專利名稱：電熔鎂爐嵌入式自動控制裝置及控制方法
技術領域：
本發明屬于冶金行業過程控制技術領域，特別是涉及一種電熔鎂爐嵌入式自動控制裝置及控制方法。
背景技術：
電熔鎂砂的主要成分是高純度晶體氧化鎂，是許多工業行業的重要原料和耐火材料，用來冶煉電熔鎂砂的設備是三相交流電熔鎂爐冶煉過程中，原料在電熔鎂爐內被電弧放出的熱所熔化形成熔液，熔液經過冷卻后結晶，最終的成品為含量在95%以上的氧化鎂晶體，電熔鎂爐冶煉過程主要是通過調節三相電極位置，使三相電極電流穩定跟蹤電流設定值來保證冶煉過程的穩定，目前電熔鎂爐冶煉過程的控制方式多采用人工手動控制或使用可編程邏輯控制器(PLC)作為控制器來實現自動控制，整個冶煉過程的控制目標是確保產品產量同時盡量降低單位合格產品的能耗，控制目標的實現與三相電極電流的大小及其穩定程度關系密切，冶煉過程中爐內反應劇烈，固、液、氣三種形態的物質共存，造成三相電極電流波動頻繁，人工控制方法中，工人操作勞動強度大，操作員容易處于疲勞狀態，很難保證將三相電極電流與電流設定值之間的偏差控制在偏差允許范圍內，導致冶煉過程中三相電極電流波動劇烈，影響產品產量，同時浪費能量，雖然PLC在工業過程的自動控制中應用廣泛，但在電熔鎂爐冶煉過程中使用依然存在一定的缺點由于三相電極電流波動頻繁， 若要很好的實現控制三相電極電流穩定需要相對復雜和智能化的控制算法，但是受PLC自身計算能力的限制，復雜的控制算法無法在PLC中運行；雖然可以使用PLC+工業控制計算機的控制系統結構實現相對復雜的控制算法，但是同樣也存在許多問題，例如控制系統的構建由于采用了不同供應商的多種平臺，為整合各種不同的專用總線，各部分之間的銜接有賴于第三方提供的 OPC(Object Linking and Embedding for Process Control)服務， 故其實施并不是一件輕松和容易的事情；PLC和工業控制計算機均為通用設備，并非為電熔鎂爐冶煉過程專門設計，存在硬件資源浪費和增加整個系統故障率的不足；運行于工業控制計算機上的通用操作系統無法保證穩定性；電熔鎂爐冶煉現場環境極其惡劣，工業控制計算機上使用的帶旋轉的磁性硬盤和風扇較難保證可靠性等。

發明內容
針對現有裝置及方法存在的不足，本發明提出一種電熔鎂爐嵌入式自動控制裝置及控制方法，以實現電熔鎂爐冶煉過程的安全、穩定、可靠的運行。本發明的技術方案是這樣實現的一種電熔鎂爐嵌入式自動控制裝置，包括監控計算機、電流傳感器、電機、接觸器及交流220V繼電器，還包括嵌入式控制器和接口電路板，其中，所述的嵌入式控制器由CPU主板和擴展板組成，所述的接口電路板是由接線端子、隔離器、三極管驅動電路、直流24V繼電器組成，其連接關系如下監控計算機的輸入輸出端連接所述CPU主板的第一輸入輸出端，所述CPU主板的第二輸入輸出端連接擴展板的輸入輸出端，所述擴展板的輸入端連接接線端子的輸出端，所述接線端子的第一輸入端連接第一隔離器的輸出端，所述接線端子的第二輸入端連接第二隔離器的輸出端，所述接線端子的第三輸入端連接第三隔離器的輸出端，所述擴展板的輸出端連接三極管驅動電路的輸入端，所述三極管驅動電路的輸出端連接24V繼電器，所述24V繼電器的輸出端連接交流 220V繼電器的輸入端，交流220V繼電器的輸出端連接接觸器的輸入端，接觸器的輸出端連接電機的輸入端，所述第一隔離器的輸入端連接第一電流傳感器的輸出端，所述第二隔離器的輸入端連接第二電流傳感器的輸出端，所述第三隔離器的輸入端連接第三電流傳感器的輸出端，電熔鎂爐的第一輸出端連接第一電流傳感器的輸入端，電熔鎂爐第二輸出端連接第二電流傳感器的輸入端，電熔鎂爐第三輸出端連接第三電流傳感器的輸入端，電熔鎂爐的三相電極分別與電極的輸出端連接。本發明一種電熔鎂爐嵌入式自動控制方法，包括以下步驟步驟1 電流傳感器采集流經電熔鎂爐三相電極的三相電流；步驟2 電流傳感器將采集到的三相電流傳遞給隔離器，隔離器將所述電流轉換為電壓信號輸出給接線端子，接線端子將所述電壓信號傳遞給擴展板，擴展板將模擬信號轉換為數字信號后經過PC104總線輸出給CPU主板；步驟3 根據步驟2處理后的數據與電流設定值之間的差值來判斷是否有電流超限，所述電流超限是指電極電流與電流設定值之間的差值的絕對值大于偏差允許值，所述偏差允許值的范圍為1000A 1500A，若差值大于所述偏差允許值，則電流超限，執行步驟 4，否則保持電極現有狀態不動，并返回步驟1 ；步驟4 判斷電流超限的電極個數，若滿足下述三種情況之一，則控制電機正轉或反轉，并帶動相應電極運動；所述的3個電極分別由3臺電機控制，電機正轉，則提升對應的電極，電機反轉，則降低對應的電極；第一種情況若有一相電流超限，則判斷是否為正向超限若為正向超限，則提高該相電極；若是負向超限，則降低該相電極；所述的正向超限是指電極電流與電流設定值之間的差值為正數，反之即為負向超限，執行完畢后返回步驟1 ；第二種情況若有兩相電流超限，首先判斷這兩相電流是否都為正向或負向超限， 若都為正向超限則提高相應兩相電極，若都為負向超限則降低相應兩相電極，若超限的兩相電流為一正向超限一負向超限，則提高正向超限的電極，執行步驟1 ；第三種情況若有三相電流超限，首先判斷三相電流是否都為正向或負向超限，若都為正向超限則提高三相電極，若都為負向超限則降低三相電極；若三相電極超限方向不一致，則判斷三相電流中是否有兩相為正向超限，若存在兩相為正向超限，則提高相應的兩相電極；若不存在兩相為正向超限，則說明三相電流為一正向超限、兩負向超限，則提高正向超限的那一相電極，執行完畢后返回步驟1。本發明優點本發明可實現三相電極電流的采集、控制和存儲等功能，使三相電極電流與電流設定值之間的偏差穩定在偏差允許范圍內，保證產品產量的同時降低電能消耗；本發明采用無硬盤、無風扇設計，能夠在的電熔鎂爐冶煉現場長期、穩定、可靠的運行， 本發明的嵌入式控制器相對于PLC，具有成本低、功耗小、使用壽命長、維護簡便的優點；本發明能夠實現現有的以PLC為控制器的自動控制裝置的全部功能，包括遠程監控、手動/自動控制轉換、三相電極電流值設定、三相電極電流調整、三相電極電流曲線及數字量實時顯示等功能，在此基礎上由于嵌入式控制器的浮點數運算能力遠強于PLC，因此本發明還可以完成以往PLC所不能實現的復雜的控制及優化算法，使得復雜算法可直接運行于嵌入式控制器內部，在穩定性和實時性方面具有較高風險的工業控制計算機不再承擔運行控制和優化算法的任務，大幅提升運行速度、效率、及控制精度，同時降低了控制裝置的故障率。


圖1為本發明一種電熔鎂爐嵌入式自動控制裝置結構框圖；圖2為本發明實施例一種電熔鎂爐嵌入式自動控制裝置的電路原理圖；圖3為本發明實施例一種電熔鎂爐嵌入式自動控制裝置接觸器連接原理圖；圖4為本發明實施例一種電熔鎂爐嵌入式自動控制裝置接線端子電路原理圖；圖5為本發明實施例一種電熔鎂爐嵌入式自動控制方法流程圖；圖6為本發明實施例一種電熔鎂爐嵌入式自動控制裝置信號輸入結構框圖；圖7為本發明實施例一種電熔鎂爐嵌入式自動控制裝置信號輸出結構框圖；圖8為本發明實施例一種電熔鎂爐嵌入式自動控制裝置三相電極電流波動曲線。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明。本實施例中，電熔鎂爐的基本設備參數為爐體直徑為1300mm，爐體高度為3. 3m, 石墨電極直徑為250mm，設計生產能力為8噸/爐，冶煉過程額定電壓為100V ；本實施例中，電熔鎂爐嵌入式自動控制裝置結構框圖如圖1所示，CPU主板采用符合 PC104 總線標準的 SysCentreModule/PMI2-6C，擴展板的型號為 SysExpanModule/ ADT652，隔離器的型號為P-U61，接觸器的型號為LC1-D5011Q5C，電機的型號為Y100L1-4， 電流傳感器的型號為LMZB-20 ；電路原理和連接圖如圖2、圖3和圖4所示，第一電流傳感器的輸入端連接電熔鎂爐的三相電極中的第一電極，第二電流傳感器的輸入端連接電熔鎂爐的三相電極中的第二電極，第三電流傳感器的輸入端連接電熔鎂爐的三相電極中的第三電極；第一電流傳感器的兩個輸出端中的一個連接第一隔離器的第3引腳，另一個連接第一隔離器的第4引腳，第二電流傳感器的兩個輸出端中的一個連接第二隔離器的第3引腳，另一個連接第二隔離器的第4引腳，第三電流傳感器的兩個輸出端中的一個連接第三隔離器的第3引腳，另一個連接第三隔離器的第4引腳；第一隔離器的第5引腳連接接線端子的111引腳，第一隔離器的第6引腳連接接線端子的112引腳，第一隔離器的第7、8引腳連接第一直流24V開關電源正負兩端；第二隔離器的第5引腳連接接線端子的121引腳，第二隔離器二的第6引腳連接接線端子的122 引腳，第二隔離器二的第7、8引腳連接第二直流24V開關電源正負兩端；第三隔離器的第5 引腳連接接線端子的131引腳，第三隔離器的第6引腳連接接線端子的132引腳，第三隔離器三的第7、8引腳連接第三直流24V開關電源正負兩端；接線端子的Il引腳連接擴展板的 Al引腳，接線端子的12引腳連接擴展板的A3引腳，接線端子的13引腳連接擴展板的A5引腳。轉換開關SAl作為外部輸入信號，連接擴展板的A30引腳，作用是實現手動和自動控制的轉換；擴展板通過PC104總線與CPU主板相連接；擴展板的D27引腳經電阻Rll與三極管Pl的基極相連接，三極管Pl的發射極與地相連接，三極管Pl的集電極經電阻R12與直流24V繼電器KADl的線圈一端相連接；擴展板的D28引腳經電阻R21與三極管P2的基極相連接，三極管P2的發射極與地相連接，三極管P2的集電極經電阻R22與直流24V繼電器 KAD2的線圈一端相連接；擴展板的擬9引腳經電阻R31與三極管P3的基極相連接，三極管 P3的發射極與地相連接，三極管P3的集電極經電阻R32與直流24V繼電器KAD3的線圈一端相連接；擴展板的D30引腳經電阻R41與三極管P4的基極相連接，三極管P4的發射極與地相連接，三極管P4的集電極經電阻R42與直流24V繼電器KAD4的線圈一端相連接；擴展板的D31引腳經電阻R51與三極管P5的基極相連接，三極管P5的發射極與地相連接，三極管P5的集電極經電阻R52與直流24V繼電器KAD5的線圈一端相連接；擴展板的D32引腳經電阻R61與三極管P6的基極相連接，三極管P6的發射極與地相連接，三極管P6的集電極經電阻R62與直流24V繼電器KAD6的線圈一端相連接；直流24V繼電器KAD1-KAD6的線圈另一端經直流MV電源與地相連接；直流24V繼電器KAD1-KAD6觸點的一端分別與交流220V 電源的220N端相連接，直流24V繼電器KADl觸點的另一端與交流220V繼電器KAAl線圈的一端相連接，直流24V繼電器KAD2觸點的另一端與交流220V繼電器KAA2線圈的一端相連接，直流24V繼電器KAD3觸點的另一端與交流220V繼電器KAA3線圈的一端相連接，直流24V繼電器KAD4觸點的另一端與交流220V繼電器KAA4線圈的一端相連接，直流24V繼電器KAD5觸點的另一端與交流220V繼電器KAA5線圈的一端相連接，直流24V繼電器KAD6 觸點的另一端與交流220V繼電器KAA6線圈的一端相連接，交流220V繼電器KAA1-KAA6的線圈另一端分別與交流220V電源的220L端相連接；交流220V繼電器KAA1-KAA6觸點的一端分別與交流220V電源的220L端相連接，交流220V繼電器KAAl觸點的另一端Ql與接觸器KMl的L引腳相連接，交流220V繼電器KAA2觸點的另一端Q2與接觸器KM2的L引腳相連接，交流220V繼電器KAA3觸點的另一端Q3與接觸器KM3的L引腳相連接，交流220V繼電器KAA4觸點的另一端Q4與接觸器KM4的L引腳相連接，交流220V繼電器KAA5觸點的另一端Q5與接觸器KM5的L引腳相連接，交流220V繼電器KAA6觸點的另一端Q6與接觸器KM6的L引腳相連接；接觸器KM1-KM6的N引腳與交流220V電源的220N端相連接；接觸器KM1-KM6的第1引腳與交流380V電源的X端相連接，接觸器KM1-KM6的第2引腳與交流380V電源的Y端相連接，接觸器KM1-KM6的第3引腳與交流380V電源的Z端相連接，接觸器KMl的第4引腳與第一三相電機Ml的第一輸入端相連接、接觸器KMl的第5引腳與第一三相電機Ml的第二輸入端相連接、接觸器KMl的第6引腳與第一三相電機Ml的第三輸入端相連接，接觸器KM2的第4引腳與接觸器KMl的第6引腳相連接，接觸器KM2的第5引腳與接觸器KMl的第5引腳相連接，接觸器KM2的第6引腳與接觸器KMl的第4引腳相連接；接觸器KM3的第4引腳與第二三相電機M2的第一輸入端相連接、接觸器KM3的第5引腳與第二三相電機M2的第二輸入端相連接、接觸器KM3的第6引腳與第二三相電機M2的第三輸入端相連接，接觸器KM4的第4引腳與接觸器KM3的第6引腳相連接，接觸器KM4的第5引腳與接觸器KM3的第5引腳相連接，接觸器KM4的第6引腳與接觸器KM3的第4引腳相連接；接觸器KM5的第4引腳與第三三相電機M3的第一輸入端相連接、接觸器KM 5的第5引腳與第三三相電機M3的第二輸入端相連接、接觸器KM 5的第6引腳與第三三相電機M3的第三輸入端相連接，接觸器KM6的第4引腳與接觸器KM5的第6引腳相連接，接觸器KM6的第5引腳與接觸器KM5的第5引腳相連接，接觸器KM6的第6引腳與接觸器KM5的第4引腳相連接。接線端子的電路原理圖如圖4所示，第一電阻Rjl的一端作為接線端子的Il端， 第一電阻Rjl的另一端引出兩條支路，一條支路連接第一電容Cjl的一端，另一條支路作為接線端子的111端；第一電容Cjl的另一端引出兩條支路，一條支路作為接線端子的112 端，另一條支路接地；第二電阻Rj2的一端作為接線端子的12端，另一端引出兩條支路，一條支路作為接線端子的121端，另一條支路連接第二電容Cj2的一端，第二電容Cj2的另一端引出兩條支路，一條支路作為接線端子的122端，另一條支路接地；第三電阻Rj3的一端作為接線端子的13端，第三電阻Rj3的另一端引出兩條支路，第一支路作為接線端子的131 端，第二支路連接第三電容Cj3的一端，第三電容Cj3的另一端引出兩條支路，一條支路作為接線端子的132端，另一條支路接地；信號輸入通道主要實現將電流傳感器采集的電流信號傳輸至CPU主板。電流傳感器將交流0-15000A的三相電極電流轉換為交流0-5A電流信號，交流0-5A電流信號通過隔離器轉換為擴展板可接受的直流0-5V電壓信號，其中隔離器通過開關與隔離器電源相連接，實現隔離器的外部供電。直流0-5V電壓信號通過接線端子被傳送給擴展板，再經過擴展板進行A/D轉換后通過PC104總線傳送給CPU主板，進而實現了嵌入式控制器的模擬量輸入，如圖6所示。信號輸出通道主要實現將嵌入式控制器輸出的數字量轉換成可以用來控制電機啟停的開關量，冶煉現場的執行機構包括交流220V繼電器和接觸器，嵌入式控制器的輸出為數字量輸出，不能直接用來控制交流220V繼電器的吸合，因此需引入了一組線圈電壓為直流MV的繼電器來控制交流220V繼電器，并利用三極管的開關特性，設計三極管驅動電路來實現數字量輸出對直流24V繼電器的控制，將嵌入式控制器輸出的數字量信號傳送至接口電路板上的三極管驅動電路，三極管驅動電路的電源由24V開關電源提供。 嵌入式控制器輸出的數字量信號經過三極管驅動電路放大后可以控制直流24V繼電器線圈的吸合，這樣就實現了嵌入式控制器的繼電器型輸出，嵌入式控制器的繼電器型輸出被用來實現控制現場執行機構中交流220V繼電器線圈的吸合，進而通過交流220V繼電器線圈的吸合來控制接觸器實現控制電機的轉動和停止，如圖7所示。設本發明所有實施例都滿足如下條件設置有6個接觸器，第一接觸器與第二接觸器同時連接第一電機，第三接觸器與第四接觸器同時連接第二電機，第五接觸器與第六接觸器同時連接第三電機；第一電機連接A相電極，第二電機連接B相電極，第三電機連接 C相電極。實施例1 采用本發明電熔鎂爐嵌入式自動控制方法，包括以下步驟步驟1 電流傳感器采集流經電熔鎂爐三相電極的三相電流，如表1所示表1為采集到的三相電流值
權利要求
1.一種電熔鎂爐嵌入式自動控制裝置，包括監控計算機、電流傳感器、電熔鎂爐三相電極、電機、接觸器及交流220V繼電器，其特征在于還包括嵌入式控制器和接口電路板， 其中，所述的嵌入式控制器由CPU主板和擴展板組成，所述的接口電路板是由接線端子、隔離器、三極管驅動電路、直流24V繼電器組成，其連接關系如下監控計算機的輸入輸出端連接所述CPU主板的第一輸入輸出端，所述CPU主板的第二輸入輸出端連接擴展板的輸入輸出端，所述擴展板的輸入端連接接線端子的輸出端，所述接線端子的第一輸入端連接第一隔離器的輸出端，所述接線端子的第二輸入端連接第二隔離器的輸出端，所述接線端子的第三輸入端連接第三隔離器的輸出端，所述擴展板的輸出端連接三極管驅動電路的輸入端，所述三極管驅動電路的輸出端連接24V繼電器，所述24V繼電器的輸出端連接交流220V 繼電器的輸入端，交流220V繼電器的輸出端連接接觸器的輸入端，接觸器的輸出端連接電機的輸入端，所述第一隔離器的輸入端連接第一電流傳感器的輸出端，所述第二隔離器的輸入端連接第二電流傳感器的輸出端，所述第三隔離器的輸入端連接第三電流傳感器的輸出端，電熔鎂爐的第一輸出端連接第一電流傳感器的輸入端，電熔鎂爐第二輸出端連接第二電流傳感器的輸入端，電熔鎂爐第三輸出端連接第三電流傳感器的輸入端，電熔鎂爐的三相電極分別與電極的輸出端連接。
2.采用權利要求1所述的電熔鎂爐嵌入式自動控制裝置進行自動控制的方法，包括以下步驟步驟1 電流傳感器采集流經電熔鎂爐三相電極的三相電流； 步驟2:電流傳感器將采集到的三相電流傳遞給隔離器，隔離器將所述電流轉換為電壓信號輸出給接線端子，接線端子將所述電壓信號傳遞給擴展板，擴展板將模擬信號轉換為數字信號后輸出給CPU主板；步驟3:步驟2處理后的數據與電流設定值之間的差值來判斷是否有電流超限，所述電流超限是指電極電流與電流設定值之間的差值的絕對值大于偏差允許值，所述偏差允許值的范圍為1000A 1500A，若差值大于所述偏差允許值，則電流超限，執行步驟4，否則保持電極現有狀態不動，并執行步驟1 ；步驟4:判斷電流超限的電極個數，若滿足下述三種情況之一，則控制電機正轉或反轉，并帶動相應電極運動；所述的3個電極分別由3臺電機控制，電機正轉，則提升對應的電極，電機反轉，則降低對應的電極；第一種情況若有一相電流超限，則先判斷是否為正向超限若為正向超限，則提高該相電極；若是負向超限，則降低該相電極；所述的正向超限是指電極電流與電流設定值之間的差值為正數，反之即為負向超限，執行步驟1 ；第二種情況若有兩相電流超限，首先判斷這兩相電流是否都為正向或負向超限，若都為正向超限則提高相應兩相電極，若都為負向超限則降低相應兩相電極，若超限的兩相電流為一正向超限一負向超限，則提高正向超限的電極，執行步驟1 ；第三種情況若有三相電流超限，首先判斷三相電流是否都為正向或負向超限，若都為正向超限則提高三相電極，若都為負向超限則降低三相電極；若三相電極超限方向不一致， 則判斷三相電流中是否有兩相為正向超限，若存在兩相為正向超限，則提高相應的兩相電極；若不存在兩相為正向超限，則說明三相電流為一正向超限、兩負向超限，令提高正向超限的那一相電極，執行步驟1。
全文摘要
一種電熔鎂爐嵌入式自動控制裝置，包括監控計算機、電流傳感器、電熔鎂爐三相電極、電機、接觸器及交流220V繼電器，還包括嵌入式控制器和接口電路板，電流傳感器采集流經電容鎂爐三相電極的三相電流；電流傳感器將采集到的三相電流傳遞給隔離器，經接線端子傳遞給擴展板，后輸出給CPU主板；處理后的數據與電流設定值之間的差值來判斷是否有電流超限，若電流超限，則控制電機調節電極運動，若電流不超限，則保持電極不動；本發明方法嵌入式控制器內部，在穩定性和實時性方面具有較高風險的工業控制計算機不再承擔運行控制和優化算法的任務，大幅提升運行速度、效率、及控制精度，同時降低了控制裝置的故障率。
文檔編號G05B19/042GK102393662SQ201110309560
公開日2012年3月28日 申請日期2011年10月13日 優先權日2011年10月13日
發明者吳志偉, 張新海, 方正, 柴天佑, 王超 申請人:東北大學