【正文】 其核心部件，使可編程控制器的性能價格比產(chǎn)生了新突破。 1973年，歐洲開始生產(chǎn)可編程控制器。 1968年，美國最大的汽車制造商 — 通用汽車公司為了適應生產(chǎn)工藝不斷更新的需要，要求尋找一種比繼電器更可靠、功能更齊全、響應 速度更快的新型工業(yè)控制器，并從用戶角度提出了新一代控制器應具備的十大條件，這十大條件是： a)編程方便，可現(xiàn)場修改程序； b)維修方便，采用插件式結(jié)構(gòu)； c)可靠性高于繼電器控制裝置； d)體積小于繼電器控制盤； e)數(shù)據(jù)可直接送入管理計算機； 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 8 頁 共 43 頁 f)成本可與繼電器控制盤竟爭； g)輸入可為市電； h)輸出可為市電，容量要求在 2A以上，可直接驅(qū)動接觸器等； i)擴展時原系統(tǒng)改變最少； j）用戶存儲器大于 4KB。 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 7 頁 共 43 頁 圖 21 大型密閉電石爐的工藝流程圖。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（ 12）進入中間貯斗（ 13）。電石爐定時將熔融電石放出來，沿著具有冷卻水管的流料槽流入冷卻筒（ 11）中。投料管直接插入爐蓋內(nèi)，當爐料下沉時，可繼續(xù)補充爐料。從環(huán)形料倉下部的投料管把爐料投入電石爐（ 7）中。液壓 件的動作有電氣系統(tǒng)進行控制。之所以需要壓放操作是因為在電石爐工作過程中，電極因不斷被消耗而變短，如果只采用升降方式，升降大立缸最終會移動至下限位無法繼續(xù)移動。 用液壓系統(tǒng)控制電極的移動有兩個目的，為了達到這兩個目的，采用了兩個不同的方式。因而，在生產(chǎn)過程中，必須有一個較理想的功率調(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。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爐料。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。工業(yè)碳化鈣，或簡稱電石，是由石灰和含碳物料（無煙煤，焦炭） 在電石爐中熔煉制得。 2 電石生產(chǎn)設備和工藝概述 為了完成對電石爐系統(tǒng)的計算機控制技術改造，首先必須了解原有電石爐生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)設備，發(fā)現(xiàn)原有系統(tǒng)的弊端，以便在原有設備基礎上，合理設計計算機控制系統(tǒng)，使得電石生產(chǎn)規(guī)范化和自動化，達到提高生產(chǎn) 質(zhì)量，降低耗能的目的。而大量老設備仍在使用，如陜北就有許多中小型電石爐，并未進行節(jié)能 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 4 頁 共 43 頁 改造。由于爐型和生產(chǎn)流程基本未變，故主要的發(fā)展趨勢在于各項先進技術的綜合應用。 國內(nèi)還有其他這方面的研究，不過整體說我國還是和許多發(fā)達國家有著一定的差距。而對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]。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做狀況波動，如果出現(xiàn)電極斷裂，還需停電處理，故電石爐難以高負荷長期穩(wěn)定運行。我國目前生產(chǎn)所用的電石生產(chǎn)設備多為 60～ 80 年代仿制 Demag 型式的中小型密閉爐或開放爐，技術性能相當于國際 60 年代水平，并且小型開發(fā)爐數(shù)量占 90%左右。日本早期從國外 引進 幾座電石爐，在此基礎上經(jīng)過消化設計，建成了多座改良性密閉電石爐。美國生產(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算機運用于電石生產(chǎn)過程控制。開始電石僅用于電燈、金屬切割與焊接。技術改造核心是設計一套計算機控制系統(tǒng)，結(jié)合具體生產(chǎn)工藝，合理設計計算機控制系統(tǒng)軟硬件，使電石生產(chǎn)過程自動化和規(guī)范化。運用 PLC 自動控制系統(tǒng) 可 以通過對電石爐進行動態(tài)監(jiān)測電石爐的電壓、電流和供率的電氣參數(shù)。對電石爐生產(chǎn)過程進行自動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。它工作的穩(wěn)定與否直接關系到電石產(chǎn)品的質(zhì)量。為了改變上述情況，對大量的設備 實施自動控制 是有效途徑之一 [1]。故電石爐是生產(chǎn)電石的主要設備，其性能直接影響到電石產(chǎn)量、質(zhì)量以及能耗等經(jīng)濟技術指標。 除少數(shù)引進設備外，我國目前生產(chǎn)所用的電石生產(chǎn)設備多為 60～ 80 年代仿制 Demag 型式的中小型密閉爐或開放爐。 課題 的 意義 電石爐是生產(chǎn)電石的大型設備，它是通過三相電極之間產(chǎn)生的電弧對原材料進行加熱 ，使原材料在一定溫度下發(fā)生化學反應而生產(chǎn)出電石產(chǎn)品。在工業(yè)上僅應用少數(shù)幾種碳化物，其中 活化鈣居 第一位。 因而電石爐是生產(chǎn)電石的主要設備 ,其性能直接影響到電石產(chǎn)量 ,質(zhì)量以及能耗等經(jīng)濟指標 。以 測電氣參數(shù)為基礎，結(jié)合其他工藝參數(shù)，采用先進 PLC 控制技術，合理動態(tài)調(diào)節(jié)電極插入深度，控制電爐電流、電壓級數(shù)等參數(shù)滿足生產(chǎn)要求。本設計結(jié)合目前國內(nèi)工藝現(xiàn)狀和原料特點，分析設備工藝數(shù)據(jù)，采用 PLC 控制理論和技術，研究合理的控制模型和策略，尋求生產(chǎn)過程中交加的參數(shù)匹配，建立電石爐運行的控制模型。二次大戰(zhàn)后，隨著有機合成工業(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)模不斷擴大。原聯(lián)邦德國也是世界上生產(chǎn)電石比較早的國家，德國 Demag 公司于50 年代即設計了 2座大型密閉爐。由于這些國家的電石生產(chǎn)裝備采用了先進的型式（如挪威發(fā)明的的 Elekm和德國發(fā)明的 Demag 型密閉電石爐）和先進的技術（如進年來空心電極和電石爐計算機控制系統(tǒng)的應用等），故其技術經(jīng)濟指標處于世界領先地位。這些早期設備的產(chǎn)量占總產(chǎn)量的 80%以上。導致電 石生產(chǎn)的經(jīng)濟技術指標較低，如國內(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。 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 ,對電石爐電極區(qū)位進行隨機調(diào)節(jié)控制，使電極始終處在適當?shù)奈恢?，從而解決電極區(qū)位調(diào)節(jié)控制的生產(chǎn)技術 [5]。所以，此次的 PLC 在電石爐的設計對國內(nèi)電石爐發(fā)展有一定的意義。 國內(nèi)的某些企業(yè)先后引進了多臺 Elekm 型密閉電石爐。隨著電力供應的緊 張，淘汰部分落后設備，對一些有基礎的設備進行改造將成為發(fā)展趨勢。為此，我們對電石生產(chǎn)的設備和工藝做出了大量的調(diào)研工作 [8]。這時發(fā)生以下的反應： 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)化過來的。因此，電石具有極高的生產(chǎn)價值。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。其次，爐料熔化和溫度的控制主要靠電弧。 電極自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)是具有上述功能的裝置。第一種是通過驅(qū)動升降大立缸來使得電極移動，這時電極將和套在其上的上、下摩擦帶動一起移動，其目的是為了控制因爐料反應而導致的電極電流波動。所以在電石生產(chǎn)過程中“升降”操作是主要的調(diào)節(jié)方式，但每間隔一段時間需要“壓放”一次以彌補石墨電極消耗 [10]。壓放電極時， 6 個順序動作每一個動作的結(jié)束時后一個動作的開始，直到全部動作結(jié)束為止 [11]。電流由電爐變壓器（ 8），經(jīng)短網(wǎng)（ 9） 、 集電環(huán)、軟銅帶和導電顎板導入電極（ 10）。電石爐的使用功率由電極升降和電壓級數(shù)的切換來調(diào)整，切換電壓可以在有載的情況下進行 [12]。筒內(nèi)裝有導葉，可以抄起電石塊而將其摔碎。再由此經(jīng)漏斗而落入自動秤（ 14）稱量后的電石沿變向加料筒進入貯斗（ 15）內(nèi)貯存。 3 PLC技術簡介 在自動化控制領域， PLC 是一種重要的控制設 備。 1969年，美國數(shù)字設備公司研制出了第一臺可編程控制器 PDP14，在美國通用汽車公司的生產(chǎn)線上使 用成功，并取得了滿意的效果，可編程控制器由此誕生。到現(xiàn)在世界各國的一些著名的電氣工廠幾乎都在 生產(chǎn) 可編程控制器裝置?，F(xiàn)在的可編程控制器都采用了微處理器（ CPU）、只讀存儲器（ ROM）、隨機存儲器（ RAM）或是單片機作為其核心。另一方面，發(fā)展簡易經(jīng)濟的超小型可編程控制器，以適應單機控制、小型自動化的需要。而有關的外圍設備，都應按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。如今，可編程序控制器的技術已非常成熟。 a） 可靠性強，抗干擾能力強。 b）適應性強，應用靈活。幾年來有發(fā)展了面向?qū)ο蟮捻樋亓鞒虉D語言，也稱功能圖，使編程更簡單方便。設計人員只要有 PLC就可進行控制系統(tǒng)設計并可在實驗室進行模擬調(diào)試。工 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 10 頁 共 43 頁 作人員通過它可以查出故障原因，便于迅速處理。 可編程控制器的應用 PLC種類繁多，但其組成結(jié)構(gòu)和工作原理基本相同。目前， PLC在國內(nèi)外已經(jīng)廣泛應用于鋼鐵、采礦、水泥、石油、化工、電子、機械制造、汽車、船舶、裝卸、造紙、紡織、環(huán)保、娛樂等各行各業(yè)。 運動控制 PLC制造商目前已提供了拖動步 進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。著名的日本 FANUC公司推出的 System 1 12系列，已將 CNC 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 11 頁 共 43 頁 控制功能作為 PLC的一部分。東芝的TOSNUC600也將 CNC和 PLC組合在一起，預計今后幾年 CNC系統(tǒng)將變成以 PLC為主體的控制和管理系統(tǒng)。 PID 算法一旦適應了工藝，就不管工藝混亂而保持設定值。 PLC之間、 PLC和上級計算機之間都采用光纖通信，多機傳遞。 電石爐由于當時技術水平所限，經(jīng)過多年運行，暴露出以下幾點不足： （ 1）電石生產(chǎn)為三班連續(xù)作業(yè)，由于操作員的素質(zhì)（如技術水平、反應靈敏性和責任心 等）不同，導致電石爐運行很不規(guī)范，難以保證持續(xù)滿負荷運行； （ 2）電極壓放經(jīng)常必須在停電狀態(tài)下進行； 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 12 頁 共 43 頁 （ 3）電石爐運行參數(shù)和供配電狀態(tài)分別由操作員和電工定時觀察和記錄，難以做到規(guī)范準確，難以對數(shù)據(jù)進行分析，更難以對歷史記錄分析比較等等。 經(jīng)過技術改造后，控制系統(tǒng)實現(xiàn) 了以下功能： （ 1）自動采集顯示電流、電壓； （ 2）自動與設定參數(shù)進行對比； （ 3）自動進行自我調(diào)節(jié)，使數(shù)值盡量維持在設定值內(nèi)。在自動控制運行情況下，可根據(jù)工藝規(guī)定流程，實現(xiàn)恒電流模式平穩(wěn)運行，使整個操作流程更加規(guī)范合理；以原電極壓放設備為基礎，進行適當改造，實現(xiàn)電極不停電定時自動壓放。由于通過互感器處理后的電流為 0~5A 或 0~，電壓為 0~100V 或 0~150V，故上述各項電量信號均需增加相應的電量變送器轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C可采集的 4~20mA 的 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 13 頁 共 43 頁 標準信號 [18]。 根據(jù)對電石爐生產(chǎn)工藝特點的實際調(diào)研和其生產(chǎn)環(huán)境的了解得知，電石爐現(xiàn)場條件較為惡劣，灰塵多，溫度高，電磁干擾嚴重。該電石爐控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)回路較少，而檢測參數(shù)較多，模擬量較少，開關 量較多，屬于中等規(guī)模的技改項目。如果此循環(huán)工作系統(tǒng)成立，就能達到使爐內(nèi)溫度盡量恒定在最佳溫度值，進而能達到提高生產(chǎn)質(zhì)量 [19]。有效地防止了 EMI（ 電磁干擾 ） ，系統(tǒng)易于擴展，可采用 IEEE488， RS232， RS422/485 通訊卡來實現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)采集與控制，還配有豐富的接口板 。 FX2n系列是 FX系列 PLC家族中較先進的系列。采用了優(yōu)良的可維護性快速斷開端子塊，并在 FX2N系列 PLC中都有實時時鐘標準。元件注解可以記錄在程序寄存器中，在線改變程序不會損失工作時間或停止生產(chǎn)運轉(zhuǎn)。可 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 16 頁 共 43 頁 選為模擬值范圍為177。 FX2N4AD 占用 8 個 I/O 點。其他的性能與 FX2N2DA 相似。 本系統(tǒng)上位機選用研華工控機，運行 Windows20xx 操作系統(tǒng)，以滿足上位組態(tài)軟件的運行要求。由于系統(tǒng)的實際需要 ,系統(tǒng)設“自動控制”和“手動控制” 2 種工作方式 。 （ 3）輸出刷新階段 :將輸出元件映象寄存器的內(nèi)容，從第一個輸出端口開始，到最后一個結(jié)束，依次讀入對應的輸出鎖存器，從而驅(qū)動輸出器件形成可編程的實際輸出?？删幊炭刂破鞅举|(zhì)上是一臺計算機，和其他計算機一樣，他按照分時工作的原理進行工作。實際 上大多數(shù)工業(yè)對象準確的數(shù)學模型是無法獲得的，對于這一類系統(tǒng)，使用 PID 控制可以得到比較滿意的效果。隨著智能控制技術的發(fā)展， PID 控制與模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等現(xiàn)代控制方法相結(jié)合，可以實現(xiàn) PID 控制器的參數(shù)自整定， 使 PID 控制器具有經(jīng)久不衰的生命力。但是這種模塊的 PLC PVf PV Pv(t) C(t) mv(t) MV EV SV PID 調(diào)節(jié)器 數(shù)字濾波 A/D 測量變送 被控對象 執(zhí)行機構(gòu) D/A 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 19 頁 共 43 頁 價格昂貴，一般在大型控制系統(tǒng)中使用。它們實際上是用于 PID 控制的子程序，與 A/D、 D/A 模塊一起使用，可以得到類似于使用 PID 過程控制模塊的效果，價格卻便宜得多。 FX2N 的 PID 指令 PID 指令的編號為 FNC88，如圖 52所示