PLC型变频电极调节系统在电弧炉上的应用.pdf

P L C型变频 电极调 应 用实例 Ap p l ic a t io n I d e a s 节 系 电气自动化 2 0 1 4年第3 6 卷 第2期 统在 电弧炉上的应用 樊晓栋 赣州有 色冶金 机械 有限公司 ， 江西 赣州 3 4 1 0 0 0 摘要结合 P L C型变频电极 自动调节系统的特点， 通过技术改造将其应用到电弧炉上， 实际运行证明能够提高企业炼钢电弧炉的自 动化水平 ， 有效提升变频电极调节器使用效能。 关键词电极调节系统 ； 变频器； P L C； 炼钢电弧炉； 效能； 技术改造 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j i s s n ． 1 0 0 0-3 8 8 6 ． 2 0 1 4 ． 0 2 ． 0 3 3 [ 中图分类号]T P 2 7 2 [ 文献标志码]A[ 文章编号]1 0 0 0 3 8 8 6 2 0 1 4 0 2 0 0 9 9 0 2 Ap p l ic a t io n o f PL C F C El e c t r o d e Re g u la t i n g Sy s t e m i n t h e E l e c t r ic Ar c F u r n a c e FAN Xi a o d o n g G a n z h o u N o n f e r r o u s Me t a l l u r g i c a l Ma c h i n e r y C o ． ， L t d ． ， G a n z h o u J i a n g x i 3 4 1 0 0 0 ，C h i n a Abs t r a c t Un de r c o n s i d e r a t i o n o f t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f PLC FC e l e c t r o de a ut o ma t i c r e g ul a t i n g s y s t e m ，i t fin ds a p p l i c a t i o n i n t h e e l e c t r i c a r c f u r n a c e t h r o u g h t e c h n o l o g i c a l t r a n s f o r ma t i o n ． P r a c t i c a l o p e r a t i o n p r o v e s i mp r o v e me n t o f t h e a u t o ma t i o n l e v e l o f s t e e l ma k i n g a r c f u rna c e，a n d t h e e f f i ca c y o f FC e l e c t r o de r e g u l a t o r i s e f f e c t i v e l y r a i s e d． Ke y wo r d s e l e c t r o d e r e g u l a t i n g s y s t e m； f r e q u e n c y c o n v e r t e r ；P L C； s t e e l ma k i n g a r e f u r n a c e ； e f f i c a c y ； t e c h n o l o g i c a l t r a n s f o r ma t i o n O 引 言 电弧炉是冶炼行业最主要的冶炼设备， 近十几年来电弧炉的 冶炼能力已经有了很大程度的提高 ， 为了获得最大的经济效益 ， 同时又必须保证电弧炉设备满足冶炼工艺技术要求， 这就需要有 高性能的控制设备作保证 ， 其中最主要的控制设备就是电极升降 自动调节装置 简称调节器 。电弧炉整个控制系统的核心是对 电极的位置进行精确控制， 并对定位信号的精确跟踪控制⋯。我 单位前期一直使用的是可控硅一转差离合器式调节器， 电极的调 节都是靠操作工进行半 自动控制 ， 导致其熔化时间和产品质量依 赖于操作工的经验 ， 造成系统的精确性和稳定性低， 电炉控制性 能不能满足冶炼电流、 功率和炉温的工艺要求。而且老式调节器 均是采用分立元件构成 ， 由于元件的工作点不稳定， 因此故障率 高， 维护的工作量大 J 。目前我单位对 1 0吨电弧炉的电极升降 控制系统进行了技术改造， 用 P L C型变频 电极调节装置取代 了 可控硅一转差离合器式调节器， 改造后系统可靠性强 ， 响应速度 快捷 ， 其高度 自动化和智能化的控制性能对稳定电弧、 消除电极 窜动、 最大限度地发挥电弧炉的炼钢潜力等均产生了十分显著的 效果 。 1 P L C型变频电极调节系统介绍 本系统由变频器控制柜和P L C操作台两大部分组成。 变频器控制柜由富士变频器 、 自冷式电机、 变流器、 低压电器 元件等组成。 主操作台是由可编程控制器 P L C、 低压电器元件、 弧流变送 器、 弧压变送器 ， 交流隔离变压器 、 过流继电器等器件组成。经设 计计算 ， 1 0吨电弧炉选用 7 ． 5 k W 的 自冷式电机 ， 5 ． 5 k W 富士 G1 s型变频器和西门子 s 7 3 0 0 P L C 。系统的主要构成见图 1控 定稿 日期 2 0 1 3 0 81 3 制系统框图。 1 ． 1 变 频 器 性能 电弧炉在 冶 炼过 程 中， 其 初 始熔化、 熔化 、 氧 化和还原各个阶 段 对 供 电 制 度 图1 控制系统框图 即电压 、 电流的大小 有着不同的要求 j 。特别是在铸造冶炼 行业， 在炉料熔化期， 由于炉料材质 、 形状的不同， 电弧放电间隙 经常变化 ， 产生从电极与金属短路到断弧的偏差， 经常有冲击电 流和短路现象发生， 因此电弧炉对电极移动要求非常高， 其实质 是对变频器的控制性能要求很高 ， 既要满足电弧炉电弧长度稳 定的要求 ， 又要满足电动机起动转矩大， 同时降低起动电流起动 性能的要求。同时调节器要具有快速响应、 快速制动特性。 富士 G l S型变频器具有以下主要特点 1 由变频器构成的电极 自动调节器， 具有转矩提升作用。 其最大优点就是满足了电弧炉因机械负荷重， 在低速时容易烧坏 电机的问题。也就是说， 变频器具有恒最大转矩调速性能。 2 电流恒定。电弧电流不受电弧电压和短网阻抗的影响， 冶炼过程中各相电弧电压是不会随时波动， 实践表明不平衡值可 达 1 0 ％ 以上 。 3 变频器具有多种保护功能。具有过电流、 过电压、 瞬时 停电、 逆变过热、 电子继电器跳闸、 D S P出错等保护装置。 4 变频器高度集成， 故障率低 ， 对电机有保护作用。 1 ． 2 P LC控制系统 西门子 s 7 3 0 0 P L C其 P L C是模块化结构设计 ， 各种单独模 块之间可进行广泛组合和扩展， 它的主要组成部分有导轨、 电源 模块、 中央处理单元模块 C P U 、 接口模块、 信号模块、 功能模块 E le c t r ic a I A u t o ma t io n 9 9 电 气自 动 化 2 0 1 4 年 第3 6 卷第2 期 应用实例 A p plic a t io n I d e a s 等组成 。具有开关量逻辑控制 、 模拟量控制 、 闭环过程 控制 、 定 时、 定位、 计数控制、 数据处理等强大功能。对于外界的干扰， 比 如过流、 短路等， 能够及时地检测并给予实时补偿， 无论碰到导电 材料还是非导电材料， 系统具有相应的保护功能， 防止电极折断。 P L C操作台其操作、 控制、 显示功能强大， 实用性强。具有电 弧电压、 电弧电流、 给定电流 、 电极提升、 电极下降、 电极速度、 停 止 一手动 一P L C 、 自动 一 停止 一总提升、 P L C运行、 P L C故障、 变频 器 一堵转故障、 低压送电、 低压停电、 高压送电、 高压停电、 电机电 流、 复位、 电铃等显示或按钮开关。 1 ． 3 调节器工作原理 冶炼电流 自动控制系 统是由冶炼电流给定信号 与冶炼电流反馈信号比较 器、 P I 调节器、 交流变频调 速器、 慢速升降电机构成 的双闭环 自动控制 系统。 可编程控制器作为中央控 制装置， 通过信号采集、 模 数转换等模块实现数据传 送和电极控制。其工作原 理； 通过调节操作 台上冶 炼电流给定 电位器旋钮， 给定电流信号与二次电流 变量初始化 I 接 受 上 位 机 命 令 I l 采 集 电 极 工 况 参 数 『 一 偏 差 信 号 比 较 觑 一 P l ● ● l l I 0 l I E ar 0时，电极上升； 当 眈 3 各个冶炼时期 5 ％ ， 自适应调节灵敏度 升降起动 0 ． 1 5 ， 升降制动 0 ． 1 1 5～1 5 0 ％ 变压器额定 电流 熔化期≤6 精炼期≤ 2 2 ． 2 改造效果 电弧炉电极升降系统经过 P L C变频式电极 自动调节器改 造， 与可控硅 一转差离合器式调节器相 比， 技术水平有根本性的 1 o 0 E l e c t r ic a I A u t o ma t io n 提高， 达到了以下十方面的效果 1 高可靠性。变频调速技术与可控硅交流调压调速技术 相比， 其最大优点就是利用恒力矩特性从设计上解决了因机械负 荷重 ， 低电压超负荷和分离元件引起 电路故 障而烧坏电机的 问题 。 2 控制性能强。由于采用 P L C控制 ， 使得电炉控制性能大 大优于传统的模拟控制方法。该系统的自适应性能相当完善， 即 能根据 电炉 内的工况 ， 适时 自动 的调 节灵敏度 ， 不需 要人 工选 定 加热曲线， 避免了操作人员对参数选择不当带来电弧不稳电极窜 动等 问题 。 3 节能效果明显。节约冶炼电耗 5 ％ ～8 ％， 电极消耗降低 0 ． 5～1 ． 0 k G ／ T， 炉衬提高 1 0 ％左右 ， 熔料时间缩短 1 0～1 5 MI N ／ 炉。这是因为调节器的非灵敏区控制性能优秀， 关于非灵敏区控 制范围， 模拟变频电路为 1 0 ％， P L C电路为 5 ％， 例如给定 1 0 k V电压下的电流， 模拟变频电路实际冶炼电流稳定在 9～1 1 k V 电压的调节范围， 而 P L C控制的调节器， 实际冶炼电流稳定在9 ． 5 ～ 1 0 ． 5 k V电压的调节范围， 超过此范围电极就动作。非灵敏区 越小 ， 电流控制越准确， 在熔化期， 炉料熔化更快 ， 在精炼期， 控制 钢水温度就越准确 ， 从而达到增产节电的作用。 4 电弧稳定 ， 抗干扰能力强。电弧电流不受变压器换挡的 影响。冶炼电压至少有二档， 多则十五档以上， 采用调节器后， 省 去随换挡切换电信号的环节， 由于减少了切换冲击， 电流波动引 起电极窜动带来的传动机械磨损明显减少。 5 能低电压起动。即使在很低频率下， 也能以 1 ． 5倍额定 转矩启动电机。这是因为变频调速改变了以往交流电动机用调 电压去调速度的方法， 而用调整电源频率来调整 电机转速的办 法， 在改变频率的同时， 始终维持电机输出力矩 V ／ F 为额定值， 从根本上消除了低电压时力矩小的弊端。高速特性敏感， 在塌料 或电极短路时， 电弧炉迅速脱离短路状态， 能以极快速度提升 电极 。 6 调速范围宽和调速精度高， 系统启动、 制动响应快， 实测 数为 0 ． 1 0 ． 1 5秒。电极提升最高速度， 为原最高速度的2倍。 7 三相电弧功率比较平衡 ， 各相炉料熔化比较均匀。这是 因为电流控制精度越高， 三项电极加热的电流就越一致， 在三相 平衡的情况下， 功率因素最高。并可进行较为复杂的计算， 如三 相功率平衡控制等， 而且程序修改极为方便。 8 变频器的应用实现了开环无极调速， 取消了整个测速反 馈环节， 简化了控制电路 ， 消除了由于测速电机方式问题所引起 的各种故障， 减少了停炉检修时间。 9 有完善的保护系统。保护包括五个环节 电极到顶 自动 停机、 电极到底 自动停机、 炉料不导电自动停机 、 电机缺项 自动停 机， 以及电极不够长延时单方向 下降 自动停机并自动恢复。 1 0 维护检修调试方便。集成块的使用实现了电气参数的 标准化， 减少了大量焊接引线和插接， 分立元件可能引起的故障， 降低了维修难度， 安装简单 ， 调试方便 ， 故障率极低。新型 P L C 电路的四块插件电路完全相同， 有互换性， 直观性强 ， 对维修和判 断故障十分有利。 下转第1 0 3页