在攀鋼鈦業(yè)公司鈦渣廠，25.5MVA鈦渣電爐（國內(nèi)最大的鈦渣電爐）采用控制液壓系統(tǒng)電磁閥得電時(shí)間，來實(shí)現(xiàn)電極升降動作從而達(dá)到對單相電極熔煉過程的恒流控制。為達(dá)到爐內(nèi)電極三相功率平衡，在以電流為主進(jìn)行控制的同時(shí)輔以二次電壓的調(diào)節(jié)，來保證輸入爐內(nèi)的三相功率在一定范圍內(nèi)達(dá)到平衡。

　　在鈦渣冶煉工藝中，使用西門子S7-400 PLC對電極調(diào)節(jié)過程進(jìn)行控制能夠保證設(shè)備可靠、準(zhǔn)確運(yùn)行，完全能滿足鈦渣冶煉過程電極控制要求。

　　1 電極電流控制工藝要求及控制原理說明

　　常規(guī)的電極升降控制，被控量計(jì)算取決于電極升降調(diào)節(jié)方式，有阻抗控制、功率控制和電流控制。而鈦渣冶煉是按功率曲線的設(shè)定和優(yōu)化進(jìn)行控制。

　　一個(gè)完整的工作過程是系統(tǒng)投運(yùn)前，自動檢查各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，使其置于設(shè)定的初始位置，并由PLC系統(tǒng)發(fā)出確認(rèn)指令，電極的升降控制由預(yù)先輸入到PLC的功率曲線來完成。

　　在鈦渣冶煉過程中由于同時(shí)存在電阻爐和電弧爐的工作過程，所以我們應(yīng)按2個(gè)階段來考慮。在埋弧時(shí)，電極下部埋在爐料中，其加熱來自電極和爐料之間的電弧熱，但主要是電流通過爐料時(shí)產(chǎn)生的爐料電阻熱，此時(shí)負(fù)荷量很小，電流從零逐漸上升，電流變化快，功率因數(shù)高，三相負(fù)荷電流控制較難實(shí)現(xiàn)。當(dāng)爐料逐漸熔化，熔體的導(dǎo)電性增加，電阻值下降，明弧放電現(xiàn)象更加明顯，常易出現(xiàn)塌料翻渣現(xiàn)象，此時(shí)須快速提升電極，以防短路。爐料完全熔化后，電極根據(jù)設(shè)定參數(shù)與爐料保持一定高度，該過程通過調(diào)節(jié)電極的升降，控制電極電流和相電壓的變化，使電極功率按給定曲線運(yùn)行。相對于整個(gè)工藝過程，此階段進(jìn)入冶煉“平穩(wěn)區(qū)”，同時(shí)，電極與時(shí)間及爐內(nèi)熔體中的FeO含量一起作為控制終點(diǎn)的輔助控制。在冶煉終點(diǎn)鈦渣出爐時(shí)，電極隨熔體液面下降，保持一定的電流電壓值，當(dāng)出渣時(shí)間接近設(shè)定值，切斷電爐供電電源。一個(gè)冶煉周期完成，電爐按預(yù)設(shè)程序恢復(fù)到開爐前狀態(tài)。

　　因冶煉工藝的特點(diǎn)，對爐子的控制和運(yùn)行要采取相應(yīng)的保護(hù)措施，主要有短路保護(hù)和斷電極保護(hù)。系統(tǒng)設(shè)有優(yōu)先級：單相手動、三相手動、短路或斷電極時(shí)快速提升。設(shè)定點(diǎn)的計(jì)算和給定在上位機(jī)完成。

　　短路保護(hù)：監(jiān)控高壓側(cè)相電流，當(dāng)其超過一預(yù)設(shè)最大值時(shí)，電極上升。如翻渣時(shí)，電流成倍增大，計(jì)算機(jī)輸出電信號給液壓系統(tǒng)，迅速給大力缸供液，在5s內(nèi)使電極達(dá)到2.5~3m/min的速度迅速提升,并使電流下降,甚至為零。如電流值仍不下降，則延時(shí)T秒后系統(tǒng)供電系統(tǒng)自動切斷。

　　斷電極保護(hù)：在起弧階段，當(dāng)出現(xiàn)三電極不同時(shí)與物料接觸時(shí)，若仍采用正常調(diào)節(jié)方式，將因設(shè)定值和實(shí)際值之間偏差使電極下降，導(dǎo)致電極折斷。因此對這種情況采用“電壓-電流”控制方式，當(dāng)單個(gè)電極與爐料接觸時(shí)，雖電流為零，但弧壓也為零，該相輸出為零，電極停止下插。

　　在冶煉中，我們期望以最小的輸入功率換取最佳冶煉效果，但在冶煉過程中，電極電流和電壓的變化與爐料反應(yīng)及爐況息息相關(guān)。因此要實(shí)現(xiàn)恒電流控制首先就要找出一個(gè)參照系來做被控參數(shù)?？紤]到冶煉工藝與化工控制中精細(xì)性的區(qū)別，在本方案中恒流控制的參照系是在PLC中輸入的一條設(shè)定功率曲線，它按時(shí)間段設(shè)定電極電流的大小，在一個(gè)冶煉周期中的不同冶煉時(shí)間，對電極電流設(shè)定值加以調(diào)整。

　　電爐變壓器高壓側(cè)如A相電流互感器檢測到A相電流變化，通過電流變送器轉(zhuǎn)化成4~20mA的電信號。電壓信號經(jīng)I/O卡板整形濾波，并與設(shè)定值比較、運(yùn)算及放大處理后，去控制液壓系統(tǒng)的電磁閥，由電磁閥控制液壓換向閥導(dǎo)通時(shí)間，從而升降液壓缸以改變電極位置，最終達(dá)到控制電流的目的，原理圖見圖1。做為電爐本體的控制，爐體溫度、爐內(nèi)壓力、變壓器極數(shù)也是必須要檢測控制的。

　　

　　用PLC裝置實(shí)現(xiàn)電極控制主要由硬件和軟件2部分組成。

　　2 硬件組成

　　鈦渣控制系統(tǒng)硬件組成如圖2所示。根據(jù)現(xiàn)場控制點(diǎn)數(shù)、控制的精確性，電爐控制系統(tǒng)采用SIEMENS公司的S7-400系列控制器?？刂葡到y(tǒng)主要由S7414-1和S7414-2組成，并配有2套西門子工控機(jī)做為上位機(jī)，1臺做操作員站，1臺通過權(quán)限設(shè)置平時(shí)做操作員站，修改程序時(shí)做工程師站。S7414-1主要完成電爐電極的升降控制、壓放控制，熱參數(shù)控制及電爐本體數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算及控制等；S7414-2主要完成原料稱量輸送數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算及控制。2臺主控制器與其遠(yuǎn)程I/O模塊之間通過Profibus-DP通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換與共享。S7414-1及S7414-2控制器與上位機(jī)之間通過工業(yè)以太網(wǎng)通信，2臺上位機(jī)互為冗余。計(jì)算機(jī)操作站主要完成對電爐系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，通過網(wǎng)絡(luò)總線采集電極升降、電爐本體等各種模擬量、開關(guān)量信號，并在操作站實(shí)時(shí)顯示工藝過程動態(tài)畫面、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及故障報(bào)警等信息。

　　

　　2.1電爐本體S7 414-1控制器

　　電爐本體S7 414-1控制器主要由以下400系列模塊組成：

　　數(shù)字量輸入模塊DI，數(shù)字量輸出模塊DO，模擬量輸入模塊AI，模擬量輸出模塊AO，通信接口模塊461-0，電源模塊等。

　　I/O主要用于采集現(xiàn)場模擬量及數(shù)字量信號，參與控制。

　　2.2主要檢測控制參數(shù)及檢測元件

　　2.2.1電信號

　　電流互感器（配電室內(nèi)的MCC柜內(nèi)），電流互感器裝于電爐變壓器的高壓側(cè)，主要檢測二次電流，檢測后將0～5A電流信號，接入綜合自動化系統(tǒng)，通過以太網(wǎng)送入PLC完成算法控制，并在操作站實(shí)時(shí)顯示。

　　電壓互感器,檢測電爐變壓器二次側(cè)電壓，并將電壓輸出信號轉(zhuǎn)化為4～20mA模擬信號送入控制系統(tǒng)。

　　其它需要的電信號包括有功功率、無功功率、功率因數(shù)，電度量等。

　　2.2.2非電量信號

　　（1）電極位置檢測。采用超聲波物位計(jì)將電極的相對位移量轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)PLC控制器比較，用于輸出顯示，并設(shè)置電極位置限位。

　?。?）爐內(nèi)負(fù)壓檢測。采用壓力傳感器檢測爐內(nèi)負(fù)壓，將其輸入PLC參與控制。爐內(nèi)負(fù)壓一般保持在-2～0Pa，當(dāng)出現(xiàn)渣沸騰時(shí)，根據(jù)爐壓高低判斷，決定尾氣是否放散，以保證人身及設(shè)備安全。

　?。?）執(zhí)行機(jī)構(gòu)。鈦渣電爐電極升降采用的是液壓裝置,每根電極被2個(gè)大力油缸支撐，當(dāng)上下缸內(nèi)充滿帶壓油時(shí)，即可完成升降動作。大力缸充油方向和時(shí)間決定電極的升降及其幅度。

　　當(dāng)壓力油進(jìn)入油缸桿腔時(shí)，電極上升，電極下降靠電極自重，泵打出的油和桿腔排出的油進(jìn)入油缸的無桿腔，電極下降速度由調(diào)速閥確定。因此控制換向閥上2組電磁閥的通斷時(shí)間及通斷順序即可控制電極的升降。液壓系統(tǒng)采用雙油源，以確?？煽啃浴?/div>