劉麗萍

(煙臺汽車工程職業(yè)學(xué)院 山東 煙臺 265500)

隨著機(jī)械制造工業(yè)的不斷發(fā)展,工業(yè)生產(chǎn)對于鋼、合金等金屬材料性能產(chǎn)生了更為明確的要求。電渣重熔是一種在冷水結(jié)晶器中,借助耗電極產(chǎn)生的焦耳熱進(jìn)行重熔再造的一種方式,這種方式打破了傳統(tǒng)的冶煉方法,是目前應(yīng)用最為廣泛的精煉手段。電渣爐作為電渣重熔的主要設(shè)備,在自動化控制發(fā)展迅速的環(huán)境下有著重要的應(yīng)用,其直接影響到金屬材料電渣重熔控制效果和質(zhì)量。電渣爐與其他工業(yè)加熱爐相似,在控制過程中容易出現(xiàn)時(shí)滯性以及溫度非線性變化的問題進(jìn)而影響控制的精度。隨著一些先進(jìn)的控制算法以及控制策略的出現(xiàn),電渣爐的控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)成為可能。本文設(shè)計(jì)并開發(fā)一種電渣爐控制系統(tǒng),以提升電渣爐的控制精度,推動電渣重熔過程向著全自動方向發(fā)展。

1 電渣爐工作流程及原理

1.1 電渣爐工作流程

電渣爐是一種高溫冶煉設(shè)備,主要用于熔化金屬廢料和廢鋼,將其轉(zhuǎn)化為可重復(fù)利用的鐵合金和鋼材。電渣爐由爐體、爐蓋、電極、電極支架、電極升降機(jī)、傾爐裝置、噴氧系統(tǒng)、渣口、出鋼口、底吹除渣系統(tǒng)等組成[1]。

電渣爐通過電極將電能轉(zhuǎn)化為熱能,使?fàn)t內(nèi)物料加熱熔化的過程。在爐內(nèi)加入廢鋼等物料后,通過電極通電,使電能轉(zhuǎn)化為熱能,加熱爐內(nèi)物料。同時(shí),通過底吹除渣系統(tǒng)注入氧氣,使?fàn)t內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的還原性氣氛,促進(jìn)廢鋼等物料中的雜質(zhì)被還原和脫除[2]。爐內(nèi)熔池的溫度逐漸升高,達(dá)到熔化廢鋼等物料的溫度后,通過傾爐裝置將熔池傾出,分離鋼水和渣料。電渣爐工作實(shí)況如圖1所示。

圖1 電渣爐工作實(shí)況

1.2 電渣重熔技術(shù)

電渣重熔技術(shù)是一種用電弧加熱金屬材料,使其熔化后進(jìn)行分離清潔的金屬再熔化方法。該技術(shù)能夠有效地去除金屬中的雜質(zhì)和氧化物,提高金屬的純度和質(zhì)量。電渣重熔工藝流程通常包括以下幾個(gè)步驟:

(1)預(yù)處理:準(zhǔn)備熔煉所需的金屬材料,并進(jìn)行檢測和確認(rèn)。

(2)熔煉:使用電弧進(jìn)行加熱,使金屬材料熔化,并將其浸入熔融的金屬渣中,實(shí)現(xiàn)分離和去除雜質(zhì)。

(3)凈化:通過加入還原劑或其他化學(xué)物質(zhì),消除金屬中的氧化物等雜質(zhì),提高金屬的純度。

(4)流動控制:使用特殊設(shè)備控制金屬液體的流動,以確保純凈的金屬材料分離出來。

(5)澆鑄:將純凈金屬材料倒入模具中,進(jìn)行成型[3]。

整體看來,電渣重熔在液態(tài)情況下完成,不與大氣進(jìn)行接觸,能夠最大限度地避免冶煉過程中空氣導(dǎo)致鋼液出現(xiàn)污染,提升鋼錠的純潔度。

2 電渣爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

(1)系統(tǒng)穩(wěn)定性原則。穩(wěn)定性是電渣爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要原則之一,系統(tǒng)需要具有良好的穩(wěn)定性才能保證生產(chǎn)過程的正常運(yùn)行。在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)應(yīng)充分考慮各種因素,盡可能避免系統(tǒng)的振蕩和不穩(wěn)定問題[4]。

(2)成本效益原則?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)要在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下,盡可能降低系統(tǒng)的成本,并提高經(jīng)濟(jì)效益,同時(shí)要充分考慮系統(tǒng)的可靠性和性能。

(3)優(yōu)化控制原則。優(yōu)化控制是實(shí)現(xiàn)能源資源的高效利用和提高生產(chǎn)效率的重要手段。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮使用先進(jìn)的控制算法和優(yōu)化方法,提高能源利用率和生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本[5]。

(4)安全性原則。安全是電渣爐生產(chǎn)的重要保障,控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須嚴(yán)格遵守相關(guān)的安全規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),確保生產(chǎn)場所和設(shè)備的安全性。

(5)可靠性原則。電渣爐控制系統(tǒng)涉及的設(shè)備和部件需要具有高可靠性和長壽命,以確保生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和連續(xù)性,同時(shí)需要定期進(jìn)行保養(yǎng)和維護(hù),延長設(shè)備使用壽命[6]。

(6)人性化原則。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮操作人員的實(shí)際操作需求,設(shè)計(jì)方便易用的人機(jī)界面和操作流程,并提供相應(yīng)的培訓(xùn)和技術(shù)支持,以提高工作效率和工作質(zhì)量。

3 電渣爐控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

電渣爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)分析可以分為以下幾個(gè)方面:

(1)物料控制:控制電渣爐中不同種類物料的投入和調(diào)配,以達(dá)到生產(chǎn)工藝要求。

(2)爐內(nèi)溫度控制:根據(jù)工藝要求對電渣爐內(nèi)溫度進(jìn)行控制,包括爐內(nèi)熔池溫度和爐底溫度等參數(shù)的監(jiān)測和調(diào)節(jié)。

(3)電力控制:根據(jù)電渣爐熔煉生產(chǎn)工藝的要求,通過控制電流和電壓等參數(shù),實(shí)現(xiàn)熔煉過程中的能量供給控制,以達(dá)到理想的熔煉效果[7]。

(4)自動測量控制:根據(jù)爐內(nèi)參數(shù)和生產(chǎn)工藝要求,對重要參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和自動測量,并且自動控制。如爐內(nèi)溫度、電流、電壓等。

(5)人機(jī)界面:提供友好的操作界面,使操作人員能夠方便地監(jiān)測和控制生產(chǎn)過程。

(6)數(shù)據(jù)記錄與分析:實(shí)時(shí)記錄和保存生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵參數(shù)數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,以便制定更精細(xì)的生產(chǎn)工藝,提高生產(chǎn)效益。

(7)故障診斷與報(bào)警:提供故障診斷功能,及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決電渣爐控制系統(tǒng)中的故障,并通過報(bào)警提示操作人員及時(shí)采取措施。

電渣爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是一個(gè)集物料控制、爐內(nèi)溫度控制、電力控制、自動測量控制、人機(jī)界面、數(shù)據(jù)記錄與分析和故障診斷與報(bào)警于一體的大型自動化系統(tǒng)。其主要目的是實(shí)現(xiàn)電渣爐生產(chǎn)過程的自動化控制,提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量[8]。

3.2 硬件設(shè)計(jì)及選型

電渣爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和選型需要考慮到以下幾方面:

(1)控制系統(tǒng)的主要功能:電渣爐控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)電弧穩(wěn)定控制、電極升降控制、電流電壓控制、噴吹氧氣控制等功能,因此需要選擇具備這些功能的硬件設(shè)備[9]。

(2)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性:電渣爐控制系統(tǒng)需要具備高度的穩(wěn)定性和可靠性,因此需要選擇高質(zhì)量的硬件設(shè)備,并且要進(jìn)行充分的測試和驗(yàn)證,以確保其穩(wěn)定性和可靠性。

(3)控制系統(tǒng)的擴(kuò)展性:電渣爐控制系統(tǒng)需要具備一定的擴(kuò)展性,以便于后期對系統(tǒng)進(jìn)行升級和擴(kuò)展。

因此,在硬件選型時(shí)需要考慮到系統(tǒng)的擴(kuò)展性和可升級性[10]。

電渣爐控制系統(tǒng)采用PLC控制器作為核心控制設(shè)備,實(shí)現(xiàn)自動化控制和監(jiān)控。PLC控制器采用數(shù)字量輸入/輸出、模擬量輸入/輸出等多種類型的I/O模塊,用于信號采集、控制操作等。

PLC控制器需要與上位機(jī)、人機(jī)界面等其他控制設(shè)備進(jìn)行通信,因此需要設(shè)計(jì)通信模塊,支持多種通信協(xié)議和通信方式。根據(jù)電渣爐的工作原理和控制要求,設(shè)計(jì)PLC控制器的控制程序,實(shí)現(xiàn)溫度、電流、氧化物濃度等參數(shù)的自動調(diào)節(jié)和監(jiān)控,保證爐內(nèi)的工藝參數(shù)和狀態(tài)達(dá)到最佳控制效果。為確保工作安全,PLC控制器需要設(shè)置多種報(bào)警和保護(hù)功能,如過載保護(hù)、溫度異常報(bào)警等,及時(shí)停機(jī)或降低工作強(qiáng)度,防止設(shè)備損壞和生產(chǎn)事故發(fā)生[11]。PLC控制器需要將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和處理,可通過數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取和處理,或通過網(wǎng)絡(luò)傳輸方式將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器進(jìn)行處理和分析。選取易控王3U系列FX3U-16MT/MR型號PLC控制器,開關(guān)量8路NPN輸入,4路輸入0～10 V電壓,4～20 MA電流電壓混合,如圖2所示。

圖2 FX3U-16MT/MR型號PLC控制器

3.3 控制算法—粒子群算法

粒子群算法是一種全局優(yōu)化算法。該算法模擬了鳥群或魚群等生物集體行為,通過不斷地調(diào)整每個(gè)粒子的運(yùn)動狀態(tài),來尋找最優(yōu)解。算法流程如下:

(1)初始化:隨機(jī)生成一定數(shù)量的粒子,并為每個(gè)粒子隨機(jī)分配速度和位置。

(2)評價(jià)函數(shù):根據(jù)問題的具體要求,設(shè)計(jì)一個(gè)適應(yīng)度函數(shù)來評價(jià)每個(gè)粒子的解,即目標(biāo)函數(shù)。

(3)更新速度和位置:每個(gè)粒子根據(jù)自身歷史最優(yōu)解和全局最優(yōu)解以及當(dāng)前速度,更新自己的速度和位置。

(4)更新歷史最優(yōu)解和全局最優(yōu)解:根據(jù)當(dāng)前的適應(yīng)度值,更新歷史最優(yōu)解和全局最優(yōu)解。

(5) 判斷終止條件:如果達(dá)到預(yù)設(shè)的迭代次數(shù)或者適應(yīng)度值滿足要求,則停止迭代,輸出全局最優(yōu)解[12-13]。

(6)否則,回到步驟(3),繼續(xù)迭代。

算法流程如圖3所示。在更新速度和位置時(shí),每個(gè)粒子的速度和位置都受到以下三個(gè)因素的影響:自身歷史最優(yōu)解、全局最優(yōu)解以及當(dāng)前速度。

圖3 粒子群算法流程

電渣爐控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng),具有多變量、多目標(biāo)和時(shí)變性等特點(diǎn),傳統(tǒng)的控制方法難以滿足其控制要求。粒子群算法是一種模擬自然界中鳥類群體行為的智能優(yōu)化算法,具有全局尋優(yōu)、收斂速度快等特點(diǎn),適合應(yīng)用于電渣爐控制系統(tǒng)中。

在電渣爐控制系統(tǒng)中,可以將各種影響爐內(nèi)溫度、電場等參數(shù)的因素作為粒子群算法的優(yōu)化變量,用粒子群算法優(yōu)化控制器的參數(shù),使得系統(tǒng)可以達(dá)到最優(yōu)的控制效果[14]。此外,粒子群算法還可以運(yùn)用于電渣爐熱力耦合模型的參數(shù)識別、狀態(tài)估計(jì)等方面,提高電渣爐控制系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語

采用電渣爐控制系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)對爐體熔化過程的精確控制,保證了爐內(nèi)溫度、電流、電壓等參數(shù)的穩(wěn)定,提高了生產(chǎn)效率和品質(zhì)。同時(shí)快速穩(wěn)定的電渣爐控制系統(tǒng)可以控制爐體熔化溫度和爐次時(shí)間,使得在爐內(nèi)熔化金屬合金時(shí)達(dá)到更高的效率,從而降低能源消耗,對于工業(yè)的發(fā)展具有重要意義。