真空自耗電弧爐工藝配方輔助制作系統

史繼強　付寒芳　楊君

摘 要：真空自耗電弧爐是在真空環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域中應用非常廣泛。自二十世紀四十年代出現后，其設備自動化水平提高一直是業界關注的重點。文章提出一種在真空自耗電弧爐人機界面系統里開發加入工藝曲線自動制作功能，實現方便靈活的工藝設定曲線自動生成。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。

關鍵詞：真空自耗電弧爐；工藝曲線輔助制作；Intouch腳本

1 概述

現代化的真空自耗電弧爐控制系統大致經歷了人工觀察，手動操縱控制；分立元件模擬電路板與繼電系統自動控制；儀表與繼電系統自動化控制；小型單機PLC集中控制；使用現場總線的大型PLC與工控機配合的集中控制分散執行等幾個主要階段。近年來工業自動化控制技術進步，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廣泛的應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。

真空自耗電弧爐是多控制對象變量的大型設備。熔煉過程工藝配方包含大量參數設定，其主要控制對象為熔煉電壓和熔煉速度、穩弧磁場強度和冷卻水溫等。制定工藝參數廣泛使用的是基于模型預測控制（MPC）技術的過程控制方案。其控制基礎包括原料物化反應的熱量平衡計算、并參考各主要控制參數之間的耦合關系，一個參數的改變往往帶動幾個參數隨之改變。目前真空自耗電弧爐的熔煉工藝模型已基本成熟，工藝技術人員在計算編制工藝曲線時，根據現場使用的材料性能指標和設備裝置規格型號，在模型規則中轉化為可量化的數據，代入到參數計算模型中。計算結果并逐一錄入到人機界面的工藝設置存儲區域內。一條完整的工藝曲線通常包括近200個參數計算和錄入，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人機界面的工藝配方管理功能中。而且如果關鍵性的原料和設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。在現有人工編制的環境下，計算、校對、錄入，效率低、出錯率高。對有設備、有生產需要，但又缺乏工藝配方編制能力的小企業尤為明顯。

文章介紹的工藝配方輔助制作系統是指使用設備人機界面開發軟件中程序腳本功能，按照工藝工程師的計算模型，以函數語句的形式搭建出來。實現在運行環境下，根據需要輸入原料電極和坩堝模具等基本資料數據，人機界面就可以自動的生成工藝參數并錄入添加到工藝配方管理功能中。當外部條件改變，需要修改工藝參數時，只需要將錄入的基本信息參數做更改，然后再次使用工藝參數自動生成功能，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實現需要硬件和軟件，在這里使用的是設備原有的工控上位機和HMI人機界面開發環境，目前真空電弧爐常用的HMI界面制作使用的是美國Wonderware公司開發的intouch系列軟件。它是強大完備的設備控制人機界面開發工具，能方便快捷的制作出與設備運行控制相關的操作、設備運行狀態顯示及報警指示、過程數據歷史記錄等功能，內部還包含了強大的函數計算及邏輯處理功能。支持與SQL SERVER的數據管理連接。其中腳本功能是結構化的面向對象的高級編程工具。其語法結構類似于VB和C語言，但不能獨立生成單獨的執行文件，只能依附于控制系統內存在，并被控制系統調用執行。

國產真空自耗電弧爐控制系統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系。熔煉基本信息作為產品信息儲存在上位機內以備以后查詢，但對生產工藝和設備操作沒有實質作用。工藝配方管理界面中需要由工藝工程師計算出結果后人工錄入每一個工藝參數，需要較長時間。文章提出的工藝配方輔助制作系統就是使用人機界面開發軟件中的函數條件腳本功能，將這兩者建立起函數映射的關系，工藝技術工程師給出由工藝模型，由電氣工程師轉化為符合系統格式的可執行的語言腳本如圖1所示。當人機界面運行狀態時進入基本信息錄入界面根據要求輸入全部原材料和設備模具等信息，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定值，由此完成了工藝配方輔助制作系統。

2 結束語

真空自耗電弧爐的工藝配方輔助制作系統就是利用了人機界面開發軟件中靈活方便的函數腳本功能將原來需要工藝技術人員分析判斷、手工計算、逐項填寫并需反復核查的復雜人工執行的處理過程轉化為可任意編輯快速執行的函數計算程序，使工藝配方的管理工作更簡便更準確。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測控制（MPC）技術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的進展[J].冶金自動化.

[2]Wonderware公司.Intouch中文教程[Z].