ＰＬＣ在铁合金电炉上的应用兰学军，董兴民，赵敬民锦州铁合金厂【摘要】本文介绍了铁合金电炉 对其电极在自动控制方面的要求；控制方式、参数的选择及可编程序控制器在铁合金电炉电极自动 控制方面的应用情况。关键词铁合金电炉电极，自动调节，被调量，可编程序控制器【Ａｂｓｔｒ ａｃｔ】Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ，ｃｏｎｔｒｏｌｍａｎｎｅｒａｎｄｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｐａ－ｒａｍｅｔｅｒｓｆ ｏｒｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓｏｆｆｅｒｒｏａｌｌｏｙｅｌｅｃｔｒｉｃｆｕｒｎａｃｅ； ａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＰＬＣｉｎｔｈｅａｕ－ｔｏｃｏｎｔｒｏ ｌｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓｏｆｆｅｒｒｏａｌｌｏｙｅｌｅｃｔｒｉｃｆｕｒｎａｃｅ ．【Ｋｅｙｗｏｒｄｓ】ｆｅｒｒｏａｌｌｏｙｅｌｅｃｔｒｉｃｆｕｒｎａｃｅ，ｅｌｅｃｔｒ ｏｄｅ，ａｕｔｏ－ｒｅｇｕｌａｔｅ，ｒｅｇｕｌａｔｅｄｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ＰＬＣ１前 言目前国内铁合金电炉有几百座，其中绝大部分是用手动操作调节电极升降，控制和操作水平是很 低的，损失了大量的能源，多年来一直没有合适的电极自动调节器，炼钢电弧炉的电极调节器又很 难用到铁合金电炉上，因为它不适应铁合金电炉的冶炼特性。为了提高铁合金电炉（以下简称电炉 ）的自动化水平，达到节能降耗，增产的目的，我们应用可编程序控制器研制了一套电炉电极自动 调节器，并应用在锦州铁合金厂５０００ｋＶＡ电炉上。试运行证明效果良好，电极电流控制准确 ，其电流偏差可达±３％，三相电流很容易调平；调节频度与人工操作相近，入炉功率、功率因数 明显提高；电极升降控制平稳。２对电极自动调节的基本要求电炉的熔炼主要是靠向炉内输入电功 率使炉料加热进行化学反应，从而达到炼制铁合金产品的目的，电气设备主要由主回路和电极升降 系统组成。主回路包括电炉变压器、短网、电极、熔池。电极升降系统包括传动机构、控制元件、 电机，其作用是根据冶炼工艺要求及炉内反应状况，通过改变电极的插深位置来改变电流，控制输 入炉内的电功率，也就是说正常的电炉冶炼主要是靠调节电极的升降来实现的。铁合金电炉的冶炼 特点是：①埋弧，即电极上部堆满炉料，下部电弧冶炼，这一点同炼钢电弧炉有着明显的区别；② 力求三根电极在底部成一个水平面，这样就能使三根电极形成的三个坩埚迅速熔化连通，形成一个 熔池；③因为电炉理弧工作，电极输入电流和功率变化较慢，要求冶炼过程尽将可能地稳定，如果 频繁调节电极，将会出现掉生料甚至塌料的现象，结果会降低熔池温度，渣铁难分，影响正常生产 。根据电炉的冶炼特点，对电极自动调节的基本要求：①稳定，即对电极电流和功率偏离设定值时 不能简单地立即调节，而应智能性地判断是瞬时性的还是真实性的偏差。如果是瞬时性的，在短时 间内会自然消失不必调节；如果是真实性的则进行调节。②平衡，要求三相电流平衡，三根电极插 深相同即保持同一水平面。３电极调节方式及被调量的选择３．１电极调节方式电极调节方式主要 有两种，一种是连续调节；另一种是断续调节。连续调节方式：若传动机构是电动机一卷杨式的， 则要求对电机进行调速；若是液压式则要求配有随动的伺服阀，这样就可以使被调量以无级连续变 化的方式调节。断续式调节也称为三点式，因为它体现了电极升、停、降三种状态。国内铁合金电 炉绝大部分是这种调节方式，这种调节方式若传动机构是电动机一卷杨式的，则电动机可以不必调 速；若是液压式的配换向阀即可。我厂５０００ｋＶＡ电炉电极系统其传动机构是电动机一卷扬式 不调速，控制器是接触器，手动操作，这种系统比较落后，执行元件环节多，惯性大，不利于实现 自动控制，但是若换掉这套系统既要花很多钱，又因为是生产设备时间也是不允许的。为此，保留 了原有电极系统，仍为断续调节方式，但加装了由可编程序控制器为主控机构成的电极自动控制调 节器，为了克服惯性大的问题，我们采用了ＰＩ（比例积分）控制和脉冲输出的方法，实践证明， 上述搭配和控制方法取得了满意的控制效果。３．２被调量的选择铁合金冶炼是一个比较复杂的物 理一化学过程，时至今日国内外还没有能提出一个比较理想的数学模型可供参照，所以电炉基本是 采用间接控制方式，一般地说有三种被调量，功率、电流和阻抗。功率，这个被调量一般很少采用 ，因为三相功率相等，并不等于三相电压、电流相等，也不能保证三根电极处于同一水平面。随着 测量、控制技术的发展，恒功率控制也可能有突破。电流，手动调节基本上都选用这个被调量，自 动调节也可以选用，电流调节的特点是反应快、直观、简单。但也有缺点，例如电流值的大小与电 极的插深不成线性关系，也就是不能准确地反映电极在炉料中的插入深度。另外，三相电之间互相 有影响，这是因为电极电流在炉底中性点的矢量和为零，当某一相电极电流变化时，零点位移，其 它两相电流也会产生变化。还有电网电压的变化也会影响到电极电流的变化，这些就使得自动调节 过程有些不稳定。阻抗（Ｚ），一般认为在电极自动调节过程中是比较理想的被调量。阻抗也称为 操作电阻，是有效相电压与电极电流的比值。用它作为被调量可以控制相电压、电极电流及其比值 ，控制入炉有效功率、热能分配，能保证电极在炉料中的插深，还可避免电极间的互相影响。例举 两种状态说明这个问题，当某一相电极电流对炉底短路时，该电极应立即进行调节，使其上升，而 其它两相由于中性点位移，电流电压同时增大倍，其比值不变，因此不参加调节；反之，当某一电 极处于断路，其电流为零。说明电极应立即调节、使其下降，而另外两相的电流电压均下降倍，其 比值仍然不变。电极不参加调节。对于电网电压波动，由于电流电压同时按向一比例变化，故其比 值不变，电极也不参与调节。由此不难看出，在电极自动调节过程中，选用阻抗是最合适的被调量 。４电极自动调节器４．１主控机——可编程序控制器ＰＬＣＰＬＣ是一种集计算机、自动化、通 讯技术于一身的工业控制机。其主要特点是：程序编制容易，可使用梯形图直接编程，也可使用计 算机专业人员熟悉的语句表；功能强，使用方便，安装调试简单；特别是抗干扰能力强。ＰＬＣ输 入输出均为光电隔离，软硬件滤波，ＣＰＵ本机自带屏蔽，可直接安装在配电室，或工作业现场。 根据电炉对电极调节方式及被调量的要求和原有设备状况，我们选用了日本三菱Ｆ＿１系列ＰＬＣ ．Ｆ＿１是小型高功能ＰＬＣ，Ｆ＿１有２０条基本指令、２条步进指令，８７条功能指令，主要 内容是：开关量控制、步进控制、加减乘除运算、单值、范围比较、数据传送、高速计数、移位、 置位、复位、清零、读写模拟量等功能。Ｆ＿１除基本单元外，还有多种可扩展的特殊模块，如模 拟量输入（Ａ／Ｄ）、输出（Ｄ／Ａ），位置、定时、步进、伺服电机控制、通讯等单元。梯形图 、语句表均可单独使用，且二者能够相互转换，Ｆ＿１还可以通过通讯模块和专用软件与上位机实 现通讯、监控、联网。Ｆ＿１的价格在同类机中是比较低的。４．２调节器的构成调节器的构成如 图１所示，其中仅表示了单相的构成。主要工作过程．从ＴＡ取来电流信号送Ｉ／Ｕ变成０～５Ｖ 直流电压信号送Ａ／Ｄ，Ａ／Ｄ时０～５Ｖ直流电压处理后变成ＢＣＤ码的形式送给ＰＬＣ；从电 极对炉底取来的０～１５０ｖ电压信号送Ｕ／Ｕ，以后过程同电流信号一样，ＰＬＣ将取来的电流 、电压信号进行滤波运算、比较，产生脉冲后送到开关量输出端，驱动接触器带动执行机构作相应 的调节。４．３驱动特性由于是断续调节、脉冲输出，所以电极升降的动作特性如图２。１）△Ｚ ＿１—△Ｚ＿３之间为调节死区，偏差在此区间内没有输出响应。２）当正向偏差超过△Ｚ＿２或 △Ｚ＿４时，有输出响应去驱动执行元件提升或下降电极。３）当正向偏差小于△Ｚ＿１，负向偏 差小于△Ｚ＿３时，输出停止。实际上，在△Ｚ＿１—△Ｚ＿２（或△Ｚ＿３—△Ｚ＿４）之间， 电极调节器的时间响应与阻抗偏差之间是ＰＩ（比例积分）的关系，也就是判断偏差是瞬时性还是 真实性的过程。４．４灵敏度分析及信号处理主控机的灵敏度是否满足要求，对一个自动调节系统 有很大影响。如果灵敏度不够，跟不上被调量的变化．也就无法对其调节，更不能满足精度要求， 因为电炉各参数中经常变化和需要调节的主要是电流，所以在此只分析ＰＬＣ对电流的灵敏度。我 厂５０００ｋＶＡ电炉的ＴＡ变比ｎ＝４００／５＝８０，其二次电流为０～５Ａ，与Ｉ／Ｕ输出 直流０～５Ｖ是１：１的关系，Ａ／Ｄ（８位）接收０～５Ｖ信号向ＰＬＣ输送０～２５５的ＢＣ Ｄ码数字量，最大为三位数，没有小数的变化，我们以ＢＣＤ码个位变化±１个数为最小值，分析 折算到电炉变压器一次电流的灵敏度。当ＰＬＣ内数字变化为±１时，Ａ／Ｄ输入直流电压对应变 化△Ｖ＝５／２５５＝±０．０１９６Ｖ，同理ＴＡ二次电流变化是±０．０１９６Ａ，折算到电 炉变压器一次电流△Ｉ＿ｎ＝０．０１９６ｎ＝０．０１９６×８０＝±１．５７Ａ。按电炉变压 器一次侧低电流Ｉ＿ｎ＝２１６Ａ计，已知上升电流为＋１．５７Ａ，用Ｉ＿ｓ表示，下降电流为 —１．５７Ａ，用Ｉ＿ｘ表示；灵敏度用２△表示；则有：一般对电炉调节要求灵敏度为２△＜１ ５％，可见Ｆ＿１系列的灵敏度是很高的，完全能够满足要求。信号处理在任何一个模拟量的调节 过程都是至关重要的，如果处理不好，干扰过大，将会影响到整个系统的稳定。在此对信号处理主 要采取了两个措施：１）平均值滤波，这是一种软件处理方法。但略显粗糙，由于简单、实用，电 炉一般情况下电流波动幅度不是很大，平均值法基本上能满足要求，该方法的数学表达式是：主要是用ＰＬＣ的数学运算功能完成的。２）积分法，电炉生产过程力求稳定，尽量避免不必要的调节，这就要求对阻抗偏差信号是瞬时性还是真实性有个判断，为此我们设一个对时间积分的判定环节，见图２。当偏差超过△Ｚ＿１或△Ｚ＿３时，积分环节工作；如偏差没到△Ｚ＿２或△Ｚ＿４就
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