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        PLC控制在電石爐電極升降控制中的應用

        2015-01-15 00:22:24
        化工自動化及儀表 2015年12期

        陳 玲

        (江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學院徐州經(jīng)貿(mào)分院,江蘇 徐州 221004)

        電石爐是電石生產(chǎn)的主體設(shè)備,生產(chǎn)電石時需把電能轉(zhuǎn)變成熱能,將爐料加熱到預定溫度。所以,電石生產(chǎn)的關(guān)鍵在于電石爐內(nèi)溫度值的大小和穩(wěn)定性。而溫度的改變是由電極棒插入爐料的深度來調(diào)節(jié)的,因此,三相電極的位置控制是電石爐控制系統(tǒng)的重點和難點。電極位置控制不好,不僅消耗能量和時間、損失熱量,還會加重電極及短網(wǎng)等零部件的損壞程度,縮短電石爐使用壽命,造成成本升高,更嚴重的是會導致爐噴[1]。

        為了保證電極始終處在適當?shù)奈恢?,目前大都采用改進電氣參數(shù)、做細原料加工處理以及適時調(diào)整爐料電阻等措施,但效果均不理想[1]。由于PLC具有較完善的功能、高可靠性和強抗干擾的能力,能有效控制電極位置,運行效率高,且可視化人機界面簡單直觀、便于操作,因此筆者采用PLC控制電極系統(tǒng),實際運行后取得了較好的效果。

        電石爐控制系統(tǒng)的主要功能是三相電極的升降控制、壓放控制、報警保護及數(shù)據(jù)采集處理等。根據(jù)現(xiàn)場需求研究采用以PLC為控制系統(tǒng)和以工控機為人機接口相結(jié)合的方式進行集中控制。PLC的高可靠性和強抗干擾性滿足系統(tǒng)要求,負責控制系統(tǒng)所需信號的采集和各種邏輯控制與運算。人機界面選用工控機,主要負責系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制、過程值顯示、狀態(tài)監(jiān)控及歷史存儲打印輸出等。電石爐控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        1.1 電極升降控制系統(tǒng)

        電石生產(chǎn)中,經(jīng)實驗驗證,在不改變電石爐變壓器二次端電壓的情況下,電石爐內(nèi)的溫度與電極電流成正比關(guān)系,而且一般情況下變壓器二次端電壓變化不大[2],所以控制好電極電流成為控制爐溫的主要手段。電極電流要盡量保持穩(wěn)定,需控制電極升降來滿足要求。以PLC為核心,采用先進的智能算法,對電極位置進行動態(tài)調(diào)節(jié),使爐內(nèi)電流與電流設(shè)定值保持平衡。

        圖1 電石爐控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

        電極升降操作方式有手動控制和自動控制,手動控制適用于電極電流波動較大時,自動控制適用于電極電流運行比較穩(wěn)定時[3]。

        常規(guī)的電極升降控制有恒電流、恒功率及恒流壓比等[4]。本系統(tǒng)的電極升降采用恒電流控制方式,利用電弧電流的設(shè)定值與實際值進行比較,根據(jù)其差值來調(diào)節(jié)三相電極中的任意一相升降控制。當該差值大于零,即設(shè)定值大于實際值時,電極應向下調(diào)節(jié),反之則上升調(diào)節(jié),最終達到電流平衡點,從而進行穩(wěn)弧加熱的過程[5]。

        如圖2所示,電極升降裝置的設(shè)計思路是:首先利用變送器將電石爐原邊電流0~400A轉(zhuǎn)換為4~20mA信號,送入PLC經(jīng)A/D變換后的數(shù)字量進行數(shù)據(jù)處理,即得控制器反饋值,同時利用WinCC上位機軟件通過MPI通信將人工電流設(shè)定參數(shù)送入PLC,即得控制器設(shè)定值;然后由PLC通過比較電流的設(shè)定值與反饋值得出偏差,經(jīng)過自適應PID控制得到控制量,驅(qū)動電極液壓升降裝置,改變電極位置,實現(xiàn)自動升降。電極的升降又引起電極電流的變化,所以電石爐控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制,可根據(jù)反饋電流進行校正,抵消干擾,保證控制的有效性[6]。

        圖2 電極升降控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

        1.2 電極壓放控制系統(tǒng)

        電極壓放的目的是保證電極的冶煉長度,可自動壓放,也可手動壓放。自動壓放時系統(tǒng)能及時地檢測其變化,定時壓放,實現(xiàn)補償。電極的壓放控制由電磁閥和液壓缸驅(qū)動。

        電極壓放系統(tǒng)主要由上、下摩擦環(huán)和錐形環(huán)組成[7]。未實施壓放程序時,電極被上、下摩擦環(huán)和錐形環(huán)鎖定。當需要壓放時,電極升降油缸停在某一位置不動,靠液壓的作用實現(xiàn)。電極壓放裝置在控制系統(tǒng)的程序控制下,按順序?qū)嵤╇姌O壓放過程(圖3)。

        圖3 電極壓放過程示意圖

        2 系統(tǒng)軟件

        S7-300 PLC的編程軟件是STEP7,有梯形圖(LAD)、語句表(STL)和功能塊圖(FBD)3種基本編程語言[8],采用結(jié)構(gòu)化的用戶程序。像高級語言一樣,用子程序完成特定的功能,再由主程序調(diào)用各子程序來實現(xiàn)復雜的程序功能。

        2.1 電極升降控制程序

        根據(jù)S7-300 PLC的程序結(jié)構(gòu),將主要模塊放在兩個組織塊OB1和OB35中。OB1完成功率計算、報警及軟測量等;電極升降PLC控制程序由OB35實現(xiàn),整體結(jié)構(gòu)主要有數(shù)據(jù)采集處理和電極升降控制兩部分,程序調(diào)用結(jié)構(gòu)如圖4所示。

        圖4 電極升降控制PLC程序調(diào)用結(jié)構(gòu)框圖

        在利用STEP7編程前需系統(tǒng)地創(chuàng)建和分配若干子程序塊(FC)和數(shù)據(jù)塊(DB),具體分配見表1。PLC控制的電極升降控制流程如圖5所示。

        表1 電極升降控制系統(tǒng)PLC程序塊

        圖5 電極升降控制系統(tǒng)流程

        2.2 電極壓放控制程序

        電極壓放過程中,升降缸下降動作中,電極被壓放,壓放完畢各位自動復原[9]。電極壓放控制程序分為手動方式和自動方式,壓放遵循“勤壓、少壓”原則。手動方式時,操作人員對每個動作環(huán)節(jié)單步控制,手動設(shè)置升降缸下降時間;自動方式時,壓放長度由升降缸的行程決定[10]。兩種方式可以相互切換。電極自動壓放時的PLC控制流程如圖6所示。

        圖6 電極壓放控制流程

        3 結(jié)束語

        電石爐系統(tǒng)采用PLC控制后,能有效控制生產(chǎn)過程,提高電石的產(chǎn)量和質(zhì)量,解決了操作人員操作困難、勞動強度大的問題??梢暬藱C界面和報警保護功能可以實時地掌控現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài),有效應對和處理信息,有利于安全、穩(wěn)定的生產(chǎn)。自適應PID控制算法保證了電極位置的控制精度,并成功應用在生產(chǎn)中,改善了電爐的自動化操作水平,降低了能耗。

        [1] 趙松杰,李蘭忖.中小型電石爐電極位的PLC控制[J].華北水利水電學院學報,2007,28(4):48~49.

        [2] 吳勇.PLC在電石爐控制系統(tǒng)中的應用[J].自動化與儀器儀表,2005,(3): 45~47.

        [3] 陳龍.智能 PID 控制在電石爐電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的應用研究[D].西安: 西安電子科技大學, 2006.

        [4] 黃杰.電石爐控制系統(tǒng)的設(shè)計與先進控制方案的研究[D].南京:南京理工大學,2008.

        [5] 戚志東,黃寧吉,黃杰.電石爐電極升降模糊控制系統(tǒng)設(shè)計與應用[J].工業(yè)控制計算機,2009,22(7):43~44.

        [6] 劉芙蓉,張丹紅,胡榮強.PLC在電石爐控制中的應用[J].控制工程,2002,(4):46~47.

        [7] 李建興.基于 PLC 的電石爐控制系統(tǒng)研究與設(shè)計[D].長沙: 中南大學,2008.

        [8] 秦益霖.西門子S7-300PLC應用技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012:42~44.

        [9] 李建興,蔣新華.基于PLC的電石爐模糊控制系統(tǒng)研究與應用[J].福建工程學院學報,2007,5(6):555~557,585.

        [10] 謝更柱,王德志.模糊控制與 PID 結(jié)合控制在電石爐上的應用[J].化工自化及儀表,2004,31(5):82~83.

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