电极调节器（精选5篇）
电极调节器 篇1
0引言
LF炉精炼采用三相电极加热技术对钢液进行加热升温,其原理是采用连接钢包外壳和金属熔池的金属讯号极和专门的控制系统将两根石墨阳极控制在具有一定电阻的熔炉渣层中的一定位置,使阳极端部与金属熔池间保持一定的电压,以实现电弧电渣加热。电极调节系统是LF炉的主要加热设备,电极臂的提升 / 下降控制系统是LF炉冶炼周期的主要环节。LF炉电极系统采用电极回转台旋转进行旋转,通过液压动力进行三个电极支撑臂的各自升降的控制方式。由于在冶炼升温处理过程中要求三根电极自动同步上升与下降,并且对行程定位准确率要求很高,因此电极调节器在可靠性、准确性、安全性上要求很高。主要介绍了电极调节器控制策略、系统结构及概况进行了介绍。
1恒阻抗控制策略
恒阻抗是保持阻抗为一个恒定值的策略,设定电弧电流Is,变压器档位电压为Us,实测得的二次侧电弧电流IC,实测得的二次侧电压为UC,控制目标是US/IS=UC/IC,保证电压与电流的比值为一个常数,又因为两者比值的阻抗,所以称作恒阻抗控制。当控制目标UC/IC小于给定值时,则弧长增加,电弧电压增加、电弧电流减小,使UC/IC趋向于给定值;当控制目标UC/IC大于给定值时,则弧长减小,电弧电压减小、电弧电流增加,使UC/IC趋向于给定值。其实质就是调节电弧弧长,使阻抗一定。
基于恒阻抗控制的控制框图如下所示:
其中,US为反馈电压;US为变压器空载档位电压;
If为反馈电流;Is为设定电流;I为电弧电流;
D为偏差;u为输出控制量;
2系统结构
LF炉设有3套西门子S7-400控制主站,分别完成加料、本体、电极调节功能。 3个HMI画面(两用一备)。3套PLC系统与HMI上位机之间采用以太网连接,实现相互之间的通讯。
电极调节系统主要由二次电弧电流检测、二次电弧电压检测、液压单元、高压供电系统、变压器、电抗器、人机接口系统(HMI) 和通讯接口等组成。
弧流检测回路由3个罗氏柔性线圈、1只罗氏积分器和特殊屏蔽的端子箱等构成。
弧压信号从二次短网取出经电压检测箱获得,并通过特殊电缆与系统连接。
高压供电系统由高压隔离开关及电压互感器、高压真空断路器、电流互感器、避雷器及阻容吸收装置组成,给LF炉变压器提供高压主回路电源。
电抗器:电抗器为外附电抗器,无载调节可连续过载20%,配有隔离开关,接地开关。它串联在变压器一次侧,用来增加电路的电抗值,以稳定电弧的燃烧,同时限制短路电流。
3系统概况
在冶炼升温过程中,控制模型通过输入模块收集系统各相间电弧电压、电弧电流、 变压器电压等级以及其它有关的设定定信号,先将弧压、弧流进行计算处理,并将所得计算结果与设定值进行计算比较,当计算结果小于设定值,控制电极上升;当计算结果大于设定值时,控制电极下降,其计算偏差经过闭环回路放大、信号放大、线性化、 死区补偿、D/A转换,将输出信号送至液压单元电极升降伺服阀,伺服阀内部的磁铁根据偏差信号值,向上或向下移动,阀芯的移动量控制阀液压油的进出量。从而使电极液压缸的油量增多或减少。实现电极臂位置的自动调节,从而带动电极臂调节,从而控制炉内的热功率按照最佳功率设定运行,满足冶炼加温的最佳工艺需求。
调节器系统在自动升温的过程中,通过控制电弧的电阻,使电弧升温电流始终稳定在设定电流点的附近,达到控制升温速度的目标。
4神经元网络优化单元
由于LF炉电极调节系统是一个多变量、非线性、强耦合、时变、工作环境恶劣及随机干扰很强的系统。对于这类系统常规的PID控制效果并不好,阻抗控制方法也是基于单相计算形成的。存在诸多不足。
系统运行中一个核心的问题就是选择一个最好的工作点,使得冶炼炉综合性能较高,比如耗电最低、变压器工作状态最好、耐火材质损蚀稳定、热辐射不多于用户需求以及很少局部热点等。随着钢水处理过程的运行,最好的电气工作点也在不停的改变,准确稳定及时地检测系统工作状态、运算出最好的工作点是提高LF炉综合性能的有效途径。
为了实现以上目标,我们在电极调节系统中加入了的神经元网络优化单元,借助于人工智能技术计算出系统最佳工作点并将结果输入到调节控制器中,通过动态地优化电气工作点来提高调节器性能。
神经元网络可以将人工经验转换成分析模型。由于神经元网络具有自诊断、自学习的能力。与传统的分析方法相比适用面更广,性能更优异。即使由于更换设备造成的设备工况的改变,神经元网络也可以通过自学习来得出相应的调整方法。神经元网络可以实时补偿阻抗的波动,实时模拟和评估电炉的非线性动态性能。
5结束语
通过运用电极调节器系统,满足了LF炉炼钢高效率、高质量、低功耗的需要,提高了LF炉冶炼过程中造白渣能力,提高了钢水纯净度高,脱氧效果良好,使得合金收得率提高,能精确控制钢水成份。在生产上稳压了连铸钢水温度、保证浇铸,协调了转炉和连铸生产节奏,取得了良好的经济和社会效益。
摘要：LF炉在炼钢过程中钢水温度的提升是通过电极加热完成的,电极调节的效果对电弧炉炼钢过程降低能耗、缩短冶炼时间、提高冶炼效率具有重要的意义。
关键词：电极,调节器,控制原理
电弧炉电极调节的研究 篇2
关键词：电弧炉炼钢,电极调节,稳定性
电弧炉是利用电弧放热产生的能量来冶炼金属的工业设备, 在冶金工厂和机械制造厂中得到普遍的应用。电弧炉炼钢工艺与平炉, 转炉炼钢工艺相比, 具有冶炼温度高, 炉内气氛能灵活控制, 能充分回收废钢中的贵重金属元素, 钢液中的化学成分容易控制等优点, 在特种钢, 高级钢的冶炼中占有重要地位, 对其工业过程进行方方面面的研究, 有一定的经济效益和社会效益。
电弧炉在生产过程中为提高产品质量和降低成本, 对于不同的炼钢阶段, 要求电弧功率保持在不同的为位置, 因此电弧长度在不同阶段要分别保持稳定。想要电弧长度不改变, 可以连续调节电极与炉料之间长度来达到, 也就是说改变电弧炉功率的最简单的方法是通过改变电极位置来调节电弧长度。电弧炉调节器的调节任务和调节条件相当复杂, 在冷料熔化时长度为几毫米的电弧可以在很小的范围内就可以产生数百万瓦的功率。电弧产生温度可以达几千度, 炉料在电极产生的高温下迅速的熔化, 电弧会转移到电极附近的金属块上, 电弧长度、功率及电弧电流会不断发生改变, 面对如此多的干扰, 为达到消除干扰, 保持稳定的目的, 就需要电极的自动调节装置。
电极升降调节系统是由控制系统、调节器及驱动执行装置组成的一个闭环控制系统。对反馈的弧流和弧压数据进行高速采集, 按照不同的控制参数实时计算分析, 同时对射电参数进行比较, 将最终的控制数据传给电弧炉电极升降控制机构, 从而达到控制目的。在进行控制运算的同时, 与上位机进行实时通讯, 利用其强大的运算和分析, 通过分析后, 把最佳的控制参数送给控制系统, 然后进行控制。
在实际中, 对于大容量的网路来说, 网路相电压近似于常数, 弧压降和弧电流的关系可简化为一元线性函数关系, 在实际工业控制中, 多只通过检测转换弧电流来给出控制信号, 即弧电流被读进计算机, 与给定流进行比较, 得到弧电流偏差, 偏差反映了弧长的变化, 由此, 计算机按某种控制律给出控制信号, 即发送伺服阀控制电流液压伺服阀输出相应的阀位移, 控制液压缸升降, 带动电极调节弧长。
模型中阀--电极部分的模型为%
σr:电极位置, ωr:电极烧损情况, k系统增益。
推出系统的仿真模型:
系统扰动为:ξ (t) =K (t) ΔL+ξr (t)
GPC算法具有下列优点:
(1) 采用增量控制模型, 在自适应控制中能自动消除常值偏差, 适用于系统干扰是非平稳随机过程。
(2) 有大于时滞和模型阶次的大范围预测长度, 对时滞变化不敏感。
(3) 目标函数中含有加权项, 提供了一些控制器的调节手柄。
(4) 用了一组预测方程和预滤波多项式, 能更好的消除扰动的影响。
(5) 使用了滚动优化的思想。
通常GPC的性能指标采用如下形式:
即对输出项进行适当加权, 以抑制超调.在理论上讲, 可以在求得控制量之后, 对控制对象施加此控制求得系统的闭环传函, 对GPC进行极点配置, 获得期望的动态特性。但在实际上, 这却几乎不可行, 可通过下面简单的例子说明:
设系统为如下简单的一阶系统
因此
直接对GPC进行极点配置有一定困难, 但只要对性能指标函数进行适当的改变, 就可以做到对闭环极点的任意配置。本文中的算法, 就是通过对性能指标函数进行巧妙的加权而实现对闭环极点的任意配置。
电极调节器 篇3
对于LF和EAF而言，二次短网是指在变压器二次出口与钢包内(或电炉内)钢水间的电路，一般由变压器二次出口侧的铜管、软连接及电极横臂组成。二次短网特性参数指的是二次短网短路时所具有的电阻和感抗，它决定了冶炼时用电效率的高低、也决定着为获得最大有功功率和最大电弧功率所需的电流设定点。二次短网特性参数、变压器铭牌参数及冶炼时的操作设定决定冶炼过程的用电效率和升温速度。本文简要分析二次短网特性参数对于冶炼特性的影响并介绍二次短网特性参数的计算;同时，介绍由北京金自天正智能控制股份有限公司(冶金自动化研究设计院)所开发的智能电极调节器[1]。本文所有的分析与计算建立在如下假定的前提条件下:电弧是具有纯电阻特性的电导体。
1 二次短网特性分析
对于LF和EAF，其二次短网(每相)可以用图1的等效电路[2]来表示。
E0,R0,XL0,Rarc和I—分别表示二次侧相电压、短路阻抗、短路感抗、弧阻抗及弧流。
依据此等效电路，存在如下基本关系
式中，E0,I为E0,I的矢量值。于是，视在功率PS、有功功率PU、弧功率Parc、无功功率PQ、功率因数cosφ和弧长Larc与I的关系如下
上述式中，k为经验系数，对于LF而言，一般在1.0左右，对于EAF而言，一般在0.1～1.0。
根据式(2)和式(4)，得到
式(7)就是PU和PQ的关系，显然这是一个圆形轨迹图。对于不同的二次电压及不同的二次短网短路参数，可以做成二次功率圆图(见图2)和冶炼特性参数与设定电流间的关系图(见图3)。
上部图中(1)～(5)分别表示视在功率PS、无功功率PQ、有功功率PU、弧功率Parc和短网短路电阻功率Pro;下部图中(1)～(5)分别表示热效率[3]Parc/PU、功率因数cosφ、弧长Larc、弧压Varc、及弧阻Rarc。
图2和图3画面由Visual C++开发得到，通过选择不同的电压挡及改变短路阻抗和短路感抗，进而研究每个特性参数的变化规律。图2中表示的是在不同二次电压挡位及一定的二次短网特性参数下，有功功率和弧功率与无功功率间的关系(同时也标示了功率因数曲线)，由图2可见，PU和PQ的关系曲线为圆形轨迹(黑色曲线)，而Parc和PQ的关系曲线则不是圆形轨迹(灰色曲线)。图3表示的是在不同的二次电压挡位及一定的二次短网特性参数下，冶炼特性参数随二次设定电流变化的关系;图3中热效率定义为Parc/PU，电效率(功率因数)定义为PU/PS,Tap1～Tap13表示电压挡位(1～13挡)，ZR0表示二次短网短路阻抗、ZL0表示二次短网短路感抗。图2和图3依据的变压器铭牌参数如表1所示。
通过改变二次电压及二次短网短路参数可以明显看出他们对冶炼特性参数(PU,Parc,PU/PS,Parc/PU,Larc,cosφ和短路电流Imax等)的影响。限于篇幅，本文不阐明详细的分析过程，只给出分析结论如下:
K+为正方向换挡;K-为反方向换挡
(1)ZL0越大，Imax越小、cosφ越低、PU和Parc越低、PU/PS越低;但如果cosφ太大，容易造成断弧，因此ZL0要大小合适，不是越小越好。
(2)ZR0越小，Parc/PU越大，所以ZR0越小越好。
(3)当二次设定电流在由小变大的过程中，PU和Parc逐渐增大，但当电流超过某个值(对于PU和Parc，这个值是不同的)后，随着设定电流的增大，PU和Parc反而迅速减小。
(4)当cosφ=0.707时，获得最大有功功率PU，而当cosφ>0.707(具体多少由短网特性参数决定)时，获得最大弧功率Parc。但需要注意的是，在不同的电压挡下，取决于短路阻抗和短路感抗的大小，当达到最大有功功率或最大弧功率时，这时的视在功率有可能大于变压器的容许范围，这是在实际选择设定功率优化点时需要注意的问题。最理想的情况是，要依据实际的短网特性参数、变压器铭牌参数、造渣厚度及升温速度要求，选择合适的电压挡及设定电流。
(5)短路电流主要由短网短路感抗大小决定。
2 二次短网特性参数计算
由上面的分析可知，二次短网特性参数在LF和EAF冶炼操作过程中对于二次电流设定点的选择具有关键的作用，所以，得到实际的短网短路感抗和阻抗就显得非常重要。一般短网承建厂商会给出二次短网的设计参数，但有时设计参数可能与实际参数有较大的出入，因此，在进行电极控制器的调试和冶炼操作时，要以实际的短网特性参数为依据。
一方面，要得到二次短网特性参数就需要进行短路冲击试验、并需要专门的检测仪表进行检测，但现场不具备这样的条件;另一方面，短路冲击试验对设备和冶炼都是不利的，所有这些因素造成现场一般都不进行这方面的专门测试。
本文介绍在不需要专门的检测仪表的情况下，利用实际检测的电参数完成二次短网特性参数的计算，依据的基本原理如图4所示。
|Z|—总电抗值;φ—电压与电流的相角。
2.1 二次短网短路感抗的计算
式中，V为二次电压有效值(每相)。
对于一个电极控制系统，如果能采集或计算得到每相的V,I和cosφ，就可以通过式(8)计算得到每相的二次短网短路感抗。对于下面介绍的智能电极调节器系统而言，由于采用了高速数据采集技术以及具备数据处理和计算功能，因此，可以实时得到每相的V,I和cosφ，也就是说，可以计算得到每相的二次短网短路感抗。不过在实际处理时，最好在电弧较稳定时进行计算，另外，需要对多组数据做统计处理，这样得到的结果才更科学、更有效。
2.2 二次短网短路阻抗的计算
由于电弧是个纯阻抗的复杂电导体，其弧阻与弧长及弧流间的定量关系非常复杂，目前还没有检索到这方面相关的报道资料，所以，为了进行短路阻抗的计算，需要排除掉电弧阻抗的影响，因此，需要进行短路测试。具体做法是:
(1)先选择最低的电压挡，假定为Vmin，依据前面介绍，假定计算得到的短路感抗为XL0，则短路电流为,Imax<Vmin/XL0。然后进行短路测试，设定电流为Vmin/XL0(此前提下通电过程中没有电弧);
(2)设置电极升降控制方式为恒电流PID模式，且电流死区范围为:Vmin/XL0-5 000～Vmin/XL0+5 000(A)，这样可以避免因设定电流过大、实际电流无法达到此设定值，从而导致电极一直往钢水里插的现象。
根据测试过程中得到的电参数(V,I和cosφ)，完成短路阻抗的计算:
3 智能电极调节器参数计算
北京金自天正智能控制股份有限公司(冶金自动化研究设计院)开发的智能电极调节器的主要功能是完成电极升降的优化控制，其控制策略包括常规PID方法、智能PID方法及神经元网络方法，这方面的内容本文不作介绍。智能电极调节器除了其主要的电极升降控制功能外，也有一些辅助功能，其中就包括二次短网短路参数计算及功率设定参数计算。
3.1 二次短网短路参数计算
如前所述，得到冶炼过程中的电参数是计算二次短网特性参数的基础。智能电极调节器系统配备了高速数据采集卡(数据采集画面如图5所示，图中，纵轴坐标为采集卡转换后的标准电压值，横轴坐标为时间，交流工频为60 Hz)，同时开发了数据处理与数据计算功能模块。
智能电极调节器中的数据处理采用高速数据采集卡实现，主要数据处理方式为:采集速度设置为5 000数据点/通道、数据收发接口设置为DMA;而数据计算包括许多参数的计算，限于篇幅，这里只介绍V,I和cosφ的计算。
在每个周波内通过对采集到的100个(n=0～99)离散点做均方根计算，从而得到二次电压和电流的有效值，而cosφ则通过电流和电压离散点的乘积累加方式实现，计算公式如下:
式中，vn,in为采集的电压、电流瞬时值(1个周波内的离散点)。
3.2 功率设定参数计算
根据计算出的二次短网短路参数和变压器铭牌参数，智能电极调节器自动计算优化的功率设定点(二次电流)[4,5]，计算中主要考虑如下因素:(1)变压器最大允许电流;(2)变压器最大视在功率;(3)最大功率因数(保持弧稳定，对于LF一般不要超过0.94);(4)最大二次电压;(5)最小二次电压;(6)升温速度;(7)渣层厚度。其中(1)～(5)的限制因素如图6中的阴影部分所示。
根据优化的功率设定点及计算的弧长等参数，最终给出功率设定参数表作为冶炼时操作设定的依据，功率设定参数表如表2所示。
限于篇幅本表仅以13挡电压中的2个挡位为例作说明。
4 结束语
通过本文的分析，可以得到如下结论:
(1)二次短网特性参数在LF和EAF冶炼过程中具有关键的作用;(2)短网感抗决定着取得最大有功功率及最大弧功率时的设定点大小，也是决定短路电流大小的主要原因;(3)短路感抗决定电效率的高低，短路感抗越高，电效率越低，但不是短路感抗越低越好;(4)短路阻抗决定着热效率的高低，短网阻抗越小，热效率越高，短路阻抗越小越好;(5)在一定电压挡位下，取得最大有功功率时的功率因数为0.707，但实际应用时要考虑到此时的视在功率及设定电流不能超过变压器的容许范围，也就是说，对于实际可以取得的最大有功功率，其对应的功率因数不是0.707(一般要比此值大许多，比如对于LF为0.9)，这样才能最大发挥变压器容量的作用，这是功率设定时需要注意的问题;(6)在一定电压挡位下，取得最大弧功率时的功率因数大于0.707，但实际应用时也要考虑到此时的视在功率及设定电流不能超过变压器的容许范围;(7)弧流越小则热效率越高、功率因数越大，热效率越高，但过小的弧流容易断弧;(8)选择优化的功率设定点时需要考虑到二次短网特性参数、变压器铭牌参数及冶炼操作时的造渣厚度。
摘要：对于LF或EAF而言,二次短网特性参数(短路阻抗和短路感抗)具有至关重要的作用,它决定着冶炼时用电效率的高低、也决定着为获得最大有功功率和最大电弧功率所需的电流设定点。二次短网特性参数、变压器铭牌参数及冶炼时的操作设定决定了冶炼过程的用电效率和升温速度。本文简要分析二次短网特性参数对于冶炼特性的影响以及如何进行二次短网特性参数的计算,同时介绍由北京金自天正智能控制股份有限公司开发的智能电极调节器。
关键词：二次短网,短路阻抗和短路感抗,有功功率,无功功率,智能电极调节器
参考文献
[1]孙彦广,王代先,陶白生,等.智能钢包精炼炉控制系统[J].冶金自动化,1999,23(6):9-12.SUN Yan-guang,WANG Dai-xian,TAO Bai-sheng,et al.An intelligent ladle furnace control system[J].Metallurgi-cal Industry Automation,1999,23(6):9-12.
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[3]沈才芳.电弧炉炼钢工艺与设备[M].北京:冶金工业出版社,2001.
[4]陶百生.土耳其ERDEMIR钢厂120 t LF过程自动化[J].冶金自动化,2011,35(增刊2):569-573.
电弧炉电极升降自动调节系统简介 篇4
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
电极调节器 篇5
电弧炉炼钢是靠电极和炉料间产生电弧,把电能在弧光中转化成热能,并借助辐射和电弧的直接作用把炉料融化。电弧炉在工作期间由于电网电压波动、炉料融化导致液面变化、炉内受热不均或有杂质导致液面波动等状况的影响,使得电弧的长度不稳定,从而导致输入电炉内的功率急剧变化,影响电炉的冶炼效率。而电极调节的作用正是通过调节电极的位置达到调节功率的目的。确定最优的电极调节控制方案对缩短融化时间,节省电能消耗,降低每吨钢的成本都有极其重要的作用。
1 模糊控制在电弧炉电极调节中的应用
电弧炉电极调节控制算法中采用的模糊控制算法为“二输入一输出”的二维模糊控制, 恒阻抗控制策略。在控制系统中,从主电路采集到电压电流信号输入到PLC中,在PLC中完成偏差计算、模糊控制等计算,其控制原理图如图1所示。
1.1偏差的计算
电弧炉电极调节系统采用恒阻抗调节策略,从主电路采集电压值和电流值,按照下式计算偏差:
式中:E(k)为阻抗的当前偏差;U′a,I′a为实测电压值和电流值;Ua,Ia为设定电压与电流值。
偏差的变化量ΔE(k)=E(k)-E(k-1)。
1.2确定模糊论域和量化因子
根据现场记录的数据,阻抗偏差E(k)的变化范围为[-200,200]。定义偏差E(k)的模糊论域为[-6,6],量化因子K=6/200=0.03。
同理,阻抗偏差的变化量ΔE(k)的变化范围为[-120,120],定义其模糊论域为[-6,6],量化因子K=6/120=0.05。控制量U的输出实际范围为[-10,10],定义控制量U的模糊论域为[-7,7],量化因子K=10/7。
1.3确定模糊变量的隶属度
根据现场专家和生产人员的经验,选择输入输出量的模糊语言为:PB(正大)、PM(正中)、PS(正小)、O(零)、NS(负小)、NM(负中)、NB(负大)。选择三角形隶属度函数分布。
1.4确定模糊控制规则
根据E和ΔE的赋值表和专家经验,总结了49条模糊条件语句构成控制规则,据此规则建立模糊控制规则表,如表1所示。表1中行与列交叉处的每个元素及其所在列的第1行元素和所在行的第1列元素,对应一个形式为“If E=Ai and ΔE=Bi Then U=Ci”的模糊语句。
1.5解模糊
模糊关系推理法采用Mamdani推理法,每条控制规则写成Ri=(Ai×Bi)×Ci,共49条,则总的模糊控制规则为
然后按照下式计算控制量U的模糊量
U=(E×ΔE)°R (2)
将运算后的模糊量U采用中心平均法进行模糊判决,得到精确量。最后得到模糊控制器查询表如表2所示。
1.6仿真
在Simulink中建立电弧炉控制系统的数学模型,在同一个模型下,采用原来的死区控制和模糊控制2种不同的算法,仿真比较弧长调节情况。仿真中,在t=0 s时给系统1个阶跃信号,表示调节过程开始;在t=10 s时加1个扰动信号,模拟运行过程中弧长受到干扰因素而发生突变。弧长调节的仿真曲线如图2所示。
从图2中可以明显看出采用模糊控制,系统调节超调小,速度快,调节性能明显优于死区控制。
2 模糊控制在西门子PLC中的实现
在电弧炉电极调节控制系统中,选用西门子公司S7-400型PLC,选择412-2DP型CPU。在程序设计中采用模块化编程,在主程序OB1中编写控制系统的开关逻辑程序,三相电极模糊控制程序分别存放在功能FC11,FC12,FC13中。由于需要设定采样周期,所以将采样程序存放在OB35中,并设定循环中断周期,在OB35中计算偏差E及偏差变化量Er。运行开始,闭合相关控制开关启动引弧程序,等到产生连续电弧后进入电极调节的模糊控制阶段。此时,在主程序中调用电极调节的模糊控制功能程序。
下面以A相电极为例,介绍模糊控制在电极调节中的编程方法。在OB35中计算偏差以及偏差变化量,并将结果存入背景数据块DB5中。将模糊控制量化因子也存放在DB5中。将模糊控制查询表中的控制量按照从左往右从上往下的顺序依次存放到背景数据块DB7中,地址为DB7.DBD0～DBD7.DBD672。在功能FC11中编写A相模糊控制程序的梯形图,首先从DB5中调用偏差、偏差变化量以及相应的量化因子,分别进行相乘。进行取整运算,若取整后结果大于6则按照等于6处理,同理如果结果小于-6则按等于-6处理,从而将精确量模糊化为(-6,6)内的整数,然后对其进行加6使其偏移到(0,12)内。最后利用基址+偏移地址的方法查询控制量,基址为0,偏移地址为4×(E+13×Ec)。从DB7中对应的地址读出控制量,乘以量化因子并输出。图3为部分关键语句表程序。程序段13为偏移地址计算程序,程序段14为模糊查询程序。
3 结论
模糊控制在电极调节这种大时滞、非线性、时变的复杂系统中能达到很好的控制效果,将模糊控制与PLC结合,通过软件编程的方法在西门子PLC中实现模糊控制,不增加硬件投入,低成本改善控制性能。
参考文献
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