【正文】 件采用了可編程控制器和上位計算機構成 IPC+PLC 控制系統(tǒng) . 可編程控制器的可靠性較高和抗干擾性較強，主要負責生產(chǎn)現(xiàn)場級控制。 表 序號 項目 送出地點 控制信號 用途 路數(shù) 1 煙道翻板開度（ 0100%） 3樓煙道 4～ 20mA 控制 1AO 2 電極升降電磁閥 3樓油壓室 AC220V 控制 3*2=6DO 3 電極壓放電磁閥 3樓油壓室 AC220V 控制 3*2=6DO 4 上摩擦片抱緊電磁閥 3樓油壓室 AC220V 控制 3*1=3DO 5 下摩擦片抱緊電磁閥 3樓油壓室 AC220V 控制 3*1=3DO 6 調壓開關 變壓器房 待定 控制 2DO（正反） 1) 煙道翻板開度 (序號 1)通過電機執(zhí)行器完成控制。 6) 三相電極壓放量 (序號 19)原無測試手段，現(xiàn)設計了 3 套機械測量裝置，沈陽化工大學學士學位論文 第三章 電石爐控制系統(tǒng)設計 16 采用光電旋轉編碼器測量電極的相對移動量，故增加了光電旋轉編碼器。然后結合計算機需要標準信號的輸入要求，逐項進行分析，確定了需要增加的傳感變送器，從而便于計算機系統(tǒng)的硬件配置。以所 測電氣參數(shù)為基礎，結合其它工藝參數(shù)，采用先進智能控制技術，合理動態(tài)調節(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。而下腔油路中具有單向節(jié)流閥和減壓閥。當電磁閥得電后將安全溢流閥中控制油路中的油放掉，使油經(jīng)安全溢流閥回到油箱，泵卸荷。所以在電石生產(chǎn)過程中“升降”操作是主要的調節(jié)方式，但每間隔一段時間需要“壓放”一次以彌補石墨電極的消耗。 圖 液壓式電極升降裝置總圖 在大型密閉爐上常采用較高 壓力的液體作動力來升降電極、壓放電極和夾緊導電顆板。 爐料熔化和溫度的控制主要沈陽化工大學學士學位論文 第二章 電石爐生產(chǎn)工藝及設備 11 靠電弧。低壓側配有電壓調節(jié)裝置，以供在不同熔煉階段調節(jié)電弧爐的輸入功率之用。短網(wǎng)由很多種不同形狀的導線組成，主要包括銅排、軟電纜、銅管三部分。筒尾通入氮氣，以減少電石發(fā)氣量的損失，并可保證安全生產(chǎn)。加熱到 1900~2021 攝氏度而生成電石和一氧化碳。半密閉爐是在開放型爐的基礎上加上一個集氣罩，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。當2CaC 含量約為 20%，溫度在 20210 ℃左右時，發(fā)生如下反應： 沈陽化工大學學士學位論文 第二章 電石爐生產(chǎn)工藝及設備 6 COC a CCC a O ??? 23 () 伴隨沸騰現(xiàn)象的發(fā)生，反應急劇進行，熔融體 2CaC 成份迅速增加形成電爐中電極下端的反應區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)，根據(jù)原配料比完成其最終反應， 2CaC 流至爐底而被釋放。 沈陽化工大學學士學位論文 第二章 電石爐生產(chǎn)工藝及設備 5 第二章 電石爐生產(chǎn)工藝及設備 電石爐俗稱卡石，其化學名稱叫碳化鈣。 研究意義 該項目結合先進生產(chǎn)工藝和自動化控制設備，研究電石爐相關工藝參數(shù)和運行控制模式。市場呈現(xiàn)出兩種不同的狀況：一方面，電石到貨較多庫存較大，排隊卸貨較為明顯的 PVC 企業(yè)，下壓電石接受價的現(xiàn) 象仍有出現(xiàn)；另一方面，遭遇限電的部分電石主產(chǎn)地區(qū)因產(chǎn)量減少貨源供應不足，所以釋然性上調出廠價格，或者是前期接受偏低的 PVC 企業(yè)，在到貨明顯減少后重新上調電石收價，帶來價格反彈。 電石工業(yè)發(fā)展前景 根據(jù)統(tǒng)計， 2021 年，我國電石能 2400 萬噸，分別是 2021 年的 倍和 倍。 目前，該電石爐控制系統(tǒng)已投入運行，系統(tǒng)的應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。 其中， 在研 究了電石生產(chǎn)工藝流程的基礎上，用工控機和可編程控制器建立了計算機控制系統(tǒng)。 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 應生成 CaC，即工業(yè)電石。產(chǎn)能過剩和因技術裝備水平落后帶來的成本壓力，正導致電石行業(yè)利潤水平下降、甚至瀕臨虧損。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)工藝發(fā)生變化的適應性差，使得控制系統(tǒng)存在可高性差、診斷與排除故障非常困難等缺陷。 （ 2）設計電石爐控制系統(tǒng)，研究該系統(tǒng)的硬件選型和安裝、下位機 PLC的軟件設計和編程以及上位機 Win CC 軟件的監(jiān)控畫面設計。 電石爐生產(chǎn)原理 碳化鈣反應機理 電石是石灰與碳素材料在電阻電弧中制成的， 在工業(yè)生產(chǎn)的過程中，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： COCaCC a O ??? () 鈣蒸汽同固態(tài)碳又發(fā)生如下反應： 22 CaCCCa ?? () 反應在雙變量系統(tǒng)，氣體中存在有氣態(tài) Ca 和 CO 兩種氣體，反應狀態(tài)不僅決定于溫度，同時決定于氣體中 Ca 或 CO 二者間任意一個壓力值。 電能在電石爐內(nèi)根據(jù)焦耳楞次定律轉化為熱能，當電流 I 通過電弧，爐料及熔體，且電阻為 R 時，則在一定時間 t 內(nèi)，供給電石爐的電能為 K W htRIQ 32 10 ????? （ ） 電熱當量為： 千卡8601 ?KWh ,則： 千卡32 10860 ?????? tRIQ （ ） 根據(jù)歐姆定律： RIU ?? 又可表示為： 千卡3108 6 0 ?????? tIUQ （ ） 一般情況下，釋放于電弧中的能量約為釋放于電石爐中的總能量的 40%，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的總能量的 20%。從環(huán)沈陽化工大學學士學位論文 第二章 電石爐生產(chǎn)工藝及設備 9 形料倉下部的投料管把爐料投到電石爐（ 7）中。壓力由油壓裝置供給。電石爐電極依次通過短網(wǎng)、電爐變壓器、電抗器、斷路器和隔 離開關接到高壓供電網(wǎng)上。它具有過 載能力大、 機械強度高等特點 。當電流過大時，斷路器會自動切斷，使電弧爐與電源脫離。電極自動調節(jié)系統(tǒng)主要由電壓電流的測量比較環(huán)節(jié)、調節(jié)器和執(zhí)行機構組成，在第五章中對電極自動調節(jié)的算法有詳細論述。 這樣做的目的是因為石墨電極不斷被電解消沈陽化工大學學士學位論文 第二章 電石爐生產(chǎn)工藝及設備 12 耗而變短。 壓放系統(tǒng)的油路如圖 中所見。反之，油按交叉路線在閥內(nèi)走，于是油進入油缸下腔，為控制壓下的力，在上腔的油路中設有單向減壓閥。 控制系統(tǒng)實現(xiàn)功能 技改核心為設計一套自動化控制系統(tǒng)，結合具休生產(chǎn)工藝，合理設計自動化 控制系統(tǒng)軟硬件，使電石生產(chǎn)過程自動化和規(guī)范化。同時設計 監(jiān)控數(shù)據(jù)庫，存儲歷史記錄。 4) 爐氣含氫量 (序號 15)，經(jīng)過現(xiàn)場查看得知，氫量測量配用的是 XWGJ101圓圖記錄儀。 11) 序號 26 至序號 30 為開關量輸入信號， 可直接接入測量。 控制系統(tǒng)的總體配置 根據(jù)對電石爐生產(chǎn)工藝特點的實際調研和其生產(chǎn)環(huán)境的了解得知，電石爐現(xiàn) 場條件較惡劣，灰塵多，溫度高，電磁干擾嚴重，因此，對控制設備的可靠性要 求較高。 表 給出了本項目中配置的 S7300PLC 模板的型號和數(shù)量，下面對使用的 沈陽化工大學學士學位論文 第三章 電石爐控制系統(tǒng)設計 20 這些模塊作具體說明。每個機架的接口模塊再通過總線連接器連接到 I/O 模塊上， 一個系統(tǒng)可以有中央機架和最多 3 個擴展機架，每個機架最多八個擴展模塊，相鄰機架的間隔為 4 厘米到 10 米。 8 個輸出點分成 8 組接地 。在我國為了抑制工頻及諧波干擾，一般選用 20ms 的積分時間，相應精度為 12 位。 圖 6) 模擬量輸出模塊 SM332 A04 12Bits ； SM332 A04 12Bits 是 4 通道的模擬量輸出模塊。在輸入和輸出之間有可靠的隔離。 擴展機架 1 上各模塊從 24 V 電源吸取的總電流為 500+200 2+240+125 3+250=1765mA，擴展機架 2 上各模塊從 24V 電源吸取的總電流為 500+200 3+40 2=1180 mA。當這些模擬量超過存儲在 PLC 中的參數(shù)設定值的限制范圍時，上位機會顯示報警信息，同時響鈴報警。時 間間隔由編程工具設置或修改 (缺省值為 100ms)。這樣可以保證在不同的轉換精度下，其轉化的結果不會差別太大。 軟件濾波方法 PLC 數(shù)據(jù)預處理包括數(shù)值濾波，這是因為過程信號通過物理介質傳送過程中不可避免地會受到工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場各種各樣的干擾，數(shù)據(jù)采集可能存在較大的誤差。其優(yōu)點是對周期性干擾具有良好的抑制作用，缺點是相位滯后，靈敏度低，滯后程度取決于 a 值大小，不能消除濾波頻率高于采樣頻率的 1/2 的干擾信號，因此實際使用時要選擇合理的a 值，過高過低都不能達到目的。 END VAR VAR // 靜態(tài)變量 Xn_1。 END_ FUNCTION _BLOCK // 塊結束 變壓器有載調壓控制 分級有載調壓的基本原理，就是從變壓器線圈中引出若干個 分接頭，通過有載分接開關，在保證不切斷負載電流的情況下，由一個分接頭切換到另一個分接頭，以變換變壓器線圈的有效匝數(shù)，即變換變壓器的變壓比。這就是有載調壓開關的換接過程，完成一次切換時間約為十幾秒。如果電磁閥失效， PLC 發(fā)出的指令得不到 響應，再繼續(xù)執(zhí)行下一步工序將會引發(fā)系統(tǒng)故障，甚至影響安全生產(chǎn)。 數(shù)據(jù)通信 由于 PLC 具有緊湊的設計、良好的擴展性、低廉的價格以及強大的指令，因而其在工業(yè)生產(chǎn)中的應用越來越廣泛， 但 PLC 的顯示功能弱，為此將上位機與 PLC 組合起來，充分利用上位機強大的人機接口功能二豐富的應用軟件和低廉的價格來共同實現(xiàn)管理控一體化成為一個新的發(fā)展趨勢。上位機給 PLC 控制器發(fā)送通訊請求，然后等待響應。每個變量有三個設置項：變量名、數(shù)據(jù)類型、地址，其中最重要的是變量地址，它定義了此變量與PLC 中某一確定地址如某輸入位、輸出位或標志位等一一對應的關系，根據(jù)系統(tǒng)功能需要定義了各類外部變量，以用于數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場設備狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷，表 是部分外部變量的對照表。 電極手自動升降控制。在三個操作子窗口中設置完立缸上升和壓放下降時間后，選擇“自動壓放”按鈕，電極按工藝流程自動完成單周期的壓放控制 。利用 PLC 實現(xiàn)電極自動升降控制 。這樣就可在圖形編輯器 (Graphics Editor)中，用基本元件或圖形庫中的對象制作生產(chǎn)工藝流程監(jiān)控畫面。如果請求沒有被 PLC 控制器正確收到，此時從機將沈陽化工大學學士學位論文 第四章 上位機組態(tài)設計和實現(xiàn) 37 不響應，上位機必須在等待一個適當?shù)臅r間后重發(fā)通訊請求，直到通訊正確進行為止。 本系統(tǒng)采用的 S7 系列 PLC 通常有四種組網(wǎng)方式 ： 點對點、 MPI( MultiPoint Interface，多點接口 )網(wǎng)絡、 PROFIBUS (Process Fieldbus，過程現(xiàn)場總線 )和工業(yè)以太網(wǎng)。 如圖所示，為了防止電磁閥失效引起連鎖反應，如果在限定的時間內(nèi)，電磁閥的反饋信號未到，則報警 (報警標志位置 1)，并且停止后續(xù)動作，等待操作人員檢修。 圖 根據(jù)以上工序，我們設計了相應的 PLC 程序，其流程如下 ： 圖 電極壓放控制 液壓系統(tǒng)有兩種方式可以控制電極的移動，第一種是“電極升降” ： 通過驅動下摩擦帶下方的升降大立缸來使得電極移動，這時電極將和套在其上的摩擦帶一起移動，針對這部分的處理算法也比較復雜，在下一章中我們將對電極的升降沈陽化工大學學士學位論文 第三章 電石爐控制系統(tǒng)設計 33 控制進行詳細的討論，第二種是“電極壓放” ： 即通過上摩擦帶松開、提升、夾緊，下摩擦帶松開、上摩擦帶壓下來、下摩擦帶緊固共 6 個順序動作來使得電極下壓，這時電極與上下摩擦帶產(chǎn)生相對位移。當需要提高變壓器低壓側電壓時，就需要使開關從分接頭 (1)換接到分接頭 (2)。=0。 在應用過程中，有不少模擬量都需要濾波處理， 所以可以將濾波程序