電渣爐控制系統設計與優化

劉麗萍

(煙臺汽車工程職業學院 山東 煙臺 265500)

隨著機械制造工業的不斷發展,工業生產對于鋼、合金等金屬材料性能產生了更為明確的要求。電渣重熔是一種在冷水結晶器中,借助耗電極產生的焦耳熱進行重熔再造的一種方式,這種方式打破了傳統的冶煉方法,是目前應用最為廣泛的精煉手段。電渣爐作為電渣重熔的主要設備,在自動化控制發展迅速的環境下有著重要的應用,其直接影響到金屬材料電渣重熔控制效果和質量。電渣爐與其他工業加熱爐相似,在控制過程中容易出現時滯性以及溫度非線性變化的問題進而影響控制的精度。隨著一些先進的控制算法以及控制策略的出現,電渣爐的控制系統優化設計成為可能。本文設計并開發一種電渣爐控制系統,以提升電渣爐的控制精度,推動電渣重熔過程向著全自動方向發展。

1 電渣爐工作流程及原理

1.1 電渣爐工作流程

電渣爐是一種高溫冶煉設備,主要用于熔化金屬廢料和廢鋼,將其轉化為可重復利用的鐵合金和鋼材。電渣爐由爐體、爐蓋、電極、電極支架、電極升降機、傾爐裝置、噴氧系統、渣口、出鋼口、底吹除渣系統等組成[1]。

電渣爐通過電極將電能轉化為熱能,使爐內物料加熱熔化的過程。在爐內加入廢鋼等物料后,通過電極通電,使電能轉化為熱能,加熱爐內物料。同時,通過底吹除渣系統注入氧氣,使爐內產生強烈的還原性氣氛,促進廢鋼等物料中的雜質被還原和脫除[2]。爐內熔池的溫度逐漸升高,達到熔化廢鋼等物料的溫度后,通過傾爐裝置將熔池傾出,分離鋼水和渣料。電渣爐工作實況如圖1所示。

圖1 電渣爐工作實況

1.2 電渣重熔技術

電渣重熔技術是一種用電弧加熱金屬材料,使其熔化后進行分離清潔的金屬再熔化方法。該技術能夠有效地去除金屬中的雜質和氧化物,提高金屬的純度和質量。電渣重熔工藝流程通常包括以下幾個步驟:

(1)預處理:準備熔煉所需的金屬材料,并進行檢測和確認。

(2)熔煉:使用電弧進行加熱,使金屬材料熔化,并將其浸入熔融的金屬渣中,實現分離和去除雜質。

(3)凈化:通過加入還原劑或其他化學物質,消除金屬中的氧化物等雜質,提高金屬的純度。

(4)流動控制:使用特殊設備控制金屬液體的流動,以確保純凈的金屬材料分離出來。

(5)澆鑄:將純凈金屬材料倒入模具中,進行成型[3]。

整體看來,電渣重熔在液態情況下完成,不與大氣進行接觸,能夠最大限度地避免冶煉過程中空氣導致鋼液出現污染,提升鋼錠的純潔度。

2 電渣爐控制系統設計原則

(1)系統穩定性原則。穩定性是電渣爐控制系統設計的重要原則之一,系統需要具有良好的穩定性才能保證生產過程的正常運行。在設計控制系統時應充分考慮各種因素,盡可能避免系統的振蕩和不穩定問題[4]。

(2)成本效益原則。控制系統的設計要在保證系統穩定性的前提下,盡可能降低系統的成本,并提高經濟效益,同時要充分考慮系統的可靠性和性能。

(3)優化控制原則。優化控制是實現能源資源的高效利用和提高生產效率的重要手段。在控制系統設計中應考慮使用先進的控制算法和優化方法,提高能源利用率和生產效率,降低生產成本[5]。

(4)安全性原則。安全是電渣爐生產的重要保障,控制系統設計必須嚴格遵守相關的安全規范和標準,確保生產場所和設備的安全性。

(5)可靠性原則。電渣爐控制系統涉及的設備和部件需要具有高可靠性和長壽命,以確保生產過程的穩定性和連續性,同時需要定期進行保養和維護,延長設備使用壽命[6]。

(6)人性化原則。在控制系統設計中應考慮操作人員的實際操作需求,設計方便易用的人機界面和操作流程,并提供相應的培訓和技術支持,以提高工作效率和工作質量。

3 電渣爐控制系統優化設計

3.1 控制系統功能設計

電渣爐計算機控制系統功能設計分析可以分為以下幾個方面:

(1)物料控制:控制電渣爐中不同種類物料的投入和調配,以達到生產工藝要求。

(2)爐內溫度控制:根據工藝要求對電渣爐內溫度進行控制,包括爐內熔池溫度和爐底溫度等參數的監測和調節。

(3)電力控制:根據電渣爐熔煉生產工藝的要求,通過控制電流和電壓等參數,實現熔煉過程中的能量供給控制,以達到理想的熔煉效果[7]。

(4)自動測量控制:根據爐內參數和生產工藝要求,對重要參數進行實時監測和自動測量,并且自動控制。如爐內溫度、電流、電壓等。

(5)人機界面:提供友好的操作界面,使操作人員能夠方便地監測和控制生產過程。

(6)數據記錄與分析:實時記錄和保存生產過程中的關鍵參數數據,對數據進行分析和處理,以便制定更精細的生產工藝,提高生產效益。

(7)故障診斷與報警:提供故障診斷功能,及時發現和解決電渣爐控制系統中的故障,并通過報警提示操作人員及時采取措施。

電渣爐計算機控制系統是一個集物料控制、爐內溫度控制、電力控制、自動測量控制、人機界面、數據記錄與分析和故障診斷與報警于一體的大型自動化系統。其主要目的是實現電渣爐生產過程的自動化控制,提高生產效率和生產質量[8]。

3.2 硬件設計及選型

電渣爐計算機控制系統的硬件設計和選型需要考慮到以下幾方面:

(1)控制系統的主要功能:電渣爐控制系統需要實現電弧穩定控制、電極升降控制、電流電壓控制、噴吹氧氣控制等功能,因此需要選擇具備這些功能的硬件設備[9]。

(2)控制系統的穩定性:電渣爐控制系統需要具備高度的穩定性和可靠性,因此需要選擇高質量的硬件設備,并且要進行充分的測試和驗證,以確保其穩定性和可靠性。

(3)控制系統的擴展性:電渣爐控制系統需要具備一定的擴展性,以便于后期對系統進行升級和擴展。

因此,在硬件選型時需要考慮到系統的擴展性和可升級性[10]。

電渣爐控制系統采用PLC控制器作為核心控制設備,實現自動化控制和監控。PLC控制器采用數字量輸入/輸出、模擬量輸入/輸出等多種類型的I/O模塊,用于信號采集、控制操作等。

PLC控制器需要與上位機、人機界面等其他控制設備進行通信,因此需要設計通信模塊,支持多種通信協議和通信方式。根據電渣爐的工作原理和控制要求,設計PLC控制器的控制程序,實現溫度、電流、氧化物濃度等參數的自動調節和監控,保證爐內的工藝參數和狀態達到最佳控制效果。為確保工作安全,PLC控制器需要設置多種報警和保護功能,如過載保護、溫度異常報警等,及時停機或降低工作強度,防止設備損壞和生產事故發生[11]。PLC控制器需要將采集到的數據進行存儲和處理,可通過數據采集卡實現數據的實時獲取和處理,或通過網絡傳輸方式將數據上傳到服務器進行處理和分析。選取易控王3U系列FX3U-16MT/MR型號PLC控制器,開關量8路NPN輸入,4路輸入0～10 V電壓,4～20 MA電流電壓混合,如圖2所示。

圖2 FX3U-16MT/MR型號PLC控制器

3.3 控制算法—粒子群算法

粒子群算法是一種全局優化算法。該算法模擬了鳥群或魚群等生物集體行為,通過不斷地調整每個粒子的運動狀態,來尋找最優解。算法流程如下:

(1)初始化:隨機生成一定數量的粒子,并為每個粒子隨機分配速度和位置。

(2)評價函數:根據問題的具體要求,設計一個適應度函數來評價每個粒子的解,即目標函數。

(3)更新速度和位置:每個粒子根據自身歷史最優解和全局最優解以及當前速度,更新自己的速度和位置。

(4)更新歷史最優解和全局最優解:根據當前的適應度值,更新歷史最優解和全局最優解。

(5) 判斷終止條件:如果達到預設的迭代次數或者適應度值滿足要求,則停止迭代,輸出全局最優解[12-13]。

(6)否則,回到步驟(3),繼續迭代。

算法流程如圖3所示。在更新速度和位置時,每個粒子的速度和位置都受到以下三個因素的影響:自身歷史最優解、全局最優解以及當前速度。

圖3 粒子群算法流程

電渣爐控制系統是一個復雜的非線性系統,具有多變量、多目標和時變性等特點,傳統的控制方法難以滿足其控制要求。粒子群算法是一種模擬自然界中鳥類群體行為的智能優化算法,具有全局尋優、收斂速度快等特點,適合應用于電渣爐控制系統中。

在電渣爐控制系統中,可以將各種影響爐內溫度、電場等參數的因素作為粒子群算法的優化變量,用粒子群算法優化控制器的參數,使得系統可以達到最優的控制效果[14]。此外,粒子群算法還可以運用于電渣爐熱力耦合模型的參數識別、狀態估計等方面,提高電渣爐控制系統的精度和穩定性。

4 結 語

采用電渣爐控制系統,可以實現對爐體熔化過程的精確控制,保證了爐內溫度、電流、電壓等參數的穩定,提高了生產效率和品質。同時快速穩定的電渣爐控制系統可以控制爐體熔化溫度和爐次時間,使得在爐內熔化金屬合金時達到更高的效率,從而降低能源消耗,對于工業的發展具有重要意義。