鈦渣電爐借助于電極通過大電流，以電阻熱和電弧熱的形式加熱物料完成冶煉。從電爐的功率曲線可知，不同電弧電流對應(yīng)不同的電弧功率，當(dāng)弧流超過有利的調(diào)節(jié)電流時(shí)，輸入爐內(nèi)的功率并不會(huì)因?yàn)殡娏鞯脑黾佣龃?，反而線路上的電耗將增大，難以獲得目標(biāo)中的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)可能損壞爐襯，加大電極的消耗量。如何將電流控制在一個(gè)合理范圍，并可靠地控制，使其達(dá)到既保護(hù)設(shè)備安全又具有可觀經(jīng)濟(jì)收益，是電爐實(shí)現(xiàn)控制的目標(biāo)。

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(dòng)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(dòng)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(dòng)、三相手動(dòng)、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(dòng)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。控制系統(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(tái)做操作員站，1臺(tái)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(tái)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(tái)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(dòng)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(dòng)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。

（2）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。

（3）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(dòng)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?。

3 PLC軟件組成

本系統(tǒng)采用西門子STEP7編程軟件，軟件采用LAD圖、STL語句表及FDB功能塊圖三者相結(jié)合的編程方式，實(shí)現(xiàn)冶煉過程的邏輯控制。通過硬件采集弧壓、弧流及檔位等信號，按恒功率恒電流控制原理，將最終結(jié)果輸出到液壓控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)電極升降自動(dòng)控制，并按照最佳供電曲線自動(dòng)調(diào)節(jié)輸入爐內(nèi)的電弧參數(shù)。

電爐系統(tǒng)操作站采用擁有開放協(xié)議、集成ODBC/SQL數(shù)據(jù)庫的WinCC組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)畫面監(jiān)視和設(shè)備狀態(tài)顯示。

4 控制過程

在鈦渣電爐操作過程中，冶煉電氣制度受到以下干擾：供電電壓波動(dòng)、負(fù)荷電阻系數(shù)變化、爐內(nèi)渣鐵面的變化、電極負(fù)荷、電極焙制的損耗、渣沸騰等。

與工藝要求相一致，電爐有功功率和電流變化時(shí)間表中給定了每個(gè)電氣參數(shù)的死區(qū)（也即偏差）。

在整個(gè)冶煉過程中，電氣制度控制算法的主要任務(wù)就是保持電爐有功功率和電流的預(yù)設(shè)值恒定，來限制強(qiáng)加在電爐變壓器高壓側(cè)的相電流。在PLC中，對采集的電極電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理后即進(jìn)入控制過程。電極自動(dòng)控制在工況相對穩(wěn)定時(shí)投運(yùn)，每相電極按預(yù)設(shè)曲線自動(dòng)調(diào)整升降高度，直到電流檢測值達(dá)到設(shè)定值。在實(shí)際運(yùn)行中為防止電極頻繁動(dòng)作，可設(shè)置1~5KA的動(dòng)作死區(qū)。在爐料完全熔化，熔池打通或冶煉進(jìn)入到精煉區(qū)時(shí)，電極電流波動(dòng)較大，此時(shí)僅當(dāng)電極電流測量偏差大于死區(qū)值時(shí)，電極方才移動(dòng)，控制功能實(shí)現(xiàn)較穩(wěn)定；當(dāng)冶煉初期及補(bǔ)加碳時(shí)，因爐內(nèi)反應(yīng)劇烈，伴隨塌料現(xiàn)象，電極電流會(huì)大幅度上升，此時(shí)控制動(dòng)作頻繁，系統(tǒng)的抗干擾要求提高，在控制上更要多方考慮。

接下來看鈦渣電爐實(shí)現(xiàn)電極控制的一個(gè)算法流程。

當(dāng)A相選擇自動(dòng)控制投運(yùn)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)檢測高壓側(cè)電極電流，并送入PLC，經(jīng)處理，在T時(shí)間內(nèi)對采樣值取平均值，并與設(shè)定值進(jìn)行比較。當(dāng)檢測電流值II大于設(shè)定值，但尚未達(dá)到電極工作上限HS1,且電極內(nèi)、外裝置已處于自動(dòng)EC1方式下，則PLC發(fā)出電磁閥ELIC1接通指令，電磁閥得電，換向閥上行油缸充液，電極將提升，當(dāng)延時(shí)T時(shí)間后，檢測電極前后位置的變化，并轉(zhuǎn)入下個(gè)循環(huán)。當(dāng)檢測電流值II小于設(shè)定值，但尚未達(dá)到電極的工作下限LS1,且電極內(nèi)、外裝置已打在自動(dòng)EC1方式，則PLC發(fā)出電磁閥ELOC1接通指令，電磁閥得電，換向閥返回油缸，閥打開，電極靠自重下降，延時(shí)T時(shí)間后，檢測電極前后位置的變化量，并轉(zhuǎn)入下個(gè)循環(huán)。

在電極控制算法中要考慮3個(gè)因素：在升降的同時(shí)不能完成電極的壓放控制；在系統(tǒng)中要延時(shí)檢測電極的位置，以區(qū)別于其它因素導(dǎo)致的電流變化；將不正常因素以報(bào)警信號形式輸出。

根據(jù)工藝特點(diǎn)， 在三相電極的電流調(diào)節(jié)中，每個(gè)電極電流控制都可獨(dú)立進(jìn)行，任一電極都可根據(jù)工況運(yùn)行在自動(dòng)或手動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)爐內(nèi)出現(xiàn)翻渣或塌料時(shí)，控制系統(tǒng)能檢測出電流大幅上升，此時(shí)電極快速提升，直到電極電流達(dá)到設(shè)定值時(shí)，停止上升。若電極已提升至上限值，電流還未下降到設(shè)定值，則電爐變壓器的電源將被切斷，正常冶煉被中止。

整個(gè)冶煉過程電極的控制均由操作工在控制室的操作臺(tái)上完成，因項(xiàng)目中變壓器采用35kV電源供電，系統(tǒng)的用電安全等級要求較高，在控制屏外單獨(dú)設(shè)置了操作臺(tái)，以鑰匙開關(guān)的方式將停送電權(quán)限交給操作工專人管理。

5 取得的成效

自鈦渣電爐生產(chǎn)PLC控制系統(tǒng)投運(yùn)以來，所有信號集中處理，采用模塊化結(jié)構(gòu)易于調(diào)整和更換，備品備件量下降。更為重要的是采用PLC自動(dòng)控制電極的升降，取代了以往電極升降手動(dòng)操控方式。

采用高精度檢測元件，能更有效、更準(zhǔn)確地反映現(xiàn)場情況，實(shí)現(xiàn)精確控制。

在鈦渣冶煉中電極升降采用液壓系統(tǒng)，使電極調(diào)節(jié)直觀，響應(yīng)速度更快，更能滿足鈦渣正常冶煉過程控制要求。

針對鈦渣電爐的多變量、非線形、大滯后、強(qiáng)耦合、時(shí)變、工作環(huán)境及隨機(jī)干擾較強(qiáng)的特點(diǎn)，采用PLC可實(shí)現(xiàn)電爐電極升降的全自動(dòng)閉環(huán)控制，并能滿足三相電流平衡及溫度的穩(wěn)定。

6 存在的問題及下步改進(jìn)措施

雖然PLC在電極電流控制上已取得良好效果，但由于采用PLC控制的25.5MVA容量特大型鈦渣電爐尚屬國內(nèi)首例，在控制的設(shè)計(jì)和程序的編制上還存在一些缺陷，如目前暴露出電極的升降死區(qū)范圍設(shè)得較大以及操作中獲得的曲線與設(shè)定曲線差距較大的問題。造成這種影響主要原因是電極升降的液壓系統(tǒng)未采用伺服調(diào)節(jié)閥控制，使升降動(dòng)作啟停有較大機(jī)械死區(qū)。

此外鈦渣冶煉控制的最終目標(biāo)是輸入爐內(nèi)的總功率平衡。但目前還尚未摸索出一個(gè)合適的算法來將電極電流與三相功率的平衡在PLC中統(tǒng)一起來。

但PLC系統(tǒng)在電極控制中的成功運(yùn)用及其強(qiáng)大功能，將使我們在控制精度、安全性、經(jīng)濟(jì)價(jià)值上找到更多的切入點(diǎn)去適應(yīng)鈦渣冶煉的生產(chǎn)控制要求。