PLC在电炉电极自动升降控制中的应用

　摘要：介绍S7-300可编程序控制器在电炉控制系统中的应用及电极升降控制的原理。
　 炼钢电弧炉是将废钢或还原铁装入炉内，使之与三根人造石墨电极之间产生三相交流电弧，将炉料熔化并冶炼成钢的炉子。本系统的电极升降是利用弧流的设定值与实际值比较差动调节，当设定值大于实际值，电极下降，反之上升，最终达到平衡点进行稳弧冶炼的过程。我公司16#电弧炉就是利用这一原理采用PLC自动采样、自动控制电极升降，从而实现冶炼过程的自动化。
1 PLC系统硬件配置
　 如图l所示．电源模块总是安装在机架的第一槽，CPU模块安装在第二槽。S7-300用背板总线将除电源模块之外的各个模块连接起来。背板总线集成在模块上,模块通过U形总线连接器连接,每个模块都有一个总线连接器，插在各模块的背后。安装时先将总线连接器插在CPU模块上．并固定在导轨上，然后依次装入各个模块。通过对CPU及DI、DO、AI、AO各模块的组态，保证各开关量的输入、输出控制及弧流、弧压的采集，并通过模出控制电极升降。



2 PLC系统编程应用
2.1 主程序结构
　 系统主程序由OBl完成，如图2所示。


　
　 组织块Obl:在选择自动档位时调用FB3、FC1O、FCll、FCl2来自动完成模入、模出、比较、PID调节等功能。
　 功能块FCl:是来自三相弧流弧压模数变换环节，由模拟量转变成数字量。
　 功能块FCl0、FCll、FCl2:用来限制实际弧流弧压最大值、最小值是否运行在这个参数之间，如出现偏差及时保护。
　 功能块FB3: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，数据块也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要途径。
2.2 参数功能表
　 电弧炉冶炼电极升降过程必须采取闭环控制方式，才能使系统稳定工作，所以我们在PLC里引入功能块FB3(图3)并设置了PI动态调节、限幅及死区调整等环节。

　

表1　　 FC3功能表
IN0 实际弧流I实
IN1 实际弧压U实
IN2 计算过的给定值（外部）
IN3 内部设定值
IN5 内部设定值
IN4 内部设定值
I07 内部设定值
I08 内部设定值
OUT 输出

　


2.3 电极升降系统PI工作原理
　 根据冶炼工艺要求来设定弧流I0(要求实现的电流值)、弧压UO(变压器五档调压)，电炉引弧期间，电极升降频繁，怎样使它既不断弧又要在最佳工作状态，我们引入了比例积分调整环节。
　 比例部分
　　 I实-　 IO/UO×U实×1.732=±I07
　　 I07×IN3=KP
式中，I实一实际电弧电流值；I　 O一设定电弧电流值；UO一变压器五档位选定电弧电压值；U实一实际电弧电压值；I07一运算过的电流值；IN3一可调整的比例倍数；KP-比例系数(存放在功能块DBl.DBDl2处)。
　 积分部分
　 IN4/IN5×DB1.DBD4=DBl.DBD8
　 (DBl.DBS×I07)+I08=DBl.DBD20
式中，IN4(DB6.DBD48)、IN5(DB6.DBD4)、 DBl.DBD4一可调整的积分时间常数：DBl.DBD8一积分时间常数；DBl.DBD20--积分
　 累加系数。
　 综上所述,功能块输出OUT可表示为
　 OUT=DB1.DBD12+DB1.DBD20
式中，DBl.DBDl2一比例系数：DBl.DBD20一积分累加系数。
　 当I07差值为正时证明实际弧流大弧压低电极上升；为负时证明弧流小弧压高电极下降。电极上升下降反应速度由PI调节常数设定，比例、积分常数可根据不同情况进行调整．在调试中修正。此外还有死区控制(又称冶炼稳定区)，输出值一旦进入此区，系统自检定为稳弧区(电极波动≈0)，也就是给定值、弧流、弧压三个量关系的平衡，以保证弧流的稳定。为防止断弧还要有上升下降速度限幅，一般使上升、下降限幅值设为0.5：1即上升速度为下降速度的50％,此值可根据实际情况进行调整。调整时要适当改变比例、积分时间常数及上升下降速度限幅值，以保证电炉顺利引弧并使冶炼电流平稳。
　 本系统电极控制为液压式．通过控制阀将电信号变换成液压信号，用液压缸直接移动电极架的方式，由于消除了旋转部分的惯性，所以起动特性良好。从输入信号给出以后，到电极达到最高速度的时间为40～80ms左右。
3 结语
　 此系统经调试后现已正常运行。系统运行稳定，起弧快，冶炼平稳。与传统的模拟系统相比，具有控制精度高、可靠性强、故障率低、便于维护等优点。使得电炉冶炼质量和自动化程度都较过去发生了质的飞跃。