大功率電弧爐的溫度自動控制系統(tǒng)研究

王浩辰 冀錫明

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津 300301）

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大功率電弧爐的溫度自動控制系統(tǒng)研究

王浩辰 冀錫明

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津 300301）

摘 要：本文根據(jù)大型電弧爐工作的特點(diǎn)，提出一種大功率電弧爐的溫度自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。首先分析大功率電弧爐溫度自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理，然后對溫度自動控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的方法進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

關(guān)鍵詞：大功率 電弧爐 溫度控制 系統(tǒng)

引言

在大功率電弧爐中，爐溫的控制是影響熔煉質(zhì)量的關(guān)鍵因素［1］。通常情況下，可以將電弧爐的熔煉過程看作一個(gè)整體。對于中、小功率的電弧爐來說，對熔煉過程中的溫度進(jìn)行簡單的回路控制，就能滿足熔煉生產(chǎn)的要求。但是，對于大功率的電弧爐來說，由于其生產(chǎn)工藝更復(fù)雜，因此簡單的溫度控制難以滿足其熔煉生產(chǎn)的要求［2］。如何對大功率電弧爐的爐溫進(jìn)行自動控制，已經(jīng)成為當(dāng)前冶煉領(lǐng)域中的一個(gè)研究熱點(diǎn)，受到越來越多人們的關(guān)注。但是，由于大功率電弧爐的熔煉生產(chǎn)過程具有復(fù)雜化和非線性的特點(diǎn)，因此參數(shù)的波動范圍較大，難以構(gòu)建準(zhǔn)確的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行溫度控制，從而降低了溫度控制的準(zhǔn)確性。為此，本文提出了一種基于大功率電弧爐的溫度自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

1 溫度自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理

1.1 大功率電弧爐溫度自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

大功率電弧爐的溫度自動控制系統(tǒng)主要通過控制電極調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)爐溫的自動控制。根據(jù)熔煉生產(chǎn)的工藝要求，執(zhí)行電極調(diào)節(jié)器閉合的動作。系統(tǒng)的主要模塊包括設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、中心處理器模塊和其他輔助功能模塊。

各模塊的主要功能：

（1）設(shè)置模塊：設(shè)置用戶權(quán)限、PID控制參數(shù)和Smith預(yù)估器參數(shù)；

（2）數(shù)據(jù)處理模塊：對采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和儲存，并提供歷史數(shù)據(jù)的查詢功能；

（3）中心處理器模塊：對溫度控制偏差進(jìn)行處理、控制偏差范圍、對Smith預(yù)估器的參數(shù)和溫度的輸出量進(jìn)行控制；

（4）輔助模塊：對溫度的歷史輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、提供超溫/低溫報(bào)警功能，同時(shí)具有系統(tǒng)自檢、故障診斷等功能。

1.2 溫度自動控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的原理

在大功率電弧爐的溫度自動控制系統(tǒng)中，控制通道是相互獨(dú)立的。由于電弧爐中的溫度非常高，因此采用非接觸式的紅外線溫度檢測儀器對電弧爐內(nèi)的溫度進(jìn)行檢測。利用0～5V對溫度檢測結(jié)果進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換后，再利用A/D轉(zhuǎn)換器將溫度檢測結(jié)果轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠識別的數(shù)字信號。將溫度的數(shù)字信號輸入溫度自動控制系統(tǒng)，系統(tǒng)首先對溫度信號進(jìn)行濾波處理，消除干擾信號，得到準(zhǔn)確的溫度信號，然后再根據(jù)電弧爐的熔煉工藝要求建立一個(gè)溫度控制模型，并將溫度檢測值與預(yù)設(shè)值進(jìn)行對比，根據(jù)檢測值與預(yù)設(shè)值之間的信號偏差產(chǎn)生4～20mA的電流信號對電極調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制。通過改變電極電弧的大小，最終實(shí)現(xiàn)大功率電弧爐中溫度的準(zhǔn)確控制。

2 大功率電弧爐溫度自動控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

在大功率電弧爐溫度自動控制系統(tǒng)中，對采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理、對控制偏差進(jìn)行Smith預(yù)估補(bǔ)償和PID控制算法是核心部分。

2.1 濾波處理

在系統(tǒng)的輸出控制通道內(nèi)，經(jīng)常會存在來自電弧爐其他結(jié)構(gòu)的電磁干擾，從而降低了采集溫度的準(zhǔn)確度。因此，需要對采集到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，以消除干擾噪聲。對于周期性的干擾噪聲，利用雙積分A/D轉(zhuǎn)換電路消除干擾信號；對于非周期干擾信號，利用數(shù)字濾波的方法進(jìn)行干擾信號的消除。具體方法為：連續(xù)采集7個(gè)溫度信號X（i=1～7），刪除其中的最大值Xmax和Xmin，然后取剩余的5個(gè)溫度信號數(shù)據(jù)的平均值，即

其中，X為此次采樣的溫度值。這樣就消除了干擾信號。

2.2 控制偏差的估計(jì)與補(bǔ)償

由于大功率電弧爐中的加熱方式采用的是電極產(chǎn)生的電弧進(jìn)行加熱，而電弧爐內(nèi)的空間較大，因此溫度的控制過程具有較強(qiáng)的遲滯性。為了降低遲滯性對溫度控制造成的影響，需要在溫度控制環(huán)節(jié)中引入Smith估計(jì)器，將遲滯的時(shí)間τd的變化量提前反映到偏差信號中，并通過調(diào)節(jié)量U對偏差信號進(jìn)行補(bǔ)償。

偏差調(diào)節(jié)量U與傳遞到調(diào)節(jié)器中信號Y′之間的傳遞函數(shù)為：

Smith偏差估計(jì)器的傳遞函數(shù)為：

通過對溫度控制偏差進(jìn)行補(bǔ)償，能夠降低系統(tǒng)的超調(diào)量，從而提高溫度控制的精確度。

2.3 PID控制算法

在大功率電弧爐中，爐內(nèi)的溫度經(jīng)常需要保持在某個(gè)固定值。但是，隨著爐料或者其他條件的變化，

爐內(nèi)的溫度可能需要進(jìn)行調(diào)整。因此，PID控制算法主要處理爐內(nèi)的溫度調(diào)節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)的要求，采用比例控制以減少控制偏差。同時(shí)，利用積分環(huán)節(jié)降低系統(tǒng)的殘差，提高控制的準(zhǔn)確性。由于系統(tǒng)中存在較強(qiáng)的遲滯性，因此利用Smith估計(jì)器對控制偏差進(jìn)行補(bǔ)償。此外，為了避免出現(xiàn)積分飽和的情況，需要對控制的輸出量U進(jìn)行限制。當(dāng)輸出量超過Umax時(shí)，則令U= Umax；當(dāng)輸出量小于Umin時(shí)，則令U= Umin。

3 結(jié)束語

利用本文提出的大功率電弧爐的溫度自動控制系統(tǒng)，能夠提高爐內(nèi)溫度控制準(zhǔn)確性，對提高電弧爐的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

［1］何文杰，徐麗萍，朱強(qiáng)化.電弧爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.信息通信，2015，（4）：77-79.

［2］王長成.中頻感應(yīng)電爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.鑄造技術(shù)，2014，（7）：1571-1572.

Research on Automatic Temperature Control System of High Power Electric Arc Furnace

WANG Haochen，JI Ximing
（Tianjin Pipe Group Corporation， Tianjin 300301）

Abstract:In this paper， according to the characteristics of large arc furnace， a design method of automatic temperature control system of high power arc furnace is presented. Firstly， the structure and principle of the temperature automatic control system of high power arc furnace are analyzed， and then the method of temperature control system is described in detail.

Key words:high power， electric arc furnace， temperature control， system