高钛渣电弧炉冶炼专家系统

一.概述

1.钛渣炉发展现状

电弧炉普遍采用电极升降的方法对熔炼过程进行恒流控制，但是我国大部分电弧冶炼过程仍然完全依靠工人手工调节，电极控制不稳定、劳动强度大，并且由于工人的经验不同，冶炼的效果离散性很大，使得产品质量难以提高。在冶炼的不同阶段，控制效果很难一致，系统容易震荡，增加电极消耗，不能保证三相电流的平衡输入，产品质量非常不稳定。因此有必要把电极自动控制系统的实现加以推广，提高生产效率。

2.我公司在钛渣炉冶炼控制技术上的发展历程

3.钛渣炉控制系统的工作原理及流程

3.1电弧炉供电一次主回路：

电压互感器采集高压主母线电压，高压经过高压断路器送到电炉变压器，通过变压器降压，变换成低压大电流，经过短网送到电极，在电极端头，形成高温电弧，熔炼矿石。

3.2电力参数采集：

母线电压互感器采集高压电压信号、高压侧的电流互感器采集炉变高压侧的电流信号、在炉变低压侧输出铜管采集低压侧的电流和电压信号一起送到控制台。

3.3电弧炉的其他信号采集：

电弧炉的电极限位开关、断路器分合闸状态、冷却泵运行状态等其他保护信号，一起送到控制柜（台），作为电弧炉的保护信号。

3.4控制台的控制对象：

控制台采集以上信号，经PLC程序运算，形成驱动电极升降、高压开关分合闸、冷却水泵启停等开关量信号，完成对电弧炉的全面自动控制。

二.系统特点和优势

1.系统功能概述

设计方案包含钛渣炉控制、配料控制、下料控制、除尘控制四个子系统。

钛渣炉自动控制系统通过检测炉变高低压侧的电流和电压值，经PLC计算出每根电极电弧的电阻，通过比较设定值大小，得出电极的升降值，来实时控制电极的升降。主要由PLC控制柜（台）和相应的测量元器件组成。

除尘自动控制系统通过检测排烟管的温度压力等值，经PLC运算，输出给风机变频柜驱动风机实时调整转速。PLC还附带时序模块，按照设定好的时序，控制除尘间抖灰阀的除尘动作。该系统主要由除尘PLC柜和外围传感器组成。

2.钛渣炉自动控制系统

2.1.电弧炉操作电阻（导）的概念

电弧冶炼中最重要的工作，就是根据冶炼工艺要求，实时控制炉内电弧的功率。以往的电弧炉控制，大部分根据炉变高压侧的电流来间接控制低压侧电极的电流，来达到控制电弧功率的目的。

随着技术的进步，近些年来出现了一种基于电弧电阻控制的新控制方法，和原来基于高压侧电流控制的方法有很大的进步。

操作电阻可以理解为电弧的等效电阻，这个电阻在电弧炉的实际运行中，是一个剧烈变化的量，由电极电压、插入深度、矿料电阻率、炉温等很多因素来决定，为了简化计算，我们可以用下式表示：

R=U/I

其中：R为操作电阻，单位是Ω；

      U为某相电极的对地（虚地）相电压，单位是V；

      I为该相电极的电流，单位是A。

根据某电弧炉某个时段读取A相电极的实时U和I值，U=85V，I=12000A，则该相电极的实时操作电阻为RA=85/12000=7.08mΩ。

2.2.以操作电阻作为控制对象的优势

由以上公式可知，操作电阻这个参数，不仅仅和电压和电流有关，而且与电炉的热能在炉料和熔池两个区域分配有关，还与全炉有效功率有关，因此只要抓住操作电阻这个主要参数，电流、电压、热能分配、有效功率都能抓住。

2.3.恒电阻（导）电极自动调节

以上面分析的操作电阻作为控制对象，根据高、低压侧电压互感器和电流互感器的检测结果，通过PLC内部运算比对，输出控制电极升降的控制信号。

2.4.电极自动/手动压放和电极位移监测及消耗量计算

在电极筒上端安装电极位置安装滚轮位移传感器，实时检测电极的消耗量，当电极筒下降到最低位置时，操作电阻还无法达到设定值，判断为电极过端，然后由PLC内部启动电极压放程序，输出给压力环和压放油缸，进行电极压放动作，同时记录电极消耗量。

2.5.一次二次电量监测

在控制台内配置最新的西门子电力模块，用来检测炉变高低压侧的所有电力参数，电流、电压、功率因素等实时在触摸屏上显示

2.6.罗氏线圈检测铜管电流

在炉变低压侧，因为电极电流很大，并且由多组并联回路交错构成，无法安装普通电流互感器，因此使用一种能把电流信号变化成电压信号的新型器件，这就是罗氏线圈。在并联回路的每一组铜管，都安装罗氏线圈，把数据传回PLC，再把所有检测值相加，就得出低压侧每一相的线电流，因为电极电流是三角形线电流的叠加，所以，电极实际电流就是线电流的√3倍。

2.7.密闭炉炉内压力监测

在冶炼过程中，对炉内压力进行检测，并将炉内压力控制在-200~800Pa，通过除尘风机变频调风量，让炉内保持微负压。

2.8.钛渣冶炼工艺软件调度

我公司在钛渣电弧炉冶炼行业打拼多年，总结出一套优质的冶炼工艺调度程序，这套程序能根据进料配比，计算出合理的冶炼时序，能有效提高冶炼效率，保证产品的品位要求。该软件包含以下功能：

• 炉矿参数计算

在触摸屏上输入进料矿的品位和吨位，就能计算出合适的焦炭配比，避免了人工计算的误差。

• 分段冶炼参数修改

在该软件的分页中，设置冶炼参数修改功能，根据不同的品位和炉子参数，计算出合适的冶炼工艺曲线，适配不同大小的炉子。

• 原料品位记录（人工录入）

人工录入原料品位和出料品位，结合冶炼时间，系统能分析出最佳的工艺曲线。

• 配方指导

根据人工录入的数据，自动分析出炉料的最佳配比。

• 调品位指导

根据录入的数据，分析出料品位与冶炼时间的关系，指导最优的冶炼时间。

2.9.炉体温度监控

炉体四周配置的20个温度探头，烟管2个温度探头，炉盖1个温度探头，温度信号送到控制台，经PLC处理后在触摸屏上显示监控画面，可以预设温度报警值。

2.10.炉体及变压器冷却水压、温度监控

在冷却水进水和出水管路上配置2套流量计，通过R485通讯传回控制台，在触摸屏上监控冷却状况，可人工设置温度和流量报警值。

2.11.其他功能

• 在主界面电极位置著监控画面

• 在附加页面显示实时工艺数据

• 在主界面显示电量、温度、压力等历史数据

• 当温度、压力超标提示和报警

• 能效分析

• 通过连接打印机输出炉次报表

• 工业物联网及云服务，手机平台手机监控

3.配料系统

配料系统由称重配料柜、下料柜及其附属传感器组成组成。

现场采用了工业专用触摸屏作为人机操作界面，系统操作者直接可靠、简单明了，操作人员可根据产品工艺要求随时在线修改配料参数及动态监视整个工作的过程、实时的数据显示，报警显示。

系统可根据要求编制存储多个生产配方，供操作人员随时调用和修改。

系统采用PLC为主控元件，直接通过PLC采集现场称重传感器数据，根据程序的编制直接控制输出，减少了其他中间控制的环节，系统稳定性、可靠性好，故障率低，适应各种恶劣的工作环境。采用PLC直接控制，系统可扩展性强，程序容易理解，工厂技术人员可根据需要随时增加新功能。

现场PLC通过PN总线通讯连接中控室电脑，实现了系统的远程监控，为企业自动化管理提供了先进的条件。

系统故障可通过触摸屏直接显示出来，维护人员可根据故障显示快速排查故障，使检修更为方便快捷。

通过工业物联网，连接关键人物手机或PC终端，可远程操控配方配比。

4.除尘自动控制系统

除尘自动控制系统包含1台除尘PLC柜及其附属传感器构成。

除尘PLC柜采集炉内压力、除尘管道温度、抖灰气压、关风阀状态信号，经PLC逻辑运算，输出模拟量信号实时调整除尘风机转速，自动控制关风阀门和抖灰电磁阀的动作。

5.电弧炉冷却水监控系统

监控炉变循环油泵、冷却水泵；采集进水和回水温度、流量信号，进水压力。

6.系统优势

• 品质

• 项目配置的所有箱柜内元器件均选用施耐德、西门子等国际一线品牌，质量可靠，使用寿命长，在寿命周期内为可乎节约停工检修成本。

• 稳定性

• 电弧炉工作在高电压大电流的强电磁环境，控制电炉很容易受到干扰，在控制电炉的设计上，我们严格遵循工业设计规范，对容易受到电磁干扰的信号回路，都是用隔离模块或隔离变压器，经过多年的实践，证明，这些措施能有效提高PLC系统的稳定性，减少用户的检修时间。

• 西门子S7-1500

• PN工业以太网

• 开放性

• 预留第三方系统数据对接接口

• 支持MQTT\API\OPC等主流工业通讯协议

• 可扩展新增功能和系统

• 远程维护来保障服务及时性

• 实施过程中的执行标准规范

7.能给用户带来的价值

• 降低吨电耗

• 用电效率提升

• 产品质量稳定

• 降低人力成本

• 为管理提供数据支撑

三.技术方案

1.系统架构

1.1.设备清单

1.2.系统架构及网拓扑图（此项内容仅供参考，按实际需求有变动）

如下图所示“系统构架图”，本系统以中控和上位系统为主题，包揽了电极控制系统、水循环系统、液压系统、上料系统、配料系统、水流监测系统、炉体监测系统、电力分析系统、除尘系统等。构成一套完整成熟的钛渣冶炼系统。

如下图所示“系统网络拓扑图”，本系统使用profinet总线以及全套西门子控制系统，以总站、分站、IO站的网络构架，通讯稳定而且高效，维护便利。本系统具有很高的开放性和兼容性，为后续可能的系统升级或添加新功能提供了良好的系统环境。

2.子系统介绍

2.1钛渣炉自动化主要控制部分

• 电极升降自动调节（可手动控制）：电极调节的可靠程度影响着电炉的输出功率、有效功率、功率因数等。电极调整不合理会使每根电极对应电流极速跳跃，输出电压发生波动，输出功率不稳定，平均功率因素降低，加热效率也随之降低。这使电炉产生极大的能源浪费，冶炼过程也变的困难。导致的结果是冶炼时间增长，冶炼产量降低，冶炼吨耗增加。本系统是以“操作电阻”为依据自动调节电极，使电炉达成恒定功率输出，使电能能够充分的利用，加热效率得到了很大的提升。

• 电极自动压放（可手动控制）：电极压放过程手动操作比较繁琐，容易出现“操作失误”事故，给操作员带来不小的压力。这部分控制系统实现了一键自动压放电极的功能，还能设定电极下压的长度，达到按量压放。方便、精准和可靠的控制将提升生产的效率。

• 电极消耗统计：对钛渣炉冶炼厂来说，购买石墨电极的费用是一笔不少的支出，如果系统能够自动统计电极的总消耗量以及每一炉的消耗情况，对生产管理将带来很大的便利。这个系统就是为客户解决了这个问题，系统统计了电极的总消耗量和每一炉对应的消耗量。

• 电力分析：本系统实时监测炉变高压侧的电压、电流、功率因数、视在功率、有功功率、无功功率、A相相位角、B相相位角、C相相位角，炉变低压侧的电压、电流、功率因数以及每根铜管上的电流。于此同时系统使用大数据分析系统统计出每一炉对应的有功电耗、无功电耗、平均输出功率、平均功率因数等数据。给电炉管理者以及工艺工程师提供高价值的数据分析，便于提高电炉的生产效能。

2.2.配料下料

• 配料

原料仓：1#仓（矿1）、2#仓（矿2）、2#仓(还原剂)；

称量方式：静态秤方式；

混料方式：皮带混料；   

间断称重，定量上料。根据各原料配方目标值称好，待环形布料车料仓的上料信号发来，将称好的原料同步并定速定量下至混料皮运机，同时启动大倾角皮运机；配料秤上的聊走完（重量为零），延时（时间可通过调试修改）停止混料皮带，延时（时间可通过调试修改）停止大倾角皮带；

配料秤每次称量的配料量为环形布料机料仓所需的量；

• 送料

大倾角皮运机送至环形布料车料仓；

大倾角皮带机停机后延时（可调）启动布料车；

• 布料

布料车根据调度系统发来的指令向目标混合料A、B、C仓、钛矿仓、还原剂AB仓,还原剂C仓投料；

混合料料仓3个：布料车调度系统是根据预先设定的规则，接收混合料料仓缺料（重量已达设定的重量下限）加料（补料）请求信号，则发指令给配料系统完成配料和送料程序；

还原剂仓2个：布料车调度系统是根据预先设定的规则，接收到加炭料仓缺料（重量已达设定的重量下限）加料（补料）请求信号，则发指令给炭原料秤下料称重和送料程序；

调矿矿仓1个：布料车调度系统是根据预先设定的规则，接收矿料仓缺料（重量已达设定的重量下限）加料（补料）请求信号，则发指令给对应品位矿原料秤下料称重和送料程序；

• 下料

根据冶炼工艺调度系统的工艺段目标投料量进行动态投料，即根据目标下料流量（设定值）与实际料仓内减料量（反馈值）比较后做PI控制（运算输出值）变频器调整螺旋转速，以满足冶炼工艺料量需求；可以人工控制，也可以按工艺模型全自动投料；

调品位：炉控系统根据品位取样视觉比对系统给出的品位估测值与工艺曲线对比，并按工艺模型规则约定由系统决定加炭量和加矿量作为目标值，与实际料仓内减料量（反馈值）比较后做PI控制（运算输出值）变频器调整螺旋转速，以满足冶炼工艺料量需求；可以人工控制，也可以按工艺模型全自动投料；

2.3.除尘PLC控制柜

钛渣炉除尘PLC系统主要包括以下功能：1、对引风机的控制及故障信息、风机温度的监控；2、对参冷风阀的控制和进风温度监测；3、进风阀和反吸风阀的周期循环开合动作；4、对空压机的控制；5、报警和信息采集系统等。

系统控制界面

系统参数界面

系统参数界面

2.4.现场仪表及材料

• 总管冷却水循环监测：本系统实现对炉罩水循环进水流量、出水流量、进水温度、出水温度实时监测，并计算进水流量与出水流量的差值，当差值超过设定值时系统将发出故障报警。提示现场工作人员检查炉子是否有漏水情况。   

• 炉内压力检测：差压式压力变送器；

• 炉体温度检测：20个K热电偶；

• 电及位置检测：采用3个拉绳编码器和3个滚轮编码器。