真空自耗电弧炉控制系统的集散控制方案设计及实现

摘 要：通过集散控制方案在真空自耗电弧炉上的应用，同时运用先进的西门子工业网络通信技术和西门子可编程控制器、直流调速器结合现场变送器实现了真空自耗电弧炉整个生产过程中的自动化控制，使用西门子上位软件完成自动化工艺管理、现场监控、报警显示功能。

关键词：集散控制；可编程控制器；工业网络；通信技术；真空自耗电弧炉

前言

随着钛及钛合金在国防、航空、核设施、能源、化工等高精尖领域的广泛应用，国内外用户对钛产品生产的质量跟踪、实时监控、生产工艺现场控制、设备安全联锁等提出了更高的要求，这也是电弧炉电气自动控制的发展方向。

传统继电控制系统稳定性差、可靠性降低，系统控制方式落后，控制精度低等问题，落后的控制方式使铸锭生产处于熔化不均匀，表面质量较差等低性能高成本运行状态，对生产管理、工艺质量和设备安全运行产生不利的影响。

随着计算机可靠性不断提高以及电气自动控制水平的发展，集散控制系统弥补了传统的集中式控制系统的缺陷，实现了控制室与集散控制站或PLC之间的网络通讯，实现系统监控的实时性，并且大量的减少了控制室与现场之间的电缆数目、设备故障率低。因此，通过运用集散式控制方案、采用自动控制的先进技术解决了真空自耗电弧炉目前存在的工艺和设备方面的问题，提高了钛铸锭产品的质量和生产的水平。

1 电控系统控制要点

真空自耗电弧炉的主要组成包括：由炉体、坩埚、电极杆及传动装置组成的机械系统；还包括真空系统、冷却水系统、液压系统、气压系统、电源部分及其以上系统的电气控制系统。

2 电控系统构成

真空自耗电弧炉电气控制系统由计算机控制系统、电气设备、仪器传感器等三个部分组成。系统采用集散控制方案设计，包括西门子S7300可编程控制系统，循环冷却水控制系统，皮拉尼电阻真空传感器，电子称重系统，伺服控制系统，直流调速系统，摄像监控系统，计算机控制系统。

下位控制器采用西门子S7-300控制系统。采用主从现场总线的工作方式，包括CPU中央处理器，24V直流开关电源、输入输出模块，ET200总线模块。

3 电控系统设计

根据集散控制模式（DCS），采用上位计算机、可编程控制器（PLC）、伺服电机、直流调速器等组成。电控系统用于控制整个工作过程，熔炼过程可采用计算机自动控制，具有自动引弧，自动补缩、弧压自动跟踪、自动开停真空泵组、自动检测、记录、工艺参数等功能。设有水、气、压力、电压、电流、真空度的异常报警及必要的联锁保护功能。一旦熔炼开始，所有的相关熔化及设定数据都在屏幕上显示出来，激活的图形显示熔炼进展情况，并显示相关参数数据。与此同时，每10秒将所得到的工艺数据在硬盘上记录一次。每次熔炼打印的报告包括铸锭编号，工艺号，表头，以及开始对话信息，熔炼工艺有关开始阶段，熔化阶段，热补缩阶段的细节。眉页写有熔炼循环有关数据参数和大小的信息。每一页打印出的熔炼报告顶部都重复写有这样的眉页。在打印出的熔炼报告上将出现的所要求的参数。

4 电气系统

分为三个部分：（1）电极杆自动与手动控制系统。（2）冷却水系统。（3） Profibus-DP网络通信。

5 下位控制器控制程序

控制系统采用西门子S7 V5.4编程软件编写所有的控制程序，实现了系统的逻辑连锁、冷却水系统、真空系统、电源系统的连锁、整个自动运行过程的自动完成。

6 安全报警系统

由于真空电弧熔炼有潜在的爆炸危险，因此炉子主体必须置于防爆墙包围之中，并设有泄爆通道。设备在熔炼过程中一旦出现水压、流量降低到一定值、水温过高以及真空突降、压缩空气压力达不到要求等任一情况，先报警提示；如果水压、流量、水温、真空达到跳闸设定值时，电源跳闸，停止熔炼。

7 观察摄像系统

采用彩色摄像机从炉盖上对称的两个观察孔分别对坩埚中的电弧进行观察，并把两个半弧图像合成一个完整的画面，以方便操作人员掌握炉内的熔炼情况及电弧的稳定情况。采用工业专用摄像机并设有信号屏蔽处理系统，以获得稳定的图像。

8 电子称重系统

称重系统是精确计算熔化速率所不可缺少的工具。为了达到所需要的精度，必须使称重系统以最大可能的灵敏度反映机械和电器指令。因此采取了下述措施：具有导向系统的精确的水平向称重平台，即浮动架，这个平台只处理水平力，而剩下的垂直力由称载部件测量；设计系统时使摩擦力成为系统的内力，减少电极输送系统中的摩擦力的影响；使用了高精度，温度补偿，电屏蔽称载部件；使用高精度电测量系统，具有1，000，000分辨率的信号处理元件快速计算熔化速率；使用载波频率向称载部件输送信号，接收调制信号，以避免噪声和零点漂移问题。

9 控制关键技术

电极杆在熔炼控制中的两套控制参数。电极杆运动由调速器提供直流手动与直流自动两套控制参数。当采用直流手动时依据下位机来控制调速器的给定值，直流手动时由于电极杆需要快速启停，所以调速器的启动与制动时间需要设置比较小；当采用直流自动时依据弧压实际值通过下位机的PID调节器来输出调速器的给定值，来达到控制电机转速的目的。在调速器中直流手动与直流自动的参数切换由下位机控制。

10 结束语

通过集散控制模式在真空自耗电弧炉上的应用，运用先进的西门子工业网络通信技术和西门子可编程控制器、直流调速器结合现场高性能变送器实现了真空自耗电弧炉整个生产过程中的自动化控制，使用西门子上位软件完成自动化工艺管理、现场监控、报警显示功能。

参考文献

[1]廖常出.S7-300/400PLC应用技术[M].机械工业出版社，2005.

[2]张继玉.真空电炉[M].冶金工业出版社，1993.