2.2.3   高压供电设备

2.2.3.1 高压设备采用10KV KYN型手车式开关柜。

本次高压系统设计包括：

● 设断路器柜一台，用于保护LF炉变压器；

● 高压计量及避雷器柜一台；

断路器采用真空断路器，高压柜内采用TBP型组合式过电压保护器用以防止操作过电压和浪涌过电压，所有高压开关柜配置带电显示装置。

2.2.3.2 断路器操作机构为直流电磁操作机构，设有本柜及操作台操作两种操作方式。采用防跳装置，克服其空触头电弧重燃。

2.2.3.3  高压柜内装有均设闭锁装置，具有防止误操作功能，满足国家水电部提出的“五防”要求。

2.2.3.4  高压测量部分，放在高压开关柜内。包括电流表、电压表等测量仪表。

2.2.3.5  高压设备组件

真空断路器柜：

包括真空断路器手车、电流互感器、仪表、指示灯等      4面

高压计量及避雷器柜：

包括高压计量、TBP、消谐装置等                       1面

2.2.4  低压配电系统

2.2.4.1  低压配电柜采用GGD型开关柜，电源为一路AC380V，三相四线制电源，配电柜有三相电压指示，同时该柜内装用多只断路器，分别向各用电点提供电源，。

2.2.4.2  液压系统的控制（液压柜）

液压柜要置于液压站内，以便操作。在上位机画面上也要有操作按钮，两者可互换使用。

液压站设多台液压泵，互为备用，通过开关进行转换，同时要设有卸荷阀，以减轻泵的启动负荷。冷却泵对液压介质进行冷却。

液压系统控制炉盖的升、降，电极松开，电极升降等，电极升降采用比例阀控制。

2.2.4.3  吹氩系统控制

吹氩管道上要设有电磁阀、压力变送器、流量变送器等。这此电气参数均进入PLC系统，在上位机的画面要以实时形式显示实际值，并进行记录。同时，氩气流量和压力可进行人工调节，并根据需要随时调整流量值。

2.2.4.4 水冷系统控制

水冷系统设有总进水压力和流量的检测。总进水管路又分为两大路，一路向导电横臂、水冷电缆提供水源，另一路向水冷炉盖提供水源。每个用水支路装有电接点温度计，设定上限值55℃，所有超温信号皆送入PLC进行报警。

2.2.4.5 钢包车控制

钢包车控制采用变频器调速，设有手动、自动两种方式。自动方式可以实现钢包车的准确定位，其定位精度为±10mm，手动在检修或出现故障的情况下，可以实现钢包车的多速行走，手动优先。整个操作全部置于炉前操作台。变频器采用富士或西门子的变频器。

2.2.4.6  变压器控制

变压器二次电压的档位调整可在无载开关调压箱或主操作台实现。

变压器的保护信号也送入PLC内，例如瓦斯信号、油温信号等；一旦采到事故信号，会自动采取相应处理措施报警或切断高压。

变压器的冷却采用油水冷却器进行强制冷却；油水冷却器配有备用冷却器及泵，采用互为热备形式。

2.2.4.7  电极升降控制

三相电极升降是由独立的一套PLC系统进行控制，能够单独进行升降；也能三相同时升降。

当PLC出现故障时，电气系统要能够快速地将三相电极提起，确保安全。

电极升降可以手动和自动（PLC）控制，手动可在炉前操作台或主操作台由按钮操作电极升降。自动为正常工作方式，由PLC（也可结合上位机）对每相电极独立按冶炼设定进行自动跟踪。

2.2.4.8钢液测温仪表

    设有钢液测温仪表一台，通过4-20mA信号将钢液温度送入PLC内，并完成上位机画面的显示。

2.2.5  PLC及上位机系统

2.2.5.1 控制系统的设计思想：

以超高功率电炉炼钢、炉外精练和连铸组成的工艺路线是一个包括了信息流、物料流和能源流再内的而且还伴随物理化学反应、相变过程及物质和能量相互转变过程的十分复杂的工业控制系统。这样的系统不仅仅考虑各单一设备的优化控制外，必须从整体出发协调和处理装置间复杂的耦合、制约关系。在系统的设计中，我们追求系统的先进性，但把可靠性摆在第一位；追求系统的经济性的同时考虑系统的可用性和可扩展性。

2.2.5.2 控制系统组成

根据厂里的具体情况，控制系统结构形式采用上位机加PLC可编程器。（见框图）

LF精炼炉基础自动化级包括两台PLC可编程器，其中一台用于电极调节, 一台用于炉体动作等控制，与工控机构成自动化级网络。网络采用PROFIBUS协议。上位工业控制机（HMI）用于画面显示、操作指导、人机对话，以及部分模型修正和优化计算。上位机留有二级网接口。 LF炉的上位机与VD炉的上位机的显示器要互为热备用。

2.2.5.3 控制系统的描述

A．基础自动化级：

◢  开关量信号控制

开关量信号控制的每一个输出动作，都必须满足相应的逻辑连锁条件。这一类控制主要有：

炉盖动作

钢包车动作

变压器换档控制

变压器油温、轻重瓦斯监控

水路流量、温度、压力监控

真空开关合分闸

手动按钮、摇柄、鼠标点击对应的动作

◢ 模拟量控制

模拟量控制在电炉中主要是指对电极升降的调节控制，钢包车行走和吹氩流量等控制。

    电极调节控制

电极调节有手动控制和自动控制两种放式，并采取手动优先的控制原则。

手动控制方式可对任一电极进行升降操作，也可对三相电极进行同升同降的操作。手动控制方式对电极升降的灵敏度可直接调整。当自动方式一旦失效后，手动方式可以不借助PLC将电极升起。

在自动控制过程中，当具备所有冶炼的连锁条件后，三相电极快速下降完成自动起弧的控制过程。在三相电极下降未起弧前，三相电极下降速度难免一致，某一相电极下降过快会插入钢水直到另一相电极下降至起弧高度起弧后，才能从钢水中升起。我们设计的控制系统，在发生这种单电极首先接触钢水时，电极立即抬起一定高度等待另一相电极下降完成起弧。三相电极正常起弧后，电极升降速度取决于弧流的大小并始终自动跟踪预先设定的弧流。PLC控制电极调节过程中接受上位机控制指导。见控制流程图。

 

电极调节原理框图

满足连锁条件一

开始

手

自动/手动

自

手动处理操纵

读上位机参数标识

有新参数

三相相关量数据采样处理

修改参数

采样数据送上位机

Y

N

N

Y

电极下降处理

起弧否

N

Y

上位机直控

读取上位机直接控制参数

与给定值比较处理

需要控制否

PID控制算法

三相平衡处理算法

电压参与控制

电压调节控制

控制量送上位机

将控制量输出

N

Y

Y

N

Y

N

提升电极、停止操作

控制结束否

N

Y

电极调节PLC向上位计算机开放的控制变量有：

● 控制层变量                        （0 = 无需高层控制，1 = 高层控制）

● 控制类型      

● 死区调零修正变量

● 死区范围设定变量

● PLD初始化变量                （0 = 不初始化，1 = 初始化）

● 输出量最小限定变量        （0 = NO，1 = YES）

● 输出量最大限定变量        （0 = NO，1 = YES）

● 比例系数KP标志            （0 = 不修正，1 = 修正）

● 比例系数KP

● 积分系数KI标志                    （0 = 不修正，1 = 修正）

● 积分系数KI

● 微分系数KD标志            （0 = 不修正，1 = 修正）

● 微分系数KD

● 反馈量比例变量                （  %）

● 循环时间 T

● 给定值SP

● 输出控制变量

◢ 吹氩控制

吹氩控制的目的是为了搅拌钢水使钢水的温度和成分达到均匀。吹氩控制是按预先设定的工艺控制曲线进行的。在控制过程中，要求在不同的控制阶段要尽可能的快速跟踪不同的设定值。避免阻尼过大或过小。最初的吹氩需要控制在大压力大流量的状态下，保证钢水破壳顺利完成。而后吹氩量控制在额定量下搅拌钢水。当钢水中添加了合金补充料后，吹氩量加大并持续一定时间后吹氩量自动减小。测温取样的过程中，吹氩量也有相应的变化。吹氩控制是按预先设定的工艺控制曲线进行的。如图所示：

 

吹氩工艺曲线和一些相关参数可以通过HMI进行选择和设置。

◢ 钢包车行走控制

钢包车行走是通过变频器控制电机转速来实现。控制变频器有两种方式。一种是模拟量方式，将控制电压按一定曲线加载到变频器上，从而保证钢包车按设定的速度行走。如下图所示：

其中t1,t2,t3时间参数可以通过hMI设置，再下传给PLC。另一种控制变频器的方式是将转速曲线直接设定到变频器中，通过开关量信号启动变频器来完成钢包车行走控制。钢包车行走控制还需要一些辅助的限位（或渐近）开关等。如果加上编码器，可以监测钢包车全程行走。近似于闭环控制。

    B．过程优化控制（上位机）

这一级控制的所有控制输入变量均来自基础级上传的信息资料，对这些信息经过一定的数学模型的优化处理，再反馈给基础级，包括以下几个内容：

最佳电弧功率点的跟踪

在电炉冶炼的各阶段，变压器档位电压可手动调整，弧流的设定也在改变，从功率圆图中，可以看出，电弧最大功率这一点对应着一弧流，这一弧流就是理想的设定电流，保证这一点就可以使电弧产生最大功率，对缩短冶炼周期，减小损耗节电起着决定因素。因此在控制过程中，不同电压档位下的电流设定值必须跟踪和验证。经过一定算法对设定电流进行修正，确保电弧功率最大。

冶炼工艺的控制曲线

不同的钢种，有不同冶炼工艺，对应的控制曲线也不同。对于LF炉控制，希望在起弧后到泡沫渣未完全形成前，弧长短弧流大。当泡沫渣造好后，弧长适当增长弧流相对减小。

计算机根据不同钢种的工艺要求，储存了若干条曲线，可以直接使用。其中，时间参数和弧长均可以人工干预。弧长的改变，对应的档位电压和电弧流的变化。每次人工干预后，计算机对最终的冶炼效果分析比较，并提出建议参数。

控制方法

从控制策略方面来说有三种，“恒电流控制”、 “恒阻抗控制”、“恒功率控制”。不同冶炼阶段可以采用不同的控制策略，围绕着某一策略有许多的控制方法。

PID控制方法：

PID--针对被控对象没有具体表达函数，而采用的一种传统的控制算法，我们这里引入PID是一种智能现代PID控制算法，所有的控制系数均可自动校正为最佳参数。

    模糊控制法：

根据多年来冶炼经验，将一些定性不定量的经验方法进行量化，参与控制，这种控制方法常与其他控制方法一起使用。会产生较好的效果。在一些自适应、自学习系统中常常使用。

    神经元网络控制法：

当被控对象有较多的采集和控制点，这些点如果存在相互扰动、牵制，采用此种方式控制非常有效。在电炉系统中，由于三相电极电流互相耦合。一次扰动要经过若干次调节，才能使三相电流恢复到平衡。结果是其一，超调量增大，调节过程加长，影响产品质量控制和加大能耗。其二，使电极升降传动机构频繁动作。缩短传动机构的维修周期和使用寿命，并且使调节回路能耗比例增大。引入这种方法，控制器一次并行地给出三相电极的调节量，使其一次调节到位。另外在钢水温度预测、能量注入计算，等控制方面次方法都很有效。

其他的控制方法还有导数控制法，最小震颤次数统计法等等。

   HMI监控

HMI可以进行人机对话，显示故障信息和进行状态，管理相应数据库，记录有关数据。主要画面如下：

高压画面：

电炉供电系统图

断路器合分闸状态

变压器工作状态

高压系统故障点显示

合金加料：

日期 、班组

炉号

钢种显示

钢水重量

钢水成分化验结果

合金成分输入显示

合金成分输出显示

加热画面：

电极升降调节图

钢水温度

变压器档位显示

加热曲线设定

              弧流、弧压、电度计量

冷却画面：

水冷系统回路

压力、流量显示

进出水温度

水分配器阀动作

液压画面：

液压回路总图

电极升降阀状态

              电极加紧、放松状态

              炉体运动状态  

              吹氩系统情况

报表系统

每日报表

每日报表包括总结在LF炉里每天的生产工况信息

PLC自身保护（可选）

PLC是比较昂贵的产品。由于它直接面向被控设备,因此保护PLC安全工作是势在必行的任务。我们研制的保护模型可以有效的保护PLC。当现场采集点串有高电压时，保护模型可以有效的抑制高压保证PLC不受损坏，去除故障点，PLC自动恢复正常工作。保护模型输入端允许加载高于正常24V信号电压2-3倍的电压，而长期工作不会损坏PLC。短时间内加载220V电压也不会损坏PLC。

2.2.5.4 系统硬件组成

控制系统由电极调节柜、控制柜和主控台组成。柜体采用GGD玻璃面，以便观察。

电极调节PLCⅠ柜

柜中主要部件有：

● 电极调节PLC

● 电压变送器

●  COSφ变送器

● 电流变送器

● 自恢复安全保护栅

● 相关仪表、电器

PLC主要组成(S7-300)

电源PS模块

CPU模块(64M FLASH EPROM)

CP 通讯模块

DI输入模块

DO输出模块

AI输入模块

AO输出模块

槽底版

前连接器

备用电池

编程软件

其它功能模块

以上配置根据实际情况增减，并保证有15%余量。

其中三相电极控制部分增加一路备用控制

逻辑控制PLCⅡ柜

柜中主要部件有：

● 炉体控制PLC

● 变压器轻重瓦斯、油压、油温测量保护

● 变压器工作状态、冷却器工作状态指示

● 钢包车控制

● 吹氩控制

● 24V直流电源

● 相关配电开关

● 二次电压隔离变压器

    PLC主要组成

电源PS模块

CPU模块(64M FLASH EPROM)

CP 通讯模块

DI输入模块

DO输出模块

AI输入模块

AO输出模块

扩展IO模块

槽底版

前连接器

备用电池

编程软件

其它功能模块

以上配置根据实际情况增减，并保证有15%余量。

主操作台

主要用于LF炉的电极调节、变压器调压、高压分合控制操作等。主要元件包括：

工业控制机

    各相弧压、弧流、控制量输出电流表

    各种按钮、操作开关、摇柄、指示灯（包括电极位置信号）、事故紧急停按钮等

工业控制机配置(上位机)

    选用台湾研华工控机，配置如下：

CPU 卡： P4 1.1G

内存： 256M  DDR

硬盘： 40Gbyte

软驱： 1.44MB

光驱： 40 倍速

键盘：工控防水键盘

鼠标：罗技

网络适配器

以态网卡

610工控机箱

显示器： 三星  17吋LCD

网络适配器、SIEMENS PROFIBUS-DF电缆等。

上位机供电采用在线UPS供电，UPS的上端要采用隔离变压器进行隔绝，以减少电网的干扰。PLC的相关电源也须采用隔离变压器。

编程器

编程器采用TOSHIBA笔记边电脑，配置如下：

CPU          P4  1.6G     

内存            RAM  128M

硬盘      40G  

内置光驱    24X

软驱       1.44M

56KMORDEN

10/100 Fast Ethernet

14.1彩色XGA TFT。

软件：

WINCC组态软件

WINDOWSNT4.0

SETP7 编程软件

相关工具软件

控制应用软件