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(kāi)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(lèi)號(hào)  TP273  文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(mén)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(shí)，限于當(dāng)時(shí)技術(shù)，其性能已無(wú)法滿(mǎn)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(guò)調(diào)研和比較，引進(jìn)了西門(mén)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(duì)AC進(jìn)行實(shí)時(shí)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(diǎn)和生產(chǎn)需要，完成二次開(kāi)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(cè)回路、二次電壓（弧壓）檢測(cè)回路、液壓閥驅(qū)動(dòng)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(cè)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(hào)從二次短網(wǎng)取出經(jīng)電壓檢測(cè)箱獲得，并通過(guò)特殊電纜與系統(tǒng)連接。檢測(cè)箱配有互感器、浪涌吸收回路、熔斷器和濾波器，以防護(hù)過(guò)電壓沖擊、保證信號(hào)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(duì)弧壓、弧流信號(hào)的實(shí)際值進(jìn)行濾波，計(jì)算出阻抗的實(shí)際值，再與阻抗設(shè)定值（通過(guò)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(guò)調(diào)節(jié)液壓閥開(kāi)度使電極升降。    系統(tǒng)通過(guò)比較弧流的實(shí)際值與設(shè)定極限值算出偏差，通過(guò)PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行積分，積分器對(duì)正負(fù)控制值具有不同時(shí)間常數(shù)。輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)限幅，疊加到阻抗控制回路，控制電極使冶煉電流不超過(guò)設(shè)定的極限值。    如果阻抗實(shí)際值在給定的時(shí)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(duì)變壓器調(diào)壓開(kāi)關(guān)觸頭的燒損，當(dāng)切換抽頭調(diào)整二次電壓時(shí)，AC自動(dòng)調(diào)節(jié)阻抗以降低冶煉電流。    為防止電極在下降過(guò)程因接觸非導(dǎo)電爐料而折斷，系統(tǒng)通過(guò)控制器采集液壓回路壓力信號(hào)。當(dāng)信號(hào)達(dá)到設(shè)定值而電極電流又很小時(shí)，該電極自動(dòng)抬起再重新落下。若電極連續(xù)三次未起弧，則發(fā)出報(bào)警通知爐前人員處理。    液壓閥的正、負(fù)開(kāi)度與正、負(fù)驅(qū)動(dòng)電流或電壓的關(guān)系一般設(shè)計(jì)為線性，但在接近零點(diǎn)的區(qū)域存在死區(qū)。為獲得更好的控制特性，系統(tǒng)對(duì)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(chǔ)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(shí)進(jìn)行修改。但在實(shí)際生產(chǎn)中，電爐當(dāng)前的最優(yōu)操作點(diǎn)取決于電爐的實(shí)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(diǎn)的AC不能滿(mǎn)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(chēng)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(gè)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(guò)智能系統(tǒng)的在線實(shí)時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了在滿(mǎn)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(guò)程信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡或從Win CC讀取。通過(guò)分析計(jì)算，NEC找到最優(yōu)操作點(diǎn)，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(jì)算最優(yōu)操作點(diǎn)    從電氣的角度分析，三相交流電弧爐是一個(gè)非對(duì)稱(chēng)、非線性和具有自由中性點(diǎn)的星形用電設(shè)備。其等效電路如圖3所示?；芈返膶?shí)際阻抗值與冶煉過(guò)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(shí)際阻抗值主要取決于全部只相的電弧長(zhǎng)度。傳統(tǒng)調(diào)節(jié)器對(duì)三相電極分別進(jìn)行單獨(dú)控制，在對(duì)某相電極單獨(dú)修正時(shí)，會(huì)引起全部三相電氣參數(shù)的改變。這樣會(huì)降低電爐有效功率的輸入、

9、增加調(diào)節(jié)損失，還會(huì)引起三相電流的不平衡及對(duì)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(dòng)態(tài)非對(duì)稱(chēng)所帶來(lái)的缺陷。系統(tǒng)根據(jù)每一相阻抗的變化給出一個(gè)三相阻抗的預(yù)補(bǔ)償修正值，并計(jì)算出最優(yōu)的操作點(diǎn)，然后通過(guò)AC對(duì)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(lái)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(guò)程中，電弧在融化爐料的同時(shí)還把部分能量輻射到爐襯，從而造成爐襯局部過(guò)熱、縮短了耐火材料使用壽命。NEC內(nèi)部有一個(gè)熱分布

10、模型，可根據(jù)爐體冷卻水的回水溫度，對(duì)爐內(nèi)情況進(jìn)行模擬，可有效的避免爐襯過(guò)熱。    三、結(jié)束語(yǔ)    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(jiǎn)便，減輕了勞動(dòng)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(shí)間縮短8.52%，當(dāng)年凈效益347.25萬(wàn)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(duì)電網(wǎng)的沖擊與污染。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了與電爐、精煉爐“PC機(jī)監(jiān)控PLC控制”模式間的通