EAF及LF智能調節(jié)器

1、 編制：陶百生，北京金自天正（冶金自動化院） 智能調節(jié)器智能調節(jié)器“Ari-IEF”Ari-IEF”及及“Ari-ILF”Ari-ILF”簡介簡介是北京金自天正智能控制股份有限公司自主開發(fā)、具有自主知識產(chǎn)權的電極調節(jié)系統(tǒng)，包括智能EAF調節(jié)器（Ari-IEF）和智能LF調節(jié)器（Ari-ILF），分別適用于EAF和LF。智能調節(jié)器智能調節(jié)器是一種基于人工神經(jīng)元網(wǎng)絡技術（ANN）、并集合傳統(tǒng)PID控制及專家規(guī)則的電極控制器。它結合了神經(jīng)元網(wǎng)絡技術與PID控制的優(yōu)點，克服了兩者的不足，因而與單純的PID電極調節(jié)器相比，智能調節(jié)智能調節(jié)器器具有電弧控制穩(wěn)定、降低電耗、減少電極

2、消耗、增加控制過程的平穩(wěn)性等特點,同時也具有動態(tài)感抗計算及功率設定優(yōu)化的功能。 智能調節(jié)器智能調節(jié)器“Ari-IEFAri-IEF”及及“Ari-ILFAri-ILF”目標任務：目標任務：獲得穩(wěn)定的熔煉弧流；加熱工作點，即功率(電壓電流)設定點的尋優(yōu)，以及各種電參數(shù)計算等諸多種功能。后者鑒于各種因素，其重要性往往被人們忽視。最大功率因素變壓器容量最小電壓檔最大電壓檔最大電流功率選擇范圍短路 技術特色技術特色 由于本智能調節(jié)器主控方式采用IPC（工控機，內含高速數(shù)據(jù)采集卡及配套的處理軟件），因而具備一般PLC調節(jié)器所沒有的處理技術，主要包括： 實際二次側三相短網(wǎng)參數(shù)（阻抗及電抗）的在線計算； 功

3、率檔位設定優(yōu)化，即依據(jù)變壓器銘牌與實際的三相短網(wǎng)參數(shù)，計算每個電壓檔位下最大弧功率時的設定電流及制定出相應的弧流設定檔位（不同升溫速率）； 比例閥特性全量程范圍補償處理； 高壓系統(tǒng)運行期間，電壓及電流等參數(shù)瞬時畸變波形及異常數(shù)據(jù)的在線紀錄； 在線實現(xiàn)FFT（快速傅里葉變換），分析高次諧波； 提供多種控制策略（傳統(tǒng)PID及智能算法），同時，增加了滯后特性處理模塊（由此減輕滯后效應及其所造成的危害）及輸出平滑化等諸多模塊，另外，微分因子分段化處理； 在線計算每相各種電參數(shù)，比如：功率因數(shù)、有功功率、弧功率、視在功率、弧長及耐材指數(shù)等。 使用意義使用意義 由于具備上述的技術優(yōu)勢，因而使用本智能調節(jié)器

4、可以達到如下實際使用效果： 檢驗短網(wǎng)制造是否符合設計標準及三相平衡度； 滿足冶煉弧功率的前提下，確保以較小的設定弧流冶煉，由此減少短網(wǎng)熱損耗及弧流密度，最終達到節(jié)能及降低電極消耗的目的； 消除人為設定功率（電壓、電流或弧流）檔位的盲目性以及由此可能帶來的不利； 消除比例閥特性的非線性及死區(qū)造成的控制影響，圖形化比例閥特性曲線，用戶可以自行完成矯正與補償任務，最終提高電極控制的穩(wěn)定性，也有利于液壓設備的檢查； 當高壓系統(tǒng)（設備）發(fā)生故障后，提供了一種有效的電氣故障分析、檢查手段； 高次諧波的處理功能可以為電爐/LF造渣狀況及電氣特性分析等提供判定依據(jù)（比如進行靜態(tài)或動態(tài)補償前后諧波治理效果的比較

5、） ； 電極運行及弧流更加平穩(wěn)，有利于埋弧操作，減輕鋼渣噴濺、大大減少跳閘與電極折斷的幾率及減緩水冷電纜和電極的水平擺動等各種不良冶煉現(xiàn)象； 實現(xiàn)節(jié)能（達到節(jié)電約5%左右的效果，最終數(shù)據(jù)與具體現(xiàn)場密切相關）及降低電極消耗的目標；也有利于提高加熱效率、縮短冶煉周期及擴大產(chǎn)能； 與EAF/LF二級模型相結合，實現(xiàn)冶煉過程自動設定加熱曲線（電檔位），這是自動煉鋼的基礎。 應用領域應用領域凡是需用交流低電壓、大電流通過（石墨或自耗）電極加熱處理的場合，均可以使用本智能調節(jié)器。比如，如下一些領域均可以采用： LF（鋼包爐）； EAF（電弧爐）； 礦熱爐； 電渣爐。 適用范圍適用范圍 本智能調節(jié)器的適用（

6、容量）范圍沒有限制。比如，小到5噸的LF、大到300噸的LF均可以采用；同樣，對于EAF等使用場合也是沒有容量大小的限制。另外，本智能調節(jié)器，對于50Hz或60Hz不同工頻的交流系統(tǒng)也都適用。 冶金行業(yè)部級優(yōu)秀工程設計計算機軟件二等獎 獲獎時間：2001年9月 頒獎單位：中國冶金建設協(xié)會 冶金科學技術進步三等獎 獲獎時間：2002年 頒獎單位：中國鋼鐵協(xié)會、中國金屬學會 北京市科技新產(chǎn)品科技進步三等獎 獲獎時間：2002年 頒獎單位：北京市科技部獲獎情況獲獎情況 實用新型專利 名稱：一種電極控制器 專利號：201220543270.3 目前（2013年3月）該專利已獲授權。 發(fā)明專利 名稱：一

7、種多功能智能電極控制器 專利號：201210405986.1 目前該專利已獲授權。 發(fā)明專利 名稱：一種電極智能調節(jié)器及電極智能控制方法 專利號：201210505695.X 目前該專利已獲授權。 專利情況（于專利情況（于20122012年年9 9月申請?zhí)岢鰧＠陥螅┰律暾執(zhí)岢鰧＠陥螅?特別強調的是，實際的二次短網(wǎng)參數(shù)計算及功率設定表的計算是本智能電極調節(jié)器所特有的（這是由特定的高速數(shù)據(jù)采集特性及數(shù)據(jù)處理功能所決定的），國內其它的電極調節(jié)器還未見到有此類功能的報道。另外，比例閥特性全量程范圍線性化補償也是本智能調節(jié)器所具有的一個亮點。其它諸如諧波分析（FFT）及電壓與電流波形瞬時紀錄等功能也

8、是普通PLC電極調節(jié)器所不具備的。 電極升降控制，包含多種策略：l 神經(jīng)元控制l 常規(guī)PID控制 恒弧流PID 恒功率PID 恒阻抗PID 功率優(yōu)化設定，包含如下計算：l 二次短網(wǎng)短路阻抗計算l 二次短網(wǎng)短路感抗計算l 動態(tài)電抗計算l 靜態(tài)功率圓圖計算l 靜態(tài)功率設定表計算l 動態(tài)功率設定計算 電參數(shù)的處理，包含如下處理：l 電參數(shù)計算： 視在/有功/弧功/無功功率計算 功率因素/弧長計算 電流/電壓有效值計算 原邊/副邊電耗計算智能調節(jié)（工控機）部分智能調節(jié)（工控機）部分 其它電參數(shù)的計算l 電參數(shù)存儲及查詢： 存儲時間的周期任意指定 查詢選擇時間范圍內的各種電參數(shù) 異常情況處理，涵蓋如下情

9、況：l 電極接觸導電材料判斷及處理（EAF）l 電極接觸不導電材料判斷及處理（EAF）l 三相共振預防（早期預測）及消除（LF） 其它輔助功能：l 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通訊l 在線設備故障診斷及報警l 其它功能熱備（熱備（PLCPLC）部分）部分 電極升降控制（常規(guī)PID）l 恒弧流PIDl 恒功率PIDl 恒阻抗PID 異常情況處理（與智能部分類似） 其它輔助功能（與智能部分類似） Rogowski線圈（二次電流直接測量） 二次匹配箱（二次電壓濾波及檢測、二次大電流檢測信號的轉接） 電極升降控制柜l 工控機（硬件：網(wǎng)卡、高速AI/O卡；應用軟件：電極調節(jié)神經(jīng)元算法、智能PID算法、常規(guī)PID控制（恒弧流

10、/恒阻抗/恒功率）算法等）l 熱備PLC（電極調節(jié)常規(guī)PID（恒弧流/恒阻抗/恒功率）算法等）l 變送器（信號轉換）二次匹配箱二次匹配箱二次匹配箱（內部圖）二次匹配箱（內部圖）電極升降控制柜電極升降控制柜2200(高)*800(寬)*800(深) 900(高)*600(寬)*400(深) RogowskiRogowski線圈（安裝圖）線圈（安裝圖）智能調節(jié)器軟件系統(tǒng)主要由四個獨立的進程組成（與最新程序界面有差異）。1）系統(tǒng)管理進程）系統(tǒng)管理進程 此進程完成的功能：l 進程/線程調度管理；l 建立進程間的數(shù)據(jù)共享內存，用于不同進程間的數(shù)據(jù)交換；l 實現(xiàn)PC網(wǎng)絡通訊服務，完成與PC服務器、設定點優(yōu)

11、化進程間的數(shù)據(jù)交換； 進程畫面如右圖所示。2）A/OA/O進程進程 此進程完成的功能：l 從高速AI卡采集模擬量數(shù)據(jù)；l 數(shù)據(jù)處理（電壓/電流有效值、功率因素、 KW因子、PERSSION因子、諧波因子等）；l 處理后的數(shù)據(jù)寫入共享內存；l 從共享內存得到三相電極輸出數(shù)據(jù)及開關量信號，并通過AO卡輸出控制三相電極。 進程畫面如右圖所示。3）DIDI進程進程 此進程完成的功能：l從PLC設備/DI卡中得到開關量信號（采集速度為10次/秒）；l從PLC設備中得到設定電流；l把采集信號寫入共享內存。 進程畫面如右圖所示。通信協(xié)議采用工業(yè) 以太網(wǎng)協(xié)議，通信接口采用OPCOPC標準。4）ANNANN進程

12、進程 此進程完成的功能：l 從共享內存中得到所需信號；l 完成PID調節(jié)算法；l 完成ANN調節(jié)算法；l 完成智能PID調節(jié)算法；l 結合專家規(guī)則選擇實際采用的調節(jié)算法；l 把計算的輸出結果寫入共享內存。 進程畫面如右圖所示。5）其它輔助進程）其它輔助進程 除了以上四個進程外，也需要其它一些程序，比如ANN離線訓練等。這里就不一一介紹，僅給出一些主要的畫面顯示。 爐況仿真器在線學習測試畫面 調節(jié)器離線學習畫面 實時運行曲線監(jiān)視畫面 參數(shù)配置 歷史數(shù)據(jù)查詢 爐況仿真器在線學習測試畫面 調節(jié)器離線學習畫面實時運行曲線監(jiān)視畫面 參數(shù)配置_1(一般檢測參數(shù)設置)修改這里的系數(shù)，可以矯正3相電極手動上升

13、或下降（或自動下降）速度的不一致。 參數(shù)配置_2(比例閥特性測試曲線及矯正程序)通過比例閥特性全量程范圍線性化矯正，消除死區(qū)及非線性化造成的控制不靈敏現(xiàn)象。本系統(tǒng)提供了專門工具軟件（界面見上圖所示），通過該軟件用戶可以自己完成比例閥特性的（自動）矯正工作。 二次側電路圖（優(yōu)化功率設定需要知道實際的每相短路阻抗RO及感抗XLO）Y/-11(Yn,D11)接法相電壓矢量圖Y/-11接線圖 功率設定優(yōu)化及相關技術介紹功率設定優(yōu)化及相關技術介紹（基礎數(shù)據(jù)：實際二次短網(wǎng)參數(shù)及變壓器銘牌參數(shù)） 二次側實際電路E0R0XL0RarcI二次側每相等效電路圖（由此推導出功率圓圖曲線）R0XL0RarcZXL0R

14、0Z短路測試示意圖Z=V/IR0=Z*Cos,XL0=Z*sin電抗計算示意圖Z=V/IXL0=Z*sin 二次效電路 功率優(yōu)化功能及處理技術：l 二次短網(wǎng)回路短路電阻及短路電抗的計算l 功率設定表計算、數(shù)據(jù)文件生成及數(shù)據(jù)庫寫入l 圖形化工具功率圓圖電參數(shù)曲線l 其它處理功能 功率圓圖功率圓圖是功率優(yōu)化的基礎，通過本功率可以制定特定現(xiàn)場的最優(yōu)加熱曲線。代替人工設置的盲目性。 Parc-當前Parc-目標 電參數(shù)曲線是功率優(yōu)化設定的計算基礎。通過本模塊的計算結果，可以為LF二級模型和操作人員提供一組最優(yōu)的加熱曲線（二維數(shù)據(jù)表）。 圖中，上半部為各種功率（視在功率PS/有功功率PU/弧功率Parc

15、/無功功率PQ/二次短網(wǎng)阻抗熱損耗功率Pro）與二次電流的關系。 下半部為除功率外其它各種電參數(shù)與二次電流的關系。這些參數(shù)為：功率因數(shù)Cos、電效率Parc/PU（弧功率與有功功率之比）、弧長Larc、弧壓Varc及弧阻Rarc。 對于一些改造項目，現(xiàn)場往往缺少齊全的檢測儀表（比如，電度表，功率因數(shù)表等），我們的調節(jié)器完全可以計算這些參數(shù)，并且所計算參數(shù)的數(shù)量遠超出了一般現(xiàn)場儀表所能檢測的參數(shù)（比如，計算原邊、副邊的電耗、每相的功率因數(shù)等；再比如，通過智能調節(jié)器的弧長及弧功率計算與LF模型的渣厚計算，就可以自動實現(xiàn)選擇最佳的電壓電流檔位、確保埋弧及快速升溫的目的），這些為自動化系統(tǒng)的功能優(yōu)化提

16、供了不可或缺的基礎數(shù)據(jù)。 電參數(shù)曲線 電參數(shù)計算 二次短網(wǎng)參數(shù)（阻抗和感抗）是一個關鍵數(shù)據(jù)它是提高用電效率的基礎數(shù)據(jù)，盡管看不見、摸不著，但為客觀存在，只有通過一定的手法才能得到其實際的真實值，而不是設計值（兩者沒有必然關系，往往相差很大）。* Log time at 20-Jul-2010 09:32:30 *V_A(V), I_A(A), cosA; V_B(V), I_B(A), cosB; V_C(V), I_C(A), cosC; XLoA, XLoB, XLoC, XLo. 167, 38599, 0.83; 134, 36252, 0.71; 165, 36252, 0.89;

17、2.39, 2.61, 2.50, 2.50 163, 42497, 0.77; 141, 39991, 0.69; 156, 39991, 0.82; 2.46, 2.56, 2.47, 2.49 151, 39675, 0.78; 159, 39359, 0.74; 149, 39359, 0.77; 2.40, 2.74, 2.43, 2.52 . 160, 35540, 0.84; 168, 39137, 0.77; 137, 39137, 0.74; 2.41, 2.73, 2.43, 2.52 163, 40190, 0.82; 145, 36983, 0.72; 155, 369

18、83, 0.85; 2.36, 2.72, 2.42, 2.50 162, 37433, 0.84; 152, 36387, 0.77; 156, 36387, 0.85; 2.39, 2.69, 2.46, 2.51 Records: 65; Average value: 2.45, 2.66, 2.41, 2.51=動動態(tài)態(tài)感感抗抗的的計計算算* Log time at 21-Mar-2012 10:35:13 * No ,V_A(V), I_A(A), cosA; V_B(V), I_B(A), cosB; V_C(V), I_C(A), cosC; XRoA, XRoB, XRoC,

19、XRo. . 108, 80, 36572, 0.10; 85, 39916, 0.13; 84, 37110, 0.29; 0.23, 0.28, 0.66, 0.39 109, 80, 36572, 0.10; 85, 39925, 0.13; 84, 37135, 0.29; 0.23, 0.28, 0.65, 0.39 110, 80, 36514, 0.11; 85, 39789, 0.13; 84, 37145, 0.28; 0.24, 0.29, 0.65, 0.39 111, 80, 36503, 0.11; 85, 39781, 0.13; 84, 37109, 0.29;

20、0.24, 0.29, 0.65, 0.39 .=動動態(tài)態(tài)阻阻抗抗的的計計算算 二次短網(wǎng)參數(shù)計算實際的感抗值是功率優(yōu)化的基礎數(shù)據(jù)之一。設計值與實際值間有很大的偏差，如果用設計值進行功率優(yōu)化，其指導意義不大、甚至帶來危害。 實際的阻抗值是功率優(yōu)化的基礎數(shù)據(jù)之一。設計值與實際值間有很大的偏差，如果用設計值進行功率優(yōu)化，其指導意義不大、甚至帶來危害。 功設定表（升溫曲線）功設定表（升溫曲線） PS = 36MVA, Ro = 0.49(m), Lo = 2.50(m)= 二次線電壓: 435V, 3檔 I | Ps | Pu | Parc | Pq |Cos| Larc- 41780, 31.48,

21、 28.63, 26.06, 13.09, 0.91, 167 39691, 29.91, 27.47, 25.16, 11.82, 0.92, 171 37602, 28.33, 26.27, 24.19, 10.60, 0.93, 174 35513, 26.76, 25.03, 23.18, 09.46, 0.94, 177 33424, 25.18, 23.75, 22.11, 08.38, 0.94, 180 31335, 23.61, 22.43, 20.99, 07.36, 0.95, 183 29246, 22.04, 21.08, 19.82, 06.41, 0.96, 18

22、5 27156, 20.46, 19.70, 18.62, 05.53, 0.96, 188- PS = 36MVA, Ro = 0.49(m), Lo = 2.50(m)= 二次線電壓: 355V, 7檔 I | Ps | Pu | Parc | Pq |Cos| Larc- 48343, 29.73, 24.01, 20.57, 17.53, 0.81, 101 45925, 28.24, 23.39, 20.29, 15.82, 0.83, 107 43508, 26.75, 22.68, 19.89, 14.20, 0.85, 112 41091, 25.27, 21.86, 19.3

23、8, 12.66, 0.87, 117 38674, 23.78, 20.97, 18.77, 11.22, 0.88, 121 36257, 22.29, 20.00, 18.06, 09.86, 0.90, 126 33840, 20.81, 18.95, 17.27, 08.59, 0.91, 130 31422, 19.32, 17.85, 16.39, 07.41, 0.92, 133- 功率設定（優(yōu)化檔位表）計算最優(yōu)的功設定表（升溫曲線）是節(jié)能降耗的最重要措施之一，建立在實際二次短網(wǎng)參數(shù)（即實際的阻抗值與感抗值，不是設計值）基礎之上的功率檔位才是符合實際現(xiàn)場的設定參數(shù)。通過本系統(tǒng)建

24、立的功設定表避免了人為設定的盲目性與錯誤。輸出控制的滯后效應處理輸出控制的滯后效應處理如右圖所示，假定變壓器容量為36MVA，二次短網(wǎng)參數(shù)為0.36+j2.8（m），當前電壓設定檔位為3（440V），設定電流為35000A，當實際弧流為40000A或30000A時，分別的弧長為：1）電流為35000A（設定電流），弧長為181mm；2）電流為40000A，弧長為173mm；3）電流為30000A，弧長為188mm；在a1或a2點，由于弧流過大，電極需要抬升，因為此時弧長為173mm，故需要上升的距離為181-173=8mm，假定此時輸出控制為1.5V，電極對應的速度為15*1.5=22.5mm

25、/s,那么，不考慮其它的滯后因素，單純電極運動達到實際電流等于設定電流所需的時間為：8/22.5 3.6ms。這個時間就是一種滯后，除此之外，整個系統(tǒng)也存在啟動、制動時間、系統(tǒng)各組成部分的慣性等各種因素，會造成總體滯后時間的加大。再考慮到PID控制的積分計算，在上圖中，ta2期間的控制輸出（抬電極效果），其產(chǎn)生實際控制效果時，往往已達tb1期間（需要降電極），這時，調節(jié)就起到了相反的效果（對于實際弧流小于設定弧流期間的調節(jié)，也會出現(xiàn)這種情形），這種情況需要盡量避免。本智能調節(jié)器依據(jù)現(xiàn)場情況，可以做到減少或避免這種反向效果的輸出、避免電極振蕩的出現(xiàn)。微分（微分（D D）部分的處理）部分的處理在P

26、ID控制（恒弧流）模式中，微分（D部分）的控制效果是阻止弧流的變化趨勢。對于上圖，在實際弧流大于設定弧流期間內，在ta1時間段，這時的D輸出是阻止弧流的上升，這顯然是正確的，但在ta2時間段，這時的D輸出是阻止弧流的下降，這個顯然不是希望的效果。由此可見，D部分的輸出產(chǎn)生了有利也有弊的效果（在實際弧流小于設定弧流期間內也有同樣的問題）。所以，許多電極調節(jié)器產(chǎn)品中，如果采用PID控制方式的話，往往把微分（D）排除掉。本智能調節(jié)器做到對弧流調節(jié)有利的期間D部分的輸出（可以選擇）保留，而對于弧流調節(jié)不利的期間則予以排除，這樣更有利于調節(jié)的穩(wěn)定性。對于恒阻抗PID控制模式，情形類似。電流時間35000

27、A40000A30000Aa1 a2b1 b2設定電流實際電流ta2tb1ta1 歷史數(shù)據(jù)查詢(1) 原始波形(2) 快速傅里葉變換（FFT）后的波形原始波形原始波形: 指由高速數(shù)據(jù)采集卡采集未經(jīng)任何處理的原始（離散）數(shù)據(jù)所構成的波形，一般是由多種頻率信號組成的混頻波形。快速傅里葉變換（快速傅里葉變換（FFTFFT）后的波形）后的波形：指原始波形經(jīng)過快速傅里葉變化后獲得的各種頻率波形。這些波形可能包括：直流分量、基波（50Hz）及各種高次諧波。高次諧波處理的應用：高次諧波處理的應用：可以為電爐/LF造渣狀況或電網(wǎng)電氣特性分析等提供判定依據(jù)（比如，可用于LF靜補或動補諧波治理前后效果分析等）。高

28、次諧波分析高次諧波分析比例閥全量程范圍補償比例閥全量程范圍補償(0,0)(xp1,yp1)(xp2,yp2)(xp3,yp3)(xm1,ym1)(xm2,ym2)(xm3,ym3)降電極測試區(qū)升電極測試區(qū)控制輸出控制輸出電極運動速度電極運動速度Vm1Vp1Vp1Vm1理想特性曲線理想特性曲線 右圖為比例閥特性測試曲線及相應的矯正方法示意圖。采用如下的線性化補償方法：yr = yn+ (yn+1-yn)/(xn+1-xn)*(x-xn)，x屬于(xn,xn+1)， 當調節(jié)器計算出的控制值為x時，其矯正后的實際值（x）采用如下計算公式：x = xn+( y(x)-yn)*( xn+1-xn)/(

29、yn+1-yn)，而y(x) = k0*x，此y(x) 屬于(yn,yn+1)。 其中k0為理想比例閥特性曲線的斜率（依據(jù)需要其值可調）。由此，當調節(jié)器的計算值為Vp1時，則對應矯正后的輸出值應為Vp1；當調節(jié)器的計算值為Vm1時，則對應矯正后的輸出值應為Vm1（如圖所示）。 比例閥特性測試點越多，矯正越精確，相應地，其調節(jié)器控制水準越高（越利于弧流的穩(wěn)定）。注：我們的比例閥特性補償是全量程范圍內的補償，這點有別于SIEMENS、DANIELI等公司的3點補償（僅死區(qū)3點），這顯然更有利于控制精度的提高。 其它一些處理技術，比如，滯后特性消除及輸出平滑化等就不此討論了。 高速數(shù)據(jù)采集（不是電壓

30、、電流的有效值）及數(shù)據(jù)處理； 采用變壓器二次電流的直接采集（Rogowski線圈）更利于提高控制的精度； 神經(jīng)元算法的效率（學習收斂速度及預報精度）； 開關量數(shù)據(jù)采集方法及速度要求（硬件方法即DI/O數(shù)采卡或軟件方法即OPC通訊）。智能調節(jié)器基本技術前提（智能調節(jié)器基本技術前提（EAFEAF及及LFLF電極調節(jié)器）電極調節(jié)器）： 電弧爐控制策略采用恒阻抗或神經(jīng)元網(wǎng)絡算法（三相耦合度大、不平衡度大），LF采取恒弧流或神 經(jīng)元網(wǎng)絡算法； 電弧爐控制系統(tǒng)及執(zhí)行機構要求有更高的響應速度； 電弧爐控制系統(tǒng)需要進行電極接觸不導電材料的判斷，并及時進行相應的處理； 電弧爐控制系統(tǒng)需要進行電極接觸導電材料的判

31、斷，并及時進行相應的處理； LF由于存在底攪拌，當攪拌劇烈時，鋼液面的波動容易引起三相共振，而此時常規(guī)的PID調節(jié)方法不 但不能消除此現(xiàn)象、反而會加劇此共振強度（由于控制輸出的滯后），嚴重損害調節(jié)性能。因此 電極調節(jié)系統(tǒng)必須采取適當?shù)目刂拼胧氐紫爽F(xiàn)象。電弧爐與電弧爐與LFLF爐電極調節(jié)器的主要控制策略區(qū)別爐電極調節(jié)器的主要控制策略區(qū)別： 三相之間是相互解耦的，也即認為三相之間無關聯(lián)，每一相的輸入/輸出與其它項無關； 除輸入電流（幅值）影響調節(jié)輸出外，其它因素（如吹氬攪拌）均不考慮； 調節(jié)輸出建立在PID算法的基礎上。對于交流EAF或LF而言，傳統(tǒng)的PID電極調節(jié)技術以如下的前提條件為基礎

32、：兩者的比較見下表 。 整體考慮三相間的作用，調節(jié)具有“三相意識”； 除輸入電流（幅值）外，其它因素也被考慮； 控制算法具有非線性、容錯性、自學習性等特點。以上這些前提在生產(chǎn)中實際上是不成立的，因而傳統(tǒng)的PID電極調節(jié)技術的實際效果并不令人滿意。與此相比，神經(jīng)元網(wǎng)絡調節(jié)不需要這些前提條件，具有如下的優(yōu)點：PID控制控制ANN控制控制三相耦合性基于三相理想情況下的完全解耦, 認為三相電壓, 三相電流間彼此獨立,與實際情況相去甚遠考慮三相之間的耦合性, 其算法具有三相敏感性信號檢測基于理想正弦波的假設, 檢測的平均值不能反映有效值的變化檢測電流電壓的瞬時值, 能真實的反映實際的電流電壓波形, 從而

33、得到控制所需的各種信息設定點優(yōu)化基于靜態(tài)優(yōu)化設定點基于動態(tài)優(yōu)化的設定點系統(tǒng)預報無可預測系統(tǒng)變量的變化, 從而防患于未然增益自適應簡單分段線性化根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)情況, 不斷調整系統(tǒng)的ANN權值,從而得到優(yōu)化的控制性能執(zhí)行機構滯后性的輸出控制信號補償無有PIDPID控制策略簡介：控制策略簡介：PID控制共有的不利點：處理關系簡單、體現(xiàn)不了三相間被控對象（弧流/功率/阻抗）的相互影響（即耦合作用）。 恒弧流控制（恒弧流控制（V = f(Is-Ir) = f(II)）優(yōu)點：保證短路時對電極進行快速調節(jié)，即響應快。缺點：三相之間沒有解藕的特性（三相電流間的相互作用在此控制方式中不能體現(xiàn)）。 恒功率控制（恒

34、功率控制（V = f(Vs*Is-Vr*Ir) = f(PP) )優(yōu)點：無論發(fā)生任何干擾都會確保有功功率(更精確的應為弧功率)保持不變，滿足工藝需求。缺點：相同的功率存在2個不同的工作點（控制存在二義性）；三相間所控參數(shù)耦合最大。 恒阻抗控制（恒阻抗控制（V = f(Vs/Is-Vr/Ir) = f(RR) )優(yōu)點：三相阻抗間的藕合作用很?。ㄒ簿褪钦f，三相間的阻抗相互影響很?。Ｈ秉c：對電流變化的響應沒有恒電流方式快。注：V表示輸出控制的計算電壓值，Vs及Is分別表示設定電壓和設定電流， Vr及Ir分別表示實際電壓和實際電流，f表示PID算法（即比例、積分與微分計算函數(shù)）。應用場合:一般電弧爐

35、采用恒阻抗控制比較適合，因為在廢鋼熔清前，三相電流劇烈變化、相互間影響很大（耦合性很強），而LF一般應用恒弧流控制較多（電流變化相對EAF平穩(wěn)多了）。PIDA相I1/P1/R1V1PIDB相V2PIDC相V3PIDC相V3ANNA/B/C相I1/2/3V1/2/3KV1/2/3傳統(tǒng)PID三相解耦控制ANN（人工神經(jīng)元網(wǎng)絡）三相耦合控制I2/P2/R2I3/P3/R3 人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(ANN)是一門新興的交叉學科。對這門學科的研究使諸如生物學、認知科學、非線性科學等基礎學科與計算機、電子學、人工智能、微電子、信息處理、模式識別等工程學科有機地結合起來。 簡單地說，ANN是對人腦和神經(jīng)系統(tǒng)的模擬。

36、其工作機制建立在對神經(jīng)細胞的數(shù)量、反應速度和發(fā)送信號的方式，神經(jīng)細胞間的聯(lián)接關系和通信方式，神經(jīng)系統(tǒng)的記憶、學習、分布和運算方式等的認識和理解上。其實現(xiàn)是采用物理可實現(xiàn)的器件或采用現(xiàn)有的計算機來模擬生物體中神經(jīng)網(wǎng)絡的某些結構與功能，并反過來用于工程或其他的領域。其著眼點不是用物理器件去完整地復制生物體中的神經(jīng)細胞網(wǎng)絡，而是采納其可利用的部分來克服目前計算機或其他系統(tǒng)不能解決的問題，如可以從經(jīng)驗學習知識（記憶），能夠隨著環(huán)境的變化修正反應結果（學習），可以透過噪音和變形看出信號的原模式（識別），可以進行特征提取，可將文字轉換成語音，可識別手寫字母等。這些特性使得ANN充滿活力，其應用幾乎已深入各

37、行各業(yè)，并且還有更光明的應用前景。 ANN的類型是多種多樣的，基本上可分為：l 前饋式網(wǎng)絡l 輸入輸出有反饋的網(wǎng)絡l 前饋內層互聯(lián)網(wǎng)絡l 反饋型全互聯(lián)網(wǎng)絡l 反饋型局部聯(lián)結網(wǎng)絡本智能調節(jié)器中，神經(jīng)元網(wǎng)絡調節(jié)包括兩部分：l ANN爐況仿真器l ANN調節(jié)器 ANN仿真器和ANN調節(jié)器均采用BP網(wǎng)絡（多層前饋網(wǎng)絡，學習算法采用BP（Back Propagation 反向傳播）算法，故得此名）。 ANN爐況仿真器ANN爐況仿真器的原理如右圖所示。圖中的變量含義如下： Reg：ANN調節(jié)器輸出的控制信號（三相） S：EAF/LF爐況信號 S：EAF/LF仿真器輸出的爐況信號 ErrorS(N+1) 電

38、爐/精煉爐ANN電爐/精煉爐ANN爐況仿真器原理爐況仿真器原理 Reg(N)，Reg(N-1),S(N),S(N-1)，Reg(N+1) N：代表時間片N，其上一個時間片為N-1，下一個時間片為N+1，依此類推， “一個時間片”是指ANN控制器的一個控制周期，即200ms。 EAF/LF爐況信號主要有如下16個變量：l 二次電壓（三相）l 二次電流（三相）l 二次功率因數(shù)（三相）l 二次泊松弧穩(wěn)定因子（三相）l 二次KW比因子（三相）l 加熱時間 S(N)：表示時間片N時的爐況。由于ANN調節(jié)器根據(jù)時間片N的輸入算出的控制信號要在下一個時間片N+1才產(chǎn)生作用，因此我們用Reg(N+1)表示時間

39、片N時的調節(jié)器輸出，依此類推。 所謂ANN電爐/精煉爐仿真，就是用ANN來模擬實際的電爐/精煉爐的動態(tài)響應。 即根據(jù)時間片N的輸入信號和電爐/精煉爐的輸出（時間片N+1的爐況）來訓練ANN，使得ANN的輸出逼近電爐/精煉爐的輸出。對大量樣本的學習將使得ANN仿真器精確模擬電爐/精煉爐的特性，從而在控制過程中可以提前預測控制信號對電爐/精煉爐的控制效果，控制器根據(jù)ANN仿真器的預測信息來優(yōu)化控制信號及控制參數(shù)（權值）。決定N+1時間片電爐/精煉爐的爐況的因素有：1）當前時間片N和前面幾個時間片的爐況及相應的調節(jié)器輸出；2）隨機干擾（如加料）；3）有規(guī)律的干擾（如爐底吹氬）。 ANN電爐/精煉爐仿

40、真器可以學習電爐/精煉爐對因素1和3的響應特性。因為因素1是明確的輸入信號，因素3盡管不是明確的輸入，但它有規(guī)律的作用還是很容易被ANN仿真器識別并逼近的。而如果輸入信號能反映出隨機干擾的跡象，ANN仿真器也能提前作出預測。 l ANN爐況仿真器l ANN調節(jié)器 ANN仿真器和ANN調節(jié)器均采用BP網(wǎng)絡（多層前饋網(wǎng)絡，學習算法采用BP（Back Propagation 反向傳播）算法，故得此名）。 ANN調節(jié)器ANN調節(jié)器分為：l ANN離線調節(jié)器l ANN在線調節(jié)器 ANNANN離線調節(jié)器離線調節(jié)器的原理如右圖所示。圖中的變量SP代表設定點，其它變量的含義如上所述。 需要注意的是，SP(N)

41、表示的是電流設定點模塊在時間片N給出的設定點，它指示的則是下一個時間片N+1要達到的電流值，因此，SP(N)是下一個時間片爐況的理想值。這一點，對于ANN調節(jié)器在線學習的實現(xiàn)是極為重要的。ErrorReg(N+1)Reg(N+1)Reg(N),Reg(N-1),S(N),S(N-1),SP(N) PID調節(jié)器 ANN調節(jié)器ANN離線調節(jié)器原理離線調節(jié)器原理 該網(wǎng)絡用來模擬原有調節(jié)器的響應特性。在系統(tǒng)投入運行前，為該網(wǎng)絡給出調節(jié)器輸出和爐況的歷史數(shù)據(jù)，以及時間片N的設定點值，用這些量作為網(wǎng)絡輸入來訓練該網(wǎng)絡，使其與現(xiàn)有電極調節(jié)系統(tǒng)的響應情況相一致。這是一種安全措施，保證神經(jīng)元網(wǎng)絡一開始就能輸出合

42、理的控制信號。在線運行時，其權值可通過在線學習機制進行實時優(yōu)化。 ANNANN在線調節(jié)器在線調節(jié)器的原理如右圖所示。它由ANN仿真器和ANN調節(jié)器組合而成的網(wǎng)絡實現(xiàn)的。 如圖所示，ANN調節(jié)器產(chǎn)生的控制輸出Reg(N+1)作用于ANN電爐/精煉爐仿真器，使其輸出控制效果新的爐況預測值S(N+1)，S(N+1)與設定點SP(N)相比產(chǎn)生的誤差就可用作修改ANN調節(jié)器權值的準則。 這樣做的前提是：ANN電爐/精煉爐仿真器已達到足夠的精度，它輸出的爐況預測值S(N+1)與Reg(N+1)作用于實際的電爐/精煉爐所可能產(chǎn)生的輸出基本一致。ANN電爐/精煉爐仿真器的預測精度對ANN調節(jié)器的在線訓練質量有

43、關鍵影響。ANN電爐/精煉爐仿真器的不精確將直接導致訓練誤差的不精確甚至不正確，從而導致ANN調節(jié)器越訓練越壞。因此，在每個時間片內，都要先保證ANN電爐/精煉爐仿真器的在線訓練滿足精度要求，再訓練ANN調節(jié)器。如果在整個時間片內，ANN電爐/精煉爐仿真器都未能達到精度要求，那么就不進行ANN調節(jié)器的在線訓練。換言之，保持ANN調節(jié)器的權值。一般情況下，保持ANN調節(jié)器的權值同樣能得到比較理想的控制結果。因為，ErrorErrorS(N+1)S(N+1)Reg(N+1)Reg(N),Reg(N-1),S(N),S(N-1) ANN調節(jié)器ANN在線調節(jié)器原理圖在線調節(jié)器原理圖SP(N)ANN電爐

44、/精煉爐SP(N)ANN調節(jié)器在離線訓練已達到了很高的精度。即使因為爐況的異常造成了控制結果的無效，模塊本身的PID保駕和綜合控制輸出也會采取補救措施，確保系統(tǒng)的安全與可靠。智能調節(jié)器系統(tǒng)模塊結構如右圖所示。信號預處理控制信號設定點現(xiàn) 場信號設定點優(yōu)化ANN控制器PID保駕綜 合 輸出判斷智能調節(jié)器控制系統(tǒng)模塊結構圖智能調節(jié)器控制系統(tǒng)模塊結構圖 為了保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，我們加入部分參數(shù)可變PID算法與ANN控制器并行運行，一旦ANN控制器出現(xiàn)不可用的情況，就調用PID算法進行保駕。 ANN調節(jié)器會因為ANN仿真器的預測錯誤而產(chǎn)生錯誤的電極升降控制信號。實際的控制信號與理想的控制信號之間的巨

45、大差距將使二次二次電流與設定點之間的差距拉大，進而引起二次電流的劇烈振蕩，如果振蕩持續(xù)時間過長，就可認為ANN控制器已不能靠自身的調節(jié)脫離振蕩，在這種情況下，就要調用PID算法來保駕了。等PID的控制使二次電流穩(wěn)定后，再啟用ANN控制器。 有些異常情況下，需要快速作出反應，例如電流過負荷、短路保護等。這些情況，可以根據(jù)爐況信號簡單地判斷出來，控制方式則也要求簡單快速，只需以最快的速度升降電極，而不必經(jīng)過復雜的ANN算法。完整的智能調節(jié)器智能調節(jié)器工作流程如右圖所示。YesYes正常處理 異常？點 弧 結束ANN-OK ANN計算，學習置ANN有效狀態(tài) 結束YesNO PIDNO PID智能調節(jié)

46、器工作流程智能調節(jié)器工作流程綜合輸出判斷 置PID有效狀態(tài)在現(xiàn)場調試階段，我們結合了ANN仿真器的預測控制和PID簡單可靠的特點，嘗試開發(fā)了智能智能PIDPID算法（見右圖）。該算法的原理圖如下：首先，在時間片N內，程序接收到新的數(shù)據(jù)后，先進行ANN仿真器的在線學習。然后，啟動PID算法，得到控制信號U(N+1)， U(N+1)并不馬上送出，而是經(jīng)過一個微調環(huán)節(jié)。微調環(huán)節(jié)把U送入ANN仿E(N)ET (N+1)SP(N)IT (N+1) 其它輸入最優(yōu)U(N+1)UT(N+1)U(N+1)SP(N)I(N)PIDU微調ANN仿真器智能智能PID原理圖原理圖真器，使之得到一個預測電流I(N+1)，

47、I(N+1)與電流設定點SP(N)形成誤差E(N+1)，E(N+1)返回用于調整U(N+1)，如此循環(huán)，直到E(N+1)滿足給定精度或微調次數(shù)已至上限。 根據(jù)E(N+1)微調U(N+1)的公式為：UT+1(N+1) UT(N+1)KUET (N+1) KU0，T：微調次數(shù)KU為微調系數(shù)，可根據(jù)控制效果調整取值。KU不可取得太大，以便保證微調算法的收斂性。 可以看出，智能PID算法的工作原理和ANN控制器有相似之處：利用ANN仿真器預測控制效果，根據(jù)預測調整控制量，最后再將預測控制效果最好的控制量送出。但不同之處也是顯而易見的。主要的不同點有：l ANN調節(jié)器通過在線學習可以不斷改變控制參數(shù)（權

48、值），而智能PID調節(jié)器不改變PID算法的參數(shù)，而只是對PID給出的控制量進行微調。這樣一來，智能PID不能像ANN逐漸優(yōu)化控制參數(shù)，但也不會把由ANN仿真器錯誤預測引起的不良影響帶入下一時間片的PID計算中。l 智能PID調節(jié)器對控制量U的微調方法是簡單的比例調節(jié)，并且是三相分離進行的。而ANN調節(jié)器則是根據(jù)BP算法進行的梯度調節(jié)，考慮“三相敏感性”，綜合調節(jié)三相控制信號。智能PID只是PID的改進，而ANN調節(jié)器與PID相比，則有質的變化l由于少了一個ANN，并且微調算法極為簡單，智能PID執(zhí)行一次控制的時間要比ANN控制器少的多，從而可以留出更多的時間供ANN仿真器進行在線學習，以達到更

49、高的預測精度。智能PID在現(xiàn)場試運行，也取得了較好的效果。 LF電極加熱，其有功功率部分的有功電能（電表讀數(shù)），完成如下幾個方面的能量供給： 鋼水升溫或保溫（在一定生產(chǎn)工藝條件下，其所需能量不變 ）； 渣料和合金料加熱（在一定生產(chǎn)工藝條件下，其所需能量不變 ）； 鋼包散熱（在一定生產(chǎn)工藝條件下，其所需能量不變 ）； 爐蓋（及冷卻水）散熱（在一定生產(chǎn)工藝條件下，其所需能量不變 ）； 廢氣（底吹氬）散熱（在一定生產(chǎn)工藝條件下，其所需能量不變 ）； 二次短網(wǎng)發(fā)熱/散熱（其值可變項）。 在上述 項中， 項不是不是電極調節(jié)器所能節(jié)省的。也就是說，依據(jù)能量守恒定律，只能第項有節(jié)省的空間。由此，如何減少二次

50、短網(wǎng)發(fā)熱量是電極調節(jié)器需要優(yōu)化解決的問題，這個問題牽涉到實際二次短網(wǎng)參數(shù)、實際功率圓圖及實際生產(chǎn)的操作制度?；」β驶」β剩?）+短網(wǎng)熱損耗短網(wǎng)熱損耗（）= 有功功率有功功率。 一方面，弧流控制穩(wěn)定性對節(jié)電的貢獻：如果在埋弧、設定點遠小于拐點（最大弧功率時的設定電流）的前提下，其貢獻十分有限（見后面說明），但對電極耐材及爐蓋消耗的降低更為有效。也就是說，如何依據(jù)實際二次短網(wǎng)參數(shù)、變壓器銘牌表，并依據(jù)冶煉不同階段冶煉不同階段來約定相匹配的設定電流（計算實際的功率圓圖）相匹配的設定電流（計算實際的功率圓圖），是調節(jié)器節(jié)電的最大空間（下頁描述），其價值遠大于單靠弧流穩(wěn)定性的提高其價值遠大于單靠弧流穩(wěn)定

51、性的提高（由于執(zhí)行機構的延遲執(zhí)行機構的延遲、底攪拌等復雜因素，弧流穩(wěn)定性的提高是有限度的）。 另一方面， 項牽涉到用電效率問題：在滿足工藝前提下（鋼水一定的升溫速度或保溫）選擇合適的弧功率、同時盡量減小短網(wǎng)熱損耗。這時，需要解決兩個選項： 如何制定每個電壓檔位下的設定電流（弧流）？這是本智能調節(jié)器可以解決的問題，也就是依據(jù)實際獲得的二次短網(wǎng)參數(shù)及相應的功率圓圖來制定優(yōu)化值。舉個例子：如右圖所示，對于特定的變壓器銘牌（15MVA,33280A）及短網(wǎng)參數(shù)（0.5+j2.4m），在10檔電壓（189V）下，最大的設定電流不能超過28740A（圖中44511為短路電流），具體見EXCEL文件分析。

52、依據(jù)當前爐況，如何選擇當前的電壓及電流檔位？本智能調節(jié)器可以給出功率優(yōu)化表：在不同的電壓檔下，給出3組或以上的設定電流，且給出對應的升溫速度（保溫時的升溫速度為0）、功率因數(shù)、有功功率及弧功率、弧長（埋弧操作提示參數(shù)）等各種參數(shù)，這樣操作工可以依據(jù)此表格做出當前正確的選擇。如果系統(tǒng)有LF二級系統(tǒng)，則功率設定模型自動選擇當前的電壓檔位及電流檔位。287406.08Cos=0.78Larc=35mm 但是，針對LF/EAF節(jié)能降耗，最為重要一點是：如何盡量減少人為（用電）操作的隨意性（完全靠人工經(jīng)驗判斷鋼水溫度，進而確定停電及鋼水溫度的測量時間點，這本身就不是很科學的辦法），這是一個既涉及技術又關

53、乎生產(chǎn)管理的綜合課題。對于不同的爐次（鋼種）、不同的爐況及不同的生產(chǎn)節(jié)奏，做到化渣、升溫及保溫等各個階段的操作恰到好處、避免加熱過度操作恰到好處、避免加熱過度，也就是減少過度加熱所帶來的能量損耗，這不是一個簡單的問題，需要綜合考慮：一方面從技術上入手（研究技術上入手（研究），另一方面更要從管理制度上深入（加強）管理制度上深入（加強）。本資料介紹的只是依據(jù)實際的設備參數(shù)（變壓器銘牌及二次短網(wǎng)），制定出每個電壓檔位下所對應的合理電流設定范圍。但是，在實際應用中，如何選擇、特別是加熱時間的長短等如何確定，則是一個綜合性命題了、已經(jīng)超出了智能電極調節(jié)器本身的范圍（比如，涉及到鋼水溫度自動預報等二級模型的技術課題）。 關于弧流穩(wěn)定性對電耗影響的討論 實現(xiàn)節(jié)能是電極調節(jié)器最重要的目標之一。就電極調節(jié)器技術層面而言，如何實現(xiàn)節(jié)能？或許有一種觀點認為：僅僅通過提高弧流的穩(wěn)定性即可。本文認為這種觀點有待商榷，或者說不夠全面。誠然，弧流穩(wěn)定性的提高對系統(tǒng)有諸多的好處，但就節(jié)電而言，它僅僅有間接的貢獻，