【正文】 章 電石爐控制系統(tǒng)設(shè)計 23 表 模塊 通過背板總線吸取的電流（最大值） 從 24V負(fù)載電源吸取的電流（不帶負(fù)載運行） 功率損耗（正常運行） CPU3152DP 供 1A(接口 ) IM360 350mA 2W IM361 供 5W SM3317KF02 50mA 200mA SM3325HD01 60mA 240mA 3W SM3211FF01 29mA SM3211BH02 55mA 40mA 4W SM3221HF10 40mA 125mA SM3221HH01 100mA 250mA 中央機架上的信號模塊從 S7300 背 板 總 線 吸 取 的 電 流 為 ，沒有超過 CPU315 提供的電流 1. 2A。 在組建 S7300 應(yīng)用系統(tǒng)時，要選擇合適的電源模塊。在輸入和輸出之間有可靠的隔離。 PS307 系列模塊除輸出額定電流不同外，其工作原理和各種參數(shù)都一樣 。采用 4 線回路能夠獲得比較高的輸出精度。 SM332可以輸出電壓，也可以輸出電流 。 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。另外，為了使模擬量輸入模塊獲得最佳的抗干擾性能，可以將不使用的通道與 M 短接。即通過模擬切 換開關(guān)，各個輸入通道按順序一個接一個轉(zhuǎn)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 22 換。通過設(shè)置編程工具 STEP7 的硬件組態(tài)程序，可以連接不帶附加放大器的模擬執(zhí)行元件和傳感器，并將擴展過程中的不同量程模擬信號轉(zhuǎn)化為S7300 內(nèi)部處理用的數(shù)字信號。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。積分時間越長，被測值的精度越高。模塊中要是由 A/D 轉(zhuǎn)換部件、模擬切換開關(guān)、補償電路、恒流源、光電隔離部件、邏輯電路等組成， A/D 轉(zhuǎn)換部件是模塊的核心，其轉(zhuǎn)換原理采用積分方法。繼電器型開關(guān)量輸出的原理圖 如圖 所示。 8 個輸出點分成 8 組接地 。 圖 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 21 4) (4) 8 路開關(guān)量輸出模塊 SM322 D08 REL. 230ACV / 5A開關(guān)量輸出模塊將 S7300 的內(nèi)部信號電平轉(zhuǎn)化為控制過程所需的外部信號電平。 3) 16 路開關(guān)量輸入模塊 SM321 DC24V 或 AC 120V 開關(guān)量輸入模塊SM321 將位于現(xiàn)場的開關(guān)觸點的狀態(tài)經(jīng)過光電隔離或繼電器 (如圖 所示 )，將從工業(yè)現(xiàn)場傳輸來的外部開關(guān)信號轉(zhuǎn)化為內(nèi)部 S7300 信號電平。數(shù)據(jù)通過連接線 368 由 IM360 傳輸?shù)?IM361，再從 IM361 傳輸?shù)较聜€機架上的 IM361 上 。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。 2) 接口模塊對 IM360 和 IM361 當(dāng) PLC 系統(tǒng)的規(guī)模較大時，一個機架不能容納所有的模塊， 這時就要增添擴展機架，裝有 CPU 的 機架稱為中央機架。最大可擴充 1024 點開關(guān)量 I/O 通道或 256 路模擬量 I/O 通道，可用于中等規(guī)模 I/O 配置。 CPU315— 2DP 是 PLC 的核心，其工作存儲 器 (RAM)的容量為 128K 字節(jié)，選擇不同的微存儲器卡 (MMC)可以獲得不同的裝載容量，最大容量可達(dá)到 8MB 。 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(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。 下位 PLC 需要配置如下的不同性質(zhì)的 I/O 點 ： 1) 54 個模擬量輸入； 2) 1 個模擬量輸出； 3) 68 個開關(guān)量輸入 ； 4) 38 個開關(guān)量輸出； 根據(jù) I/0 點數(shù)及其特性，模塊選配如表 所示 ： 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 19 表 PLC模塊清單 型號 注釋 數(shù)量 備注 CPU3152DP CPU模塊 1 MMC存儲卡 EEPROM存儲單元 1 512K CP5611 上 位通訊卡 1 IM360 接口模塊（主站） 1 IM361 接口模塊（從站） 2 PS307 5A電源模塊 3 20針前連接器 18 導(dǎo)軌 1 SM3317KF02 8路 AI模塊 8 共 56AI SM3325HD01 4路 AO模塊 1 共 4AO SM3211FF01 8路 DI模塊（ AC230V） 2 共 16DI SM3211BH02 16路 DI模塊（ DC24V） 4 共 64DI SM3221HF10 8路 DO模塊（ 5A） 3 共 24DO(5A) SM3221HH00 16路 DO模塊（ 2A） 1 共 16DO(2A) 硬件選配與設(shè)計 S7300 PLC 采用背板總線的方式將各模塊從物理上和電氣上連接起來。上位計 算機選用工業(yè)控制級計算機，主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)過程參數(shù)的動態(tài)顯示、存儲和監(jiān)督控 制工作，兩者通過 RS485 串口通信，如圖 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 18 圖 本系統(tǒng)上位機選用研華 IPC 工控機，運行 Windows XP 操作系統(tǒng)，以滿足上位組態(tài)軟件的運行要求。 在生產(chǎn)過程控制中，目前國內(nèi)外普遍采用 DCS 系統(tǒng)或 PLC 系統(tǒng) 。 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(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。 3) 調(diào)壓開關(guān)調(diào)節(jié) (序號 6)為開關(guān)量控制信號。電動執(zhí)行器 DJK310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 17 有 0~10mA 控制信號接口，故不需增加轉(zhuǎn)換接口。輸出信號匯總 如表 所示。 11) 序號 26 至序號 30 為開關(guān)量輸入信號， 可直接接入測量。 9) 爐蓋冷卻水溫度 (序號 22)、軟水溫度 (序號 24)采用的是溫度表測量顯示，故均需增加熱電阻傳感和變送器。 7) 三相電極位置 (序號 20)項己有 4~20mA 輸出端，故不需增加傳感和變送器。 5) 電極壓放油壓 (序號 16)、電極升降油壓 (序號 17)、電極錐形環(huán)油壓 (序號18)采用的是機械電接點壓力表測量顯示，故均需增加壓力傳 感和變送器。 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。 2) 變壓器油溫 (序號 13)測量現(xiàn)在采用的是熱電阻與數(shù)顯儀表方式，故此項僅增加熱電阻變送器。結(jié)果匯總?cè)缦拢? 1) 原系統(tǒng)的三相電極電流 (序號 1)、三相相電流 (序號 2)、三相 1 次電壓 (序號 S)、三相 1 次電流 (序號 6)、三相電極功率 (序號 7)、總?cè)嘤泄?/無功功率 (序號 8)、有功電度 (序號 9)、無功電度 (序號 10)、三相電容器電流 (序號 n)、功率因數(shù) (序號 12)等均是通過電流互感器、電壓互感器降流和降壓后直接由示表顯示，而三相對地電壓 (序號 3)、三相線電壓 (序號 4)直接由顯示表顯示 .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(包括序號 4 項 )，故上述各項電量信號均需增加相應(yīng)的電量變送器轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C可采集的 4 ~20mA 標(biāo)準(zhǔn)信號， 由于序號 1 的信號采集儀表己更換為新型二次儀表，該儀表具有變送功能，故不 在需要增加電流變送器。 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 15 測控信號和技術(shù)方案 采集信號的技術(shù)方案 根據(jù)上述控制要求，對原有儀表測量系統(tǒng)進行了分析研究，得出了需采集的各類信號匯總表。同時設(shè)計 監(jiān)控數(shù)據(jù)庫，存儲歷史記錄。 3) 定時監(jiān)測爐內(nèi)煙氣溫度和壓力、電爐和變壓器冷卻水水溫和水壓、液壓系統(tǒng)油壓、高壓供配電開關(guān)狀態(tài)等重要安全參數(shù)，實時顯示和超限報警，以提高安全性能。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。 經(jīng)過技術(shù)改造后，控制系統(tǒng)實現(xiàn)了以下功能 ： 1) 電石爐運行，動態(tài)監(jiān)測電石爐的電壓、電流和功率等電氣參數(shù)。 控制系統(tǒng)實現(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。 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 14 第三章 電石爐控制系統(tǒng)設(shè)計 根據(jù)電石爐的實際生 產(chǎn)現(xiàn)狀，結(jié)合其生產(chǎn)工藝特點，我們提出了控制系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)。電接點壓力計是為了保持油缸下腔油一定壓力的油，當(dāng)油缸下腔壓力下降時，電接點壓力計動作，使電磁換向閥內(nèi)動作，以恢復(fù)下部的控制壓力 .而壓力的大小可由減壓閥和電接點壓力計共同來調(diào)整 .為沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第二章 電石爐生產(chǎn)工藝及設(shè)備 13 使三個把持缸實現(xiàn)同步動作，在其中兩個油缸的油路上裝有單向節(jié)流閥。電極把持器部分和壓放部分合用一組油泵系統(tǒng)，電極升降部分單用 一組油泵系統(tǒng)，在把持器缸的上腔油路中油單向節(jié)流閥和節(jié)流閥，以控制油的流量 。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(shè)有單向減壓閥。 在油路中，油的走向受電磁閥丙控制。當(dāng)油壓到達(dá)工作壓力時，又將電磁閥斷電，于是油又從單向閥方向進入儲壓罐充壓。 正常生產(chǎn)時候，油的走向受電氣系統(tǒng)的控制，若罐內(nèi)油被打到最高工作油位，則壓力相應(yīng)上升。 壓放系統(tǒng)的油路如圖 中所見。液壓件的動作由電氣系統(tǒng)進行控制。 壓放系統(tǒng)的機械部分由上摩擦帶、壓放升降缸和下摩擦帶組成。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。 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(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。第一種方式是通過驅(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、下摩擦帶一起移動，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。如圖 所示，圖的右側(cè)為泵系統(tǒng)，集中安裝在泵站。機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 裝置 。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。因而，在生產(chǎn)過程中，需要 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。電弧電流的變化，使得輸入爐內(nèi)的電功率也隨之變化。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)。當(dāng)電流過大時，斷路器會自動切斷，使電弧爐與電源脫離。對于大容量的沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第二章 電石爐生產(chǎn)工藝及設(shè)備 10 電弧爐 (電爐變壓器容量大于 9000KVA 時 )，由于相應(yīng)短網(wǎng)電抗值較大，一般不再接入電抗器。 電抗器用來緩和電弧電流的劇烈波動，一般在電極燒結(jié)期內(nèi)投入。其二次端輸出為低電壓、大電流。它具有過 載能力大、 機械強度高等特點 。因此，短網(wǎng)對減小電爐設(shè)備的功率損失、提高功率因數(shù)以及平衡三相功率都起著重要作用。短網(wǎng)的電阻包括直流電阻及由集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)產(chǎn)生的附加電阻，短網(wǎng)的電感包括導(dǎo)線的自感及二相線問的互感。 短網(wǎng)是指從電弧爐的電極夾持器到電爐變壓器二次端的一段三相電路，它是電弧爐電氣回路中的重要部分之一。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。根據(jù)乙炔發(fā)生站的需要，將電石卸到皮帶出送機（ 16）上送往乙炔發(fā)生站或者用皮帶輸送機（ 16）送往包裝工序進行包裝。筒外淋灑冷卻水使其冷卻。筒內(nèi)裝有導(dǎo)