其幅度。

　　當(dāng)壓力油進(jìn)入油缸桿腔時，電極上升，電極下降靠電極自重，泵打出的油和桿腔排出的油進(jìn)入油缸的無桿腔，電極下降速度由調(diào)速閥確定。因此控制換向閥上2組電磁閥的通斷時間及通斷順序即可控制電極的升降。液壓系統(tǒng)采用雙油源，以確保可靠性。

　　3 PLC軟件組成

　　本系統(tǒng)采用西門子STEP7編程軟件，軟件采用LAD圖、STL語句表及FDB功能塊圖三者相結(jié)合的編程方式，實現(xiàn)冶煉過程的邏輯控制。通過硬件采集弧壓、弧流及檔位等信號，按恒功率恒電流控制原理，將最終結(jié)果輸出到液壓控制系統(tǒng)以實現(xiàn)電極升降自動控制，并按照最佳供電曲線自動調(diào)節(jié)輸入爐內(nèi)的電弧參數(shù)。

　　電爐系統(tǒng)操作站采用擁有開放協(xié)議、集成ODBC/SQL數(shù)據(jù)庫的WinCC組態(tài)軟件實現(xiàn)畫面監(jiān)視和設(shè)備狀態(tài)顯示。

　　4 控制過程

　　在鈦渣電爐操作過程中，冶煉電氣制度受到以下干擾：供電電壓波動、負(fù)荷電阻系數(shù)變化、爐內(nèi)渣鐵面的變化、電極負(fù)荷、電極焙制的損耗、渣沸騰等。

　　與工藝要求相一致，電爐有功功率和電流變化時間表中給定了每個電氣參數(shù)的死區(qū)（也即偏差），如表1所示。

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　　在整個冶煉過程中，電氣制度控制算法的主要任務(wù)就是保持電爐有功功率和電流的預(yù)設(shè)值恒定，來限制強加在電爐變壓器高壓側(cè)的相電流。在PLC中，對采集的電極電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理后即進(jìn)入控制過程。電極自動控制在工況相對穩(wěn)定時投運，每相電極按預(yù)設(shè)曲線自動調(diào)整升降高度，直到電流檢測值達(dá)到設(shè)定值。在實際運行中為防止電極頻繁動作，可設(shè)置1~5KA的動作死區(qū)。在爐料完全熔化，熔池打通或冶煉進(jìn)入到精煉區(qū)時，電極電流波動較大，此時僅當(dāng)電極電流測量偏差大于死區(qū)值時，電極方才移動，控制功能實現(xiàn)較穩(wěn)定；當(dāng)冶煉初期及補加碳時，因爐內(nèi)反應(yīng)劇烈，伴隨塌料現(xiàn)象，電極電流會大幅度上升，此時控制動作頻繁，系統(tǒng)的抗干擾要求提高，在控制上更要多方考慮。

　　圖3是鈦渣電爐實現(xiàn)電極控制的一個算法流程。

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　　當(dāng)A相選擇自動控制投運時，系統(tǒng)自動檢測高壓側(cè)電極電流，并送入PLC，經(jīng)處理，在T時間內(nèi)對采樣值取平均值，并與設(shè)定值進(jìn)行比較。當(dāng)檢測電流值II大于設(shè)定值，但尚未達(dá)到電極工作上限HS1,且電極內(nèi)、外裝置已處于自動EC1方式下，則PLC發(fā)出電磁閥ELIC1接通指令，電磁閥得電，換向閥上行油缸充液，電極將提升，當(dāng)延時T時間后，檢測電極前后位置的變化，并轉(zhuǎn)入下個循環(huán)。當(dāng)檢測電流值II小于設(shè)定值，但尚未達(dá)到電極的工作下限LS1,且電極內(nèi)、外裝置已打在自動EC1方式，則PLC發(fā)出電磁閥ELOC1接通指令，電磁閥得電，換向閥返回油缸，閥打開，電極靠自重下降，延時T時間后，檢測電極前后位置的變化量，并轉(zhuǎn)入下個循環(huán)。

　　在電極控制算法中要考慮3個因素：在升降的同時不能完成電極的壓放控制；在系統(tǒng)中要延時檢測電極的位置，以區(qū)別于其它因素導(dǎo)致的電流變化；將不正常因素以報警信號形式輸出。

　　根據(jù)工藝特點， 在三相電極的電流調(diào)節(jié)中，每個電極電流控制都可獨立進(jìn)行，任一電極都可根據(jù)工況運行在自動或手動狀態(tài)。當(dāng)爐內(nèi)出現(xiàn)翻渣或塌料時，控制系統(tǒng)能檢測出電流大幅上升，此時電極快速提升，直到電極電流達(dá)到設(shè)定值時，停止上升。若電極已提升至上限值，電流還未下降到設(shè)定值，則電爐變壓器的電源將被切斷，正常冶煉被中止。

　　整個冶煉過程電極的控制均由操作工在控制室的操作臺上完成，因項目中變壓器采用35kV電源供電，系統(tǒng)的用電安全等級要求較高，在控制屏外單獨設(shè)置了操作臺，以鑰匙開關(guān)的方式將停送電權(quán)限交給操作工專人管理。

　　5 取得的成效

　　自鈦渣電爐生產(chǎn)PLC控制系統(tǒng)投運以來，所有信號集中處理，采用模塊化結(jié)構(gòu)易于調(diào)整和更換，備品備件量下降。更為重要的是采用PLC自動控制電極的升降，取代了以往電極升降手動操控方式。

　　采用高精度檢測元件，能更有效、更準(zhǔn)確地反映現(xiàn)場情況，實現(xiàn)精確控制。

　　在鈦渣冶煉中電極升降采用液壓系統(tǒng)，使電極調(diào)節(jié)直觀，響應(yīng)速度更快，更能滿足鈦渣正常冶煉過程控制要求。

　　針對鈦渣電爐的多變量、非線形、大滯后、強耦合、時變、工作環(huán)境及隨機干擾較強的特點，采用PLC可實現(xiàn)電爐電極升降的全自動閉環(huán)控制，并能滿足三相電流平衡及溫度的穩(wěn)定。

　　6 存在的問題及下步改進(jìn)措施

　　雖然PLC在電極電流控制上已取得良好效果，但由于采用PLC控制的25.5MVA容量特大型鈦渣電爐尚屬國內(nèi)首例，在控制的設(shè)計和程序的編制上還存在一些缺陷，如目前暴露出電極的升降死區(qū)范圍設(shè)得較大以及操作中獲得的曲線與設(shè)定曲線差距較大的問題。造成這種影響主要原因是電極升降的液壓系統(tǒng)未采用伺服調(diào)節(jié)閥控制，使升降動作啟停有較大機械死區(qū)。

　　此外鈦渣冶煉控制的最終目標(biāo)是輸入爐內(nèi)的總功率平衡。但目前還尚未摸索出一個合適的算法來將電極電流與三相功率的平衡在PLC中統(tǒng)一起來。

　　但PLC系統(tǒng)在電極控制中的成功運用及其強大功能，將使我們在控制精度、安全性、經(jīng)濟(jì)價值上找到更多的切入點去適應(yīng)鈦渣冶煉的生產(chǎn)控制要求。