大功率電弧爐的溫度自動控制系統(tǒng)研究

王浩辰 冀錫明

（天津鋼管集團股份有限公司，天津 300301）

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大功率電弧爐的溫度自動控制系統(tǒng)研究

王浩辰 冀錫明

（天津鋼管集團股份有限公司，天津 300301）

摘 要：本文根據大型電弧爐工作的特點，提出一種大功率電弧爐的溫度自動控制系統(tǒng)的設計方法。首先分析大功率電弧爐溫度自動控制系統(tǒng)結構及原理，然后對溫度自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)的方法進行了詳細闡述。

關鍵詞：大功率 電弧爐 溫度控制 系統(tǒng)

引言

在大功率電弧爐中，爐溫的控制是影響熔煉質量的關鍵因素［1］。通常情況下，可以將電弧爐的熔煉過程看作一個整體。對于中、小功率的電弧爐來說，對熔煉過程中的溫度進行簡單的回路控制，就能滿足熔煉生產的要求。但是，對于大功率的電弧爐來說，由于其生產工藝更復雜，因此簡單的溫度控制難以滿足其熔煉生產的要求［2］。如何對大功率電弧爐的爐溫進行自動控制，已經成為當前冶煉領域中的一個研究熱點，受到越來越多人們的關注。但是，由于大功率電弧爐的熔煉生產過程具有復雜化和非線性的特點，因此參數的波動范圍較大，難以構建準確的目標函數進行溫度控制，從而降低了溫度控制的準確性。為此，本文提出了一種基于大功率電弧爐的溫度自動控制系統(tǒng)的設計方法。

1 溫度自動控制系統(tǒng)的結構及原理

1.1 大功率電弧爐溫度自動控制系統(tǒng)結構

大功率電弧爐的溫度自動控制系統(tǒng)主要通過控制電極調節(jié)器實現(xiàn)爐溫的自動控制。根據熔煉生產的工藝要求，執(zhí)行電極調節(jié)器閉合的動作。系統(tǒng)的主要模塊包括設置模塊、數據處理模塊、中心處理器模塊和其他輔助功能模塊。

各模塊的主要功能：

（1）設置模塊：設置用戶權限、PID控制參數和Smith預估器參數；

（2）數據處理模塊：對采集的溫度數據進行預處理和儲存，并提供歷史數據的查詢功能；

（3）中心處理器模塊：對溫度控制偏差進行處理、控制偏差范圍、對Smith預估器的參數和溫度的輸出量進行控制；

（4）輔助模塊：對溫度的歷史輸出數據進行記錄、提供超溫/低溫報警功能，同時具有系統(tǒng)自檢、故障診斷等功能。

1.2 溫度自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)的原理

在大功率電弧爐的溫度自動控制系統(tǒng)中，控制通道是相互獨立的。由于電弧爐中的溫度非常高，因此采用非接觸式的紅外線溫度檢測儀器對電弧爐內的溫度進行檢測。利用0～5V對溫度檢測結果進行線性轉換后，再利用A/D轉換器將溫度檢測結果轉換為計算機能夠識別的數字信號。將溫度的數字信號輸入溫度自動控制系統(tǒng)，系統(tǒng)首先對溫度信號進行濾波處理，消除干擾信號，得到準確的溫度信號，然后再根據電弧爐的熔煉工藝要求建立一個溫度控制模型，并將溫度檢測值與預設值進行對比，根據檢測值與預設值之間的信號偏差產生4～20mA的電流信號對電極調節(jié)器進行控制。通過改變電極電弧的大小，最終實現(xiàn)大功率電弧爐中溫度的準確控制。

2 大功率電弧爐溫度自動控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

在大功率電弧爐溫度自動控制系統(tǒng)中，對采集的溫度數據進行濾波處理、對控制偏差進行Smith預估補償和PID控制算法是核心部分。

2.1 濾波處理

在系統(tǒng)的輸出控制通道內，經常會存在來自電弧爐其他結構的電磁干擾，從而降低了采集溫度的準確度。因此，需要對采集到的溫度數據進行濾波處理，以消除干擾噪聲。對于周期性的干擾噪聲，利用雙積分A/D轉換電路消除干擾信號；對于非周期干擾信號，利用數字濾波的方法進行干擾信號的消除。具體方法為：連續(xù)采集7個溫度信號X（i=1～7），刪除其中的最大值Xmax和Xmin，然后取剩余的5個溫度信號數據的平均值，即

其中，X為此次采樣的溫度值。這樣就消除了干擾信號。

2.2 控制偏差的估計與補償

由于大功率電弧爐中的加熱方式采用的是電極產生的電弧進行加熱，而電弧爐內的空間較大，因此溫度的控制過程具有較強的遲滯性。為了降低遲滯性對溫度控制造成的影響，需要在溫度控制環(huán)節(jié)中引入Smith估計器，將遲滯的時間τd的變化量提前反映到偏差信號中，并通過調節(jié)量U對偏差信號進行補償。

偏差調節(jié)量U與傳遞到調節(jié)器中信號Y′之間的傳遞函數為：

Smith偏差估計器的傳遞函數為：

通過對溫度控制偏差進行補償，能夠降低系統(tǒng)的超調量，從而提高溫度控制的精確度。

2.3 PID控制算法

在大功率電弧爐中，爐內的溫度經常需要保持在某個固定值。但是，隨著爐料或者其他條件的變化，

爐內的溫度可能需要進行調整。因此，PID控制算法主要處理爐內的溫度調節(jié)。為了實現(xiàn)快速調節(jié)的要求，采用比例控制以減少控制偏差。同時，利用積分環(huán)節(jié)降低系統(tǒng)的殘差，提高控制的準確性。由于系統(tǒng)中存在較強的遲滯性，因此利用Smith估計器對控制偏差進行補償。此外，為了避免出現(xiàn)積分飽和的情況，需要對控制的輸出量U進行限制。當輸出量超過Umax時，則令U= Umax；當輸出量小于Umin時，則令U= Umin。

3 結束語

利用本文提出的大功率電弧爐的溫度自動控制系統(tǒng)，能夠提高爐內溫度控制準確性，對提高電弧爐的生產效率和產品質量具有重要的應用價值。

參考文獻

［1］何文杰，徐麗萍，朱強化.電弧爐控制系統(tǒng)設計［J］.信息通信，2015，（4）：77-79.

［2］王長成.中頻感應電爐溫度控制系統(tǒng)設計［J］.鑄造技術，2014，（7）：1571-1572.

Research on Automatic Temperature Control System of High Power Electric Arc Furnace

WANG Haochen，JI Ximing
（Tianjin Pipe Group Corporation， Tianjin 300301）

Abstract:In this paper， according to the characteristics of large arc furnace， a design method of automatic temperature control system of high power arc furnace is presented. Firstly， the structure and principle of the temperature automatic control system of high power arc furnace are analyzed， and then the method of temperature control system is described in detail.

Key words:high power， electric arc furnace， temperature control， system