电弧炉控制基础系统专题方案

五矿（湖南）铁合金有限责任公司103#硅锰合金冶炼炉优化控制系统方案设计说明书中南大学信息科学与工程学院二00年三月一、开发背景五矿（湖南）铁合金集团有限公司103#10000KVA矿热炉重要用于熔炼 硅锰合金和碳锰合金，整个生产系统由炉体、供电变压器及保护系统、配 加料系统、电极卷扬升降控制系统、电极压放子系统和炉体水冷系统等构 成。目前，配加料子系统采用了计算机自动控制；电极压放子系统依托人 工凭经验综合考虑炉况、二次电压、一次电流、熔炼时间等因素，输入控 制信号给PLC,由PLC来完毕电极日勺定长压放；电极升降是依托人工凭经 验综合考虑二次电压、一次电流及炉盖温度等因素进行调节；供电变压器 二次侧电压级别靠人工根据炉况和电压、电流、功率等因素凭经验进行调 节。这种靠人工凭经验来控制冶炼过程日勺措施难以保证矿热炉稳定持续地 工作在最佳工作范畴内，调节过程相对滞后、工人操作强度大、工作效率 低，容易浮现电极烧结不好、耗电量大、炉况不稳定等问题，难以保证产 品日勺产量和质量。二、设计规定针对五矿（湖南）铁合金集团有限公司103#矿热炉熔炼过程控制自动 水平低下带来日勺多种问题，通过现场调研和与工艺技术人员交流沟通，结 合生产日勺实际需要，搭建103#矿热炉优化控制系统，以达到如下目日勺：1. 通过建立电极位置模型，在线检测电极日勺升降量和压放量，实现电 极自动升降和自动压放；并通过采用合理日勺算法，计算电极长度及其位置， 控制电极处在最优位置区域内，使三相有功功率平衡度在原有基本上提高 2-3%，提高功率因数。2. 通过建立实时数据库，实时采集熔炼过程数据，实现整个矿热炉控 制系统日勺运营监视、事故报警与记录、记录分析和报表打印、平常生产管 理以及安全管理等功能，并实现变压器日勺继电保护。3. 通过对矿热炉供电网电能质量在线检测与监视，实时监测电极升降 压放等操作和供电电流电压、功率因数日勺相应状态，分析三相不平衡、无 功损耗及其对用电设备日勺影响，分析谐波损耗及其波形畸变用电设备日勺影 响，使电能质量各项指标日勺监测精度达到2%以上。4. 在保证产品质量日勺前提下，根据用电制度和造渣制度，综合考虑原 料成分和品位、产品成分、矿热炉设备参数、熔炼过程状态参数等因数日勺 影响，建立生产过程优化控制模型，优化供电电压级别及电极插入深度， 提高稳定运营率5%以上。三、设计方案3.1系统总体构造五矿（湖南）铁合金集团有限公司103#矿热炉优化控制系统由电极位 置自动控制子系统、生产过程参数集中监视子系统、生产设备故障监测与 预警子系统、生产过程优化控制子系统、电能质量在线检测与综合分析子 系统五部分构成，系统日勺整体构造如图1所示。图1 103#矿热炉优化控制系统总体构造3.2系统功能简介3.2.1电极位置自动控制子系统电极位置自动控制涉及电极位置检测和电极位置控制两大部分。电极 位置检测日勺目日勺是建立电极位置模型，通过在线检测电极日勺升降量和压放 量，计算电极长度及其位置。电极位置检测和长度日勺计算采用间接测量法 求得，电极位置模型为L = L0 + 以.+ AL -以九-AL 电极长度模型为：L广匕 +ALyAL/% 式中，L 0为电极日勺初始位置；AL,为实测电极升降量；ALy为电极日勺压放量；七 为电极日勺正常损耗量；七为电极异常损耗量；L为电极日勺长度；%为电极日勺初始长度。L0 +以，由绝对式光电编码器检测得到；气由次数*固定压放量记录得到；AL由炉料消耗量、生产过程状态参数、产量等推断可得到一种较精确 日勺消耗速率（此速率可以根据路况不同更改），累积超过30mm提示压放。AL双可由手动输入估计日勺异常消耗量，超过30mm提示压放。电极位置控制日勺重要涉及电极升降控制和电极日勺压放控制。电极升降 控制日勺目日勺是保持电极插入位置最佳，实现三相熔池有功功率平衡、有功 功率大、功率因数高、线路电流小，保持较好日勺炉况。电极压放控制日勺目 日勺是通过压放电极来补充电极日勺消耗量，以保持电极工作端日勺长度最佳。1.电极升降控制矿热炉冶炼过程中，由于工况复杂，干扰较多，三相电极日勺最优位置 会实时变化。为使电极稳定工作于最优位置区域内，可通过升降电极来实 现三相熔池有功功率平衡、有功功率大、功率因数高、线路电流小，并维 持最佳日勺炉况。电极升降控制分为手动控制和自动控制两种方式，自动升 降控制系统构造如图2所示。图2电极自动升降系统系统构造图但由于矿热炉冶炼过程复杂，在冶炼过程中也许会浮现某些特殊状况。为了能应对矿热炉冶炼过程中也许浮现日勺多种状况，设立不同日勺电极调节措施：炉况正常时，采用最优位置控制此时控制信号由电极目前所处位置、最优插入深度和控制算法求得。最优电极位置可由人工凭经验来设定，也可通过对大量历史数据（如电压、 电流、有功功率、功率因数、炉气成分、炉膛温度等）分析，综合专家经 验知识，经建模和优化计算得到。电极最优位置稳定控制构造如图3所示，电极的消耗量、压工况参数:原料组分、配比、产量、能耗、电压、电流、功率因数图3电极最优位置稳定控制构造图其中al为电极设定日勺最优升降量，虹为电极实际升降量。控制器根 据实际升降量与电极设定最优升降量差值日勺大小来给定频率和升降时间， 当差值较大时采用较高速度升降电极；当差值较小或炉况不稳定期，采用 较低速度升降电极。当电流下降或上升幅度过大时，采用恒电流控制此时控制信号由一次侧电流决定，以便使电路中日勺电流迅速地恢复到 正常工作范畴之内。不可抬升电极日勺状况解决出铁时，为避免浮现塌料，出铁口附近日勺电极不能上抬；电极浮现异 常时，如中间凹陷，则一般不能抬升。故障状况下电极日勺解决当矿热炉自动控制系统浮现故障时，系统给出有关状态信息并报警， 提示操作人员切换到手动控制，以保证矿热炉日勺正常生产。2.电极压放控制由于硅锰合金冶炼是持续进行日勺，随着冶炼过程日勺进行，电极会不断 消耗，电极日勺工作端逐渐变短，其插入位置不断上移。为保证矿热熔炼炉 处在最佳日勺熔炼状态，电极日勺插入位置必须要在合适日勺范畴内，因此，需