真空自耗电弧炉电控系统的改造设计与实现

真空自耗电弧炉电控系统的改造设计与实现邹伟，等　真空白耗电弧炉电控系统的改造设计与实现　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｒｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　Ｖａｃｕｕｍ　Ａｒｃ　Ｒｅｍｅｌｔｉｎｇ　Ｆｕｒｎａｃｅ　邹　伟　高　颀　（宝钛集团有限公司，陕西宝鸡７２１０１４）　摘要：在简要介绍了某真空自耗电弧炉的组成及存在问题的基础上，提出了一种适用于钛及钛合金熔炼的真空自耗电弧炉控制的　分布式总体设计方案，并给出了相应的硬件实现和软件流程。该方案实现了过程参数的设定与采集、逻辑连锁及信息交换等控制功　能，同时使电气控制水平和性能得到了全面提升，维护检修简捷方便，信息交换更加可靠，人机界面更加友好。　关键词：分散控制分布式控制信息交互监控改造　中图分类号：ＴＰ２９　文献标志码：Ａ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ｖａｃｕｕｍ　ａｒｃ　ｒｅｍｅｈｉｎｇ　ｆｕｒｎａｃｅ　ａｎｄ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｏｆ　ｄｉｓ—　ｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｖａｃｕｕｍ　ａｒｃ　ｒｅｍｅｈｉｎｇ　ｆｕｒｎａｃｅ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｆｏｒ　ｒｅｍｅｌｔｉｎｇ　ｔｉｔａｎｉｕｍ　ａｎｄ　ｔｉｔａｎｉｕｍ　ａｌｌｏｙ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ａｎｄ　ｒｅｌｅｖａｎｔ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｉｍｐｌｅ・　ｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｆｌｏｗｃｈａ￣ａｒｅ　ｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｓｅｔｔｉｎｇ　ａｎｄ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｌｏｇｉｃ　ｉｎｔｅｒｌｏｃｋ，ａｎｄ　ｉｎｆｏｒｍａ—　ｔｉｏｎ　ｅｘｃｈａｎｇｅ，ｅｔｃ．，ａｒｅ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｉｓ　ｓｔｒａｔｅｇｙ：ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｌｅｖｅｌ　ａｎｄ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｒｅ　ｅｌｅｖａｔｅｄ．Ｉｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ　ｉｓ　ｓｉｍ－　ｐｉｅｒ　ａｎｄ　ｅａｓｉｅｒ；ｄａｔａ　ｅｘｃｈａｎｇｅ　ｂｅｃｏｍｅｓ　ｍｏｒｅ　ｒｅｌｉａｂｌｅ，ａｎｄ　ｍａｎ—ｍａｃｈｉｎｅ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｉｓ　ｆｕｆｌｈｅｒ　ｕｓｅｒ—ｆｉｒｅｎｄｌｙ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｄｅｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｅｘｃｈａｎｇｅ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　Ｒｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　０　引言　随着钛及钛合金产品在行业应用中的不断扩展和　对产品质量要求的不断提高，采用真空自耗电弧炉　（ＶＡＲ炉）生产优质钛及钛合金铸锭已经成为目前国　内外普遍采用的有效方法…。　在改造前，ＶＡＲ炉的电控系统性能无法满足现有　的控制要求，时常造成电弧电压的频繁波动，使熔炼过　程存在质量、安全隐患；同时，没有生产过程实时参数的　准确记录，不能满足某些领域的质量控制和认证要求。　针对以上问题，结合市场需求与工艺优化的要求，　通过技术方案的反复论证，我们公司于２００５年采用目　前先进的分散控制策略及信息交互技术　ｊ，实现了该　设备的自动化系统改造，并且达到了投资少、见效快、　图１　ＶＡＲ炉基本结构示意图　Ｆｉｇ．１　Ｂａｓｉｃ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ＶＡＲ　ｆｕｒｎａｃｅ　实用性强的目的。　１．１控制系统网络结构　１控制系统结构　针对ＶＡＲ炉熔炼钛及钛合金过程中过程实时参　用于钛及钛合金熔炼的真空自耗电弧炉基本结构　数、逻辑信号分布不集中，设备布局相对较分散，大熔　如图１所示　。　炼电流产生现场磁场干扰造成信号传输稳定性差等问　题，控制系统采用集中／分布式结构　，实现过程参数　及工艺参数的设定与采集、逻辑连锁及信息交换等控　修改稿收到日期：２００９—０７—２７。　制功能；以工业微机作为现场监控、管理机，实现良好　第一作者邹伟，男，１９６６年生，１９９８年毕业于东北大学信息工程学院　控制理论与控制工程专业，获硕士学位，教授级高级工程师；主要从事有　的人机界面，并预留了与上一级管理网络相连接的接　色冶金行业冶金设备自动化系统的研究与设计工作。　口。通信采用Ｐｒｏｆｉｂｕｓ．ＤＰ总线模式，数据传输采用　《自动化仪表》第３１卷第４期２０１０年４月　３７　真空自耗电弧炉电控系统的改造设计与实现邹伟，等　采用ＣＢＰ模板与主站连接，从而实现电极杆的驱动；　主一从站令牌方式，满足工艺及控制对响应时间的要　求。控制系统结构如图２所示。　同时，设置了４个远程分布式从站，分别定义为３　从　站、４　从站、５　从站、６　从站。３　从站完成真空机组的　启／停操作、顺序连锁及应急处理，４　从站完成内／外循　环水系统的启／停操作、顺序连锁及应急处理，５　从站　完成炉前操作功能，６　从站完成３台熔炼电源的工艺　电流均衡设定及连锁控制。所有从站均通过Ｐｒｏｆｉｂｕｓ－　ＤＰ通信口和屏蔽双绞线通信电缆与主站通信，实现对　现场Ｉ／Ｏ信号的采集与控制。　现场监督、管理级上位机选用Ｄｅｌｌ　Ｏｐｔｉｐｌｅｘ　２８０　ＰＣ　机，配置了基于Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＮＴ操作系统的Ｓｉｍａｔｉｅ　Ｓｔｅｐ　７　Ｖ５．２编程软件和ＷｉｎＣＣ　Ｖ６．０组态软件。现场选用Ｓｉ—　ｍａｒｉｅ　Ｎｅｔ　Ｃ５６１ｌ网卡。该网卡基于Ｐｒｏｆｉｂｕｓ－ＤＰ通信协　议，实现上位机与ＰＬＣ主站的通信，完成生产过程、工艺　参数、设备操作与维护、设备状态实时监控与故障查询；同　时承担系统工程师站功能，完成系统相关程序／界面开发　图２控制系统结构　和系统维护、管理工作。通过Ｈｕｂ（８接口），采用ＴＣＰ／ＩＰ　协议可以方便实现该网络与厂级管理网的通信，完成在　生产调度室及管理部门的不同监控功能。　１．３软件配置　１．３．１应用软件　软件基本流程如图４所示。　Ｆｉｇ．２　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　１．２硬件配置　基础自动化级由现场监督、管理级和现场控制级　组成　。　现场控制级以Ｓｉｅｍｅｎｓ　Ｓ７—４００　ＰＬＣ作为主站，完　成电弧长度控制，熔炼电流控制，坩埚冷却水及熔炼用　氩气的流量控制，操作台控制指令及显示信号的输入／　输出，实时工艺参数的采集（熔炼电流、电弧电压、真　＾ｔ　Ｉ　ｌ　系统功能调用　＋　空度、氩气流量）、处理、显示和记录；另外设置了一块　智能模板，完成自耗电极行程的准确测量和稳弧频率　设定的自动转换。系统硬件配置如图３所示。　硬件接口数据读写　＋　Ｉ　炉体提升，下降、小车移动功能调用　●　Ｉ　Ｉ　上级网络　电极杆进给控制／行程测量、　辅助电极夹持功能调用　Ｉ　熔炼电源分配及控制功能调用　Ｉ　８接口Ｈｕｂ　●　ｌ　电源ｌ　ＣＰＵ　Ｉ　ＣＰ　Ｉ模拟量Ｉ模拟量Ｉ　高速　循环冷却水功能调用　＋　Ｉ　Ｉ　真空系统及紧急处理功能调用　Ｊ　＋　模块Ｉ模块Ｉ模块Ｉ输入Ｊ输出Ｉ计数器模块　Ｉ　Ｉ　氩气控制功能调用　＋　●　ｆ　Ｉ　　稳弧控制及辅助功能调用　Ｉｌ　ＣＢＰ　ｌ　Ｉ　ＥＴ２００　ｌ　ｌ　ＥＴ２００　ｆ　Ｉ　ＥＴ２００　Ｉ　ｌ　Ｓ７．２００　熔炼过程监控功能调用　Ｉ　６ＲＡ７０　Ｉ　Ｉ　Ｉ，ｏ　Ｉ　Ｉ　Ｉ，Ｏ　Ｉ　Ｉ　Ｉ，ｏ　Ｉ　Ｉ　Ｉ／ｏ　ｌ　Ａｏ　电极杆驱动真空机组　循环水　炉前操作　直流电机　远程Ｉ／Ｏ　远程Ｉ／Ｏ　远程Ｉ／Ｏ　熔炼电源　远程Ｉ／Ｏ　图３硬件配置结构图　Ｆｉｇ．３　Ｈａｒｄｗａｒｅ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　图４软件流程图　Ｆｉｇ．４　Ｆｌｏｗｃｈａｒｔ　ｏｆ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　现场设置了１台Ｓｉｅｍｅｎｓ　Ｓｉｍｏｒｅｇ　６ＲＡ７０全数字式　采用Ｓｉｅｍｅｎｓ　Ｓｔｅｐ　Ｖ５．２编程软件，实现了系统的　直流调速器（２　从站），它基于Ｐｒｏｆｉｂｕｓ．ＤＰ通信协议，　３８　各种控制功能，如安全／操作逻辑连锁、实时控制参数　ＰＲＯＣＥＳＳ　ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ　ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮ　Ｖｏ１．３１　Ｎｏ．４　Ａｐｒｉｌ　２０１０　真空自耗电弧炉电控系统的改造设计与实现邹伟。等　的设定值输出／反馈值采集与滤波处理、工艺参数的实　时采集等。　１．３．２监控软件　２．２电弧长度控制　对于ＶＡＲ炉而言，保持一定的电弧长度是确保安　全、连续、稳定的熔炼过程，以及获得质量稳定、均匀的　现场监控、管理软件采用ＷｉｎＣＣ　５．０编写，包括监　钛及钛合金铸锭的必要条件　。　控与操作画面、实时数据库两大部分。其主要监控、管　理功能如下。　ＶＡＲ炉的电弧长度控制系统是一个三环负反馈　系统，内环为驱动电极杆的速度一电流调节系统，由　Ｓｉｅｍｅｎｓ　Ｓｉｍｏｒｅｇ　６ＲＡ７０全数字式直流调速器完成；外　环为电弧电压负反馈的弧压调节系统，由ＰＬＣ内置的　①登录身份及权限保护：画面部分设有登录、退　出、用户更改、口令更改、帮助按钮，赋予了不同人员的　操作及使用级别。系统工程师的权限最大，可以修改　ＰＩＤ功能块实现。设定的电弧长度（电弧电压）与实际　控制器参数及设备固有的极限参数、组态过程画面、调　用／查看数据库和退出系统。维护工程师可以修改某　些设备的运行参数、浏览故障分析画面，但不能对系统　进行组态和修改用户权限。操作人员的权限相对较　小，仅能操作、浏览主要的操作画面。　②实现生产过程和现场设备实时动态的监控和　检测：上位监控画面主要完成ＣＲＴ操作、工艺及过程　参数显示、报警等。为了分析故障和操作设备的需要，　编辑了设备状态显示、主要工艺参数实时／历史趋势显　示画面及设备流程操作画面。　③现场设备运行状态在线诊断、报警功能：当设　备出现故障时，设备运行状态界面上的相应位置闪烁，　提醒操作人员通知设备维护人员及时处理；并且操作　人员与维护人员可以通过点击故障设备，方便而又清　楚地知道故障原因或故障的大致范围；同时，系统将自　动记录近期与当前设备的所有报警信息。　④设备维护管理与记录、历史数据记录与趋势分　析等。　２关键控制要点　２．１系统工作方式　根据ＶＡＲ炉的设备特点及生产要求，系统设置了　三种工作方式。第一种方式为手动工作方式，转换到　该模式后，手动启动循环水系统、真空系统，手动设定　熔炼电流，电弧长度的控制则通过设定电极杆下降速　度来调节；第二种方式是半自动方式，转换到该模式　后，自动启动循环水系统、真空系统，通过操作台电位　器手动设定熔炼电流，电弧长度的控制是通过电弧电　压闭环控制系统完成的；第三种方式是全自动方式，转　换到该模式后，自动启动循环水系统、真空系统，调用　上位机中存储的工艺菜单设定熔炼电流，并通过Ｐｒｏｆｉ—　ｂｕｓ—ＤＰ总线下传到ＰＬＣ，经均衡分配后作为各台电源　的设定值，电弧长度的控制是通过电弧电压闭环控制　系统完成的。在这三种工作方式中，手动方式为最高　级别。同时，系统设计了紧急关断功能。　《自动化仪表》第３１卷第４期２０１０年４月　电弧电压比较后，经变参数ＰＩＤ弧压调节器调节　，由　模拟量输出模板输出到全数字式直流调速器的速度给　定端，作为电极杆驱动用直流电动机的速度设定值，从　而完成电弧长度的自动调节。　２．３熔炼电流的均衡分配　工艺设定的总熔炼电流经操作台电位器或上位机　传输到ＰＬＣ主站，内置于应用程序中的电流均衡分配　程序根据被选择熔炼电源的台数以及实际熔炼电流的　检测结果，完成分电源的电流设定，从而保证每台熔炼　电源输出相同的实际熔炼电流，实现各分电源熔炼电　流及总熔炼电流的闭环控制。　２．４稳弧控制　用于钛及钛合金熔炼的ＶＡＲ炉均设置有直流稳　弧和交流稳弧。直流稳弧由一恒流源供电，使熔池沿　某一设定方向旋转而搅拌熔池；交流稳弧由直流稳弧　同一恒流源供电，使熔池以设定的频率交替旋转，频率　由ＰＬＣ主站上的智能模板所产生的方波来实现。通　常，交流弧在成品铸锭熔炼时使用较多。　根据钛及钛合金属熔炼的特殊要求，系统设置了　恒压力氩气流量控制。　除以上关键控制点外，系统还设置了对结晶器冷　却水流量及水温，电极杆／水冷电缆冷却水流量及水　温、真空机组冷却水流量、熔炼电源冷却水流量及水　温、内循环水箱温度与水位的监控报警等功能　。　３效果测试　现场使用型号为￣Ｒ２００００纸制记录仪对同一种　牌号、同一种规格的钛合金自耗电极改造前后的实际　熔炼电压和熔炼电流进行实时记录，记录结果的分析　表明：①电弧长度（电弧电压）调节精度由原来的　±８％左右提高到±３％左右，动态调节时间明显减少，　系统快速性明显提高；②熔炼电流的波动由原来同样　设定值的３．Ｏ％左右降低到１．０％以内。　统计结果表明，自改造完成至今，系统控制部分未　出现任何故障，系统维护检修工作量减少了９０％，备　３９　真空自耗电弧炉电控系统的改造设计与实现邹伟，等　件成本消耗降低了７１％，完全能够满足熔炼生产和设　针对ＶＡＲ炉的设备特点与工艺特点，研究高性能　备安全运行需要，每年可增效２Ｏ万元以上；同时，由于　的弧长及熔炼电流控制策略，并结合冷却水控制形成　设备开动率的提高，产能得到提高，累计增加产值超过　智能化控制模型，不断提升钛合金的冶金质量，是该领　９００万元。　域控制工作者潜心研究的课题。　此次改造主要有以下几个特点：①技术通用性　参考文献　较高，适用于其他ＶＡＲ炉的技术改造，具有较高的　［１］手册编写组．稀有金属材料加工手册［Ｍ］．北京：冶金工业出版　实际应用推广价值和社会、经济效益；②控制性能更　社。１９８４．　［２］王常力，罗安．集散型控制系统选型与应用［Ｍ］．北京；清华大　加优越；③本文提出的变参数ＰＩＤ弧压调节器控制　学出版社，１９９６．　策略能够非常好地适应一次自耗电极、二次铸锭及　［３］陈兴汉，马荣国．真空冶炼［Ｍ］．北京；中国有色金属工业总公　不同牌号的钛合金铸锭的熔炼；④电弧区及熔池内　司职工教育教材编审办公室，１９８５．　温度梯度变化的程度是影响铸锭结晶过程和效果的　［４］刘轩．真空电弧重熔炉控制策略的分析［Ｊ］．冶金自动化，２００７，　主要因素。　３１（２）：２４—２７．　［５］杨英华，陈晓波，程留恩，等．真空自耗炉自动控制系统［Ｊ］．冶金　４结束语　自动化，２００２，２６（１）：３８—４０．　［６］Ａｓｔｒｏｍ　Ｋ　Ｊ，Ｗｉｔｔｅｎｍａｒｋ　Ｂ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ—ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｓｙｓｔｅｍｓ：ｔｈｅｏｒｙ　该改造方案已于２００５年５月实施，经过三年多的　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ［Ｍ］．３ｒｄ　ｅｄｉｔｉｏｎ．北京：清华大学出版社，２００２．　实际运行表明，该方案技术可行，系统整体控制性能得　［７］Ｊｏｈｎｓｏｎ　Ｃ　Ｄ．Ｐｒｏｃｅｓｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｍ］．６ｔｈ　到了全面提升，总体控制水平接近国外同类设备。　ｅｄｉｔｉｏｎ．北京：科学出版社，２００２．　（上接第３６页）　嬉古｛五　可以进行监控组态软件的组态开发和设计；利用该组　。　态开发软件工具栏图形中的位状态指示灯、位状态设　空压机组电气控制系统采用ＰＬＣ控制器、变频器　定动画、报警栏显示、棒图、趋势图、表针等元件，可以　和触摸屏技术的总体改造方案，采用基于Ｐｒｏｆｉｂｕｓ—ＤＰ　制作出一套美观、形象的上位机计算机监控系统。　的现场总线通信，实现了西门子ＰＬＣ与ＡＣＳ８００变频　使用ＥａｓｙＢｕｉｌｄｅｒ组态开发软件开发触摸屏监控　器之间的高速、双向、全数字通信，增强了系统的开放　软件的基本步骤简单介绍如下。　性和可维护性。　３．１触摸屏系统参数的设定　实际运行效果表明，该控制系统安全、稳定、可　在ｅＶｉｅｗ触摸屏中，有关系统的通信格式设定步　靠，大大提高了控制系统的自动化水平和出气压力　骤是：①打开触摸屏组态编程环境ＥａｓｙＢｕｉｌｄｅｒ；②点击　的控制精度，降低了空压机组的能源消耗，节约了大　“编辑”菜单项一“系统参数……”，弹出“设置系统参　型设备的运行成本，现已取得了明显的经济效益和　数”对话框；③在该对话框中可以进行有关通信方、通　社会效益。　信１：３类型、通信格式的设定等；④最后，点击“确定”按　参考文献　钮，退出触摸屏系统参数的设置。　［　］张燕宾・　ＰｗＭ变频调速应用技术［Ｍ］・。版・北京：机械工业　３一　曼使用触摸屏组态开发的过程与使用上位工控机工　　态　。…………．　棠表　；　缩栅叵压控制中的应肌　动化仪　，２０ｏ９，３ｏ（１）：６６—６９．　业组态软件（如ＭＣＧＳ、Ｋｉｎｇｖｉｅｗ、ＷｉｎＣＣ和ＩｎＴｏｕｃｈ　［３］廖常初．￥７－３００／４００　ＰＬＣ应用技术［Ｍ］．２版．北京：机械工业　等）制作用户画面的过程是相似的，实现的功能也相　出版社，２００８：３３５—３３６．　近　。在触摸屏的画面、程序组态过程中，关键是使触　［４］宋伯生．ＰＬＣ编程实用指南［Ｍ］．北京：机械＿Ｔ业出版社，２００８：　摸屏中的元件与下位机ＰＬＣ中的相应软元件一一对　２８５－２８８．　应，如Ｉ、Ｑ、Ｍ、ＤＢ、Ｔ和Ｃ等。通过触击触摸屏窗１：３，　［　］西ｆｊｑｒ（中国）有限公司・深入浅出西门子　。ｏ０　ＰＬｃ［Ｍ］・北　可以设定、修改关键运行参数和编辑配方数据Ｉ同时，　［６］　９摸９２０５．屏综合应用　Ｍ］．　通过触摸屏可以进行空压机组操作流程、运行状态和　北京：机械工业出版社，２ｏｏ８：４４ｌ－４－４２．　故障报警的显示，并且可以形成实时数据曲线和报表，　［７］张还．三菱ＦＸ系列ＰＬＣ设计与开发一原理、应用与实训［Ｍ］．　以供显示和打印。　北京：机械工业出版社，２００９：２４３—２４４．