基于S7-300PLC的大型电弧炉控制系统

　　目前，在我国冶金行业中，大多数三相电弧冶炼电炉是靠人工凋整电弧电流进行控制的。由于电弧炉的非线性、大滞后、强耦合、时变及随机干扰较强等难点，以及工人的经验不同，冶炼的效果分散性很大，导致产品质量下降，在冶炼的不同阶段，控制效果很难一致，系统容易振荡，增加电极消耗，严重时会引起断电现象，不能保证三相电流的平衡输入，产品质量不稳定，或者采用的控制器为BOOL型控制模式，输出为通断信号，电极的升降速度为恒值，不能根据电弧电流的变化趋势调整电极的升降速度，容易引起系统振荡，使超调增大，调节过程加长，影响产品质量，增加能耗，导致电极上下频繁动作，容易引起断电现象，并缩短传动机构的使用寿命。为了解决以上问题，应用自适应控制理论，采用可编程控制器(PLC)为核心控制部件，实现了电弧炉电极升降的自动准确控制，有效地减少了电极短路、断弧和振荡现象。

　　1 电弧炉电极自动系统控制策略

　　1.1 电弧炉的冶炼过程工艺特点

　　电弧炉的冶炼过程为间歇式操作，每炉次主要分为引弧加料期和熔化期。前者的特点是电弧不稳定，电流波动极大，易发生断弧、过电流跳闸和断电极事故;后者的特点是弧温较低，炉料比电阻较高，电极弧光埋在未熔化的炉料中，电流随冶炼的进行逐渐趋于平稳，如果控制的三相电极非平衡满负荷送电，可能使炉料不能迅速熔化而延长冶炼时问，增大功耗。

　　1.2 控制方案

　　依据经典控制理论，只有建立了被控对象的数学模型，再按照系统工艺所要求的静态指标和动态指标设计校正环节的参数，才能满足工艺要求。但由于电弧炉具有多变量、非线性、大滞后、强耦合、数学模型参数的不确定性和系统工作点的剧烈变化等特点，其实质是一个多输入、多输出、非线性、强耦合的对象，显然经典控制对此无能为力，甚至用现代控制理论也不能精确地解决问题，因为系统的特征所决定的数学模型难以建立，因此难以实现对被控量的精确控制。通过对电弧炉在冶炼过程中特点的了解，以及对被控对象特性的分析得知，电极调节系统是一个位置控制系统，调节对象是弧长，但由于弧长没有合适的检测设备，只能通过检测电弧炉主电路的电弧电流间接地反映弧长的大小，也就是通过控制电流来控制弧长。

　　当控制对象的特性或参数随着环境的变化或运行时间的加长而大幅度变化时，常规的反馈控制难以完成优良的控制，而采用自适应控制的控制方案比较合理。由电弧炉的功率特性曲线得知，不同的电弧电流对应相同的电弧功率，当弧流超过最有利的调节电流时，输入炉内的功率并未因电流的增加而增大，反而线路的电耗增大，效率降低。在熔炼时，将某一熔炼过程中最有利的调节电流作为电弧电流的额定值，再用自适应控制来调整相关参数。