【正文】 月 24 日 論文答辯日期： 2021 年 6 月 28 日 摘要 本文研究了電石爐的生產(chǎn)原理、工藝流程，并對(duì)電石生產(chǎn)的主要設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)介紹和說(shuō)明 。下位機(jī)采用具有模塊化結(jié)構(gòu)的可編程控制器 Siemens S7300 完成數(shù)據(jù)采集和對(duì)生產(chǎn)工藝的控制。 第二章 電石爐生產(chǎn)工藝及設(shè)備 .............................. 5 電石爐生產(chǎn)原理 ................................... 5 碳化鈣反應(yīng)機(jī)理 .............................. 5 電石爐電極特性 .............................. 6 電石爐中的電熱過(guò)程 .......................... 7 電石爐生產(chǎn)工藝及設(shè)備 ............................. 8 電石爐系統(tǒng)的高壓電路 ........ 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。在電弧高溫生產(chǎn)電石過(guò)程中，電石爐內(nèi)溫度值的改變是通過(guò)調(diào)節(jié)電極碳棒插入爐料的深度來(lái)控制的，并且其溫度值一般是利用三相原邊電流的大小來(lái)間接測(cè)算的，當(dāng)電極下降時(shí)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。開(kāi)工率僅為 50%60%。 2021 年，碎葉節(jié)能減排政策的持續(xù)發(fā)力，國(guó)家對(duì)于電石行業(yè)的要求將更加嚴(yán)格。 項(xiàng)目背景與研究意義 針對(duì)電石爐項(xiàng)目提出的具體設(shè)計(jì)要求，以節(jié)能降耗、降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度為目標(biāo)，本課題圍繞電石爐系統(tǒng)的控制部分展開(kāi)研究和設(shè)計(jì)。 鑒于人工操作和繼電器系統(tǒng)存在的種種問(wèn)題，本課題以密閉電石爐工藝和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，選取西門子 PLC、工控機(jī)以現(xiàn)場(chǎng)儀表等設(shè)備來(lái)設(shè)計(jì)電石爐控制系統(tǒng)。 電石爐控制系統(tǒng)投入運(yùn)行后，可視化的計(jì)算機(jī)操作界面和報(bào)警保護(hù)能是人員勞動(dòng)強(qiáng)度降低，并能實(shí)時(shí)有效的掌握現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行情況，從而提高生產(chǎn)的安全性和可靠性。 （ 3）研究電石爐中的電極壓放控制系統(tǒng) PLC 編程設(shè)計(jì)。電石中除含大部分碳化鈣外，還含有少部分其他雜志。只有在 Ca 蒸汽壓力較高，而 CO 壓力較低的情況下， 2CaO 才可 能在較低溫度下生成。 電石爐電極特性 電石爐的電能是由變壓器通過(guò)爐子的短路向電爐輸送的，因此在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中存在有變壓器 及短路網(wǎng)的阻抗，影響著電石爐的特性。 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第二章 電石爐生產(chǎn)工藝及設(shè)備 8 電石爐生產(chǎn)工藝及設(shè)備 電石爐形式主要分為三種：開(kāi)放型、半密閉型和全密閉型。 由于爐子的構(gòu)造機(jī)構(gòu)不同，往往工藝流程和相關(guān)設(shè)備也各有差異，圖 所示為電石爐電石生產(chǎn)。電流由電爐變壓器（ 8），經(jīng)短網(wǎng)（ 9）、集電環(huán)、軟銅帶和到點(diǎn)顎板導(dǎo)入電極（ 10）。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管（ 11）中。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（ 15）內(nèi)貯存。在高壓側(cè)，一般要加上電力電容器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。短網(wǎng)中要通過(guò)數(shù)千至幾萬(wàn)安的大電流。 電爐變壓器一般具有 20%～ 30%的過(guò)載容量。在電石生產(chǎn)的過(guò)程中電弧比較穩(wěn)定，可通過(guò)電抗器短路開(kāi)關(guān)將電抗器切除。 圖 1—— 高壓供電網(wǎng)； 2—— 電力電容器； 3—— 隔離開(kāi)關(guān)； 4—— 電壓互感器； 5—— 電流互感器； 6—— 監(jiān)測(cè)儀表； 7—— 斷路器； 8—— 電抗器； 9—— 電抗器短路開(kāi)關(guān)； 10—— 電爐變壓器； 11—— 短網(wǎng)； 12—— 電爐本體 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)生很大波動(dòng)。如果電弧電流過(guò)小，則輸入爐內(nèi)的電功率減少，生產(chǎn)時(shí)間 延長(zhǎng) :電弧電流過(guò)大，就會(huì)增加 線路上的能量損耗，電效率降低。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。左側(cè)為閥系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)輸出信號(hào)有很大一部分都是用來(lái)驅(qū)動(dòng)電磁閥的，這些閥集中安裝在閥站用液壓系統(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。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”。 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)。油泵將油從油箱經(jīng)過(guò)過(guò)濾網(wǎng)、罐閥送到儲(chǔ)壓罐或閥站，或經(jīng)安全溢流閥回油箱。 在壓放過(guò)程中， 摩擦帶的松緊是 2 個(gè) 3 通閥通過(guò)電控制而動(dòng)作的，送電時(shí)摩擦帶松開(kāi)，斷電時(shí)摩擦帶夾緊 .油路中節(jié)流閥用來(lái)調(diào)節(jié)摩擦帶松緊的速度，電磁閥左邊壓力表是觀察電磁閥接通油路的情況之用。為控制摩擦帶運(yùn)動(dòng)速度，在下腔油路中裝有相反的單向減壓閥，以便在運(yùn)動(dòng)中動(dòng)作平穩(wěn)。 在自動(dòng)化改造過(guò)程中，為測(cè)量電極壓放油壓、電極升降油壓、電極錐形環(huán)油壓添加了壓力奪送器并且更換了部分老式儀表。利用先進(jìn)智能控制理論和技術(shù)，尋求生產(chǎn)過(guò)程中較佳的參數(shù)匹配，達(dá)到提高生產(chǎn)能力，降低能耗的目的。 2) 以原電極壓放設(shè)備為基礎(chǔ)，進(jìn)行適當(dāng)改造，實(shí)現(xiàn)電極不停電定時(shí)定長(zhǎng)自動(dòng)壓放。歷史記錄可隨時(shí)以報(bào)表形式調(diào)用顯示和打印，并且可對(duì)有關(guān)記錄進(jìn)行分類查詢和統(tǒng)計(jì)，供有關(guān)人員分析使用。其它各項(xiàng) (序號(hào) 序號(hào) 12)均需增加電流、電壓、功率、電度、功率因數(shù)等電最變送器。經(jīng)過(guò)分析記錄儀有 0~10mA 輸入接口，故此項(xiàng)不需增加。 8) 爐蓋冷卻水壓力 (序號(hào) 21)、軟水壓力 (序號(hào) 23)采用的是機(jī)械壓力表測(cè)量顯示，故均需增加壓力傳感和變送器。 輸出信號(hào)的技術(shù)方案 為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制目的，必須通過(guò)計(jì)算機(jī)輸出各類控制信號(hào)。 2) 所有電磁閥 (序號(hào) 2~序號(hào) 5)為 AC220V開(kāi)關(guān)量控制信號(hào)。為此，除一方面要設(shè)置防塵，屏蔽等各種措施外，另一方面則要設(shè)計(jì)高 性能和高可靠性的控制系統(tǒng)。 17 寸彩色液晶顯示器，可清晰地顯示各種圖 形和文字，相對(duì)于傳統(tǒng)的 CRT 顯示器可免受電磁干擾的影響，工控機(jī)外接打印機(jī)以打印報(bào)表，由一臺(tái) 500VA 的不間斷電源 UPS 供電，保證工控機(jī)的正常工作和數(shù)據(jù)的完整錄。 1) PLC 的中央處理器 CPU3152DP。 CFU315 內(nèi)裝硬件實(shí)時(shí)時(shí)鐘， PROFIBUS DP 主站 /從站接口。 IM360 必須安裝在 S7300 的 0 號(hào)主機(jī)架上； IM361 接 u模塊安裝在 S7300 的 1 號(hào)到 3 號(hào)的機(jī)架上 。然后送至輸入緩沖器等待 CPU 采樣，采樣時(shí)，信號(hào)經(jīng)過(guò)背板總線進(jìn)入到輸入映像區(qū)。最大負(fù)載電流 5A； 該模塊輸出具有短路保護(hù)功能，適用于連接電磁閥、接觸器、小功率電機(jī)和電機(jī)啟動(dòng)器。積分式 A/D 轉(zhuǎn)換的積分時(shí)間直接影響到A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)間和 A/D 轉(zhuǎn)換精 度。 S7300 模擬輸入模塊的輸入測(cè)量值范圍很寬，可直接輸入電壓、電流、電阻、熱電偶等信號(hào)。為了縮短循環(huán)時(shí)間，應(yīng)該使用 STEP 7 組態(tài)工具屏蔽掉不用的模擬量通道，使其不占用循環(huán)時(shí)間。在本項(xiàng)目中，模擬量輸出主要用于控制煙道翻板開(kāi)度。 7) 電源模塊 PS307 (5A)及其容量計(jì)算 PS307是西門子公司為 S7300專配的 24V直流電源。 PS 307 可安裝在 S7300 專用導(dǎo)軌上，除了給 S7300 CPU供電 ，也可給 I/O 模塊提供負(fù)載電源。 圖 PLC系統(tǒng)的模塊組成 根據(jù)圖 的配置作如下計(jì)算 ： 擴(kuò)展機(jī)架 1 上的模塊從 S7300 背板總線吸取的電流為 50 2+60+40 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第三章 電石爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 24 3+100=380 mA，沒(méi)有超過(guò) IM361 提供的電流 。 考慮到電源應(yīng)留有一定的余量，所以 3 個(gè)電源模塊都選用 PS307 (5A)。同時(shí)，上位計(jì)算機(jī)中的監(jiān)控程序讀寫(xiě) PLC 中的數(shù)據(jù)，完成存貯、設(shè)定和報(bào)警的功能。操作人員發(fā)現(xiàn)故障并排除后，可解除警報(bào)，電極定時(shí)壓放、變壓器有載調(diào)壓、電極升降調(diào)節(jié)、軟件濾波算法也存放于相應(yīng)的 FC 或是 FB 中。掃描周期的長(zhǎng)短，主要由 OB1 中的程序行所需時(shí)間決定，所以系統(tǒng)在不同狀態(tài)時(shí)掃描周期也不相同。因此我們將需要等間隔定時(shí)采樣的濾波算法和控制算法放在組織塊 OB 35 中。 模擬量的轉(zhuǎn)換精度取決于模塊規(guī)格，有 8 位至 15 位不等。如表 所示：“ X”表示精度不足而置零的位。它實(shí)現(xiàn)的公式如下： () 雙極性時(shí)輸入整數(shù)值在 27648 和 +27648 之間，則 k1=27648， k2=+27648。大量的干擾源常常使控制系統(tǒng)不能正常運(yùn)行，致使控制失靈，可能造成重大事故。由于這種模塊是高速模塊，可以跟蹤模擬量信號(hào)中的快速變化 (包括內(nèi)部和外部噪聲 )，為了提高控制的可靠性，對(duì)受干擾較大的電極電流，電壓等測(cè)量值在調(diào)節(jié)周期內(nèi)的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理。在電石爐的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，來(lái)自電流和電壓變送器的是 4~20mA 信號(hào)，它的變化一般比較緩慢，而干擾一般帶有突發(fā)性的特點(diǎn)，變化頻率較高，低通濾波器就可以濾除這種干擾，相對(duì)于中值濾波有運(yùn)算量小的優(yōu)點(diǎn)，而且還可以在線調(diào)整 a 值來(lái)改善濾波效果。bool。REAL 。 ENDIF。 根據(jù)圖 對(duì)變壓器有載調(diào)壓的工作過(guò)程作如下描述 :負(fù)載電流由分接頭 (1)輸出 (圖 a)。山于電阻 R 的限流作用，環(huán)流 I 不會(huì)極大。如需跨級(jí)切換，也無(wú)非不斷重復(fù)以上步驟。在壓放過(guò)程中，摩擦帶的松緊是 2 個(gè) 3 通閥通過(guò)電氣控制而動(dòng)作的，送電時(shí)摩擦帶松開(kāi)，斷電時(shí)摩擦帶夾緊，另有電磁閥控制下壓。 按照以上的工藝要求和時(shí)序圖我們將其轉(zhuǎn)化成順序功能圖，如圖 所示： 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第三章 電石爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 34 圖 由于三根電極的壓放過(guò)程相同，所以僅以一根電極為例說(shuō)明其壓放程序 ： 輸 入輸出 I/O 點(diǎn)的定義 ： 表 I/O 地址 工位 I/O 地址 工位 工序啟動(dòng)開(kāi)關(guān) 上摩擦帶松（閥 1） 上摩擦帶松限位開(kāi)關(guān) 上摩擦帶升（閥 2） 上摩擦帶上限位快關(guān) 下摩擦帶松（閥 3） 下摩擦帶松限位開(kāi)關(guān) 電極下壓（閥 4） 上摩擦帶下限位開(kāi)關(guān) 電磁閥 1 接通反饋 電磁閥 3 接通反饋 電磁閥 2 接通反饋 電磁閥 4 接通反饋 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第三章 電石爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 35 此外，程序中還用到了延時(shí)定時(shí)器 T0~T8，并用位邏輯變 ~ 表示順控流程圖中的狀態(tài)。沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第四章 上位機(jī)組態(tài)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 36 第四章 上位機(jī)組態(tài)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) Win CC 實(shí)時(shí)分批從可編程控制器，掃讀出相關(guān)監(jiān)測(cè)和計(jì)算參數(shù)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示和存儲(chǔ)。上位機(jī)和 PLC 之間的互聯(lián)通訊，是實(shí)現(xiàn)管理控一體化的技術(shù)關(guān)鍵。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊的速度太慢，都不適合本監(jiān) 控系統(tǒng)， 相對(duì)而言， MPI 網(wǎng)絡(luò)適合于中小規(guī)模場(chǎng)合的監(jiān)控系統(tǒng)， MPI網(wǎng)絡(luò)使用 PLC 中央處理器的 MPI 接口進(jìn)行通訊，該接口能同時(shí)聯(lián)接幾個(gè) PLC 編程器 /PC/人機(jī)界面 (HMI)。從機(jī)將回答此請(qǐng)求己正確收到或出現(xiàn)錯(cuò)誤。根據(jù)連接的 PLC，通訊驅(qū)動(dòng)程序包含一個(gè)或多個(gè)通道單元，通訊驅(qū)動(dòng)程序利用其通道單元構(gòu)成 Win CC 和過(guò)程處理之間的接口，它使用通訊處理器向 PLC 發(fā)送請(qǐng)求消息，然后，通訊處理器將相應(yīng)回答消息中請(qǐng)求的過(guò)程值返回給 Win CC。 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第四章 上位機(jī)組態(tài)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 38 表 變量名 數(shù)據(jù)類型 地址 ThrdCur2_A(電極電流 A) FLOAT32 ThrdCur2_B(電極電流 B) FLOAT32 ThrdCur2_C(電極電流 C) FLOAT32 PhaCur2_A(二次側(cè)相電流 A) FLOAT32 PhaCur2_B(二次側(cè)相電流 B) FLOAT32 PhaCur2_C(二次側(cè)相電流 C) FLOAT32 CapSwSt(電容器開(kāi)關(guān) ) BINARY CasRelay_A(瓦斯繼電器 A) BINARY CasRelay_B(瓦斯繼電器 B) BINARY 將 Win CC 與 PLC 之間需要通訊的數(shù)據(jù)一一定義變量后，便可實(shí)現(xiàn) Win CC與 PLC 之間的數(shù)據(jù)通訊。鑒于軟件實(shí)現(xiàn)的功能較多，將功能設(shè)計(jì)分布在不同的監(jiān)控畫(huà)面中，這樣便于現(xiàn)場(chǎng)人員操作。在操作子窗口中，當(dāng)操作人員設(shè)置完原邊電流控制值，選擇“自動(dòng)”按鈕時(shí)。利用現(xiàn)場(chǎng)繼電器觸點(diǎn) 反饋，可以實(shí)時(shí)監(jiān)視電極升降狀態(tài)反饋，圖中黑色電極棒上的箭頭和火花即表示當(dāng)前電極為上升狀態(tài)。選擇“手動(dòng)壓放”按鈕，