真空自耗電弧爐工藝配方輔助制作系統(tǒng)

史繼強　付寒芳　楊君

摘 要：真空自耗電弧爐是在真空環(huán)境中利用電弧作為熱源熔煉金屬的一種電爐，主要用于熔煉難熔金屬及稀有金屬，尤其是在鈦及鈦合金熔煉領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛。自二十世紀四十年代出現(xiàn)后，其設(shè)備自動化水平提高一直是業(yè)界關(guān)注的重點。文章提出一種在真空自耗電弧爐人機界面系統(tǒng)里開發(fā)加入工藝曲線自動制作功能，實現(xiàn)方便靈活的工藝設(shè)定曲線自動生成。達到提高工藝制作、錄入效率，降低人力成本和錯誤率的目的。

關(guān)鍵詞：真空自耗電弧爐；工藝曲線輔助制作；Intouch腳本

1 概述

現(xiàn)代化的真空自耗電弧爐控制系統(tǒng)大致經(jīng)歷了人工觀察，手動操縱控制；分立元件模擬電路板與繼電系統(tǒng)自動控制；儀表與繼電系統(tǒng)自動化控制；小型單機PLC集中控制；使用現(xiàn)場總線的大型PLC與工控機配合的集中控制分散執(zhí)行等幾個主要階段。近年來工業(yè)自動化控制技術(shù)進步，大型高性能的PLC集散化控制與高效清晰的人機界面控制已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于真空自耗電弧爐的自動化控制中。人機界面豐富的功能支持和強大的計算能力為提高自動控制水平提供了基礎(chǔ)。

真空自耗電弧爐是多控制對象變量的大型設(shè)備。熔煉過程工藝配方包含大量參數(shù)設(shè)定，其主要控制對象為熔煉電壓和熔煉速度、穩(wěn)弧磁場強度和冷卻水溫等。制定工藝參數(shù)廣泛使用的是基于模型預(yù)測控制（MPC）技術(shù)的過程控制方案。其控制基礎(chǔ)包括原料物化反應(yīng)的熱量平衡計算、并參考各主要控制參數(shù)之間的耦合關(guān)系，一個參數(shù)的改變往往帶動幾個參數(shù)隨之改變。目前真空自耗電弧爐的熔煉工藝模型已基本成熟，工藝技術(shù)人員在計算編制工藝曲線時，根據(jù)現(xiàn)場使用的材料性能指標(biāo)和設(shè)備裝置規(guī)格型號，在模型規(guī)則中轉(zhuǎn)化為可量化的數(shù)據(jù)，代入到參數(shù)計算模型中。計算結(jié)果并逐一錄入到人機界面的工藝設(shè)置存儲區(qū)域內(nèi)。一條完整的工藝曲線通常包括近200個參數(shù)計算和錄入，而一般常用工藝曲線也會有十幾條，這樣一臺設(shè)備在正常使用前需花費大量的人力和時間成本將工藝曲線錄入到控制系統(tǒng)人機界面的工藝配方管理功能中。而且如果關(guān)鍵性的原料和設(shè)備因素有所變化的話，就需要修改工藝曲線，這樣就又需要全部重新計算錄入。在現(xiàn)有人工編制的環(huán)境下，計算、校對、錄入，效率低、出錯率高。對有設(shè)備、有生產(chǎn)需要，但又缺乏工藝配方編制能力的小企業(yè)尤為明顯。

文章介紹的工藝配方輔助制作系統(tǒng)是指使用設(shè)備人機界面開發(fā)軟件中程序腳本功能，按照工藝工程師的計算模型，以函數(shù)語句的形式搭建出來。實現(xiàn)在運行環(huán)境下，根據(jù)需要輸入原料電極和坩堝模具等基本資料數(shù)據(jù)，人機界面就可以自動的生成工藝參數(shù)并錄入添加到工藝配方管理功能中。當(dāng)外部條件改變，需要修改工藝參數(shù)時，只需要將錄入的基本信息參數(shù)做更改，然后再次使用工藝參數(shù)自動生成功能，即可方便快速的生成所需的新配方。

真空自耗電弧爐工藝輔助系統(tǒng)實現(xiàn)需要硬件和軟件，在這里使用的是設(shè)備原有的工控上位機和HMI人機界面開發(fā)環(huán)境，目前真空電弧爐常用的HMI界面制作使用的是美國Wonderware公司開發(fā)的intouch系列軟件。它是強大完備的設(shè)備控制人機界面開發(fā)工具，能方便快捷的制作出與設(shè)備運行控制相關(guān)的操作、設(shè)備運行狀態(tài)顯示及報警指示、過程數(shù)據(jù)歷史記錄等功能，內(nèi)部還包含了強大的函數(shù)計算及邏輯處理功能。支持與SQL SERVER的數(shù)據(jù)管理連接。其中腳本功能是結(jié)構(gòu)化的面向?qū)ο蟮母呒壘幊坦ぞ?。其語法結(jié)構(gòu)類似于VB和C語言，但不能獨立生成單獨的執(zhí)行文件，只能依附于控制系統(tǒng)內(nèi)存在，并被控制系統(tǒng)調(diào)用執(zhí)行。

國產(chǎn)真空自耗電弧爐控制系統(tǒng)中包含熔煉基本信息錄入和工藝配方管理功能，以往這兩項功能分別獨立運行沒有直接聯(lián)系。熔煉基本信息作為產(chǎn)品信息儲存在上位機內(nèi)以備以后查詢，但對生產(chǎn)工藝和設(shè)備操作沒有實質(zhì)作用。工藝配方管理界面中需要由工藝工程師計算出結(jié)果后人工錄入每一個工藝參數(shù)，需要較長時間。文章提出的工藝配方輔助制作系統(tǒng)就是使用人機界面開發(fā)軟件中的函數(shù)條件腳本功能，將這兩者建立起函數(shù)映射的關(guān)系，工藝技術(shù)工程師給出由工藝模型，由電氣工程師轉(zhuǎn)化為符合系統(tǒng)格式的可執(zhí)行的語言腳本如圖1所示。當(dāng)人機界面運行狀態(tài)時進入基本信息錄入界面根據(jù)要求輸入全部原材料和設(shè)備模具等信息，這些信息以變量的形式儲存在人機界面的標(biāo)記名字典庫中。點擊“工藝生成”按鈕時，條件腳本功能就開始執(zhí)行，計算各個變量并傳遞給工藝配方管理功能中的工藝要素設(shè)定值，由此完成了工藝配方輔助制作系統(tǒng)。

2 結(jié)束語

真空自耗電弧爐的工藝配方輔助制作系統(tǒng)就是利用了人機界面開發(fā)軟件中靈活方便的函數(shù)腳本功能將原來需要工藝技術(shù)人員分析判斷、手工計算、逐項填寫并需反復(fù)核查的復(fù)雜人工執(zhí)行的處理過程轉(zhuǎn)化為可任意編輯快速執(zhí)行的函數(shù)計算程序，使工藝配方的管理工作更簡便更準(zhǔn)確。此方法還可用于其它使用Intouch作為上位控制機的基于模型預(yù)測控制（MPC）技術(shù)的過程控制方案的工藝配方輔助生成和管理。

參考文獻

[1]孫浩，涂序彥，薛興昌.真空冶金過程自動控制技術(shù)的進展[J].冶金自動化.

[2]Wonderware公司.Intouch中文教程[Z].