【正文】 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 1 頁(yè) 共 43 頁(yè) 1 引言 本課題研究的背景及意義 課題 的提出背景 電石主要是由電石爐內(nèi)電弧和電阻加熱焦炭和生石灰等原料，使之在熔化狀態(tài)下反應(yīng)而制成。故電石爐是生產(chǎn)電石的主要設(shè)備，其性能直接影響到電石產(chǎn)量、質(zhì)量以及能耗等經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。 除少數(shù)引進(jìn)設(shè)備外，我國(guó)目前生產(chǎn)所用的電石生產(chǎn)設(shè)備多為 60～ 80 年代仿制 Demag 型式的中小型密閉爐或開(kāi)放爐。這些早期設(shè)備的產(chǎn)量占總產(chǎn)量的 80%左右。與國(guó)外相比，我國(guó)電石工業(yè)生產(chǎn)裝備整體技術(shù)水平尤其是自動(dòng)控制水平仍然較低，仍然為粗放式高耗能生產(chǎn)模式，導(dǎo)致產(chǎn)品價(jià)格偏高，經(jīng) 濟(jì)指標(biāo)差，缺乏國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。為了改變上述情況，對(duì)大量的設(shè)備 實(shí)施自動(dòng)控制 是有效途徑之一 [1]。 課題 的 意義 電石爐是生產(chǎn)電石的大型設(shè)備，它是通過(guò)三相電極之間產(chǎn)生的電弧對(duì)原材料進(jìn)行加熱 ，使原材料在一定溫度下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生產(chǎn)出電石產(chǎn)品。電石爐三項(xiàng)電極 升降控制好壞，直接影響爐溫和三項(xiàng)電流的不平衡程度，從而影響產(chǎn)品的質(zhì)量以及電網(wǎng)的質(zhì)量。電石冶煉爐同樣是一個(gè)大量消耗電能、爐內(nèi)情況變化很大、現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境惡劣的冶煉設(shè)備。它工作的穩(wěn)定與否直接關(guān)系到電石產(chǎn)品的質(zhì)量。在工業(yè)上僅應(yīng)用少數(shù)幾種碳化物，其中 活化鈣居 第一位。工業(yè)碳化鈣，或簡(jiǎn)稱電石，使有時(shí)會(huì)和含碳物料（無(wú)煙煤，焦炭）在電爐中熔煉制得。電石主要是由電石爐內(nèi)電弧和電阻加熱焦碳和石灰石等材料 ,使之在熔化狀態(tài)下反映而制成 。對(duì)電石爐生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制是冶煉廠提高產(chǎn)品質(zhì)量和節(jié)能降耗的重要手段之一。 因而電石爐是生產(chǎn)電石的主要設(shè)備 ,其性能直接影響到電石產(chǎn)量 ,質(zhì)量以及能耗等經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 。而現(xiàn)在國(guó)內(nèi)電石生產(chǎn)現(xiàn)狀還不是很先進(jìn)， 極電流等現(xiàn)場(chǎng)控制有操作員手工操作實(shí)現(xiàn)。電石生產(chǎn)為三班連續(xù)作業(yè)，由于操作員的素質(zhì)（如技術(shù)水平、反應(yīng)靈敏性和責(zé)任心等）不同，導(dǎo)致電石爐運(yùn)行很不規(guī)范，難以保證持 續(xù)滿負(fù)荷運(yùn)行；電極壓放經(jīng)常必須在停電狀態(tài)下進(jìn)行；電石爐運(yùn)行參數(shù)和供配電狀態(tài)分別由操作員和電工定時(shí)觀察和記錄，難以做到規(guī)范準(zhǔn)確，難以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，更 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 2 頁(yè) 共 43 頁(yè) 難以對(duì)歷史記錄分析比較等等，這就要求通過(guò)設(shè)計(jì)更好的方法去進(jìn)一步改善它 。運(yùn)用 PLC 自動(dòng)控制系統(tǒng) 可 以通過(guò)對(duì)電石爐進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)電石爐的電壓、電流和供率的電氣參數(shù)。以 測(cè)電氣參數(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合其他工藝參數(shù)，采用先進(jìn) PLC 控制技術(shù)，合理動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電極插入深度，控制電爐電流、電壓級(jí)數(shù)等參數(shù)滿足生產(chǎn)要求。在自動(dòng)控制運(yùn)行情況下，可根據(jù)工藝規(guī)定流程，實(shí)現(xiàn)恒電流模式平穩(wěn)運(yùn)行，使整個(gè)操作流 程更加規(guī)范合理 。 本設(shè)計(jì)是為了適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)需要，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低能耗，對(duì)電石爐進(jìn)行控制策略研究和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)改造。技術(shù)改造核心是設(shè)計(jì)一套計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，結(jié)合具體生產(chǎn)工藝，合理設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟硬件，使電石生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化和規(guī)范化。本設(shè)計(jì)結(jié)合目前國(guó)內(nèi)工藝現(xiàn)狀和原料特點(diǎn)，分析設(shè)備工藝數(shù)據(jù)，采用 PLC 控制理論和技術(shù)，研究合理的控制模型和策略，尋求生產(chǎn)過(guò)程中交加的參數(shù)匹配，建立電石爐運(yùn)行的控制模型。同時(shí)以此為基礎(chǔ)，研制電石爐的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，研究電極的升降，及爐內(nèi)恒溫的控制。 電石工業(yè) 國(guó) 內(nèi)外相關(guān)技術(shù)現(xiàn) 狀與發(fā)展趨勢(shì) 電石工業(yè)國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀 電石工業(yè)誕生已有一個(gè)世紀(jì)。開(kāi)始電石僅用于電燈、金屬切割與焊接。二次大戰(zhàn)后，隨著有機(jī)合成工業(yè)的迅速發(fā)展，電石工業(yè)裝備水平不斷提高，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大。日本、美國(guó)、德國(guó)等是世界上電石工業(yè)較發(fā)達(dá)的國(guó)家，電石工業(yè)發(fā)展歷史長(zhǎng)。 美國(guó)是世界上第一個(gè)生產(chǎn)電石的國(guó)家。美國(guó)生產(chǎn)電石的企業(yè)有聯(lián)合碳化物公司、太平洋電石公司等，他們于 60 年代末首先嘗試將計(jì)算機(jī)運(yùn)用于電石生產(chǎn)過(guò)程控制。原聯(lián)邦德國(guó)也是世界上生產(chǎn)電石比較早的國(guó)家，德國(guó) Demag 公司于50 年代即設(shè)計(jì)了 2座大型密閉爐。以后 Demag 形式的電石爐的國(guó)家。挪威 Elekm公司設(shè)計(jì)的 Elekm 電石爐也是各國(guó)引進(jìn)的另一個(gè)發(fā)明密閉電石爐形式。日本早期從國(guó)外 引進(jìn) 幾座電石爐，在此基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)消化設(shè)計(jì)，建成了多座改良性密閉電石爐。由于這些國(guó)家的電石生產(chǎn)裝備采用了先進(jìn)的型式（如挪威發(fā)明的的 Elekm和德國(guó)發(fā)明的 Demag 型密閉電石爐）和先進(jìn)的技術(shù)（如進(jìn)年來(lái)空心電極和電石爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用等），故其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)處于世界領(lǐng)先地位。如電石爐的能耗指標(biāo)電能單耗為 3200 度 /噸以下，質(zhì)量指標(biāo)電石發(fā)氣量達(dá)到 300 升 /公斤，整個(gè)設(shè)備能保持長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行 [2]。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 3 頁(yè) 共 43 頁(yè) 隨著有機(jī)合成工業(yè)的興起，全國(guó)建立了許多電石廠。我國(guó)目前生產(chǎn)所用的電石生產(chǎn)設(shè)備多為 60～ 80 年代仿制 Demag 型式的中小型密閉爐或開(kāi)放爐，技術(shù)性能相當(dāng)于國(guó)際 60 年代水平，并且小型開(kāi)發(fā)爐數(shù)量占 90%左右。這些早期設(shè)備的產(chǎn)量占總產(chǎn)量的 80%以上。與國(guó)外相比，電石生產(chǎn)設(shè)備的整體技術(shù)水平較低。整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程均為通過(guò)觀察儀表測(cè)得的電氣參數(shù)，人工進(jìn)行操作。由于電石生產(chǎn)影響較多，而人工操作有許多不確定因素，因人而異缺乏規(guī)范性，故容易引起電石爐運(yùn)做狀況波動(dòng)，如果出現(xiàn)電極斷裂，還需停電處理，故電石爐難以高負(fù)荷長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。導(dǎo)致電 石生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)較低，如國(guó)內(nèi)目前電石爐的電能單耗約為 3500～ 3700 度 /噸，電石發(fā)氣量約為 275～ 285 升 /公斤。國(guó)內(nèi)也有許多關(guān)于電石爐的研究，李建興、蔣新華等人在 PLC 的電石爐模糊控制系統(tǒng)研究，電石爐系統(tǒng)是一種典型的非線性、時(shí)變的多輸入多輸出三相耦合系統(tǒng) ,難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的控制器的設(shè)計(jì)均建立在被控對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上 ,采用傳統(tǒng)控制方法很難取得理想的控制效果。而對(duì)于許多難以建模的多輸入多輸出系統(tǒng) ,采用模糊控制是非常有效的 [3， 4]。 趙松杰 、 李蘭忖，在 電極電位的 PLC控制的研究， 用 PLC 取代傳統(tǒng)的繼電器 — 接觸器 ,對(duì)電石爐電極區(qū)位進(jìn)行隨機(jī)調(diào)節(jié)控制，使電極始終處在適當(dāng)?shù)奈恢茫瑥亩鉀Q電極區(qū)位調(diào)節(jié)控制的生產(chǎn)技術(shù) [5]。 吳勇研究的 PLC 在電石爐控制系統(tǒng)中的應(yīng)用， 優(yōu)先調(diào)整偏離設(shè)定值最大相和協(xié)調(diào)控制，有效解決負(fù)載波動(dòng)大和 負(fù)載 偶合的問(wèn)題 [6]。 陳龍、馬伯淵、張雪峰等人在智能 PID 控制在電石爐電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的研究 [7]。 國(guó)內(nèi)還有其他這方面的研究，不過(guò)整體說(shuō)我國(guó)還是和許多發(fā)達(dá)國(guó)家有著一定的差距。所以，此次的 PLC 在電石爐的設(shè)計(jì)對(duì)國(guó)內(nèi)電石爐發(fā)展有一定的意義。 電石工業(yè)國(guó) 內(nèi)外技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 目前，國(guó)外的電石爐主要以 Elekm 和 Demag 兩種形式為主。性能較好的電石爐均采用了空心電極加料、采用計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)電極定時(shí)壓放、電極升降和 3個(gè)電極的平衡、工藝參數(shù)的檢測(cè)報(bào)警和數(shù)據(jù)管理等。由于爐型和生產(chǎn)流程基本未變，故主要的發(fā)展趨勢(shì)在于各項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)的綜合應(yīng)用。 國(guó)內(nèi)的某些企業(yè)先后引進(jìn)了多臺(tái) Elekm 型密閉電石爐。但由于原料差異和其他技術(shù)原因。許多企業(yè)并未將一些控制功能投入使用，如某些企業(yè)僅用了手工操作方式。而大量老設(shè)備仍在使用，如陜北就有許多中小型電石爐，并未進(jìn)行節(jié)能 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 4 頁(yè) 共 43 頁(yè) 改造。隨著電力供應(yīng)的緊 張，淘汰部分落后設(shè)備，對(duì)一些有基礎(chǔ)的設(shè)備進(jìn)行改造將成為發(fā)展趨勢(shì)。 目前，對(duì)于電石爐三相電極的調(diào)節(jié)控制仍然沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的，普通適用的方案，而且不同行業(yè)控制經(jīng)驗(yàn)不盡相同，具體問(wèn)題需要具體分析。所以如何通過(guò)對(duì)電極調(diào)節(jié)策略的研究，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低能耗，減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊成為迫切需要解決的研究課題。 2 電石生產(chǎn)設(shè)備和工藝概述 為了完成對(duì)電石爐系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)改造，首先必須了解原有電石爐生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)設(shè)備，發(fā)現(xiàn)原有系統(tǒng)的弊端，以便在原有設(shè)備基礎(chǔ)上，合理設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，使得電石生產(chǎn)規(guī)范化和自動(dòng)化，達(dá)到提高生產(chǎn) 質(zhì)量，降低耗能的目的。為此，我們對(duì)電石生產(chǎn)的設(shè)備和工藝做出了大量的調(diào)研工作 [8]。 電石生產(chǎn) 的 原理和用途 碳與金屬的化合物成為碳化物。在工業(yè)商僅應(yīng)用少數(shù)幾種碳化物，其中碳化鈣居第一位。工業(yè)碳化鈣，或簡(jiǎn)稱電石，是由石灰和含碳物料（無(wú)煙煤，焦炭） 在電石爐中熔煉制得。這時(shí)發(fā)生以下的反應(yīng)： Ca + 3C = CaC2 + CO 電石中除含大部分碳化鈣外，還含有少部分其他雜質(zhì)，這些雜質(zhì)都是原料中的雜質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)來(lái)的。電石是有機(jī)化合成工業(yè)的主要原料之一，其中主 要用途是生產(chǎn)乙炔和氰氨化鈣： (1)制造乙炔： CaC2 + 2H2O = Ca(OH)2 + C2H2 CaC2 +Ca(OH)2 = 2CaO + C2H2 (2)生產(chǎn)氰胺化鈣： CaC2 + N2 CaCN2 + C 而乙炔是現(xiàn)代合成塑料、橡膠、纖維、醫(yī)藥、農(nóng)藥、染料、樹(shù)脂和溶劑等許多有機(jī)產(chǎn)品的基本原料。乙炔可以 合 成數(shù)千種有機(jī)產(chǎn)品，曾被譽(yù)為“有機(jī)合成工業(yè)之母”。氰氨化鈣，即石灰氰是一種優(yōu)良的堿性肥料，也是生產(chǎn)氰化物的原料。因此，電石具有極高的生產(chǎn)價(jià)值。 電石 爐及其生產(chǎn)設(shè)備 電石爐 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 5 頁(yè) 共 43 頁(yè) 根據(jù)加熱方式的不同，電弧爐又可分為 3種類型：間接電弧爐、直接電弧爐、密閉式電弧爐。本項(xiàng)目采用的是密閉式電弧爐。其電弧在電極周圍的固態(tài) 物料 層下面燃燒，因此電流可以平行于電弧而通過(guò)爐料。所以電爐是電弧爐與直接加熱的電阻爐的聯(lián)合，也叫做電阻電弧爐。但按其本身的構(gòu)造， 這種電爐更接近電弧爐，而距電阻爐較遠(yuǎn) [9]。 電極自動(dòng)調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng) 在電石生產(chǎn)過(guò)程中，由于電極同爐料的接觸性短路、爐料的崩塌、爐料成分的氣化、劇烈的化學(xué)反應(yīng)等原因，會(huì)引起電 弧電流發(fā)生很大的波動(dòng)。因此需要快速調(diào)節(jié)電極的位置，以使電弧電流保持在一定范圍內(nèi)。其次，爐料熔化和溫度的控制主要靠電弧。電弧電流的變化，使得輸入爐內(nèi)的電功率也隨之變化。如果電弧電流過(guò)小，則輸入爐內(nèi)的電功率減小，生產(chǎn)時(shí)間延長(zhǎng)；電弧電流過(guò)大，就會(huì)增加線路上的能量消耗，點(diǎn)效率降低。因而，在生產(chǎn)過(guò)程中，必須有一個(gè)較理想的功率調(diào)節(jié)裝置，調(diào)節(jié)電弧爐的輸入功率，以取得最佳的熔煉效果。 電極自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是具有上述功能的裝置。電極自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要 由 電壓電流的測(cè)量比較環(huán)節(jié)、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成，執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為機(jī)電式電極升降 裝置和液壓式電極升降裝置。機(jī)電式電極升降裝置一般用于中小容量的電弧爐，而液壓式電極升降裝置一般用于大型電弧爐，本設(shè)計(jì)中應(yīng)用的是液壓式電極升降裝置。 用液壓系統(tǒng)控制電極的移動(dòng)有兩個(gè)目的，為了達(dá)到這兩個(gè)目的，采用了兩個(gè)不同的方式。第一種是通過(guò)驅(qū)動(dòng)升降大立缸來(lái)使得電極移動(dòng)，這時(shí)電極將和套在其上的上、下摩擦帶動(dòng)一起移動(dòng)，其目的是為了控制因爐料反應(yīng)而導(dǎo)致的電極電流波動(dòng)。第 二種方法是一套固定的工序，通過(guò)上摩擦帶松開(kāi)、提升、加緊，下摩擦帶 松開(kāi)、上摩擦 帶 壓下來(lái)、下摩擦帶緊固共 6 個(gè)動(dòng)作來(lái)使得電極下 壓 ，這時(shí)電極與上下摩擦帶產(chǎn)生 相對(duì)位移，這樣做的目的是因?yàn)槭姌O不斷被電解消耗而變短。為了區(qū)別兩種工作方式，我們稱第一種控制電極移動(dòng)的方式為“升降”，第二種控制電極移動(dòng)的方式為“壓放”。之所以需要壓放操作是因?yàn)樵陔娛癄t工作過(guò)程中，電極因不斷被消耗而變短，如果只采用升降方式，升降大立缸最終會(huì)移動(dòng)至下限位無(wú)法繼續(xù)移動(dòng)。所以在電石生產(chǎn)過(guò)程中“升降”操作是主要的調(diào)節(jié)方式，但每間隔一段時(shí)間需要“壓放”一次以彌補(bǔ)石墨電極消耗 [10]。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 6 頁(yè) 共 43 頁(yè) 壓放系統(tǒng)的機(jī)械部分由上摩擦帶、壓放升降缸和下摩擦帶組成。在摩擦 帶 夾緊和完全放松位置裝有限位開(kāi)關(guān)提供反饋信號(hào)。液壓 件的動(dòng)作有電氣系統(tǒng)進(jìn)行控制。壓放電極時(shí)， 6 個(gè)順序動(dòng)作每一個(gè)動(dòng)作的結(jié)束時(shí)后一個(gè)動(dòng)作的開(kāi)始，直到全部動(dòng)作結(jié)束為止 [11]。 生產(chǎn)工藝流程簡(jiǎn)介 由原料加工處理工序送來(lái)的合格的焦炭和生石灰分別儲(chǔ)存于原料貯斗（ 1）內(nèi)，每個(gè)貯斗下面均有一臺(tái)自動(dòng)稱（ 2），每?jī)膳_(tái)自動(dòng)稱連成一組，一個(gè)稱石灰，另一個(gè)稱焦炭。石灰和焦炭用自動(dòng)稱按規(guī)定比例稱量后，經(jīng)鏈斗輸送機(jī)（ 3）將爐料送至皮帶輸送機(jī)（ 4），載運(yùn)到環(huán)斗加料機(jī)（ 5）向環(huán)形料倉(cāng)（ 6）加料。從環(huán)形料倉(cāng)下部的投料管把爐料投入電石爐（ 7）中。電流由電爐變壓器（ 8），經(jīng)短網(wǎng)（ 9） 、 集電環(huán)、軟銅帶和導(dǎo)電顎板導(dǎo)入電極（ 10）。爐料在電石爐內(nèi)依靠電弧熱、電阻熱和一氧化碳帶出的顯熱，加熱到 1900~2200 攝氏度而生成電石和一氧化碳。生成的電石自出料口流料槽流出。投料管直接插入爐蓋內(nèi)，當(dāng)爐料下沉?xí)r，可繼續(xù)補(bǔ)充爐料。電石爐的使用功率由電極升降和電壓級(jí)數(shù)的切換來(lái)調(diào)整，切換電壓可以在有載的情況下進(jìn)行 [12]。 電極的升降用油壓升降機(jī)（ 17）帶動(dòng)。壓力由油壓裝置供給。電石爐定時(shí)將熔融電石放出來(lái)，沿著具有冷卻水管的流料槽流入冷卻筒（ 11）中。筒內(nèi)裝有導(dǎo)葉，可以抄起電石塊而將其摔碎。筒尾通入氮?dú)?，以減少 電石發(fā)氣量的損失，并可保證安全生產(chǎn)。筒外淋撒冷卻水使其冷卻。經(jīng)冷卻破碎后的電石粒度減小，自筒尾卸出，再經(jīng)斗式提升機(jī)（ 12）進(jìn)入中間貯斗（ 13）。再由此經(jīng)漏斗而落入自動(dòng)秤（ 14）稱量后的電石