电极控制系统（共12篇）
电极控制系统 篇1
摘要：对交流电弧炉电极控制系统具有非线性时变、多变量、强耦合及存在随机干扰的特点,将神经网络智能控制理论应用于电弧炉电极控制系统,建立了电弧炉电极控制模型。运用BP神经网络,对所建立的控制模型进行了仿真研究。采用工业领域广泛使用的PLC来实现该控制方案,仿真及运行结果证实了控制策略的有效性。
关键词：电弧炉,BP算法,PLC
1 引言
电弧炉冶炼发展十分迅速,在炼钢、铁合金、电石、磨料、黄磷等生产上应用非常广泛。电弧炉借助于电极通过大电流形成弧光产生高温完成冶炼。电极升降调节系统是电弧炉的重要组成部分,其工作效果的好坏直接影响被冶炼产品的产量、质量和能源消耗。电弧炉的电极调节系统是一个非常复杂的三相非线性、时变、输入和输出的互相耦合的多变量系统,驱动电极升降的液压传动系统是一个大惯性、纯滞后且具有死区特性的非线性系统[1]。本研究项目将驱动电极升降的液压传动系统及电极系统视作一个整体,作为控制系统的执行机构,采用人工神经网络对其在线建模,并基于内模控制原理设计出神经网络控制器,从而使三相电极输出平衡,获得更优的控制效果。而可编程控制器(PLC)是一种体积小、功能强、可靠性高、使用灵活、维护方便、抗干扰能力强的控制装置,用PLC对调节过程进行控制能够保证设备可靠、准确运行,提高系统自动化程度。本系统正是基于上述原理,利用PLC的运算速度快和软件编程灵活的特点使电极调节系统能在冶炼的各个阶段都有较好的动态特性。
2 电弧炉电极控制系统神经网络辨识及内模控制方案
图1为电弧炉神经网络内模控制图,其中NNC为神经网络内模控制器,NNI为神经网络辩识器,以对执行机构进行辩识。在系统运行中,NNI实时在线从执行机构的输入和输出数据去学习、训练自身的权值和阈值,以实现对执行机构的非线性映射。同时,根据其记忆和当前输入信号,一步预测电弧电流即将出现的变化,提前发出控制信号,减少或避免变化所造成的影响。执行机构是通过双极性电压控制信号,驱动液压比例阀或伺服阀,控制电极上升或下降的速度,最终控制每相电极的电弧电流[2]。
3 神经网络电极控制系统的设计
3.1 神经网络电极系统的内部模型
在图1的电弧炉内模控制系统中,u为NNC的输出控制信号,i和i^别是执行机构和NNI的输出,ei=i-i^。id为给定输入,ed=id-i为给定输入与对象实际输出之差。预先采样执行机构的输入输出数据,建立NNI和NNC模型,再投入到系统中运行。系统运行时,辩识模型NNI及控制器NNC实时在线调整,以实现对被控制对象的自适应控制。NNI的结构如图2所示[3]。
控制对象为电弧炉1#,2#,3#三相电极的电弧电流,所以NNI含有三个完全相同的辨识网络NNI1,NNI2,NNI3,学习算法采用增加动量项的改进BP算法。图2中,NNI输入变量u及i的下标表示三相(=l,2,3),每相NNI网络的输入层、隐层、输出层的节点数都是M=5,Q=9,L=l,为5-9-1结构。神经元激发函数隐层采用Sigmoid函数,即具有连续、可导的1+e-x,f特点,且有f'(x)=f(x)[1-f(x)]输出层采用Purelin函数。在NNI中,输入层:
隐层:
输出层:
设样本输出为Dk,NNI网络的输出为Ok(k=l,2,p…,p,p为样本数),网络学习的目标函数为,则权值调正公式为:
其中δk M=(Dk-Ok)f'(netk)。
3.2 电极控制系统的神经网络控制器的设计
电弧炉电极控制系统分别对其三相电弧电流进行控制。因此NNC为含有三个完全相同的控制网络NNC1,NNC2,NNC3。NNC结构如图3所示。
学习算法采用增加动量项的改进BP算法。图3中,NNC输入变量u及ei的下标表示三相(=l,2,3),每相NNC网络的输入层、隐层、输出层的节点数都是M=4,Q=8,L=l,为4-8-1结构。因为神经网络控制器的输出是控制电极升降的双极性信号,所以NNC隐层和输出层各神经元的激发函数选为双极S型函数:
网络的前向运算及反向修正各层权值和阈值的算法与NNI类似,不再烦述。
3.3 电极控制系统的硬件设计
电弧炉控制系统由许多子系统构成,电极控制系统属于电弧炉控制系统中的核心部分。本设计采用西门子高性能的PLC(S7-300)为控制核心,并通过现场总线技术组成Profibus-DP网络及MPI网络,实现PLC、工控机等及其它控制部件的高速通讯,最终实现对整个电弧炉设备的控制与监控。其硬件框图如图4所示。
电极控制系统由两套PLC站组成。因为BP算法的信号流向分前向计算和误差的反向传播。一个训练成功的BP网络的前向计算所需时间极短,可以满足工业控制场合实时性的要求,而误差的反向传播即网络的学习过程则要求时间较长。考虑到PLC的中央处理器模块CPU的运算速度及负荷能力,本设计采用两套PLC站共同完成神经网络电极控制系统的功能。一个PLC站用于BP算法的前向运算,即完成网络辨识器NNI及网络控制器NNC的BP算法的前向计算任务;另一个PLC站专门用于BP算法的反向学习过程,在线进行反向学习,学习成功后将训练好的网络权值及阈值传送给前向计算PLC,以进一步改善网络的控制性能,提高控制精度及可靠性。
采用Siemens Step7 v5.3的梯形图编制PLC的控制程序,上位工控机的监控画面应用SIEMENS Win CC v6.0组态软件编制。两套PLC之间的数据传送采用多点接口MPI网络,因为MPI网络有现成的Step 7系统功能块可供调用,实现方便且运行可靠;此外,由于所用PLC的数据存储区没有掉电记忆功能,这就意味着训练好的权值及阈值等数据在PLC掉电重启后须重新进行训练,这将大大影响整个系统的稳定性,为克服这一缺陷,用全局C脚本实现了将重要数据存储在工控机中并在需要时回送给PLC的功能。
4 系统仿真及运行结果
4.1 系统仿真结果
在本课题中,针对系统复杂、数学模型不确定(冶炼过程模型变化、不同炉料模型各异、工况变化模型变化等等),实时在线建模极其重要。为缩短在线建模时间,首先对电弧炉执行机构离线辨识。从现场运行的30t电炉采集整炉次输入输出数据,经过预处理后作为离线辨识的样本数据,应用MATLAB进行系统仿真[4]。三相电极的仿真运行差别不大,现列出1#相方波输入时的输出仿真波形,如图5所示。
4.2 运行结果分析
本设计成功运行在国内某钢厂30T-EBT电炉上,该电炉变压器容量为18000k V·A,二次额定档电压为335V,电流为31k A。图6为该电炉点弧阶段实时曲线图(以1#相为例),其中图(a)为采用传统PID调节的电弧电流曲线图,图(b)为采用该系统的电弧电流曲线图。由图6中可以看出本设计的运行效果略优于传统的PID控制效果,随着运行时间的增长,神经网络对系统的逼近能力会增强,控制效果会更好。
5 结论
(1)本文将神经网络BP算法及神经内模控制引入到电弧炉电极控制系统中,该控制策略对复杂的难以建模或根本无法建模的生产过程或对象进行有效控制,提供了理论支持和可能。
(2)本文采用可编程序控制器PLC作为神经网络电极控制系统的硬件载体,控制方案更新的同时兼顾了工业领域要求的可靠性及实用性,具有较大的推广价值。
(3)对于像电弧炉电弧电流变化极快的这一类过程或对象实时在线建模,需要一个高速数据采集系统,因为只有采集更多反映对象特性快速变化的输入输出数据,才能提高对象的实时在线辨识效果。
参考文献
[1]William E S,Norman G B,Robert R S.Neural network conversion of the electric arc furnace into the intelligence arc furnace[A].Steelmaking Conf Proc[C],1991(74):749.
[2]William E S,Norman G B.Neural network control system for electric arc furnaces[J].MaT,1995,18(2):58.
[3]张绍德.钢包精炼炉的电极系统智能建模及控制[J].北京科技大学学报,2004,26(1):82-85.
[4]李国勇.智能控制及其MATLAB实现[M].北京:电子工业出版社,2005.
电极控制系统 篇2
钨电极种类很多，不过目前市面上及使用中，钍钨电极和铈钨电极还是使用最多的，原因无他，红头钍钨虽然有少量的放射性污染，但是现在的国民经过三聚氰胺啊有毒胶囊啊明胶啊地沟油啊什么的早已练就百毒不侵，区区一点放射性污染当然是毛毛雨啦，据我所知，目前国内钨电极生产商在发货时基本会将放射性污染考虑在内，但是对经销商却没有起到有效的引导作用，反而是前一阵红头钍钨的原料之一“硝酸土”产能跟不上，导致钍钨出货量大幅下降，但是价格却一路高涨，而且就算是产能恢复了以后，上游原材料供货商依然控制价格，导致钍钨的价格下降的很慢。
钨电极作为工业焊业焊接器材中的一种，其实地位是很尴尬的，说他是焊材吧，有人还说这个属于电工电气，说他是电工电气类别的，它还确实有焊接的作用。这种焊材在焊接时不燃烧不熔化却有烧损，总的来说，也属于耗材的一种。
中国的钨极生厂商群体不算很大，却供应着世界上很多国家的正常使用，而且，这个东西虽然看似神秘，进入门栏却也很低，买些设备就可以投入生产，因此一些急于发财的人陆续进入这个行业，挣钱没有错，但是这些人却是以挣钱为目的，不管产品质量优劣，一味以价格取胜，使得整体行业水平参次不齐，经销商卖这个，却也不是每个人都备着一台钨极无损探伤仪，谁给的供货价格低谁就是有奶的娘，一切向钱看，殊不知，这样也是害了自己。
相对于国内的经销商来说，国外来的客户就要文明有素养的多，不是我崇洋媚外，在很多方面，我们确实是远远不如人家的，同样的产品，供给国外客户的货就要好的多。以前总说中国人卖东西，一等品卖欧美和日本，二等品卖印度等周边国家，三等品卖自己，这是为什么，是因为我们自身对于产品的质量检验标准放的很低。中国人愿意吃地沟油吗?都知道地沟油怎么做出来的，可是谁愿意吃那些动物腐烂的肝脏熬出来的油呢，但是这时候就有一匹专家跳出来说了，目前还没有有效的手段检测地沟油和正常的食用油的区别，这说明了什么呢？是说专家收了钱了还是水平不够高，还是我们平常吃的食用油其实也是地沟油呢？这个道理拿到钨极上来也是可以用的，中国已经是世界工厂，既然是世界工厂，出货当然是走量的，走量的货理所当然质量不用像“范思哲”一样追求高质量的仅此一件了，因为，供给国内的货，除非经销商特殊要求，一般是发三等品的，就算是经销商的特殊要求，他也是拿来做出口的。
我在百度搜了搜，所有关于钨电极行业的文章都是技术文章，纸上谈兵而已，能不能用的上还两说，工业制品是冷冰冰的，却不代表整个行业也是死气沉沉的，在这个行业中，有一个生厂商很特别，不是我偏爱，淄博迈科焊接器材有限公司确实会让你刮目相看，这个生产商很年轻，充满了青春的朝气，年轻的团队，年轻的领导者，创新的思维，却又有过硬的质量。今年，年轻的迈科还搞了一个“迈科质量年”，号称要与行业内任何一家企业比质量，这确实很振奋人心，也许有一天，这个年轻却又蓬勃发展的企业会实现他们的口号：为全球钨电极领域提供最有价值的产品和服务，致力于提升行业高度，推动工业文明进步。
硅纳米管电极电池 篇3
研究人员们表示，进一步能帮助电动车充一次电走出更远的是硅纳米管电极，它比制造锂离子电池的常规石墨电极的电负荷能力高10倍。
斯坦福大学和韩国京畿道安山市的汉阳大学的研究人员们，正在与韩国LG化学(LG Chem)公司合作，开发纳米管电极。LG化学是一家生产锂离子电池的公司，他们也为雪佛兰伏特电动车(Volt)提供电池。锂离子电池充电时，锂离子从阴极向阳极移动。新的硅纳米管电极，正如网上“NanoLetters”杂志所描述的那样，是阳极，而由于电池充电时硅纳米管电极比传统石墨电极可接纳更多的锂，所以电极蓄能也高得多。
“使用目前技术，一辆混合动力汽车的电池只能撑30分钟”，韩国蔚山国立科技学院能源工程学院教授、纳米管阳极研究的领军人物曹在弼(Jaephil Cho)说，如果新的硅阳极能和具相当蓄电池容量的阴极相搭配，那么制成的电池应该能让这辆汽车不用再充电就跑上三、四个小时。
硅比石墨碳可多吸纳十倍份量的锂，因此，硅阳极拥有比常规石墨阳极更高的能储量。事实上，硅吸纳了那么多的锂——多达四倍的容量——也可以是个不利条件。硅这种脆性材料的机械张力如此之大，以至于仅仅几次充放电之后，硅阳极就容易碎裂。所以，包括曹在弼教授和史丹福大学的科学家崔屹(Yi Cui)在内的研究人员们已经在研发纳米结构的硅阳极，来更好地对抗这些张力。他们制备出了硅纳米线阳极和纳米多孔硅阳极。现在，他们又合作开发硅纳米管阳极，其电储量比其他纳米结构的硅材料阳极还要高，曹在弼说。
硅纳米管阳极看起来像一束空芯麦秆。硅纳米线只在其表面跟锂反应，而纳米管则在管内也有许多裸露面积供反应。“纳米管拥有极大的表面面积，与锂相互作用的位置比其他类型的材料多得多”，曹在弼说。纳米管的形状也有助于在电池充放电时减轻张力，因为有额外的空间让硅来膨胀及收缩。
硅纳米管的制作过程是通过将铝模板反复浸入硅溶液中，然后加热、用酸性腐蚀其结构来除铝。“很简单，铝模板也是市场上买得到的”，曹在弼说。与LG化学公司一道，曹在弼正同铝模板制造商合作，制备出可与大批量生产相匹配的模板。他预计，采用纳米管电极的电池三年内可实现商业化。
硅阳极是否会增加锂电池的成本，现在作结论还为时过早。不过，“就算成本高了。但你能获取高容量啊，这将是个优势”，得克萨斯大学奥斯汀分校能源工程系教授阿鲁玛甘·曼席拉姆(Arumugam Manthiram)认为。
LG化学不是研发硅阳极的唯一电池公司。3M和三洋也正开发这项技术。不过，纽约州立大学宾汉姆顿分校材料科学与化学系教授斯坦利·维丁翰(Stanley Whittingham)警告说，在把这些电极做成车用蓄电池组之前，还存在不少挑战。跟硅相关的一个难题是如何把投入的能量全部拿回来——一个称作库仑效率的性质。使用硅阳极，时间一长，充入的能量后放出的将会越来越少。曹在弼和崔屹已经演示了他们制备的阳极在200次充电后的性能。但维丁翰认为，在一个阳极真正用于车辆之前，其库仑效率需要证明上百次乃至上千次的充电性能，而如此长效的性能还没被硅阳极显示过。
电弧炉电极自动控制系统的实现 篇4
当前，冶炼技术发展迅速。对于熔炼金属，电弧炉比其他炼钢炉工艺灵活性大，能有效地除去硫、磷等杂质，炉温容易控制，设备占地面积小，适于优质合金钢的熔炼。目前电弧炉普遍采用电极升降方法对熔炼过程进行恒流控制，但是我国大部分电弧炉冶炼过程仍然完全依靠工人手工调节，电极控制不稳、劳动强度大、耗电量大，并且由于工人的经验不同，冶炼的效果分散性很大，使产品质量降低。在冶炼的不同阶段，控制效果很难一致，系统容易振荡，增加电极消耗，不能保证三相电流的平衡输入，产品质量非常不稳定。因此有必要把电极自动控制系统的实现加以推广，提高生产效率。本文主要介绍在电弧炉电极控制的具体实现方法，对于其它型号的电弧炉可以根据电流的不同选择不同型号的交流互感器转化为0-5A，重新调整电位器设定参考电压的数值，就可以实现电极的自动控制。
1 电极自动控制的硬件实现
1.1 电流的交流变送的实现
正常工作时，实现对AC 0-300A变送:当A相电流小于250A时，光电耦合器PC1导通，当A相电流大于290A时光电耦合器PC2导通。0-300AAC电流转换为0-10VDC的实现参考电压:250A/8.3V、290A/9.7V，利用二级互感器，一级互感器选用300A/5A，二级互感器选用5A/20mA，实现20mA转化为0-10VDC。将20mA的信号串联电阻变成电压信号，然后桥式整流，二次滤波实现0-10V的转变。与参考电压比较后达到临界电压导通光电耦合器，调整电位器10K与10K电阻配合，参考值标定为V1=8.3V,V2=9.7V，将前面变送的信号送比较器393LM，与参看电压比较。393LM输出送光电耦合器。在这里不采用继电器作为PLC的输入，因为继电器存在机械频率的限制。当输入信号的电压值在参考电压上下波动时，不能有效的得到数据。光电耦合器采用PC718,可以实现与前级的隔离，并且有效地得到数据。当LM393的1号引脚输出低电位时，光电耦合器PC1导通，当LM393的1号引脚输出高电位时，光电耦合器PC1断开。当LM393的2号引脚输出低电位时，光电耦合器PC2导通，当LM393的2号引脚输出高电位时，光电耦合器PC2断开。
1.2 PLC的输入输出实现
选用三菱FX2n-32MT系列，预留输入点3个，输出点2个作为备用。这里使用比较器得到数据，就不采用2AD而节约了资源。当PC1的输出导通时，PLC接受到信号x1，表明A相低于临界电流。当PC2的输出导通时，PLC接受到信号x2，表明A相高于临界电流(见表一)。
2 电极自动控制的软件实现
2.1 软件结构
由于信号在在临界值波动时不稳定，此时输出电机控制可能早成电机旋转不能立刻停止，或者收到输出继电器反映时间的影响，严重时可造成电机正反转同时接通，而造成电源短路危险。这里采用延时的方法，当达到稳定状态后再输出，可以有效避免这种情况。由于篇幅原因，这里做出X001,X002端口检测，端口检测程序框图如图一所示。
2.2 开机自检
开机自检后如正常，则正常工作，如果形成开关没有复位或者损坏则报警，如图二所示。
2.3 电机动作
当被测电流稳定的达到需要调整的电流临界值时，即检测输入端口持续0.9S稳定，则相应的电机动作，如图三所示。
3 结束语
(1)利用光电耦合器可以有效地解决继电器的机械频率限制，提高PLC的输入可靠性与响应速度。
(2)采用FX-2n系列可编程控制器实现了对电弧炉电极的自动控制。提高了电极升降调节的快速性，保证电极平稳调节，电极消耗下降，降低了劳动强度，得了良好的经济效益。
摘要：对电弧炉电极电流进行测量变送,然后与比较器比较,控制光电耦合器实现FX-2nPLC的隔离输入。通过PLC控制中间继电器带动电机工作,从而实现对电极的自动控制。
关键词：交流变送,光电耦合器,Fx-2nPLC,电极控制
参考文献
[1]沈才芳,孙社成,陈建斌.弧炉炼钢工艺与设备[M].北京:冶金工业出版社,2001.
[2]袁文枢.高性能电弧炉电极调节控制系统[J].工业加热,1995,(1).
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电极-生物膜法处理铜酸洗废水 篇5
电极-生物膜法处理铜酸洗废水
采用自行设计的反应器,用电极-生物膜法对铜酸洗废水进行了直接处理.结果表明,经过铜离子梯度驯化的`反硝化微生物可以适应铜离子的存在并有效完成反硝化过程,在最佳工艺条件(电流密度为0.1mA/cm2, C/N为1.07)时,出水中总无机氮(TN)去除率达到98%以上,铜离子浓度<1mg/L, pH值在7左右,且不存在二次污染.电极-生物膜法可同步高效地实现中和、反硝化及铜离子的去除.验证了通过交换电极回收铜的可行性.
作 者：吴未红 袁兴中 曾光明 李文卫 WU Wei-hong YUAN Xing-zhong ZENG Guang-ming Li Wen-wei 作者单位：湖南大学环境科学与工程系,湖南,长沙,410082刊 名：中国环境科学 ISTIC PKU英文刊名：CHINA ENVIRONMENTAL SCIENCE年，卷(期)：25(2)分类号：X703关键词：生物电极 酸洗废水 中和 反硝化 铜离子
连通意识的碳微电极 篇6
科研人员研制出一种“神经接口”，由单根碳纤维制成，外有化学涂层与脑中的蛋白质隔开。
这种新型微电极的直径仅7微米，用于记录单个神经元发放的信号。这也是目前为止最细的电极，比过去研究动物大脑所用的传统金属电极大约细了100倍。
“我们当时想看看能不能彻底改变移植技术。”匹兹堡大学的研究人员、文章的第一作者Takashi Kozai说，“我们希望看到一种耐用70年的电极。”该文近日发表在《自然-材料学》上。
科研人员需要耐用的电极来改善脑机接口。根据初步研究，脑机接口系统可以让瘫痪人士得以控制机械臂或者鼠标。当大鼠运动胡须或四肢瘫痪者试图运动手臂时，神经元会产生电信号，而科研人员用电极记录下单个脑细胞的发放，试图解码表征这些运动的信号。
匹兹堡大学另一名未参与该项目的脑机接口专家安德鲁·施瓦兹（Andrew Schwartz）表示：“这很好地证明了，这些纤维可以被隔开（并且）具有有效的记录表面。”不过他也提醒说，要把这么纤细、柔韧的电极插进脑组织并固定，不是件容易的事。施瓦兹提到，在研究项目中，好些动物的记录出了问题。
施瓦兹说，人们普遍认为小纤维是“好东西，因为大脑似乎会‘忽略’它们的存在。”传统电极由于受周围疤痕组织的影响通常用了几年就不能继续记录信号了。为了让电极更好用，科研人面还在电极的尖端涂了一种聚合物，帮助电极拾取电信号。
在人体志愿者身上开展的实验中，施瓦兹采用了一种名叫“犹他电极组”的技术，这种技术已有15年历史，是把大约100根金属电极刚性排列在大小和计算机键盘上的字母Q相当的面积内。
矿热炉电极控制系统的应用与开发 篇7
依靠手工调节控制电极升降,很难达到理想的操作指标。而且要求精力高度集中,工人的劳动强度大、容易因疲劳而造成误操作,并且由于工人操作水平、操作习惯的不同,使操作不统一,电极控制不稳。这就致使产品质量不稳定、耗电量增加。随着计算机技术的进步和控制理论的发展,矿热炉电极智能控制系统得到了一定程度的发展。用计算机技术代替手工操作控制电极升降显示了很大的优势,弥补了手工操作中的种种缺陷。
1 矿热炉的工艺特点
研究矿热炉电极控制系统,首先就要了解矿热炉本身的工艺特点,具体如下:
a.工艺复杂,建模困难。由于发生在矿热炉内部的物理、化学现象十分复杂,炉内原料经历了固、液、气态全过程,同时还要把大量的电能转换成热,而这些过程目前还不能被充分的解析,这就导致控制过程中的不确定性因素较多。在这种情况下要想建立精确的数学模型比较困难。
b.矿热炉炉内温度较高,不便于直接在线检测。矿热炉操作属于“黑箱”操作,而且由于炉内温度较高,致使炉内温度、电石液液位及电极工作端深度等各种重要参量无法直接或间接测量。
c.矿热炉系统是典型的负载不对称三相系统。矿热炉短网长度不等且布置不对称,导致各相短网的自感和互感、阻抗不平衡,造成三相熔池电压不等、熔池功率不等。
d.三相电极之间存在着耦合关系。即当对三相电极中的某一相进行操作时,不仅影响该电极的参数值,而且其他两相电极的参数值也随之变化,最终影响到冶炼炉内的状况。
e.矿热炉属于大滞后系统。即某时刻的某一参数发生了变化,那么因为这个参数发生变化而导致的其他参数的变化将发生在一段时间之后。
2 电极控制系统的任务
根据矿热炉的工艺特点,电极控制系统必须在以下各方面满足要求:
a.矿热炉冶炼过程中的热量供应。矿热炉生产的热量供给要满足加热炉料和进行化学反应的能量要求和不可避免的能量损失的要求。通过对升降电极的控制方法,可以调解操作电阻的大小[1],达到调节电极负载电流和入炉功率大小的目的。
b.热量的合理分配。从宏观上分析,对于三相三电极的矿热炉,炉内电路可归纳为星形回路和三角形回路两种[2]。调节电极插深可改变入炉功率在炉料区和熔池区的分配。
c.冶炼过程的炉况稳定。在矿热炉冶炼过程中,由于炉料溶化、塌料及沸腾等原因,使输入到炉内的电弧功率不稳定,必须不断调整电极位置以达到入炉功率稳定。而电极的频繁动作会导致炉况不稳定,这样就要求电极升降在满足控制精度的前提下,既能保证电极升、降次数最少,又能使矿热炉在最佳炉温下连续生产。
3 电极控制系统的应用
针对矿热炉的电极控制系统,目前国内外做了很多的相关研究。笔者从控制原理和控制策略出发对现有的电极控制系统进行研究和分析。
3.1 控制原理
电极的控制必须遵循一定的控制原理。如何选择电极控制原理是控制器设计的一个重要依据。控制原理的选择直接影响到控制器的性能,是影响冶炼效率、冶炼成本的重要因素之一。经过多年的研究和探索,目前最常用的电极控制原理有传统电流控制、阻抗/熔池电阻控制和功率控制。
3.1.1 电流控制
电流控制就是根据设定电流和实际电流的偏差来控制电极的位置,控制目标是使实际电流I等于设定电流Iset。目前大多数的矿热炉是通过调节电极升降来控制三相一次电流的[3,4,5]。冶炼过程中根据预定的控制方案设定最佳电流值Iset。再根据设定电流Iset的允许波动上限Imax和允许波动下限Imin,将实际电流I分别与该极的电流上限和电流下限相比较。若电极电流大于电流上限,则提升电极端头位置;若电极电流小于电流下限,则降低电极端头位置。
由矿热炉的特征可知,矿热炉是一个多输入、多输出的耦合系统,即当对三相电极中的某一相进行操作时,不仅影响该电极的参数值,而且使其他两相电极的参数值也随之发生变化,最终影响到冶炼炉内的状况。在实际冶炼过程中,应采取三根电极协调控制的方法,使三根电极的电流达到平衡状态。避免因各电极电流相差过大,引起炉内温度不均衡导致产品质量下降或某根电极长时间负载过重而引起设备损坏。
通过电流控制电极的升降,控制原理便于理解,且控制参数也容易获得,操作较简单。但是,通过电流值控制电极升降,当设定电流允许波动的上、下限过大时,控制的精度降低;相反,电极升降过于频繁,使形成的“坩埚”随时被破坏,冶炼炉况不稳定。而且,由于矿热炉各相阻抗不平衡,造成三相电极的电压不平衡,因此一次电流达到平衡,并不代表熔池内的有功功率达到平衡。
3.1.2 电阻控制
矿热炉内等效电路如图1所示,矿热炉内负荷可以表示成一个可变电阻R,电极在炉内的入料深度和当时电极周围炉料的性能决定了电阻R的大小。图1中X1称为上游电抗,是含冶炼变压器在内的所有供电网络短路电抗,X2称为下游电抗,是矿热炉变压器二次端子到电极间所有电抗之和,总感抗X=X1+X2,电路总阻抗,。
电阻控制可从3个方面进行:熔池电阻控制、阻抗控制和电导率控制。熔池电阻控制通过改变电极的入料深度调节操作电阻R,使操作电阻R基本不变[6],其控制目标为;阻抗控制就是通过改变电极的入料深度调节阻抗Z,使其为恒定值,若预设定电流为Iset,相电压为Uset,实测电流为I,实测电压为U,则;电导率控制通过电极的升降控制保证炉子的电导率G恒定[7],同时保证电导率对于电极位移之间的梯度恒定,即、。
电阻控制,有利于系统的平衡和稳定,但是电阻控制没有从矿热炉的工作原理出发,电阻的平衡并不意味矿热炉运行在最经济、高效的状态。
3.1.3 功率控制
功率控制就是在冶炼过程中,同时采集电极的电流值、相电压值和功率因数值,通过计算得出每相电极的实际输出功率,然后与设定的最佳输出功率相比较,计算得到功率的偏差值,通过控制实际输出功率与设定功率的偏差值,使输入熔池的电弧功率为一个恒定值[8,9,10]。
功率控制相比较电流控制、电阻控制更加全面地考虑了电极的电参数。冶炼过程中控制要求的核心是三相电极得到同样的功率,但是当使三相电极的功率达到平衡时,并不能说明炉内三相电极所形成的三相熔池达到真正的平衡,这是因为功率控制并没有考虑到三相电极的插入深度,即使三相电极得到相同的功率,但三相电极的端头不在一个水平面上,也会造成熔池的横剖面热力不均,热效率降低。
3.2 控制策略
用良好的控制策略对矿热炉的电极进行控制,使控制动作能够根据矿热炉内的实际情况实时的进行调整,是电极控制满足工艺操作的关键。目前的控制策略主要有PID控制、模糊控制、自适应控制以及神经网络控制等。
3.2.1 PID控制
PID控制是历史最悠久、生命力最强的控制方法,是矿热炉电极控制中被广泛采用的控制策略[11],这种控制策略具有直观、实现简单且鲁棒性好的优点。以恒电流控制为例,电极升降系统PID控制器结构如图2所示。
首先变送器将原边电流0～400A转换为4～20mA信号送入PLC,经A/D变换后的数字量经过数据处理后,即得控制器反馈值,同时利用上位机将人工电流设定参数送入PLC,即得控制器设定值;然后采用PID控制算法,根据偏差e计算控制量M,最后由执行机构控制电极的升降。在控制算法中,将系统的设定值与系统输出值进行比较,得出控制偏差值,并依据偏差情况,给出控制量:
式中e(t)——偏差值;
Ke——比例系数;
M(t)——控制量;
Ti——为积分时间常数;
Td——微分时间常数。
PID算法用于非时变系统控制时,控制效果很理想。矿热炉是一个随机干扰十分严重的非线性时变系统,PID控制很难达到良好的控制效果。另外,由于PID控制的电极升降系统的电极动作频繁,致使炉温波动、炉况不稳。
3.2.2 模糊控制
基于矿热炉工艺复杂、建模困难的特点,研究人员将模糊控制引入矿热炉的电极控制过程[12]。模糊控制不依赖数学模型,仅借助于专家的经验知识和逻辑判断并得到启发。模糊控制系统将专家凭经验所采取的操作总结成控制规则,从而构建一个控制器模拟专家对电极升降过程进行控制。模糊控制系统的结构如图3所示。
模糊控制器的核心是模糊控制规则,它通常是根据专家的经验得出的。以恒电流控制为例,电极模糊控制算法中,模糊变量分别是电流偏差值Eia、Eib、Eic,电极调节量Ua、Ub、Uc。电流偏差值的语言值分为5个模糊量级:正中(PM)、正小(PS)、零(ZO)、负小(NS)、负中(NM);电极调节量语言值分为7个模糊量级:正大(PB)、正中(PM)、正小(PS)、零(ZO)、负小(NS)、负中(NM)、负大(NB)。因此,根据专家经验总结规则可以写成“如果(前提条件)…则(结论)…”的形式,如:
规则1 IF Eia=PM AND Eib=PM AND Eic=PM
THEN Ua=PB,Ub=PB,UC=PB;
规则2 IF Eia=PM AND Eib=PM AND Eic=PS
THEN Ua=PB,Ub=PM,uc=PM;
规则3 IF Eia=PM AND Eib=PM AND Eic=0THEN Ua=PB,Ub=PM,Uc=PS。
模糊控制的优点就是不依赖数学模型,规则的表达形式也容易被人们所接受和理解,而且具有良好的鲁棒性和适应性。但是模糊控制主要依靠专家的经验,目前矿热炉有许多问题没有被解析,而且理论上模糊控制总会存在静态误差,在稳定点附近系统冗余发生振荡。
3.2.3 自适应控制
矿热炉冶炼过程中炉况的好坏会受到各种因素的影响,控制参数在炉况发生变化时,按设定的最佳值进行调节已不能适应炉况的变化,此时需根据炉况的变化对设定值进行修改。一种解决办法是人工修改设定值,使输入量适应于炉况变化。但人工修改取决于工人的实践经验,而且由于炉况的变化具有随机性,人的反应无法适应炉况的变化,用人工整定的办法难以及时进行状态控制。
自适应控制器是在最优控制理论基础上,针对运转条件改变仍能使规定的目标函数最大(最小)的目的而设计的,通过自适应控制手段可解决需根据炉况变化而修改控制参数最佳设定值的问题。自适应控制可分为模型参考自适应控制和自校正控制,这两种策略在电极升降控制中都有应用[13],自适应控制系统的结构如图4所示。
矿热炉电流与电极位置满足方程(以A相为例):
式中hA——电极端头到炉底之间的距离;
IA——电流值;
LA——自感系数;
S——负载电阻的截面积;
U——二次电压;
ρA——电阻系数。
其中IA为被控制参数,hA为控制量,LA、ρA随时间而变。当输出电流产生偏差时,通过调节电极的入炉深度消除偏差。冶炼过程中采集输出电流的一系列离散值,根据输出电流值序列,用最小二乘法确定待定系数LA、ρA,然后求解方程,计算输出电流的稳态响应,求电极入炉深度hA,通过调节电极的升降调节电流值。
自适应控制适用于矿热炉这种受控对象及其环境的数学模型不完全确定,含有一些未知和随机因素的不确定性系统。而且自适应控制系统可以适应矿热炉这种过程参数变化大、扰动变化范围大的系统。但是当受控对象的特性尚未完全掌握,并且本身又存在一些不可忽视的不确定性时,自适应控制也不能达到满意的控制效果。
3.2.4 神经网络控制
近年来神经网络被广泛应用于矿热炉的电极控制[14]。众所周知,神经网络模型具有很强的非线性映射能力和柔性网络能力以及高度的容错性和鲁棒性,适用于矿热炉这种非线性问题的求解。神经网络的每一个人工神经元都是一个多输入、多输出的非线性文件,其一般结构如图5所示。
神经元的数学描述为:
其中xi为神经元输入,ωi为权重系数。Q为神经元阈值,Pg为神经元输出。f(x)为激发函数,有多种形式,如双曲函数、S形函数等。
电极神经网络控制系统的工作作过程为[15]:传感器采集到的模拟信号(变压器二次侧电压、电流,一次侧电压、电流)通过交流变送器变换成-10～+10V之间的交流信号,经200kHz采样频率采集到工业控制计算机中,工控机根据这些参数计算出变压器一次侧和二次侧三相的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、弧压以及弧长等参数。系统再根据这些参量,通过神经网络计算出控制电极调节的信号,该信号经D/A板卡转换成模拟量送给液压伺服放大器来驱动执行机构,完成电极的升降调节。
神经网络的缺点是不能解释自己的推理过程和推理依据,不能向操作者提供运行状态的解析,而且神经网络把一切特征都变为数字,一切推理过程都为数值计算,当数据不充分时会导致推导结果不准确。
4 前景展望
矿热炉的电极控制系统是一个非常复杂的非线性、强耦合时变系统,其高精度的计算机自动控制离不开合理的数学模型,关于该系统数学模型的建立一直没有取得好的效果,以后应加强对多种建模方法的研究,建立合理数学模型。
矿热炉电极控制的根本目的是对炉内的温度进行控制,现在的电极升降控制原理,无论是电流控制、电阻控制还是功率控制,都是以电参数为控制指标,无法真实地反映矿热炉内部的温度状况。应该加强以炉内温度为控制指标的电极升降控制,这就需要研究通过数学方法或物理方法实现对炉内温度的获取。
矿热炉电极控制系统的开发,可将人类专家的经验与数学模型相结合,使系统对炉况的判断及调节动作的决策建立在更为科学的基础上。将数据库技术、神经网络技术、多媒体技术与专家系统相结合,提高系统操作的智能化和简易性。
5 结束语
矿热炉电极控制系统对矿热炉的冶炼效率和产品质量有重要影响,人们做了大量的研究以提高电极控制系统的性能,但是由于矿热炉冶炼的复杂性和人们对矿热炉冶炼过程认识上的不深入,导致现有的控制系统主要依据电流、电阻及功率等电参数对电极进行控制,不能与矿热炉的工作原理深入地结合,现有的控制策略也不能适应矿热炉非线性、强耦合、时变性的特点。因此,提出矿热炉电极控制系统的研究应该从矿热炉的工作原理出发,结合数学模型和专家经验,运用数据库技术、神经网络技术、多媒体技术以及专家系统等多种技术,提高矿热炉电极控制系统的科学性和简易性。
摘要：矿热炉通过三相电极向炉内输入电能,在炉内产生高温使原料发生化学反应。冶炼过程中通过电极升降调节炉内的热量状况,电极控制的好坏直接影响着矿热炉的冶炼效率和产品的质量。分析了矿热炉的工艺特点和电极控制系统的主要任务,介绍当前电极控制系统所采用的控制原理和控制策略,最后介绍了电极控制系统的发展趋势。
电弧炉电极升降自动调节系统简介 篇8
关键词：三相交流电弧炉,极自动调节,闭环控制,PID控制器
引言
电弧炉因不同的原料成分、不同的工艺要求, 对电弧的强弱不尽相同, 电极可在炉内产生电弧熔化炉料但是电极不能无限制地产生短路电流, 长时间的短路必定会损坏变压器, 所以控制电弧电流的重点即是控制电极的升降。在自动控制系统中使用PID控制器对电极升降完成闭环控制, 实现了生产的自动化。下面简要介绍一下电炉电极的自动控制系统。
1. 电弧炉的熔炼过程
1.1 点弧期
当炉料装填完毕, 自动控制系统准备完毕, 由于程序自动控制的作用电极开始下降。当电极接触炉料表面时, 市变压器二次发生短路, 产生短路电流。在电极自动调节程序的作用下, 电极提升使电极与炉料之间产生电弧。此时变压器二次采用低电压、小电流点弧;
1.2 穿孔期
随着电极下面炉料的熔化, 电极不断下降, 逐渐在炉料中形成一个洞即穿井。当电极深入炉料深度为电极直径的1.5倍时, 换高电压, 较大电流熔炼;
1.3 主熔化期
当电极深入炉底, 形成小熔池时, 换最大电压、最大电流熔炼;
1.4 熔化末期
当炉料基本熔化, 高电压下的长弧已能直接辐射炉壁时, 换较低电压、用最大电流、短粗电弧熔炼;
1.5 熔末升温期
炉料熔清后, 继续采用较低电压、大电流、短粗电弧熔炼, 使钢水达到预期温度。
2. 电极升降自动调节
2.1 电弧电流控制
每个时期根据不同的原料成分、不同的工艺要求, 对电弧的强弱不尽相同。可以发现对电弧强弱的控制是整个过程中的重点。电弧炉变压器能较大范围的调整二次电压可以适应不同冶炼时期对功率的需求。电极可在炉内产生电弧熔化炉料, 但是电极不能无限制地产生短路电流, 长时间的短路必定会损坏变压器。
2.2 控制电极升降
控制电弧电流的重点即是控制电极的升降, 对电极升降控制的好坏对钢水的质量、电能的消耗有直接影响。精确控制电极可以自动点弧以及消除由于炉料塌落而造成的电极与炉料之间的短路, 能自动保持电弧功率为给定功率。
2.3 模拟量闭环控制系统
电极升降调节主要是检出变动的弧流、弧压, 将其与给定值进行比较并求出二者差值, 根据差值的大小、方向, 通过液压伺服阀上下移动电极, 使输入功率保持恒定。
特殊钢炼钢连铸工程电弧炉电极的自动控制系统使用的主要设备是S7-400系列的PLC和输入输出模块并辅以各种现场传感器, 变送器与采集炼钢过程中的一次电流、电压, 二次弧流、弧压、钢水温度等等数据, PLC程序对这些数据进行转换、比较、计算, 后再输出控制信号到电极的伺服阀控制电极的升降达到控制电弧强弱的目的。这一过程是周期性的输入、输出的数据都是变化的量, 这是一个典型的模拟量闭环控制系统。如图1。
在模拟量闭环控制系统中, 在一个程序执行周期内被控量N (例如电流、电压、温度等) 是连续变化的模拟量, 大多数执行机构 (伺服阀、变频器等) 要求PLC输出模拟量信号AOS, 而PLC的CPU只能处理数字量。所以, N首先被测量元件 (传感器) 和变送器转换为标准量程的直流电流或电压信号AIS, 如4~20mA、1~5 V等, PLC用模拟量输入模块的A/D转换器将它们转换为数字量ID。PV为A/D转换后的反馈量, 图中SP为给定值, W是误差, W=SP-PV。误差值在PID控制器的程序中进行运算, 将运算结果OD (数字量) 送给模拟量输出模块, 经D/A转换后变为电流或电压信号AOS, 再来控制伺服阀的开度和方向调节电极的升降及速度, 实现对电弧电流的闭环控制。模拟量与数字量之间的相互转换和PID程序的执行都是周期性操作, 在上面一个周期完毕后下一个周期继续执行对被控量N进行采样、转换、比较、计算、再控制的过程。
2.4 PID控制器
上图虚线框内是PLC内完成的运算过程, 在S7-300/400系列的PLC上实现可以使用它的模拟量闭环控制功能, 使用闭环控制模块如S7-300的FM355和S7-400的FM455, 除了使用专用的闭环控制模块外, S7-300/400也可以使用PID控制功能块来实现PID控制。安装了标准PID控制软件包后, 功能块FB41—FB43可用于PID控制。下面简单介绍一下这种PID控制功能块, 见下图。
功能块中有很多的参数, 简单介绍其中比较重要的几项。
左边输入侧:
MAN_ON:布尔型 (BOOL) 为1时为手动
模式, 默认为0, 手动模式时控制变量被手动选择的的值MAN代替。
P_SEL:为1时激活比例操作, 默认为1。
I_SEL:为1时激活积分操作, 默认为1。
D_SEL:为1时激活微分操作, 默认为0。
这三项可以单独激活或取消, 通过其他程序段来激活或取消它们的作用。
CYCLE:采用时间, 两次快调用之间的时间, 取值范围大于等于20ms。
SP_INT:设定值输入, 浮点数 (REAL) 。在炼钢过程中不同阶段通过其他程序段处理会有不同的输入值。
PV_IN:过程变量输入, 即反馈值, 浮点数 (REAL) 。可以是二次的弧流、弧压等参数。
GAIN:比例增益, 用于比例操作部分, 浮点数 (REAL) 默认值2.0。
DEADB_W:死区宽度, 浮点数 (REAL) 。
设定值SP_INT减去反馈值PV_IN得到负反馈的误差, 为了抑制控制器输出的量化造成的连续振荡, 用死区DEADB_W非线性对误差进行处理。
LMN_HLM与LMN_LLM为控制器输出上限与下限, 浮点数 (REAL) 。可用来控制电极上下速度极限。
输出侧:
LMN:控制器输出值, 浮点数 (REAL) , 输出此值已控制电极升降。
ER:死区处理后的误差输出, 浮点数 (REAL) 。
其中注意参数如, SP_INT、PV_IN、LMN输入或输出的为32位浮点数 (REAL) , 但是这些变量在最初采样时和最后输出到执行机构时的数据类型为16位整数 (WORD) , 所以这些变量要经过数据类型转换才可以输入或输出。下面是输入过程的数据类型转换的程序段, 如图3。
在模拟量输入模块得到二次弧流的16位整数值后, 用转换器I_DI将16位整数转为32位整数, 然后用转换器DI_R将刚才的双整型数转换位32位浮点数, 这个数便可直接用作PID功能块FB41的输入参数了。输出值LMN即是将此浮点数转化为16位整数再经模拟量输出模块输出来控制电极升降。
结束语
电极升降自动调节系统中PID控制器不需要被控对象的数学模型, 结构简单容易实现, 有较强的灵活性和适应性, 使用方便, 是应用最广的模拟量闭环控制器。以上内容只是对模拟量闭环控制系统作了简单的介绍, 闭环控制是个复杂的过程, 对它的理解和合理使用既要有理论知识又需要实际经验, 所以还需要在工作中不断地学习和探索。
参考文献
[1]刘春华.电气调整手册.冶金工业出版社
[2]廖常初.S7-300/400PLC应用技术.机械工业出版社
基于NX的电极设计系统的开发 篇9
注塑模具在其生产制造过程中经常使用电极进行电火花加工,而大量的电极的设计与制造往往占据了生产准备周期较多的时间,成为模具制造过程中的一个瓶颈。主要表现在:(1)大量的电极建模单纯依靠设计人员手动逐个创建繁琐又费时;(2)电极火花图、物料清单需要通过很多的人机交互才能完成;(3)电极设计的知识与经验难以传承。Siemens NX软件自带的电极设计模块,功能虽然比较强,但其设计方法与使用模式与国内模具行业中流行方法与模式有较大区别,故没有得到广泛的应用。
激烈的市场竞争,迫使模具行业在保证产品质量的前提下,尽可能地缩短产品的生产周期以降低成本,因此开发一个自动化、集成化、高效率的电极设计系统有着极大的现实意义。
1 电极设计系统概述
根据对多家知名企业的电极设计实际情况的调查与研究,目前在模具行业中,广泛使用Siemens NX软件系统来进行产品、模具的设计、加工与分析。用户一般不使用Siemens NX带的电极设计模块,而是使用其建模等通用功能进行电极设计。电极设计的一般过程如下:准备模仁→确定电极坐标系→选择放电区域→创建边界盒→电极头修剪成形→创建电极基座→添加电极属性→绘制放电图→编制电极物料清单。
Siemens NX软件是CADCAECAM一体化的通用软件系统,广泛应用于航空、航天、汽车、模具等领域。在通用软件系统的基础上,通过二次开发,把企业有成功实施经验的、特殊的、专业的知识与通用软件集成为一个高效的、满足企业实际应用的系统平台,可为企业在市场的竞争中提供有力的保障【1】。本文中的电极设计系统正是将企业的电极设计知识与经验集成在一起,自动地、高效地完成电极的设计。
在Siemens NX软件的新版本8.0中,为企业和用户提供的主要开发工具有:NX Open、Knowledge Fusion、Block UI Styler、MenuScrip等【2】。电极设计系统主要在Microsoft Visual C++。Net平台上、应用NX Open中基于C语言的API进行功能开发。电极设计系统的菜单则使用MenuScrip进行定制与开发。
2 电极设计系统的主要工作过程
(1)创建电极项目文件夹
为对了电极进行精细管理,在电极设计之前,按照项目及模具编号,规划好电极项目文件夹,由电极设计系统提供的命令“创建项目文件夹”来实现文件夹的自动创建。电极项目文件夹的具体层次如图1所示,底层的文件夹CA-EDM、CR-EDM、SD-EDM、LF-EDM用于存放电极部件。
(2)准备模仁
分析模具设计总装配,按前模、后模、行位、斜顶等类型以NX部件的方式导出模仁实体,将所得部件保存到对应的电极文件夹(CA-EDM、CR-EDM、SD-EDM、LF-EDM)中。然后,根据各模仁的实际加工工艺,具体分析模仁的加工表面,确定需要进行电极加工的部位,如图2所示。
(3)建立电极坐标系
电极坐标系是电极设计的基准,可按模仁实体的分中线为参考来建立。当用户选择模仁实体后,系统基于工作坐标系计算出模仁边界盒的精确尺寸,并在边界盒的顶面创建两条相互垂直的分中线作为电极坐标系的X、Y轴,原点为两条分中线的交点,Z轴由右手螺旋法则确定,如图2所示。
(4)电极头建模
电极头是电火花加工的工作表面,其轮廓形状与模仁需要电加工的表面相匹配。在电极设计系统中,用户可选择一个或多个电加工表面,经系统运算生成边界盒,该边界盒默认向外延伸3mm,如图3中a所示。然后,系统以模仁实体作为工具体来修剪边界盒,得到电极头,如图3中b所示。对于电极头细节部件的编辑,可由用户利用NX自身的建模功能或者本系统提供的一些快捷功能来实现。另外,在实际工作中,为了缩减电火花的加工时间,可依次创建多个电极头,如图3中c所示,然后共同创建一个电极基座,如图3中d所示。
(5)创建电极基座
电极基座是在电极头顶面上创建的,它既是电极的夹持部分,也是电极加工时的安装基准。在电极设计系统中,电极基座的设计是基于对话框进行的,当用户点击命令后,选择一个或多个电极头的顶面,就会弹出如图4所示的对话框。电极设计系统根据所选的电极头顶面,计算电极的几何信息,包括放电坐标和基座尺寸,并自动对电极基座的四条垂直边进行倒角(1个C角作为基准角,三个圆角为工艺倒角)。放电坐标以电极坐标系为参考系,坐标值要求为整数,便于电加工时电极的定位与校准。
电极基座创建后将与电极头自动进行布尔加运算,得到电极的实体模型,如图3中c、d所示。
(6)设定电极参数
电极参数主要包括四个方面内容:备料尺寸、电极间隙、工艺要求和备注,如图4所示。这些电极参数以属性的形式赋予电极模型。在编制电极材料清单、绘制电极火花图等操作时,系统可以读取对应电极模型的属性,自动完成对应项目的填写,对于提高工作效率非常有帮助。
“备料尺寸”由电极设计系统计算得到,所得结果应圆整且个位数应为5或0。为了避免出现库存无料而需要重新订料或修改电极的问题,备料尺寸可自动匹配当前库存的材料规格。
“电极间隙”参数主要是由用户根据电加工工艺确定电极所需要的粗、半精、精种类,并指定相应的火花间隙及电极数量。
“工艺要求”参数主要包括材料、工件特性、外观要求和二次加工四项内容,每项内容均在“电极基座”对话框中用下拉列表的形式列出可选项,方便用户选择。用户可以在系统的配置文件中自定义各项内容的选项。电极材料可选项为石墨、红铜。工件特性的可选项为清角、插穿、枕位、骨位、胶位、碰穿、夹口等。外观要求的可选项为一级面、二级面、三级面等。二次加工的可选项为线割、雕刻、铜打铜等。
“备注”主要是由用户输入文本,说明电极的安装、加工等方面要求注意的事项。对于一些常用的事项,用户可以在系统的配置文件中进行自定义,便于重复使用。
(7)绘制电极火花图
电极火花图主要用于表达在电加工时模仁与电极之间的位置关系,同时也表达了电极的形状、尺寸,并绘制电极轴测图,如图5所示。在电极设计系统中,火花图的绘制全部由系统自动完成,不需要人工的干预。绘制火花图的主要流程如下。
1)导入火花图图框。一般采用A4大小,具体样式可由用户自定义。
2)在图框左侧绘制模仁与电极的装配图,并标注电极坐标尺寸。
3)在图框右侧,绘制电极的投影视图和轴测图,并标注电极基座尺寸以及相关尺寸。
4)在图框下方的栏目中,填写电极属性,如电极间隙、电极数量、制作人等信息。
(8)编制电极物料清单
在电极设计系统中,将自动读取电极的相关属性来构建单层的物料清单,清单的具体表现形式是Excel表格,如图6所示。物料清单的主要内容包括:产品型号、模具编号、电极间隙及数量等。
3 斜顶电极的开发
在一些模具的开发中,如手机模具,可能存在数量众多的斜顶,在设计这些斜顶的电极时,一般多个斜顶做一个复合电极,如图7所示。如果使用手动方法来设计斜顶电极,效率很低,因此电极设计系统针对斜顶开发了专门的电极工具,具体流程如下。
(1)从模具部件中选择一个或多个斜顶实体,导出到一个新的NX部件中。
(2)指定每个斜顶的基准面,将斜顶摆正,并按指定距离放置。
(3)使用“电极头”命令,创建每个斜顶的电极头模型。
(4)使用“电极基座”命令,创建斜顶电极的基座。
(5)自动绘制斜顶电极的火花图并标注尺寸,效果如图7所示。
4 小结
本文根据模具企业的实际情况,总结了电极设计的经验,在Siemens NX软件的基础上开发了一个电极设计系统。该系统不仅提高了电极设计的速度,使得设计人员的重复劳动基本为零,降低了他们的劳动强度,而且使得企业的电极管理更趋向标准化。
参考文献
[1]黄翔.UG应用开发教程与实例精解[M].北京:清华大学出版社,2005.
电极控制系统 篇10
交流电弧炉是冶金工业中的重点耗能设备, 其耗电量约占钢厂总耗电量的一半以上。我国是电力紧张的国家, 许多钢厂皆因电费在产品成本中所占比例过高而失去市场竞争优势。电极调节器是电弧炉的核心控制系统, 它通过控制电极高度来控制电弧长度, 从而起到调节输入功率之目的, 其性能的优劣直接影响钢水产量、质量和电能的消耗。因此, 对电弧炉电极控制系统进行研究具有重要的经济意义。
1 控制对象特性对电极控制器性能的影响
对于电弧炉这样的大电流电弧, 其弧压Ua与弧长La之间的关系可用著名的佛罗里赫氏公式表达[1,2]:
式中α为电弧阳极区与阴极区电压降, 当电极材料、气体介质和大气压力固定时, α为常数, 单位V, 对于不同电极材料的α值列于表1中为弧柱梯度, 它是温度T的函数, 单位V/mm, β值在电弧炉不同的冶炼期是不相同的, 而且差别很大, 表2列出了不同冶炼期的β值。
式 (1) 经变换后可写为:
现以100T电弧炉为例计算不同冶炼期的弧长。 (1) 熔化期:二次侧相电压365 V, 考虑到线路压降及电抗器上的压降, 弧压Ua=0.9×365=328.5 (V) , 则弧长La= (328.5-22) /10=30.65 (mm) 。 (2) 还原期:二次侧相电压339 V, 考虑到线路压降及电抗器上的压降, 弧压Ua=0.9×339=305.1 (V) , 则弧长La= (305.1-22) /1.1=257.36 (mm) 。
由上述分析可得出如下结论:电弧炉在熔化期, 电弧弧长短、变化快, 由于受到塌料、电弧漂移等因素的影响, 电极容易发生窜动、短路和断弧等情况, 此阶段对电极控制器的快速性要求较高;而在还原期, 电弧弧长长、变化慢, 为保证钢水温度及成分的稳定性, 此阶段可适当降低电极控制器的灵敏度, 但对控制精度的要求较高。
2 控制系统结构及工作原理
目前主流的电极控制方法包括恒电流、恒功率和恒阻抗三种[3,4,5]。本系统采用恒阻抗控制方法进行设计, 图1为所设计的100T电弧炉电极控制系统结构图。
控制系统由A相、B相和C相三个电极控制器所组成, 每个电极控制器只负责完成对本相电极升降的控制。该恒阻抗控制器的基本工作原理是:首先通过电流、电压变送器采集短网上的弧压Ua、弧流Ia信号, 由公式Za=Ua/Ia实时计算运行中的阻抗值Za, 其次与控制系统所设定的阻抗值Za*进行比较, 得出阻抗偏差△Za=Za*-Za, 最后由PLC根据阻抗偏差△Za的大小及变化速率选取合适的控制策略, 经PLC运算后产生控制输出信号, 再经功率放大后驱动比例控制电磁阀动作, 从而推动电极液压缸升降, 调节弧长, 达到控制之目的。
3 控制器设计
多模态控制策略构建的基本思想是:在电弧炉的熔化期, 系统扰动大, 弧长的变化及偏差大, 可采用传统的比例控制, 以求系统能快速地减小误差, 对控制精度的要求相对较低;在氧化期, 扰动相对较小, 弧长变化较稳定, 可采用模糊控制, 可兼顾系统快速性和控制精度;而在还原期, 为了消除偏差, 提高控制精度, 可采用PID控制, 这就构成了多模态控制系统。多模态电极控制系统原理图如图2所示。
3.1 比例控制
在电弧炉的熔化期, 电极控制器采用恒阻抗比例控制。电极控制器的调节输出特性如图3所示。
图3中横坐标表示电弧导纳值Ya, 纵坐标表示控制器的输出电压值Uc, Yae为电弧导纳设定值, Ucg为电极比例控制电磁阀功率放大板的输入门槛电压。
当Ya≤0时, 控制器的输出电压值为-Ucmax, 电极以最大的设定速度下降。当0
在西门子S7-400PLC编程软件STEP7的SIMATIC Manager中, 通过建立FC功能块, 在该功能块中调用比较、转换、浮点数运算等指令, 该控制功能不难实现。
3.2 模糊控制
在电弧炉的氧化期, 电极控制器采用模糊控制。该模糊控制器以电弧导纳偏差E和电弧导纳偏差变化率EC作为输入变量, 以电极控制器的输出电压Uc作为输出变量, 输入输出变量的模糊语言值集合均为{NL, NM, NS, ZO, PS, PM, PL}, 论域均为{-6, -5, -4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6}, 输入输出变量各模糊子集的隶属函数取三角形隶属函数。根据电弧炉电极调节特性, 并结合炼钢工艺与专家经验, 制定模糊控制规则表。然后再根据模糊控制规则表, 选用Mamdani的max-min推理方法进行模糊推理合成, 选用面积重心法 (centroid) 进行解模糊, 可得到电极控制器输出电压Uc的值, 如表3所示。
模糊控制器的实现可以采用以下两种方式。第一种方式, 在SIMATIC Manager中, 通过建立FC逻辑块, 将输入模拟量进行模糊化处理, 通过建立DB数据块, 将表3计算出的输出值存于DB数据块中, 系统运行时, 以查表寻址的方式得到电极控制器的输出值。第二种方式, 使用西门子模糊控制组态软件Fuzzy Control++创建Fuzzy功能块 (FB30) , 并在SIMATIC Manager中建立程序调用该功能块即可实现。
3.3 PID控制
在电弧炉的还原期, 电极控制器采用PID控制。PID控制采用如下经典方程:
本系统采用位置式PID控制算法, 将 (3) 式离散化后可表示为:
其中, KP为比例系数, TI为积分时间, TD为微分时间, TS为采样周期, e (k) 为电弧导纳偏差, Uo为电极控制器的输出电压初始值, U (k) 为电极控制器的输出电压。
在西门子S7-400PLC中PID控制的实现, 除使用专用的闭环控制模块 (如FM455) 外, 还可以调用FB41功能块来实现。在SFB41“CONT_C” (连续控制器) 中, 输入参数GAIN、TI、TD、CY-CLE和积分初值I_ITLVAL分别对应于式 (4) 中的KP、TI、TD、TS和Uo, 遵照一定的方法对上述参数进行整定后方可实现PID控制。
3.4 各模态间的切换
各模态间切换时机和频次的把握是控制系统能否稳定运行的关键, 切换不好极容易产生系统冲击和振荡。该控制系统模态切换的步骤如下:
在一个采样周期内积算导纳偏差的平均值△Ya。当采样周期结束时, 系统首先根据△Ya的大小选择满足条件的模态:当△Ya≥0.1Ya时, 系统选择比例控制方式;当0.1Ya<△Ya<0.05Ya时, 系统选择模糊控制方式;当△Ya≤0.05Ya时, 系统选择PID控制方式。其次, 判断当前控制系统输出值是否为零, 仅当控制系统输出值第一次过零时, 切换至下一模态, 然后重复执行下一周期的采样积算。
4 系统仿真及控制效果
运用MATLAB/Simulink软件对多模态电极控制系统进行仿真, 系统仿真结构框图如图4所示。在幅值50 000 A的单位阶跃输入下, 传统恒阻抗比例控制和多模态控制的输出响应曲线如图5所示。
为验证多模态控制策略的实际应用效果, 本文选取了100T电弧炉冶炼氧化期进行了对比测试, 其结果如图6所示。其中, 图6 (a) 为切除模糊控制及PID控制, 仅保留传统恒阻抗控制策略时弧流的波动情况, 图6 (b) 为采用多模态控制策略时弧流的波动情况。由此可见, 多模态控制系统在电弧炉引弧阶段, 能保证在较大扰动作用下的稳定性, 并在冶炼的平稳阶段保持较高的控制精度, 实际应用效果显著。
5 结束语
本文将多模态控制策略引入电弧炉电极控制系统, 解决了单一控制策略的不足, 显著地改善了控制系统的控制精度和稳态性能, 使冶炼过程得到整体优化, 缩短了冶炼时间, 降低了吨钢电耗, 减少了系统对电网的冲击。该系统控制方法简单, 易于工业实现, 具有广阔的应用前景。
参考文献
[1]蒋国昌.电弧炉若干电热特性问题的探讨[J].上海金属, 1989, 11 (3) :28-34.
[2]张涛, 花皑.高阻抗电弧炉的电弧释放功率[J].电源技术应用, 2009, 12 (12) :7-12.
[3]马岛, 王京, 张琨.电弧炉电极阻抗控制器的研究与应用[J].电气传动, 2009, 39 (10) :59-62.
[4]卢海燕, 韩星.100t高阻抗电弧炉的自动化控制系统[J].铸造技术, 2007, 28 (6) :754-757.
[5]王琰, 毛志忠, 李妍, 等.电弧炉电极调节系统的变论域模糊积分复合控制[J].系统仿真学报, 2011, 23 (3) :522-527.
例析电极反应式的书写原则 篇11
一、书写电极反应式的总原则
（一）原电池电极反应式
原电池的负极发生失电子的氧化反应，电子输出，电流流入；原电池的正极发生得电子的还原反应，电子流入，电流输出。
（二）电解池电极反应式
接外加直流电源正极的为电解池的阳极，阳极发生失电子的氧化反应；接外加直流电源负极的为电解池的阴极，阴极发生得电子的还原反应。
（三）守恒原则
电极反应式应遵循质量守恒、电荷守恒、得失电子守恒三原则。
二、书写电极反应式的若干细则
（一）加和性原则
电极反应式具有加和性。按得失电子相等的原则调整两电极反应式的计量数后，再将两电极反应式相加，和即得总反应式；若已知总反应式和其中某一极的电极反应式，则总反应式减去某一极的电极反应式就可得另一极的反应式。
【例1】 设计出燃料电池使汽油氧化直接产生电流是21世纪最富有挑战性的课题之一。有人制造了一种燃料电池，一极通入空气，另一极通入汽油蒸气，电池的电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2晶体，它在高温下能传导O2-。回答如下问题：
【解析】原电池的正极发生得电子的还原反应：O2+4e-=2O2-，O2-在高温下通过掺杂了Y2O3的ZrO2晶体移向负极。负极发生失电子的氧化反应，应是汽油（C7H16）失电子，但失电子后的产物是什么？电极反应式怎么写？大多数学生直接写有很大的困难，但如果根据燃料电池的原理，先写出电池放电时的总反应式：C7H16+11O2=7CO2+8H2O，再根据加和性原则将总反应式减去正极反应式的11倍即得负极反应式。正极反应式乘11是为了消去O2，或者说是使两极得失电子相等。
（二）连续性反应原则
写电极反应式时，应考虑两极得失电子后直接生成的产物能否继续与电解质溶液中的粒子发生反应，若能继续发生反应，则应写成最终产物。
【例2】 写出将铝片和铜片用导线连接插入氢氧化钠溶液形成的原电池的电极反应式和总反应式。
【解析】Al作原电池的负极失电子变成Al3+，Al3+会与NaOH溶液中过量的OH-反应生成AlO2-和H2O，所以负极的最终产物是AlO-2和H2O，而非Al3+；Cu作原电池的正极，溶液中H2O电离的H+得电子产生H2，生成OH-。这里应考虑Al3+与OH-的后续反应。
【答案】负极（铝片）：Al-3e-+4OH-=AlO-2+2H2O；正极（铜片）：2H2O+2e-=H2↑+2OH-；总反应式：2Al+2H2O+2OH-=2AlO-2+3H2↑。
（三）得氧失氧原则
发生电极反应某物得氧时，若溶液呈中性或碱性，在反应物中加OH-，OH-产物为H2O和O2-；若溶液呈酸性，则在反应物中加H2O，H2O的产物为H+和O2-。失氧时，若溶液呈中性或碱性，在反应物中加H2O，H2O与O2-生成OH-；若溶液呈酸性，则在反应物中加H+，H+与O2-生成H2O。这就是所谓的得氧失氧原则。
【例3】 微型纽扣电池在现代生活中有广泛应用。有一种锌银电池，其电极分别是Zn和Ag2O，电解质为KOH溶液，电池总反应为：Zn+Ag2O=ZnO+2Ag，试写出该电池的电极反应式。
【解析】分析该电池的总反应式知，Zn作原电池的负极失电子得氧生成ZnO，Ag2O作原电池的正极得电子失氧生成Ag，电解质溶液呈碱性。按上述得氧失氧原则，负极反应应为Zn失电子变成Zn2+，反应物中加OH-变成H2O和O2-，Zn2+结合O2-生成ZnO，即Zn-2e-+2OH-=ZnO+H2O。正极反应应为Ag2O得电子变成Ag和O2-，反应物中加H2O，H2O与O2-生成OH-，即Ag2O+2e-+H2O=2Ag+2OH-。
【答案】负极：Zn-2e-+2OH-=ZnO+H2O；正极：Ag2O+2e-+H2O=2Ag+2OH-。
【例4】 铅蓄电池的总反应式为：Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O，其中向右进行的反应为放电时的总反应，向左进行的反应为充电时的总反应。请写出铅蓄电池放电时的正极反应式和充电时的阳极反应式。
【解析】铅蓄电池放电时的正极反应为PbO2得电子失氧变成Pb2+和O2-，Pb2+结合SO2-4生成PbSO4，O2-结合H+生成H2O，即放电时的正极反应式为PbO2+2e-+SO2-4+4H+=PbSO4+2H2O。铅蓄电池充电时的阳极反应为PbSO4失电子得氧生成Pb4+和SO2-4，电解质为酸性，反应物中应加水生成O2-和H+，O2-结合Pb4+生成PbO2，即充电时的阳极反应为：PbSO4-2e-+2H2O=PbO2+SO2-4+4H+。
【答案】放电时的正极反应式为：PbO2+2e-+SO2-4+4H+=PbSO4+2H2O；
充电时的阳极反应式为：PbSO4-2e-+2H2O=PbO2+SO2-4+4H+。
（四）O2-处理原则
燃料电池是利用燃料燃烧的氧化还原反应设计的电池，其正极反应的第一步反应都是O2+4e-=2O2-，最终产物是什么还与电解质的种类和酸碱性有关。
1.电解质溶液为酸溶液时，O2-+2H+=H2O，正极反应为：O2+4e-+4H+=2H2O。endprint
2.电解质溶液为中性或碱性时，O2-+H2O=2OH-，正极反应为：O2+4e-+2H2O=4OH-。
3.电解质为能传导CO2-3的熔融碳酸盐（如Li2CO3和Na2CO3熔融盐混合物）时，O2-+CO2=CO2-3，正极反应为：O2+4e-+2CO2=2CO2-3。
4.电解质为能传导O2-的金属氧化物时（如掺杂了Y2O3的ZrO2晶体）时，正极反应为：O2+4e-=2O2-，如前述【例1】（1）。
【例5】 利用氧化还原反应2H2+O2=2H2O设计原电池。写出分别用稀硫酸和氢氧化钾溶液为电解质时的正极反应式。
【答案】用稀硫酸作电解质时，原电池的正极反应为：O2+4e-+4H+=2H2O；用氢氧化钾溶液为电解质时，原电池的正极反应为：O2+4e-+2H2O=4OH-。
【例6】 一种新型熔融盐燃料电池具有高发电效率。现用Li2CO3和Na2CO3熔融盐混合物作电解质，一极通CO气体，另一极通O2和CO2的混合气体，其总反应为2CO+O2=2CO2。下列说法正确的是（ ）。
A.通CO的一极是电池的正极
B.正极发生的电极反应是O2+4e-+2CO2=2CO2-3
C.正极发生的电极反应是CO+CO2-3-2e-=2CO2
D.正极发生氧化反应
【答案】B。
（五）吸氧生碱原则
金属电化腐蚀时，金属表面水膜呈碱性、中性或酸性较弱时，水膜中溶解的O2在正极得电子生成OH-，OH-再结合负极生成的金属阳离子生成碱。
【例7】 未洗净的铁锅中含有中性的NaCl残液，它跟钢铁里的铁和少量的碳恰好构成了原电池。写出未洗净的铁锅出现红棕色锈斑的电极反应式和总反应式。
【解析】在这些微小原电池中铁是负极，发生失电子的氧化反应生成Fe2+：Fe-2e-=Fe2+，正极则主要是溶于NaCl残液中的O2得电子：O2+4e-+2H2O=4OH-，总反应为：2Fe+2H2O+O2=2Fe（OH）2，生成的Fe（OH）2易被空气中的O2氧化生成Fe（OH）3，最终Fe（OH）3失水变为铁锈（Fe2O3·nH2O）。
【答案】负极：Fe-2e-=Fe2+；正极：O2+4e-+2H2O=4OH-；总反应式：2Fe+2H2O+O2=2Fe（OH）2；4Fe（OH）2+O2+2H2O=4Fe（OH）3；2Fe（OH）3=Fe2O3·nH2O+（3-n）H2O。
（六）自发性原则
原电池的正负极除与电极材料本身的活泼性有关外，还与电解质溶液的性质有关，相同的两种电极材料在不同的电解质溶液中，正负极可能不同，电极反应式和总反应式可能不同，主要看哪极材料在此电解质溶液中能自发地发生氧化还原反应。
【例8】 写出Mg、Al、稀硫酸组成原电池和Mg、Al、NaOH溶液组成原电池的电极反应式和总反应式。
【解析】Mg的活泼性强于Al，二者都能与稀硫酸发生自发的氧化还原反应，与稀硫酸组成原电池时，Mg作负极失电子变Mg2+进入溶液：Mg-2e-=Mg2+；Al作正极，溶液中的H+在Al上获得电子产生H2：2H++2e-=H2↑，总反应式为：Mg+2H+=Mg2++H2↑。Mg、Al、NaOH溶液构成原电池时，只有Al能与NaOH溶液发生自发的氧化还原反应：2Al+2H2O+2NaOH=2NaAlO2+3H2↑，此原电池中Al作负极，Al失电子进入溶液与过量OH-反应成AlO-2和H2O，电极反应式为：Al-3e-+4OH-=AlO-2+2H2O；Mg作正极，H2O电离的H+在Mg上获得电子产生H2，电极反应式为：2H2O+2e-=H2↑+2OH-，总反应式为：2Al+2H2O+2OH-=2AlO-2+3H2↑。
【答案】Mg、Al、稀硫酸组成原电池，负极：Mg-2e-=Mg2+，正极：2H++2e-=H2↑，总反应式为：Mg+2H+=Mg2++H2↑。Mg、Al、NaOH溶液组成原电池，负极：Al-3e-+4OH-=AlO-2+2H2O，正极：2H2O+2e-=H2↑+2OH-，总反应式为：2Al+2H2O+2OH-=2AlO-2+3H2↑。
【例9】 写出Al、Cu、稀硫酸组成原电池和Al、Cu、浓硝酸组成原电池的电极反应式和总反应式。
【解析】Al、Cu、稀硫酸组成原电池时，Al能与稀硫酸自发氧化还原，Al作负极：Al-3e-=Al3+，Cu作正极：2H++2e-=H2↑，总反应式为：2Al+6H+=2Al3++3H2↑。Al、Cu、浓硝酸组成原电池时，因Al常温下在浓硝酸中钝化，Cu却能与浓硝酸发生自发的氧化还原反应：Cu+4HNO3（浓）=Cu（NO3）2+2NO2↑+2H2O，因此，Cu作负极：Cu-2e-=Cu2+，Al作正极：NO-3+e-+2H+=NO2↑+H2O，总反应式为：Cu+4H++2NO-3=Cu2++2NO2↑+2H2O。
【答案】Al、Cu、稀硫酸组成原电池，Al作负极：Al-3e-=Al3+，Cu作正极：2H++2e-=H2↑，总反应式为：2Al+6H+=2Al3++3H2↑。Al、Cu、浓硝酸组成原电池，Cu作负极：Cu-2e-=Cu2+，Al作正极：NO-3+e-+2H+=NO2↑+H2O，总反应式为：Cu+4H++2NO-3=Cu2++2NO2↑+2H2O。
（七）竞争性原则
1.电解池的阳极吸引溶液中的阴离子，阳极材料为活性电极（除Pt、Au、C等以外的电极）时，阳极材料本身失电子被氧化；阳极材料为惰性电极（Pt、Au、C等电极）时，溶液中的阴离子失电子被氧化，先氧化还原性强的阴离子，后氧化还原性弱的离子。常见阴离子还原性的强弱顺序是：S2->SO2-3>I->Br->Cl->OH->含氧酸根>F-。endprint
2.电解池的阴极吸引溶液中的阳离子，发生得电子的还原反应，先被还原的是氧化性强的阳离子，后被还原的是氧化性弱的阳离子。常见阳离子氧化性的强弱顺序是：K+
（2）上述氧化性强弱顺序是指浓度差不多时的顺序，在浓度相差较大时不能生搬硬套。如，以Zn作阳极，Fe作阴极，用含Zn2+的溶液为电镀液在Fe上镀Zn时，就不能生搬上述顺序把阴极反应写成：2H2O+2e-=H2↑+2OH-，在Zn2+浓度大得多时的阴极反应应为：Zn2++2e-=Zn。
（3）若将上述氧化性强弱顺序中的Fe2+换成Fe3+，Fe3+的氧化性应介于Cu2+和Ag+之间，其得电子能力强于Cu2+，弱于Ag+。
【例10】 写出用铂电极电解200mL浓度均为0.1mol·L-1NaCl与CuSO4的混合液至Cu完全析出时的电极反应式。
【解析】惰性电极铂不参与反应，阴极吸引的阳离子的放电顺序为Cu2+>H+>Na+。据Cu2++2e-=Cu知，当0.1mol·L-1×200×10-3L=0.02mol的Cu2+完全放电析出时，得电子是0.04mol。而阳极吸引的阴离子的放电顺序是Cl->OH->SO2-4。据2Cl--2e-=Cl2↑知，0.1mol·L-1×200×10-3L=0.02mol的Cl-完全放电析出时，失电子是0.02mol，按得失电子相等的原则，另0.02mol电子应由OH-失去，所以阳极反应还有4OH--4e-=2H2O+O2↑。
【答案】阴极：Cu2++2e-=Cu；阳极：2Cl--2e-=Cl2↑，4OH--4e-=2H2O+O2↑。
总之，电极反应式的书写只要能正确地确定两极，知道两极发生什么类型的反应、谁发生反应、生成什么，就能正确书写电极反应式和总反应式。换句话说，就是要掌握上述的“三总则”和“八细则”。
参考文献
[1]课程教材研究所.普通高中课程标准实验教科书化学2（必修）[M].北京：人民教育出版社，2007.
[2]课程教材研究所.普通高中课程标准实验教科书化学4（选修）[M].北京：人民教育出版社，2007.
[3]胡建树.赏析电极反应的书写原则与策略[J].中学生数理化·高二版，2011（1）.
（责任编辑 罗 艳）
2.电解池的阴极吸引溶液中的阳离子，发生得电子的还原反应，先被还原的是氧化性强的阳离子，后被还原的是氧化性弱的阳离子。常见阳离子氧化性的强弱顺序是：K+
（2）上述氧化性强弱顺序是指浓度差不多时的顺序，在浓度相差较大时不能生搬硬套。如，以Zn作阳极，Fe作阴极，用含Zn2+的溶液为电镀液在Fe上镀Zn时，就不能生搬上述顺序把阴极反应写成：2H2O+2e-=H2↑+2OH-，在Zn2+浓度大得多时的阴极反应应为：Zn2++2e-=Zn。
（3）若将上述氧化性强弱顺序中的Fe2+换成Fe3+，Fe3+的氧化性应介于Cu2+和Ag+之间，其得电子能力强于Cu2+，弱于Ag+。
【例10】 写出用铂电极电解200mL浓度均为0.1mol·L-1NaCl与CuSO4的混合液至Cu完全析出时的电极反应式。
【解析】惰性电极铂不参与反应，阴极吸引的阳离子的放电顺序为Cu2+>H+>Na+。据Cu2++2e-=Cu知，当0.1mol·L-1×200×10-3L=0.02mol的Cu2+完全放电析出时，得电子是0.04mol。而阳极吸引的阴离子的放电顺序是Cl->OH->SO2-4。据2Cl--2e-=Cl2↑知，0.1mol·L-1×200×10-3L=0.02mol的Cl-完全放电析出时，失电子是0.02mol，按得失电子相等的原则，另0.02mol电子应由OH-失去，所以阳极反应还有4OH--4e-=2H2O+O2↑。
【答案】阴极：Cu2++2e-=Cu；阳极：2Cl--2e-=Cl2↑，4OH--4e-=2H2O+O2↑。
总之，电极反应式的书写只要能正确地确定两极，知道两极发生什么类型的反应、谁发生反应、生成什么，就能正确书写电极反应式和总反应式。换句话说，就是要掌握上述的“三总则”和“八细则”。
参考文献
[1]课程教材研究所.普通高中课程标准实验教科书化学2（必修）[M].北京：人民教育出版社，2007.
[2]课程教材研究所.普通高中课程标准实验教科书化学4（选修）[M].北京：人民教育出版社，2007.
[3]胡建树.赏析电极反应的书写原则与策略[J].中学生数理化·高二版，2011（1）.
（责任编辑 罗 艳）
2.电解池的阴极吸引溶液中的阳离子，发生得电子的还原反应，先被还原的是氧化性强的阳离子，后被还原的是氧化性弱的阳离子。常见阳离子氧化性的强弱顺序是：K+
（2）上述氧化性强弱顺序是指浓度差不多时的顺序，在浓度相差较大时不能生搬硬套。如，以Zn作阳极，Fe作阴极，用含Zn2+的溶液为电镀液在Fe上镀Zn时，就不能生搬上述顺序把阴极反应写成：2H2O+2e-=H2↑+2OH-，在Zn2+浓度大得多时的阴极反应应为：Zn2++2e-=Zn。
（3）若将上述氧化性强弱顺序中的Fe2+换成Fe3+，Fe3+的氧化性应介于Cu2+和Ag+之间，其得电子能力强于Cu2+，弱于Ag+。
【例10】 写出用铂电极电解200mL浓度均为0.1mol·L-1NaCl与CuSO4的混合液至Cu完全析出时的电极反应式。
【解析】惰性电极铂不参与反应，阴极吸引的阳离子的放电顺序为Cu2+>H+>Na+。据Cu2++2e-=Cu知，当0.1mol·L-1×200×10-3L=0.02mol的Cu2+完全放电析出时，得电子是0.04mol。而阳极吸引的阴离子的放电顺序是Cl->OH->SO2-4。据2Cl--2e-=Cl2↑知，0.1mol·L-1×200×10-3L=0.02mol的Cl-完全放电析出时，失电子是0.02mol，按得失电子相等的原则，另0.02mol电子应由OH-失去，所以阳极反应还有4OH--4e-=2H2O+O2↑。
【答案】阴极：Cu2++2e-=Cu；阳极：2Cl--2e-=Cl2↑，4OH--4e-=2H2O+O2↑。
总之，电极反应式的书写只要能正确地确定两极，知道两极发生什么类型的反应、谁发生反应、生成什么，就能正确书写电极反应式和总反应式。换句话说，就是要掌握上述的“三总则”和“八细则”。
参考文献
[1]课程教材研究所.普通高中课程标准实验教科书化学2（必修）[M].北京：人民教育出版社，2007.
[2]课程教材研究所.普通高中课程标准实验教科书化学4（选修）[M].北京：人民教育出版社，2007.
[3]胡建树.赏析电极反应的书写原则与策略[J].中学生数理化·高二版，2011（1）.
电极控制系统 篇12
四川攀长特钛业分公司拥有一套完整的钛电极模压生产线, 其中电极堆垛系统是该生产线最后一道工序设备, 将压机压出的块状电极堆垛成一根完整的圆柱形电极棒。电极堆垛系统结构见图1, (1) 电气控制部分由两套全数字单通道交流伺服驱动器加三相交流永磁式伺服电机组成, 采用伺服位置控制方式。控制结构为伺服电机自带编码器, 位置信号反馈至伺服驱动器, 与开环位置控制器 (CN数控计算机) 一起构成半闭环控制系统。根据现场工艺要求编写的程序控制伺服驱动装置完成堆垛杆的旋转与升降。 (2) 机械部分采用1台减速比为1∶187的行星减速器经1组滑轮组、1个平衡轮、4根支绳结构, 下拉堆垛旋转机构总成, 经吊杆铰链带动堆垛成型的电极块。
电极堆垛系统投产1年每到夏季气温偏高, 堆垛10t电极大约在7t以上重量时升降伺服驱动器经常出现er0=03过温报警, 伺服器停机现象, 使用测温枪测试伺服驱动器散热板温度达65℃左右。为此从负载特性及伺服驱动系统特点进行综合分析, 找出故障原因。
二、故障分析
1. 负载特性
电极堆垛系统所带负载 (电极) 属于位能性负载, 堆垛过程中电极块从底层依次堆垛至最高层, 对垛方向始终垂直向下, 动作特性类似于起重机垂直下放重物。以堆垛系统最大负荷10t规格电极, 做简单定性、定量分析, 10t电极共由72块重量为126kg的电极块组成, 则总重量为72×126=9072kg。电极从第一块到最后一块的堆垛过程中, 重量不断线性化递增, 因此经滑轮组支绳平分载荷再经减速器折算到电机轴上的负载不是恒转矩负载, 其负载转动惯量J和负载转矩MZ也在不断线性递增。每堆1块电极, 电极总重量就要增加126kg, 当堆垛到18层左右时电极约重6800kg, 此时J和MZ也达到了使伺服器超温报警的临界点。根据电力拖动系统基本运动方程M=Ma+MZ=J (dω/dt) +MZ, 其中Ma———动态转矩 (N·m) , ω———角速度 (rad/s) , 可以看出在系统过渡过程中J和加减速时间在很大程度上影响MZ。在位置控制工艺过程中要求精确定位时, J和Ma越大、加减速时间越短, 则电机制动转矩及制动电阻上消耗的制动功率也就越大。
2. 伺服器结构及安装环境
伺服驱动器采用四川新科瑞公司DS503全数字式交流伺服控制器, 额定功率7.5kW, 外形尺寸255mm×105mm×199mm, 结构小巧, 制动电阻为内置结构。IGBT晶体管及制动电阻均安装在伺服驱动器机壳外侧的散热板上, 两只风扇直径为92mm、通风量为1.05m3/min的小型轴流风机为控制柜散热。夏季环境温度达30℃以上, J增大及加减速时间短时, IGBT晶体管及制动电阻所消耗的热能急剧上升, 而机柜风机风量偏小, 换热能力偏弱, 导致伺服器热保护动作。
三、故障处理
1. 优化驱动器参数
伺服系统启停特性即加减速时间, 由负载转动惯量及启动、停止频率决定, 也受伺服驱动器和伺服电机性能的限制。电极堆垛系统行星减速器转动惯量为252×10-4kg·m2, 伺服电机采用武汉登奇机电公司生产的GK6087-6AC61型交流伺服电机, 说明书提供的电机转动惯量为64.2×10-4kg·m2, 按系统最小惯量倍数计算m=Jz/Jm= (252×10-4) / (64.2×10-4) ≈3.92。根据计算结果, 按照表1和DS503伺服驱动器位置控制流程 (图2) 提供的参数表, 从降低附加的Ma入手, 分别调整以下参数。
(1) 参数P12为位置指令脉冲分频分子, P13为位置指令脉冲分频分母。位置控制系统中的位置分辨率Δl (1个脉冲行程, mm) =ΔS/Pt, ΔS———伺服电机每转行程 (mm/r) ;Pt———编码器每转反馈脉冲数 (脉冲/r) 。系统中有四倍频电路, 因此Pt=4C, C———编码器每转线数, 该系统C=2500线/r, 得出Pt=10000脉冲/r。
指令脉冲乘以电子齿轮比G后才转化为位置控制脉冲, 因此1个指令脉冲行程表示为Δl*= (ΔS/Pt) ×G, 其中G=指令脉冲分频分子/指令脉冲分频分母=P12/P13, G设置合理, 可在满足设备工艺要求基础上适当降低电机转速, 降低Ma, 减小发电制动功率。
(2) 参数P36是位置控制加速时间常数, P37是位置控制减速时间常数。适当增加加减速时间 (可先设定的大一些, 再根据实际情况降低至合适值) , 同样可有效降低Ma, 减小发电制动功率。
具体参数调整见表2。
2. 改善散热通风结构
外置伺服驱动器200Ω制动电阻, 将制动电阻取出安装在控制柜出风口附近, 使伺服驱动器自身的散热板只承担IGBT晶体管的散热任务, 这样可明显降低伺服驱动器工作温度。同时为加大控制柜通风量, 控制柜改用两只风扇直径为150mm、通风量为5.5m3/min的小型轴流风机, 换热能力增加近5倍。
上述措施实施后, 伺服驱动器工作稳定, 经受住最炎热的夏季考验, 堆垛最大规格10t电极未出现过温报警现象, 使用测温枪测试伺服驱动器散热板温度约为48℃, 效果明显。
摘要：针对电极堆垛系统交流伺服驱动器过温报警, 综合分析负载惯量及加减速时间对伺服驱动系统启停特性的影响, 优化参数, 改变制动电阻安装方式, 消除伺服驱动器过温现象。