（电力电子与电力传动专业论文）基于神经网络的电熔镁炉智能控制系统研究.pdf

东北大学硕士学位论文 r e s e a r c ho ni n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mo fe l e c t r i cm e l t i n g f u r n a c ef o rm a g n e s i ab a s e do nn e u r a ln e t w o r k a b s t r a c t m g oc r y s t a li sak i n do fs u p e rf i r e p r o o fm a t e r i a lu s e di nm a n ya r e a s ，a n di t s m e l t i n gp o i n ti sa b o u t2 8 0 0 c t h ef i r e p r o o fm a t e r i a lm a d eo fm g o c a nr e s i s t2 0 0 0 。c h i g ht e m p e r a t u r e t h em a i nw a yt op r o d u c em g o i ss m e l t i n gp r o c e s si nt h ee l e c t r i c f u m a c e 。 e l e c t r i cm e l t i n gf u r n a c ef o rm a g n e s i a ( e m f m )i sac o m p l e xp l a n t ，w h i c h e x i t ss e r i o u sn o n l i n e a r i t y ，t i m ec h a n g i n g ，s t r o n gc o u p l e t h es i n g l ee l e c t r o d e c o n t r o lm e t h o d ，w h i c hb a s e do nc l a s s i c a lc o n t r o lt h e o r y , h a sb e e nu s e dw i d e l y i n t h i st h e s i st h es h o r t c o m i n g so ft h ec l a s s i c a ls i n g l ee l e c t r o d ec o n t r o lm e t h o dh a sb e e n a n a l y z e d ，i na c c o r d a n c ew i t he m f mc o n t r o ls y s t e m sc h a r a c t e r i s t i c s ，r e q u e s to f d e s i g na n dd e v e l o p i n gd i r e c t i o n o fe m f mc o n t r o l s y s t e m ，a ni n t e l l i g e n t t h r e e e l e c t r o d e sc o n t r o lm e t h o dh a sb e e np r o p o s e d t h eo f f - l i n ec o n t r o lm o d e lo ft h e e m f mi se s t a b l i s h e db a s e do nb pn e u r a ln e t w o r k t h em a i nw o r k so ft h et h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h eb a s i cp r i n c i p l e ，t e c h n i c a le q u i p m e n t ，s t r u c t u r ea n dt h es m e l t i n gp r o c e s s o ft h ee l e c t r i cm e l t i n gf u r n a c ef o rm a g n e s i aa r ei n t r o d u c e d 2 t h ep r e s e n ts t a t u so fe l e c t r i cm e l t i n gf u r n a c ef o rm a g n e s i ac o n t r o ls y s t e mi s i n t r o d u c e da n ds e v e r a lw i d e l yu s e dc o n t r o lm e t h o d so fe m f ma r ec o m p a r e d 3 b a s e do nt h er e f o r m e db pn e u r a ln e t w o r kt h e o r y , t h eo f f - l i n ee l e c t r i c m e l t i n gf u r n a c ef o rm a g n e s i ac o n t r o ls y s t e mm o d e li sb u i l d t h et h e s i sa d o p t st h e s a m p l ed a t at ot r a i nt h en e t w o r k ，a n dt h es i m u l a t i o na n dr e s e a r c hi sd o n eo nt h e c o n t r o ls y s t e mm o d e l a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t ，f e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo f t h ec o n t r o lm e t h o dw e r ep r o v e d 4 a v rs i n g l ec h i pm i c r o c o n t r o l l e ri sa d o p t e da st h ec o r ep a r tt od e s i g nt h e e m f m si n t e l l i g e n tc o n t r o l l e ra n dp e r i p h e r a lc i r c u i t so fa dc o n v e r t i o n s e r i a l c o m m u n i c a t i o n ，d i s p l a y ，d r i v ea n dc o n t r 0 1 5 t h es o f t w a r ep a r to fs y s t e ma d o p t sm o d u l a rs t r u c t u r em e t h o d ，m a k eu s eo f t h er e s u l to ft h eo f f - l i n en e t w o r kt r a i n i n gt oc a r r yo u tt h en e u r a ln e t w o r kc o n t r o l n 】e t h o d 东北大学硕士学位论文 6 t h et h e s i su s e sv c + + p r o g r a m m i n gl a n g u a g et ow r i t et h el o n g - d i s t a n c e s u p e r v i s ea n dc o n t r o ls o f t w a r e ，a n da d o p t sr s 一4 8 5s e r i e sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lt o c o n s t i t u t ead is t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m c o n s i s to fp ca n d s i n g l ec h i p m i c r o c o n t r o l l e r s k e y w o r d s ：e l e c t r i cm e l t i n gf u r n a c ef o rm a g n e s i a ；n e u r a ln e t w o r k ；i n t e l l i g e n t c o n t r o l ；s y s t e md i s c r i m i n a t i o n ；d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m t v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果 除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：冀麦礼 日 期：弘厂。、) ，7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定： 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者签名 签字日期： 导师签名 签字日期 礼7 、& j 力f 名 签 乒 昔啡 瓤 淦位学 日 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 电熔镁简介 第一章绪论 1 1 1 国内外电熔镁生产现状 镁是重要的战略资源，在现代工业中有着举足轻重的地位，镁和镁化合物在 冶金、农业、医药、环保、电子、国防等部门都有着非常重要的用途。作为镁的 常见化合物，氧化镁的用途非常广泛，是用来为钢铁冶金工业生产特殊耐火材料 的主要原料。氧化镁的生产主要采用电熔法。电熔镁砂又称电熔氧化镁，是优质 菱镁矿石在电熔镁炉中经高温熔融后形成的高纯氧化物。随着世晃工业的飞速发 展，特别是钢铁等高温工业对耐火材料的更大的需求量和更高的要求，大大推动 了耐火材料工业的发展【l l 。 众所周知，当前国内外生产电熔镁砂所用的主要方法有： ( 1 ) 以海水m g o 为原料生产高纯度电熔m g o ，如日本、西德、英国等国家。 ( 2 ) 以菱镁矿石为原料生产电熔镁砂，如中国、俄罗斯等国家。 ( 3 ) 以轻烧镁石粉为原料生产晶体电熔m g o ( m g o 含量9 8 一9 9 ) 。如中国、 俄罗斯、加拿大等国家。 本课题的研究对象是以菱镁矿石为原料生产电熔镁砂的电熔镁控制系统，因 此如无特殊说明，本文所说的电熔镁均是指以菱镁矿石为原料生产电熔镁砂。 国外原苏联对电熔镁砂生产及其制品的性能方面早己进行过研究。用菱镁矿 石浮选法生产轻烧镁石粉( m g o 含量9 6 一9 8 3 ) 在d b k 一9 5 5 h 1 2 0 0 k v a 电炉 中生产出电熔m g o ，其m g o 含量为9 7 一9 9 4 8 。原苏联大部分用m g o 含量 4 6 0 6 的镁石生产电熔镁砂。 只本以海水m g o 为原料生产电熔m g o 和电熔铝镁尖晶石始于1 9 7 8 年。日 本通常采用8 0 0 k v a 单相电炉生产电熔m g o ，由于能源危机，早已停产，于1 9 8 0 年开始从中国进口。 我国对电熔镁砂生产工艺及其制品性能方面的研究开始于1 9 6 4 年9 月2 7 日。用m g o 含量4 6 5 的菱镁矿石可以生产出m g o 含量9 6 8 0 9 9 4 2 的电熔镁 砂。1 9 6 5 年研制并生产出电熔铝镁尖晶石及其制品，并对提高冶金炉炉衬使用 寿命方面进行了论述。1 9 8 0 年开始以轻烧镁粉( m g o 含量9 5 ) 为原料，生产晶 体电熔m g o ，其m g o 含量为9 8 9 9 的电熔镁砂占6 0 以上，晶体粒径最大为 15 - 2 0 m m ”。 总体来晚，困外牛产电熔镁的电熔镁炉容量比较火，是我国电熔镁炉的3 1 0 倍。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 而前苏联是众多的国家中发展最好的，另外，美国、奥地利、挪威、法国、德国、 前南斯拉夫等国家生产电熔镁的规模和技术水平均在不断提高。 我国是富藏菱镁矿石的地区，多为结晶性，探明储量为世界总探明储量的三分 之，主要分布在辽宁省大石桥市，海城市一带和山东掖县一带。辽宁省菱镁矿资 源丰富，开发利用历史悠久，是世界“四大镁矿产地”之一。已探明储量占全国总 储量的8 5 ，约占世界总储量的2 0 ，保有储量达到2 0 7 亿吨，远景储量可达8 0 亿 吨。辽南一带的菱镁矿石m g o 含量很高，品质优良，一级品率高达4 0 。大石桥镁 质矿产资源总储量5 8 2 亿吨，居全国第位，素有“世界镁都”之称。而且资源分 布集中，矿床大而厚，埋藏浅，适宜露天开采和大规模经营。辽宁省镁质材料行业 是以菱镁矿为主要原料的资源性行业。经过建国后6 0 多年的发展，辽宁省镁质材料 行业现有各类生产企业6 0 0 多家，行业固定资产达到7 6 亿元，从业人员1 6 余万人。 全省年开采矿石1 2 0 0 余万吨，生产镁质耐火材料7 0 0 余万吨，产品在国内外市场的 占有率分别达到了9 0 和6 0 【3j 。 目前，以菱镁矿石为原料生产电熔镁砂时，国内外普遍采用三相交流电熔镁 炉电熔法生产工艺。以菱镁矿石为原料采用电熔法生产电熔镁砂的主要问题是： 能耗高，产量低，质量差。因此降低能耗，节约能源，提高产品质量、产量，增 加经济效益是当前从事这方面耐火材料工作者的首要任务。但是至今无论从电熔 工艺、电熔设备，还是产品质量等各方面均无大的改进。出于能源危机，高耗能 产品大部分限产或停产，如硅铁、电熔镁砂。 国外从事这方面的研究工作者，都在致力于提高原料纯度的电炉工艺参数方 面的研究。为了降低能耗，节约能源，提高产品质量、产量，降低消耗，增加经 济效益，我国对耐火材料的发展也必须以质量、品种和降低能源消耗为中心，节 约能源是当前热工窑炉的主要工作之一【4 】。现结合国内外就这些方面的研究工 作，本文提出了以菱镁矿石为原料，基于神经网络的三电极统筹调节的智能控制 用于电熔法生产电熔镁砂。 i 1 2 电熔镁砂的特性 电熔镁砂具有熔点高、抗氧化、抗渣性强、结构完整、组织致密、化学性能稳 定、高温强度高、耐压强度大、绝缘性能强、耐冲刷、耐腐蚀等特性，是冶金、建 材、化工、国防、科研医疗器械、家用电器、炉衬及散状料的重要原料，也是钢铁、 水泥、玻璃、有色金属冶炼等行业不可缺少的重要耐火材料。其主要用途为：在冶 金耐火材料工业中制作高纯电熔镁砂、镁质涂料、电炉干打料、喷补料、大面补炉 料等辅助耐火材料及流钢口砖、镁碳砖、高纯镁砖、镁铬砖等特种耐火砖，也可在 巾高频感应电炉、冶炼特殊合会钢的电弧炉上做耐火炉衬、是制作氧化镁坩埚、炉 胆利各种高温套管的理想原料和优良的高温电气绝缘材料，这些材料已被用于制造 东北大学硕士学位论文第一章绪论 火箭发动机喷嘴，核反应堆隔热壁等特种部件，许多国家都非常重视电熔镁砂的研 究、生产和应用【4 。 电熔镁砂是一种晶格化了的氧化镁，具有n a c l 型结晶格子，晶格类型为立 方，晶格结构为等轴系晶，呈无色或白色，其密度在3 4 0 9 c m 3 左右，但电熔镁常因 含有其他杂质而呈现为黄色或绿色，其密度也相应有所下降。其熔点很高，纯氧化 镁熔点为2 8 0 0 1 3 。熔点的高低与物质的晶格结构及晶格离子的极化有关。就 氧化镁的化学性质而言是典型的碱性材料，对碱性稳定而抗酸性差。不同温度下 氧化镁的平均比热见下表。 表1 1 氧化镁平均比热表 t a b l e1 1a v e r a g es p e c i f i ch e a to fm g o 韫度1 0 05 0 07 0 09 0 01 1 0 01 3 0 01 5 0 01 7 0 0 1 8 0 0 平均比热 0 2 3 30 ，2 5 90 2 6 9 0 2 7 60 2 8 20 2 8 70 2 9 l0 2 9 30 2 9 4 ( 卡克) 图1 1 所示为氧化镁的导热系数随着温度的变化曲线，由图可以看出氧化镁 的导热系数随着温度的升高而降低，在13 0 0 左右时达到最小值，当温度超过 1 4 0 0 ( 1 6 0 0 一18 0 0 。c ) 时，导热系数略有回升趋势，这是因为在高温下呈现出 “热透性”现象的缘故。由于回升幅度不太大，可以近似认为导热系数保持不变。 2 ( k c a l m h 。c ) 3 s 2 1 s 1 0 s 02 0 0 稍湖湖1 蝴 渤1 翻1 湖1 8 0 0 删 图1 1m 9 0 的导热系数随温度变化曲线 f i g 1 1t h eh e a tt r a n s m i s s i o nc o e f f i c i e n to fm g ow i t ht e m p e r a t u r ec h a n g i n g 工业纯氧化镁的电阻率与温度的关系曲线见图1 2 。由图中的曲线呵知，氧 化镁在常温下是性能良好的绝缘体，其电阻率随温度变化很大。当温度升高到使 氧化镁融化为液体时，其电阻非常小，此时为电导体，导电能力强。所以，在电 东北大学硕士学位论文第一章绪论 熔镁砂的生产过程中要维持熔池温度的稳定。只有熔池温度稳定，才能确保熔池 具有良好的导电性，这是保证电熔过程持续、稳定的前提条件。理论上，纯氧化 镁的熔点在2 8 0 0 左右，但是当氧化镁晶体含有杂质时，将使其熔点降低，这 是二元系或多元系相关系的现象。例如：m g o 和c a o 、s i 0 2 形成一系列低熔点 的化合物1 5 j 。如： 透辉石 c a o m 9 0 2 s i 0 2 熔点1 3 9 0 镁方柱石c a o m 9 0 2 s i 0 2熔点1 4 5 8 钙镁橄榄石c a o m g o s ，0 2熔点1 4 9 8 镁蔷薇辉石3 c a o m 9 0 2 s i 0 2熔点1 5 8 0 p ( n 05 0 01 0 0 01 s 0 02 0 0 02 5 0 0 f ( 。) 幽1 2m g o 的电阻率随温度变化曲线 f i g 1 2t h er e s i s t i v i t yc h a n g i n go fm g ow i t ht e m p e r a t u r ec h a n g i n g 1 2 电熔镁炉控制系统发展现状以及存在的问题 1 2 1 电熔镁炉电极调节系统简介 在电熔镁生产过程中，由于电极同炉料的接触性短路、炉料的坍塌、炉料成 分的气化、被熔炉料的剧烈沸腾等原因，会引起电弧电流发生很大波动。因此需 要快速调节电极的位置，以使电弧电流保持在一定的范围内。其次，炉料熔化控 制主要靠电弧和电阻热，电弧电流的变化，使得输入炉内的电功率减少，熔化时 间延长。电弧电流过大，就会增加线路上的能量损耗，电效率降低。因而，在电 熔镁过程中，必须有一个较理想的功率调节装置，调节电熔镁炉的输入功率，以 取得最佳的熔炼效果。 电极自动调节系统便是具有上述功能的装置。电极自动调节系统主要由电压 电流的测量比较环节、调节器和其后的执行机构组成。按电极升降机构驱动方式 的不同，电极升降调节系统r q 分为机电式调节器和液压式调节器两种；通常前者 东北大学硕士学位论文第一辛绪论 熔镁砂的生产过程中要维持熔池温度的稳定。只有熔池温度稳定，爿能确保熔池 具有良直了的导电性，这是保证电熔过程持续、稳定的前提条件。理论上，纯氧化 镁的熔点在2 8 0 0 左右，但是当氧化镁晶体含有杂质时，将使其熔点降低，这 是二元系或多元系相关系的现象。例如：m g o 和c a o 、s i 0 2 形成一系列低熔点 的化合物”j 。如： 透辉石 c a o m 9 0 2 s i 0 2 熔点1 3 9 0 镁方柱石 c a o m 9 0 2 s i 0 2 熔点1 4 5 8 钙镁橄榄石 c a o m g o s i 0 2 熔点1 4 9 8 镁蔷薇辉石3 c a o m 9 0 2 s i 0 2熔点1 5 8 0 p ( n 0s 0 01 0 0 01 5 0 0 2 0 0 02 5 0 0f ( 。) h1 2m g o 的电阻率随温度变化曲线 f i g1 2t h er e s i s t i v i t yc h a n g i n go f m g o w i t ht e m p e r a t u r ec h a n g i n g 1 2 电熔镁炉控制系统发展现状以及存在的问题 1 2 1 电熔镁炉电极调节系统简介 在电熔镁生产过程中，由于电极同炉料的接触性短路、炉料的坍塌、炉料成 分的气化、被熔炉料的剧烈沸腾等原因，会引起电弧电流发生很大波动。因此需 要快速调节电极的位置，以使电弧电流保持在定的范崮内。其次，炉料熔化控 制主要靠电弧和电阻热，电弧电流的变化，使得输入炉内的电功率减少，熔化时 间延长。电弧电流过大，就会增加线路上的能量损耗，电效率醉低。因而，在电 熔镁过程中，必须有一个较理想的功率调节装置，调节电熔镁炉的输入功率，以 取得最佳的熔炼效果。 电极自动调节系统僵是具有上述功能豹装置。电极自动调节系统主要由电压 电流的测量比较环节、调节器和其厉的执行机构组成。按电极升降机构驱动方式 韵小同，电极升降调节系统旧分为机电式调节器 u 液压式调节器曲种、通常前者 的小同，电极升降 j 封节系统一分为机电式训节器i u 液压式调节器曲种、通常前者 d ：|啊炉炉黔玲” 东北大学硕士学位论文第一章绪论 熔镁砂的生产过程中要维持熔池温度的稳定。只有熔池温度稳定，才能确保熔池 具有良好的导电性，这是保证电熔过程持续、稳定的前提条件。理论上，纯氧化 镁的熔点在2 8 0 0 左右，但是当氧化镁晶体含有杂质时，将使其熔点降低，这 是二元系或多元系相关系的现象。例如：m g o 和c a o 、s i 0 2 形成一系列低熔点 的化合物1 5 j 。如： 透辉石 c a o m 9 0 2 s i 0 2 熔点1 3 9 0 镁方柱石c a o m 9 0 2 s i 0 2熔点1 4 5 8 钙镁橄榄石c a o m g o s ，0 2熔点1 4 9 8 镁蔷薇辉石3 c a o m 9 0 2 s i 0 2熔点1 5 8 0 p ( n 05 0 01 0 0 01 s 0 02 0 0 02 5 0 0 f ( 。) 幽1 2m g o 的电阻率随温度变化曲线 f i g 1 2t h er e s i s t i v i t yc h a n g i n go fm g ow i t ht e m p e r a t u r ec h a n g i n g 1 2 电熔镁炉控制系统发展现状以及存在的问题 1 2 1 电熔镁炉电极调节系统简介 在电熔镁生产过程中，由于电极同炉料的接触性短路、炉料的坍塌、炉料成 分的气化、被熔炉料的剧烈沸腾等原因，会引起电弧电流发生很大波动。因此需 要快速调节电极的位置，以使电弧电流保持在一定的范围内。其次，炉料熔化控 制主要靠电弧和电阻热，电弧电流的变化，使得输入炉内的电功率减少，熔化时 间延长。电弧电流过大，就会增加线路上的能量损耗，电效率降低。因而，在电 熔镁过程中，必须有一个较理想的功率调节装置，调节电熔镁炉的输入功率，以 取得最佳的熔炼效果。 电极自动调节系统便是具有上述功能的装置。电极自动调节系统主要由电压 电流的测量比较环节、调节器和其后的执行机构组成。按电极升降机构驱动方式 的不同，电极升降调节系统r q 分为机电式调节器和液压式调节器两种；通常前者 东北大学硕士学位论文第一章绪论 用于容量中、小的电熔镁炉，后者用于大型电弧炉。常用的电极升降调节器的性 能指标如表1 2 。 表1 _ 2 常用电极调节器性能指标 t a b l e1 2t h ep e r f o r m a n c eo fp r e v a l e n te l e c t r o d ec o n t r o lm e t h o d 机电式电极升降装置由伺服电动机、减速器、机械传动机构组成。在国外， 早期的机电式电极自动调节系统一般使用功率放大机一直流电动机系统，后来改 用晶闸管一直流电动机系统。8 0 年代以来，普遍采用了更高灵敏度、更高速的 晶闸管一转差离合器系统及晶闸管一交流力矩电极系统。近年来，一些厂家研制 了基于p w m 的电极自动调节系统，并开发了微机控制的电极调节系统，这些系 统在许多性能指标上较之传统的电极自动调节系统有了较大的提高，逐渐成为新 一代电极调节系统的主流。 目前，有些厂家已经开始采用变频调速技术对电极升降系统进行改造，也取 得了较好的效果，也就是所说的交流变频调速型电极调节方式。交流变频调速型 电极调节方式具有结构合理，技术性能优越，控制功能齐全，调节快速精确，操 作维护简便，运行安全可靠，设备故障率几乎为零，节约电能显著等优点。另外， 系统调速性能优越、范围宽广、平滑稳定、调速比值丈、脉动转矩小、电磁噪音 低、无超调、无振荡、动态调节响应快、静态调节精度高，因此交流变频调速型 电极调节方式也是电极调节方式的一个重要发展方向。 控制器按控制信号的不同可以分为： ( 1 ) 模拟控制器：这种控制器是一种早期的控制器，目前仅在小容量的电 熔镁炉上采用这类控制器，它的优点是造价相对比较便宜，缺点是控制性能不够 好。 ( 2 ) p l c 控制器( 可编程逻辑控制器1 ：该控制器具有较高的稳定性，不足 是响应较慢，难以满足大型电熔镁炉智能控制的要求，目前国内电熔镁炉控制系 统中普遍采用p l c 控制器进行控制。 ( 3 ) 工业计算机控制器：工业计算机具有强大的运算能力，而且工业计算 机的稳定性和可靠性高，所以综合性能较为优越。在国外工业计算机在电熔镁炉 摔制系统中得到广泛应用，国内电熔镁生产也开始朝这个趋势发展。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 从控制策略上分有三种方式 ( 1 ) 恒电流控制。 从电熔镁炉的功率出发可以分析出存在一个最佳电流。恒电流控制是在控制 系统中引入电流闭环控制，使电极电流稳定在最佳值。恒电流控制的优点是电极 电流恒定，电弧稳定，抗电网闪变能力强，但由于各相的阻抗及炉况差异较大因 此很难保证电炉加热均匀，一般认为在电极自动调节中，以选择等效电弧阻抗为 被控制量最好，其次是电流量，若单以电流为调节量则有一定的局限性。外部电 网的电压波动也会引起电极电流的变化。另外，调节电流并不考虑电极在炉料中 的插入深度，因为电极的插深与电流值的大小并不是简单的线性关系，因此很难 保证炉料区与熔池区都能有恰当的热能分配。 ( 2 ) 恒功率控制。 表1 3 电极移动对参数的影响 t a b l e1 ，3t h ep a r a m e t e ri n f e c t i o nw i t he l e c t r o d em o v i n g 恒功率控制是继恒电流控制之后的一个新的控制方式，但是它本身也存在许 多不足之处。表1 3 为电极上升和下降与电弧电压u 、电弧电流i 的关系。单相 电弧功率p = u * i ，当短路和断流时功率均为零，但是此时电极要做上升或下降的 动作就无法通过功率一个参数来计算，必须附加控制算法。即使在非特殊工作点 也有误操作的可能，因为无论电弧电流或电弧电压的升高都会增加功率，同理二 者的降低都会降低功率。当功率偏低时提升电极，电压的升高导致电流的降低， 结果有可能电压升高低于电流降低的速度导致功率迸一步降低，反之也有可能出 现相同情况。由于电熔镁炉的工作情况非常复杂，炉内不确定因素非常多，所以 这种情况下出现误操作的可能性比较大。因此以功率为被控制参数不太适合实现 电熔镁炉的稳定和自动控制。 ( 3 ) 恒阻抗控制。 恒阻抗控制的灵敏度比较高，被广泛应用与炼钢电弧炉。但用于电熔镁炉时 存在一定的困难。因为，熔池与炉壳之间是绝缘的，故难以取得中性点的电位。 恒阻抗控制可以近似看作是恒弧长控制，电弧阻抗是有效相电压与电极电流的比 值，采用它作为被调量可以控制相电压、电极电流及其比值，控制入炉的有效功 率、热能分配及电极在炉料中的插入深度，此外还可以避免电极问的互相影响。 对于电网电压的波动，由于电流电压同时按同一比例升降，故阻抗值不变，电极 也不参与调节，恒阻抗控制是目前电极控制中比较常用的模式。但是这种控制方 式在1 ：况不太平稳的情况下，电极调节容易窜动。因此采用传统的调节器时，很 东北大学硕士学位论文第一章绪论 难实现最佳控制。国内电熔镁炉行业所指的恒阻抗控制，并不是绝对的恒阻抗控 制，实质上是指电流和电压的差动控制，因为炉子主回路阻抗值在整个冶炼期间 变化很大，主回路阻抗和电弧电流之间还有着强烈的依从关系。因此，在典型的 冶炼过程中，一个恒阻抗调节器仅能以中等水平保持电弧电流为设定值。 1 2 2 电熔镁炉控制器的发展概况 工业生产氧化镁的电熔技术已有近6 0 年的历史，1 9 4 9 年的美国专利中即记载了 生产电熔氧化镁的方法。 现在主要是利用圆柱形炉体的三相交流电熔镁炉来制备电熔镁，传统三相电熔 镁炉电极控制一般都是三根电极各加一套控制系统，对三根电极分别进行控制。其 中一相的调节系统示意图如图1 3 所示。控制系统由电弧电流、电压测量回路、调节 器、功率放大环节、电动机和传动机械等组成。为使系统快速稳定运行，通常引入 速度反馈环节。电弧的电压和电流信号经过它们的测量回路，分别转换成直流电压 信号与给定输入进行比较。它们的差值信号通过调节器进入触发回路来控制晶闸管 整流电压，由这个电压控制的电动机来带动机械传动机构，使电极上下移动来调节 电弧长度，维持电弧电压和电流与给定值一致。 闰1 3 普通单相电极调节系统的方框图 f i g 1 3t h es t r u c t u r eo fs i n g l ee l e c t r o d ec o n t r o ls y s t e m 近二十几年，国内外学者和工程技术人员先后研制了多种新型电极升降调节器。 国内也早就开始了电熔镁炉智能控制方面的跟踪研究工作，但目前还很少有成果在 实际系统中采用，主要处于研究阶段。比如一些生产研究单位在电极调节器控制算 法中开始采用基于单个神经元规则的智能控制等，但是与国外已经投入使用的调节 器相比还有较大的差距，n a d i r a 等在1 9 9 8 年提出了应用于三相电熔镁炉的自调整模 型算法，但该算法没有考虑电弧的非线性关系，将其作为一个线性电阻来处理，与 实际工程对象还有较大不同。模糊控制能完成电极电流的调节，未出现频繁振荡， 调节较平滑，但对系统变化的响应不灵敏。自校正控制是对被控过程的在线辩识与 控制参数的自动整定相结合的一种自适应控制技术，当有较大的确定性扰动作用时， 其稳定性较差。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 3 当前电熔镁控制系统存在的问题 被控制量超调大、电极升降频繁、电弧电流不稳定、断弧频繁，严重情况下 会频繁地发生工作短路，这是电熔镁炉启动方式决定的，由于电熔镁炉变压器是 低电压大电流变压器，其工作电压较低且炉料不导电，无法通过短路生成工作电 弧，所以要先将一些碎电极放置于三个电极之间，使其形成短路电流以用来引弧， 然后开始正常工作。如果频繁发生断弧，电能和电极消耗都比较大，造成不必要 的经济损失，频繁升降对系统的影响也很大，因为当电弧长度增加时，电弧工作 电流增加，功率因数增加，随着电弧的继续变长，功率因数变得不稳定。当电弧 重燃时，会引起系统的震荡，这种震荡就是“电压闪变”的原因之一。电压闪变 会引起电极消耗和电源谐振。 不能实现三相统筹控制。电熔镁炉的三相电极之间存在强耦合的关系，调节 每一相电极的工作状态势必对另外两相的工作状态产生影响，而传统控制器将三 相电极看作是三个独立的系统分别加以控制的，无法实现真正意义上的三相平 衡。在电熔镁三相统筹控制技术研究的同时，三相不平衡供电的研究也在进行。 传统控制方法没有考虑到电熔镁炉冶炼过程的时变特性，电熔镁炉的电气特 性是不断变化的，任何两个电极周围的炉料堆积不可能完全一样，所以要调整到 一个最佳状念是很困难的。 电熔镁炉是一种典型的非线性、时变和分布参数的多输入多输出的三相耦合 系统，它具有以下特点：( 1 ) 阶数高。即使用比较简化的数学模型描述，系统阶 数也可以达二十多阶。( 2 ) 强非线性，交流电弧电阻具有很强的非线性。( 3 ) 扰 动复杂，大范围的扰动及随机性并存，并且这种扰动是存在于系统内部的，是非 加和性的。( 4 ) 强耦合性，三相电熔镁炉主电路其有很强的耦合性，使得任意相 弧长的变化可以同时引起三相电弧电流有效值的变化。( 5 ) 调节过程的快速性， 某一相电极短路时，电极调节器必须及时将电极调至合适的位置，这过程通常 为零点几秒至几秒。对这样复杂的系统，常规的控制效果不太理想，必须寻找新 的控制策略。对于电熔镁炉电极调节系统来说，一般都希望其输出稳定、准确地 达到给定值，但常规控制器很难获得使人满意的响应特性。其主要原因是这种控 制方式不是以整体作为被控对象来处理变化的生产过程的，因此难以解决稳定性 和快速性之间的矛盾。 随着高性能工业控制计算机的出现，利用神经网络建立其模型成为了可能。 本文将神经网络用于电熔镁的系统控制，它有适应性强，控制精度高，响应时间 短的特点。在三相关联的6 口提下，利用人工神经网络控制器控制电极的升降，以 满足对电熔镁炉的控制要求，实现电熔镁炉冶炼有效功率的提高、电流波动的减 少和电压闪变的抑制，以及提高电熔镁炉生产率、降低能耗、减轻对电嘲的危害。 8 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 论文的研究背景和主要工作 1 3 1 论文的研究背景 现在国际市场上高品质氧化镁产品的供应商主要集中在美国、日本、以色列 等少数国家。这些供应商的技术保密工作都非常严格，例如，日本“t a t e h o ”化 学工业公司在9 0 年代初就掌握了高纯氧化镁单晶的生产技术，但其从没有向外 透露过技术细节。我国采用电熔镁炉进行氧化镁晶体冶炼已有一定规模，但目前 我国电弧炉的电极调节系统，多系6 0 7 0 年代p i d 调节器，而对于电熔镁行业 的电熔镁炉来讲，多数电熔镁炉的控制还处于人工手调的阶段，所以调节特性较 差，调节时间较长，自动化水平较低，不可避免的造成能量的过分消耗，造成氧 化镁的成本比较高，冶炼工艺水平低。出口的绝大部分为氧化镁初级产品，效益 较低，不能做到资源的最大化利用，浪费严重。造成现状的主要原因是各冶炼厂 缺乏技术支持，特别是最先进的自动控制和计算机技术的支持。因此，用高新技 术改造电极调节系统，对降低能耗，提高产品质量，增加经济效益，都具有非常 重要的意义。 辽宁省是镁资源大省，电熔镁作为辽宁省镁资源工业的拳头产品，其工业生 产水平在全省工业生产中具有举足轻重的地位。长期以来，辽宁省电熔镁生产企 业主要依靠圆柱形炉体的三相交流电熔镁炉来制备电熔镁，其产品质量和产率 低，电能和电极消耗大，电压波动大对电网冲击严重。为了实现资源的充分利用， 提高产品附加值和行业技术水平。2 0 0 4 年8 月辽宁省镁办文件辽宁省镁质材 料行业亟需解决的关键技术及重点发展产品中提出：“要实现体积密度大于 3 4 9 c m 3 氧化镁含量9 7 5 以上高纯镁砂的工业化生产，及优质电熔镁砂用直流 或交流变频电熔炉的研制和开发，电熔镁生产中自动控制技术的更新”f 6 。 国外研究发现电熔镁中的品粒纯度越高，直径越大，其性能也就越好。品粒 的直径和纯度越高，电熔镁的密度也就越高。优质电熔镁的密度应该在3 4 9 c m 3 ， 纯度在9 7 5 以上，但目前辽宁省大部分电熔镁厂家的产品质量还达不到这一指 标。全省目前约有电熔镁炉1 0 0 0 余台，大部分电熔镁炉的技术水平低，产量和 质量低，能耗高，生产过程中资源浪费严重。 目前，辽宁省对新上的电熔镁项目的技术水平和产品质量都有严格要求，常 规的三相交流电熔镁炉控制技术已不能满足行业的技术要求，行业发展对原有技 术的改造提出了迫切的要求。另外，根据辽宁省的镁质行业产业调整计划，2 0 0 5 年全省计划淘汰技术平较低的电熔镁炉2 0 0 台，以后的若干年内还将有大量类似 设备遭到淘汰。因此提高省电熔镁行业的技术水平，实现生产装备的升级换代和 控制技术的更新是刻不容缓的现实问题。本文f 是在这种发展形式下，为提高工 东北大学硕士学位论文第一章绪论 作效率，节约能源，降低产品成本，对电熔镁的智能控制进行开展研究的。控制 器为电熔镁炉的控制操作而设计，适用于矿热式电炉的自动化控制。也可以应用 于类似的电极加热控制领域，使电极升降控制操作实现自动化，既降低操作人员 的劳动强度，又能避免用电量过大，减少不必要的电费支出，提高生产效率。 1 3 2 论文的主要工作 本文的主要工作可以分为以下几个方面： ( 1 ) 详细介绍了电熔镁炉的基本原理、工艺设备、工作过程及冶炼氧化镁 的工艺过程。 ( 2 ) 对于电熔镁炉的控制现状和常用的控制方法进行了阐述和比较。 ( 3 ) 基于改进的b p 神经网络离线建立了电熔镁炉控制模型。采用样本数 据对网络控制模型进行训练，利用训练所得的权值来建立神经网络控制器的模 型。为了更好的仿真和分析整个系统的运行状况，本文还利用神经网络的系统辨 识功能建立了调节量到输出变化量之间的系统模型。并进行了控制模型的研究和 仿真，证明了该神经网络智能控制方法的合理性和有效性。 ( 4 ) 采用a t m e g a 8 5 3 5 工控机作为核心处理器设计开发了电熔镁炉电极控 制器，完成了模拟量采集、通讯、显示、控制输出等外围电路的设计。 ( 5 ) 系统的软件采用模块化的程序设计方法，根据神经网络离线训练所得 的系统参数，实现了神经网络控制的思想。 ( 6 ) 利用v c + + 编写了用于远程监控的上位机程序，通过r s 4 8 5 串口通信 方式，把上位微机和下位工控机之间组成了集散控制系统( d c s ) 。 l o 东北大学硕士学位论文第二章电熔镁炉的系统结构及冶炼过程 第二章电熔镁炉的系统结构及冶炼过程 2 1 电熔镁炉的系统结构分析 电熔镁炉的系统结构可以分成两部分进行说明，部分为炉体的基本结构， 另一部分为系统的电气结构。电熔镁炉的基本结构与电弧炉是相近的，图2 1 f a l 所示为电熔镁炉的主体结构及电极分布情况，其主体结构主要包括供电系统、炉 体、电极夹持器及电极升降装置、水冷系统和辅助动力系统等部分构成。电熔镁 炉根据电气结构主要可以分为两种，一种应用比较广泛的三电极三相交流电熔镁 炉，电极分布如下图( b ) 所示，另一种为两电极的直流电熔镁炉。 ( a ) ( b ) 1 一交流电源；2 水冷电缆；3 一电极夹头：4 一电极；5 一炉子外壳； 6 电弧；7 熔池；8 皮沙；9 晶坨；l o 原料层；1 1 - 炉底砖。 图2 1 三相交流电熔镁电熔镁炉结构及电极分布 f i g 2 1t h ed i a g r a mo f a ce m f ma n dd i s t r i b u t i n go ft h ee l e c t r o d e s 电熔镁炉的基本结构包括： ( 1 ) 炉体：炉体是电熔镁炉的主要装置，用来熔化炉料和进行各种物理化 学反应。电熔镁炉炉体由金属构件和耐火材料砌筑成的炉衬两部分组成。 ( 2 ) 电极夹持器及电极升降装置：电极通过电极夹持器固定在电极升降装 置上，通过电极升降装置来完成电极的调节。 ( 3 ) 短网系统：电熔镁炉的短网由挠性水冷补偿器、汇流导电铜管、大截 面内水冷电缆、电缆接头、导电横臂等组成。 ( 4 ) 水冷系统：为了延长电熔镁炉的使用寿命以及改善炉前操作条件，电 熔镁炉的许多部位通水冷却，如前所述的炉盖、炉壳等。水冷系统主要包括两部 2 ，4 5 6 7 8 9 协 东北大学硕士学住论文 第二章电熔镁炉的系统结构及冶炼过程 分：水冷炉壁和水冷导电横臂。 电熔镁炉的完整控制系统图如下 图2 2 电熔镁炉的控制系统图 f i g2 2t h em a i ns t r u c t u r eo fe m f mc o n t r o ls y s t e m 由图2 2 可知电熔镁炉控制系统主要由以下几个部分组成： ( 1 ) 电熔镁炉变压器：其工作特性不同于普通变压器，其原边采用星接方 式，副边采用角接方式，可以在一定程度上消除三次谐波，二次侧输出大电流和 低电压，并且有过流保护装置，一般工作电流在5 ，0 0 0 1 5 ，0 0 0 a ，在电炉变压器 中整合了电抗器。 ( 2 ) 电压电流检测装置：利用二次电流互感作用可测量得到电弧的电流。 利用电压互感器可测得电弧电压。 ( 3 ) 中央控制器：工业计算机控制器的实时性、计算能力和可靠性都很高， 以工业计算机为控制器的电熔镁炉控制系统已经在国外得到了广泛应用。 ( 4 ) 电熔镁炉炉体：炉壳为圆形，稍有锥度，为便于熔坨脱壳，在炉壳壁 上有吊环，炉下设有小车，作用是使熔毕的熔坨移动到固定工位，冷却出炉。 ( 5 ) 放大执行机构：把控制信号放大执行，通过驱动异步电机来控制电极 的提升和下降。 2 2 电熔镁砂的冶炼过程和能耗 自从1 9 0 5 年m 法国h e r o u l t 首创电弧炉以来，电弧炉最初主要用_ ：r 冶炼低合 1 2 东北大学硕士学位论文第二章电熔镁炉的系统结构及冶炼过程 金钢和优质碳钢。后来，电弧炉发展到用于熔融法生产铁合金、非金属氧化物和 碳化物等难熔材料，如氧化镁和二氧化硅等。电熔法生产( 提纯) 氧化镁晶体， 由于所需设备简单，初期投资低，工艺简单，操作容易，便于实现规模生产等优 点，故被广泛采用。 电熔法的基本原理是：将菱镁矿放入矿热炉内，再放入三根碳质的电极。通 电后，电流流过电极和熔池之间产生电弧热和电阻热熔