一种新型电弧炉控制装置的设计

范巍 王光磊 王立春 孟会永 张普红

摘要：目前，电弧炉炼钢方式已普遍应用于各类钢厂。实际中电弧炉控制器与SVC设备不能直接通讯，且各自独立控制。本文设计了一种新型电弧炉控制装置，能够与SVC直接通讯，含自行设计的高速控制单元，内嵌各种协议。该装置成功应用于辽宁荣信兴业电力技术有限公司SVC产品中，并达到高速场合的设计要求。

关键词：电弧炉；直接通讯；高速运算；SVC

中图分类号：TM924 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）07-0019-03

目前，钢厂普遍利用电弧能量熔炼金属，主要是通过电弧炉的电极升降调节器实现的，通常存在以下问题：第一，SVC补偿装置控制器利用采集的电弧炉工作电压电流信号及部分现场的电弧炉电流信号，计算出所需无功补偿功率。而这种做法虽然电压波动得到抑制，但电压闪变改善效果不明显，甚至出现电压放大现象，有些特殊现场（高速、灵敏、低成本或安全性等）指标甚至也难以达到电网电能质量的要求。第二，电弧炉控制器一般采用PLC控制，而PLC一般内嵌的是标准协议如：DP、MODBUS等，并不能与SVC设备直接通讯，致使SVC设备与电弧炉的控制系统各自采用独立控制，且PLC计算速度较慢，往往不适用与高速要求的场合。

1 技术方案

为解决上述两点问题，本文设计了一款新型电弧炉控制装置，能够与SVC控制系统直接通讯，补偿无功同时也可抑制电压闪变，还适用于特殊场合需求。电弧炉控制装置结构图如图1所示。

高速控制单元的CPU模块电路结构图如图2所示，其主控DSP芯片、CPLD芯片和FPGA芯片端口互相连接，进行高速运算和控制，同时主控DSP芯片、CPLD芯片还通过总线接口芯片连接背板总线，通过背板总线与通讯模块、AI/AO模块和DI/DO模块进行数据交互。74LVC4245、MAX3378E、SN65HVD230为总线接口芯片，J2为背板总线接口，ROM和RAM芯片均与主控DSP芯片相连接，同时RAM芯片还与FPGA芯片相连接。

1.1 通讯模块

通讯模块的以太网接口通过网络交换机分别与外部的SVC装置、PLC和工控机进行通讯连接。通讯模块电路结构图如图3所示，其中一个FPGA芯片与背板总线连接，通过背板总线与CPU模块进行数据交互，另一个FPGA芯片分别连接以太网接口芯片、485/232驱动芯片和CF卡，以太网接口芯片连接以太网接口，485/232驱动芯片连接多个485/232通讯接口。BLVDS为背板总线接口。

1.2 信息输入输出模块

（1）模拟量输入输出模块。第一AI/AO模块通过输入信号转换单元接收电弧炉的弧压信号、弧流信号、系统母线电压和油压反馈信号，第二AI/AO模块通过输出信号转换单元输出电弧炉电极升降比例阀控制信号。AI/AO模块电路结构图如图4所示。

（2）数字量输入输出模块。第一DI/DO模块和第二DI/DO模块，其中，第一DI/DO模块的DI接口连接开关量输入隔离单元，接收电弧炉的电极限位、合闸信号、炉变及电抗器状态信号；第二DI/DO模块的DO接口连接开关量输出隔离单元，用于控制电弧炉的炉变档位信号和跳闸及事故报警信号。DI/DO模块电路结构图如图5所示。

1.3 上位机系统

本文中系统所使用的上位机是荣信兴业电力技术有限公司自主设计的，具有人机界面友好等特点。新型电弧炉调节器搭建的主接线图如图6所示，也加入了炉变参数、电抗器参数、冶炼参数等设定，即采用多种方式来采集、显示、分析数据及控制过程。

2 技术优势

与常规PLC控制器相比较，本文设计新型装置有如下优势：（1）运算速度快。CPU单元采用高速DSP芯片+CPLD芯片+FPGA芯片，能够内嵌各种协议，真正实现直接通讯，进而提高的整个系统的运算速度，方便了数据交互。（2）同步通讯及反应灵敏。可与现有SVC控制系统进行通讯，实现无功功率预测补偿。（3）兼容性好。可与PLC实现通讯，以最少的更换量替代现场运行的电弧炉控制系统。

3 结语

该新型电弧炉控制装置已与辽宁荣信生产的无功补偿设备进行了深度融合，采用光通讯方式直接与无功补偿设备进行协调控制，真正实现高速互联通讯，并对无功功率预测补偿，尤其对炼钢过程中可能造成电能质量恶化的阶段进行控制，有效抑制电弧炉闪变，从源头上进行电能质量的预防治理。

参考文献

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