真空自耗电弧炉电极控制系统研究

论文摘要

真空自耗电弧炉也称真空电弧重熔炉,是生产高质量合金例如IN718合金的关键设备。在高真空的环境中,钢锭在电弧的作用下重熔,获得的结晶均匀致密,有害气体成分大幅减少,金属机械性能大大提高。目前我国是世界上最大的合金生产与消费国之一,但生产所需的真空自耗电弧炉仍主要依赖进口,自主研制真空自耗电弧炉及配套的控制系统无疑具有重要的应用价值。本文在与宝鸡稀有装备研制所合作项目-抚顺特殊钢厂2吨真空自耗炉自动控制系统设计和调试的基础上,对实践工作进行了总结与提高,在前人的研究的基础上,结合现场实际情况,做了以下工作:以真空自耗电弧炉为具体研究对象,通过目前国内外相关领域的了解和学习,总结出控制技术在真空电弧炉中应用研究的现状;详细描述了电弧炉主要设备以及焊接、起弧、熔炼、热封顶工艺原理以及在此过程中相关参数对系统的影响情况;分析了熔炼电弧的特性,结合国外研究成果和现场数据得出了电弧弧长和弧电压、弧电流之间的关系,并逐步分析了控制系统各个环节的特性,最终形成了控制系统的数学模型,并通过MATLAB中的SIMULINK工具进行了系统的仿真。针对被控对象的特点,分析多种控制算法,先通过SIMULINK进行来的算法仿真,并最终选用增益补偿PID控制算法,在此基础上,详细分析了数据采集中的数据处理、弧压控制、熔速率的计算和控制,并通过PLC编制了相关的程序使之工程化。根据真空自耗电弧炉控制系统的设计需求分析,选用西门子公司S7 400 PLC;根据相关机械和电气设计得到系统I/O统计和传感器选型,对控制系统硬件进行了配置,并通过组态软件WinCC完成了监控系统的开发,大大改善了电弧炉的操作特性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 国内外发展现状和存在的问题
• 1.2.1 真空自耗电弧炉冶炼的发展历程
• 1.2.2 真空自耗电弧炉模型及控制策略研究的发展历程
• 1.2.3 存在的问题
• 1.3 本文研究的主要内容
• 2 真空自耗电弧炉熔炼工艺及相关设备
• 2.1 电弧的加热原理
• 2.2 真空自耗电弧炉熔炼工艺
• 2.2.1 准备阶段
• 2.2.2 引弧期
• 2.2.3 正常熔炼期
• 2.2.4 热封顶期
• 2.3 真空自耗电弧炉主要设备
• 2.3.1 铜坩埚
• 2.3.2 炉体
• 2.3.3 炉顶X-Y 调节系统
• 2.3.4 真空系统
• 2.3.5 供电系统
• 2.3.6 电极进给机构
• 2.3.7 稳弧搅拌系统
• 2.3.8 水冷系统
• 2.3.9 电弧观察摄像系统
• 2.4 控制过程
• 2.5 本章小结
• 3 真空自耗电弧炉电极调节系统模型研究
• 3.1 被控对象及其特性
• 3.1.1 电弧的组成
• 3.1.2 电弧的特性
• 3.2 电弧对象的模型
• 3.2.1 最小二乘法曲线拟合
• 3.2.2 电弧炉电弧模型的描述
• 3.3 调节器的特性及数学模型
• 3.3.1 调节器的微分方程式
• 3.3.2 PID 调节器的数学模型
• 3.4 执行器的特性
• 3.4.1 伺服系统的工作原理
• 3.4.2 伺服系统的数学模型
• 3.4.3 电源系统的工作原理
• 3.4.4 电源系统的数学模型
• 3.5 测量环节的特性及数学模型
• 3.5.1 电弧电流、电压的检测
• 3.5.2 电压、电流检测环节的传递函数
• 3.5.3 熔速率的检测
• 3.5.4 熔速率检测环节的传递函数
• 3.6 真空自耗电弧炉电极控制系统模型
• 3.7 本章小结
• 4 电弧炉电极熔炼过程的控制策略
• 4.1 熔炼过程的主要控制参数与控制回路
• 4.2 几种常用的PID 控制算法
• 4.2.1 PID 控制器的基本算法
• 4.2.2 改进的PID 控制算法
• 4.3 增益补偿PID 控制器
• 4.4 数据处理算法及程序实现
• 4.4.1 数据的采样及处理
• 4.4.2 电极重量的真空补偿
• 4.4.3 熔速设定值的内插算法
• 4.4.4 实际熔速的计算
• 4.4.5 熔速的控制算法
• 4.4.6 对象增益的在线识别
• 4.4.7 热封顶过程的控制策略的实现
• 4.4.8 控制策略的效果仿真
• 4.5 本章小结
• 5 真空自耗电弧炉控制系统设计
• 5.1 真空自耗电弧炉控制系统结构及选型
• 5.1.1 控制系统组成结构
• 5.1.2 真空自耗电弧炉控制系统I/O 点统计
• 5.1.3 温度、真空度、压力传感器选型
• 5.1.4 控制系统硬件配置及选型
• 5.1.5 控制系统网络拓扑结构
• 5.2 技术指标及控制系统功能
• 5.2.1 基本参数
• 5.2.2 控制系统功能
• 5.3 下位机软件设计
• 5.3.1 S7 400 系列PLC 概况
• 5.3.2 S7 400 PLC 硬件组态
• 5.3.3 PLC 程序结构
• 5.4 上位机组态软件设计
• 5.4.1 WinCC 监控组态软件
• 5.4.2 上位机软件实现的功能
• 5.5 现场调试
• 5.5.1 现场存在的问题及控制算法的改进
• 5.6 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 本文完成的工作
• 6.2 继续研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录