炼钢厂30T电弧炉电气自动化控制技术文件综述.docx

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炼钢厂30T电弧炉电气自动化控制技术文件综述

天远炼钢有限公30T电弧炉电气控制

系统改造技术文件

供方：

XXXXXXX

需方：

天远炼钢有限公

1.总则

电弧炉电气控制系统主要完成三相电极升降及自动功率控制功能，要求技术先进、性能可靠，操作方便。

2.系统构成及说明

2.1硬件：

操作台（上位机：

17‘液晶显示，256M/40XCD/80G，PLC：

S7-300，CPU314系列）

2.2软件：

西门子最新授权的相关软件STEP7，上位机组态软件KINGVIEW

2.3系统功能说明如下：

2.3.1上位机具有管理、参数显示功能。

能够显示三相冶炼电流、电压、给定电流数值，具有棒图显示。

同时还可以通过上位机控制三相电极手动升降速度。

2.3.2PLC采用西门子最新产品（S7-300，CPU314，模拟量为光隔12BIT，开关量为16BIT，备用I/O点为10%）

2.3.3操作台仪表显示三相冶炼电压、电流；档位显示；高压分、合闸显示；炉变故障显示；液压站控制等

2.3.4设定电流采用电位器给定，电流调节采用最优模糊控制方法，三相冶炼功率平衡，自动设定非灵敏区，控制支臂升降，有手动/自动两种方式。

2.3.5自动起弧，穿井快速跟踪。

2.3.6低压电器元件采用国内名牌产品

以上技术要求可在技术交流中具体明确

１ 概述

  电弧炉以及精炼炉在运行过程中其产生的高次谐波及强电磁场所形成的强大干扰，是严重威胁控制和通讯系统安全运行的主要原因。

５０吨炼钢电弧炉的电炉变压器额定容量为３１５００ＫＶＡ，二次额定电流可达到４２ＫＡ以上，其冲击和短路电流有时可达到和超过１００ＫＡ。

强电磁场和电弧的弧光放电引起的宽带噪声干扰及高次谐波分量与闪变（电压波动），成为计算机及通讯网络，电子设备稳定和安全运行的主要问题。

在方案设计和系统设计及ＰＬＣ选型以及制造工艺设计时，都必须充分考虑和关注到系统所处的恶劣运行现场工业环境的抗扰问题。

在为太钢集团公司第一炼钢厂设计的５０吨炼钢电弧炉及６０吨钢包精炼炉控制系统中?

穴５０吨电弧炉和６０吨钢包精炼炉的系统总结构图略，可向作者索取?

雪，两台电炉的控制系统全部采用ＳＩＥＭＥＮＳ公司的Ｓ７－３００系列ＰＬＣ及其通讯技术。

经过现场调试和运行结果证明该系统运行状态良好，性能可靠稳定。

    ２ 系统的总体设计

２．１ 硬件结构的设计

整个系统采用４台ＳＩＥＭＥＮＳ Ｓ７－３１５－２ＤＰ ＰＬＣ主站分别完成对电弧炉炉体控制、电弧炉电极调节，钢包精炼炉炉体控制和钢包精炼炉电极调节。

在四台ＰＬＣ主站之间采用ＳＩＥＭＥＮＳ公司的ＣＰ－３４２通讯模块构成ＰＲＯＦＩＢＵＳ－Ｓ７通讯网完成各主站间的数据通讯。

电弧炉炉体和钢包精炼炉炉体控制ＰＬＣ主站共下设６个ＥＴ２００远程从站，通过ＳＩＥＭＥＮＳ公司工业现场总线ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ完成主——从通讯。

系统设计使用一台工程师站，两台操作员站。

三台工业计算机中分别采用ＳＩＥＭＥＮＳ公司ＣＰ５４１２网卡通过ＰＲＯＦＩＢＵＳ－Ｓ７ 数据通讯网络完成计算机与各ＰＬＣ主站之间的数据通讯。

操作员站的画面组态软件选用ＳＩＥＭＥＮＳ公司的ＷＩＮＣＣ完成用户二次软件的开发。

炼钢电弧炉炉体控制ＰＬＣ主站主要完成对３５ＫＶ高压系统的合分闸操作及高压系统事故分闸的控制，对３１５００ＫＶＡ电炉变压器及变压器油水冷却系统运行状态的监控和保护，并完成电炉水冷炉盖、水冷炉壁等水冷系统２３个测温点水温变化情况的模拟量实时数据采集以及冷却水系统压力、流量等的实时数据采集监视和越限及事故报警。

同时通过ＰＲＯＦＩＢＵＳ－Ｓ７网向操作员站进行实时数据的传输，由人机界面完成监控数据的记录、显示和故障报警。

炼钢电弧炉的各ＥＴ２００远程从站分别设置在炉前操作室、炉后操作室、液压泵站和液压阀站以及炉门碳氧喷枪的操作站内。

分别构成炉前的炉盖和炉体动作操作和控制炉前倾炉操作，三相立柱锁定和炉前电极升降操作及炉门钢水测温Ｉ／Ｏ。

炉后倾炉及ＥＢＴ出钢操作、出钢钢包车操作和修理平台的旋转操作Ｉ／Ｏ。

液压泵站主、辅液压泵的切换和运行控制，对高压液罐和气罐的液位和压力控制、空气压缩机的控制、主液箱和回液箱的液位自动控制及液压介质自动温度控制的Ｉ／Ｏ ，液压阀台的Ｉ／Ｏ 及炉门碳氧喷枪三维动作的操作及控制Ｉ／Ｏ。

钢包精炼炉炉体控制ＰＬＣ主站的作用同炼钢电弧炉相似，ＥＴ２００远程从站仅设置在钢包精炼炉的液压站内。

用于控制炉内电弧功率的炼钢电弧炉和钢包精炼炉电极调节系统设计各采用一台ＳＩＥＭＥＮＳ Ｓ７－３１５－２ＤＰ ＰＬＣ主站。

主要承担输入炉内的三相电弧功率的实时自动控制，根据不同冶炼工艺和冶炼期自动修正功率配电曲线和控制参数，以满足冶炼工艺要求。

设计采用独立设置的两套ＰＬＣ主站作为电炉和精炼炉电极调节系统可以减轻电炉和精炼炉炉体控制ＰＬＣ主站ＣＰＵ的负担，缩短程序扫描周期，有利于提高实时系统相应的响应速度和调节精度。

２．２ 控制软件的设计

四台ＰＬＣ主站的用户程序是在基于ＳＩＥＭＥＮＳ公司的ＳＩＭＡＴＩＣ ＳＴＥＰ７ Ｂａｓｉｓ Ｖ５．０ 软件平台上完成硬件组态、地址和站址的分配以及电弧炉和钢包精炼炉用户程序的设计开发的，在主程序（ＯＢ１）中将各种控制功能和各ＰＬＣ站点间的通讯数据分别编写在不同的子程序（功能块ＦＢ、ＤＢ、ＦＣ）中，其中３５ＫＶ高压合分闸、事故高压分闸，模拟量信号的输入均充分考虑了现场工业运行环境的强干扰问题，在软件设计中采用了抗干扰措施。

人机界面的画面组态采用ＳＩＥＭＥＮＳ公司的ＳＩＭＡＴＩＣ ＷＩＮＣＣ作为二次用户程序开发的软件平台，在工程师站安装ＷＩＮＣＣ－ＲＣ用于开发，操作员站安装ＷＩＮＣＣ－ＲＴ用于运行，ＷＩＮＣＣ运行于Ｗｉｎｄｏｗｓ ＮＴ Ｖ４．０ 操作系统平台之上，以增加系统运行安全和稳定性，并给用户将来建立工厂管理网带来方便。

现场操作人员通过分别设置在电炉和精炼炉操作员站的人机界面监视整个系统各个主要参数的运行情况；这些参数包括：

输入炉内的三相电弧电流，三相电弧电压，三相电弧功率，电能耗的实时显示和历史趋势显示。

冷却水系统温度监测点的水温监测以及流量及压力的监测和超温越限报警。

３５ＫＶ高压系统过流、欠压监测。

电炉变压器的各种故障报警信号监测和报警，变压器低压侧过电流和高压跳闸信号的监测。

炉体状态显示及液压系统的工作状态监测。

同时，在不同冶炼阶段炉内三相电弧工作电流的给定值、冶炼时间、３５ＫＶ高压通电时间，钢水温度的显示以及各种报警参数的历史记录和打印报表的生成。

２．３ 通讯网络的组态

网络组态采用ＳＩＥＭＥＮＳ公司的ＳＩＭＡＴＩＣ ＮＥＴ，ＮＣＭ Ｓ７ ＰＲＯＦＩＢＵＳ组态软件完成ＰＲＯＦＩＢＵＳ Ｓ７通讯网的网络组态。

在工程师站、操作员站分别设计安装ＣＰ５４１２网卡，在四台ＰＬＣ主站安装ＣＰ３４２－５通讯模块，通过ＳＩＥＭＥＮＳ公司的ＰＲＯＦＩＢＵＳ Ｓ７通讯电缆完成工程师站、操作员站和分别分布在电弧炉及钢包精炼炉主控制室的四台ＰＬＣ主站之间的通讯网络硬件组态。

    ３ 抗干扰措施的设计和实施

在电弧炉炼钢的工业环境中，切实有效的硬件和软件抗干扰措施的实施成为系统设计和工厂设计及设备制造和安装过程中必须谨慎考虑的非常主要的环节。

根据现场运行实践证明，电炉变压器在高压合闸瞬间所产生的浪涌，大电流运行时变压器所产生的强磁场，炉内电弧以及大电流线路在电弧短路时所产生的强电磁场，电网的谐波分量等诸因素综合起来的干扰源可视为一个从低频到甚高频的宽带噪声源，其所产生的各种干扰都将严重威胁系统运行及通讯网络的安全和稳定。

 故而在设计中针对各种干扰的存在考虑了以下的抗干扰措施：

３．１ 隔离电源

ＰＬＣ主站和远程从站的工作电源均通过带屏蔽的隔离变压器完成对ＰＬＣ电源供电，使ＰＬＣ与大功率电气设备的电位隔离开来，以避免供电线路带来的噪扰。

３．２ 电源滤波器

隔离变压器的二次侧采用电源滤波器以滤除和衰减以共模和串模形态出现的工频干扰。

共模形态出现的干扰将沿地线被滤除，串模干扰则被旁路。

３．３ 有源隔离端子

现场引入的模拟量输入信号和输出信号采用有源隔离端子将由地环路引起的噪声隔离，切断通过现场引入的模拟量信号地环路中的噪声通道。

３．４ 模拟量输入通道的滤波

三相电弧电流、电弧电压等主要电气参数的模拟量采样信号输入通道在进入ＰＬＣ模拟量通道前在经过有源隔离后再由有源滤波器抑制模拟量通道中的串模干扰，在保证有用信号不被衰减的情况下最大限度地将高频噪声衰减，提高通道的信噪比。

有源滤波能确保通道信号的增益。

３．５ 模拟量通道的屏蔽

模拟量通道的输入信号传输导线设计采用耐高温的有屏蔽的双绞线电缆以降低辐射干扰和电磁耦合性干扰。

３．６ 数字量输入通道的隔离

ＰＬＣ的数字量输入通道采用光电隔离模块，从强电场现场环境（如高压开关室的真空断路器柜）引入的数字量信号在其触点和模块间加设中间继电器对通道进行双重隔离，防在真空断路器合闸操作同时强干扰串入而引起真空断路器误分闸动作。

３．７ 数字量输出通道的隔离

ＰＬＣ的数字量输出通道主要驱动交流和直流感性负载，大电流负载采用中间继电器过渡，所有通道均设计采用浪涌吸收和ＲＣ组件做为保护。

３．８ 电磁屏蔽

工程师站和操作员站采用钢壳机箱的工控机，系统中的电子设备亦采用屏蔽外壳，再置入控制柜台内形成与柜台外壳间绝缘的双重电磁屏蔽。

ＰＬＣ采用悬浮安置方式将金属安装底版与柜壳绝缘隔离。

所有电子设备均采用独立引出的专用地线接地，柜台的外壳则接保护地。

３．９ 电子设备的浮地供电

电子设备的直流供电电源采用浮地供电，输入和输出通道直流供电电源各自独立。

计算机采用在线式ＵＰＳ电源供电，电子设备采用线性电源供电，其它直流负载采用开关电源供电。

３．１０ 通讯电缆的敷设

两个物理层的通讯电缆采用ＳＩＥＭＥＮＳ公司的 ＰＲＯＦＩＢＵＳ通讯电缆（ｂｕｓ ｃａｂｌｅ ｓｏｌｉｄ）?

熏在敷设时单独金属穿管。

电缆的屏蔽层通过电缆插头的金属外壳经ＰＬＣ的通讯模块ＣＰ和ＤＰ的接口接入独立引出的专用地线接地。

同时在电缆走向上注意避免与动力电缆平行，并尽可能远离电炉炉体和大电流线路。

３．１１ 地线

电弧炉炉体外壳采用相对独立的接地线引出接地。

电气设备的保护接地进入工厂接地网。

计算机、ＰＬＣ和通讯网络及电子设备的接地则进入独立的专用地线。

浮地处理的电子设备的地线各自独立。

３．１２ 电气设备制造工艺的保证

电气设备柜内的布局，柜内各种电缆和导线（动力、信号、通讯以及接地）的走向，屏蔽和接地的合理布置也是须在设计和设备制造过程中加以认真考虑的。

３．１３ 软件设计中的抗干扰处理

合理设置ＰＬＣ的硬件看门狗时间及采样中断时间。

在程序设计中对数字量输入信号采用脉宽甄别、锁存、指令复执技术。

在对缓变的模拟量信号进行运算处理之前采用滑动均值滤波等数字滤波技术措施。

在ＰＩＤ调节过程中对干扰比较敏感的一是当偏差ｅ较小时，易受影响，二是微分项易引起较大变动。

前者用一阶及一阶滞后滤波处理，后者则用不完全微分型ＰＩＤ算法。

设置合理的通讯波特率?

熏包括ＰＲＯＦＩＢＵＳ－Ｓ７和ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ通讯物理层。

    ４ 结语

在系统的热负荷调试和以后的运行情况表明，在设计中只要充分注意和采用正确合理的抗干扰措施，在恶劣的工业环境中ＳＩＥＭＥＮＳ Ｓ７－３００系列ＰＬＣ（四台主站设计选型均为Ｓ７－３１５－２ＤＰ）及其ＰＲＯＦＩＢＵＳ的Ｓ７和ＤＰ通讯网络的可靠稳定及经济安全运行是可以得到保证的。

ＳＩＥＭＥＮＳ公司的ＳＩＭＡＴＩＣ ＳＴＥＰ７ Ｂａｓｉｓ Ｖ５．０ 编程平台安装在工程师站。

基于Ｗｉｎｄｏｗｓ ＮＴ操作平台的支持下在系统运行过程中对各ＰＬＣ主站程序的诊断、在线监控、修改和下载都比较方便和快捷。

而符号名寻址方式使用户参照硬件原理图阅读理解程序变得简明容易，ＮＣＭ、Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ等组态工具以及ＰＩＤ、Ｆｕｚｚｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ＋＋等软件开发工具包给设计编程人员减少了二次开发的工作量。

ＰＲＯＦＩＢＵＳ Ｓ７通讯网和ＤＰ现场总线结构的集散控制方式使得现场布线的大量简化成为可能，工程造价的降低以及运行维护的经济性，系统设计的灵活性将受到用户的认可和欢迎。

 矿热炉泛指电弧炉、裂解炉、电石炉、硅铁炉等是冶金工业的重要熔炼设备，电能消耗惊人，俗称“电老虎”。

很多电弧炉用户的统计数字表明，产品生产成本中电费高达70%，电费成为企业沉重的压力。

提升电弧炉的能效水平，改善电弧炉的综合能效对冶金企业的发展有着生死攸关的意义。

针对这一广阔市场，汇能动力电气推出了Coseino系列工业炉节电器。

这一项目的引进，为中国能效事业开辟一个广阔的市场空间。

    经过一年多的现场安装测试，汇能动力电气的技术人员积累了丰富的现场经验，搜集了大量的测试数据，为工业炉系列能效技术的飞跃打下了坚实的理论和实践基础。

汇能动力能效的研究人员与国内外多家有着丰富工业控制领域经验的企业合作，强强联手，合作推出划时代的新一代电弧炉能效控制系统Coseitop，新系统强化了节能效果，完全克服了早期产品的不足，率先引入工业控制尖端技术，实现了综合信息布控系统在工业炉系统的成功应用，节能效果显著提高。

这一能效系统的诞生，将为实现我国冶金工业等工业炉用户节能降耗，提高产品品质，实现控制自动化提供了最佳选择。

■电弧炉的能耗

    电弧炉熔炼是利用石墨电极与铁料（铁液）之间产生电弧所发生的热量来熔化铁料和使铁液进行过热的。

电弧炉炉体部分的构造示于下图：

    电弧炉炼钢时，在电网上的电能消耗主要由两部分组成，一部分是电弧炉放电产生热能，是炼钢所有的电能功耗。

这一部分的能源损耗主要包括炉衬热损失（占7%-14%）、水冷系统热损失（占3%-8%）、补炉和装料造成的热损失（占2%-3%）、开口辐射热损失（占1%-2%）、高温炉气带走的热量损失（占2%-3%）、电极辐射的热损失（占1%-3%）。

另一部分是高压电缆、变压器、短网线路的自身电能损耗，是无用的电能功耗。

提升电弧炉能效的当代技术有两种方法：

    [1]以Coseino系列产品为代表的瞬变、高次谐波抑制技术。

这一技术通过有效滤除电弧炉电网系统的瞬变、浪涌和高次谐波，改善用电环境，提升供电系统效率，降低线路损耗等方面实现安全节能。

这一技术在初期为电弧炉能效水平的提升做出了贡献，但其不足也是显而易见的：

（1）测试周期长，不容易对比。

（2）节能效果不理想。

总体上还难以让广大用户满意。

    [2]随着电弧炉能效技术的发展，出现了以工控技术为基础的节能控制系统。

这一系统之着力点在于通过采样电弧炉运行参数，控制电极的运动，改手动控制为自动控制，实现电弧炉电源系统的合理调度，从而实现节能效果。

这一技术同样存在缺点：

（1）缺乏从系统角度对整个电弧炉系统电源品质的有效改善，对因此而造成的电能浪费缺乏解决方法，存在“能耗漏洞”。

（2）早期的工控技术不完善，普遍存在智能化水平不高，控制精度不够，可靠性差等问题。

很多用户感到节能效果不理想，而且故障率高，时而影响生产的正常进行，因此综合效益并不高。

■Coseitop电弧炉能效控制系统工作原理

    电弧炉能效控制系统Coseitop主要针对现有电弧炉电极控制系统存在的诸多问题：

三相不平衡、电弧电压电流很难控制、频繁断弧短路等，电能消耗中无用的电能功耗较大，从自动化控制这一方面为切入点，并对这一重点电能浪费部分进行优化改造，以达到节电的目的。

它能够根据现场操作人员根据该电弧炉工艺过程中各个阶段所需要的功率，将相应参数输入人员根据电弧炉冶铁工艺过程中各个阶段所需求的功率，将电压、电流、功率和死区以数字的形式输入电弧炉能效控制系统，系统自动存储这些参数，同时自动测量现场实际运行参数及电网数据，按照标准工艺参数自动调整运行参数以适应电弧炉的不同工况，做到精确配合，实现系统控制的最优化，最大限度挖掘能效提升潜力，为用户创造尽可能大的经济效益。

该系统运行可靠，设有多种保护模式，完全消除用户后顾之忧。

　　■Coseitop电弧炉能效控制系统技术特点

　　●融合当代电弧炉控制技术之优点，率先实现电弧炉的综合智能信息能效控制。

　　●全面提升系统能效，节电率更高。

　　●综合效益显著，在实现能效显著提升的同时，能够改善电网环境，减少设备故障率，降低设备维护费用，提高产品品质，增加产品的产量，真正帮助企业增产降耗，提高经济效益，增强市场竞争力。

　　●综合布控，全面解决电弧炉电网瞬变、浪涌、高次谐波对电弧炉系统的侵害和电能浪费，保护设备正常运行，降低设备维护费用。

　　●以可靠性高、抗干扰能力强的工业专用计算机实施调控和数据处理，操作界面友好，实时控制。

　　●独特的自适应模块化系统监控软件，精确监测控制整个系统，大大减轻操作人员的工作强度。

　　●针对每一台电弧炉的具体工况量身订制，优化配置，最大限度挖掘能效提升潜力。

　　●全中文操作环境，实时参数及曲线显示，操作人员可随时监测系统运行状态，直观而迅速。

主监控界面如下图：

●内置TCP/IP协议模块，轻松实现多台设备联网控制与管理。

●系统设备均采用世界著名企业的工业级器件，可靠性高，抗干扰能力强，适应恶劣的电网环境及设备工况。

■Coseitop电弧炉能效控制系统组成

Coseitop电弧炉能效控制系统由以下两部分组成：

（1）Coseino-AF电弧炉能效提升器

（2）Coseitop电弧炉能效控制器（产品图片如下）

■电弧炉能效控制系统Coseitop组成框图如下：