【正文】 件采用了可編程控制器和上位計算機(jī)構(gòu)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(qiáng)，主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)現(xiàn)場級控制。 表 序號 項(xiàng)目 送出地點(diǎn) 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(diào)壓開關(guān) 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(jī)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(shè)計了 3 套機(jī)械測量裝置，沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第三章 電石爐控制系統(tǒng)設(shè)計 16 采用光電旋轉(zhuǎn)編碼器測量電極的相對移動量，故增加了光電旋轉(zhuǎn)編碼器。然后結(jié)合計算機(jī)需要標(biāo)準(zhǔn)信號的輸入要求，逐項(xiàng)進(jìn)行分析，確定了需要增加的傳感變送器，從而便于計算機(jī)系統(tǒng)的硬件配置。以所 測電氣參數(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合其它工藝參數(shù)，采用先進(jìn)智能控制技術(shù)，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。而下腔油路中具有單向節(jié)流閥和減壓閥。當(dāng)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(diào)節(jié)方式，但每間隔一段時間需要“壓放”一次以彌補(bǔ)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(dǎo)電顆板。 爐料熔化和溫度的控制主要沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第二章 電石爐生產(chǎn)工藝及設(shè)備 11 靠電弧。低壓側(cè)配有電壓調(diào)節(jié)裝置，以供在不同熔煉階段調(diào)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(dǎo)線組成，主要包括銅排、軟電纜、銅管三部分。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)。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(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。當(dāng)2CaC 含量約為 20%，溫度在 20210 ℃左右時，發(fā)生如下反應(yīng)： 沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第二章 電石爐生產(chǎn)工藝及設(shè)備 6 COC a CCC a O ??? 23 () 伴隨沸騰現(xiàn)象的發(fā)生，反應(yīng)急劇進(jìn)行，熔融體 2CaC 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)原配料比完成其最終反應(yīng)， 2CaC 流至爐底而被釋放。 沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第二章 電石爐生產(chǎn)工藝及設(shè)備 5 第二章 電石爐生產(chǎn)工藝及設(shè)備 電石爐俗稱卡石，其化學(xué)名稱叫碳化鈣。 研究意義 該項(xiàng)目結(jié)合先進(jìn)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(yùn)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(yīng)不足，所以釋然性上調(diào)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(diào)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(yùn)行，系統(tǒng)的應(yīng)用降低了人工勞動強(qiáng)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(dá)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(chǔ)上，用工控機(jī)和可編程控制器建立了計算機(jī)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?zé)崮軐⑸?、焦碳等原料熔融后?應(yīng)生成 CaC，即工業(yè)電石。產(chǎn)能過剩和因技術(shù)裝備水平落后帶來的成本壓力，正導(dǎo)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(yīng)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(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(jī) PLC的軟件設(shè)計和編程以及上位機(jī) Win CC 軟件的監(jiān)控畫面設(shè)計。 電石爐生產(chǎn)原理 碳化鈣反應(yīng)機(jī)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(yīng)： COCaCC a O ??? () 鈣蒸汽同固態(tài)碳又發(fā)生如下反應(yīng)： 22 CaCCCa ?? () 反應(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)化為熱能，當(dāng)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(dāng)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(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第二章 電石爐生產(chǎn)工藝及設(shè)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(guān)接到高壓供電網(wǎng)上。它具有過 載能力大、 機(jī)械強(qiáng)度高等特點(diǎn) 。當(dāng)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(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由電壓電流的測量比較環(huán)節(jié)、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，在第五章中對電極自動調(diào)節(jié)的算法有詳細(xì)論述。 這樣做的目的是因?yàn)槭姌O不斷被電解消沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第二章 電石爐生產(chǎn)工藝及設(shè)備 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(jìn)入油缸下腔，為控制壓下的力，在上腔的油路中設(shè)有單向減壓閥。 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能 技改核心為設(shè)計一套自動化控制系統(tǒng)，結(jié)合具休生產(chǎn)工藝，合理設(shè)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(shè)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(guān)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(diǎn)的實(shí)際調(diào)研和其生產(chǎn)環(huán)境的了解得知，電石爐現(xiàn) 場條件較惡劣，灰塵多，溫度高，電磁干擾嚴(yán)重，因此，對控制設(shè)備的可靠性要 求較高。 表 給出了本項(xiàng)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(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第三章 電石爐控制系統(tǒng)設(shè)計 20 這些模塊作具體說明。每個機(jī)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(jī)架和最多 3 個擴(kuò)展機(jī)架，每個機(jī)架最多八個擴(kuò)展模塊，相鄰機(jī)架的間隔為 4 厘米到 10 米。 8 個輸出點(diǎn)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(yīng)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(kuò)展機(jī)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(kuò)展機(jī)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(dāng)這些模擬量超過存儲在 PLC 中的參數(shù)設(shè)定值的限制范圍時，上位機(jī)會顯示報警信息，同時響鈴報警。時 間間隔由編程工具設(shè)置或修改 (缺省值為 100ms)。這樣可以保證在不同的轉(zhuǎn)換精度下，其轉(zhuǎn)化的結(jié)果不會差別太大。 軟件濾波方法 PLC 數(shù)據(jù)預(yù)處理包括數(shù)值濾波，這是因?yàn)檫^程信號通過物理介質(zhì)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(diǎn)是對周期性干擾具有良好的抑制作用，缺點(diǎn)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(shí)際使用時要選擇合理的a 值，過高過低都不能達(dá)到目的。 END VAR VAR // 靜態(tài)變量 Xn_1。 END_ FUNCTION _BLOCK // 塊結(jié)束 變壓器有載調(diào)壓控制 分級有載調(diào)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(guān)，在保證不切斷負(fù)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(diào)壓開關(guān)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(yīng)，再繼續(xù)執(zhí)行下一步工序?qū)l(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(shè)計、良好的擴(kuò)展性、低廉的價格以及強(qiáng)大的指令，因而其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛， 但 PLC 的顯示功能弱，為此將上位機(jī)與 PLC 組合起來，充分利用上位機(jī)強(qiáng)大的人機(jī)接口功能二豐富的應(yīng)用軟件和低廉的價格來共同實(shí)現(xiàn)管理控一體化成為一個新的發(fā)展趨勢。上位機(jī)給 PLC 控制器發(fā)送通訊請求，然后等待響應(yīng)。每個變量有三個設(shè)置項(xiàng)：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(biāo)志位等一一對應(yīng)的關(guān)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(shè)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(shè)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(shí)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(jī)將沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第四章 上位機(jī)組態(tài)設(shè)計和實(shí)現(xiàn) 37 不響應(yīng)，上位機(jī)必須在等待一個適當(dāng)?shù)臅r間后重發(fā)通訊請求，直到通訊正確進(jìn)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(diǎn)對點(diǎn)、 MPI( MultiPoint Interface，多點(diǎn)接口 )網(wǎng)絡(luò)、 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(yīng)，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(biāo)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(shè)計了相應(yīng)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(qū)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(fù)雜，在下一章中我們將對電極的升降沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第三章 電石爐控制系統(tǒng)設(shè)計 33 控制進(jìn)行詳細(xì)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(dāng)需要提高變壓器低壓側(cè)電壓時，就需要使開關(guān)從分接頭 (1)換接到分接頭 (2)。=0。 在應(yīng)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