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(jìn)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(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)、可編程控制器（PLC）、伺服電機(jī)、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(jī)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(hù)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(jìn)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(xì)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(dá)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(dá)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(jī)從爐蓋上對稱的兩個觀察孔分別對坩堝中的電弧進(jìn)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(jī)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(dá)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(jī)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(jī)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??；當(dāng)采用直流自動時依據(jù)弧壓實際值通過下位機(jī)的PID調(diào)節(jié)器來輸出調(diào)速器的給定值，來達(dá)到控制電機(jī)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(jī)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(jìn)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(xiàn)

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