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控制器及其控制方法。

背景技術(shù)：

隨著科技水平、經(jīng)濟一體化進程的快速發(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。

目前國際中檔甚至部分高檔特種合金材料市場為我國企業(yè)占領(lǐng)，國內(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。早期是靠人工觀測三相電極的電流等參數(shù)來手動調(diào)節(jié)電極的升降，人工操作頻繁，勞動強度很大，很難維持電弧爐穩(wěn)定運行來保證產(chǎn)品質(zhì)量，同時電弧爐運行的波動也給環(huán)境造成污染。在電弧爐采用自動調(diào)節(jié)控制時，由于電弧爐運行過程中會產(chǎn)生高次諧波及強電磁場，以及爐料的融化與塌陷變化使電極電流波動幅度大、速度快，對電爐電壓、電流的監(jiān)測與控制造成強大的干擾。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、運行性能穩(wěn)定和可靠的電弧爐控制器是大勢所趨。

技術(shù)實現(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，響應(yīng)速度快，運行穩(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)明是這樣實現(xiàn)的。

一種三相電弧爐自動控制器，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、信號隔離器、第一外圍設(shè)備、第二外圍設(shè)備、遠程計算機系統(tǒng)及人機界面觸摸屏；所述CPU處理器信號傳輸端口分別與隔離繼電器、信號隔離器、遠程計算機系統(tǒng)及人機界面觸摸屏端口相接；所述隔離繼電器的信號傳輸端口與第一外圍設(shè)備的信號傳輸端口相接；所述信號隔離器的信號傳輸端口與第二外圍設(shè)備的信號傳輸端口相接；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；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。

進一步地，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)上傳至遠端監(jiān)控計算機。

上述三相電弧爐自動控制器的控制方法，其特征在于：按如下步驟實施：

a、系統(tǒng)初始化；

b、進行數(shù)據(jù)采集；

c、數(shù)據(jù)處理及分析；

d、報警判斷處理；

e、自動控制；

f、若是，求測量值與設(shè)定值偏差并經(jīng)多參數(shù)、多變量模糊控制運算；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)。

進一步地，本發(fā)明所述步驟b中，可對采集數(shù)據(jù)進行多種濾波處理，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)隊列；

e₁、是否到采樣時間判斷；

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

g₁、隊列數(shù)據(jù)按大小排序；

h₁、濾波處理；

i₁、數(shù)據(jù)修正；

j₁、獲取當前數(shù)據(jù)；

k₁、將測量數(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)控制模型計算；

l₁、計算結(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。

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，通過判斷實際測量值與設(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與閾值判斷相結(jié)合的控制方式，避免了對電極上下運動的反復(fù)頻繁操作，延長了設(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)生強電磁干擾，原始測量數(shù)據(jù)波動幅度大、速度快，控制方法上對每個采集參數(shù)都建立了數(shù)據(jù)緩存區(qū)域，將毫秒級的數(shù)據(jù)依次存入緩存表格，在采樣周期到時，對緩存區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)進行排序，然后取出中間的7個數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)，再進行限幅和遞推加權(quán)均值處理，最后再與上一次數(shù)據(jù)進行一階滯后濾波修正。

3、具有多種連鎖功能，如電極在運動中達到運動區(qū)域的上限或下限時，控制器發(fā)出報警信息，同時限制電極的超限方向運動，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、位置等運行狀態(tài)。

5、具有友好的人機交互界面，可通過點擊觸摸屏上的切換按鈕，方便選擇電極控制方式在手動控制模式與自動控制模式間切換，在手動控制模式下，在手動操作畫面中可通過觸摸虛擬操作桿對電極的上下運動進行控制，而在自動控制模式下，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)要求來自動控制電極的上、下運動，來滿足電弧爐運行指標要求，同時采用不同等級的保護密碼對控制參數(shù)的修改項進行保護，避免非授權(quán)人員的誤操作。

6、具有多級別、多形式的報警和保護功能，能對某些重要的控制參數(shù)超限情況給出就地聲光報警，并可將報警信息遠傳給調(diào)度計算機，對那些超極限報警，能進行必要的應(yīng)急和保護處理。

7、具有計算機組網(wǎng)功能，可通過控制器的以太網(wǎng)（TCP/IP）接口或PROFIBUS接口與遠端監(jiān)控計算機相連，遠程監(jiān)控計算機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)存儲與查詢功能，在一臺計算機上可同時監(jiān)控多臺控制器，同樣，在多臺計算機上可監(jiān)視同一臺控制器，支持多臺控制器與多臺計算機組成網(wǎng)絡(luò)。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步說明。本發(fā)明的保護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。

具體實施方式

如圖1所示，三相電弧爐自動控制器，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、信號隔離器、第一外圍設(shè)備、第二外圍設(shè)備、遠程計算機系統(tǒng)及人機界面觸摸屏；所述CPU處理器信號傳輸端口分別與隔離繼電器、信號隔離器、遠程計算機系統(tǒng)及人機界面觸摸屏端口相接；所述隔離繼電器的信號傳輸端口與第一外圍設(shè)備的信號傳輸端口相接；所述信號隔離器的信號傳輸端口與第二外圍設(shè)備的信號傳輸端口相接；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；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。

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)上傳至遠端監(jiān)控計算機。

參見圖3所示，上述三相電弧爐自動控制器的控制方法，可按如下步驟實施：

a、系統(tǒng)初始化；

b、進行數(shù)據(jù)采集；

c、數(shù)據(jù)處理及分析；

d、報警判斷處理；

e、自動控制；

f、若是，求測量值與設(shè)定值偏差并經(jīng)多參數(shù)、多變量模糊控制運算；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)生的強電磁干擾，提高測量參數(shù)的準確性和穩(wěn)定性，本發(fā)明在控制方法上對采集數(shù)據(jù)進行了多種濾波處理。

本發(fā)明所述步驟b中，對采集數(shù)據(jù)進行多種濾波處理，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)隊列；

e₁、是否到采樣時間判斷；

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

g₁、隊列數(shù)據(jù)按大小排序；

h₁、濾波處理；

i₁、數(shù)據(jù)修正；

j₁、獲取當前數(shù)據(jù)；

k₁、將測量數(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)控制模型計算；

l₁、計算結(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)及電弧爐運行狀態(tài)，在自動控制方式與手動控制方式間切換，手動操作畫面，提供報警及密碼保護功能；所述TCP/IP或PROFIBUS接口可將所有監(jiān)控參數(shù)上傳至遠端監(jiān)控計算機；第二電源模塊為現(xiàn)場變送器提供電源。

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)計的電路原理圖。

在三相電弧爐控制器實際應(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隔離器相接。而對于安裝在電極運動區(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。對于電極上下運動的控制，本三相電弧爐控制器給出了開關(guān)量與模擬量兩種輸出方式，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)當理解，仍然可以對本發(fā)明進行修改或等同替換，以達到相同的技術(shù)效果；只要滿足使用需要，都在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。