本發(fā)明屬冶金三相電弧爐控制領(lǐng)域，尤其涉及一種三相電弧爐自動(dòng)控制器及其控制方法。

背景技術(shù)：

隨著科技水平、經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程的快速發(fā)展，中高檔特種合金材料生產(chǎn)需求大幅度提升，這需要特種合金冶煉加工業(yè)的技術(shù)水平與裝備水平不斷提高。合金的冶煉主要采用以電為熱能的電爐，可分為兩大類，一類為電弧爐，它是以電弧產(chǎn)生熱量熔化廢鋼等材料，其中主要是三相電弧爐；另一類為感應(yīng)電爐，它是以電磁感應(yīng)產(chǎn)生熱量熔化廢鋼等材料。

目前國(guó)際中檔甚至部分高檔特種合金材料市場(chǎng)為我國(guó)企業(yè)占領(lǐng)，國(guó)內(nèi)合金冶煉普遍使用電弧爐，尤其以三相電弧爐為主。三相電弧爐冶煉技術(shù)開發(fā)較早，它是利用電弧的能量來冶煉, 其控制策略和實(shí)現(xiàn)方法有很多, 常用的方法是在設(shè)定三相電壓后，采用調(diào)節(jié)電極升降維持電流恒定。早期是靠人工觀測(cè)三相電極的電流等參數(shù)來手動(dòng)調(diào)節(jié)電極的升降，人工操作頻繁，勞動(dòng)強(qiáng)度很大，很難維持電弧爐穩(wěn)定運(yùn)行來保證產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)電弧爐運(yùn)行的波動(dòng)也給環(huán)境造成污染。在電弧爐采用自動(dòng)調(diào)節(jié)控制時(shí)，由于電弧爐運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生高次諧波及強(qiáng)電磁場(chǎng)，以及爐料的融化與塌陷變化使電極電流波動(dòng)幅度大、速度快，對(duì)電爐電壓、電流的監(jiān)測(cè)與控制造成強(qiáng)大的干擾。目前有些電弧爐廠家自行與各自合作單位聯(lián)合開發(fā)應(yīng)用了部分電弧爐自動(dòng)控制器，但這些控制器都存在著一些缺陷和局限性，沒能定型與推廣。伴隨著對(duì)合金產(chǎn)品質(zhì)量和節(jié)能環(huán)保要求的不斷提高，開發(fā)出技術(shù)先進(jìn)、運(yùn)行性能穩(wěn)定和可靠的電弧爐控制器是大勢(shì)所趨。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處而提供一種抗干擾能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，運(yùn)行穩(wěn)定的三相電弧爐控制器。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種三相電弧爐控制器的控制方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的。

一種三相電弧爐自動(dòng)控制器，它包括第一電源模塊、第二電源模塊、電源凈化模塊、CPU處理器、隔離中間繼電器、信號(hào)隔離器、第一外圍設(shè)備、第二外圍設(shè)備、遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及人機(jī)界面觸摸屏；所述CPU處理器信號(hào)傳輸端口分別與隔離繼電器、信號(hào)隔離器、遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及人機(jī)界面觸摸屏端口相接；所述隔離繼電器的信號(hào)傳輸端口與第一外圍設(shè)備的信號(hào)傳輸端口相接；所述信號(hào)隔離器的信號(hào)傳輸端口與第二外圍設(shè)備的信號(hào)傳輸端口相接；所述第一電源模塊電源輸出端口與第一外部設(shè)備電源端口相接；所述第二電源模塊電源輸出端口與第二外部設(shè)備電源端口相接；所述電源凈化模塊的輸出端口與第一電源模塊、第二電源模塊和CPU處理器電源的輸入端口相接。

作為一種優(yōu)選方案，本發(fā)明所述第一外圍設(shè)備包括三相電弧爐電極上限位/下限位開關(guān)及電極控制電機(jī)；所述第二外圍設(shè)備包括三相電壓傳感器、電流傳感器、功率表、爐膛溫度變送器、爐膛壓力變送器、電壓調(diào)整設(shè)備及電極伺服控制電機(jī)。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述CPU處理器通過TCP/IP或PROFIBUS接口將所有監(jiān)控參數(shù)上傳至遠(yuǎn)端監(jiān)控計(jì)算機(jī)。

上述三相電弧爐自動(dòng)控制器的控制方法，其特征在于：按如下步驟實(shí)施：

a、系統(tǒng)初始化；

b、進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；

c、數(shù)據(jù)處理及分析；

d、報(bào)警判斷處理；

e、自動(dòng)控制；

f、若是，求測(cè)量值與設(shè)定值偏差并經(jīng)多參數(shù)、多變量模糊控制運(yùn)算；若否，接收操作命令并轉(zhuǎn)化成控制命令；

g、輸出控制命令；

h、數(shù)據(jù)庫更新；

i、數(shù)據(jù)打包上傳；

j、顯示更新；

k、返回至步驟b。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述步驟b中的數(shù)據(jù)包括三相電弧爐供電網(wǎng)中三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、三相電極的位置、爐膛溫度及爐膛壓力參數(shù)。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述步驟b中，可對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行多種濾波處理，具體步驟如下：

a₁、讀取采集數(shù)據(jù)；

b₁、數(shù)據(jù)有效性判斷；

c₁、若否，將此數(shù)據(jù)標(biāo)注為無效數(shù)據(jù)；若是，轉(zhuǎn)到步驟d₁；

d₁、數(shù)據(jù)存入相應(yīng)數(shù)據(jù)隊(duì)列；

e₁、是否到采樣時(shí)間判斷；

f₁、若否，轉(zhuǎn)到步驟a₁；若是，轉(zhuǎn)到步驟g₁ ；

g₁、隊(duì)列數(shù)據(jù)按大小排序；

h₁、濾波處理；

i₁、數(shù)據(jù)修正；

j₁、獲取當(dāng)前數(shù)據(jù)；

k₁、將測(cè)量數(shù)據(jù)與設(shè)定值比較劃分偏差區(qū)域，不同區(qū)域采用不同參數(shù)的多變量/多參數(shù)控制模型計(jì)算；

l₁、計(jì)算結(jié)果修正并轉(zhuǎn)化成輸出控制量；

m₁、返回至步驟a₁。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下特點(diǎn)。

1、本發(fā)明控制器可通過修改特征參數(shù)來減小或消除三相電流值在控制方法中的相互影響，控制方法采用多參數(shù)、多變量模糊控制策略，通過判斷實(shí)際測(cè)量值與設(shè)定值間偏差的大小來劃分不同的區(qū)域，在不同的區(qū)域內(nèi)采用不同的控制參數(shù)，提高了控制器響應(yīng)速度和控制穩(wěn)定性，控制方法中增加了延時(shí)與閾值判斷相結(jié)合的控制方式，避免了對(duì)電極上下運(yùn)動(dòng)的反復(fù)頻繁操作，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

2、采用復(fù)合濾波法，由于電弧爐在工作中產(chǎn)生強(qiáng)電磁干擾，原始測(cè)量數(shù)據(jù)波動(dòng)幅度大、速度快，控制方法上對(duì)每個(gè)采集參數(shù)都建立了數(shù)據(jù)緩存區(qū)域，將毫秒級(jí)的數(shù)據(jù)依次存入緩存表格，在采樣周期到時(shí)，對(duì)緩存區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，然后取出中間的7個(gè)數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)，再進(jìn)行限幅和遞推加權(quán)均值處理，最后再與上一次數(shù)據(jù)進(jìn)行一階滯后濾波修正。

3、具有多種連鎖功能，如電極在運(yùn)動(dòng)中達(dá)到運(yùn)動(dòng)區(qū)域的上限或下限時(shí)，控制器發(fā)出報(bào)警信息，同時(shí)限制電極的超限方向運(yùn)動(dòng)，避免發(fā)生電極折斷和脫落等事件的發(fā)生。

4、具有豐富的顯示畫面，以工藝圖、數(shù)據(jù)表格、棒圖、曲線等不同界面方式來顯示電弧爐的電壓、電流、功率、溫度、壓力、位置等運(yùn)行狀態(tài)。

5、具有友好的人機(jī)交互界面，可通過點(diǎn)擊觸摸屏上的切換按鈕，方便選擇電極控制方式在手動(dòng)控制模式與自動(dòng)控制模式間切換，在手動(dòng)控制模式下，在手動(dòng)操作畫面中可通過觸摸虛擬操作桿對(duì)電極的上下運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，而在自動(dòng)控制模式下，操作人員可通過觸摸屏輸入控制參數(shù)，控制器將按照控制參數(shù)要求來自動(dòng)控制電極的上、下運(yùn)動(dòng)，來滿足電弧爐運(yùn)行指標(biāo)要求，同時(shí)采用不同等級(jí)的保護(hù)密碼對(duì)控制參數(shù)的修改項(xiàng)進(jìn)行保護(hù)，避免非授權(quán)人員的誤操作。

6、具有多級(jí)別、多形式的報(bào)警和保護(hù)功能，能對(duì)某些重要的控制參數(shù)超限情況給出就地聲光報(bào)警，并可將報(bào)警信息遠(yuǎn)傳給調(diào)度計(jì)算機(jī)，對(duì)那些超極限報(bào)警，能進(jìn)行必要的應(yīng)急和保護(hù)處理。

7、具有計(jì)算機(jī)組網(wǎng)功能，可通過控制器的以太網(wǎng)（TCP/IP）接口或PROFIBUS接口與遠(yuǎn)端監(jiān)控計(jì)算機(jī)相連，遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)可完成控制器觸摸屏上的所有功能，而且提供海量的歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與查詢功能，在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上可同時(shí)監(jiān)控多臺(tái)控制器，同樣，在多臺(tái)計(jì)算機(jī)上可監(jiān)視同一臺(tái)控制器，支持多臺(tái)控制器與多臺(tái)計(jì)算機(jī)組成網(wǎng)絡(luò)。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。本發(fā)明的保護(hù)范圍將不僅局限于下列內(nèi)容的表述。

圖1為本發(fā)明三相電弧爐控制器內(nèi)部原理框圖。

圖2為本發(fā)明三相電弧爐控制器系統(tǒng)原理框圖。

圖3為本發(fā)明控制方法流程圖。

圖4為本發(fā)明數(shù)據(jù)采集、處理與控制流程圖。

圖5為本發(fā)明抗干擾電流、電壓變送器電路原理圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，三相電弧爐自動(dòng)控制器，包括第一電源模塊、第二電源模塊、電源凈化模塊、CPU處理器、隔離中間繼電器、信號(hào)隔離器、第一外圍設(shè)備、第二外圍設(shè)備、遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及人機(jī)界面觸摸屏；所述CPU處理器信號(hào)傳輸端口分別與隔離繼電器、信號(hào)隔離器、遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及人機(jī)界面觸摸屏端口相接；所述隔離繼電器的信號(hào)傳輸端口與第一外圍設(shè)備的信號(hào)傳輸端口相接；所述信號(hào)隔離器的信號(hào)傳輸端口與第二外圍設(shè)備的信號(hào)傳輸端口相接；所述第一電源模塊電源輸出端口與第一外部設(shè)備電源端口相接；所述第二電源模塊電源輸出端口與第二外部設(shè)備電源端口相接；所述電源凈化模塊的輸出端口與第一電源模塊、第二電源模塊和CPU處理器電源的輸入端口相接。

參見圖2所示，本發(fā)明所述第一外圍設(shè)備包括三相電弧爐電極上限位/下限位開關(guān)及電極控制電機(jī)；所述第二外圍設(shè)備包括三相電壓傳感器、電流傳感器、功率表、爐膛溫度變送器、爐膛壓力變送器、電壓調(diào)整設(shè)備及電極伺服控制電機(jī)。

本發(fā)明所述CPU處理器通過TCP/IP或PROFIBUS接口將所有監(jiān)控參數(shù)上傳至遠(yuǎn)端監(jiān)控計(jì)算機(jī)。

參見圖3所示，上述三相電弧爐自動(dòng)控制器的控制方法，可按如下步驟實(shí)施：

a、系統(tǒng)初始化；

b、進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；

c、數(shù)據(jù)處理及分析；

d、報(bào)警判斷處理；

e、自動(dòng)控制；

f、若是，求測(cè)量值與設(shè)定值偏差并經(jīng)多參數(shù)、多變量模糊控制運(yùn)算；若否，接收操作命令并轉(zhuǎn)化成控制命令；

g、輸出控制命令；

h、數(shù)據(jù)庫更新；

i、數(shù)據(jù)打包上傳；

j、顯示更新；

k、返回至步驟b。

本發(fā)明所述步驟b中的數(shù)據(jù)包括三相電弧爐供電網(wǎng)中三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、三相電極的位置、爐膛溫度及爐膛壓力參數(shù)。

參見圖4所示，為了消除三相電弧爐產(chǎn)生的強(qiáng)電磁干擾，提高測(cè)量參數(shù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，本發(fā)明在控制方法上對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行了多種濾波處理。

本發(fā)明所述步驟b中，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行多種濾波處理，具體步驟如下：

a₁、讀取采集數(shù)據(jù)；

b₁、數(shù)據(jù)有效性判斷；

c₁、若否，將此數(shù)據(jù)標(biāo)注為無效數(shù)據(jù)；若是，轉(zhuǎn)到步驟d₁；

d₁、數(shù)據(jù)存入相應(yīng)數(shù)據(jù)隊(duì)列；

e₁、是否到采樣時(shí)間判斷；

f₁、若否，轉(zhuǎn)到步驟a₁；若是，轉(zhuǎn)到步驟g₁ ；

g₁、隊(duì)列數(shù)據(jù)按大小排序；

h₁、濾波處理；

i₁、數(shù)據(jù)修正；

j₁、獲取當(dāng)前數(shù)據(jù)；

k₁、將測(cè)量數(shù)據(jù)與設(shè)定值比較劃分偏差區(qū)域，不同區(qū)域采用不同參數(shù)的多變量/多參數(shù)控制模型計(jì)算；

l₁、計(jì)算結(jié)果修正并轉(zhuǎn)化成輸出控制量；

m₁、返回至步驟a₁。

本發(fā)明所述步驟h₁中的濾波處理包括限幅和遞推加權(quán)均值；步驟i₁中的數(shù)據(jù)修正包括一階滯后濾波法。

參見圖1所示，三相電弧爐控制器中的電源凈化模塊是將外接供電電源進(jìn)行隔離凈化處理，消除外網(wǎng)電源干擾；所述觸摸屏顯示電極位置、三相電壓、電流、功率、爐溫、爐壓等監(jiān)控參數(shù)及電弧爐運(yùn)行狀態(tài)，在自動(dòng)控制方式與手動(dòng)控制方式間切換，手動(dòng)操作畫面，提供報(bào)警及密碼保護(hù)功能；所述TCP/IP或PROFIBUS接口可將所有監(jiān)控參數(shù)上傳至遠(yuǎn)端監(jiān)控計(jì)算機(jī)；第二電源模塊為現(xiàn)場(chǎng)變送器提供電源。

參見圖2所示，三相電弧爐控制器電源凈化模塊與電網(wǎng)供電電源相接，消除外網(wǎng)電源干擾。

參見圖5所示，為本發(fā)明控制器為提高電流與電壓變送器抗干擾能力而設(shè)計(jì)的電路原理圖。

在三相電弧爐控制器實(shí)際應(yīng)用中，電弧爐每相供電線路上都安裝有電流互感器，每相電流互感器和每相電壓都通過一根獨(dú)立的2芯屏蔽電纜接入電流與電壓變送器，而電流與電壓變送器又與三相電弧爐控制器的第二電源模塊和信號(hào)隔離器相接。同樣，安裝在爐膛內(nèi)的溫度與壓力變送器與控制器的第二電源模塊和信號(hào)隔離器相接。而對(duì)于安裝在電極運(yùn)動(dòng)區(qū)間內(nèi)的上端與下端限位開關(guān)則通過隔離繼電器接入三相電弧爐控制器。對(duì)于電極上下運(yùn)動(dòng)的控制，本三相電弧爐控制器給出了開關(guān)量與模擬量?jī)煞N輸出方式，以適應(yīng)不同的電極控制方式。

可以理解地是，以上關(guān)于本發(fā)明的具體描述，僅用于說明本發(fā)明而并非受限于本發(fā)明實(shí)施例所描述的技術(shù)方案，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行修改或等同替換，以達(dá)到相同的技術(shù)效果；只要滿足使用需要，都在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。