吳儉民 王慶賢 徐志奇 朱強(qiáng)化

(蘭州交通大學(xué) a.自動化與電氣工程學(xué)院；b.電子信息與工程學(xué)院，蘭州 730070)

電極作為礦熱爐冶金過程中的關(guān)鍵設(shè)備，擔(dān)負(fù)著導(dǎo)電和傳熱的雙重作用[1～3]。在冶煉過程中，冶煉電流通過電極輸入爐內(nèi)，利用電阻熱和電弧熱釋放能量，進(jìn)行礦熱冶煉，爐內(nèi)溫度主要由石墨電極插入爐料的深度(即電極的工作長度)決定。因此，電極工作長度是影響冶煉生產(chǎn)過程中爐況的關(guān)鍵因素，也是影響產(chǎn)品質(zhì)量和能耗的重要因素。

在冶煉過程中，電極不斷消耗，插入深度逐漸變短，為了保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行，必須及時調(diào)節(jié)電極的工作長度，使其保持在一個合理的范圍內(nèi)。依靠手工調(diào)節(jié)電極升降，很難達(dá)到操作要求，頻繁的人工調(diào)節(jié)勞動強(qiáng)度大，容易因?yàn)槠谠斐烧`操作，并且因?yàn)楦魅说牟僮髁?xí)慣與水平不同，電極的工作長度控制很難達(dá)到要求。基于以上原因，筆者開發(fā)出了一種能實(shí)時顯示礦熱爐電極工作長度、自動控制電極升降的系統(tǒng)來優(yōu)化生產(chǎn)過程，以保障生產(chǎn)安全，降低操作人員的勞動強(qiáng)度。

1 電極參數(shù)檢測原理①

通過測量電極當(dāng)前自重、電極升降位移和電極壓放長度3個相關(guān)量計算得到電極的工作長度。

電極當(dāng)前自重包括電極當(dāng)前的實(shí)際重量和其他附屬設(shè)備的重量之和。由于電極的附屬設(shè)備是確定的，所以電極當(dāng)前自重中的變量只包括電極重量和電極糊重量。由于電極糊的添加量是由礦熱爐的爐況決定的，每次添加都有一定的時間間隔，在本次添加完直至下次添加前，整個電極自重中的變化量只有電極消耗量隨時間的變化。通過安裝在液壓油缸的壓力傳感器可實(shí)時檢測到電極的自重(通過壓力信號反應(yīng))，電極的不斷消耗反映到所測得的壓力信號時，表現(xiàn)為隨著電極的消耗，壓力信號不斷變小。因此，通過壓力變化可以反映出電極的消耗情況，即可以實(shí)時反映電極的消耗量。設(shè)某相電極在時刻t0，采集的壓力信號為p0；在時刻t1，采集到的信號為p1。若假設(shè)t0到t1期間只有正常消耗，未加電極糊，則有p1

L1=K(p1-p2)

(1)

式中K——電極糊密度，通過實(shí)驗(yàn)測得。

電極的升降通過控制把持器液壓油缸的升降實(shí)現(xiàn)。在電極把持器上安裝超聲波傳感器，通過1#單片機(jī)即可得到電極的實(shí)時位移數(shù)據(jù)。設(shè)某相電極在時刻t0采集的位移為h0；在時刻t1采集得到的位移為h1，則位移差L2=h1-h0。假設(shè)期間電極無消耗，t1時刻相對于t0時刻電極增長L2(當(dāng)L2<0時，電極實(shí)際工作長度為縮短L2)。

電極的壓放是根據(jù)礦熱爐進(jìn)行定時自動壓放或手動壓放。在大立缸位置安裝編碼器，編碼器和電極筒直接接觸，當(dāng)電極下降時，由于兩者的摩擦帶動編碼器轉(zhuǎn)動，記錄所轉(zhuǎn)動的角度，通過2#和3#單片機(jī)采集此部分?jǐn)?shù)據(jù)，通過實(shí)測某30MVA硅錳爐，該爐電極每次的壓放量為16～18mm，則有t0時刻至t1時刻，電極共壓放n次，則壓放總長度L3=L1+L2+…+Ln，在不考慮其他因素的情況下，在t1時刻相對于t0時刻，電極的插入深度增加量即為L3。

假設(shè)t0時刻電極的實(shí)時工作長度為L0，則t1時刻時，電極的實(shí)時工作長度H應(yīng)該為t0時刻工作深度L0與t0時刻到t1時刻之間的消耗量、位移、壓放量三者之和：

H=L0+L1+L2+L3

(2)

2 電極工作長度監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 硬件組成

電極工作長度監(jiān)測系統(tǒng)的硬件主要包括工控機(jī)、壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、超聲波測距傳感器和單片機(jī)。由于礦熱冶煉現(xiàn)場具有較強(qiáng)的電磁干擾，且灰塵較大，故采用具有較強(qiáng)抗電磁干擾、抗沖擊、抗振動能力的工控機(jī)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)。電極消耗計算部分需要的壓力信號由壓力傳感器經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡傳入計算機(jī)進(jìn)行處理，該系統(tǒng)選用研華PCI -1712型號的數(shù)據(jù)采集卡，其主要特點(diǎn)有：16路單端或8路差分模擬量輸入或組合方式輸入；12bit A/D轉(zhuǎn)換器，采樣速率可達(dá)1MHz；PCI總線數(shù)據(jù)傳輸；模擬量輸入通道的數(shù)據(jù)采集觸發(fā)方式可使用預(yù)觸發(fā)、后觸發(fā)、匹配觸發(fā)和延時觸發(fā)。壓力傳感器用于檢測把持器液壓缸內(nèi)壓力，從而通過計算得到電極的消耗狀況，壓力傳感器選用PTJ206型液壓壓力傳感器，其量程為0～20MPa，輸出信號選為0～5V電壓信號，24V直流供電。

2.2 軟件結(jié)構(gòu)

上位機(jī)采用LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)，具有界面友好、直觀及便于操作等優(yōu)點(diǎn)[4]。系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、電極參數(shù)實(shí)時顯示、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲與查詢及報警等功能。

礦熱爐電極工作長度監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。用數(shù)據(jù)采集卡將所采集的壓力信號直接傳往工控機(jī)；以1#單片機(jī)(STC89C52)為核心的超聲波測距系統(tǒng)，采集所需的位移數(shù)據(jù)；以2#單片機(jī)(STC89C52)為核心的電極壓放長度檢測系統(tǒng)，采集電極的壓放量和位移數(shù)據(jù)，它們均通過RS-485傳給工控機(jī)，工控機(jī)將采集得到的數(shù)據(jù)，按電極工作長度計算原理計算后分別得出三相電極相應(yīng)的實(shí)時工作長度。

圖1 礦熱爐電極工作長度監(jiān)測框圖

2.2.1電極工作長度監(jiān)測

電極實(shí)時工作長度計算中涉及到3類原始信號：壓力信號、位移信號、壓放量。現(xiàn)場三相電極的壓力信號由3個壓力傳感器測得，通過數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)入主機(jī)，位移信號和壓放量分別通過1#、2#和3#單片機(jī)采集，經(jīng)串口發(fā)往主機(jī)；最后，通過上述計算方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終得到電極參數(shù)并實(shí)時顯示，電極參數(shù)實(shí)時顯示界面如圖2所示。當(dāng)電極工作長度超出設(shè)定的上、下限時，電極調(diào)節(jié)報警燈點(diǎn)亮，給出報警提示，并進(jìn)行相關(guān)操作。

圖2 電極參數(shù)實(shí)時顯示界面

2.2.2超聲波測距系統(tǒng)

超聲波測距系統(tǒng)以STC89C51單片機(jī)為核心控制芯片，完成電極升降位移的檢測。單片機(jī)與工控機(jī)采用RS-485總線完成數(shù)據(jù)通信。三相電極各裝一個超聲波測距模塊來檢測各自的位移信號，以1#超聲波測距模塊為例，超聲波測距流程如圖3所示,采用C語言編寫單片機(jī)程序[5]。

2.2.3壓放量檢測系統(tǒng)

電極壓放量由2#和3#單片機(jī)配合檢測得到，其中2#單片機(jī)主要檢測壓放電極時，把持器油缸繼電器和卸油所用繼電器的動作情況；3#單片機(jī)用來檢測編碼器的計數(shù)值，以A相電極為例，壓放量檢測系統(tǒng)工作過程如圖4所示，其中1(0)代表繼電器的通(斷)；A(a)為工控機(jī)接收到不同繼電器的導(dǎo)通狀態(tài)后，寫入3#單片機(jī)的標(biāo)示字；a123為3#單片機(jī)的返回數(shù)據(jù)，a表示A相電極，123表示計數(shù)值，長度可以根據(jù)計數(shù)值和編碼器所帶輪子直徑計算得到。

圖3 超聲波測距流程

圖4 壓放工作過程示意圖

1#、2#和3#單片機(jī)都通過串口與主機(jī)通信， LabVIEW調(diào)用串行端口配置如圖5所示。

圖5 LabVIEW調(diào)用串行端口配置

2.2.4參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置用于設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)和電極參數(shù)，如電極工作長度的初值、電極工作長度上/下限及文件記錄頻率等。參數(shù)設(shè)置需要根據(jù)所安裝礦熱爐的實(shí)際情況確定，從而保證冶煉過程盡可能地工作在最優(yōu)狀態(tài)。參數(shù)設(shè)置界面如圖6所示。

圖6 參數(shù)設(shè)置界面

2.2.5數(shù)據(jù)存儲與查詢

數(shù)據(jù)存儲用來記錄礦熱爐在相當(dāng)長時間內(nèi)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，為管理人員通過總結(jié)分析歷史數(shù)據(jù)，了解礦熱爐的長期運(yùn)行狀況提供依據(jù)，從而提高生產(chǎn)效率和提高產(chǎn)品質(zhì)量。數(shù)據(jù)存儲采用TDMS文件，系統(tǒng)按照日期和時間生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件。TDMS文件是NI主推的一種二進(jìn)制記錄文件，兼顧了高速、易存取及方便等多種優(yōu)勢，能夠在NI的各種數(shù)據(jù)分析或挖掘軟件之間進(jìn)行無縫交互，也能夠提供一系列API函數(shù)，供其他應(yīng)用程序調(diào)用。

3 抗干擾措施

在硬件方面，數(shù)據(jù)采集卡采用了差分輸入接法，共模抑制比高，使系統(tǒng)具有更好的抗干擾性；現(xiàn)場所有連接線均采用屏蔽線，防止由現(xiàn)場電磁環(huán)境對傳輸線路產(chǎn)生輻射干擾。

經(jīng)過硬件處理后，由線路帶來的干擾降低，其余的干擾主要為由于爐況對壓力信號的干擾。冶煉過程中的出爐及塌料等都對壓力信號的采集有一定的影響，為了減小壓力信號的波動，系統(tǒng)采用了遞推平均濾波算法：將連續(xù)得到的N個采樣值看作一個隊列，長度固定為N，每次采樣到一個新數(shù)據(jù)放入隊尾,并丟掉原隊首的數(shù)據(jù)(先進(jìn)先出原則)。將隊列中的N個數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算,就可獲得新的濾波結(jié)果。該方法使整個系統(tǒng)的抗干擾性有了很大的提高，有效抑制了隨機(jī)干擾。

4 結(jié)束語

礦熱爐電極參數(shù)實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于冶煉過程中電極工作長度的實(shí)時監(jiān)測。該系統(tǒng)在優(yōu)化冶煉生產(chǎn)過程、提高產(chǎn)品質(zhì)量及降低能耗等方面具有重要的意義，同時也使生產(chǎn)安全有了進(jìn)一步的保障。