【正文】 和電石爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用等），故其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)處于世界領(lǐng)先地位。挪威Elekm公司設(shè)計(jì)的Elekm電石爐也是各國引進(jìn)的另一個發(fā)明密閉電石爐形式。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(shè)計(jì)了2座大型密閉爐。美國是世界上第一個生產(chǎn)電石的國家。二次大戰(zhàn)后，隨著有機(jī)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(kuò)大。 電石工業(yè)國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 電石工業(yè)國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀電石工業(yè)誕生已有一個世紀(jì)。本設(shè)計(jì)結(jié)合目前國內(nèi)工藝現(xiàn)狀和原料特點(diǎn)，分析設(shè)備工藝數(shù)據(jù)，采用PLC控制理論和技術(shù)，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(yùn)行的控制模型。本設(shè)計(jì)是為了適應(yīng)市場競爭需要，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低能耗，對電石爐進(jìn)行控制策略研究和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)改造。以測電氣參數(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合其他工藝參數(shù)，采用先進(jìn)PLC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。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(shù)水平、反應(yīng)靈敏性和責(zé)任心等）不同，導(dǎo)致電石爐運(yùn)行很不規(guī)范，難以保證持續(xù)滿負(fù)荷運(yùn)行；電極壓放經(jīng)常必須在停電狀態(tài)下進(jìn)行；電石爐運(yùn)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(zhǔn)確，難以對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，更難以對歷史記錄分析比較等等，這就要求通過設(shè)計(jì)更好的方法去進(jìn)一步改善它。因而電石爐是生產(chǎn)電石的主要設(shè)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(jì)指標(biāo)。電石主要是由電石爐內(nèi)電弧和電阻加熱焦碳和石灰石等材料,使之在熔化狀態(tài)下反映而制成。在工業(yè)上僅應(yīng)用少數(shù)幾種碳化物，其中活化鈣居第一位。電石冶煉爐同樣是一個大量消耗電能、爐內(nèi)情況變化很大、現(xiàn)場工作環(huán)境惡劣的冶煉設(shè)備。 課題的意義電石爐是生產(chǎn)電石的大型設(shè)備，它是通過三相電極之間產(chǎn)生的電弧對原材料進(jìn)行加熱，使原材料在一定溫度下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生產(chǎn)出電石產(chǎn)品。與國外相比，我國電石工業(yè)生產(chǎn)裝備整體技術(shù)水平尤其是自動控制水平仍然較低，仍然為粗放式高耗能生產(chǎn)模式，導(dǎo)致產(chǎn)品價(jià)格偏高，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)差，缺乏國內(nèi)外市場競爭力。除少數(shù)引進(jìn)設(shè)備外，我國目前生產(chǎn)所用的電石生產(chǎn)設(shè)備多為60～80年代仿制Demag型式的中小型密閉爐或開放爐。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 44 頁 共 44 頁1 引言 本課題研究的背景及意義 課題的提出背景電石主要是由電石爐內(nèi)電弧和電阻加熱焦炭和生石灰等原料，使之在熔化狀態(tài)下反應(yīng)而制成。故電石爐是生產(chǎn)電石的主要設(shè)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(jì)技術(shù)指標(biāo)。這些早期設(shè)備的產(chǎn)量占總產(chǎn)量的80%左右。為了改變上述情況，對大量的設(shè)備實(shí)施自動控制是有效途徑之一[1]。電石爐三項(xiàng)電極升降控制好壞，直接影響爐溫和三項(xiàng)電流的不平衡程度，從而影響產(chǎn)品的質(zhì)量以及電網(wǎng)的質(zhì)量。它工作的穩(wěn)定與否直接關(guān)系到電石產(chǎn)品的質(zhì)量。工業(yè)碳化鈣，或簡稱電石，使有時會和含碳物料（無煙煤，焦炭）在電爐中熔煉制得。對電石爐生產(chǎn)過程進(jìn)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。而現(xiàn)在國內(nèi)電石生產(chǎn)現(xiàn)狀還不是很先進(jìn)，極電流等現(xiàn)場控制有操作員手工操作實(shí)現(xiàn)。運(yùn)用PLC自動控制系統(tǒng)可以通過對電石爐進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測電石爐的電壓、電流和供率的電氣參數(shù)。在自動控制運(yùn)行情況下，可根據(jù)工藝規(guī)定流程，實(shí)現(xiàn)恒電流模式平穩(wěn)運(yùn)行，使整個操作流程更加規(guī)范合理。技術(shù)改造核心是設(shè)計(jì)一套計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，結(jié)合具體生產(chǎn)工藝，合理設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟硬件，使電石生產(chǎn)過程自動化和規(guī)范化。同時以此為基礎(chǔ)，研制電石爐的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，研究電極的升降，及爐內(nèi)恒溫的控制。開始電石僅用于電燈、金屬切割與焊接。日本、美國、德國等是世界上電石工業(yè)較發(fā)達(dá)的國家，電石工業(yè)發(fā)展歷史長。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(jì)算機(jī)運(yùn)用于電石生產(chǎn)過程控制。以后Demag形式的電石爐的國家。日本早期從國外引進(jìn)幾座電石爐，在此基礎(chǔ)上經(jīng)過消化設(shè)計(jì)，建成了多座改良性密閉電石爐。如電石爐的能耗指標(biāo)電能單耗為3200度/噸以下，質(zhì)量指標(biāo)電石發(fā)氣量達(dá)到300升/公斤，整個設(shè)備能保持長期穩(wěn)定運(yùn)行[2]。我國目前生產(chǎn)所用的電石生產(chǎn)設(shè)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(shù)性能相當(dāng)于國際60年代水平，并且小型開發(fā)爐數(shù)量占90%左右。與國外相比，電石生產(chǎn)設(shè)備的整體技術(shù)水平較低。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(yùn)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(fù)荷長期穩(wěn)定運(yùn)行。國內(nèi)也有許多關(guān)于電石爐的研究，李建興、蔣新華等人在PLC 的電石爐模糊控制系統(tǒng)研究，電石爐系統(tǒng)是一種典型的非線性、時變的多輸入多輸出三相耦合系統(tǒng),難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。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]。吳勇研究的PLC在電石爐控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，優(yōu)先調(diào)整偏離設(shè)定值最大相和協(xié)調(diào)控制，有效解決負(fù)載波動大和負(fù)載偶合的問題[6]。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(dá)國家有著一定的差距。 電石工業(yè)國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展趨勢目前，國外的電石爐主要以Elekm和Demag兩種形式為主。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(xiàng)先進(jìn)技術(shù)的綜合應(yīng)用。但由于原料差異和其他技術(shù)原因。而大量老設(shè)備仍在使用，如陜北就有許多中小型電石爐，并未進(jìn)行節(jié)能改造。目前，對于電石爐三相電極的調(diào)節(jié)控制仍然沒有一個統(tǒng)一的，普通適用的方案，而且不同行業(yè)控制經(jīng)驗(yàn)不盡相同，具體問題需要具體分析。2 電石生產(chǎn)設(shè)備和工藝概述為了完成對電石爐系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)改造，首先必須了解原有電石爐生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)設(shè)備，發(fā)現(xiàn)原有系統(tǒng)的弊端，以便在原有設(shè)備基礎(chǔ)上，合理設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，使得電石生產(chǎn)規(guī)范化和自動化，達(dá)到提高生產(chǎn)質(zhì)量，降低耗能的目的。 電石生產(chǎn)的原理和用途 碳與金屬的化合物成為碳化物。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。電石是有機(jī)化合成工業(yè)的主要原料之一，其中主要用途是生產(chǎn)乙炔和氰氨化鈣：(1)制造乙炔： CaC2 + 2H2O = Ca(OH)2 + C2H2 CaC2 +Ca(OH)2 = 2CaO + C2H2(2)生產(chǎn)氰胺化鈣： CaC2 + N2 CaCN2 + C 而乙炔是現(xiàn)代合成塑料、橡膠、纖維、醫(yī)藥、農(nóng)藥、染料、樹脂和溶劑等許多有機(jī)產(chǎn)品的基本原料。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。 電石爐及其生產(chǎn)設(shè)備 電石爐 根據(jù)加熱方式的不同，電弧爐又可分為3種類型：間接電弧爐、直接電弧爐、密閉式電弧爐。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。但按其本身的構(gòu)造，這種電爐更接近電弧爐，而距電阻爐較遠(yuǎn)[9]。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)。電弧電流的變化，使得輸入爐內(nèi)的電功率也隨之變化。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。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)構(gòu)成，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。用液壓系統(tǒng)控制電極的移動有兩個目的，為了達(dá)到這兩個目的，采用了兩個不同的方式。第二種方法是一套固定的工序，通過上摩擦帶松開、提升、加緊，下摩擦帶松開、上摩擦帶壓下來、下摩擦帶緊固共6個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，這樣做的目的是因?yàn)槭姌O不斷被電解消耗而變短。之所以需要壓放操作是因?yàn)樵陔娛癄t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。壓放系統(tǒng)的機(jī)械部分由上摩擦帶、壓放升降缸和下摩擦帶組成。液壓件的動作有電氣系統(tǒng)進(jìn)行控制。 生產(chǎn)工藝流程簡介由原料加工處理工序送來的合格的焦炭和生石灰分別儲存于原料貯斗（1）內(nèi)，每個貯斗下面均有一臺自動稱（2），每兩臺自動稱連成一組，一個稱石灰，另一個稱焦炭。從環(huán)形料倉下部的投料管把爐料投入電石爐（7）中。爐料在電石爐內(nèi)依靠電弧熱、電阻熱和一氧化碳帶出的顯熱，加熱到1900~2200攝氏度而生成電石和一氧化碳。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。電極的升降用油壓升降機(jī)（17）帶動。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。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)。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（13）。根據(jù)乙炔發(fā)生站的需要，將電石卸到皮帶傳送機(jī)（16）上送往乙炔發(fā)生站或者用皮帶輸送機(jī)（16）送往包裝工序進(jìn)行包裝[13]。圖21 大型密閉電石爐的工藝流程圖。目前，世界上有200多廠家生產(chǎn)300多品種PLC產(chǎn)品，應(yīng)用在汽車（23%）、糧食加工（%）、化學(xué)/制藥（%）、金屬/礦山（%）、紙漿/造紙（%）等行業(yè)[14]。1968年，美國最大的汽車制造商—通用汽車公司為了適應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(jì)算機(jī)；f)成本可與繼電器控制盤竟?fàn)?；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(kuò)展時原系統(tǒng)改變最少；j）用戶存儲器大于4KB?？删幊炭刂破鲉柺酪詠恚l(fā)展極為迅速。1973年，歐洲開始生產(chǎn)可編程控制器。可編程控制器已經(jīng)作為一種獨(dú)立的工業(yè)設(shè)備被列入生產(chǎn)中，成為當(dāng)代電控裝置的主導(dǎo)。但隨著微電子技術(shù)和集成電路的發(fā)展，特別是微處理器和微型計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，在20世紀(jì)70年代中期，美、日、德等國的一些廠家在可編程控制器中開始引入更多的微機(jī)技術(shù)，微處理器及其他大規(guī)模集成電路芯片成為其核心部件，使可編程控制器的性能價(jià)格比產(chǎn)生了新突破。近來，可編程控制器的發(fā)展更為迅速，更新?lián)Q代大約在3年左右，其結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，功能日益增強(qiáng)，性能價(jià)格比越來越高。／Ｋ，可處理幾萬個開關(guān)量I/O信號，用戶程序存儲器容量最大達(dá)十幾萬兆字節(jié)。另一方面，不斷增強(qiáng)其對過程控制的功能（模擬量控制功能）；研制采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線，使同一工業(yè)控制系統(tǒng)中能連接不同的控制設(shè)備，分別執(zhí)行不同的任務(wù)；增強(qiáng)可編程控制器的聯(lián)網(wǎng)通信功能，偏于分散控制與集中控制的實(shí)現(xiàn)；大力開發(fā)智能I/O模塊，增強(qiáng)可編程控制器的功能。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型機(jī)械的生產(chǎn)過程。PLC誕生不久即顯示了其在工業(yè)控制中的重要地位，如日本、德國、法國等國家相繼研制成各自的PLC。隨著微電子處理器CPU和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)在PLC中的應(yīng)用，形成了現(xiàn)代意義上的處理，通信技術(shù)使PLC產(chǎn)品的應(yīng)用得到進(jìn)一步發(fā)展。并且已向高集成度、小體積、大容量、高速度、易使用、高性能方向發(fā)展[15]?？删幊炭刂破饔捎诰哂幸韵绿攸c(diǎn)而深受工廠工程技術(shù)人員和工人的適應(yīng)。這往往是用戶選擇控制裝置的首要條件。目前各廠家生產(chǎn)的PLC，其平均無故障時間都大大超過了IEC規(guī)定的10萬小時；而且為了適應(yīng)特殊場合的需要，有的PLC生產(chǎn)商還采用了冗余設(shè)計(jì)和差異設(shè)計(jì)