工控機在電弧爐控制系統中的應用

隨著計算機技術的普及與應用，數字技術已經滲透于各行業之中，特別是在一些傳統工業的改造與創新中，發揮了重要的作用。本文介紹的工控機參與自動控制系統對電弧爐的控制，使控制系統技術含量大大提高。經過生產實踐證明，該系統在安全性、可靠性、靈敏度等方面大大優于傳統的模擬控制方法。

1系統組成

本系統由一臺研華5X86/133工控機，輸入輸出電路板（D/A板，A/D板和觸發脈沖板），WB系列電流電壓傳感器，富士G11型變頻器（四臺，其中一臺備用）以及交流異步電動機組成。系統組成框圖如圖1所示。

本系統采用電氣傳動控制電極上下運動。經計算，選用功率為7.5kW的異步電機，并以此為依據選用變頻器。本系統選用富士G11型變頻器，其特點是：不需要正負轉換信號，僅根據給定頻率控制輸出電壓的大小和極性即可控制電機的轉速與轉向。

由于電極的電弧電流太大（約為25kA），所以傳感器從電流互感器進行采樣。因為A/D轉換卡的輸入信號為電壓型，故我們選用電磁隔離、感應式的WBI412as1Q型電流—電壓傳感器。而對于電弧電壓（一般為250V左右），則不需要中間環節，直接選用電磁隔離、感應式的WBV414asQ型電壓－電壓傳感器即可。

為了易于控制與維護，電極的每一相都為一套獨立設備（包括傳感器，變頻器，電機和印刷線路板），為此在控制軟件的設計中采用分相進行獨立控制的原則。此外，額定電流的設定和電源模塊的供電所需要的0～12V電源，可通過小型變壓器和WY1?7812，WY2?7912等組成的電路來實現，此處不一一詳述。

2硬件設計

系統的控制原理如圖2所示。

本系統選用研華公司開發的PCL?730型A/D轉換卡，此卡提供32路DIO（DigitalInputOutput）通道，其中包括16路輸入和16路輸出。每路都帶有光耦隔離，用于提高系統的抗干擾能力。選用分辨率為12位的PCL?728型D/A轉換卡作為輸出卡，此板卡具有2個通道，其輸出電壓范圍可利用板卡的跳線設定到－10V～＋10V之間，便可直接控制變頻器。在上述系統中，選用分辨率為12位的PCL?813型A/D轉換卡，它可以提供32路模擬輸入量，故僅需一塊便可實現電弧電流、電弧電壓和電流設定值等的模數轉換。

圖1系統組成框圖

圖2控制系統框圖

圖3模擬系統與數字系統切換

圖4變頻器及相關電路

圖5變頻器開關

本系統分為手動和自動兩種工作狀態，其中自動工作狀態又分為模擬狀態和數字狀態。在自動工作狀態時，通過轉換開關，可使繼電器觸點選擇模擬通路或數字通路（其中數字通路一般接常閉觸點），切換結構如圖3所示。手動工作狀態下，電路實現較為簡單，它不經過中間電路和信號處理過程便可直接驅動變頻器。所以它的優先級較高，故適用于在緊急情況下的應急操作，其與自動狀態下的切換如圖4所示。

富士變頻器端子12為設定電壓輸入端，端子11為模擬信號公共端，FWD為運行/停止命令端，CM為接點輸入公共端。因為不能采用直接接通與斷開主電路電源的方法來操作變頻器的運行與停止。采用圖5所示的電路，在保持主電路接通的情況下，只需按按鈕開關SB，使交流接觸器線包帶電，吸合KM?1使指示燈亮，KM?2給變頻器送電（見圖4）。

此類變頻器通過鍵盤，面板操作體系（畫面轉換層次結構）來設定，監控，查詢。操作者通過LCD監視器與操作鍵來設定自己所需確定的參數，如最高頻率，額定電壓，加速時間，轉矩特征等。在運行過程中選擇自己所關心的數據（如輸出電壓）作為實時監控對象。設計者還可根據系統的實際要求設計適當的制動電阻，處理報警輸出信號及抗干擾措施等等。

3軟件設計

電弧爐控制系統的軟件是根據各個爐子的實際情況而開發的。在本工程中系統軟件由界面模塊，運算模塊和打印模塊三大部分組成。其中界面程序提供了一個人機對話窗口，操作者可以清楚地了解到電爐目前的各個參數，從外部輸入的模擬量的數字化值的大小（如檔位電壓）。另外，外部參數的修訂也都是利用人機界面從鍵盤輸入實現的。本系統的界面是用BORLANDC和匯編語言編制而成，在編制過程中力求達到美觀、直觀、易操作的目的。

輸入輸出采集運算是本系統的核心部分，在沿襲前輩工作經驗的基礎上，通過跳線和小型轉換開關，選擇出適合于系統的輸入輸出通道與形式（PCL為高集成板，提供了多種功能選擇，如可以電壓形式輸出，也可以電流形式輸出等）。在控制運算過程中根據電弧爐的點弧期，熔化期，精煉期以及鋼水出爐前弧流弧壓的不同狀況，在控制子程序的算法實施上應有所區別，其程序流程圖如圖6所示。在控制過程中充分利用了G11變頻器電壓速率的特點（如圖7所示），降低了硬件的設計復雜度。電流設定值和電壓設定值的確定，根據外部電路所能提供的電源電壓而選擇不同的轉換算法。軟件中僅僅考慮采集與轉換是不夠的，本系統對于數據處理采用的是PID控制算法。控制方式上，模擬系統通過硬件電路來實現，而軟件設計則是通過PID算法來完成的。為了保證冶煉的溫度恒定，又要電極的運動不會出現太大波動，就在控制系統中增設給定積分環節。對電路的參數設定可借鑒模擬調節器的參數，衰減曲線法等，取得良好的比例積分（PI）控制參數。

圖6運行程序流程圖

圖7速度—電壓曲線

圖8電流曲線及功率曲線

(a)電流曲線(b)功率曲線

由于PC機的介入，控制軟件中也應該考慮到數據的記錄與保存問題，尤其一些重要參數，功率曲線，電流曲線及電壓曲線都應打印出來，以對日后的故障診斷、維修以及設備的改進提供一手資料。

另外，對于所涉及的參數預先進行估計與計算，定出其最大值，以確保取得或處理后的數據在其值域內，不會溢出。既保證結果的合理與執行的可靠性，又避免了數據的跳躍，引起元件壽命縮短與機械損傷。

4現場抗干擾設計及運行結果

冶煉爐工作環境一般較為惡劣，干擾比較嚴重，針對現場存在的問題，采取了以下措施：

（1）由于鋼廠電壓偏高（有時控制電壓達270V

左右，子夜更高），為此，工控機電源必須加穩壓器，以保證工控機正常工作；

（2）電弧爐在冶煉過程中產生極強電磁場，電磁

干擾嚴重影響了控制線路的精度，故變頻器和工控機的輸入輸出線路全采用屏蔽線，顯示器選液晶型的（電子槍式顯示屏會在磁場中受到干擾，使畫面扭曲，無法正常工作）；

（3）變頻器、工控機電源地線與固定零線短接；

（4）現場空氣中含有大量金屬粉塵，對于易受污

染的電器設備進行密封，并定期用皮老虎進行除塵。

采用以上措施，干擾基本排除，圖8(a)是冶煉期得到的電流曲線圖，圖8(b)為功率曲線圖，其中0～t1為點弧初期，t1～t2為熔化期，t2～t3為精練期。

5結語

本系統經過調試期的試運行，以其操作簡便，電極起落平穩，電流穩定，節約電能，操作簡便，較模擬系統有較大的優越性，而得到工廠各部門的好評，該控制系統可在此行業中進一步推廣使用。