專利名稱：直流電弧爐的控制及保護功能的仿真模擬調(diào)試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種仿真模擬調(diào)試裝置，尤其涉及一種用于直流電弧爐電極升降與整流控制系統(tǒng)整體聯(lián)動的仿真模擬調(diào)試的裝置。
背景技術(shù)：
圖1為直流電弧爐基本回路組成，冶煉直流電源部分設(shè)備主要由整流變壓器、整流器、電抗器、水冷電纜與導(dǎo)電銅⊿管(或?qū)щ姍M臂)、電極夾持器、石墨電極(陰極)以及底電極(陽極)組成，形成向爐子的能量供給源。冶煉電功率的控制即電弧功率控制，主要通過調(diào)節(jié)電弧電壓——通過電極升降控制(當(dāng)前一般采用液壓升降形式)，同時調(diào)節(jié)電弧電流——通過整流器電流控制來實現(xiàn)。
電弧電流為各臺整流器電流的和，由公式1表示。
Iarc＝∑Ii(公式1)其中i∈{1，2，…，n}，n為整流器總臺數(shù)，Ii為各臺整流器電流。
電弧電壓Uarc(V)理論值可由公式2表示。
Uarc＝Ep×l+Ve(公式2)其中Ep為電弧柱的平均電位梯度≈1.0V/mm(因爐況和爐渣的影響等，實際在0.5～2.0V/mm的范圍內(nèi))；l為電弧長度(mm)；Ve為電弧陰極壓降+陽極壓降+電極附近其他電壓降＝30～50V。
但在實際應(yīng)用中，電弧電壓計算一般采用公式3。
Uarc＝Uj-(R*Iarc+rj*Ij) (公式3)其中Uj＝min(Ui)，i∈1，2，…，n}，n為整流器總臺數(shù)；Ij為相應(yīng)整流器電流值；R為線路阻抗；rj為相應(yīng)整流器內(nèi)阻。
電極升降控制與整流器電流控制為直流電弧爐的核心控制部分，也為直流電弧爐的控制難點所在，上述弧壓與弧流控制并不完全相互獨立，存在密切的配合關(guān)系，從而形成了引弧、短路、反斷弧、絕緣材料、液壓缸泄漏等電弧控制及相關(guān)保護控制功能。
上述控制及保護功能的調(diào)試同樣為直流電弧爐技術(shù)難點。直接在線調(diào)試具有很大的風(fēng)險，如可能造成電極折斷、整流器過流跳電等設(shè)備事故；同時，某些功能——特別是一些設(shè)備異常情況下的保護功能很難仿真測試。
當(dāng)前在系統(tǒng)調(diào)試過程中，一般采用離線仿真測試，但困難在于電壓、電流及電極升降油缸壓力反饋信號的模擬上。反饋信號模擬通常又有兩種做法，一種是外接信號源，另一種是在控制系統(tǒng)內(nèi)通過強制變量來模擬上述反饋信號。但無論哪種方式，均存在下列問題①操作復(fù)雜；②很難仿真動態(tài)過程；③更難仿真動態(tài)過程的配合關(guān)系。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種直流電弧爐的控制及保護功能的仿真模擬調(diào)試裝置，該裝置操作簡單，能仿真反饋信號的動態(tài)過程以及信號間的動態(tài)配合關(guān)系，方便實現(xiàn)直流電弧爐電弧控制及相關(guān)保護功能的離線完整測試，并有效壓縮系統(tǒng)調(diào)試時間。本裝置解決了傳統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)試過程中信號模擬(外加信號源或軟件內(nèi)部變量強制)操作復(fù)雜、反饋與給定的同步以及反饋的動態(tài)過程難以仿真的問題。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是本發(fā)明的直流電弧爐的控制及保護功能的仿真模擬調(diào)試裝置，包括電源電路，其為電路提供直流電源；直流模擬信號發(fā)生電路，其提供一固定的直流電壓信號。
一個電流給定仿真電路，其與所述的直流模擬信號發(fā)生電路相連接，輸出一可調(diào)電壓；一個電壓給定仿真電路，其與所述的直流模擬信號發(fā)生電路相連接，輸出一可調(diào)電壓；若干個電流反饋信號仿真電路，其與所述的電源電路、直流模擬信號發(fā)生電路相連接，各包括一給定積分電路，所述給定積分電路對可調(diào)電壓信號進行積分；若干電壓反饋信號仿真電路，其與所述的電源電路、直流模擬信號發(fā)生電路相連接，各包括一給定積分電路，所述給定積分電路對可調(diào)電壓信號進行積分；模擬油缸壓力反饋電路，其與所述的電源電路、直流模擬信號發(fā)生電路相連接，其輸出一可調(diào)電壓；進一步地，本發(fā)明還包括控制與保護電路，其與所述的電壓給定仿真電路、電流給定仿真電路、若干電壓反饋信號仿真電路、若干電流信號反饋電路均相連接，信號切換電路，其與所述的電壓給定仿真電路、電流給定仿真電路、若干電壓反饋信號仿真電路、若干電流反饋信號仿真電路均連接，用于實現(xiàn)實際信號與仿真信號之間的切換。
備用回路，其與所述的電源電路、直流模擬信號發(fā)生電路相連接，包括一給定積分電路，所述給定積分電路對可調(diào)電壓信號進行積分；當(dāng)上述電壓、電流仿真給定或仿真反饋以及壓力仿真反饋信號回路出現(xiàn)故障時，可用此備用回路替換。
本發(fā)明旨在仿真直流電爐電弧電壓與電流給定信號、整流器電壓與電流隨上述階躍給定的動態(tài)過程、以及電極升降油缸壓力信號。通過仿真上述給定與反饋信號的各種不同組合情況，實現(xiàn)對直流電爐核心控制系統(tǒng)——電極升降控制與整流控制系統(tǒng)的控制模型與各種控制與保護功能的仿真測試。采用本發(fā)明，在離線狀態(tài)下即能進行直流電弧爐引弧、短路、反斷弧、絕緣材料、液壓缸泄漏等電弧控制及相關(guān)保護模型的測試(電壓、電流PID控制特性測試除外)，可有效地壓縮在線調(diào)試時間，并解決了一些保護功能難以在線仿真測試的問題。


圖1是現(xiàn)有的直流電弧爐基本結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是控制及保護功能的仿真模擬調(diào)試裝置的電路模塊結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明的具體電路結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是仿真電壓設(shè)定階躍信號示意圖。
圖5是仿真電流設(shè)定階躍信號示意圖。
圖6是給定積分電路的具體電路結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7是給定積分電路的輸入輸出特性示意圖。
圖8是信號切換電路的示意圖。
圖9是信號切換電路的具體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖10是連鎖保護電路的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
結(jié)合圖2、圖3所示，本發(fā)明的直流電弧爐的控制及保護功能的仿真模擬調(diào)試裝置包括電源電路，其輸出±24V直流電壓；直流模擬信號發(fā)生電路，其提供+10V直流電壓信號。
一個電流給定仿真電路，其與所述的直流模擬信號發(fā)生電路相連接，輸出0-10V可調(diào)；所述輸出通過圖3中可調(diào)電位器R2調(diào)節(jié)，并由圖3中電壓表V2指示；在本具體實施例中不論仿真還是實際的電流給定信號均采用電壓信號，控制系統(tǒng)內(nèi)部再做轉(zhuǎn)換，如0V對應(yīng)0A、10V對應(yīng)最大工作電流36KA等。
一個電壓給定仿真電路，其與所述的直流模擬信號發(fā)生電路相連接，輸出0-10V內(nèi)可調(diào)電壓；所述輸出通過圖3中可調(diào)電位器R1來調(diào)節(jié)，并由圖3中電壓表V1指示。
若干個電流反饋信號仿真電路，其與所述的電源電路、直流模擬信號發(fā)生電路相連接，各包括一給定積分電路，所述給定積分電路的總傳遞函數(shù)為G(s)＝Uo(s)/Ui(s)＝1/Ts+1其中積分時間常數(shù)T＝(R4+Rp)C，實現(xiàn)對由圖3中可調(diào)電位器R7、R8、R9或R10調(diào)定的電壓信號(由圖3中電壓表V7、V8、V9或V10指示)進行積分，從而仿真實際電流反饋信號。同時其積分飽和輸出即為可調(diào)電位器R7、R8、R9或R10調(diào)定的電壓值，從而可以進一步仿真過流(當(dāng)由可調(diào)電位器R7、R8、R9或R10調(diào)定的電壓信號大于由可調(diào)電位器R2調(diào)定的仿真電流給定信號)或電流無法達到給定值(當(dāng)由可調(diào)電位器R7、R8、R9或R10調(diào)定的電壓信號小于由可調(diào)電位器R2調(diào)定的仿真電流給定信號)等電流異常情況。另外，當(dāng)調(diào)節(jié)可調(diào)電位器Rp使各仿真電流反饋的積分時間常數(shù)T不一致時，還可進一步模擬電流反饋不同步的電流異常情況。
若干電壓反饋信號仿真電路，其與所述的電源電路、直流模擬信號發(fā)生電路相連接，各包括一給定積分電路，所述給定積分電路的總傳遞函數(shù)為G(s)＝Uo(s)/Ui(s)＝1/Ts+1其中積分時間常數(shù)T＝(R4+Rp)C，該積分電路實現(xiàn)對由圖3中可調(diào)電位器R3、R4、R5或R6調(diào)定的電壓信號(由圖3中電壓表V3、V4、V5或V6指示)進行積分，從而仿真實際電壓反饋信號。同時其積分飽和輸出即為可調(diào)電位器R3、R4、R5或R6調(diào)定的電壓值，從而可以進一步仿真過電壓(當(dāng)由可調(diào)電位器R3、R4、R5或R6調(diào)定的電壓信號大于由可調(diào)電位器R1調(diào)定的仿真電壓給定信號)或電壓無法達到給定值(當(dāng)由可調(diào)電位器R3、R4、R5或R6調(diào)定的電壓信號小于由可調(diào)電位器R1調(diào)定的仿真電壓給定信號)等電壓異常情況。另外，當(dāng)調(diào)節(jié)可調(diào)電位器Rp使各仿真電壓反饋的積分時間常數(shù)T不一致時，還可進一步模擬電壓反饋不同步的電壓異常情況。
油缸壓力反饋仿真電路，其與所述的電源電路、直流模擬信號發(fā)生電路相連接，其輸出0-10V可調(diào)電壓；所述電壓通過圖3中可調(diào)電位器R11調(diào)節(jié)，并由圖3中電壓表V11指示控制與保護電路，其與所述的電壓給定仿真電路、電流給定仿真電路、若干電壓反饋信號仿真電路、若干電流反饋信號仿真電路均相連接；信號切換電路，其與所述的電壓給定仿真電路、電流給定仿真電路、若干電壓反饋信號仿真電路、若干電流反饋信號仿真電路均連接，用于實現(xiàn)實際信號與仿真信號之間的切換。
備用回路，其與所述的電源電路、直流模擬信號發(fā)生電路相連接，包括一給定積分電路，所述給定積分電路對可調(diào)電壓信號進行積分；當(dāng)上述電壓、電流仿真給定或仿真反饋以及壓力仿真反饋信號回路出現(xiàn)故障時，可用此備用回路替換(只需在圖9所示的信號切換系統(tǒng)的接線做相應(yīng)調(diào)整)。
本裝置的電源電路可使用交流220V電源，一般可直接引自控制柜內(nèi)電源，該交流220V電源通過斷路器(Q0，帶輔助接點)，再經(jīng)變壓器變壓與整流電路后輸出±24V直流電源。
所述電流反饋信號仿真電路、電壓反饋信號仿真電路的回路數(shù)量確定回路數(shù)量取決于整流器的臺數(shù)與電極升降液壓缸的數(shù)量。一般直流電弧爐配置2-4臺整流器，每臺整流器實際具有一個電壓反饋信號與一個電流反饋信號；電極升降一般由一個液壓缸驅(qū)動，配置一個壓力反饋信號。另外，配置一個公用電壓給定與一個公用電流給定仿真模擬信號。本具體實施例按四臺整流器配置，總共配置12個仿真模擬信號回路(一個電流給定仿真電路、一個電壓給定仿真電路、四個電流反饋信號仿真電路、四個電壓反饋信號仿真電路、油缸壓力反饋仿真電路、一個備用信號回路)。
1、仿真模擬信號形式一般由PT與CT檢測的整流器實際電壓與電流信號均轉(zhuǎn)換為0-10V直流信號(對應(yīng)0-100％量程)反饋給控制系統(tǒng)；同樣，電極升降液壓缸壓力信號經(jīng)壓力變送器轉(zhuǎn)換為0-10V直流信號(對應(yīng)0-100％量程)反饋給控制系統(tǒng)；電壓、電流設(shè)定值也采用0-10V直流信號(對應(yīng)0-100％設(shè)定值)；故本裝置仿真電壓、電流、壓力反饋信號及電壓、電流設(shè)定仿真信號也采用0-10V直流信號(對應(yīng)0-100％量程或設(shè)定值)。
2、直流模擬信號發(fā)生電路0-10V直流模擬信號的發(fā)生電路參見圖3，其中R0為1.4KΩ，電位計R1-R12兩固定端電阻值均為12KΩ，當(dāng)忽略電壓指針表(V1-V12)內(nèi)阻及包括控制系統(tǒng)模擬量輸入板在內(nèi)的后接電路輸入電阻(一般遠遠大于10KΩ)影響，則A點電位
UA=12/121.4+12/12×24=10(V)]]>(公式4)故圖中Vs1、Is1、V11-V41、I11-I41、P1及備用回路均可通過電位計R1-R12在0-10V范圍內(nèi)連續(xù)單獨調(diào)節(jié)。每個0-10V直流電壓模擬信號回路同時配置一個0-10直流電壓指針表(V1-V12)，用以指示所模擬的整流器電壓、電流仿真給定(參見4與5)及電壓、電流仿真反饋最大值(不指示動態(tài)過程，參見圖7)與電極升降液壓缸壓力仿真反饋信號值，以及備用回路電壓模擬值，+10V對應(yīng)100％量程或設(shè)定值。
3、電壓給定仿真電路、電流給定仿真電路通?？刂葡到y(tǒng)發(fā)送至整流器相同的電壓與電流設(shè)定值(有時為電弧電壓與電流設(shè)定值)，即使有些直流電爐具有偏弧控制模型(電流設(shè)定值不一致，一般相差5％)，但對于控制系統(tǒng)調(diào)試來將，采用相同的電壓與電流設(shè)定值已完全滿足要求。
電壓與電流設(shè)定值仿真采用階躍信號形式，通過開關(guān)K0控制(參見圖3)。當(dāng)K0合上，繼電器JK0與JK2得電，電壓給定Vs2與電流給定Is2由0跳變到Vs1與Is1(圖4、5所示上升沿)；當(dāng)K0斷開，則繼電器JK0與JK2失電，電壓給定Vs2與電流給定Is2由Vs1與Is1跳變到0(圖4、5所示下降沿)。
其中，Vs0與Is0為0-10V可調(diào)，如圖3所示，通過可調(diào)電位計R1與電位計R2來實現(xiàn)，并通過電壓表V1、電壓表V2指示。
4、電流反饋信號仿真電路、電壓反饋信號仿真電路結(jié)合圖3、圖6所示本發(fā)明的電壓、電流反饋信號仿真電路主要為給定積分電路，所述給定積分電路由以下四部分組成比較器、二極管橋、反相積分器、反相器。
①比較器(同相放大器)當(dāng)R1＝R2＝R3＝Rf時，Ua＝Ui+Uc②二極管橋?qū)崿F(xiàn)電壓跟隨，Ub＝Ua同時保證輸出限幅，-24V×Rp/(R9+Rp)＜Ub＜+24V×Rp/(R9+Rp)③反相積分器Uc＝-1/(R4+Rp)∫Uidt④反相器Uo＝-Uc綜上所述，得Uo＝1/(R4+Rp)∫(Ui-Uo)dt，為一慣性環(huán)節(jié)，其總傳遞函數(shù)為
G(s)＝Uo(s)/Ui(s)＝1/Ts+1 (公式5)其中積分時間常數(shù)T＝(R4+Rp)C，可通過調(diào)節(jié)Rp(公式6)其輸入輸出特性如圖7所示。關(guān)鍵在于①Uo對Ui信號做積分，仿真電壓上升或下降過程；②上升或下降斜率(過度過程時間)通過電位計Rp可調(diào)；③Uo最大值限制在Ui。
5、油缸壓力反饋仿真電路結(jié)合如圖3所示，該電路包括可調(diào)電位器R11與電壓表V11。正常情況下電弧爐在冶煉過程中，隨著電極升降運動，油缸壓力在一定范圍內(nèi)波動，當(dāng)壓力異常下降時，依據(jù)不同的時間長度及與電壓電流的相應(yīng)關(guān)系等條件，系統(tǒng)判別為廢鋼中存在絕緣物或液壓鋼出現(xiàn)泄漏等不同形式的故障并采取相應(yīng)的保護動作。從壓力反饋信號仿真角度看，直接調(diào)節(jié)電位器R11已可滿足要求。
6、信號切換電路仿真模擬的整流器電壓、電流給定值與反饋信號及電極升降液壓缸壓力反饋信號與實際的上述給定與反饋信號通過繼電器切換。該電路包括相聯(lián)接的開關(guān)K1、繼電器JK8-JK19，系統(tǒng)正常工作時，圖3中開關(guān)K1打開，繼電器JK1與圖8中繼電器JK8-JK19失電，控制系統(tǒng)模擬量輸入板通過切換繼電器JK8-JK19的常閉接點1-9、4-12接收實際的整流器電壓、電流給定值與反饋信號及電極升降液壓缸壓力反饋信號(圖9)；當(dāng)系統(tǒng)調(diào)試時，合開關(guān)K1，繼電器JK1與JK8-JK19得電，控制系統(tǒng)模擬量輸入板通過切換繼電器JK8-JK19的常開接點5-9、8-12接收仿真模擬信號。
7、控制與保護電路(連鎖保護)為防止在電爐正常冶煉過程中，因誤操作將仿真給定與反饋信號切入控制系統(tǒng)，利用總進線斷路器Q0輔助觸點與繼電器JK1常開接點8-12信號來封鎖系統(tǒng)運行(并聯(lián)，起雙保險作用)，參見圖10。當(dāng)進行模擬調(diào)試時，可在控制系統(tǒng)中通過信號強制取消此連鎖，調(diào)試結(jié)束后必須立即恢復(fù)，具體為當(dāng)本裝置交流220V電源開關(guān)Q0合上或圖3中實際控制信號與仿真控制信號切換開關(guān)K1合上后，開關(guān)Q0的輔助接點或繼電器JK1的接點將24V信號通過數(shù)字量輸入點Ixx輸入電極升降與整流控制PLC控制系統(tǒng)(參見圖10)，通知控制系統(tǒng)本仿真系統(tǒng)投入運行，以實現(xiàn)相應(yīng)的連鎖與保護控制(在電極升降與整流控制系統(tǒng)設(shè)計中考慮)。
8、系統(tǒng)屏蔽與接地因本模擬調(diào)節(jié)器可直接安裝在控制柜內(nèi)，故模擬反饋信號一般不需要采用屏蔽電纜，則實際反饋信號屏蔽線不做繼電器切換。本裝置電源地與保護地直接與控制系統(tǒng)相應(yīng)接地點連接。
9、如實際整流器電壓、電流反饋信號或電極升降液壓缸壓力采用0-20mA或4-20mA電流信號，則只需在給定積分電路后加配0-10V DC信號至0-20mA或4-20mA電流信號轉(zhuǎn)換電路，仿真信號與實際信號繼電器切換部分不變。
權(quán)利要求
1.直流電弧爐的控制及保護功能的仿真模擬調(diào)試裝置，其特征在于，包括電源電路，其為電路提供直流電源；直流模擬信號發(fā)生電路，其提供一固定的直流電壓信號；一個電流給定仿真電路，其與所述的直流模擬信號發(fā)生電路相連接，輸出一可調(diào)電壓；一個電壓給定仿真電路，其與所述的直流模擬信號發(fā)生電路相連接，輸出一可調(diào)電壓；若干個電流反饋信號仿真電路，其與所述的電源電路、直流模擬信號發(fā)生電路相連接，各包括一給定積分電路，所述給定積分電路對可調(diào)電壓信號進行積分；若干電壓反饋信號仿真電路，其與所述的電源電路、直流模擬信號發(fā)生電路相連接，各包括一給定積分電路，所述給定積分電路對可調(diào)電壓信號進行積分；模擬油缸壓力反饋電路，其與所述的電源電路、直流模擬信號發(fā)生電路相連接，其輸出一可調(diào)電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流電弧爐的控制及保護功能的仿真模擬調(diào)試裝置，其特征在于，還包括一控制與保護電路，其與所述的電壓給定仿真電路、電流給定仿真電路、若干電壓反饋信號仿真電路、若干電流信號反饋電路均相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流電弧爐的控制及保護功能的仿真模擬調(diào)試裝置，其特征在于，還包括一信號切換電路，其與所述的電壓給定仿真電路、電流給定仿真電路、若干電壓反饋信號仿真電路、若干電流反饋信號仿真電路均連接，用于實現(xiàn)實際信號與仿真信號之間的切換。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流電弧爐的控制及保護功能的仿真模擬調(diào)試裝置，其特征在于，還包括一備用回路，其與所述的電源電路、直流模擬信號發(fā)生電路相連接，包括一給定積分電路，所述給定積分電路對可調(diào)電壓信號進行積分。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的直流電弧爐的控制及保護功能的仿真模擬調(diào)試裝置，其特征在于，所述的電流給定仿真電路、電壓給定仿真電路、若干個電流反饋信號仿真電路、若干個電壓反饋信號仿真電路、油缸壓力反饋仿真電路、備用回路均分別設(shè)有依次連接的可調(diào)電位器、電壓表、繼電器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流電弧爐的控制及保護功能的仿真模擬調(diào)試裝置，其特征在于，所述的電流反饋信號仿真電路、電壓反饋信號仿真電路均為4個。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流電弧爐的控制及保護功能的仿真模擬調(diào)試裝置，其特征在于，所述積分電路的總傳遞函數(shù)為G(s)＝Uo(s)/Ui(s)＝1/Ts+1其中積分時間常數(shù)T＝(R4+Rp)C。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流電弧爐的控制及保護功能的仿真模擬調(diào)試裝置，其特征在于，所述的信號切換電路包括相聯(lián)接的開關(guān)及若干繼電器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流電弧爐的控制及保護功能的仿真模擬調(diào)試裝置，其特征在于，所述的控制與保護電路包括相并聯(lián)的斷路器、繼電器。
全文摘要
本發(fā)明提供一種直流電弧爐的控制及保護功能的仿真模擬調(diào)試裝置，包括電源電路、直流模擬信號發(fā)生電路、一個電流給定仿真電路、一個電壓給定仿真電路、若干個電流反饋信號仿真電路，若干電壓反饋信號仿真電路，以及模擬油缸壓力反饋電路，采用本發(fā)明，在離線狀態(tài)下即能進行直流電弧爐引弧、短路、反斷弧、絕緣材料、液壓缸泄漏等電弧控制及相關(guān)保護模型的測試，可有效地壓縮在線調(diào)試時間，并解決了一些保護功能難以在線仿真測試的問題。
文檔編號F27B3/10GK1900645SQ200510027818
公開日2007年1月24日 申請日期2005年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月18日
發(fā)明者周建平, 王遠厚, 張巍 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司, 北京金自天正智能控制股份有限公司