PLC在電爐電極自動升降控制中的應用

　　摘要：介紹S7-300可編程序控制器在電爐控制系統中的應用及電極升降控制的原理。
　　　 煉鋼電弧爐是將廢鋼或還原鐵裝入爐內，使之與三根人造石墨電極之間產生三相交流電弧，將爐料熔化并冶煉成鋼的爐子。本系統的電極升降是利用弧流的設定值與實際值比較差動調節，當設定值大于實際值，電極下降，反之上升，最終達到平衡點進行穩弧冶煉的過程。我公司16#電弧爐就是利用這一原理采用PLC自動采樣、自動控制電極升降，從而實現冶煉過程的自動化。
　　1 PLC系統硬件配置
　　　 如圖l所示．電源模塊總是安裝在機架的第一槽，CPU模塊安裝在第二槽。S7-300用背板總線將除電源模塊之外的各個模塊連接起來。背板總線集成在模塊上,模塊通過U形總線連接器連接,每個模塊都有一個總線連接器，插在各模塊的背后。安裝時先將總線連接器插在CPU模塊上．并固定在導軌上，然后依次裝入各個模塊。通過對CPU及DI、DO、AI、AO各模塊的組態，保證各開關量的輸入、輸出控制及弧流、弧壓的采集，并通過模出控制電極升降。
　　
　

　　2 PLC系統編程應用
　　2.1 主程序結構
　　　 系統主程序由OBl完成，如圖2所示。
　　

　　　
　　　 組織塊Obl:在選擇自動檔位時調用FB3、FC1O、FCll、FCl2來自動完成模入、模出、比較、PID調節等功能。
　　　 功能塊FCl:是來自三相弧流弧壓模數變換環節，由模擬量轉變成數字量。
　　　 功能塊FCl0、FCll、FCl2:用來限制實際弧流弧壓最大值、最小值是否運行在這個參數之間，如出現偏差及時保護。
　　　 功能塊FB3:是運行PID閉環調節的功能塊。
　　　 數據塊DB:用來分類儲存設備或生產線中變量的值，數據塊也是用來實現各邏輯塊之間的數據交換、數據傳遞和共享數據的重要途徑。
　　2.2 參數功能表
　　　 電弧爐冶煉電極升降過程必須采取閉環控制方式，才能使系統穩定工作，所以我們在PLC里引入功能塊FB3(圖3)并設置了PI動態調節、限幅及死區調整等環節。
　　

　　表1　　 FC3功能表
　　IN0 實際弧流I實
　　IN1 實際弧壓U實
　　IN2 計算過的給定值（外部）
　　IN3 內部設定值
　　IN5 內部設定值
　　IN4 內部設定值
　　I07 內部設定值
　　I08 內部設定值
　　OUT 輸出
　　2.3 電極升降系統PI工作原理
　　　 根據冶煉工藝要求來設定弧流I0(要求實現的電流值)、弧壓UO(變壓器五檔調壓)，電爐引弧期間，電極升降頻繁，怎樣使它既不斷弧又要在最佳工作狀態，我們引入了比例積分調整環節。
　　　 比例部分
　　　　 I實-　 IO/UO×U實×1.732=±I07
　　　　 I07×IN3=KP
　　式中，I實一實際電弧電流值；I　 O一設定電弧電流值；UO一變壓器五檔位選定電弧電壓值；U實一實際電弧電壓值；I07一運算過的電流值；IN3一可調整的比例倍數；KP-比例系數(存放在功能塊DBl.DBDl2處)。
　　　 積分部分
　　　 IN4/IN5×DB1.DBD4=DBl.DBD8
　　　 (DBl.DBS×I07)+I08=DBl.DBD20
　　式中，IN4(DB6.DBD48)、IN5(DB6.DBD4)、 DBl.DBD4一可調整的積分時間常數：DBl.DBD8一積分時間常數；DBl.DBD20--積分
　　　 累加系數。
　　　 綜上所述,功能塊輸出OUT可表示為
　　　 OUT=DB1.DBD12+DB1.DBD20
　　式中，DBl.DBDl2一比例系數：DBl.DBD20一積分累加系數。
　　　 當I07差值為正時證明實際弧流大弧壓低電極上升；為負時證明弧流小弧壓高電極下降。電極上升下降反應速度由PI調節常數設定，比例、積分常數可根據不同情況進行調整．在調試中修正。此外還有死區控制(又稱冶煉穩定區)，輸出值一旦進入此區，系統自檢定為穩弧區(電極波動≈0)，也就是給定值、弧流、弧壓三個量關系的平衡，以保證弧流的穩定。為防止斷弧還要有上升下降速度限幅，一般使上升、下降限幅值設為0.5：1即上升速度為下降速度的50％,此值可根據實際情況進行調整。調整時要適當改變比例、積分時間常數及上升下降速度限幅值，以保證電爐順利引弧并使冶煉電流平穩。
　　　 本系統電極控制為液壓式．通過控制閥將電信號變換成液壓信號，用液壓缸直接移動電極架的方式，由于消除了旋轉部分的慣性，所以起動特性良好。從輸入信號給出以后，到電極達到最高速度的時間為40～80ms左右。
　　3 結語
　　　 此系統經調試后現已正常運行。系統運行穩定，起弧快，冶煉平穩。與傳統的模擬系統相比，具有控制精度高、可靠性強、故障率低、便于維護等優點。使得電爐冶煉質量和自動化程度都較過去發生了質的飛躍。