王致遠(yuǎn)，王雪冰

(1.西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，西安 710065；2.上海寶冶集團(tuán)有限公司，鄭州 450018)

0 引 言

當(dāng)今世界形勢風(fēng)云變幻，誰引領(lǐng)了先進(jìn)科技，誰就不會(huì)被時(shí)代所淘汰。航空航天技術(shù)水平往往最能反映一個(gè)國家的硬實(shí)力，而鈦和鈦合金是航空航天領(lǐng)域必不可少的材料。凝殼爐作為加工鈦和鈦合金的必備設(shè)備，已越來越多的受到了關(guān)注。這種設(shè)備從結(jié)構(gòu)上分為凝殼爐爐體和給其供電的電源兩大部分。鑄件質(zhì)量的好壞直接決定于凝殼爐電源的供電質(zhì)量。早期的凝殼爐采用交流供電，由于這種供電方式不安全、電弧穩(wěn)定性差，現(xiàn)在已退出了歷史的舞臺(tái)，凝殼爐的直流供電技術(shù)也成為了當(dāng)今裝備制造行業(yè)不斷研究的方向之一[1]。直流供電的諸多方案中，多脈波整流由于可輸出功率大、注入電網(wǎng)諧波量少等優(yōu)點(diǎn)脫穎而出，成為直流供電的不二之選，這就給凝殼爐用直流電源的控制系統(tǒng)提出了更高的要求，主要表現(xiàn)在高性能的電力電子觸發(fā)電路、出現(xiàn)故障時(shí)的快速保護(hù)、輸出的電流要足夠穩(wěn)定。

文中設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)將應(yīng)用于某重點(diǎn)攻關(guān)課題1.5 t凝殼爐，針對該凝殼爐實(shí)際工作過程中的均流問題、多路觸發(fā)、高精度控制等特點(diǎn)，文中提出了一種使用DSP與CPLD相結(jié)合對整個(gè)凝殼爐用直流電源進(jìn)行控制，PLC對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控的設(shè)計(jì)方案。

1 凝殼爐介紹

1.1 凝殼爐工作過程

在本系統(tǒng)中，自耗電極與坩堝為凝殼爐的主要結(jié)構(gòu)。其中，自耗電極接電源的負(fù)極，坩堝接電源的正極。系統(tǒng)投入運(yùn)行后，工作人員控制伺服系統(tǒng)使電極桿(自耗電極)下降，當(dāng)下降到一定距離時(shí)開始起弧，電極開始熔化，熔化的金屬變?yōu)橐后w流入坩堝中[2]。當(dāng)坩堝中液態(tài)的金屬達(dá)到一定量時(shí)，工作人員斷開電源，迅速傾轉(zhuǎn)坩堝將液態(tài)金屬倒進(jìn)鑄型中[3]。凝殼爐熔煉時(shí)間較短(一般為20mins)，一般會(huì)在完成一個(gè)鑄型澆鑄后，馬上開始下一個(gè)鑄型的澆鑄，所以每天需要多次的分閘與合閘。

1.2 凝殼爐電源特殊需求

(1)凝殼爐根據(jù)熔化不同的金屬量往往需要不同的輸出電流大小。凝殼爐用直流電源設(shè)置有熔速控制系統(tǒng)，其原理圖如圖1所示。首先工作人員根據(jù)金屬的加工量，設(shè)置合適的電流值，該值在閉環(huán)控制器的作用下，與凝殼爐的實(shí)際輸出電流值進(jìn)行比較，當(dāng)兩者的誤差在允許范圍內(nèi)時(shí)，完成PID算法，在這一過程中實(shí)際輸出電流值逐漸與給定電流值趨于一致。

圖1 熔速控制原理圖

(2)應(yīng)用電子觸發(fā)器，使得同一整流臂各并聯(lián)電力電子器件的觸發(fā)脈沖前沿上升率趨于一致，既要保證最大上升時(shí)間為0.2～0.3 μs，又要保證各并聯(lián)晶閘管的觸發(fā)脈沖前沿最大誤差時(shí)間小于0.2～0.3 μs，同時(shí)要采用強(qiáng)觸發(fā)措施，使得同一整流臂上并聯(lián)的晶閘管導(dǎo)通時(shí)間盡可能一致。

(3)均流問題。此類大功率電力電子變流設(shè)備難免要出現(xiàn)多個(gè)電力電子器件并聯(lián)或者多個(gè)模塊的并聯(lián)，不同的電力電子器件或者多個(gè)模塊要輸出盡可能相同的電流。

(4)故障保護(hù)要及時(shí)有效。此類電源運(yùn)行時(shí)輸出功率極大，如果出現(xiàn)了故障，如電流閉環(huán)調(diào)節(jié)失效，輸出電流值會(huì)不斷升高，會(huì)對人身安全造成嚴(yán)重的威脅；凝殼爐使用水冷卻的坩堝和電極桿可能因各種原因發(fā)生漏水，泄露出的水會(huì)在高溫下被電解產(chǎn)生大量氫氣和氧氣，氫氣在高溫下極容易發(fā)生爆炸造成重大事故。因此，電源的監(jiān)控與保護(hù)電路務(wù)必靈敏。

2 控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

本論文的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于1.5T凝殼爐直流供電系統(tǒng)。此供電系統(tǒng)選用多相整流技術(shù)，通過移相變壓器的移相，達(dá)到在一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)輸出多個(gè)電壓波頭的目的。由于供電系統(tǒng)輸出的電壓為24脈波，決定了此控制器具有輸出24路相位互差15°觸發(fā)脈沖的能力。還應(yīng)該看到，如此大功率的電力電子變流設(shè)備，一旦發(fā)生故障或者處于不正常的運(yùn)行狀態(tài)，無論對財(cái)產(chǎn)還是人身安全都是極大的威脅，所以系統(tǒng)的監(jiān)控與保護(hù)也要足夠靈敏。

在控制系統(tǒng)中，主控制器選用DSP+CPLD。DSP由于其具有超強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力以及可重復(fù)編程性，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)調(diào)節(jié)；CPLD的邏輯和存儲(chǔ)器資源豐富，負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)脈沖的分配。觸發(fā)脈沖選用雙窄脈沖，可確保晶閘管的可靠觸發(fā)。PLC單元完成整個(gè)電源系統(tǒng)的監(jiān)控與保護(hù)，可以實(shí)現(xiàn)合/分接觸器、封鎖/解鎖脈沖、本控/遠(yuǎn)控、合閘到位檢測、快熔熔斷檢測、水溫油溫過高報(bào)警、變壓器輕/重瓦斯報(bào)警等功能。PLC單元通過通訊模塊與觸摸屏與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，將電源的運(yùn)行狀況顯示在觸摸屏上，操作人員可以通過在觸摸屏上點(diǎn)擊來對整個(gè)電源進(jìn)行管理。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 PID控制器

系統(tǒng)的閉環(huán)控制離不開采樣調(diào)理電路。所謂采樣調(diào)理電路，是將模擬的給定與反饋信號(hào)，轉(zhuǎn)換為DSP可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。從大的方面來看，采樣調(diào)理電路可分為給定采樣調(diào)理電路與反饋采樣調(diào)理電路，分別如圖2中的(1)、(2)所示。給定信號(hào)通過外接電位器RP1與兩級(jí)比例調(diào)節(jié)，最終調(diào)理為DSP可以接受的0～2.5 V電壓；從電源直流輸出側(cè)采集到的0～5 V反饋信號(hào)IFY，經(jīng)過電位器RP2與兩級(jí)比例運(yùn)算的調(diào)節(jié)，輸入到DSP的接口。圖中，VD1和VD2，VD3和VD4均為鉗位二極管，它們保證了輸入DSP的電位不至于超過3.3 V，以防止燒壞DSP。

圖2 采樣調(diào)理電路

PID控制器可以通過式(1)做相關(guān)闡述說明。PID控制器根據(jù)給定值與實(shí)際輸出電流形成偏差，此偏差的比例、積分、微分通過線性組合構(gòu)成控制量。在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，只需要改變比例、積分、微分時(shí)間常數(shù)(式中的KP、Ti和Td)，即可達(dá)到對整個(gè)系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)特性的控制。相較于模擬式調(diào)節(jié)器，此PID控制器不需要停機(jī)更換電阻與電容。

3.2 同步信號(hào)生成電路

晶閘管應(yīng)在承受正向電壓時(shí)導(dǎo)通，同步信號(hào)生成電路的作用就是，給晶閘管提供一個(gè)導(dǎo)通的尺度，觸發(fā)脈沖將在這個(gè)尺度內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)[4]。圖3給出了同步信號(hào)生成電路的原理圖。圖中，ua、ub、uc為從三相電壓輸入端引出的三相電壓，這個(gè)電壓作為同步信號(hào)生成電路的輸入，經(jīng)過濾波、分壓、隔離后，形成六組電壓信號(hào)，這些信號(hào)最終輸入到CPLD的I/O口，由CPLD進(jìn)行計(jì)算后，生成最終的晶閘管參考同步電壓信號(hào)。

3.3 觸發(fā)脈沖形成單元

觸發(fā)脈沖的形成主要依靠DSP與CPLD配合完成。CPLD可根據(jù)DSP的閉環(huán)調(diào)節(jié)器輸出的電壓幅值大小確定出觸發(fā)脈沖的移相角度。這一過程可由U/f變換器完成，其原理圖如圖4所示。圖中，u0為閉環(huán)調(diào)節(jié)器輸出的電壓。電容C45經(jīng)+15 V電源和電阻R69、R68、R67進(jìn)行充電，當(dāng)充電電壓高于u0時(shí)，IC4C輸出低電平，電容C45經(jīng)R67、VD27以及IC4C的引腳14進(jìn)行放電；當(dāng)C45兩端電壓又低于u0時(shí)，比較器IC4C又輸出了高電平，C45又重新充電……如此周而復(fù)始，閉環(huán)調(diào)節(jié)器輸出的電壓就轉(zhuǎn)換為了與之成正比的頻率信號(hào)，當(dāng)閉環(huán)調(diào)節(jié)器輸出電壓低時(shí)，C45充電到大于該值的時(shí)間就短，U/f變換器輸出的頻率就高；反之，輸出頻率就低。由于同步電壓形成環(huán)節(jié)已經(jīng)保證了起始計(jì)數(shù)時(shí)刻剛好對準(zhǔn)相電壓交點(diǎn)的自然換相點(diǎn)，所以當(dāng)U/f輸出頻率升高時(shí)，相當(dāng)于輸出觸發(fā)脈沖左移；當(dāng)U/f輸出頻率降低時(shí)，相當(dāng)于輸出觸發(fā)脈沖右移。CPLD可通過軟件編程，把同步環(huán)節(jié)及移相環(huán)節(jié)進(jìn)行綜合，將這兩部分輸出的電壓及同步參考波形進(jìn)行疊加與處理，并輸出24路相位依次嚴(yán)格互差15°的觸發(fā)脈沖。

圖3 同步信號(hào)生成電路

圖4 U/f變換器

3.4 PLC監(jiān)控單元

為實(shí)現(xiàn)凝殼爐用直流電源的高度智能化，本電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)了以PLC作為下位機(jī)，工業(yè)計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)的監(jiān)控單元。PLC時(shí)刻監(jiān)測電源各個(gè)單元是否存在異常，如輸出電壓電流量過高，或者是溫度過高，PLC馬上報(bào)警，并把故障信息傳給上位機(jī)[5]。與PLC監(jiān)控系統(tǒng)配套的觸摸屏?xí)⒐收锨闆r顯示出來，工作人員通過點(diǎn)擊觸摸屏，可以方便地對整個(gè)電源系統(tǒng)進(jìn)行管理。在上位機(jī)中使用組態(tài)軟件Wincc設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控畫面，方便了操作人員的觀察與電源運(yùn)行情況的記錄。監(jiān)控畫面中包括主畫面、控制畫面、整流臂畫面、報(bào)警畫面和報(bào)表畫面。

4 設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證

文中采用Matlab/Simulink軟件仿真驗(yàn)證了閉環(huán)調(diào)節(jié)的過程。圖5給出了搭建的仿真電路圖。圖中，三相電源模塊設(shè)置為工頻380 V相-相電壓，晶閘管整流模塊為六脈波整流電路。為了模擬給定突變的情況，系統(tǒng)使用了一個(gè)階躍信號(hào)，其初始狀態(tài)設(shè)置為10 A，在0.04 s時(shí)發(fā)生突變，保持為25 A。將電路輸出電流值作為反饋信號(hào)，通過改變脈沖發(fā)生器模塊的觸發(fā)角度，來達(dá)到實(shí)際輸出趨于給定值。

圖5 閉環(huán)調(diào)節(jié)仿真電路圖

圖6給出了示波器顯示出的波形圖。圖中，藍(lán)色線條代表給定值，黃色線條代表實(shí)際輸出電流值。在0.04s時(shí)，給定信號(hào)產(chǎn)生了突變，整個(gè)系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，通過PID控制器調(diào)整了晶閘管整流電路的觸發(fā)控制角，實(shí)現(xiàn)了對輸出電流的閉環(huán)調(diào)節(jié)。

圖6 閉環(huán)調(diào)節(jié)仿真結(jié)果圖

圖7為生成的相鄰兩路雙窄脈沖的調(diào)試波形圖。其中，兩路雙窄脈沖互相錯(cuò)開15°，每個(gè)觸發(fā)脈沖脈寬為20°。

圖7 相鄰兩路雙窄脈沖的調(diào)試波形圖

5 結(jié)束語

本論文根據(jù)凝殼爐直流供電系統(tǒng)的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了一套保護(hù)功能完善、運(yùn)行可靠性高的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用DSP進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，CPLD進(jìn)行脈沖的分配，PLC進(jìn)行系統(tǒng)的監(jiān)控與保護(hù)。仿真與相關(guān)調(diào)試，證明了該系統(tǒng)運(yùn)行效果良好。

(1)采用DSP與CPLD對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，兩者分工明確，相較于單控制器控制，提高了容錯(cuò)率；

(2)采用PID控制的方式進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，使用過程中只需要通過設(shè)置PID控制器的參數(shù)即可改變系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能，方便了工作人員對電源的管理；

(3)本論文設(shè)計(jì)的電源具有適普性，對于這一類大功率工業(yè)用爐都具有參考價(jià)值。