智能電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)在電弧爐的應(yīng)用

1、摘  要  介紹了SIMELT AC & NEC智能電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)、二次開發(fā)及應(yīng)用效果。    關(guān)鍵詞  人工智能  電極控制  電弧爐  應(yīng)用    中圖分類號  TP273  文獻(xiàn)標(biāo)識碼  B    萊鋼50t超高功率電弧爐原電極調(diào)節(jié)裝置采用西門子SYMADYN C模擬控制系統(tǒng)，由于設(shè)備老化，頻繁影響生產(chǎn)。同時，限于當(dāng)時技術(shù)，其性能已無法滿足煉鋼向快節(jié)奏、高產(chǎn)量和低成本發(fā)展的需

2、要。    通過調(diào)研和比較，引進(jìn)了西門子SIMELT ACNEC智能電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)，包括數(shù)字電極調(diào)節(jié)器（AC）和基于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對AC進(jìn)行實時優(yōu)化的智能系統(tǒng)（NEC）兩主要部分（圖1），并結(jié)合系統(tǒng)特點和生產(chǎn)需要，完成二次開發(fā)并成功應(yīng)用。     一、數(shù)字電極調(diào)節(jié)器（AC）    1硬件功能    用于三相交流電弧爐的數(shù)字電極調(diào)節(jié)器（AC），主要由控制系統(tǒng)、二次電流（弧流）檢測回路、二次電壓（弧壓）檢測回路、液壓閥驅(qū)動回路、人機(jī)

3、接口系統(tǒng)（HMI）和通訊接口等組成?？刂葡到y(tǒng)是AC調(diào)節(jié)器的核心，由S7-400 PLC和其他輔助設(shè)備組成。    電弧電流檢測回路由3只羅氏線圈、1只羅氏積分器和特殊屏蔽的端子箱等構(gòu)成。    弧壓信號從二次短網(wǎng)取出經(jīng)電壓檢測箱獲得，并通過特殊電纜與系統(tǒng)連接。檢測箱配有互感器、浪涌吸收回路、熔斷器和濾波器，以防護(hù)過電壓沖擊、保證信號質(zhì)量。    AC調(diào)節(jié)器需要同電爐（爐控）PLC、NEC、HMI等進(jìn)行通信，系統(tǒng)采用MPI接口連接所有設(shè)備。    

4、2.軟件功能    系統(tǒng)先對弧壓、弧流信號的實際值進(jìn)行濾波，計算出阻抗的實際值，再與阻抗設(shè)定值（通過設(shè)定表給出）相比較。兩值的偏差（輸出值）經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換和放大板放大，通過調(diào)節(jié)液壓閥開度使電極升降。    系統(tǒng)通過比較弧流的實際值與設(shè)定極限值算出偏差，通過PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行積分，積分器對正負(fù)控制值具有不同時間常數(shù)。輸出信號經(jīng)過限幅，疊加到阻抗控制回路，控制電極使冶煉電流不超過設(shè)定的極限值。    如果阻抗實際值在給定的時間內(nèi)小于設(shè)定的極限值，則認(rèn)為該相電極短路，然后被快速提升。&#

5、160;   為減少對變壓器調(diào)壓開關(guān)觸頭的燒損，當(dāng)切換抽頭調(diào)整二次電壓時，AC自動調(diào)節(jié)阻抗以降低冶煉電流。    為防止電極在下降過程因接觸非導(dǎo)電爐料而折斷，系統(tǒng)通過控制器采集液壓回路壓力信號。當(dāng)信號達(dá)到設(shè)定值而電極電流又很小時，該電極自動抬起再重新落下。若電極連續(xù)三次未起弧，則發(fā)出報警通知爐前人員處理。    液壓閥的正、負(fù)開度與正、負(fù)驅(qū)動電流或電壓的關(guān)系一般設(shè)計為線性，但在接近零點的區(qū)域存在死區(qū)。為獲得更好的控制特性，系統(tǒng)對死區(qū)進(jìn)行補(bǔ)償。   

6、0;二、智能優(yōu)化系統(tǒng)（NEC）    AC調(diào)節(jié)器工作在靜態(tài)的阻抗設(shè)定值上，設(shè)定值一般在調(diào)試階段確定并儲存于系統(tǒng)。通常只在生產(chǎn)狀態(tài)有較大變化或爐體尺寸發(fā)生變化時進(jìn)行修改。但在實際生產(chǎn)中，電爐當(dāng)前的最優(yōu)操作點取決于電爐的實際狀態(tài)和原料的具體狀況，兩者都在不斷變化。因此，單獨(dú)使用靜態(tài)設(shè)定點的AC不能滿足電爐優(yōu)化運(yùn)行的需要。    NEC的智能部分包括分析模型和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)兩部分，稱為混合模型。前者用于分析和表現(xiàn)電爐電氣特性，后者用于分析（學(xué)習(xí)）各電氣參數(shù)與模型參數(shù)間的關(guān)系，調(diào)整分析模型的參數(shù)。系統(tǒng)根據(jù)各個變量的變化尋找變量

7、之間內(nèi)在的聯(lián)系，不斷算出最優(yōu)的工作阻抗值，并送入AC調(diào)節(jié)器（圖2）。    通過智能系統(tǒng)的在線實時調(diào)整，實現(xiàn)了在滿足設(shè)備約束條件下，最大限度使用三相電極的輸出功率和電爐冶煉的整體優(yōu)化。    1系統(tǒng)的構(gòu)成    NEC的硬件包含SIMATIC RACK PC 840工控機(jī)等，WinCC和NEC優(yōu)化軟件在該機(jī)運(yùn)行，相關(guān)的過程信號通過數(shù)據(jù)采集卡或從Win CC讀取。通過分析計算，NEC找到最優(yōu)操作點，送入Win CC系統(tǒng)，再由Win CC將數(shù)據(jù)送入AC調(diào)節(jié)器。 

8、0;  2主要功能    (1)計算最優(yōu)操作點    從電氣的角度分析，三相交流電弧爐是一個非對稱、非線性和具有自由中性點的星形用電設(shè)備。其等效電路如圖3所示?；芈返膶嶋H阻抗值與冶煉過程密切相關(guān)且不斷變化，傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)器（如：AC）工作在靜態(tài)設(shè)定值上，不可能準(zhǔn)確反映出這些變化。    另外，任一相的實際阻抗值主要取決于全部只相的電弧長度。傳統(tǒng)調(diào)節(jié)器對三相電極分別進(jìn)行單獨(dú)控制，在對某相電極單獨(dú)修正時，會引起全部三相電氣參數(shù)的改變。這樣會降低電爐有效功率的輸入、

9、增加調(diào)節(jié)損失，還會引起三相電流的不平衡及對爐襯不均衡的熱輻射。    智能優(yōu)化系統(tǒng)可以補(bǔ)償傳統(tǒng)電極控制的動態(tài)非對稱所帶來的缺陷。系統(tǒng)根據(jù)每一相阻抗的變化給出一個三相阻抗的預(yù)補(bǔ)償修正值，并計算出最優(yōu)的操作點，然后通過AC對三相電極進(jìn)行同步調(diào)節(jié)。從而減少了因單電極調(diào)節(jié)所帶來的功率損失、使三相功率平衡并輸出最大的允許功率。    (2)爐襯熱分布優(yōu)化    在冶煉過程中，電弧在融化爐料的同時還把部分能量輻射到爐襯，從而造成爐襯局部過熱、縮短了耐火材料使用壽命。NEC內(nèi)部有一個熱分布

10、模型，可根據(jù)爐體冷卻水的回水溫度，對爐內(nèi)情況進(jìn)行模擬，可有效的避免爐襯過熱。    三、結(jié)束語    智能電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)的應(yīng)用，消除了生產(chǎn)隱患，提升了電爐的裝備水平，提升了電爐作業(yè)率和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，加快了生產(chǎn)節(jié)奏，操作簡便，減輕了勞動強(qiáng)度。使用新系統(tǒng)節(jié)能降耗效果明顯，噸鋼電耗降低3.0%、電極消耗降低3.2967%，冶煉通電時間縮短8.52%，當(dāng)年凈效益347.25萬元。系統(tǒng)優(yōu)化了三相功率并使其趨于平衡，提高了電能利用率，減少了對電網(wǎng)的沖擊與污染。系統(tǒng)實現(xiàn)了與電爐、精煉爐“PC機(jī)監(jiān)控PLC控制”模式間的通