工控機(jī)在電弧爐控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著計算機(jī)技術(shù)的普及與應(yīng)用，數(shù)字技術(shù)已經(jīng)滲透于各行業(yè)之中，特別是在一些傳統(tǒng)工業(yè)的改造與創(chuàng)新中，發(fā)揮了重要的作用。本文介紹的工控機(jī)參與自動控制系統(tǒng)對電弧爐的控制，使控制系統(tǒng)技術(shù)含量大大提高。經(jīng)過生產(chǎn)實踐證明，該系統(tǒng)在安全性、可靠性、靈敏度等方面大大優(yōu)于傳統(tǒng)的模擬控制方法。

1系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由一臺研華5X86/133工控機(jī)，輸入輸出電路板（D/A板，A/D板和觸發(fā)脈沖板），WB系列電流電壓傳感器，富士G11型變頻器（四臺，其中一臺備用）以及交流異步電動機(jī)組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

本系統(tǒng)采用電氣傳動控制電極上下運(yùn)動。經(jīng)計算，選用功率為7.5kW的異步電機(jī)，并以此為依據(jù)選用變頻器。本系統(tǒng)選用富士G11型變頻器，其特點(diǎn)是：不需要正負(fù)轉(zhuǎn)換信號，僅根據(jù)給定頻率控制輸出電壓的大小和極性即可控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向。

由于電極的電弧電流太大（約為25kA），所以傳感器從電流互感器進(jìn)行采樣。因為A/D轉(zhuǎn)換卡的輸入信號為電壓型，故我們選用電磁隔離、感應(yīng)式的WBI412as1Q型電流—電壓傳感器。而對于電弧電壓（一般為250V左右），則不需要中間環(huán)節(jié)，直接選用電磁隔離、感應(yīng)式的WBV414asQ型電壓－電壓傳感器即可。

為了易于控制與維護(hù)，電極的每一相都為一套獨(dú)立設(shè)備（包括傳感器，變頻器，電機(jī)和印刷線路板），為此在控制軟件的設(shè)計中采用分相進(jìn)行獨(dú)立控制的原則。此外，額定電流的設(shè)定和電源模塊的供電所需要的0～12V電源，可通過小型變壓器和WY17812，WY27912等組成的電路來實現(xiàn)，此處不一一詳述。

2硬件設(shè)計

系統(tǒng)的控制原理如圖2所示。

本系統(tǒng)選用研華公司開發(fā)的PCL730型A/D轉(zhuǎn)換卡，此卡提供32路DIO（DigitalInputOutput）通道，其中包括16路輸入和16路輸出。每路都帶有光耦隔離，用于提高系統(tǒng)的抗干擾能力。選用分辨率為12位的PCL728型D/A轉(zhuǎn)換卡作為輸出卡，此板卡具有2個通道，其輸出電壓范圍可利用板卡的跳線設(shè)定到－10V～＋10V之間，便可直接控制變頻器。在上述系統(tǒng)中，選用分辨率為12位的PCL813型A/D轉(zhuǎn)換卡，它可以提供32路模擬輸入量，故僅需一塊便可實現(xiàn)電弧電流、電弧電壓和電流設(shè)定值等的模數(shù)轉(zhuǎn)換。

圖1系統(tǒng)組成框圖

圖2控制系統(tǒng)框圖

圖3模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)切換

圖4變頻器及相關(guān)電路

圖5變頻器開關(guān)

本系統(tǒng)分為手動和自動兩種工作狀態(tài)，其中自動工作狀態(tài)又分為模擬狀態(tài)和數(shù)字狀態(tài)。在自動工作狀態(tài)時，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)，可使繼電器觸點(diǎn)選擇模擬通路或數(shù)字通路（其中數(shù)字通路一般接常閉觸點(diǎn)），切換結(jié)構(gòu)如圖3所示。手動工作狀態(tài)下，電路實現(xiàn)較為簡單，它不經(jīng)過中間電路和信號處理過程便可直接驅(qū)動變頻器。所以它的優(yōu)先級較高，故適用于在緊急情況下的應(yīng)急操作，其與自動狀態(tài)下的切換如圖4所示。

富士變頻器端子12為設(shè)定電壓輸入端，端子11為模擬信號公共端，F(xiàn)WD為運(yùn)行/停止命令端，CM為接點(diǎn)輸入公共端。因為不能采用直接接通與斷開主電路電源的方法來操作變頻器的運(yùn)行與停止。采用圖5所示的電路，在保持主電路接通的情況下，只需按按鈕開關(guān)SB，使交流接觸器線包帶電，吸合KM1使指示燈亮，KM2給變頻器送電（見圖4）。

此類變頻器通過鍵盤，面板操作體系（畫面轉(zhuǎn)換層次結(jié)構(gòu)）來設(shè)定，監(jiān)控，查詢。操作者通過LCD監(jiān)視器與操作鍵來設(shè)定自己所需確定的參數(shù)，如最高頻率，額定電壓，加速時間，轉(zhuǎn)矩特征等。在運(yùn)行過程中選擇自己所關(guān)心的數(shù)據(jù)（如輸出電壓）作為實時監(jiān)控對象。設(shè)計者還可根據(jù)系統(tǒng)的實際要求設(shè)計適當(dāng)?shù)闹苿与娮?，處理報警輸出信號及抗干擾措施等等。

3軟件設(shè)計

電弧爐控制系統(tǒng)的軟件是根據(jù)各個爐子的實際情況而開發(fā)的。在本工程中系統(tǒng)軟件由界面模塊，運(yùn)算模塊和打印模塊三大部分組成。其中界面程序提供了一個人機(jī)對話窗口，操作者可以清楚地了解到電爐目前的各個參數(shù)，從外部輸入的模擬量的數(shù)字化值的大?。ㄈ鐧n位電壓）。另外，外部參數(shù)的修訂也都是利用人機(jī)界面從鍵盤輸入實現(xiàn)的。本系統(tǒng)的界面是用BORLANDC和匯編語言編制而成，在編制過程中力求達(dá)到美觀、直觀、易操作的目的。

輸入輸出采集運(yùn)算是本系統(tǒng)的核心部分，在沿襲前輩工作經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，通過跳線和小型轉(zhuǎn)換開關(guān)，選擇出適合于系統(tǒng)的輸入輸出通道與形式（PCL為高集成板，提供了多種功能選擇，如可以電壓形式輸出，也可以電流形式輸出等）。在控制運(yùn)算過程中根據(jù)電弧爐的點(diǎn)弧期，熔化期，精煉期以及鋼水出爐前弧流弧壓的不同狀況，在控制子程序的算法實施上應(yīng)有所區(qū)別，其程序流程圖如圖6所示。在控制過程中充分利用了G11變頻器電壓速率的特點(diǎn)（如圖7所示），降低了硬件的設(shè)計復(fù)雜度。電流設(shè)定值和電壓設(shè)定值的確定，根據(jù)外部電路所能提供的電源電壓而選擇不同的轉(zhuǎn)換算法。軟件中僅僅考慮采集與轉(zhuǎn)換是不夠的，本系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)處理采用的是PID控制算法。控制方式上，模擬系統(tǒng)通過硬件電路來實現(xiàn)，而軟件設(shè)計則是通過PID算法來完成的。為了保證冶煉的溫度恒定，又要電極的運(yùn)動不會出現(xiàn)太大波動，就在控制系統(tǒng)中增設(shè)給定積分環(huán)節(jié)。對電路的參數(shù)設(shè)定可借鑒模擬調(diào)節(jié)器的參數(shù)，衰減曲線法等，取得良好的比例積分（PI）控制參數(shù)。

圖6運(yùn)行程序流程圖