Информационная система контроля электроэнергетических процессов в электропечах на основе свойств электрической дуги

УДК 681.518.2

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕКТРОПЕЧАХ НА ОСНОВЕ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ

А.В. Лукашенков, А.Н. Грачев, А. А. Фомичев

Рассматривается моделирование электроэнергетических процессов в элек-тродуговых печах, приводится методика получения информации о скрытых внутренних параметрах, анализируются контролируемые параметры, описывается структура информационной системы.

Ключевые слова: математическое моделирование, схемные модели, оперативный контроль, параметрическая идентификация, электродуговые печи.

Основной задачей управления электротехнологическим режимом электродуговых печей переменного тока (ЭДП) является обеспечение необходимого распределения полезной мощности по электродам и недоступным для непосредственного контроля зонам токопроводящей среды печи и поддержание ее на заданных уровнях. В этом случае обеспечивается высокий электрический и тепловой к.п.д., а также высокие техникоэкономические показатели процесса.

Из-за недостаточного, в настоящее время, информационного обеспечения ЭДП качество управления электроэнергетическими процессами не всегда обеспечивается на должном уровне. Для достижений целей управления оператором печи используется информация только о действующих значениях рабочих токов и напряжений, получаемая со щитовых приборов. Оператору необходимо одновременно контролировать показания целого ряда приборов, осуществлять оценку текущего состояния и реализовывать управляющие воздействия (перемещение электродов и переключение ступеней питающего трансформатора) в соответствии с полученной информацией. При этом не могут быть даны четкие инструкции, которые указывали бы однозначные решения в зависимости от множества реальных ситуаций. Поэтому технико-экономические показатели процессов в ЭДП имеют значительный разброс и во многом определяются опытом и искусством оператора [1].

Решением существующей проблемы управления ЭДП может служить создание информационной системы, осуществляющей текущий автоматизированный контроль недоступных параметров электроэнергетического режима, позволяющей без вмешательства в технологический процесс, в режиме нормальной эксплуатации, проводить текущую оценку полезной мощности каждого электрода, идентификацию внутренних электроэнергетических параметров зон токопроводящей среды печи, определение величины и распределения мощности по зонам. Реализация данной

107

информационной системы на базе современной ЭВМ позволяет представлять информацию о текущем состоянии ЭДП в удобном для оператора виде или перейти на качественно новый уровень автоматического управления. Однако для создания таких систем необходима разработка методов получения информации о внутренних электроэнергетических параметрах и переменных недоступных для непосредственного контроля зон токопроводящей среды ЭДП в процессе нормальной работы.

Схемные модели токопроводящей среды. Для решения задач получения оперативной информации о текущем состоянии внутренних электроэнергетических параметров, анализа мощности в недоступных для прямого контроля зонах токопроводящей среды адекватной формой представления моделей электроэнергетических процессов в электропечах является схемная форма. При этом, для решения задач контроля и управления электроэнергетическими процессами, оказывается естественным и эффективным представление таких процессов в виде схемных моделей (СМ) - схем замещения, эквивалентных схем, образованных соединением простейших двухполюсных элементов - резистивных статических и реактивных динамических, как линейных, так и нелинейных. Отдельные элементы соответствуют определенным зонам токопроводящей среды, а параметры элементов характеризуют свойства зон.

Такие модели отражают текущие эксплуатационные параметры электроэнергетического и технологического режима, имеют ясный физический и энергетический смысл, несут информацию о степени его эффективности и рациональности, дают возможность выбирать стратегию управления объектом с целью обеспечения рационального режима. Построение схемных моделей проводится на основе зонного строения и анализа путей протекания тока в ванне электропечи [2]. Электрические параметры и характеристики элементов схемных моделей отражают свойства подэлектродных зон, они связаны непосредственно с физическими, химическими, технологическими и другими процессами протекающими в печи, а структура модели отражает взаимодействие между внутренними процессами и переменными, характеризующими его внутреннее состояние.

Схемные модели токопроводящей подэлектродной среды типовых электротехнологических процессов в электродуговых печах представляют собой сочетание различных соединений сопротивлений расплава Яр, шихты Яш, электрической дуги Яд и индуктивностей электрода Ьэ и дуги Ьд

(рис. 1). Сопротивления расплава, шихты и индуктивность цепи электрода являются линейными, а электрическая дуга является нелинейным элементом, и тем самым обусловливает нелинейность всей схемной модели подэ-лектродной токопроводящей среды. Кроме того, дуга обладает динамическими свойствами, которые моделируются индуктивностью дуги.

Рис. 1. Схемная модель токопроводящей подэлектродной среды для анализа электроэнергетических процессов в дуговой печи

Нелинейность дуги приводит к несинусоидальности токов и напряжений на электродах, к расширению их спектрального состава. Линейные и нелинейные элементы среды проявляют свои свойства как в форме периодических функций мгновенных значений тока 1э (?) и напряжения иэ (?) на электродах, в соотношении их спектральных составляющих, так и в форме, особенностях и параметрах динамических ВАХ (ДВАХ) цепей электродов, что дает принципиальную возможность идентификации параметров и характеристиках зон токопроводящей среды электропечи. На основе измеряемых мгновенных значений периодических несинусоидальных сигналов переменного рабочего тока 1э (?) = 1э (? + Т) и напряжения электрода иэ (?) = иэ (? + Т) необходимо получить информацию о внутренних параметрах и характеристиках зон токопроводящей среды Яд, Яш, Яр, Ьэ, Ьд и об активных и реактивных мощностях, выделяющихся в этих зонах.

Методика получения информации об электроэнергетических параметрах зон. Внешним проявлением электрических свойств внутренних токопроводящих подэлектродных зон и их характеристик являются периодические сигналы колебаний тока и напряжения электрода как функции времени, их форма и спектральный состав, особенности и параметры динамических ВАХ цепей электродов. Это позволяет использовать сигналы и спектральные составляющие тока и напряжения в качестве источника информации при идентификации нелинейных схемных моделей.

Так ширина петли гистерезиса по напряжению динамической ВАХ цепи электрода (ДВАХэ) при фиксированных значениях тока в окрестности начала координат (рис. 2), пока не возник ток дуги, и дуга ещё не го-

109

рит, несет информацию о величине индуктивности электрода Ьэ. В результате индуктивность электрода может быть рассчитана на основе экспериментально полученной ДВАХэ:

\и.

и.

di+ di~3 dt dt

Аиэ / Аіз

где иэ , гэ , иэ , гэ - сигналы напряжения и тока в начале координат динамической ВАХ при возрастании и убывании тока соответственно.

Рис. 2. Динамические ВАХ зон подэлектродной токопроводящей среды

При работе с экспериментальными данными для уменьшения погрешности вычисления используется ряд значений напряжения при фиксированных n значениях тока в окрестности начала координат и на основе метода наименьших квадратов определяется соответствующая оценка величины индуктивности электрода

L = ¿

к=1 / к=1 После определения индуктивности в соответствии со схемной моделью (рис. 1) при известном сигнале тока электрода 1э (t) можно рассчитать падение напряжения на индуктивности, вычитая которое из общего напряжения электрода иэ (t) получим сигнал напряжения непосредственно на подэлектродной токопроводящей среде ванны, и соответственно на последовательном соединении дуга-расплав

идр

которое равно напряжению на сопротивлении шихты.

Пара сигналов: подэлектродное напряжение идр (t), полученное путем исключения напряжения индуктивности, и ток электрода (t) опреде-

ляют результирующую нелинейную динамическую ВАХ дуги с сопротивлениями расплава и шихты ДВАХдрш, которая показана на рис. 2. Эта

ДВАХ характеризует подэлектродную среду без индуктивности электрода, которая была исключена при переходе от напряжения электрода к напряжению на подэлектродной среде. Результирующая нелинейная ДВАХ имеет характерные наклоны на начальном участке до возникновения дуги и на конечном участке после ее зажигания: к и к2, которые, в соответствии со схемной моделью рис. 1, определяют величину сопротивлений расплава Яр и шихты Яш и могут быть использованы для их расчета.

С целью нахождения коэффициентов наклона &1 и &2 проводится кусочно-линейная аппроксимация ВАХ участка дуга-расплав (рис. 2). Коэффициент наклона начального участка характеристики до возникновения тока дуги определяет сопротивление шихты

Яш =*ь

а коэффициент наклона конечного участка после зажигания дуги равен сопротивлению параллельного соединения шихты и расплава независимо от вида ВАХ дуги и позволяет определить сопротивление расплава

Яр .

При известных сопротивлениях расплава и шихты из динамической ВАХ подэлектродной среды может быть выделена непосредственно динамическая ВАХ дуги (рис. 2) на основе предварительного определения сигналов тока /д (?) и напряжения ид (?) дуги (ДВАХд). Так для схемной модели (рис. 1) получим

ид

Индуктивность, отражающая гистерезис дуги, проявляет себя только при значительных токах электрода после возникновения дуги. В результате ДВАХ дуги с сопротивлениями расплава и шихты на начальном участке в окрестности начала координат однозначна, восходящая и нисходящая ветви сливаются и проходят обе через начало координат, а на конечном участке проявляется гистерезис дуги. Индуктивность дуги, определяется по ширине петли гистерезиса напряжения дуги при фиксированных значениях тока на участках неоднозначности по соотношению аналогичному (2).

Таким образом, предлагаемые алгоритмы позволяют получить на основе внешних сигналов мгновенных значений тока и напряжения электрода и его динамической нелинейной ВАХ необходимую информацию о внутренних электроэнергетических параметрах, недоступных для непосредственного контроля. Определяется величина сопротивлений внутренних подэлектродных зон, нелинейная вольтамперная характеристика дуги,

111

сигналы мгновенных значений токов и напряжений в зонах, индуктивность электрода и соответственно активные и реактивные мощности, выделяемые в каждой зоне и в дуге. Штатные средства контроля не позволяют получить такую информацию о внутренних электроэнергетических параметрах зон токопроводящей среды.

Реализация информационной системы. Информационная система контроля электроэнергетических процессов в трехэлектродных электропечах реализована с помощью пакета GENESIS32. Контролируемые параметры структурированы по степени углубления в технологический процесс, протекающий в электропечи. Самым верхнем уровнем этой структуры являются параметры, характеризующие печь в целом. Это активная и реактивная мощность выделяемая в печи.

На следующем, по степени детализации, уровне располагаются параметры, характеризующие работу каждого электрода. К этим параметрам относятся ступень напряжения трансформатора, высота расположения электрода, активная и реактивная мощность, мгновенное значение тока и напряжения, действующее значение тока и напряжения, активное и реактивное сопротивление электрода.

Следующий, по степени детализации, уровень образует группа параметров, которые характеризуют состояние дуги, шихты, расплава и индуктивности каждого из электродов. Функциональная структура информационной системы показана на рис. 3.

Подсистема ввода информации призвана регистрировать и производить первичную обработку информации о ходе технологического процесса в электропечи. Особенностью данной подсистемы является сравнительно небольшое число регистрируемых параметров. Все остальные параметры определяются путем моделирования технологического процесса и идентификации параметров этой модели.

Рис. 3. Функциональная структура информационной системы

112

Подсистема обработки информации предназначена для идентификации параметров схемных моделей и для вычисления параметров, которые недоступны непосредственному измерению. Вычисление производится на основании измеренных мгновенных значений токов и напряжений электродов электропечи. Основной выходной информацией подсистемы идентификации является распределение энергии электрода между шихтой, дугой и расплавом, ВАХ дуги, величина сопротивления шихты и расплава. Подсистема хранения информации обеспечивает хранение измеренных параметров.

Подсистема визуализации контролируемых параметров предназначена для выдачи и воспроизведения информации из подсистемы хранения, обработки, а также непосредственно из подсистемы ввода информации. Весь технологический процесс разбит по иерархическому принципу на шесть мнемосхем. Иерархия мнемосхем изображена на рис. 4.

Мнемосхема

электропечи

Мнемосхема Мнемосхема Мнемосхема

электрода 1 электрода 2 электрода 3

Параметры Параметры Параметры Параметры

дуги шихты расплава электрода

Рис. 4. Иерархия мнемосхем электропечи в подсистеме визуализации

Основной является мнемосхема электропечи, на которой отражаются главные интегральные параметры трех электродов: мощность, выделяемая на электроде и мощность, выделяемая в подэлектродных зонах: дуге, шихте и расплаве. Далее следует мнемосхема, на которой отображаются электроэнергетические параметры одного из трех электродов. Следующими, вниз по иерархии, являются мнемосхемы, отображающие параметры подэлектродных зон, дуги и индуктивности электрода.

Результаты работы.

С помощью разработанной информационной системы проводилась экспериментальная идентификация и контроль электроэнергетических параметров внутренних зон токопроводящей среды целого ряда промышлен-

ных электродуговых процессов: при выплавке ферросиликохрома (ФСХ 48) в руднотермической печи (РТП) типа РКЗ-33 Челябинского электрометаллургического комбината; при выплавке карбида хрома в РТП типа ОКБ-955Н и при выплавке феррованадия в электропечи ДС-6Н1 в АО "Ванадий-Тулачермет" г. Тула. Результаты обработки экспериментов показывают согласованность разработанных методов с существующими, подчеркивают их универсальность для различных типов процессов и справедливость для различного спектрального состава сигналов рабочих токов и напряжений, возможность применения для получения оперативной информации об электроэнергетических процессах в печи в ходе технологического процесса.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант № 13-07-00527.

Список литературы

1. Лукашенков А. В., Фомичев А. А. Mетоды идентификации нелинейных схемных моделей электродуговых процессов // Тула: Изд-во ТулГУ, 2004. 228 с.

2. Лукашенков А.В., Грачев А.Н., Фомичев А.А. Моделирование и идентификация электротермических процессов в физическом базисе для целей управления \\ Труды 52-й научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». Часть VII. Управление и прикладная математика. Том 1. М.: МФТИ, 2009. С. 105-107.

Лукашенков Анатолий Викторович, д-р техн. наук, проф., luav50@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Грачев Александр Николаевич, канд. техн. наук, доцент, luav50@,mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Фомичев Александр Александрович, д-р техн. наук, проф., luav50@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

SCADA OF ELECTRIC FURNACE POWER PROCESSES BASED ON ELECTRIC ARC

FEATURES

A. V. Lukashenkov, A.N. Grachev, A.A. Fomichev

Workflow simulation method of electric furnace power processes is considered, hidden parameters identification procedure is made, controlled data are analyzed, SCADA structure is described.

Key words: mathematical model, circuit models, on-line control, parametrical identification, arc furnaces.

Lukashenkov Anatoliy Viktorovich, doctor of technical science, professor, luav50@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Grachev Aleksandr Nikolaevich, candidate of technical science, docent, luav50@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Fomichev Aleksandr Aleksandrovich, doctor of technical science, professor, luav50@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 004.93’11

ПРИМЕНЕНИЕ ПРОЦЕДУРЫ ПАРНОГО ВЫРАВНИВАНИЯ ДЛЯ РАЗМЕТКИ СТЫКОВ НА УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОГРАММЕ РЕЛЬСОВОГО ПУТИ

А. А. Маленичев, В.В. Сулимова, О.В. Красоткина, В.В. Моттль,

А.А. Марков

Работа посвящена задаче автоматического анализа ультразвуковых дефек-тограмм рельсового пути, представленных в развертке типа В по нескольким каналам ультразвукового контроля. Актуальной проблемой в процессе автоматического анализа дефектограмм, облегчающей в дальнейшем локализацию и идентификацию дефектов, является предварительная разметка рельса на наличие естественных конструктивных отражателей, самыми распространенными из которых являются стыки. В работе данная подзадача решается на основе сравнения фрагментов исследуемой де-фектограммы с эталонным фрагментом, представляющим типовой стык. Для сравнения участков дефектограмм с эталоном используется специально разработанная мера несходства сигналов, основанная на парном выравнивании, и учитывающая особенности дефектограмм.

Ключевые слова: анализ ультразвуковых дефектограмм, сегментация сигналов, мера несходства, принцип парного выравнивания.

Для снижения вероятности возникновения аварийных ситуаций на железной дороге чрезвычайно важным является своевременное обнаружение и устранение дефектов рельсов железнодорожной системы.

В последние годы в железнодорожной отрасли активно внедряются мобильные средства контроля - дефектоскопы с регистраторами для поиска контактно-усталостных дефектов и обеспечения требуемого уровня безопасности движения поездов. Эти средства осуществляют регистрацию сигналов ультразвукового контроля на дефектограмме. Однако в настоящее время анализ дефектограмм производится специалистами вручную, вследствие чего имеет невысокую эффективность [18].

Регистрируемые дефектограммы, как правило, представляются в виде сигналов в координатной плоскости «время распространения ультразвуковых колебаний в рельсе - координата контролируемой нити