真空自耗電弧爐控制系統(tǒng)的集散控制方案設(shè)計及實現(xiàn)

摘 要：通過集散控制方案在真空自耗電弧爐上的應(yīng)用，同時運用先進的西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和西門子可編程控制器、直流調(diào)速器結(jié)合現(xiàn)場變送器實現(xiàn)了真空自耗電弧爐整個生產(chǎn)過程中的自動化控制，使用西門子上位軟件完成自動化工藝管理、現(xiàn)場監(jiān)控、報警顯示功能。

關(guān)鍵詞：集散控制；可編程控制器；工業(yè)網(wǎng)絡(luò)；通信技術(shù)；真空自耗電弧爐

前言

隨著鈦及鈦合金在國防、航空、核設(shè)施、能源、化工等高精尖領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外用戶對鈦產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量跟蹤、實時監(jiān)控、生產(chǎn)工藝現(xiàn)場控制、設(shè)備安全聯(lián)鎖等提出了更高的要求，這也是電弧爐電氣自動控制的發(fā)展方向。

傳統(tǒng)繼電控制系統(tǒng)穩(wěn)定性差、可靠性降低，系統(tǒng)控制方式落后，控制精度低等問題，落后的控制方式使鑄錠生產(chǎn)處于熔化不均勻，表面質(zhì)量較差等低性能高成本運行狀態(tài)，對生產(chǎn)管理、工藝質(zhì)量和設(shè)備安全運行產(chǎn)生不利的影響。

隨著計算機可靠性不斷提高以及電氣自動控制水平的發(fā)展，集散控制系統(tǒng)彌補了傳統(tǒng)的集中式控制系統(tǒng)的缺陷，實現(xiàn)了控制室與集散控制站或PLC之間的網(wǎng)絡(luò)通訊，實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控的實時性，并且大量的減少了控制室與現(xiàn)場之間的電纜數(shù)目、設(shè)備故障率低。因此，通過運用集散式控制方案、采用自動控制的先進技術(shù)解決了真空自耗電弧爐目前存在的工藝和設(shè)備方面的問題，提高了鈦鑄錠產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)的水平。

1 電控系統(tǒng)控制要點

真空自耗電弧爐的主要組成包括：由爐體、坩堝、電極桿及傳動裝置組成的機械系統(tǒng)；還包括真空系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)、電源部分及其以上系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)。

2 電控系統(tǒng)構(gòu)成

真空自耗電弧爐電氣控制系統(tǒng)由計算機控制系統(tǒng)、電氣設(shè)備、儀器傳感器等三個部分組成。系統(tǒng)采用集散控制方案設(shè)計，包括西門子S7300可編程控制系統(tǒng)，循環(huán)冷卻水控制系統(tǒng)，皮拉尼電阻真空傳感器，電子稱重系統(tǒng)，伺服控制系統(tǒng)，直流調(diào)速系統(tǒng)，攝像監(jiān)控系統(tǒng)，計算機控制系統(tǒng)。

下位控制器采用西門子S7-300控制系統(tǒng)。采用主從現(xiàn)場總線的工作方式，包括CPU中央處理器，24V直流開關(guān)電源、輸入輸出模塊，ET200總線模塊。

3 電控系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)集散控制模式（DCS），采用上位計算機、可編程控制器（PLC）、伺服電機、直流調(diào)速器等組成。電控系統(tǒng)用于控制整個工作過程，熔煉過程可采用計算機自動控制，具有自動引弧，自動補縮、弧壓自動跟蹤、自動開停真空泵組、自動檢測、記錄、工藝參數(shù)等功能。設(shè)有水、氣、壓力、電壓、電流、真空度的異常報警及必要的聯(lián)鎖保護功能。一旦熔煉開始，所有的相關(guān)熔化及設(shè)定數(shù)據(jù)都在屏幕上顯示出來，激活的圖形顯示熔煉進展情況，并顯示相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)。與此同時，每10秒將所得到的工藝數(shù)據(jù)在硬盤上記錄一次。每次熔煉打印的報告包括鑄錠編號，工藝號，表頭，以及開始對話信息，熔煉工藝有關(guān)開始階段，熔化階段，熱補縮階段的細節(jié)。眉頁寫有熔煉循環(huán)有關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)和大小的信息。每一頁打印出的熔煉報告頂部都重復(fù)寫有這樣的眉頁。在打印出的熔煉報告上將出現(xiàn)的所要求的參數(shù)。

4 電氣系統(tǒng)

分為三個部分：（1）電極桿自動與手動控制系統(tǒng)。（2）冷卻水系統(tǒng)。（3） Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)通信。

5 下位控制器控制程序

控制系統(tǒng)采用西門子S7 V5.4編程軟件編寫所有的控制程序，實現(xiàn)了系統(tǒng)的邏輯連鎖、冷卻水系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、電源系統(tǒng)的連鎖、整個自動運行過程的自動完成。

6 安全報警系統(tǒng)

由于真空電弧熔煉有潛在的爆炸危險，因此爐子主體必須置于防爆墻包圍之中，并設(shè)有泄爆通道。設(shè)備在熔煉過程中一旦出現(xiàn)水壓、流量降低到一定值、水溫過高以及真空突降、壓縮空氣壓力達不到要求等任一情況，先報警提示；如果水壓、流量、水溫、真空達到跳閘設(shè)定值時，電源跳閘，停止熔煉。

7 觀察攝像系統(tǒng)

采用彩色攝像機從爐蓋上對稱的兩個觀察孔分別對坩堝中的電弧進行觀察，并把兩個半弧圖像合成一個完整的畫面，以方便操作人員掌握爐內(nèi)的熔煉情況及電弧的穩(wěn)定情況。采用工業(yè)專用攝像機并設(shè)有信號屏蔽處理系統(tǒng)，以獲得穩(wěn)定的圖像。

8 電子稱重系統(tǒng)

稱重系統(tǒng)是精確計算熔化速率所不可缺少的工具。為了達到所需要的精度，必須使稱重系統(tǒng)以最大可能的靈敏度反映機械和電器指令。因此采取了下述措施：具有導(dǎo)向系統(tǒng)的精確的水平向稱重平臺，即浮動架，這個平臺只處理水平力，而剩下的垂直力由稱載部件測量；設(shè)計系統(tǒng)時使摩擦力成為系統(tǒng)的內(nèi)力，減少電極輸送系統(tǒng)中的摩擦力的影響；使用了高精度，溫度補償，電屏蔽稱載部件；使用高精度電測量系統(tǒng)，具有1，000，000分辨率的信號處理元件快速計算熔化速率；使用載波頻率向稱載部件輸送信號，接收調(diào)制信號，以避免噪聲和零點漂移問題。

9 控制關(guān)鍵技術(shù)

電極桿在熔煉控制中的兩套控制參數(shù)。電極桿運動由調(diào)速器提供直流手動與直流自動兩套控制參數(shù)。當(dāng)采用直流手動時依據(jù)下位機來控制調(diào)速器的給定值，直流手動時由于電極桿需要快速啟停，所以調(diào)速器的啟動與制動時間需要設(shè)置比較?。划?dāng)采用直流自動時依據(jù)弧壓實際值通過下位機的PID調(diào)節(jié)器來輸出調(diào)速器的給定值，來達到控制電機轉(zhuǎn)速的目的。在調(diào)速器中直流手動與直流自動的參數(shù)切換由下位機控制。

10 結(jié)束語

通過集散控制模式在真空自耗電弧爐上的應(yīng)用，運用先進的西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和西門子可編程控制器、直流調(diào)速器結(jié)合現(xiàn)場高性能變送器實現(xiàn)了真空自耗電弧爐整個生產(chǎn)過程中的自動化控制，使用西門子上位軟件完成自動化工藝管理、現(xiàn)場監(jiān)控、報警顯示功能。

參考文獻

[1]廖常出.S7-300/400PLC應(yīng)用技術(shù)[M].機械工業(yè)出版社，2005.

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