一種新型電弧爐控制裝置的設(shè)計

范巍 王光磊 王立春 孟會永 張普紅

摘要：目前，電弧爐煉鋼方式已普遍應(yīng)用于各類鋼廠。實(shí)際中電弧爐控制器與SVC設(shè)備不能直接通訊，且各自獨(dú)立控制。本文設(shè)計了一種新型電弧爐控制裝置，能夠與SVC直接通訊，含自行設(shè)計的高速控制單元，內(nèi)嵌各種協(xié)議。該裝置成功應(yīng)用于遼寧榮信興業(yè)電力技術(shù)有限公司SVC產(chǎn)品中，并達(dá)到高速場合的設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：電弧爐；直接通訊；高速運(yùn)算；SVC

中圖分類號：TM924 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）07-0019-03

目前，鋼廠普遍利用電弧能量熔煉金屬，主要是通過電弧爐的電極升降調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)的，通常存在以下問題：第一，SVC補(bǔ)償裝置控制器利用采集的電弧爐工作電壓電流信號及部分現(xiàn)場的電弧爐電流信號，計算出所需無功補(bǔ)償功率。而這種做法雖然電壓波動得到抑制，但電壓閃變改善效果不明顯，甚至出現(xiàn)電壓放大現(xiàn)象，有些特殊現(xiàn)場（高速、靈敏、低成本或安全性等）指標(biāo)甚至也難以達(dá)到電網(wǎng)電能質(zhì)量的要求。第二，電弧爐控制器一般采用PLC控制，而PLC一般內(nèi)嵌的是標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議如：DP、MODBUS等，并不能與SVC設(shè)備直接通訊，致使SVC設(shè)備與電弧爐的控制系統(tǒng)各自采用獨(dú)立控制，且PLC計算速度較慢，往往不適用與高速要求的場合。

1 技術(shù)方案

為解決上述兩點(diǎn)問題，本文設(shè)計了一款新型電弧爐控制裝置，能夠與SVC控制系統(tǒng)直接通訊，補(bǔ)償無功同時也可抑制電壓閃變，還適用于特殊場合需求。電弧爐控制裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

高速控制單元的CPU模塊電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，其主控DSP芯片、CPLD芯片和FPGA芯片端口互相連接，進(jìn)行高速運(yùn)算和控制，同時主控DSP芯片、CPLD芯片還通過總線接口芯片連接背板總線，通過背板總線與通訊模塊、AI/AO模塊和DI/DO模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。74LVC4245、MAX3378E、SN65HVD230為總線接口芯片，J2為背板總線接口，ROM和RAM芯片均與主控DSP芯片相連接，同時RAM芯片還與FPGA芯片相連接。

1.1 通訊模塊

通訊模塊的以太網(wǎng)接口通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)分別與外部的SVC裝置、PLC和工控機(jī)進(jìn)行通訊連接。通訊模塊電路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，其中一個FPGA芯片與背板總線連接，通過背板總線與CPU模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，另一個FPGA芯片分別連接以太網(wǎng)接口芯片、485/232驅(qū)動芯片和CF卡，以太網(wǎng)接口芯片連接以太網(wǎng)接口，485/232驅(qū)動芯片連接多個485/232通訊接口。BLVDS為背板總線接口。

1.2 信息輸入輸出模塊

（1）模擬量輸入輸出模塊。第一AI/AO模塊通過輸入信號轉(zhuǎn)換單元接收電弧爐的弧壓信號、弧流信號、系統(tǒng)母線電壓和油壓反饋信號，第二AI/AO模塊通過輸出信號轉(zhuǎn)換單元輸出電弧爐電極升降比例閥控制信號。AI/AO模塊電路結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

（2）數(shù)字量輸入輸出模塊。第一DI/DO模塊和第二DI/DO模塊，其中，第一DI/DO模塊的DI接口連接開關(guān)量輸入隔離單元，接收電弧爐的電極限位、合閘信號、爐變及電抗器狀態(tài)信號；第二DI/DO模塊的DO接口連接開關(guān)量輸出隔離單元，用于控制電弧爐的爐變檔位信號和跳閘及事故報警信號。DI/DO模塊電路結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

1.3 上位機(jī)系統(tǒng)

本文中系統(tǒng)所使用的上位機(jī)是榮信興業(yè)電力技術(shù)有限公司自主設(shè)計的，具有人機(jī)界面友好等特點(diǎn)。新型電弧爐調(diào)節(jié)器搭建的主接線圖如圖6所示，也加入了爐變參數(shù)、電抗器參數(shù)、冶煉參數(shù)等設(shè)定，即采用多種方式來采集、顯示、分析數(shù)據(jù)及控制過程。

2 技術(shù)優(yōu)勢

與常規(guī)PLC控制器相比較，本文設(shè)計新型裝置有如下優(yōu)勢：（1）運(yùn)算速度快。CPU單元采用高速DSP芯片+CPLD芯片+FPGA芯片，能夠內(nèi)嵌各種協(xié)議，真正實(shí)現(xiàn)直接通訊，進(jìn)而提高的整個系統(tǒng)的運(yùn)算速度，方便了數(shù)據(jù)交互。（2）同步通訊及反應(yīng)靈敏?？膳c現(xiàn)有SVC控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)無功功率預(yù)測補(bǔ)償。（3）兼容性好。可與PLC實(shí)現(xiàn)通訊，以最少的更換量替代現(xiàn)場運(yùn)行的電弧爐控制系統(tǒng)。

3 結(jié)語

該新型電弧爐控制裝置已與遼寧榮信生產(chǎn)的無功補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行了深度融合，采用光通訊方式直接與無功補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，真正實(shí)現(xiàn)高速互聯(lián)通訊，并對無功功率預(yù)測補(bǔ)償，尤其對煉鋼過程中可能造成電能質(zhì)量惡化的階段進(jìn)行控制，有效抑制電弧爐閃變，從源頭上進(jìn)行電能質(zhì)量的預(yù)防治理。

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