组态王及PLC在矩形电弧炉控制中的应用.pdf

3 6 工业仪表与自动化装置 2 0 1 2年第 5期 组态王及 P L C在矩 形 电弧 炉控制 中的应 用 宋连庆 ， 刘日木 ， 权策 1 ． 西安工程大学 电子信息学院， 西安 7 1 0 0 4 8 ； 2 ． 西安 曼海特 工业技 术有限公 司， 西安 7 1 0 0 1 8 摘要 介绍 了利用组态王及 P L C所构成的适用于钛渣熔炼 实用的分布式控制 系统， 并给 出了 整个 系统原理框 图， 对控制 系统的硬件进行 了详细说 明。同时还介绍 了程序 中主要应用的子程序。 实际运行 结果表明， 该控制 系统使原有的电气控制水平和 系统整体性能得到 了全面的提升， 维护检 修方便 ， 信息交换可靠， 人机界面友好 。 关键词 组态王 ； P L C； 分布式控制 系统 中图分类号 T P 2 7 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 2 0 5 0 0 3 6 0 4 Ap pl i c a t i o n o f r e c t a n g ul a r e l e c t r i c a r c f u r na c e c o nt r o l s y s t e m ba s e d o n Ki ng VJ e w a nd PLC S O N G L i a n q i n g ， L I U Y u e m u ， Q U A N C e 。 1 ． S c h o o l ofE l e c t r o n ic s a n dI n f o r m a t i o n ， X i a n尸 。 e c h n i c U n i v e r s i t y ， X i “a n 7 1 0 0 4 8 ，C h i n a ； 2 ． X i “a n Me h a t I n d u s t r i a l T e c h n o l o g y C o ． ， L t d ． ， X i “a n 7 1 0 0 4 8 ，C h i n a Abs t r a c t Th e p a p e r i n t r o d u c e s a n a p p l i c a b l e d i s t r i b u t e d c o n t r o l l i n g s y s t e m f o r s me l t i n g t i t a n i u m ma d e f r o m Ki n g Vi e w a n d P LC．T he wh o l e s y s t e m fra me wo r k i s s h o we d ． Ha r d wa r e o f t he s y s t e m a n d ma j o r s u b p r o g r a m s a r e e x p l a i n e d ．A c t u a l a p p l i c a t i o n o f s y s t e m i m p r o v e s t h e c o n t r o l l i n g l e v e l a n d p e rf o r m a n c e o f e l e c t r i c i t y i n a c o mp r e h e n s i v e wa y ．Ma i n t e n a nc e，e x a mi n i n g a n d r e p a i r i n g a r e c o n v e n i e n t ．I n f o r - ma t i o n e x c h a ng e i s t r u s t a b l e．Ma n ma c h i n e i n t e rfa c e i s fri e n d l y ． Ke y wo r d s Ki n g Vi e w；PLC；d i s t rib u t e d c o n t r o l s y s t e m 0 引言 以攀枝花某金属冶炼公司 3 0 MV A电弧炉计算 机控制系统为背景 ， 根据 电弧炉熔炼工艺对控制系 统 的控制要求 ， 给出了控制系统总体设计方案 ， 在电 极调节器控制方案设计的基础上给出了实用的控制 算法的实现方法。该系统包括基础 自动化级 、 过程 监控和优化管理级。基础 自动化级应用西 门子公司 s 7 4 0 0 、 s 7 3 0 0 P L C进行控制。上位机监控系统 采用组态王软件设计 了计算机监控系统 ， 包括 主画 面 、 高压供 电系统画面、 电极 系统 画面、 液压系统 画 面 、 水冷系统画面、 环保系统、 送料系统、 包车系统、 报警画面等等。该项 目已于2 0 1 1 年底开始运行。 1 工艺及控制功能简介 该金属冶炼公 司拟建 1 5万吨钛渣炉及 7万 吨 不锈钢短流程 的现代化生产线 ， 3 0 MV A钛渣炉 总 收稿 日期 2 0 1 2 0 31 4 作者 简介 宋 连庆 1 9 6 3 ， 男， 河南 新 乡人 ， 高级 工程 师 ， 副 教 授， 主要从事工业设备 自 动化控制等方面的研究。 体结构采用炉体 固定 、 矩形密 闭式。电极 的排布如 图 1 所示。 1 6个 电极 的排 布 图 在图 1中， 每一对电极与一个单 相变压器相连 接 ， 这种电弧炉可以通过移动 2个相应的电极准确 地控制每一相变压器 的功率。该电炉通过 3 4台变 频器拖动电机推动螺杆从炉顶向炉 内加料 ， 采用连 续加料的方式。整个电弧炉 的冶炼过程是连续的 ， 除非 由于其他因素限制其连续生产 ， 比如电极在一 定的时间冶炼后 消耗完 ， 必须替换新 的电极 。电弧 炉是靠 电极和炉料间放 电产生的电弧 ， 使 电能在弧 3 8 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 2年第 5期 3 矩形 电弧炉控 制系统 的软件构成 P L C主要逻辑控制部分 系统 的主要控制程序 由 O B 1调用来完成。如 图 4所示 ， 各个 F c块 以及 部分 D B块用于实现各个子系统 的功能。O B 3 5用 于实现 电极升 降的 P I D控制， S t e p 7提供 了标准 的 P I D控制功能模块 ， 根据矩形电弧 炉控制系统 既要 求燃弧稳定 ， 又要求引弧时有较高的调节灵敏度且 时间常数大的特点 ， 由于 3对 电极的升降是分别进 行控制的， 每对电极的控制都是带 P I D算法 的闭环 控制。 主程序 O B1 电 极 手 动 控 制 I l囊l l蓁I I萋l l羹 液 压 控 制 程 序 定时中断子程序 OB35 集 I l极 l l极 I I萄 C 相 电 极 控 制 图 4 系统程序结构 图 电弧炉 电极 调节控制系统 中包括 2种控 制方 式 手动控制和 自动控制方式。手动控制方式和 自 动控制方式可以进行切换 ， 在熔炼过程 中， 当切换到 自动控制方式将 由 P L C 自动完成整个 电极调节控 制单元 的调节过程控制 ； 当需要手动控制调节 电极 时， 可 以直接切换到手动控制方式 由操作者对各相 电极进行人工控制操作。电弧炉电极调节控制功能 是通过 P L C的模拟量输入／ 输 出模板及 C P U单元 来实现的。首先 ， 将现场采集 的三相 电弧 电流和三 相电弧电压 ， 经过电流互感器和电压互感器送入 电 流变送器和电压变送器中， 变为 4～ 2 0 m A信号后 进入 P L C模拟量模板 ， 经 A ／ D转换后送人 P L C中， 在 P L C中选择相应 的控制策 略及算 法进行控制计 算 ， 然后通过 P L C的模拟量输 出模板进行 D ／ A转 换 ， 转换的结果输出到液压系统的液压 比例阀， 来控 制电极升降 ， 调 节电弧炉的输入功率。当电弧 电流 小于给定值时， 输出的控制信号使 电极下降 ， 以增大 电弧电流。当电弧电流大于给定值 时， 输 出的控制 信号使电极上升， 以减小电弧电流。当电弧电流等 于电流设定值时 ， 输 出的控制信号使伺 服阀阀芯 回 到 中间位置 ， 电极不移动。 图 5为电极控制系统流程图， 电炉 电极调节控 制系统采用恒阻抗控制策略为 eUhK2 I h 式中 为实测电弧电压 ， 为等效电流系数 ， 由电 压等级及期望的电弧 电流决定 ， 为实测电弧电流。 方式 控制方式选择 一 ＼／ J - 自 动 取当前电流电压反馈值 I 丝 茎 篁 t 调用非线性控制 l 丁Y 调用 P I D控制器 输出控制量 ／＼ 电 极运 行方 式 上 l下 降 输出 7 O ％开 口度 输 } i { 7 O ％开n 度 输出 0开 口度 输出控制量 竺 塞 图 5 电极控制 系统流程 图 控制流程如图6所示。 图 6控制流程 图 系统监控主界面主要由电弧炉系统 中各系统 的 示意图构成 。主界面包括电极系统、 液压系统、 水冷 系统 、 炉体温度采集 系统等。为 了便于操作人员方 便地监视数据 ， 系统中显示了冶炼过程 的主要数据 ， 如电炉状态 、 电弧弧压 、 液压系统的总油路压力等。 电极调节界面包括电极调节示意图和电极调节的电 压电流棒形 图。在电压电流棒形 图画面中可以进行 三相 电弧电压电流设定值的录入。三相电弧的电流 和电压值分别通过各 自的控制器给出控制信号来调 节比例阀的开度 ， 对 电极 的升降进行调节。图上所 有绿色或者红色的灯都是表示某个信号的运行状态 或者是否发生故障， 闪烁表示故 障状态 ； 通过 鼠标或 触摸按击可以实现相应的操作命令 ， 按钮 的上方都 有说 明； 开关可以实现某些控制命令 的切换 ， 如启停 命令 ； 自复位式开关。为 了在主界 面中使用户能直 观地观测到当前发生报警的所在系统 ， 让各系统出 现故 障发生报警时， 在 主界面 的相应元件上发生闪