真空自耗电弧炉控制系统改造设计与实现

作     者：李宏辉 

作者单位：西安电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：明正峰;杨蕴鸿

授予年度：2019年

学科分类：080603[工学-有色金属冶金] 08[工学] 0806[工学-冶金工程] 0835[工学-软件工程] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：真空自耗电弧炉 三闭环弧压控制 前馈控制 变参数PID 耦合 工业总线 上位机 

摘      要：真空自耗电弧炉是当前钛、钢及其相关合金的主力熔炼工业设备,其运行状况的好坏直接影响材料生产质量和生产安全。考虑相关金属对熔炼环境和控制的严苛要求、设备结构和工艺过程的复杂程度以及控制策略实现的难度,电弧炉的研究设计是一项非常繁杂的课题。利用包含特殊策略的自动控制技术可以控制、改良生产的整个过程。考虑国外等领先的应用技术,研究设计适应具体工程情况的电弧炉控制系统对提升目前金属加工效能有相当大的作用。在研读和对比同一领域相关知识的基础上,本文首先概述了文章后续不同方面的研究现状和趋势。以熔炼机理为核心,细致的展开叙述了设备组成、关键工艺节点及其控制特性,梳理了参数关系。深入分析了可逆调速原理,建立了直流电动机数学模型。在PID控制算法基础上,利用工程设计方法,分步详细设计了三闭环弧压控制方案,引入与实际熔速相关的前馈控制,并给出了控制规律。选用变参数PID来应对不同熔炼阶段的熔速控制。剖解了由于电压、电流耦合导致以上两个控制模式互相干扰的问题,给出了有关平缓稳定控制等的应对措施。考虑实际情况,利用Matlab/Simulink平台对三闭环控制方案进行了搭建和仿真,结果表明其具有很好的跟踪等性能。结合宝钛集团电弧炉技改项目实施情况,真空自耗电弧炉控制系统以S7-300PLC为控制核心,结合数字直流调速器、上位机、工业总线等共同组成硬件基础。搭建了核心的弧压系统硬件框架,设计了通信网络架构,并给出相关参数和具体配置方法。之后,在工艺流程的基础上,分别设计了主程序、分系统的软件算法。在Intouch组态软件中,建立了与下位机的通信,开发了系统的监控功能。实现了控制系统高精度、集中式、数字化控制。最终通过项目中设备的性能测试,验证了本文研究设计的可行性,实现了控制系统高性能的目标。