يمكن لفرن القوس الكهربائي الذي يعمل بنظام تحكم يدوي - حيث يقوم مشغل ماهر بضبط جهد المحول وموضع القطب الكهربائي يدويًا - أن يحقق نتائج جيدة. أما فرن القوس الكهربائي الذي يعمل بنظام أتمتة من المستوى الثاني مضبوط بدقة، فيمكنه تقليل وقت التشغيل بنسبة 8-12%، واستهلاك الأقطاب الكهربائية بنسبة 10-15%، واستهلاك الطاقة الكهربائية بمقدار 20-40 كيلوواط/ساعة لكل طن. هذا الفرق ليس طفيفًا. فبالنسبة لمصنع ينتج 500,000 طن سنويًا ويدفع 0.08 دولار لكل كيلوواط/ساعة، فإن توفير 30 كيلوواط/ساعة لكل طن يُترجم إلى 1.2 مليون دولار سنويًا.
تُدمج شركة مونتي إنتليجنس أنظمة التحكم في العمليات ضمن حزم إمداد أفران القوس الكهربائي. تتناول هذه المقالة بنية التحكم، والخوارزميات التي تُشغّلها، والتحديات العملية التي تواجه تطبيقها.
يتولى نظام الأتمتة من المستوى الأول التحكم في الوقت الفعلي، بما في ذلك تنظيم الأقطاب الكهربائية، والتحكم في النظام الهيدروليكي، وتنظيم تدفق مياه التبريد. تعمل هذه الوظائف بواسطة وحدات تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLCs) بأزمنة دورة تتراوح بين 10 و50 مللي ثانية. يُعد نظام تنظيم الأقطاب الكهربائية الوظيفة الأكثر أهمية في المستوى الأول، إذ يجب أن يحافظ على طول قوس كهربائي ثابت رغم الاضطرابات الناتجة عن حركة الخردة، وتكوّن رغوة الخبث، وتقلبات الجهد الكهربائي في الشبكة.
يُعد تنظيم الأقطاب الكهربائية بناءً على المعاوقة هو الأسلوب القياسي. يقيس المنظم جهد وتيار القوس الكهربائي، ويحسب المعاوقة (Z = V/I)، ويضبط موضع القطب للحفاظ على قيمة المعاوقة المحددة. تتغير هذه القيمة المحددة خلال عملية التسخين: معاوقة أعلى خلال مرحلة صهر الخردة لحماية غلاف الفرن من إشعاع القوس، ومعاوقة أقل خلال مرحلة التسخين في الحوض المسطح لزيادة مدخلات الطاقة إلى أقصى حد.
تستخدم منظمات الجهد الحديثة التحكم التكيفي في الكسب، حيث يتم ضبط الكسب التناسبي والتكاملي لحلقة PID تلقائيًا بناءً على ظروف التشغيل. فعندما يكون القوس غير مستقر (مثل انهيارات الخردة أو تغيرات الخبث الرغوي)، يزداد الكسب لتوفير استجابة أسرع. أما عندما يكون القوس مستقرًا، فينخفض الكسب لتجنب الحركة غير الضرورية للإلكترود التي تزيد من استهلاك الإلكترود وتآكل النظام الهيدروليكي.
يوفر نظام الأتمتة من المستوى الثاني تحسينًا لمستوى التسخين، وهو أعلى من مستوى التحكم الفوري من المستوى الأول. يستقبل نظام المستوى الثاني مواصفات درجة الفولاذ من نظام إدارة عمليات التصنيع (MES) في المصنع، ويحسب نقاط الضبط المثلى لكل مرحلة من مراحل التسخين، ثم يُحمّل هذه النقاط إلى نظام المستوى الأول. بعد انتهاء التسخين، يحلل نظام المستوى الثاني الأداء مقارنةً بالأهداف، ويُعدّل نقاط الضبط للتسخين التالي بناءً على النتائج.
يقسم مخطط الحرارة في نظام المستوى الثاني دورة فرن القوس الكهربائي إلى مراحل متميزة: شحن السلة 1، والصهر 1، وشحن السلة 2، والصهر 2، والتكرير، والصب. لكل مرحلة نقاط ضبط مستهدفة لجهد القوس، وتيار القوس، ومعدل تدفق الأكسجين، ومعدل حقن الكربون، وتشغيل الموقد. يقوم نظام المستوى الثاني بضبط هذه النقاط بناءً على مزيج الخردة الفعلي، ودرجة حرارة الصب المطلوبة، ومحتوى الكربون المستهدف.
انتقلت تطبيقات الشبكات العصبية في التحكم بأفران القوس الكهربائي من الأبحاث إلى أنظمة الإنتاج. ويُعدّ التنبؤ بدرجة حرارة الماء ومحتوى الكربون في نهاية عملية التسخين من أكثر التطبيقات شيوعًا، وذلك بالاعتماد على بيانات العملية الآنية دون الحاجة إلى انتظار التحليل الكيميائي. ويمكن لشبكة عصبية مُدرّبة على بيانات التسخين السابقة أن تتنبأ بدرجة حرارة الماء ومحتوى الكربون في نهاية عملية التسخين بدقة ±15 درجة مئوية، وبنسبة ±0.02%، وذلك في 85-90% من عمليات التسخين.
تشمل مدخلات شبكة التنبؤ بنقطة النهاية الطاقة الكهربائية التراكمية، وحجم الأكسجين التراكمي، وكمية الكربون المحقونة التراكمية، ودرجة حرارة الغازات المنبعثة وتركيبها (أول أكسيد الكربون، وثاني أكسيد الكربون، والهيدروجين)، وارتفاع درجة حرارة ماء التبريد، والوقت المنقضي. تتعلم الشبكة العلاقات بين هذه المتغيرات وظروف نقطة النهاية من آلاف عمليات التسخين السابقة. بعد التدريب، توفر الشبكة تقديرًا فوريًا يسمح للمشغل باتخاذ إجراءات تصحيحية - مثل تعديل تدفق الأكسجين، أو إضافة الكربون، أو تمديد أو تقصير مدة التسخين - قبل أن تؤكد عملية أخذ العينات نقطة النهاية الفعلية.
تُعدّ إدارة الطاقة التنبؤية ميزةً بالغة الأهمية عند تشغيل فرن القوس الكهربائي على شبكة كهربائية محدودة الموارد. يُمثّل فرن القوس الكهربائي حملاً كهربائياً كبيراً ومتغيراً للغاية، حيث يمكن أن تُضيف رسوم الطلب من شركة الكهرباء ما بين 5 إلى 15 دولاراً لكل ميغاواط/ساعة إلى تكلفة الكهرباء. يستخدم نظام إدارة الطاقة التنبؤية بيانات التسخين للتنبؤ بالطلب على الطاقة لمدة تتراوح بين 5 و15 دقيقة، ويدير الحمل ليبقى ضمن حدود الطلب المتفق عليها. في حال تجاوزت التوقعات الحد المسموح به، يُمكن للنظام خفض جهد المحول مؤقتاً، أو تعديل موضع الأقطاب الكهربائية لتقليل التيار، أو تأخير بدء التسخين التالي.
غالباً ما تُشكّل البنية التحتية للبيانات عائقاً رئيسياً أمام تطبيق أنظمة التحكم المتقدمة في العمليات. يحتاج النظام إلى بيانات من وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (المستوى 1)، ونظام إدارة الطاقة، وجهاز تحليل الغازات المنبعثة، ونظام قياس درجة الحرارة، ونظام معلومات المختبر. يجب أن تكون البيانات متزامنة زمنياً بدقة تصل إلى ثانية واحدة. تكتشف العديد من المصانع، أثناء تحديثات أنظمة التشغيل الآلي، أن بنيتها التحتية الحالية للبيانات لا تستطيع تلبية هذه المتطلبات، ما يجعل ترقيات الشبكات وقواعد البيانات جزءاً كبيراً من تكلفة المشروع.
تتعاون شركة مونتي إنتليجنس مع كبرى شركات توريد أنظمة الأتمتة لتوفير أنظمة تحكم متكاملة لأفران القوس الكهربائي. ويشمل نطاق عملنا تحديد مواصفات نظام التحكم، وهندسة التكامل، والتشغيل، وتدريب المشغلين.
للحصول على مناقشات حول التحكم في العمليات الخاصة بتكوين الفرن الخاص بك، يرجى الاتصال بـ helenxu@cnlymonte.com.
