（控制理论与控制工程专业论文）电熔镁炉新型控制系统研究与开发.pdf

、：。： at h e s i si nc o n t r o l r e s e a r c ha n s y s t e 一 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，不包含其他人己经发表或撰写过 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做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 学位论文作者签名：赫 日期：砌莎争夕彬留 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。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 学位论文作者签名：蓬缘 导师签名： 签字日期：甥事莎曰落月 签字日期： 一 东北大学硕士学位论文摘要 电熔镁炉新型控制系统研究与开发 摘要 电熔镁砂是一种纯度高，耐高温，结构致密的高级耐火材料，被广泛地应用于冶金 航天工业，核工业，光学和电子工业，超导材料，高温窥视镜等诸多领域。目前，电熔 镁砂生产行业中应用最广泛的是三相交流电熔镁炉。电熔镁熔炼是以轻烧氧化镁粉或菱 镁矿为原料，利用电流通过炉料时炉料电阻产生的热量，以及电弧产生的热量使炉料熔 化，从而得到较高纯度的电熔镁砂结晶体。在电熔镁炉熔炼过程中，主要利用由人工手 动控制熔炼电流，由于熔炼过程复杂具有较强非线性、时变性和强耦合性以及外界扰动 使熔炼电流不停地变动，造成产品能耗高、高品位产品含量低，所以实现电熔镁炉熔炼 电流自动控制具有重要意义。本文以国家科技支撑计划项目“镁产业综合节能技术创新 工程”为依托，以降低能耗和提高产品高品位率为目标，设计与开发了电熔镁炉新型控 制系统，并成功应用于现场，实现电熔镁炉熔炼过程三相电极自动控制。 本文主要研究工作如下： ( 1 ) 在分析电熔镁炉熔炼过程特性的和控制目标基础上，针对交流电熔镁炉熔炼过程 具有非线性、强耦合、随机干扰频繁的特性，电极电流稳定性差，产品能耗高，传统控 制方法无法达到满意的控制效果的问题，提出了基于正常工况、异常工况、排气处理三 个不同工况辨识的电熔镁炉过程控制策略。 ( 2 ) 基于上述控制策略设计开发了电熔镁炉新型控制系统。新型控制系统对电极升降 控制策略进行了改进，人机交互接口方面新增了触摸屏的设计与开发，网络通讯方面新 扩展了网络信息发布功能等。实现现场过程控制、过程数据归档、熔炼过程分析、实时 和历史曲线显示、电流设定等功能。 ( 3 ) 将电熔镁炉新型控制系统应用与工业现场，提高了产品高品位率，节约了吨耗电 量，取得了一定的社会效益和经济效益，实现了预期的控制目标。 关键词：电熔镁炉；电极控制；智能控制：规则决策和推理 i i i 学硕士学位论丈摘要 i v 一 r h 东北大学硕士学位论文a b s 仃a c t r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to nn e w - p a t t e r nc o n t r o ls y s t e mo f e l e c t r i c a ls m e l t i n gf u r n a c ef o rm a g n e s i a a b s t r a c t e l e c t r i c a l s m e l t e dm a g n e s i ai sas o r to fs o p h i s t i c a t e df i r e p r o o fm a t e r i a lw h i c hh a st h e p r o p e r t i e so fh i g hp u r i t y , h i g ht e m p e r a t u r er e s i s t i b i l i t ya n dd e n s es t r u c t u r e i ti sw i d e l yu s e d i nm e t a l l u r g ya n da e r o s p a c ei n d u s t r y , n u c l e a ri n d u s t r y , o p t i c sa n de l e c t r o n i ci n d u s t r y , s u p e r - c o n d u c t i n gm a t e r i a l ，h i g ht e m p e r a t u r es i g h tg l a s s e sa n do t h e rf i e l d s a tp r e s e n t ，t h ee l e c t r i c a l - s m e l t e dm a g n e s i ai sm a i n l ys m e l t e dv i at h et h r e e - p h a s ea ce l e c t r i c a ls m e l t i n gf u r n a c ef o r m a g n e s i a ( e s f m ) i nt h ee l e c t r i c a l s m e l t e dm a g n e s i as m e l t i n g ，t h es o f tb u r n i n gm a g n e s i u m p o w d e ro rt h em a g n e s i t es t o n ei sm a d ea sr a wm a t e r i a l ，a n dt h er a wm a t e r i a li ss m e l t e db yt h e h e a tp r o d u c i n gf r o mt h ef u r n a c ec h a r g er e s i s t a n c ea n dt h ee l e c t r o d e sa r c ，t h e r e b yt h eh i g h - p u r i t ym a g n e s i ac r y s t a li so b t a i n e d d u r i n gt h es m e l t i n gp r o c e s s ，t h es m e l t i n gc u r r e n t sa r e m a i n l yc o n t r o l l e db ym a n u a lo p e r a t i o n b e c a u s eo ft h ep r o c e s sw i t hs t r o n gn o n l i n e a r i t y , t i m e v a r y i n g ，s t r o n gc o u p l i n g ，a n dd i s t u r b a n c e s ，t h i so p e r a t i o nm o d el e a d st oc u r r e n t sk e e p i n g c h a n g i n ga n dm a k e sp r o d u c tl o wi nh i g hg r a d e ，h i g h - e n e r g yc o n s u m p t i o n ，s oi ti si m p o r t a n tt o r e a l i z et h ea u t o m a t i o nc o n t r o lo fe s f ms m e l t i n gc u r r e n t s s u p p o r t e db yt h en a t i o n a ls c i e n c e a n dt e c h n o l o g ys u p p o r tp l a np r o g r a m m a g n e s i u mi n d u s t r y i n t e g r a t e de n e r g ys a v i n g t e c h n o l o g i c a li n n o v a t i o np r o j e c t ”，an e w - p a t t e r nc o n t r o ls y s t e mo fe s f mi sd e s i g n e da n d d e v e l o p e dt or e a l i z ea u t o m a t i o nc o n t r o lf o rt h et h r e e - p h a s ee l e c t r o d e so fe s f m a sw e l la s ， t h en e w - p a r e r nc o n t r o ls y s t e mi ss u c c e s s f u l l ya p p l i e dt ot h es p o tp r o d u c t i o n t h em a i nr e s e a r c h e si nt h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i sf r o mp r o d u c t i o np r o c e s sc h a r a c t e r i s t i ca n dc o n t r o la i m ， a i m i n ga tt h ep r o b l e mt h a tt h es m e l t i n gp r o c e s so fe s f mh o l d st h ep r o p e r t i e so fs t r o n g n o n - l i n e a r i t ya n dc o u p l i n g ，f r e q u e n tr a n d o md i s t u r b a n c e s ，a n dt h ep h e n o m e n o ni nl o w s t a b i l i t y o fe l e c t r o d e s c u r r e n t s ，h i g h e n r e g yc o n s u m p t i o n ，a n du n s a t i s f i e de f f e c t 埘t h t r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o d ，an o v e lc o n t r o ls t r a t e g yo fe s f mp r o c e s si sp r o p o s e db a s e do nt h e n o r m a lc o n d i t i o n ，t h ea b n o r m a lc o n d i t i o na n dt h ee x h a u s tt r e a t m e n tc o n d i t i o n ，w h i c ha r e d i v i d e db yt h ec o n d i t i o ni d e n t i f i c a t i o ne q u i p m e n t ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o ls t r a t e g ya b o v e ，t h en e w p a t t e r nc o n t r o ls y s t e mo fe s f mi s d e s i g n e da n dd e v e l o p e d t h ec o n t r o ls t r a t e g yo fe l e c t r o d e sr i s i n ga n dd r o p p i n gi si m p r o v e d b yt h en e w p a t t e r ne l e c t r i c a ls m e l t i n gf u m a c ef o rm a g n e s i a ，a st h es a m et i m e ，at o u c hs c r e e n w i t hh u m a n - m a c h i n ei n t e r a c t i v ep i c t u r e sa n dar e m o t ed i s t a n c ep r o c e s sm o n i t o r i n gt e r m i n a l s y s t e ma r en e w l yd e s i g n e da n dd e v e l o p e dt o u n d e r t a k et h eo n s i t ep r o c e s sc o n t r o l ，f i l et h e v 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t p r o c e s sd a t a ，a n a l y s et h es t a t u so fs m e l t i n gp r o c e s s ，d i s p l a yt h er e a l - t i m ea n d h i s t o r i c a lc u r v e s ， a n ds e tc u r r e n t sv a l u e s ( 3 ) t h en e w p a t t e r nc o n t r o ls y s t e mo fe s f md e s i g n e di n t h i s t h e s i si ss u c c e s s f u l l y a p p l i e dt o t h ei n d u s t r i a ls i t e i n d u s t r ya p p l i c a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec o n t r o ls y s t e m i m p r o v e sh i g h g r a d er a t eo fp r o d u c t ，s a v e st h ee n e r g yc o n s u m i n gp e rt o n ，o b t a i n ss o c i a la n d e c o n o m i cb e n e f i t s ，a n da c h i e v e st h ee x p e c t e dc o n t r o la i m k e yw o r d s ：e l e c t r i c a ls m e l t i n gf u r n a c ef o rm a g n e s i a ；e l e c t r o d ec o n t r o l ；i n t e l l i g e n tc o n t r o l ； r u l e si n f e r e n c ea n dd e c i s i o n v i j 一_ i - - _ _ - 一一一一一一一一 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i i a b s t r a c t v 第1 章绪论1 1 1 课题背景及意义1 1 2 电熔镁生产现状1 1 3 电熔镁炉控制系统概况2 1 3 1 电熔镁炉控制系统发展现状。3 1 3 。2 现有电熔镁炉控制方法存在的问题。5 1 4 本文主要工作6 第2 章电熔镁炉熔炼过程及控制难点分析9 2 1 电熔镁炉熔炼工艺与过程分析9 2 1 1 电熔镁炉熔炼工艺描述9 2 1 2 电熔镁炉熔炼过程分析9 2 2 电熔镁炉人工操作现状l0 2 3 电熔镁炉控制的难点1 3 2 4 本章小结1 4 第3 章电熔镁炉新型控制系统控制策略研究15 3 1 电熔镁炉控制系统控制方法研究1 5 3 2 电熔镁炉熔炼电流特性分析1 6 3 2 1 电熔镁炉电极升降控制描述l6 3 2 2 电熔镁炉三相电流耦合关系分析1 7 3 3 电熔镁炉新型控制器控制策略研究1 7 3 3 1 控制策略总体概述18 3 3 2 工况辩识控制策略1 9 3 3 3 正常工况控制策略2 1 3 3 4 异常工况控制策略2 8 3 3 5 排气处理控制策略2 8 3 4 本章小结2 8 第4 章电熔镁炉新型控制系统设计2 9 v i i 东北大学硕士学位论文 目录 4 1 电熔镁炉新型控制系统整体功能设计2 9 4 2 电熔镁炉新型控制系统硬件设计3 1 4 2 1c p u 及其扩展模块选型31 4 2 2 触摸屏选型及组态3 2 4 2 3 控制系统远程通讯3 3 4 - 3 电熔镁炉新型控制系统软件设计3 4 4 3 1 电极升降控制器设计3 5 4 3 2 触摸屏组态设计3 9 4 3 3 网络远程监控设计4 l 4 4 本章小结4 3 第5 章电熔镁炉新型控制系统开发与应用4 5 5 1 电熔镁炉新型控制系统的开发4 5 5 1 1 电极控制器软件开发4 5 5 1 2 触摸屏组态开发5 2 5 1 3 系统通讯发布与远程监控系统5 7 5 2 工业现场简介6 2 5 3 效果分析6 4 5 4 本章小结6 5 第6 章结论与展望6 7 参考文献6 9 致谢7 3 攻读硕士学位期间的主要工作7 5 v i i i 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 电熔镁砂( 氧化镁晶体) 具有密度高、耐高温、耐腐蚀、绝缘性能好等特点，因而是 钢铁、水泥、玻璃、有色金属熔炼等行业不可缺少的重要的耐火材料，同时作为冶金、 建材、化工、国防、科研医疗器械的绝缘材料而获得广泛应用【l - 3 】。 氧化镁生产通过石墨电极引入电流，利用弧光产生高温熔化轻烧镁粉或菱镁矿石 ( 主要成份m g c 0 3 ) 来完成熔炼过程。目前由于我国氧化镁生产技术水平低，主要采 用三相交流电弧炉冶炼氧化镁，大多数冶炼过程仍然依靠人工手动调节控制，电极控制 效果差，工人劳动强度大，耗电量大，产品质量不稳定，不能做到资源的最大化利用， 浪费严重。本课题项目结合大石桥电熔镁生产现场的实际情况，开发了电熔镁炉新型控 制系统。 辽宁省素以镁矿资源储量大、品质优而闻名于世，已探明储量为2 9 6 9 亿吨，约占全 国总储量的8 7 ，占世界总储量的2 0 。镁产业在工业体系中具有举足轻重的地位，产 品覆盖了约9 0 的国内市场和6 0 国际市场，镁制品行业已成为辽宁省重要的资源型支 柱产业。实现电熔镁炉的自动控制是企业的关注点和节能关键点，研究电熔镁炉自动化 控制技术，用高新技术改造电极调节系统，提高电熔镁炉设备的自动化水平，对降低能 耗，提高产品质量，提高经济效益，都具有非常重要的意义。因此，如何提高冶炼技术 水平，提高产品中优等品的比例，是迫切需要解决的一个问题，对于我国优势资源的利 用也有着十分重大的意义和深远的影响。电极升降控制操作实现自动化控制，降低操作 人员的劳动强度，提高生产效率，实现节能，降低环境污染，提高企业竞争力，为实现 信息化带动工业化、为发展新型工业化发挥重大作用。 1 2 电熔镁生产现状 世界菱镁矿探明储量现约4 4 亿吨，储量较大的国家有前苏联、朝鲜等国家。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 等国家生产电熔镁石的规模和技术水平均在不断提高。总体来说，国外生产电熔镁的电 熔镁炉容量比较大，是我国电熔镁炉容量的3 - 1 0 倍。 电熔镁砂在2 0 世纪6 0 年代已进入工业化生产，当时主要作为电加热器的绝缘填充 材料。7 0 年代用于超高功率电炉衬砖以及炼钢转炉炉衬砖。8 0 年代后，我国电熔镁砂 行业发展很快，并成为高质量镁碳砖的主要原料。近年来，随着技术不断进步，镁砂晶 体颗粒向大晶体颗粒发展，其应用范围也不断扩大，并开始延伸到许多高科技领域，高 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 温超导器件的薄膜生长基片、半导体材料的衬底驻基片、一些( 高温、超导) 领域的传 感材料、高温高精度的光学材料、高温增祸材料、激光器材料( 功率激光加工机) 、化 学催化剂载体、等离子体显示屏中的电极保护薄膜等。氧化镁晶体应用于高温领域和作 为薄膜生长基片和半导体材料的衬底驻基片，同其它材料相比，如砷化稼、金刚石、白 蓝宝石等，具有明显的价格优势，约低四倍左右，而且性能较好 4 刁】。 当前国内外生产电熔镁砂所用的主要方法有： ( 1 ) 以菱镁矿石为原料生产电熔镁砂，国外原苏联大部分用m g o 含量4 6 0 6 的镁石 生产电熔镁砂。原苏联用菱镁矿石浮选法生产轻烧镁石粉( m g o 含量9 6 9 8 3 ) 在 d b k 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 9 9 4 8 。 ( 2 ) 以海水m g o 为原料生产高纯度电熔氧化镁，日本是电熔镁砂需求量很大的国家之 一。由于日本几乎不出产矿物系列镁矿石，所以主要以海水镁砂为原料生产电熔镁砂。 用海水镁砂作原料，通常采用8 0 0 k v a 单相电炉生产电熔m g o ，电炉容量的大小对电熔 镁砂的质量是有影响的。由于天然菱镁矿石中含有比较多的杂质( c a o 、s i 0 2 、f e 2 0 3 ) ， 所以采用海水镁砂生产的电熔镁砂的纯度及组织结构的质密度均优于用天然菱镁矿石 生产出来的电熔镁砂。 ( 3 ) 以轻烧镁石粉为原料生产晶体电熔镁( m g o 含量9 8 9 9 ) ，如中国、俄罗斯、 加拿大等国家。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 的三分之一。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，主要 以菱镁矿石( m g c 0 3 ) 或轻烧镁( m g o ) 为n 料，经过电熔镁炉熔炼而成的。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。我国 大规模的生产电熔镁砂开始于8 0 年代初期，以轻烧镁粉为原料，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1 5 2 0 m m 。二十几 年来，速度发展很快，生产规模不断的扩大，仅辽宁省就现有1 0 0 0 台以上电熔镁冶炼 设备，主要分布在营口、海城、岫岩、抚顺等地区。但电熔镁生产属高耗能产业，每生 产一吨电熔镁砂约耗电2 6 0 0 3 0 0 0 度左右，其用电成本约占整个电熔镁生产成本的 5 0 7 0 。 随着世界工业的飞速发展，钢铁等高温工业对耐热材料的需求日益增大，对耐火材 料的需求越来越高。正因为电熔镁石具有熔点高，抗氧化，抗渣性强的特性，所以许多 国家重视电熔镁石的研究，生产和应用。 1 3 电熔镁炉控制系统概况 电熔镁炉是通过电极引入大电流形成弧光产生高温来完成熔炼过程的，目前我国大 多数电熔镁炉冶炼过程仍然完全依靠工人手动调节，存在着电极控制不稳，劳动强度大， 2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 耗电量大等问题，并且由于操作者的能力、精力、以及长时间疲劳工作等因素决定此种 控制方式的落后和不协调，控制效果不理想，调节特性较差，调节时间较长，产品质量 非常不稳定。自动化水平较低，不可避免的造成能量的过分消耗，氧化镁的成本比较高， 冶炼工艺水平低，不能做到资源的利用最大化。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技术的支持，实现电熔镁炉的自动控制是提高产量、 降低工人劳动强度和节能的有效途径。 1 3 1 电熔镁炉控制系统发展现状 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 年的美国专利中记载了生产 电熔氧化镁的方法，但国外利用三相交流电熔镁炉来熔炼氧化镁案例【8 1 3 】较少，尚未有 比较理想方法生产的先例，国内虽然己开始研制，对电熔镁炉电极控制也提出过一些解 决方案【1 4 16 1 ，但受到企业现有设备和工艺水平等条件的限制，主要是利用圆柱形炉体的 三相交流电熔镁炉来冶炼氧化镁，传统三相电熔镁炉电极控制一般都是对三根电极分别 进行控制。大结晶氧化镁的产量很低，不能适应日益增长的国际、国内市场需求，有必 要进一步研究大结晶氧化镁的形成条件、炼制工艺，以及提高生产过程的自动化程度。 目前在电熔镁生产中所使用的控制器按控制信号的不同主要可分为以下三种： ( 1 ) 模拟控制器，一种早期的控制器，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，缺点是控制性能欠佳。 ( 2 ) 可编程逻辑控制器( p l c 控制器) ，该控制器具有较高的稳定性，不足是存储空 间有限，响应较慢导致一些智能控制算法无法应用，难以满足大型电熔镁炉智能控制的 要求，但是，目前国内电熔镁炉控制系统中有不少采用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，响应速度快，综合性能较为优越。在国外，7 - + 业计算机在电熔镁炉控制系 统中得到广泛应用，国内电熔镁生产也正在向这种控制方式过渡。 为了实现对电熔镁炉电极有效的控制，需要合理的控制策略来实现。电熔镁炉是电 弧炉的一种，所以电熔镁炉现有控制方法大多参考电弧炉电极控制策略。在查阅了大量 参考文献的基础上，总结出现有电极控制方法如下所述： 文献【1 7 】论述了用可编程控制器作为控制主机构成电熔镁炉集中自动控制系统。通 过在主程序中不同的条件来调用予程序并对子程序中变量赋不同的值。如电流采集子模 块，滤波算法子模块，偏差量计算子模块，控制算法子模块等。与上位机的通讯部分采 用串行中断方式来完成。p l c 通过采集各炉的电流，计算出每台电炉各相电流与设定值 的偏差量，根据偏差量的大小，极性( 正偏差还是负偏差) 确定提升或下降的电极，计 算动作的时间，控制电极移动的距离。 3 吸收利用了经验知识，提高了模糊神经控制器在线学习的速度，能够有效地抑制弧长扰 动，具有较强的鲁棒性，性能优于常规控制方法。 文献 2 7 提出的电极模型参考自适应控制是基于神经网络进行在线控制，该控制器 用于解决电弧炉电极系统复杂的非线性，强耦合性，时变性以及各种不确定因素。 文献【2 8 】提出的电极在线参数最优化控制是基于规则进行预测控制，时刻跟踪预测 输出和设定值之间的偏差，结合神经网络自调整预测控制。 文献 2 9 3 7 】主要讲述各种复杂智能控制，它们大多数借助于p l c 、d s p 以及集成电 路开发智能控制系统。在深入分析三相电弧炉系统组成结构和特点的基础上，建立了电 极升降控制系统的主回路电路模型。并以工控机、数据采集卡和硬件电路为基础，组成 控制系统。考虑到三相电弧炉是一种存在着三相不平衡、强耦合、时滞、时变的强非线 性系统，为了满足实际工程需要，应对现场的复杂环境，基于模糊、神经网络等算法与 构成的前馈复合控制以及加后置串联解耦的神经网络在线控制，对系统的内部扰动和外 部扰动进行观测，并加以补偿。 4 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 3 2 现有电熔镁炉控制方法存在的问题 由于1 3 1 中提到的各种电极控制的方法都存在着一定的缺陷，其控制方法不一定达 到预期目标，所以不能直接引用。目前，国内普遍采用电熔法生产电熔镁砂，能耗高， 产量低，产品质量差，电极控制方法落后，主要存在以下几个问题： ( 1 ) 电熔镁炉的三相电极之间存在强耦合的关系，尚未实现三相统筹控制，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，从而容易造成被控制量超调大、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。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根电极之间，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，当电弧重燃时，会引起系统的震 荡一电压闪变，电压闪变会引起电极消耗和电源谐振，造成不必要的经济损失。超调量 大，调节过程加长，影响产品质量控制和加大能耗频繁升降对系统的影响也非常不利， 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，而且使电极升降传动机构频繁动作，缩短传动机构的维修周期和使用寿 命，同时调节回路能耗比例增大，所以电熔镁三相统筹控制技术是将来电熔镁控制中最 重要的发展方向。 ( 2 ) 控制算法过于单一。软件的智能化程度较低，当前普遍采用简单的控制，未充分 考虑电熔镁炉冶炼过程的时变特性及其本身的电流电压不稳定性，也是造成当前电熔镁 生产中传动机构频繁升降和产品质量不高的一个重要原因。而现在所采用的控制器的核 心部件运算速度和集成度较低，降低了系统抗干扰性的同时也限制了先进控制算法的应 用因此，采用集成度更高、运算速度更快的处理器将是应用先进控制理论、提高控制性 能的重要途径与此同时，当前各种处理芯片的蓬勃发展也给电熔镁控制的升级换代提供 了便利的条件，如a v r 、p l c 、a r m 、d s p 等在电熔镁控制中取得广泛应用将是未来 的发展趋势当前国内在理论方面已经在研究神经网络、专家系统、模糊控制等先进的算 法如何用于电熔镁生产，但在实际的工业生产中应用仍然较少。 ( 3 ) 生产过程中主要采用现场控制，较少实现集散控制。由于电熔镁的生产现场环境 比较恶劣，粉尘较多，对操作人员的身体健康有很大的威胁，因此利用各种通信协议， 实行计算机网络化管理、监控，将是一个重要的发展趋势，使得工人远离恶劣的生产现 场，在办公室即可实现多个多组电熔炉数据的实时采样、记录，实时修改控制参数，进 而得出最佳工艺控制曲线，实现电熔镁生产的综合最佳控制 ( 4 ) 控制对象本身具有的强非线性、耦合性和时变性，使得控制所需的现场数据难以 测量，控制模型难以建立【3 4 瑚】，软件仿真相对比较困难在研究先进的电熔镁控制算法时， s 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 如采用专家系统、神经网络等经常需要用到大量的工艺参数和现场控制数据，而电熔镁 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，并且需要调 节过程的快速性，必须及时将其调至合适的位置，这一过程通常为零点几秒至几秒。同 时，电熔镁炉工作过程中温度太高且导热性不好，导致现场的工艺参数和控制数据的精 准测量问题仍难以解决。目前国内已经有部分研究人员在进行控制模型建立、温度场模 拟仿真等方面的研究，但很少应用到实际生产中。 常用的控制策略归结起来主要有自适应控制、最优控制、p i d 控制。 自适应控制方案从理论上讲是较先进的控制方案，但是它基本上适用于理论模型比 较完善的系统，外部干扰比较少的系统。而电熔镁炉在生产过程中，从现场实践中可以 观察到系统处在频繁的短路和断路状态下，实际应用证明自适应控制方案不适合电熔镁 炉控制系统。 最优控制方案是广泛应用的一种方案，它是在已知系统高阶状态方程式后，通过线 性化和降阶处理，得到一个较为精确的低阶状态方程，然后采用快速性和系统超调作为 系统控制指标，应用最大值原理，得出最佳控制规律，这种控制策略在系统状态方程精 确已知时，控制效果非常好。然而电熔镁炉熔炼过程数学模型难以建立，所以最优控制 也不能应用于电熔镁生产中。 p i d 控制方案控制方法较简单，实践经验表明，在参数选择合适的情况下，p i d 控制 性能几乎同最优控制效果一样，在有些性能上甚至更好些。众所周知，对于任何对象( 确 定性或不确定性，线性或非线性，定常或时变) ，目前工程上都喜欢用鲁棒性强的p i d 控制器，调节p i d = 个参数，以达到用户满意的指标，但是事实上并非都能如愿以偿。 电熔镁炉系统情况复杂、不确定性干扰多，无法建立精确的数学模型的控制对象，p i d 控制算法固然可以进行闭环控制，但是它难以达到预期的目标。比如炉前工添矿料时， 随着添料的多少，位置的分散与集中和料的粗细不同等因素都会产生不同的时变的干 扰。而p i d - 三个参数一旦调试完成了就会固定不变，不能在线调整和修正，此即p i d 控制 算法本身的固有缺陷，难以保证系统达到预期的目标值。 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。 1 4 本文主要工作 基于对电熔镁生产现状，电熔镁炉控制的发展和存在的问题，结合要生产出高质量 的产品目标、节约电能消耗，降低工人劳动强度等多方面考虑，传统的控制方式是靠工 6 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 人通过观察电流表和电压表来判断低级升降调节已经达不到要求。所以需要设计一个新 的自动控制效果好的电熔镁炉控制系统以替代传统的人工控制。本文以电熔镁炉新型控 制系统的开发设计项目为背景，结合现场生产实际情况，提出以下设计目标： ( 1 ) 开发一套以自动控制为主，手动控制为辅的电熔镁炉新型控制系统，在保证熔炼 过程连续性的基础上，实现自动控制，减少人工的参与，提高产品品位，降低能耗。 ( 2 ) 在实现自动控制的基础上，通过触摸屏上的人机交互界面和远程监控系统，对生 产过程进行实时监控跟踪，实现数据实时归档、过程参数统计、过程参数历史曲线、电 流设定等功能。 本文的主要工作可以分为以下几个方面： ( 1 ) 在查阅大量参考文献的基础上，介绍了国内外电熔镁炉控制系统的发展现状以及 现有控制方法存在的问题；分析了电熔镁炉的熔炼过程和生产工艺，提出当前电熔镁炉 控制的难点。 ( 2 ) 设计了电熔镁炉新型智能控制系统，根据正常工况、异常工况器、排气处理三个 不同的工况采用不同的控制策略，实现电熔镁炉三相电极的智能控制。 ( 3 ) 设计和开发了人机交互界面，利用触摸屏可以实现显示实时生产过程中的数据， 实现过程数据设定功能，并对生产过程中的数据进行记录，为对生产过程进行管理和分 析提供数据。同时设计开发了远程监控系统，利用互联网远程监控生产现场过程数据以 及系统运行情况，同时可以根据存储的过程数据对熔炼过程进行分析和总结。 ( 4 ) 对电熔镁炉新型控制系统的设计与开发过程进行了总结，并对未来的发展方向进 行了展望。 7 东北大学硕士学位论文 笫2 章电熔镁炉熔炼过程及工艺分析 第2 章电熔镁炉熔炼过程及控制难点分析 2 1 电熔镁炉熔炼工艺与过程分析 埋弧炉冶炼氧化镁的主要设备有供电设备、电极、活动炉体、电极升降设备、操作 控制设备等。目前国内己有的电熔镁冶炼电源主要是由高压开关、电弧炉变压器、石墨 电极组成，通过i o o k w 2 0 0 0 k w 的大功率电弧炉变压器将1 0 k v 的三相交流电变为 8 0 1 2 0 v 的低电压接到石墨电极上，在冶炼炉内产生高温电弧，对粉碎后的粉状氧化镁 矿石原料进行熔炼。我国利用电熔镁炉冶炼氧化镁生产过程存在两个关键性技术问题， 一是电极电能消耗太大( 约占整个生产成本的7 0 ) ，二是高级品率低( 一般产品中含 量在9 9 以上的仅占5 左右) 。同时生产过程技术落后，整个冶炼过程仍是由人工控制， 工人的操作经验成为产品质量的决定因素，严重束缚生产效益的提高。由于外部各种因 素的影响，冶炼都在夜间进行，每炉要持续十几个小时，工人的劳动强度很大，疲劳将 导致注意力不集中，工艺控制水平低。 2 1 1 电熔镁炉熔炼工艺描述 在投料之前，要在炉体内铺设导热衬底以提高熔融制品的质量，同时将电极碎块呈 等边三角形( 或丁字形) 铺设于炉底衬料之上以备起弧，然后经由三相电动机的牵引将 三相电极吊入熔池，与铺设好的电极碎块相对应，准备就绪后起弧。起弧后电流稳定即 可向电极附近加料，其中一部分炉料由电弧直接熔化，在电极下端形成熔池，一部分料 落入熔池熔化，随着料的投入和熔化，熔池上升。炉体内靠近炉壳周边的原料不能熔化， 起到保温作用。在熔融过程中，要随熔池上涨而不断调整电极插入熔池的深度，改变电 路中的阻抗，稳定三相电极电流，随着熔融时间的延长，熔池上涨，直到炉壳上口表面， 停止供电。冶炼结束( 停炉) 后，用小车将熔毕的晶坨连同炉体拉离熔融工位，整个炉 膛放置于通风处自然冷却，冷却后的熔陀采用人工敲打办法破碎、分级，得到高纯度的 电熔镁晶体。工艺流程如图2 1 所示。 图2 1 电熔镁熔炼工艺流程图 f i g 2 1s m e l t i n gp r o c e s sf l o w o fe l e c t r i c a l s m e l t e dm a g n e s i a 2 1 2 电熔镁炉熔炼过程分析 电熔镁砂熔炼过程是一个极为复杂的过程，影响因素很多，不同的电热制度将生产 9 东北大学硕士学位论文第2 章电熔镁炉熔炼过程及工艺分析 出纯度不同、晶粒不同的产品【3 8 4 3 】。在电熔镁砂熔炼过程中，经历了熔融、排析、提纯、 结晶4 8 1 。如果原料中的杂质含量高( 尤其是s i 0 2 ) ，会使镁砂在提纯过程中受到一定 的限制，从而会影响到熔块的理化性能，因此原料要优先选用较高纯度的原料。 电熔镁炉在烧结的过程中产生大量的灼热气体，主要由c 0 2 和还原的c o 组成，这些 灼热气体如果能被充分利用就可节约大量的能源，但如果处理不当，不利于气体排出的 排出，可能导致“喷花现象，同时造成热量的损失过大，耗电量增大。 生产电熔镁石的原料主要是轻烧镁粉和菱镁矿石，原料经过电弧加热，发生了一系 列的物理和化学变化，从固态到液态，冷凝再结晶。从常温加热到熔化状态，主要的反 应有： m g c 0 3 巡马m g o ( 删) + c 0 2 + c o ( 2 1 ) m g o ( 非晶体) 塑唑三婴坚0 m g o ( 晶体) ( 2 2 ) m g o ( 晶体) 型竺业乌m g o ( 液体) ( 2 3 ) 反应式( 2 1 ) 表示低温状态下得到的产物，这一过程称为轻烧镁石。此时氧化镁晶格 排列疏散，其特点是比重小，化学活性大，很容易起水化反应，吸收空气中的水分而水 化。 反应式( 2 2 ) 是高温煅烧，称为死烧，氧化镁成为电熔镁砂结晶，致密度提高，但是 仍有一定的水化活性，结晶也不完全。 反应式( 2 3 ) 是电熔镁砂生产的主要反应，氧化镁晶体液化后，其中杂质排析迁移， 经再结晶使镁石结晶更致密，化学活性小，熔点高，具有很强的耐高温和抗侵蚀能力。 由于熔融过程中矿石杂质( 所含杂质为c a 、a l 、s 、f e 等) 的迁移，不同位置熔融 条件的差异以及其他因素的影响，导致熔陀在区域结构，化学组成，密度及显微结构等 方面是