電爐功率的自動控制系統的製作方法

2023-05-14 22:16:06 2

專利名稱：電爐功率的自動控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及冶金技術領域，特別涉及一種電爐功率的自動控制系統。
背景技術：
電爐在冶煉工藝中具有廣泛的應用，如鉛鋅冶煉中的保溫電爐，銅冶煉中的貧化、 沉降電爐，鎳鐵冶煉中的熔煉電爐等。從目前情況看，電爐運行是否平穩，常常對整個工藝 流程及最終產品有著至關重要的影響。此外電爐作為大負荷用電設備，其運行情況直接影 響到能耗和電能質量，如電網衝擊、諧波等。近年來，隨著電爐規模的不斷擴大，對於電爐的 自動控制變得越來越重要。電爐自動控制的目的在於，1)自動調節功率，優化操作，減少人工勞動。2)穩定爐 況最大程度地滿足工藝需求。3)提高電能質量，減少對電網的衝擊，減少電能損失。然而電 爐作為被控制對象，由於其具有強非線性、時變形和多變量特性，因此建模困難，控制非常 複雜。目前一些冶煉廠採用常規的反響調節結合死區方法進行控制，但是其算法比較簡單， 雖然在一定程度上實現了功率的自動調節。但是在爐況波動較大時，該方法的適應性差，控 制效果難以保障，且手動幹預操作頻繁。因此，對於電爐功率的自動控制方法急需進一步改 進。

發明內容
本發明的目的旨在至少解決上述技術缺陷之一，特別是解決現有技術中電爐功率 控制效果差的缺陷。為達到上述目的，本發明一方面提出一種電爐功率的自動控制系統，包括深度檢 測裝置，所述深度檢測裝置檢測三個電極插入所述電爐的當前深度值；電流和電壓檢測裝 置，所述電流和電壓檢測裝置檢測所述三個電極每個對應的當前的電流值和電壓值；存儲 裝置，所述存儲裝置保存預設的專家推理表和電阻設定值，所述電阻設定值根據所述電爐 的設定功率值獲得；升降裝置，所述升降裝置控制所述三個電極插入所述電爐的深度；和 控制裝置，所述控制裝置與所述深度檢測裝置、所述電流和電壓檢測裝置、所述升降裝置和 所述存儲裝置相連，所述控制裝置根據所述每個電極的當前的電流值和電壓值計算所述每 個電極的電阻當前值，並根據所述每個電極的電阻當前值和所述電阻設定值查找預設的專 家推理表以確定所述三個電極的調整幅度值，以及根據所述三個電極的當前深度值和所述 調整幅度值控制所述升降裝置對所述三個電極插入所述電爐的深度進行調整。在本發明的一個實施例中，所述深度檢測裝置為絕對值編碼器。在本發明的一個實施例中，所述控制裝置為位於控制室的計算機控制系統。其中， 所述控制裝置根據所述每個電極的電阻當前值和電阻設定值確定調節誤差和誤差變化率， 並根據所述調節誤差和誤差變化率查找所述專家推理表以確定三個電極的調整幅度值。具 體地，調節誤差ei(t) = Rsi (t)-Ri (t)，其中，Rsi (t)為電阻設定值，Ri (t)為電阻當前值， i為電極編號，i = 1，2，3，t為當前控制周期；誤差變化率de = ei (t) _ei (t_l)。
在本發明的一個實施例中，所述專家推理表為
dede^aalaal>de>aa0aaO ^ de ^ -bbO-bbl>de>-bbO-bbl^dea3<edl4d24d34d44d54a2<e^a3k3 · e+dl3k3 · e+d23k3 · e+d33k3 · e+d43k3 · e+d53al<e^a2k2 · e+dl2k2 . e+d22k2 · e+d32k2 · e+d42k2 · e+d52a0<e^alkl · e+dllkl · e+d21kl · e+d31kl · e+d41kl · e+d51-b0 aO00000-bl^ e<-b0kkl e-ddllkkl · e-dd21kkl . e^dd31kkl . e-dd41kkl · e-dd51e<-blkk2 e-ddnkk2 · e-dd22kk2 · e-dd32kk2 · e-dd42kk2 · e-dd52e<-b2kk3 e-ddnkk3 · e-dd23kk3 · e-dd33kk3 · e-dd43kk3 · e-dd53e<-b3ddl4dd24dd34dd44dd54其中，其中，ai、aai、bi、bbi、ki、kki、dnj和ddnj為預設的設計參數，0彡i彡3， 1 ^ η ^ 5,1 ^ j ^ 4ο在本發明的一個實施例中，所述控制裝置在延時預設的時間之後，再次檢測所述 三個電極每個所對應的當前的電流值和電壓值，以及三個電極插入所述電爐的當前深度 值，並根據所述每個電極的電阻當前值和所述電阻設定值查找預設的專家推理表以確定所 述三個電極的調整幅度值，以及根據所述調整幅度值和當前深度值對所述電機插入所述電 爐的深度繼續進行調整。在本發明的一個實施例中，所述升降裝置包括手動控制開關，操作者通過所述手 動控制開關手動對所述三個電極進行升降。在本發明的一個實施例中，還包括異常狀況診斷裝置，所述異常狀況診斷裝置與 所述控制裝置相連，所述異常狀況診斷裝置對所述電爐的電壓、所述電爐的異常和儀表及 通訊的異常進行監控和診斷，並將監控和診斷結果反饋給所述控制裝置，所述控制裝置根 據所述監控和診斷結果判斷是否報警或停止所述系統的工作。本發明系統針對電爐控制對象強非線性、時變性及多變量耦合的特點，可通過對 專家規則及推理機制的設計，將優秀的現場操作經驗融入算法，有效的解決了電爐對象建 模複雜，難於控制的難題。本發明的系統在各種工況下皆具有優秀的控制效果，在穩定爐 況、節約電能和減少對電力系統衝擊上起到了顯著作用。另外，本系統還提供了電極自動/ 手動升降、爐體溫度監測、冷卻水監測、異常狀況診斷(電壓異常，爐況異常，儀表及通訊異 常等)、電極及電能消耗累計等功能，因此整個系統功能完備且易於操作。
本發明附加的方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變 得明顯，或通過本發明的實踐了解到。


本發明上述的和/或附加的方面和優點從下面結合附圖對實施例的描述中將變 得明顯和容易理解，其中圖1為本發明實施例的電爐功率的自動控制系統結構圖；圖2為本發明實施例的專家系統簡化結構圖；圖3為本發明實施例另一個電爐功率自動控制系統的結構圖；圖4為本發明實施例系統在平穩運行時的控制效果；圖5為本發明實施例系統在功率設定值變化時的控制效果；圖6為本發明實施例系統在電爐進料(ISA爐排放)時的控制效果；圖7為本發明實施例系統在電極離開料面(電極檢修)後，重新插入過程中的控 制效果。
具體實施例方式下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附 圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。電爐的基本原理是通過電極將電壓加於爐內成分中，從而使電能轉化成熱能，達 到加熱的目的。根據公式
U2P = —(1)
R可知，電壓U—定的情況下，加熱功率P由電阻值R而決定。由於電阻R隨電極的 插入深度而變化電極插入越深，電阻R越小，功率P越大，反之亦然。由此可通過調節電極 的插深來控制輸出功率，而電極插深與功率P之間的關係即構成了電爐控制對象模型。通過對電爐現場運行情況的長期考察和分析，本發明將電爐對象模型特徵總結如 下(1)爐內成分構成複雜多樣，並伴隨有流動；同時電極與爐內成分接觸情況具有 明顯的不規則特性；故在電極插入過程中，電阻R成非線性變化，嚴重時會出現跳變。(2)由於爐況和爐內成分的構成隨時間而變化，電阻R的變化規律也呈現出明顯 的時變特性。 (3)由於電爐採用三相供電，各電極在電氣上存在耦合，故電爐控制對象具有多變 量特性。綜上可知，電爐控制對象是一個具有強非線性、時變性的多變量系統。如圖1所示，為本發明實施例的電爐功率的自動控制系統結構圖。該系統包括深 度檢測裝置100、電流和電壓檢測裝置200、存儲裝置300、升降裝置400和控制裝置500。其 中，深度檢測裝置100檢測三個電極插入電爐的當前深度值。電流和電壓檢測裝置200檢 測三個電極每個對應的當前的電流值和電壓值。存儲裝置300保存預設的專家推理表和電
6阻設定值，其中，電阻設定值根據電爐的設定功率值獲得，在本發明實施例中，功率的調節 是通過升降電極從而改變電阻來實現的。此處分別以1，2，3#電極的電阻R1、R2、R3作為控 制變量，從而將相應的功率設定值轉化為電阻設定值(設為Rsl、Rs2、Rs3)。升降裝置400 控制三個電極插入電爐的深度。控制裝置500與深度檢測裝置100、電流和電壓檢測裝置 200、升降裝置400和存儲裝置300相連，控制裝置500根據每個電極的當前的電流值和電 壓值計算每個電極的電阻當前值，並根據每個電極的電阻當前值和電阻設定值查找存儲裝 置300中預設的專家推理表以確定三個電極的調整幅度值，以及根據三個電極的當前深度 值和調整幅度值控制升降裝置對三個電極插入電爐的深度進行調整以使電爐達到設定的 功率值。在本發明的一個實施例中，控制裝置500可為位於控制室的計算機控制系統，當然 也可為其他終端設備。在本發明的一個優選實施例中，深度檢測裝置100為絕對值編碼器，從而能夠更 精確地測量電極插入電爐的深度值。具體地，控制裝置500根據每個電極的電阻當前值和電阻設定值確定調節誤差和 誤差變化率，並根據調節誤差和誤差變化率查找所述專家推理表以確定三個電極的調整幅 度值。其中，調節誤差ei(t) = Rsi(t)_Ri(t)，誤差變化率de = ei(t)-ei(t-l)，其中， Rsi (t)為電阻設定值，Ri (t)為電阻當前值，i為電極編號，i = l，2，3，t為當前控制周期。專家控制系統(expert control system, ECS)是智能控制方法的一種，它被廣泛 應用於故障診斷、工業設計和過程控制。專家控制系統具有如下特點(1)對被控對象和控 制器的模型可採用多樣化的描述形式，不拘泥於單純的解析模型。(2)控制策略靈活，可通 過在線獲取的信息靈活地修改控制策略或控制參數，保證獲得優良的控制品質。(3)通過加 入異常情況處理的適應性策略，可使系統具備良好的應變能力。專家控制系統的這些特點 尤其適用於電爐控制對象的控制。下面首先引入專家系統的一般概念與原理，再針對電爐 控制對象進行具體設計。如圖2所示，為本發明實施例的專家系統簡化結構圖。其中，知識庫用於存儲專家 知識，推理機利用專家知識進行推理得到最終結論。知識庫和推理機為抽象概念，對於具體 的應用，其設計各不相同。如何充分利用專家經驗，設計出完備的知識庫，並給出恰當的推 理是算法的關鍵與難點。本發明根據大量電爐現場運行經驗，設計了如下的專家規則推理 表控制方式。表1為專家規則推理表
de e\de^aalaal>de>aaOaaO ^ de ^ -bbO-bbl>de>-bbO-bbl^dea3<edl4d24d34d44d54a2<e^a3k3 · e+dl3k3 · e+d23k3 · e+d33k3 · e+d43k3 · e+d53al<e^a2k2 · e+dl2k2 . e+d22k2 · e+d32k2 · e+d42k2 · e+d52a0<e彡alkl · e+dllkl · e+d21kl · e+d31kl · e+d41kl · e+d51-b0 aO00000-bl^ e<-b0kkl -e-ddllkkl · e^dd21kkl · e-dd31kkl · e-dd41kkl · e-dd51e<-blkk2 -e-ddl2kk2 · e-dd22kk2 · e-dd32kk2 · en-dd42kk2 · e-dd52e<-b2kk3 ·ε- (113kk3 · e-dd23kk3 · e-dd33kk3 · e-dd43kk3 · e-dd53e<-b3ddl4dd24dd34dd44dd54其中，e為調節誤差，de = e(t)-e(t-l)為誤差變化率，其中，ai、aai、bi、bbi、ki、 kki、dnj和ddnj為預設的設計參數，0彡i彡3，1彡η彡5，1彡j彡4。具體地，e和de包 含了誤差大小、方向以及變化趨勢等基本信息，因此利用e和de構成專家規則及推理要素 簡單直接，易於實現，並且實際應用過程中也驗證了該設計的有效性。其中，本發明的上述專家規則推理表包含了 9條e區間規則，5條de區間規則，共 5X9 = 45條推理。其中，a, aa, b，bb，k，kk，d，dd為設計參數，需根據現場運行情況進行 設定。設定的具體方法是(1)觀察電爐運行數據，對各種操作情況、各種爐況所對應的e和de的特徵區間進 行提取。經整理、劃分得出參數ai，aai, bi，bbi (0彡i彡3)的值。(2)對各特徵區間下對象特點進行分析，結合歷史操作經驗，確定控制參數ki， kki (0 彡 i 彡 3)，dj，ddnj (1 彡 j 彡 3，1 彡 η 彡 5)的值。不同應用的電爐，其運行特徵並不相同。具體專家規則數量可視實際情況適當調 整，爐況越複雜，需考慮的規則數量越多，反之越少。根據現場經驗，表中給出的45條推理 可滿足一般礦熱爐和熔煉爐在較為複雜爐況下的控制需要。而對於鉛鋅冶煉中的保溫爐等 簡單電爐應用，規則數量則可大大減少。在本發明實施例中，控制裝置500將ei (t)，de的值輸入到專家推理表中並經計算 得到最終的控制量。在本發明的一個優選實施例中，為了對電爐進行循環監控，控制裝置500在延時 預設的時間之後，再次檢測三個電極每個所對應的當前的電流值和電壓值，以及三個電極 插入電爐的當前深度值，並根據每個電極的電阻當前值和電阻設定值查找預設的專家推理 表以確定三個電極的調整幅度值，以及根據調整幅度值和當前深度值對電機插入電爐的深度繼續進行調整。如圖3所示，為本發明實施例另一個電爐功率自動控制系統的結構圖，該系統提 供了電極自動/手動升降、爐體溫度監測、冷卻水監測、異常狀況診斷(電壓異常，爐況異 常，儀表及通訊異常等)、電極及電能消耗累計等功能，因此整個系統功能完備且易於操作。在本發明的一個實施例中，升降裝置400包括手動控制開關600，操作者通過手動 控制開關600手動對三個電極進行升降。在本發明的一個實施例中，該系統還包括異常狀況診斷裝置700。異常狀況診斷裝 置700與控制裝置500相連，異常狀況診斷裝置700對電爐的電壓、電爐的異常和儀表及通 訊的異常進行監控和診斷，並將監控和診斷結果反饋給控制裝置500，控制裝置500根據監 控和診斷結果判斷是否報警或停止系統的工作。通過實驗證明本發明能夠在各種工況下皆具有優秀的控制效果。如圖4所示，為本發明實施例系統在平穩運行時的控制效果。此時控制誤差及三 相不平衡度控制在士5%以內，良好的控制效果使得爐子溫度波動很小，其節電效果明顯。如圖5所示，為本發明實施例系統在功率設定值變化時的控制效果。可以看出，實 際功率能夠快速的跟蹤設定值並進入穩態，整個過程超調量控制在士8%以內。良好的跟蹤 性能使得爐況過度平穩，對電網的衝擊微小。如圖6所示，為本發明實施例系統在電爐進料(ISA爐排放)時的控制效果。由於 ISA爐排放瞬間衝擊較為劇烈，因此在進料伊始功率出現一定波動(控制在士 15%以內)， 之後功率較快進入平穩變化階段。可見在大擾動作用下，本發明的系統依然保持了良好的 響應特性和魯棒性。如圖7所示，為本發明實施例系統在電極離開料面(電極檢修)後，重新插入過程 中的控制效果。可以看出，在整個功率恢復過程中，功率上升快速平穩，本發明系統無超調。本發明系統針對電爐控制對象強非線性、時變性及多變量耦合的特點，可通過對 專家規則及推理機制的設計，將優秀的現場操作經驗融入算法，有效的解決了電爐對象建 模複雜，難於控制的難題。本發明的系統在各種工況下皆具有優秀的控制效果，在穩定爐 況、節約電能和減少對電力系統衝擊上起到了顯著作用。另外，本系統還提供了電極自動/ 手動升降、爐體溫度監測、冷卻水監測、異常狀況診斷(電壓異常，爐況異常，儀表及通訊異 常等)、電極及電能消耗累計等功能，因此整個系統功能完備且易於操作。儘管已經示出和描述了本發明的實施例，對於本領域的普通技術人員而言，可以 理解在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換 和變型，本發明的範圍由所附權利要求及其等同限定。
權利要求
一種電爐功率的自動控制系統，其特徵在於，包括深度檢測裝置，所述深度檢測裝置檢測三個電極插入所述電爐的當前深度值；電流和電壓檢測裝置，所述電流和電壓檢測裝置檢測所述三個電極每個對應的當前的電流值和電壓值；存儲裝置，所述存儲裝置保存預設的專家推理表和電阻設定值，所述電阻設定值根據所述電爐的設定功率值獲得；升降裝置，所述升降裝置控制所述三個電極插入所述電爐的深度；和控制裝置，所述控制裝置與所述深度檢測裝置、所述電流和電壓檢測裝置、所述升降裝置和所述存儲裝置相連，所述控制裝置根據所述每個電極的當前的電流值和電壓值計算所述每個電極的電阻當前值，並根據所述每個電極的電阻當前值和所述電阻設定值查找預設的專家推理表以確定所述三個電極的調整幅度值，以及根據所述三個電極的當前深度值和所述調整幅度值控制所述升降裝置對所述三個電極插入所述電爐的深度進行調整。
2.如權利要求1所述的電爐功率的自動控制系統，其特徵在於，所述深度檢測裝置為 絕對值編碼器。
3.如權利要求1所述的電爐功率的自動控制系統，其特徵在於，所述控制裝置為位於 控制室的計算機控制系統。
4.如權利要求1所述的電爐功率的自動控制系統，其特徵在於，所述控制裝置根據所 述每個電極的電阻當前值和電阻設定值確定調節誤差和誤差變化率，並根據所述調節誤差 和誤差變化率查找所述專家推理表以確定三個電極的調整幅度值。
5.如權利要求4所述的電爐功率的自動控制系統，其特徵在於，所述調節誤差ei(t)= Rsi (t)-Ri (t)，其中，Rsi (t)為電阻設定值，Ri (t)為電阻當前值，i為電極編號，i = 1,2, 3，t為當前控制周期；所述誤差變化率de = ei (t) -ei (t_l)。
6.如權利要求5所述的電爐功率的自動控制系統，其特徵在於，所述專家推理表為^^ de 6 \de^aalaal>de>aa0aaO ^ de ^ -bbO-bbl>de>-bb0-bbl^dea3<edl4d24d34d44d54a2<e《a3k3 · e+dl3k3 · e+d23k3 · e+d33k3 · e+d43k3 · e+d53al<e^a2k2 · e+dl2k2 『 e+d22k2 · e+d32k2 · e+d42k2 · e+d52a0<e彡alkl · e+dllkl · e+d21kl · e+d31kl · e+d41kl · e+d51-b0 aO00000-bl^ e<-b0kkl -e-ddllkkl · e-dd21kkl · e-dd31kkl · e-dd41kkl · e-dd51e<-blkk2 ·ε- 12kk2 · e-dd22kk2 · e-dd32kk2 · e-dd42kk2 · e^dd52e<-b2kk3 -e-ddl3kk3 · e-dd23kk3 · e-dd33kk3 · e-dd43kk3 · e-dd53e<-b3ddl4dd24dd34dd44dd54其中，ai、aai、bi、bbi、ki、kki、dnj和ddnj為預設的設計參數，0彡i彡3，1彡η彡5， 1 < j < 4。
7.如權利要求1所述的電爐功率的自動控制系統，其特徵在於，所述控制裝置在延時 預設的時間之後，再次檢測所述三個電極每個所對應的當前的電流值和電壓值，以及三個 電極插入所述電爐的當前深度值，並根據所述每個電極的電阻當前值和所述電阻設定值查 找預設的專家推理表以確定所述三個電極的調整幅度值，以及根據所述調整幅度值和當前 深度值對所述電機插入所述電爐的深度繼續進行調整。
8.如權利要求1所述的電爐功率的自動控制系統，其特徵在於，所述升降裝置包括手 動控制開關，操作者通過所述手動控制開關手動對所述三個電極進行升降。
9.如權利要求1所述的電爐功率的自動控制系統，其特徵在於，還包括異常狀況診斷裝置，所述異常狀況診斷裝置與所述控制裝置相連，所述異常狀況診斷 裝置對所述電爐的電壓、所述電爐的異常和儀表及通訊的異常進行監控和診斷，並將監控 和診斷結果反饋給所述控制裝置，所述控制裝置根據所述監控和診斷結果判斷是否報警或 停止所述系統的工作。
全文摘要
本發明提出一種電爐功率的自動控制系統，包括深度檢測裝置；電流和電壓檢測裝置；存儲裝置，存儲裝置保存預設的專家推理表和電阻設定值；升降裝置，升降裝置控制三個電極插入所述電爐的深度；和控制裝置，控制裝置根據每個電極的當前的電流值和電壓值計算每個電極的電阻當前值，並根據每個電極的電阻當前值和電阻設定值查找預設的專家推理表以確定三個電極的調整幅度值，以及根據三個電極的當前深度值和調整幅度值控制升降裝置對三個電極插入電爐的深度進行調整。本發明系統針對電爐控制對象強非線性、時變性及多變量耦合的特點，通過對專家規則及推理機制的設計將優秀的現場操作經驗融入算法，有效的解決了電爐對象建模複雜，難於控制的難題。
文檔編號F27D19/00GK101968319SQ201010279278
公開日2011年2月9日 申請日期2010年9月13日 優先權日2010年9月13日
發明者李剛 申請人:中國恩菲工程技術有限公司