真空自耗电弧炉工艺配方辅助制作系统

史继强　付寒芳　杨君

摘 要：真空自耗电弧炉是在真空环境中利用电弧作为热源熔炼金属的一种电炉，主要用于熔炼难熔金属及稀有金属，尤其是在钛及钛合金熔炼领域中应用非常广泛。自二十世纪四十年代出现后，其设备自动化水平提高一直是业界关注的重点。文章提出一种在真空自耗电弧炉人机界面系统里开发加入工艺曲线自动制作功能，实现方便灵活的工艺设定曲线自动生成。达到提高工艺制作、录入效率，降低人力成本和错误率的目的。

关键词：真空自耗电弧炉；工艺曲线辅助制作；Intouch脚本

1 概述

现代化的真空自耗电弧炉控制系统大致經历了人工观察，手动操纵控制；分立元件模拟电路板与继电系统自动控制；仪表与继电系统自动化控制；小型单机PLC集中控制；使用现场总线的大型PLC与工控机配合的集中控制分散执行等几个主要阶段。近年来工业自动化控制技术进步，大型高性能的PLC集散化控制与高效清晰的人机界面控制已经广泛的应用于真空自耗电弧炉的自动化控制中。人机界面丰富的功能支持和强大的计算能力为提高自动控制水平提供了基础。

真空自耗电弧炉是多控制对象变量的大型设备。熔炼过程工艺配方包含大量参数设定，其主要控制对象为熔炼电压和熔炼速度、稳弧磁场强度和冷却水温等。制定工艺参数广泛使用的是基于模型预测控制（MPC）技术的过程控制方案。其控制基础包括原料物化反应的热量平衡计算、并参考各主要控制参数之间的耦合关系，一个参数的改变往往带动几个参数随之改变。目前真空自耗电弧炉的熔炼工艺模型已基本成熟，工艺技术人员在计算编制工艺曲线时，根据现场使用的材料性能指标和设备装置规格型号，在模型规则中转化为可量化的数据，代入到参数计算模型中。计算结果并逐一录入到人机界面的工艺设置存储区域内。一条完整的工艺曲线通常包括近200个参数计算和录入，而一般常用工艺曲线也会有十几条，这样一台设备在正常使用前需花费大量的人力和时间成本将工艺曲线录入到控制系统人机界面的工艺配方管理功能中。而且如果关键性的原料和设备因素有所变化的话，就需要修改工艺曲线，这样就又需要全部重新计算录入。在现有人工编制的环境下，计算、校对、录入，效率低、出错率高。对有设备、有生产需要，但又缺乏工艺配方编制能力的小企业尤为明显。

文章介绍的工艺配方辅助制作系统是指使用设备人机界面开发软件中程序脚本功能，按照工艺工程师的计算模型，以函数语句的形式搭建出来。实现在运行环境下，根据需要输入原料电极和坩埚模具等基本资料数据，人机界面就可以自动的生成工艺参数并录入添加到工艺配方管理功能中。当外部条件改变，需要修改工艺参数时，只需要将录入的基本信息参数做更改，然后再次使用工艺参数自动生成功能，即可方便快速的生成所需的新配方。

真空自耗电弧炉工艺辅助系统实现需要硬件和软件，在这里使用的是设备原有的工控上位机和HMI人机界面开发环境，目前真空电弧炉常用的HMI界面制作使用的是美国Wonderware公司开发的intouch系列软件。它是强大完备的设备控制人机界面开发工具，能方便快捷的制作出与设备运行控制相关的操作、设备运行状态显示及报警指示、过程数据历史记录等功能，内部还包含了强大的函数计算及逻辑处理功能。支持与SQL SERVER的数据管理连接。其中脚本功能是结构化的面向对象的高级编程工具。其语法结构类似于VB和C语言，但不能独立生成单独的执行文件，只能依附于控制系统内存在，并被控制系统调用执行。

国产真空自耗电弧炉控制系统中包含熔炼基本信息录入和工艺配方管理功能，以往这两项功能分别独立运行没有直接联系。熔炼基本信息作为产品信息储存在上位机内以备以后查询，但对生产工艺和设备操作没有实质作用。工艺配方管理界面中需要由工艺工程师计算出结果后人工录入每一个工艺参数，需要较长时间。文章提出的工艺配方辅助制作系统就是使用人机界面开发软件中的函数条件脚本功能，将这两者建立起函数映射的关系，工艺技术工程师给出由工艺模型，由电气工程师转化为符合系统格式的可执行的语言脚本如图1所示。当人机界面运行状态时进入基本信息录入界面根据要求输入全部原材料和设备模具等信息，这些信息以变量的形式储存在人机界面的标记名字典库中。点击“工艺生成”按钮时，条件脚本功能就开始执行，计算各个变量并传递给工艺配方管理功能中的工艺要素设定值，由此完成了工艺配方辅助制作系统。

2 结束语

真空自耗电弧炉的工艺配方辅助制作系统就是利用了人机界面开发软件中灵活方便的函数脚本功能将原来需要工艺技术人员分析判断、手工计算、逐项填写并需反复核查的复杂人工执行的处理过程转化为可任意编辑快速执行的函数计算程序，使工艺配方的管理工作更简便更准确。此方法还可用于其它使用Intouch作为上位控制机的基于模型预测控制（MPC）技术的过程控制方案的工艺配方辅助生成和管理。

参考文献

[1]孙浩，涂序彦，薛兴昌.真空冶金过程自动控制技术的进展[J].冶金自动化.

[2]Wonderware公司.Intouch中文教程[Z].