真空自耗電弧爐控制系統的集散控制方案設計及實現

摘 要：通過集散控制方案在真空自耗電弧爐上的應用，同時運用先進的西門子工業網絡通信技術和西門子可編程控制器、直流調速器結合現場變送器實現了真空自耗電弧爐整個生產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、現場監控、報警顯示功能。

關鍵詞：集散控制；可編程控制器；工業網絡；通信技術；真空自耗電弧爐

前言

隨著鈦及鈦合金在國防、航空、核設施、能源、化工等高精尖領域的廣泛應用，國內外用戶對鈦產品生產的質量跟蹤、實時監控、生產工藝現場控制、設備安全聯鎖等提出了更高的要求，這也是電弧爐電氣自動控制的發展方向。

傳統繼電控制系統穩定性差、可靠性降低，系統控制方式落后，控制精度低等問題，落后的控制方式使鑄錠生產處于熔化不均勻，表面質量較差等低性能高成本運行狀態，對生產管理、工藝質量和設備安全運行產生不利的影響。

隨著計算機可靠性不斷提高以及電氣自動控制水平的發展，集散控制系統彌補了傳統的集中式控制系統的缺陷，實現了控制室與集散控制站或PLC之間的網絡通訊，實現系統監控的實時性，并且大量的減少了控制室與現場之間的電纜數目、設備故障率低。因此，通過運用集散式控制方案、采用自動控制的先進技術解決了真空自耗電弧爐目前存在的工藝和設備方面的問題，提高了鈦鑄錠產品的質量和生產的水平。

1 電控系統控制要點

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；還包括真空系統、冷卻水系統、液壓系統、氣壓系統、電源部分及其以上系統的電氣控制系統。

2 電控系統構成

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

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

3 電控系統設計

根據集散控制模式（DCS），采用上位計算機、可編程控制器（PLC）、伺服電機、直流調速器等組成。電控系統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、工藝參數等功能。設有水、氣、壓力、電壓、電流、真空度的異常報警及必要的聯鎖保護功能。一旦熔煉開始，所有的相關熔化及設定數據都在屏幕上顯示出來，激活的圖形顯示熔煉進展情況，并顯示相關參數數據。與此同時，每10秒將所得到的工藝數據在硬盤上記錄一次。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，熔煉工藝有關開始階段，熔化階段，熱補縮階段的細節。眉頁寫有熔煉循環有關數據參數和大小的信息。每一頁打印出的熔煉報告頂部都重復寫有這樣的眉頁。在打印出的熔煉報告上將出現的所要求的參數。

4 電氣系統

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

5 下位控制器控制程序

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

6 安全報警系統

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，并設有泄爆通道。設備在熔煉過程中一旦出現水壓、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、真空達到跳閘設定值時，電源跳閘，停止熔煉。

7 觀察攝像系統

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的熔煉情況及電弧的穩定情況。采用工業專用攝像機并設有信號屏蔽處理系統，以獲得穩定的圖像。

8 電子稱重系統

稱重系統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：具有導向系統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；設計系統時使摩擦力成為系統的內力，減少電極輸送系統中的摩擦力的影響；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，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，接收調制信號，以避免噪聲和零點漂移問題。

9 控制關鍵技術

電極桿在熔煉控制中的兩套控制參數。電極桿運動由調速器提供直流手動與直流自動兩套控制參數。當采用直流手動時依據下位機來控制調速器的給定值，直流手動時由于電極桿需要快速啟停，所以調速器的啟動與制動時間需要設置比較小；當采用直流自動時依據弧壓實際值通過下位機的PID調節器來輸出調速器的給定值，來達到控制電機轉速的目的。在調速器中直流手動與直流自動的參數切換由下位機控制。

10 結束語

通過集散控制模式在真空自耗電弧爐上的應用，運用先進的西門子工業網絡通信技術和西門子可編程控制器、直流調速器結合現場高性能變送器實現了真空自耗電弧爐整個生產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、現場監控、報警顯示功能。

參考文獻

[1]廖常出.S7-300/400PLC應用技術[M].機械工業出版社，2005.

[2]張繼玉.真空電爐[M].冶金工業出版社，1993.