碩上論文i 乜石爐控制系統(tǒng)的設(shè)計與先進控制方案的研究 摘要 本文以山西省某電石爐項目為課題背景，根據(jù)該項目所提出的電極升降控制、電極 壓放控制、參數(shù)顯示等功能要求，以減少能耗、降低人工勞動強度為控制目標，設(shè)計實 現(xiàn)了一種基于p l c 的電石爐控制系統(tǒng)。針對三相電極升降系統(tǒng)中三相電流存在耦合性 強、靈敏度高、調(diào)節(jié)困難等問題，分別研究和采用了改進型p i d 控制和模糊控制。 首先，本文研究了電石爐的生產(chǎn)原理、工藝流程，并對電石生產(chǎn)的主要設(shè)備進行詳 細介紹和說明；其次，設(shè)計了電石爐控制系統(tǒng)，對該系統(tǒng)的硬件設(shè)備進行選型和安裝， 并完成了下位機p l c 的程序設(shè)計和上位機w i n c c 監(jiān)控軟件的畫面設(shè)計；再次，本文研 究了基于改進型p i d 控制的電極升降系統(tǒng)，提出了帶死區(qū)特性的改進型p i d 控制方案， 給出了電極脈沖控制器的設(shè)計方法，并完成了該系統(tǒng)的p l c 程序設(shè)計、調(diào)試和應(yīng)用； 最后，設(shè)計了基于模糊控制的電極升降系統(tǒng)，提出p l c 離線創(chuàng)建模糊控制表的方法， 并完成了該系統(tǒng)的p l c 程序設(shè)計、調(diào)試和應(yīng)用。 目前，該電石爐控制系統(tǒng)己投入運行，系統(tǒng)的應(yīng)用降低了人工勞動強度，改善了電 極電流的穩(wěn)定性，提高了電石生產(chǎn)自動化水平，并達到了節(jié)能降耗、提高生產(chǎn)效率的最 終目的。 關(guān)鍵詞：電石爐控制系統(tǒng)，p l c ，w i n c c ，電極升降系統(tǒng)，改進型p i d 控制，模糊控 制 a b s t r a c t碩士論文 a b s t r a c t t h eb a c k g r o u n do ft h i sp a p e ri sac a l c i u mc a r b i d ef u r n a c ep r o j e c ti ns h a n x ip r o v i n c e b a s e do nt h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t sp r o p o s e db yt h ep r o j e c ts u c h 夠e l e c t r o d el i f tc o n t r o l ， e l e c t r o d es l i p p i n gc o n t r o l ，p a r a m e t e r sd i s p l a y , ac o n t r o ls y s t e m 塒t hp l cw a sd e s i g n e dt o r e d u c et h ee n e r g yc o n s u m p t i o na n dr e l e a s et h el a b o ri n t e n s i t y t os o l v ep r o b l e m so f t h r e e p h a s ec u r r e n ti nt h et h r e e - p h a s ee l e c t r o d el i f ts y s t e m ，s u c ha ss t r o n gc o u p l i n g ，h i g h s e n s i t i v i t y , d i f f i c u l tt oa d j u s t ，i m p r o v e dp i dc o n t r o la n df u z z yc o n t r o lw e r ep u tf o r w a r di n t h ed i s s e r t a t i o n t ob e g i nw i t h , t h ep r i n c i p l ea n df l o wo ft h ec a l c i u mc a r b i d ef u r n a c ep r o d u c t i o nw e r e i n t r o d u c e d f u r t h e r m o r e ，t h ec o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e d ，t h eh a r d w a r eo ft h es y s t e mi s s e l e c t e da n di n s t a l l e d ，a n dt h e nt h ep l cs o f t w a r ea n dm o n i t o r i n gs o f t w a r e 、i t l lw i n c ci nt h e p cw e r ef i n i s h e d m o r e o v e r , t h ei m p r o v e dp i da l g o r i t h mw i t hd e a dz o n ew e r ep r o p o s e d ， b a s e do nw h i c ht h ee l e c t r o d el i f ts y s t e mw a sd e s i g n e d ，a n dt h e nt h ec o r r e s p o n d i n gd e s i g n m e t h o d so fe l e c t r o d ep u l s ec o n t r o l l e rw e r eb r o u g h to u t o fc o u r s e ，r e l a t i v ep l cp r o g r a m d e s i g n i n g ，d e b u g g i n ga n da p p l i c a t i o nw e r ea l s oc o m p l e t e d f i n a l l y , t h em e t h o do fo f f - l i n e f u z z yc o n t r o lt a b l eb a s e do np l cw a sa l s op r o p o s e d ，b a s e do nw h i c ht h ee l e c t r o d el i f t s y s t e mw a sd e s i g n e d ，a n dt h er e l a t i v ep l cp r o g r a mw a sa l s od e s i g n e d ，d e b u g g e da n da p p l i e d t h ec a l c i u mc a r b i d ef u r n a c ec o n t r o ls y s t e mh a sb e e np u ti n t op r a c t i c e ，w h i c hr e l e a s e s t h el a b o ri n t e n s i t y , e n h a n c e st h es t a b i l i t yo fe l e c t r o d ec u r r e n t ，i m p r o v e st h ea u t o m a t i o nl e v e l o fc a l c i u mc a r b i d ep r o d u c t i o n , a n dr e a l i z e st h eu l t i m a t eo b j e c t so fe n e r g ys a v i n ga n d p r o d u c t i v i t yi n c r e a s e k e yw o r d s ：c a l c i u mc a r b i d ef u r n a c ec o n t r o ls y s t e m ，p l c ，w i n c c ，e l e c t r o d el i f ts y s t e m ， i m p r o v e dp i dc o n t r o l ，f u z z yc o n t r o l i i 聲明 本學(xué)位論文是我在導(dǎo)師的指導(dǎo)下取得的研究成果，盡我所知，在本 學(xué)位論文中，除了加以標注和致謝的部分外，不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或 公布過的研究成果，也不包含我為獲得任何教育機構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使 用過的材料。與我一同工作的同事對本學(xué)位論文做出的貢獻均己在論文 中作了明確的說明： 研究生簽名： 蘭：蕉一 辨扣月曰 學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 南京理工大學(xué)有權(quán)保存本學(xué)位論文的電子和紙質(zhì)文檔，可以借閱或 上網(wǎng)公布本學(xué)位論文的部分或全部內(nèi)容，可以向有關(guān)部門或機構(gòu)送交并 授權(quán)其保存、借閱或上網(wǎng)公布本學(xué)位論文的部分或全部內(nèi)容。對于保密 論文，按保密的有關(guān)規(guī)定和程序處理。 研究生簽名：_ z 魯年加具f | e t 碩士論文電石爐控制系統(tǒng)的設(shè)計與先進控制方案的研究 1 緒論 1 1 引言 1 8 6 2 年h a r e 和w o h l e r 在實驗室中首次利用z n 、c a 與c 等原料制得c a c ，三十 年后m o i s s o n 和w i l l s o n 用c a o 和煤在電爐中制成了c a c ，【l j 。由于這種碳化鈣是在電爐 中反應(yīng)生成，于是我們俗稱它為電石。電石工業(yè)品是灰色、黃褐色或黑色的固體，它是 有機合成工業(yè)的重要基本原料，利用電石與水反應(yīng)生成的乙炔可進一步合成有關(guān)系列產(chǎn) 品，如乙醛、醋酸、醋酸乙烯、聚乙烯醇、合成纖維、合成橡膠、合成樹脂及有機溶劑 等，還可用于金屬的切割和焊接。 電石爐內(nèi)利用三相電極間短路電弧所產(chǎn)生的高溫熱能將生石灰、焦碳等原料熔融后 反應(yīng)生成c a c ，即工業(yè)電石。在電弧高溫生產(chǎn)電石過程中，電石爐內(nèi)溫度值的改變是 通過調(diào)節(jié)電極碳棒插入爐料的深度來控制的，并且其溫度值一般是利用三相原邊電流的 大小來間接測算的，當電極下降時電流值增加，反之則電流值減少，因此電極升降控制 系統(tǒng)是電石生產(chǎn)的重要部位，電極電流值的大小和穩(wěn)定性是影響電石生產(chǎn)質(zhì)量及能耗大 小的關(guān)鍵因素。 在電石生產(chǎn)過程中如果僅依賴人工進行手動操作，這不僅使得人工勞動強度加大， 而且會使三相電極平衡難以調(diào)節(jié)、三相電流值不穩(wěn)定，甚至容易造成斷弧或跳閘現(xiàn)象。 由于目前國內(nèi)電石生產(chǎn)的自動化水平仍然較低，使得電石生產(chǎn)的電能損耗增加，生產(chǎn)效 率和質(zhì)量難以提高，從而導(dǎo)致產(chǎn)品缺乏國內(nèi)外市場競爭力，因此提高現(xiàn)有設(shè)備的自動化 水平、完善電石爐系統(tǒng)控制機制、加強生產(chǎn)的安全性能是改善當前比較落后的技術(shù)現(xiàn)狀 的有效途徑之一。 1 2 電石工業(yè)的現(xiàn)狀和發(fā)展前景 隨著國際原油價格的上漲，有機合成工業(yè)的重要原料乙炔的生產(chǎn)由石油提煉法 轉(zhuǎn)為電石生產(chǎn)法，這就使得電石的需求量與日俱增，給國內(nèi)外電石行業(yè)提供了極大的市 場空間。以下就國內(nèi)外的電石工業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展前景分別加以介紹和說明。 1 國內(nèi)外的生產(chǎn)現(xiàn)狀 日本、美國、德國等都是世界上電石工業(yè)較發(fā)達的國家，這些國家在電石工業(yè)極盛 時期的年生產(chǎn)量都超過1 0 0 萬噸。日本電石工業(yè)創(chuàng)始于1 9 0 1 年，當時只有一座容量5 0 千瓦的小型電爐，但在2 0 世紀5 0 年代末已使用密閉電石爐，8 0 年代初期日本電石生產(chǎn) 電耗己降至3 0 5 0k w h t 以下，1 9 7 6 年其電石年產(chǎn)量達到了5 6 萬噸【1 1 。1 8 9 5 年，美國建 成了第一座工業(yè)化電石爐，1 9 0 4 年，又建成一座功率為7 5 0 0 k w 的三相電石爐，在恒定 第一章緒論 碩士論文 功率運行，電石電耗到3 0 3 4 k w h t ，發(fā)氣量也穩(wěn)定在優(yōu)級品。德國擁有世界最大的電石 爐，容量為7 5 0 0 0k v a ，日產(chǎn)電石為4 3 5 噸，凈化后爐氣為l 萬m 3 h ，運用空心電極 技術(shù)，可利用粉料占總爐料的1 4 以上，電石電耗己降至2 9 4 0k w h t ，質(zhì)量穩(wěn)定在 3 0 4 l k g 左右，最大生產(chǎn)廠可年產(chǎn)電石6 0 萬噸以上【。 我國在解放前幾乎沒有電石工業(yè)，只是在某些采礦場建有幾座小型電石爐，容量為 3 0 0 k v a 左右，生產(chǎn)電石產(chǎn)生的乙炔主要用于點燈，與國外電石工業(yè)相比，落后約半個 世紀。解放后，1 9 5 0 年在吉林建成了第一座容量為1 7 5 0 k v a 的開放電石爐，之后在上 世紀六十年代由上海吳淞化工廠與化工部第一設(shè)計院合作首先自主開發(fā)1 6 5 0 0 k v a 全 密閉電石爐，1 9 5 8 年以電石乙炔為原料的有機合成工業(yè)在我國興起以后，電石工業(yè)才在 全國各地發(fā)展興起，許多城市紛紛建設(shè)電石廠。1 9 6 0 年全國共建成容量為1 0 0 0 0 k v a 的三相圓形開放電石爐1 3 座，年生產(chǎn)能力超過3 5 萬噸1 2 】。目前我國約有大、小電石生 產(chǎn)廠家5 0 0 余家，2 0 0 6 年為3 3 5 萬噸【3 l 。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2 0 0 6 年我國電石產(chǎn)量突破1 0 0 0 萬噸，2 0 0 7 年產(chǎn)量達到了1 5 0 0 萬噸以上【4 j 。 2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 目前國外的性能較好的電石爐大部分采用了空心電極加料，并采用計算機控制系統(tǒng) 實現(xiàn)電極壓放控制、電極升降控制以及工藝參數(shù)的檢測等功能。早在上世紀6 0 年代初， 美國在大型密閉電石爐已首先將電子計算機應(yīng)用于電石生產(chǎn)過程中，通過過程計算機尋 求生產(chǎn)最佳參數(shù)值使生產(chǎn)能力和電石質(zhì)量得到很大提高【5 】。電石生產(chǎn)過程是一個比較復(fù) 雜化合反應(yīng)過程，電石爐的操作受到爐料配比、水分、粒度、氣孔率粒度以及電氣參數(shù) 的設(shè)定等諸多因素的影響，并且原料狀態(tài)參數(shù)、電極升降位置以及電石爐內(nèi)溫度值難以 直接準確的測量得到，這使得建立電石爐系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型成為主要技術(shù)問題，目前尚無 電石爐控制模型的國內(nèi)外文獻資料可供參考。 針對電石爐控制系統(tǒng)的設(shè)計，國內(nèi)出現(xiàn)了一些相關(guān)的工程設(shè)計文獻【6 j f 7 】【8 】，但這些 研究文獻有一定的局限性，或缺少計算機監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計或缺少三相電極難以調(diào)節(jié)平衡 的問題解決方法。電石爐系統(tǒng)中三相電極升降控制的好壞直接影響到爐溫和三相電流或 電壓的不平衡程度，并且電石爐電流本身存在靈敏度高、耦合性強、參數(shù)時變等因素， 使電石爐系統(tǒng)中電極的升降調(diào)節(jié)成為控制的重點和難點。針對電石爐電流所存在的問 題，目前國內(nèi)外對電弧冶煉的三相電極控制做過很多相關(guān)研究并提出多種控制算法，如 文獻【9 】提出p i d 控制算法：文獻【1 0 】【11 】【1 2 】提出模糊控制算法；文獻【1 3 】提出智能p i d 控制算法；文獻 1 4 【1 5 【1 6 提出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法以及文獻【1 7 】 1 8 1 9 】提出其他控制方 案等。目前針對電石爐電極升降系統(tǒng)雖然存在多種控制算法和文獻參考，但較多方案存 在缺少控制器結(jié)構(gòu)和算法論述或沒有系統(tǒng)仿真、應(yīng)用結(jié)果等問題，因此難以達到理想的 理論研究和工程應(yīng)用參考價值，如上述文獻 1 0 中提出的三輸入單輸出結(jié)構(gòu)模糊控制算 法、文獻【l1 1 2 中所提自適應(yīng)模糊算法，對電石爐對象的模糊控制器結(jié)構(gòu)和模糊規(guī)則 2 碩士論文 電石爐控制系統(tǒng)的設(shè)計與先進控制方案的研究 等均缺少論述和說明以及實際工程應(yīng)用，! t d 1 3 1 5 1 6 等參考文獻中所提智能控制以及 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等控制算法均缺少研究仿真或應(yīng)用結(jié)果。由于國內(nèi)外的電石爐系統(tǒng)早期主要以 單片機、繼電器控制為主或以理論研究為主，很多先進算法在電石爐工業(yè)現(xiàn)場沒有得到 具體的應(yīng)用或?qū)嵤Ｒ?guī)控制方案難以達到理想控制效果，并且因電石爐系統(tǒng)無具體 控制模型，各種算法在實際的應(yīng)用中控制參數(shù)的選取以實驗法為主。本文針對電石爐控 制系統(tǒng)參考文獻中所研究的算法和結(jié)果，結(jié)合實際工程項目分別采用改進型p i d 控制和 模糊控制策略，此外在電極模糊控制系統(tǒng)中本文提出將模糊控制算法與p l c 相結(jié)合， 設(shè)計和編程實現(xiàn)離線創(chuàng)建模糊控制表和在線查表控制功能，最終將控制系統(tǒng)投入實際應(yīng) 用，并獲得理想控制效果。 3 電石工業(yè)的發(fā)展前景 7 0 年代后期到9 0 年代初，隨著石油化工的發(fā)展，西方國家的有機合成工業(yè)原料路 線由電石乙炔轉(zhuǎn)變到石油乙炔，國際電石行業(yè)處于低谷，技術(shù)和設(shè)備的研究也處于停滯 和萎縮狀態(tài)。但9 0 年代后期，由于國際原油價格的上漲，乙炔的生產(chǎn)轉(zhuǎn)向以電石為原 料，使得電石行業(yè)得到迅速發(fā)展。目前，國際上電石市場看好，電石的需求量與日俱增， 國內(nèi)p v c 產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域在逐漸拓展，這就給國內(nèi)外電石行業(yè)提供了極大的市場空訓(xùn)5 1 。 目前我國電石行業(yè)產(chǎn)能過剩、技術(shù)裝備水平低、結(jié)構(gòu)不合理、污染嚴重等問題仍然 沒有得到根本解決，如何將粗放型的電石工業(yè)通過技術(shù)更新、設(shè)備優(yōu)化，逐步改造成集 約型工業(yè)是我國現(xiàn)有電石工業(yè)改變落后面貌、提高技術(shù)經(jīng)濟效益的關(guān)鍵。改善目前落后 生產(chǎn)技術(shù)的根本措施應(yīng)從工藝入手，改善電石生產(chǎn)設(shè)備、提高自動化水平以及淘汰高污 染高能耗的電石生產(chǎn)企業(yè)和設(shè)備。 1 3 項目背景與研究意義 針對電石爐項目提出的具體設(shè)計要求，以節(jié)能降耗、降低人工勞動強度為目標，本 課題圍繞電石爐系統(tǒng)的控制部分展開研究和設(shè)計。以下就本課題的項目背景和研究意義 進行具體的介紹和說明。 1 項目背景 我國電石生產(chǎn)設(shè)備整體技術(shù)水平較低，整個生產(chǎn)過程需借助人工進行手動操作，各 項電氣參數(shù)均要通過觀察現(xiàn)場儀表才可獲得，由于人工操作缺乏規(guī)范性，電石產(chǎn)品的質(zhì) 量和效率得不到有效保障。目前繼電器電路被廣泛的采用于的電石爐控制系統(tǒng)中，由于 繼電器系統(tǒng)對生產(chǎn)工藝變化的適應(yīng)性差，使得控制系統(tǒng)存在可靠性差、診斷與排除故障 非常困難等缺陷。 鑒于人工操作和繼電器系統(tǒng)存在的種種問題，本課題以山西省襄垣縣某新建中小型 電石爐項目為研究背景，根據(jù)其生產(chǎn)工藝和現(xiàn)場設(shè)備，選取西門子p l c 、工控機及現(xiàn)場 儀表等設(shè)備來設(shè)計電石爐控制系統(tǒng)。該電石爐項目的設(shè)計要求包括：各項工藝參數(shù)顯示、 3 第一章緒論碩士論文 電極升降控制、電極壓放控制、電能累計以及報警保護等。針對該項目內(nèi)容，利用p l c 硬件和w i n c c 監(jiān)控軟件相結(jié)合設(shè)計實現(xiàn)該電石爐系統(tǒng)各功能要求，針對電極升降系統(tǒng) 中三相電流存在靈敏度高、調(diào)節(jié)困難等問題，分別研究和采用了改進型p i d 控制和模糊 控制的兩種控制方案。 2 研究意義 該項目結(jié)合先進生產(chǎn)工藝和自動化控制設(shè)備，研究電石爐相關(guān)工藝參數(shù)和運行控制 模式。采用計算機監(jiān)控系統(tǒng)取代人工經(jīng)驗操作，結(jié)合設(shè)計工藝數(shù)據(jù)和控制參數(shù)，合理設(shè) 計計算控制系統(tǒng)的軟硬件，并達到規(guī)范生產(chǎn)過程、提高自動化水平的設(shè)計效果。 電石爐控制系統(tǒng)投入運行后，可視化的計算機操作界面和報警保護功能使人員勞動 強度降低，并能實時有效的掌握現(xiàn)場設(shè)備運行情況，從而提高生產(chǎn)的安全性和可靠性。 電極自動壓放功能的實現(xiàn)，減少了石墨電極的損耗和壓放的次數(shù)。另外模糊控制算法在 電極升降系統(tǒng)中的應(yīng)用，實現(xiàn)了電極的三相平衡控制，減少電極軟斷次數(shù)，降低電能損 耗，節(jié)省了設(shè)備維修費用，并且提高了產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量。在項目實施的一年時間內(nèi)，該 電石爐工作電壓值3 5 k v 、電流值2 5 0 3 0 0 a 、功率因數(shù)值0 7 o 8 ，日耗電量4 5 萬千 k w h ，電石年產(chǎn)量約4 萬噸左右，模糊控制算法的應(yīng)用提高了三相電極的平衡和短路電 弧產(chǎn)熱率，電石生產(chǎn)年耗電量相比同類型電石爐節(jié)省約2 5 萬k w h 左右。本課題的研究 和實施對提高電石生產(chǎn)效率、降低能耗有著一定的作用和意義。 1 4 研究內(nèi)容和章節(jié)安排 本文從電石爐設(shè)備和工藝要求出發(fā)，針對傳統(tǒng)電石爐控制系統(tǒng)存在可靠性差、三相 電流平衡難以調(diào)節(jié)等問題，根據(jù)項目提出的電極升降控制、電極壓放控制、參數(shù)顯示和 報警保護等需求，設(shè)計實現(xiàn)了一種基于p l c 的電石爐控制系統(tǒng)。針對電石爐系統(tǒng)中的 電極升降控制部位，主要研究了改進型p i d 控制和模糊控制方案。 本文的主要研究內(nèi)容包括： ( 1 ) 研究電石爐的生產(chǎn)原理、工藝流程，詳細介紹電石爐的主要設(shè)備。 ( 2 ) 設(shè)計電石爐控制系統(tǒng)，研究該系統(tǒng)的硬件選型和安裝、下位機p l c 的軟件設(shè)計 和編程以及上位機w i n c c 軟件的監(jiān)控畫面設(shè)計。 ( 3 ) 研究電極升降控制系統(tǒng)中的改進型p i d 控制策略，并提出脈沖控制器設(shè)計方法。 ( 4 ) 研究電極升降控制系統(tǒng)中的模糊控制算法，設(shè)計模糊控制器結(jié)構(gòu)，并利用p l c 創(chuàng)建模糊控制表。 ( 5 ) 對電極控制系統(tǒng)中所提出的兩種控制策略的p l c 程序設(shè)計、調(diào)試和實現(xiàn)過程分 別進行研究和設(shè)計，并分析兩種控制策略的實際應(yīng)用效果。 根據(jù)以上研究內(nèi)容，本文內(nèi)容共分為六章，具體章節(jié)安排如下： 第一章：緒論。詳細介紹了電石工業(yè)的國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展前景，同時著重點敘述了 4 碩士論文電石爐控制系統(tǒng)的設(shè)計與先進控制方案的研究 本課題的項目背景、研究意義以及論文的主要研究內(nèi)容和章節(jié)結(jié)構(gòu)。 第二章：電石爐生產(chǎn)工藝及設(shè)備。主要闡述了電石生產(chǎn)原理，對半密閉型電石爐的 電石生產(chǎn)工藝流程以及相關(guān)設(shè)備進行了研究和描述。 第三章：電石爐控制系統(tǒng)的設(shè)計。對電石爐控制系統(tǒng)進行設(shè)計和規(guī)劃，并介紹了該 系統(tǒng)所采用的p l c 、儀表、上位機等硬件的選型和安裝實施工作。最后基于所配置的硬 件環(huán)境，利用s t e p7 和w i n c c 軟件實現(xiàn)了電石爐的參數(shù)顯示、電極壓放控制、功率累 計等功能。 第四章：改進型p i d 電極升降控制系統(tǒng)。本章重點論述了電極升降系統(tǒng)中改進型 p i d 控制算法和脈沖調(diào)節(jié)器的研究和設(shè)計方法，并對p l c 和上位機軟件的設(shè)計和編程以 及電極自動升降控制的實際運行狀態(tài)進行了詳細的介紹和說明。 第五章：基于模糊控制的電極升降系統(tǒng)。重點闡述電極升降控制系統(tǒng)中模糊控制器 結(jié)構(gòu)的研究和設(shè)計，提出了p l c 離線創(chuàng)建模糊控制表的設(shè)計方法，并對模糊控制系統(tǒng) 的p l c 程序設(shè)計、調(diào)試和實際應(yīng)用進行了詳細的描述和說明。 第六章：總結(jié)與展望。對全文的工作進行總結(jié)并給出未來工作的展望。 第二章電石爐生產(chǎn)工藝及設(shè)備 碩士論文 2 電石爐生產(chǎn)工藝及設(shè)備 電石俗稱卡石，其化學(xué)名稱叫碳化鈣。碳化鈣的分子式是c 白g ，分子量為“1 0 。 其工業(yè)品是灰色、黃褐色或黑色固體，含碳化鈣較高的呈紫色。通常所說的電石是指工 業(yè)碳化鈣，它是由生石灰和焦碳放在電爐中加熱到2 0 0 0 。c 生成的。電石中除含大部分 碳化鈣外，還含有少部分其它雜質(zhì)。 電石是有機合成工業(yè)的重要基本原料，利用電石為原料可以合成一系列的有機化合 物，為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥提供原料。以電石乙炔為原料可制取乙烯、氯丁橡膠、氰氨化 鈣、乙酸、三氯乙烯等，電石也可做鋼鐵的脫硫劑和用于金屬的切割和焊接【lj 。 2 1 電石爐生產(chǎn)原理1 2 0 】 2 1 1 碳化鈣的反應(yīng)機理 電石是石灰與碳素材料在電阻電弧爐中制成的，在工業(yè)生產(chǎn)過程中，石灰與碳素材 料冶煉生成碳化鈣是通過兩種方式完成的： 第一種方式： 氧化鈣與碳在高溫下首先發(fā)生下列反應(yīng)： c a o + c = c a + c o ( 2 1 1 ) 鈣蒸汽同固態(tài)碳又發(fā)生如下反應(yīng)： c a + 2 c = c a c 2( 2 1 2 ) 反應(yīng)為雙變量系統(tǒng)，氣體中存在有氣態(tài)c 口和c o 兩種氣體，反應(yīng)狀態(tài)不僅決定于溫 度，同時決定于氣體中c a 或c o 二者間任意一個壓力值。只有在c 口蒸汽壓力較高，而 c o 壓力較低的情況下，c 口c 2 才可能在較低溫度下生成。 第二種方式： 隨著物料不斷下移，溫度增高，當達到與其成份相適應(yīng)的溫度時，石灰表層生成的 碳化鈣與石灰物料迅速共熔成含石灰成份較高的c a c ：和c a o 熔融物，當c 口c 2 含量約為 2 0 ，溫度在2 0 0 0 。c 左右時，發(fā)生如下反應(yīng)： c a o + 3 c = c a c 2 - i - c o ( 2 1 3 ) 伴隨沸騰現(xiàn)象的發(fā)生，反應(yīng)急劇進行，熔融體中c a c ，成份迅速增加，形成電爐中 電極下端的反應(yīng)區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)，根據(jù)原料配比完成其最終反應(yīng)，c a c ，流至爐底而被 釋放。 整個反應(yīng)階段生成電石所需的熱量，由電極產(chǎn)生的電弧與電流通過爐料產(chǎn)生的電阻 6 碩士論文 電石爐控制系統(tǒng)的設(shè)計與先進控制方案的研究 供給。 2 1 2 電石爐電氣特性 電石爐的電能是由變壓器通過爐子的短網(wǎng)向電爐輸送的，因此在整個網(wǎng)絡(luò)中存在有 變壓器及短網(wǎng)的阻抗，影響著電石爐的特性。如圖2 1 1 表示電石爐的等效電路圖： 土上國 圖2 1 1 電石爐等效電路圖 其中：u ，原邊電壓：，原邊電流；u 副邊電壓；j 副邊電流； 礎(chǔ)總感抗；r ，設(shè)備的電阻；尺。一爐料和熔體的電阻。 副邊電流：，：旦： z uu 、|r2 + ( o l ) 22 而虧雨麗零 副邊視在功率：p = u i 爐料和熔體總功率：只= 1 2 r 。 電路電阻總功率：p = 1 2 ( r ，+ 月。) 麟刀= 每= 魯= 魯= 去 2 1 3 電石爐中的電熱過程 由于電石爐中爐料及熔體的高電阻性，電極的工作部分深入到料層中，在電極端頭 與熔體間形成氣體空間的電弧區(qū)，使電石爐具有電阻電弧爐的特性。 電能在電石爐內(nèi)根據(jù)焦耳楞次定律轉(zhuǎn)化為熱能，當電流，通過電弧，爐料及熔體， 且其電阻為尺時，則在一定時間t 內(nèi)，供給電石爐的電能為： 9 = 1 2 r ，1 0 3k 陟仍( 2 1 4 ) 電熱當量為：1 k 砌= 8 6 0 千卡，則： q = 8 6 0 1 2 r ，1 0 。3 千卡( 2 1 5 ) 根據(jù)歐姆定律：u = i r 又可表示為： 7 第二章電石爐生產(chǎn)工藝及設(shè)備碩士論文 q = 8 6 0 x u i t 1 0 。3 千卡 ( 2 1 6 ) 一般情況下，釋放于電弧中的能量約為釋放于電石爐中總能量的4 0 ，釋放于爐料 中的能量較多，而釋放于融體中的能量則為釋放于電石爐中總能量的2 0 。 2 2 電石爐生產(chǎn)工藝及設(shè)備 電石爐型式主要分為三種：開放型、半密閉型和全密閉型。開放型電石爐只有用于 電石反應(yīng)用的爐體而沒有爐蓋，這種電石爐的爐料表面溫度高、灰塵多且環(huán)境惡劣。半 密閉爐是在開放型爐的基礎(chǔ)上加上一個集氣罩，把爐內(nèi)產(chǎn)生的一氧化碳抽出一部分，另 一部分仍在料面燃燒。而密閉型爐是二十一世紀內(nèi)很多國家推廣的環(huán)保型電石爐，它誕 生于上世紀四十年代末期，是在開放式電石爐基礎(chǔ)上加上一個爐蓋，將爐內(nèi)產(chǎn)生的一氧 化碳爐氣用抽氣設(shè)備抽出，并將爐氣加以凈化處理。 由于爐子的構(gòu)造結(jié)構(gòu)不同，往往工藝流程和相關(guān)設(shè)備也各有差異，圖2 2 1 所示為 山西某半密閉型電石爐電石生產(chǎn)流程。 _ 7 ? 1 2 、 v - - i 昌1 3 f 如7 白爿f 州9 耐 驟7 il、萱i 婦 34 8u_ juu 熙羅 1 5 佩駐 二j 疊 = 口 2 w 嘶8 1 0 。 i1 l ， 1 4 、k ， h t- 。 1 6f 一 r 、 i 囫囫、h 一廠一一一。 n 。1 一 、 圓b n 1廣 t 干、l 、 i3 | lr l 1 石灰料罐2 破碎機3 石灰貯斗4 焦碳貯斗5 自動秤每鏈斗輸送機7 料斗 8 電石爐變壓器9 升降大力缸1 0 水冷式銅管母線1 1 石墨電極1 2 除塵冷卻凈化系統(tǒng) 1 3 一液壓站l 舢電石爐1 5 大吊車1 6 電石鍋1 7 冷卻平臺1 8 鄂式破碎機 圖2 2 1 山西某電石爐生產(chǎn)流程圖 在該電石生產(chǎn)系統(tǒng)中，首先將符合電石生產(chǎn)要求的生石灰和焦碳經(jīng)破碎后送入貯 斗，當配料系統(tǒng)自動完成兩種原料的稱重及配比后，爐料由鏈斗輸送機送入爐頂料斗向 電石爐內(nèi)投料。3 5 k v 高壓經(jīng)電石爐變壓器給三相石墨電極供電，電極壓放和升降控制 均由中控室電控系統(tǒng)完成。電石生成后經(jīng)冷卻和破碎后進行貯藏或銷售處理。 8 碩士論文 電石爐控制系統(tǒng)的設(shè)計與先進控制方案的研究 2 2 1 電石爐生產(chǎn)工藝流程1 2 1 1 成品電石 冷卻水進 冷卻水出 圖2 2 2 電石爐生產(chǎn)工藝流程圖 如圖所示，電石爐的工藝流程一般為：首先把符合電石生產(chǎn)需求的石灰和焦碳按規(guī) 定的配比進行配料，然后用斗式提升機將爐料送至電石爐爐頂料倉，經(jīng)過料管向電爐內(nèi) 加料，爐料在電爐內(nèi)經(jīng)過電極電弧墊和爐料的電阻熱反應(yīng)生成電石，當電石定時出爐， 放至電石鍋內(nèi)，經(jīng)冷卻后，破碎成一定規(guī)格要求的粒度，即得到成品電石。 1 配料、上料和爐頂布料 合格的原料( 石灰石、焦碳) 經(jīng)加工車間經(jīng)計量、配料后，由斗式提升機送入電爐 車間料倉內(nèi)，通過爐頂布料設(shè)施、固定膠帶輸送機和環(huán)形布料機將料送入爐頂環(huán)形料倉。 爐頂布料設(shè)施按需要把爐料布入料倉，由電爐加料管分批加入電爐內(nèi)。 2 電石生產(chǎn) 半封閉電石爐是由爐體、爐蓋、電極把持器、電極壓放和電極升降裝置等組成的， 是生產(chǎn)電石的主體設(shè)備。電能由變壓器和導(dǎo)電系統(tǒng)經(jīng)石墨電極輸入爐內(nèi)，石灰和碳素原 料在電阻電弧產(chǎn)生的高溫( 2 0 0 0 。c 2 2 0 0 。c ) 下轉(zhuǎn)變成電石，并放出一氧化碳氣體，生 成的電石由出爐口排出，用燒穿器打開爐口，熔融電石流到冷卻小車上的電石鍋內(nèi)。出 口爐設(shè)有擋屏和電弧打眼架，出爐口的上方設(shè)有排煙罩，用通風機抽出出爐時產(chǎn)生的煙 氣。 3 電石冷卻、破碎及包裝 熔融電石在電石鍋內(nèi)用頂車機拉至走廊或包裝間進行冷卻，電石凝固后，用橋式吊 車和單抱鉗將電石砣吊出，放在鑄鐵地面上冷卻，冷卻到適當程度后將電石破碎到合格 粒度，然后分等極進行包裝，送入成品庫。 2 2 2 電石爐的主要設(shè)備洲2 2 l i l 電石爐設(shè)備主要分為兩大部分，爐體設(shè)備和熱發(fā)生設(shè)備。爐體設(shè)備包括爐壁、爐膛、 爐蓋以及冷卻系統(tǒng)等。熱發(fā)生設(shè)備包括變壓器、短網(wǎng)、把持器、導(dǎo)電板、電極等。 1 電石爐體 電石爐體是生產(chǎn)電石的主要設(shè)備。在電石爐內(nèi)由于電弧發(fā)出的高溫使爐料熔化相互 反應(yīng)而生成電石。由于反應(yīng)溫度高達2 0 0 0 。c 以上，這樣高的溫度，一般耐火材料是難 9 第= 章電i 爐生產(chǎn)i 藝設(shè)備 碰j 論文 以承受的，所以爐體的容積必須大于反應(yīng)的空間，也就是說反應(yīng)區(qū)與電石爐體之自j 留存 一層爐料，用以保護爐體。爐體的形狀很多，有圓形的、橢圓形的、方形的和長方形的 由熱力學(xué)的觀點來看，以圓形較為有利。實際上，爐體形狀的選擇取決于電極位置的布 置和一氧化碳抽取設(shè)備的安裝位置?，F(xiàn)今的電石爐大多數(shù)都采用圓形爐，采用其它形狀 的是極少數(shù)。 凹2 23 山西某電7 i 爐體實物圖 上圖為山西某1 2 0 0 0 k v a 半密閉型電石爐爐體實物圖，爐殼采用圓柱造型。目前國 內(nèi)所用爐殼的結(jié)構(gòu)形式有兩種：一種是圓柱形殼，大多數(shù)工廠都采用這種結(jié)構(gòu)；另一種 是倒圓錐形爐殼，錐角為7 度。這種形式的爐殼在最近幾年我國才開始在大容量密閉電 石爐上采用。 鐵殼側(cè)有豎的加強鋼筋2 4 個，橫的加強鋼筋4 個，這樣有利于增加電石爐殼的強 度，使其保持圓形，不致有丈的變形。在距中心1 米的兩個對稱點上有一個銅棒和一個 鋼管，鋼管是測量電極到爐底電壓用的電線保護管，銅棒是使爐殼與大地接通，為測定 電極對地電壓用的。在爐體側(cè)壁上有三個出爐口，在每兩個出爐口之問有一個燒穿接點， 與爐底碳磚接觸，燒穿接點的銅管穿過爐側(cè)壁各處，均有消磁和絕緣材料，防止漏電和 電能損失。 在爐子內(nèi)部，爐底有6 層耐火磚，可使爐內(nèi)生成的密度太的熔融物不易滲入碳磚層， 延長爐底壽命。在爐壁自爐殼向旱鋪有一層耐火粘土，作為保溫緩沖層分別砌普通耐 火磚和大異形耐火磚。 2 電極 電極也是電石爐的重要設(shè)備之一。它既能把強大的電流導(dǎo)入電極端頭t 在爐內(nèi)進行 電弧燃燒而把電能變換成熱能，又能延續(xù)電極和調(diào)節(jié)電極的燒結(jié)速度，使電極連續(xù)不斷 地進行工作。中小型電石爐電極由把持筒、電極把持器、升降裝置、壓放裝置以及水冷 系統(tǒng)組成。圖2 24 所示為電極實物圖。 _畏飛 l。；-_ 碾j 啦文 電6 妒控制系統(tǒng)的設(shè)”。v 先進控制方案的日 究 目2 24 山柏某電石爐電極實物幽 把持筒又稱電極外筒，用柬懸掛電極及電極把持器，并能在操作時使電極升降。電 極把持器是由兩個半環(huán)項緊的螺栓及螺帽和導(dǎo)電顎板所組成。有的密閉爐的把持器是采 用油壓裝置，導(dǎo)電銅顎板不采用頂緊環(huán)，而是一個呈錐形內(nèi)圓的套。 電極升降裝置包括機動式和液壓式電極升降裝置，對于中大型電石爐系統(tǒng)般采用 較高壓力的液體作為電極升降裝置的動力，該電極液壓升降系統(tǒng)包括泵系統(tǒng)、閥系統(tǒng)以 及升降液壓油缸等，油缸的進油、出油由繼電器和電磁閥控制。 由于自燒電極在生產(chǎn)過程中不斷地消耗，網(wǎng)此要定時壓放電極滿足電極工作長度。 電極壓放裝置包括上癢擦環(huán)、上庫擦片、升降油缸活塞、下摩擦環(huán)、下摩擦片、錐環(huán)、 下摩擦坪油缸活塞、上摩擦環(huán)油缸活塞等，該壓放裝置一般由液壓系統(tǒng)控制動作。 電極把持器所工作的地區(qū)平均溫度在5 0 0 。c 左右，在強烈高溫情況下，也可達到 9 0 0 + c 一 0 0 0 c 以上，因此電極把持器部分必須采用冷卻系統(tǒng)。 3 電石爐變壓器及短網(wǎng) 變壓器是保證電石生產(chǎn)的關(guān)鍵因素，它將很高的電壓改變?yōu)檫m應(yīng)電石生產(chǎn)工藝要求 的丁作r 乜壓，如可將6 6 0 0 v 3 5 0 0 0 v 的高壓降到6 5 v 一2 5 0 v 的低壓，甚至可將1 1 0 k v 一次電壓變成電石爐二次電壓，以滿足電石生產(chǎn)需要。 電石爐變壓器的功率是撤拒爐于容量的大小來決定的，必須保證電石爐使用低電壓 時，變壓器二次線圈產(chǎn)生相當大的電流，因此它是一種特殊的變壓器。由于變壓器轉(zhuǎn)換 裝置不同，因此改變二次電壓的方式( 單相或i 相模式) 也宵所小同。各種爐子根掂電 雎調(diào)節(jié)需要變壓器的可調(diào)級有多有少，如1 6 5 0 0 k v 全密閉爐變壓器為2 5 緞，每級壓 差25 v ，但三相間級數(shù)不得超過1 0 級。一次側(cè)可方便地改變走線方式，根據(jù)需要決定 采用“”或“y ”連接。 電石爐短網(wǎng)是變壓器二次側(cè)( 低壓側(cè)) 聯(lián)結(jié)電極把持器的導(dǎo)電母線，它由固定部分 與移動部分組成，移動 f ：分用以保證電極的上升和f 降。圈2 25 所示為電石爐短網(wǎng)線 j ! 罔。 第一章電i 爐產(chǎn)t 豈& 設(shè)* 碗十論立 固昌 1 一= 相接法 2 = 相y 接法 圈2 , 25 電石爐短同線路幽 從變壓器到電石爐之間電流的輸送依靠銅或鋁質(zhì)母線來完成。因輸送是大電流，所 以需要截面積很大的母線。如短網(wǎng)由銅管組成，當電流通過時產(chǎn)生的熱量和爐子的輻射 熱的正常溫度不超過8 0 u c 可以用水冷卻帶走熱量。如果短網(wǎng)布置不當，將會影響電 石爐的功率因數(shù)及降低電石爐的電效率，同時辦會產(chǎn)生靜相的功率轉(zhuǎn)移現(xiàn)蒙。 4 爐氣凈化除塵系統(tǒng) 電石爐在生產(chǎn)電石時，伴隨有大量一氧化碳氣體生成，對高濃度一氧化碳的爐氣必 須加以回收利用，但由于電石爐氣含有大量的煙塵和刺激性氣味，因此對其循環(huán)利用前 要加以凈化處理。 爐氣除塵系統(tǒng)的主要設(shè)備就是除塵器，根據(jù)工藝要求選擇一些附屬設(shè)備如：除塵風 機、風機入口調(diào)節(jié)擋板、脈沖布袋除塵器、百葉式預(yù)除塵器、高溫煙氣冷卻器、振動器、 脈沖控制儀、離線閥、貯氣罐和煙囪等。 鎊 幽2 26 山西某電石爐除塵系統(tǒng)實物圖 圖2 26 所示為山西某電石爐除塵系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用除塵風機產(chǎn)生的吸力將高溫煙 氣送入管式冷卻器進行冷卻。來自振動給料器、旋轉(zhuǎn)密封閥、皮帶轉(zhuǎn)運點以及電石倉等 的低溫煙氣進入百葉式預(yù)除塵器，除去大顆粒的粉塵。這兩股煙氣會臺后進入脈沖布袋 除塵器，除塵完畢后經(jīng)由風機從煙囪進行排放。從外界送來的壓縮空氣經(jīng)儲氣罐后，依 次提供給布袋除塵器反吹和儀表用風。在管式冷卻器、百葉式預(yù)蹤塵器以及脈沖布袋除 塵器沉積下來的粉塵，經(jīng)過格式排灰閥到刮板機會臺后外送。 碩士論文 電石爐控制系統(tǒng)的設(shè)計與先進控制方案的研究 2 3 本章小結(jié) 本章介紹了電石基本用途及電石爐相關(guān)生產(chǎn)原理，同時根據(jù)現(xiàn)有電石爐工藝對電石 生產(chǎn)的主要設(shè)備( 如電石爐體、電極、變壓器和短網(wǎng)以及凈化系統(tǒng)等) 進行詳細描述和 說明?；趯﹄娛癄t生產(chǎn)工藝和設(shè)備的了解和掌握，之后將對電石爐控制系統(tǒng)進行規(guī)劃 和設(shè)計。 第三章電石爐控制系統(tǒng)的設(shè)計碩士論文 3 電石爐控制系統(tǒng)的設(shè)計 前文已對電石爐的工藝和設(shè)備進行了詳細的研究和說明，本章將根據(jù)山西電石爐工 藝設(shè)備和項目的具體需求，對其控制系統(tǒng)部分進行設(shè)計，為該系統(tǒng)選取相應(yīng)的軟件和硬 件，同時結(jié)合可編程邏輯控制器( p l c ) 和上位機監(jiān)控軟件( w i n c c ) 實現(xiàn)電石爐控制 系統(tǒng)中的電極壓放控制、報警保護及參數(shù)顯示等功能。 3 1 電石爐控制系統(tǒng)設(shè)計 山西某電石爐采用半密閉爐型，電極控制以液壓為動力。根據(jù)生產(chǎn)工藝和設(shè)備，將 整個系統(tǒng)分為控制系統(tǒng)、配料系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等四個主要部分。如圖3 1 1 所示，控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)三相電極的壓放和升降控制；配料系統(tǒng)完成對石灰、焦碳等生 產(chǎn)原料稱重配比；凈化系統(tǒng)實現(xiàn)電石爐尾氣的回收凈化等功能。 電石爐系統(tǒng) 控制系統(tǒng)ll 配料系統(tǒng)ll 凈化系統(tǒng)ll 供電系統(tǒng) 耋霎li 委蓁ii 簇嘉ll 羹鬟ll 群li 毳螢ii 毳蘿li 凳li 璧ii 震ii 竇 低 配 圖3 1 - 1 山西某電石爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 本課題以該電石爐控制系統(tǒng)為開發(fā)和設(shè)計背景，并實現(xiàn)電極的升降和壓放控制、報 警保護以及各工藝參數(shù)的監(jiān)控等功能，以下將對該控制系統(tǒng)的項目需求及具體設(shè)計加以 詳細的說明和論述。 3 1 1 項目需求 電石爐控制系統(tǒng)的項目內(nèi)容為：根據(jù)電石爐生產(chǎn)工藝，利用p l c 和上位機監(jiān)控軟 件相結(jié)合實現(xiàn)電極恒電流手自動升降控制、電極手自動壓放操作以及各項性能參數(shù)的顯 示等各項功能。 控制系統(tǒng)所需監(jiān)控參數(shù)包括：變壓器原邊、副邊三相電壓；變壓器原邊、副邊三相 電流；變壓器副邊單相電極對底電壓；變壓器原邊功率因數(shù)、有功和無功功率、各班電 量值以及電極各相比電阻值等。其中利用p l c 、傳感器、變送器等自動化儀表和設(shè)備對 現(xiàn)場各工藝參數(shù)進行采集，并在上位機進行顯示和打印。 1 4 碩士論文電石爐控制系統(tǒng)的設(shè)計與先進控制方案的研究 電石爐控制系統(tǒng)需實現(xiàn)功能如下： 1 三相電極升降控制：通過控制電極的升降來調(diào)節(jié)電石爐原邊電流，使之等于給 定電流，且保持三相電流平衡；同時能對電極電流上限及下限緊急報警；控制 參數(shù)通過計算機設(shè)定，使電石爐達到最佳運行狀態(tài)。 2 三相電極壓放控制：通過人工補償方式實現(xiàn)電極定時和定量的壓放控制。 3 報警保護：電極調(diào)節(jié)至極限時，三相電極還不能平衡，進行報警，電極轉(zhuǎn)變?yōu)?壓放控制，不再進行升降調(diào)節(jié)。監(jiān)測電極電流，當出現(xiàn)非常情況( 如突然變大 或突然減少) 時報警。 4 功率計算：對原邊電流、電壓、功率因數(shù)等參數(shù)實時采樣，并在計算機上顯示、 存儲和打印，根據(jù)系統(tǒng)時間累計班、日和月各項有功、無功功率及電量值。 3 1 2 控制系統(tǒng)設(shè)計 由于傳統(tǒng)半密閉型電石爐現(xiàn)場環(huán)境惡劣，系統(tǒng)容易受高溫、灰塵等諸多因素的影響， 并且電極控制部分控制精度較高、系統(tǒng)復(fù)雜，因此采用繼電器控制電路不利于系統(tǒng)的維 護和運行。針對以上原因該電石爐系統(tǒng)采用西門子s 7 3 0 0p l c 對控制系統(tǒng)部分進行研 究和設(shè)計，同時采用s i m a t i cw i n c c 上位機監(jiān)控軟件實現(xiàn)操作站與p l c 的數(shù)據(jù)交換處 理，根據(jù)項目需求電石爐控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如下所示： 圖3 1 2 電石爐控制系統(tǒng)設(shè)計圖 由圖3 1 2 可知，變送器將現(xiàn)場的原邊電壓、電流等參數(shù)送入p l c 中進行運算和處 理，w i n c c 利用m p i 通信實現(xiàn)操作站與p l c 的數(shù)據(jù)和指令交換處理，另外p l c 輸出 2 4 v 開關(guān)輸出信號控制中間繼電器從而帶動現(xiàn)場電磁閥動作。整個電石爐控制系統(tǒng)基于 p l c 和w i n c c 實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集顯示、電極升降和壓放控制以及報警保護等功能。 第三章電石爐控制系統(tǒng)的設(shè)計 碩士論文 1 數(shù)據(jù)采集顯示 現(xiàn)場信號經(jīng)變送器轉(zhuǎn)化為電流信號后再輸入p l c 的a i 模塊，p l c 的a d c 硬件電 路將電流信號a d 轉(zhuǎn)換后所得的數(shù)字量信號仍需在p l c 中利用軟件進行采樣和標定處 理，最后p l c 將處理過的數(shù)據(jù)在上位機w i n c c 軟件中顯示。此外p l c 根據(jù)所采集的數(shù) 據(jù)進行各項功率的計算和累計處理。 2 電極升降控制 三相電極升降控制系統(tǒng)采用恒電流控制方式，根據(jù)電石爐對象特性，設(shè)計和采用相 應(yīng)控制算法。如圖3 1 3 示，將采集處理后的原邊電流值和電流設(shè)定值作為控制器輸入， 利用控制運算的輸出值進行脈沖控制得到開關(guān)控制信號，最終利用p l c 實現(xiàn)對電極的 自動升降控制。同樣操作人員也可以利用上位機w i n c c 監(jiān)控軟件通過p l c 直接實現(xiàn)對 電極的手動升降控制。 模擬量處理h 原邊電流變送器 墅莖里塑生卜叫莖壁鎏竺墊塑 百兩田 圖3 1 3 電極自動升降控制系統(tǒng)設(shè)計圖 現(xiàn)場液壓電磁閥的開關(guān)時間決定電極升降幅度和電極電流值的大小，因此由控制算 法得到的輸出值需進行脈沖調(diào)節(jié)后再由p l c 輸出開關(guān)量信號給液壓執(zhí)行機構(gòu)。 3 電極壓放控制 石墨電極在生產(chǎn)中不斷被消耗，因此為保證電極工作長度需要對電極定時進行壓放 控制。單相電極壓放裝置包括上摩擦環(huán)、立缸、下摩擦環(huán)、錐環(huán)，其均由液壓閥和液壓 缸帶動。在實際的壓放控制中操作人員可以根據(jù)現(xiàn)場的設(shè)備情況對每個裝置單獨控制， 也可以根據(jù)壓放工藝流程進行連鎖定時控制。電極壓放控制系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)實際需要可進 行手自動控制，并利用p l c 和w i n c c 結(jié)合實現(xiàn)對各液壓閥的開關(guān)和時序控制。 4 系統(tǒng)報警保護 報警系統(tǒng)利用p l c 、w i n c c 、報警器相結(jié)合實現(xiàn)對現(xiàn)場運行狀態(tài)的實時監(jiān)控，如電 極升降達到上下限位或電流達到最高限制值時，p l c 會自動執(zhí)行保護程序，停止一切自 動操作，同時將系統(tǒng)運行故障利用w i n c c 進行可視化顯示，操作人員可以根據(jù)報警器 提示及具體情況做出相應(yīng)判斷和處理。 由于p l c 和w i n c c 存在編程容易、操作方便、設(shè)計和安裝簡單等優(yōu)越性，因此該 系統(tǒng)以p l c 為控制器、w i n c c 監(jiān)控軟件為操作工具來實現(xiàn)對電極的升降、壓放、報警 保護等各控制功能。 1 6 碩士論文電石爐控制系統(tǒng)的設(shè)計與先進控制方案的研究 3 2 硬件選型與安裝 根據(jù)上節(jié)所述控制系統(tǒng)的設(shè)計，電石爐控制系統(tǒng)的硬件需求分為下位機( p l c ) 、 上位機、現(xiàn)場儀表三個部分，其中下位機p l c 硬件按照系統(tǒng)控制要求進行配置，上位 機根據(jù)系統(tǒng)性能要求配置相應(yīng)工控機和打印機，儀表型號根據(jù)實際工藝參數(shù)量程范圍進 行選擇。 3 2 1p l c 及相關(guān)硬件簡介 p l c ( p r o g r a m m a b l