电弧熔炼炉数据采集系统改造研究.pdf

电工材料 2023 No.4李镇鹏等：电弧熔炼炉数据采集系统改造研究电弧熔炼炉数据采集系统改造研究李镇鹏，颜君波，刘思尧，袁有明（桂林金格电工电子材料科技有限公司，广西桂林 541004）摘要：电弧熔炼炉是一种对金属材料或合金材料进行熔炼提纯的关键设备。通过对欧洲进口的老旧电弧熔炼炉的电气系统进行研究分析，采用服务器、信号隔离器、交换机、PLC等电气部件对该电弧熔炼炉的电路进行了优化升级，解决了无法对老旧设备的熔炼工艺参数进行实时远程监控及数据分析的问题，实现了设备的数字化升级改造，完善了设备的自动控制功能。关键词：电弧熔炼炉；数据采集；系统；改造中图分类号：TG146 DOI：10.16786/ki.1671-8887.eem.2023.04.001Upgrade of the Data Acquisition System of the Arc Melting FurnaceLI Zhenpeng,YAN Junbo,LIU Siyao,YUAN Youming(Guilin Coninst Electrical&Electronic Material Co.,Ltd.,Guangxi Guilin 541004,China)Abstract:Arc melting furnace is a key equipment for smelting and purifying metal or alloy materials.In this paper,we analyzed the electrical system of the old arc melting furnace imported from Europe,upgraded the electric circuit by using electric components including the server,signal isolator,exchanger and PLC,etc.Thus the real-time remote monitoring and data analysis of the smelting process parameters of the old equipment was realized,the digital upgrade was accomplished and the automatic control function was improved.Key words:arc melting furnace;data acquisition;system;upgrade0引言电弧熔炼炉是一种对金属材料或合金材料进行熔炼提纯的关键设备，其工艺控制参数、控制精度对产品质量的影响非常大。随着各种新材料在输配电、航天航空、核电站、新能源等高精尖领域的广泛应用，用户对新材料的质量水平也提出了更高的要求。本项目改造的老旧电弧熔炼炉为从欧洲进口的设备，其自动控制系统由西门子 S5系列 PLC构成，该PLC控制器只参与设备的逻辑控制，未涉及数据信息采集；而整套设备最核心的电压短路控制及熔滴短路控制单元则使用分立模拟电路系统，汇聚了整个熔炼过程中的PID系统控制，对外部电路提供模拟电压信号；数据采集模块则使用单机纸质电子记录仪，不便于重要工艺参数的数据汇总和计算分析。由于市场对产品品质要求的提高，客户对工艺参数记录及分析要求增加，工艺技术人员需要更加精准而便捷的数据监控及处理工具，设备的SCADA数据采集与监视控制系统改造势在必行。针对上述问题，本研究设计了一种基于西门子WinCC数据采集软件的电弧熔炼炉数据监控系统，利用S7-1200系列PLC进行现场数据采集与控制，通过硬件系统及软件系统的设计，实现了对设备的熔炼工艺参数进行实时远程监控及数据分析。1系统原理分析1.1设备数据采集需求分析电弧熔炼炉电气系统的数据处理主要涉及熔炼电压、电流、真空度及电极杆长度计算等方面。电气系统由电压及熔滴短路控制单元、真空计、伺服编码系统及电子记录仪构成，如图1所示。作者简介：李镇鹏（1983-），男（汉族），江西萍乡人，高级工程师，主要从事合金材料技术及管理工作。收稿日期：2022-03-181电工材料 2023 No.4李镇鹏等：电弧熔炼炉数据采集系统改造研究电压及熔滴短路控制单元：该控制单元由分立元件构成，负责采集熔炼过程中的电压及电流信号，转化成DC 010 V模拟量直流电压信号输出提供给电子记录仪。真空计：外接独立的真空硅管，负责采集熔炼过程中的真空度信号，转化成DC 010 V模拟量直流电压信号输出提供给电子记录仪。伺服编码系统：该系统由丝杆、伺服电机及编码器构成，负责采集熔炼过程中的电极杆行程信号，转化成DC 010 V模拟量直流电压信号输出提供给纸质记录仪。1.2设备数据采集系统原理分析电弧熔炼炉数据采集系统工作原理如图 2 所示，电压及熔滴短路控制单元、真空计及伺服编码系统输出的模拟量电压信号通过一进二出信号隔离器进行对应输出，输出端分别提供给电子记录仪和西门子 S7-1200PLC 上的模拟量采集模块，再通过S7-1200PLC的S7协议通讯把采集到的数据提供给数据处理服务器，并在上位机显示器上显示熔炼过程中的工艺参数曲线。同时，通过对熔炼参数的上下限值的设计，可以实现在熔炼过程中当系统实时数据超出设定值时通过PLC直接控制电弧熔炼炉启停。WinCC数据处理服务器给工艺技术人员提供了数据采集分析处理的工具，便于评估分析每一根铸锭的熔炼品质。2电弧熔炼炉数据采集系统设计2.1采集系统硬件电弧熔炼炉数据采集系统的硬件部分主要由PLC、显示器、服务器、信号隔离器、交换机等部件组成。PLC选用西门子S7-1200系列；显示器选用优派29英寸21 9超宽屏，便于显示采集信号的全部信息；服务器采用浪潮英信NF5270M5服务器，主频2.2 G，单条32 G内存，8 TB存储空间，性能优越满足数据采集系统软件的使用要求；信号隔离器主要选用一进二出型，便于把电弧熔炼炉上的模拟量信号分别隔离输出到PLC及纸质记录仪模块；交换机选用环网型交换机，确保一条网络出现故障时系统不受影响。数据采集系统结构如图3所示。2.2WinCC数据采集软件视窗控制中心（WinCC）是一款生产过程中的数据采集与监控系统软件，具有良好的开放性和灵活性。它支持大范围的组态可能性，从单用户系统和客户机/服务器系统一直到具有多台服务器的冗余分布式系统；其提供了OLE、DDE、ActiveX、OPC服务器和客户机等接口或控件，可以很方便地与其他应用程序交换数据；还可编写 ANSI-C 和 Visual Basic脚本语言，通过完整和丰富的编程系统实现了双向的开放性。由于WinCC实现了标准化接口，它可与其他IT解决方案交换数据，这超越了自动控制的过程，将范围扩展到工厂监控级，为公司管理制造执行系统（MES）和企业资源计划（ERP）提供管理数据。因此，本项目采用 WinCC 作为数据采集软件。2.3数据采集系统设计电弧熔炼炉数据采集系统的软件设计主要是图2数据采集系统工作原理图3数据采集系统结构图1电弧熔炼炉电气系统（下转第06页）2电工材料 2023 No.4朱亚哲等：高压直流继电器基本介绍及触点分析2结论（1）高压直流继电器因独特的结构和灭弧系统，具备很强的短路分断能力和安全保护功能，广泛应用于新能源汽车和充电桩领域。（2）高压直流继电器需进行极限分断能力和短路耐受能力等极端试验测试，同时还需要保持低的接触电阻。（3）DC 750 V、250 A高压直流继电器动、静触点属于同一种材料，触点材料的金相组织均匀，主要元素为Cu，剩余添加元素Te，含量约为0.3%。参考文献：1 李权,丁敏,吴爱萍,等.铜基电磁开关触头材料的抗熔焊性能J.中国有色金属学报,2013,23(8):8.2 彭杨茗,刘爽,肖寒,等.电动汽车用高压直流继电器选型与匹配C.中国汽车工程学会年会论文集,2021.3 张朝权.浅析高压直流继电器灭弧系统J.电子元器件与信息技术,2020,4(1):3.图6动触点30倍能谱图7静触点30倍能谱PLC程序设计和WinCC页面组态设计。PLC主程序主要包括系统参数初始化，读取设备启动信号，熔炼关键工艺参数信号采集设计。PLC主程序流程如图4所示。WinCC的组态设计主要是人机交互的界面，设计当前熔炼关键工艺参数的曲线显示。此外，需要设计能够实现上位机控制电弧熔炼炉设备的运行及停止，便于远程监控，同时，还需要设计工艺参数配方库，操作者可以根据不同材料及规格的产品设置相应的生产阈值，实现熔炼过程的工艺参数异常的自动控制，降低操作者的操作难度及技术要求，确保生产工艺的稳定性。3结束语通过电弧熔炼炉数据采集与监视控制系统的设计并实际应用，实现了对设备的熔炼工艺参数的数据采集和实时远程监控，为工艺技术人员进行产品质量分析提供了有效的数据支持。通过改造，设备还实现了电弧熔炼炉整个生产过程的自动化控制，确保了产品质量的稳定性。参考文献：1 杨永维,陈今润,纪亚芳.基于PLC的真空自耗电弧炉控制系统J.自动化技术与应用,2008,27(5):4.2 邹伟,高颀.真空自耗电弧炉电控系统的改造设计与实现J.自动化仪表,2010(4):4.3 邹武装.真空自耗电弧炉控制系统设计及实现J.现代电子技术,2011,34(18):3.4 杨永维,陈今润,熊炜,等.基于Profibus的真空自耗电弧炉控制系统J.计算机测量与控制,2008,16(11):1596-1599.图4PLC主程序流程（上接第02页）6