基于S7-300 PLC的大型電弧爐控制系統

1 電弧爐電極自動系統控制策略
1．1 電弧爐的冶煉過程工藝特點
電弧爐的冶煉過程為間歇式操作，每爐次主要分為引弧加料期和熔化期。前者的特點是電弧不穩定，電流波動極大，易發生斷弧、過電流跳閘和斷電極事故；后者的特點是弧溫較低，爐料比電阻較高，電極弧光埋在未熔化的爐料中，電流隨冶煉的進行逐漸趨于平穩，如果控制的三相電極非平衡滿負荷送電，可能使爐料不能迅速熔化而延長冶煉時問，增大功耗。
1．2 控制方案
依據經典控制理論，只有建立了被控對象的數學模型，再按照系統工藝所要求的靜態指標和動態指標設計校正環節的參數，才能滿足工藝要求。但由于電弧爐具有多變量、非線性、大滯后、強耦合、數學模型參數的不確定性和系統工作點的劇烈變化等特點，其實質是一個多輸入、多輸出、非線性、強耦合的對象，顯然經典控制對此無能為力，甚至用現代控制理論也不能精確地解決問題，因為系統的特征所決定的數學模型難以建立，因此難以實現對被控量的精確控制。通過對電弧爐在冶煉過程中特點的了解，以及對被控對象特性的分析得知，電極調節系統是一個位置控制系統，調節對象是弧長，但由于弧長沒有合適的檢測設備，只能通過檢測電弧爐主電路的電弧電流間接地反映弧長的大小，也就是通過控制電流來控制弧長。
當控制對象的特性或參數隨著環境的變化或運行時間的加長而大幅度變化時，常規的反饋控制難以完成優良的控制，而采用自適應控制的控制方案比較合理。由電弧爐的功率特性曲線得知，不同的電弧電流對應相同的電弧功率，當弧流超過最有利的調節電流時，輸入爐內的功率并未因電流的增加而增大，反而線路的電耗增大，效率降低。在熔煉時，將某一熔煉過程中最有利的調節電流作為電弧電流的額定值，再用自適應控制來調整相關參數。
具體方法如下：當系統開始運行時，首先是點弧程序。其控制思路是：合高壓開關，冶煉開始，三相電極自動下降，在任一相電極接觸到導電爐料時，該相電極自動停止下降，直至另一電極起弧后第一相電極自動起弧，這時系統自動轉入熔煉程序，點弧程序結束。把電弧爐電流值的大小分為5個控制區，如圖1所示。

橫坐標表示電弧電流值，縱坐標表示PLC的輸出控制信號(-10～10 V)，在工區電弧電流遠遠小于弧流額定值，PLC輸出的控制電壓為Umin，電極以最大的設定速度下降，該區也稱為下降飽和速度區。在Ⅱ區電弧電流小于弧流額定值，電極以速度線性減小下降，改變該區的寬度就可以改變直線的斜率，也就調節了靈敏度，該區也稱為電極下降速度調節區。在Ⅲ區電弧電流等于或近似等于弧流額定值，PLC輸出的控制電壓為0，電極保持靜止不動，該區也稱為非調節區或死區。在Ⅳ區電弧電流大于弧流額定值，電極以速度線性增加上升，改變該區的寬度就可以改變直線的斜率，也就調節了靈敏度，該區也稱為電極上升速度調節區。在V區電弧電流遠遠大于弧流額定值，PLC輸出的控制電壓為Umax，電極以最大的設定速度上升，該區也稱為上升飽和速度區。在非調節區與相鄰兩區的邊界點，PLC輸出的控制電壓為±Up，Up為液壓伺服閥功率放大板的輸入門檻電壓值，0～Up的電壓不能使液壓閥有任何動作。
在上述調節期間如果出現弧光竄動、電流振蕩，甚至短路或斷弧時，再按照一定的程序去調整死區寬度，調整靈敏度和飽和臨界值，這樣反復幾次，直到最佳參數為止。
對輸入PLC的信號進行處理后，輸出可調的速度控制信號以控制電極動作，使每相電極都能依據流過自身的電流而以相應的速度上升、下降或停止，在保證系統穩定性的同時，又提高了系統的快速性，使電爐的冶煉電流始終處于最佳狀態。