电石炉温度控制系统的设计和实现毕业设计.doc

本 科 毕 业 设 计 第 44 页 共 44 页1 引言1.1 本课题研究的背景及意义1.1.1 课题的提出背景电石主要是由电石炉内电弧和电阻加热焦炭和生石灰等原料，使之在熔化状态下反应而制成。故电石炉是生产电石的主要设备，其性能直接影响到电石产量、质量以及能耗等经济技术指标。除少数引进设备外，我国目前生产所用的电石生产设备多为6080年代仿制demag型式的中小型密闭炉或开放炉。这些早期设备的产量占总产量的80%左右。与国外相比，我国电石工业生产装备整体技术水平尤其是自动控制水平仍然较低，仍然为粗放式高耗能生产模式，导致产品价格偏高，经济指标差，缺乏国内外市场竞争力。为了改变上述情况，对大量的设备实施自动控制是有效途径之一1。1.1.2 课题的意义电石炉是生产电石的大型设备，它是通过三相电极之间产生的电弧对原材料进行加热，使原材料在一定温度下发生化学反应而生产出电石产品。电石炉三项电极升降控制好坏，直接影响炉温和三项电流的不平衡程度，从而影响产品的质量以及电网的质量。电石冶炼炉同样是一个大量消耗电能、炉内情况变化很大、现场工作环境恶劣的冶炼设备。它工作的稳定与否直接关系到电石产品的质量。在工业上仅应用少数几种碳化物，其中活化钙居第一位。工业碳化钙，或简称电石，使有时会和含碳物料（无烟煤，焦炭）在电炉中熔炼制得。电石主要是由电石炉内电弧和电阻加热焦碳和石灰石等材料,使之在熔化状态下反映而制成。对电石炉生产过程进行自动控制是冶炼厂提高产品质量和节能降耗的重要手段之一。因而电石炉是生产电石的主要设备,其性能直接影响到电石产量,质量以及能耗等经济指标。而现在国内电石生产现状还不是很先进，极电流等现场控制有操作员手工操作实现。电石生产为三班连续作业，由于操作员的素质（如技术水平、反应灵敏性和责任心等）不同，导致电石炉运行很不规范，难以保证持续满负荷运行；电极压放经常必须在停电状态下进行；电石炉运行参数和供配电状态分别由操作员和电工定时观察和记录，难以做到规范准确，难以对数据进行分析，更难以对历史记录分析比较等等，这就要求通过设计更好的方法去进一步改善它。运用plc自动控制系统可以通过对电石炉进行动态监测电石炉的电压、电流和供率的电气参数。以测电气参数为基础，结合其他工艺参数，采用先进plc控制技术，合理动态调节电极插入深度，控制电炉电流、电压级数等参数满足生产要求。在自动控制运行情况下，可根据工艺规定流程，实现恒电流模式平稳运行，使整个操作流程更加规范合理。本设计是为了适应市场竞争需要，提高产品质量，降低能耗，对电石炉进行控制策略研究和计算机控制技术改造。技术改造核心是设计一套计算机控制系统，结合具体生产工艺，合理设计计算机控制系统软硬件，使电石生产过程自动化和规范化。本设计结合目前国内工艺现状和原料特点，分析设备工艺数据，采用plc控制理论和技术，研究合理的控制模型和策略，寻求生产过程中交加的参数匹配，建立电石炉运行的控制模型。同时以此为基础，研制电石炉的计算机控制系统，研究电极的升降，及炉内恒温的控制。1.2 电石工业国内外相关技术现状与发展趋势1.2.1 电石工业国内外技术现状电石工业诞生已有一个世纪。开始电石仅用于电灯、金属切割与焊接。二次大战后，随着有机合成工业的迅速发展，电石工业装备水平不断提高，生产规模不断扩大。日本、美国、德国等是世界上电石工业较发达的国家，电石工业发展历史长。美国是世界上第一个生产电石的国家。美国生产电石的企业有联合碳化物公司、太平洋电石公司等，他们于60年代末首先尝试将计算机运用于电石生产过程控制。原联邦德国也是世界上生产电石比较早的国家，德国demag公司于50年代即设计了2座大型密闭炉。以后demag形式的电石炉的国家。挪威elekm公司设计的elekm电石炉也是各国引进的另一个发明密闭电石炉形式。日本早期从国外引进几座电石炉，在此基础上经过消化设计，建成了多座改良性密闭电石炉。由于这些国家的电石生产装备采用了先进的型式（如挪威发明的的elekm和德国发明的demag型密闭电石炉）和先进的技术（如进年来空心电极和电石炉计算机控制系统的应用等），故其技术经济指标处于世界领先地位。如电石炉的能耗指标电能单耗为3200度/吨以下，质量指标电石发气量达到300升/公斤，整个设备能保持长期稳定运行2。随着有机合成工业的兴起，全国建立了许多电石厂。我国目前生产所用的电石生产设备多为6080年代仿制demag型式的中小型密闭炉或开放炉，技术性能相当于国际60年代水平，并且小型开发炉数量占90%左右。这些早期设备的产量占总产量的80%以上。与国外相比，电石生产设备的整体技术水平较低。整个生产过程均为通过观察仪表测得的电气参数，人工进行操作。由于电石生产影响较多，而人工操作有许多不确定因素，因人而异缺乏规范性，故容易引起电石炉运做状况波动，如果出现电极断裂，还需停电处理，故电石炉难以高负荷长期稳定运行。导致电石生产的经济技术指标较低，如国内目前电石炉的电能单耗约为35003700度/吨，电石发气量约为275285升/公斤。国内也有许多关于电石炉的研究，李建兴、蒋新华等人在plc 的电石炉模糊控制系统研究，电石炉系统是一种典型的非线性、时变的多输入多输出三相耦合系统,难以建立精确的数学模型。经典控制理论和现代控制理论的控制器的设计均建立在被控对象准确的数学模型基础上,采用传统控制方法很难取得理想的控制效果。而对于许多难以建模的多输入多输出系统,采用模糊控制是非常有效的3，4。赵松杰、李兰忖，在电极电位的plc控制的研究，用plc取代传统的继电器接触器,对电石炉电极区位进行随机调节控制，使电极始终处在适当的位置，从而解决电极区位调节控制的生产技术5。吴勇研究的plc在电石炉控制系统中的应用，优先调整偏离设定值最大相和协调控制，有效解决负载波动大和负载偶合的问题6。陈龙、马伯渊、张雪峰等人在智能pid控制在电石炉电极调节系统中的研究7。国内还有其他这方面的研究，不过整体说我国还是和许多发达国家有着一定的差距。所以，此次的plc在电石炉的设计对国内电石炉发展有一定的意义。1.2.2 电石工业国内外技术发展趋势目前，国外的电石炉主要以elekm和demag两种形式为主。性能较好的电石炉均采用了空心电极加料、采用计算机控制实现电极定时压放、电极升降和3个电极的平衡、工艺参数的检测报警和数据管理等。由于炉型和生产流程基本未变，故主要的发展趋势在于各项先进技术的综合应用。国内的某些企业先后引进了多台elekm型密闭电石炉。但由于原料差异和其他技术原因。许多企业并未将一些控制功能投入使用，如某些企业仅用了手工操作方式。而大量老设备仍在使用，如陕北就有许多中小型电石炉，并未进行节能改造。随着电力供应的紧张，淘汰部分落后设备，对一些有基础的设备进行改造将成为发展趋势。目前，对于电石炉三相电极的调节控制仍然没有一个统一的，普通适用的方案，而且不同行业控制经验不尽相同，具体问题需要具体分析。所以如何通过对电极调节策略的研究，提高产品质量，降低能耗，减少对电网的冲击成为迫切需要解决的研究课题。2 电石生产设备和工艺概述为了完成对电石炉系统的计算机控制技术改造，首先必须了解原有电石炉生产工艺和生产设备，发现原有系统的弊端，以便在原有设备基础上，合理设计计算机控制系统，使得电石生产规范化和自动化，达到提高生产质量，降低耗能的目的。为此，我们对电石生产的设备和工艺做出了大量的调研工作8。2.1 电石生产的原理和用途 碳与金属的化合物成为碳化物。在工业商仅应用少数几种碳化物，其中碳化钙居第一位。工业碳化钙，或简称电石，是由石灰和含碳物料（无烟煤，焦炭）在电石炉中熔炼制得。这时发生以下的反应： ca + 3c = cac2 + co电石中除含大部分碳化钙外，还含有少部分其他杂质，这些杂质都是原料中的杂质转化过来的。电石是有机化合成工业的主要原料之一，其中主要用途是生产乙炔和氰氨化钙：(1)制造乙炔： cac2 + 2h2o = ca(oh)2 + c2h2 cac2 +ca(oh)2 = 2cao + c2h2(2)生产氰胺化钙： cac2 + n2 - cacn2 + c 而乙炔是现代合成塑料、橡胶、纤维、医药、农药、染料、树脂和溶剂等许多有机产品的基本原料。乙炔可以合成数千种有机产品，曾被誉为“有机合成工业之母”。氰氨化钙，即石灰氰是一种优良的碱性肥料，也是生产氰化物的原料。因此，电石具有极高的生产价值。2.2 电石炉及其生产设备2.2.1 电石炉 根据加热方式的不同，电弧炉又可分为3种类型：间接电弧炉、直接电弧炉、密闭式电弧炉。本项目采用的是密闭式电弧炉。其电弧在电极周围的固态物料层下面燃烧，因此电流可以平行于电弧而通过炉料。所以电炉是电弧炉与直接加热的电阻炉的联合，也叫做电阻电弧炉。但按其本身的构造，这种电炉更接近电弧炉，而距电阻炉较远9。2.2.2 电极自动调节液压系统 在电石生产过程中，由于电极同炉料的接触性短路、炉料的崩塌、炉料成分的气化、剧烈的化学反应等原因，会引起电弧电流发生很大的波动。因此需要快速调节电极的位置，以使电弧电流保持在一定范围内。其次，炉料熔化和温度的控制主要靠电弧。电弧电流的变化，使得输入炉内的电功率也随之变化。如果电弧电流过小，则输入炉内的电功率减小，生产时间延长；电弧电流过大，就会增加线路上的能量消耗，点效率降低。因而，在生产过程中，必须有一个较理想的功率调节装置，调节电弧炉的输入功率，以取得最佳的熔炼效果。 电极自动调节系统是具有上述功能的装置。电极自动调节系统主要由电压电流的测量比较环节、调节器和执行机构构成，执行机构分为机电式电极升降装置和液压式电极升降装置。机电式电极升降装置一般用于中小容量的电弧炉，而液压式电极升降装置一般用于大型电弧炉，本设计中应用的是液压式电极升降装置。用液压系统控制电极的移动有两个目的，为了达到这两个目的，采用了两个不同的方式。第一种是通过驱动升降大立缸来使得电极移动，这时电极将和套在其上的上、下摩擦带动一起移动，其目的是为了控制因炉料反应而导致的电极电流波动。第二种方法是一套固定的工序，通过上摩擦带松开、提升、加紧，下摩擦带松开、上摩擦带压下来、下摩擦带紧固共6个动作来使得电极下压，这时电极与上下摩擦带产生相对位移，这样做的目的是因为石墨电极不断被电解消耗而变短。为了区别两种工作方式，我们称第一种控制电极移动的方式为“升降”，第二种控制电极移动的方式为“压放”。之所以需要压放操作是因为在电石炉工作过程中，电极因不断被消耗而变短，如果只采用升降方式，升降大立缸最终会移动至下限位无法继续移动。所以在电石生产过程中“升降”操作是主要的调节方式，但每间隔一段时间需要“压放”一次以弥补石墨电极消耗10。压放系统的机械部分由上摩擦带、压放升降缸和下摩擦带组成。在摩擦带夹紧和完全放松位置装有限位开关提供反馈信号。液压件的动作有电气系统进行控制。压放电极时，6个顺序动作每一个动作的结束时后一个动作的开始，直到全部动作结束为止11。2.3 生产工艺流程简介由原料加工处理工序送来的合格的焦炭和生石灰分别储存于原料贮斗（1）内，每个贮斗下面均有一台自动称（2），每两台自动称连成一组，一个称石灰，另一个称焦炭。石灰和焦炭用自动称按规定比例称量后，经链斗输送机（3）将炉料送至皮带输送机（4），载运到环斗加料机（5）向环形料仓（6）加料。从环形料仓下部的投料管把炉料投入电石炉（7）中。电流由电炉变压器（8），经短网（9）、集电环、软铜带和导电颚板导入电极（10）。炉料在电石炉内依靠电弧热、电阻热和一氧化碳带出的显热，加热到19002200摄氏度而生成电石和一氧化碳。生成的电石自出料口流料槽流出。投料管直接插入炉盖内，当炉料下沉时，可继续补充炉料。电石炉的使用功率由电极升降和电压级数的切换来调整，切换电压可以在有载的情况下进行12。电极的升降用油压升降机（17）带动。压力由油压装置供给。电石炉定时将熔融电石放出来，沿着具有冷却水管的流料槽流入冷却筒（11）中。筒内装有导叶，可以抄起电石块而将其摔碎。筒尾通入氮气，以减少电石发气量的损失，并可保证安全生产。筒外淋撒冷却水使其冷却。经冷却破碎后的电石粒度减小，自筒尾卸出，再经斗式提升机（12）进入中间贮斗（13）。再由此经漏斗而落入自动秤（14）称量后的电石沿变向加料筒进入贮斗（15）内贮存。根据乙炔发生站的需要，将电石卸到皮带传送机（16）上送往乙炔发生站或者用皮带输送机（16）送往包装工序进行包装13。以上介绍了电石生产从原料到电石成品的全部生产工艺。图2-1 大型密闭电石炉的工艺流程图。3 plc技术简介在自动化控制领域，plc是一种重要的控制设备。目前，世界上有200多厂家生产300多品种plc产品，应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业14。3.1 可编程控制器的发展以往的顺序控制器主要有继电器组成，由此构成的控制系统都是按预先设定好的时间或条件顺序工作，若要改变控制的顺序就必须改变控制器的硬件接线，使用起来不灵活，也很麻烦。1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司为了适应生产工艺不断更新的需要，要求寻找一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度更快的新型工业控制器，并从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件，这十大条件是：a)编程方便，可现场修改程序；b)维修方便，采用插件式结构；c)可靠性高于继电器控制装置；d)体积小于继电器控制盘；e)数据可直接送入管理计算机；f)成本可与继电器控制盘竟争；g)输入可为市电；h)输出可为市电，容量要求在2a以上，可直接驱动接触器等；i)扩展时原系统改变最少；j）用户存储器大于4kb。1969年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程控制器pdp-14，在美国通用汽车公司的生产线上使用成功，并取得了满意的效果，可编程控制器由此诞生。可编程控制器问世以来，发展极为迅速。1971年，日本开始生产可编程控制器。1973年，欧洲开始生产可编程控制器。到现在世界各国的一些著名的电气工厂几乎都在生产可编程控制器装置。可编程控制器已经作为一种独立的工业设备被列入生产中，成为当代电控装置的主导。早期的可编程控制器主要由分立元件和中小型集成电路组成，它采用了一些计算机技术，但简化了计算机的内部电路，对于工业现场环境适应性较好，指令系统简单，一般只具有逻辑运算的功能。但随着微电子技术和集成电路的发展，特别是微处理器和微型计算机的迅速发展，在20世纪70年代中期，美、日、德等国的一些厂家在可编程控制器中开始引入更多的微机技术，微处理器及其他大规模集成电路芯片成为其核心部件，使可编程控制器的性能价格比产生了新突破。现在的可编程控制器都采用了微处理器（cpu）、只读存储器（rom）、随机存储器（ram）或是单片机作为其核心。近来，可编程控制器的发展更为迅速，更新换代大约在3年左右，其结构不断改进，功能日益增强，性能价格比越来越高。展望未来，可编程控制器在规模和功能上将向两大方向发展，一方面大型可编程控制器不断向高速、大容量和高功能方向发展。如有的扫描速度可高达0.1ms，可处理几万个开关量i/o信号，用户程序存储器容量最大达十几万兆字节。另一方面，发展简易经济的超小型可编程控制器，以适应单机控制、小型自动化的需要。另一方面，不断增强其对过程控制的功能（模拟量控制功能）；研制采用工业标准总线，使同一工业控制系统中能连接不同的控制设备，分别执行不同的任务；增强可编程控制器的联网通信功能，偏于分散控制与集中控制的实现；大力开发智能i/o模块，增强可编程控制器的功能。可编程控制器专为工业环境设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。而有关的外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。plc诞生不久即显示了其在工业控制中的重要地位，如日本、德国、法国等国家相继研制成各自的plc。plc技术随着计算机和微电子技术的发展而迅速发展，由最初的一位机发展为8位机。随着微电子处理器cpu和微型计算机技术在plc中的应用，形成了现代意义上的处理，通信技术使plc产品的应用得到进一步发展。如今，可编程序控制器的技术已非常成熟。并且已向高集成度、小体积、大容量、高速度、易使用、高性能方向发展15。3.2 可编程控制器的特点现代工业生产是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。可编程控制器由于具有以下特点而深受工厂工程技术人员和工人的适应。a）可靠性强，抗干扰能力强。这往往是用户选择控制装置的首要条件。plc生产厂家在硬件和软件上采取了一系列抗干扰措施，使它可以直接安装于工业现场而稳定可靠的工作。目前各厂家生产的plc，其平均无故障时间都大大超过了iec规定的10万小时；而且为了适应特殊场合的需要，有的plc生产商还采用了冗余设计和差异设计（如德国pilz公司的plc），进一步提高了可靠性。b）适应性强，应用灵活。由于plc产品均成系列化生产，品种齐全，多数采用模块式的硬件结构，组合和扩展方便，用户可根据自己的需要灵活选用，以满足系统大小不同及功能繁简各异的控制要求。c）编程方便，易于使用。plc的编程可采用与继电器电路极为相似的梯形图语言，直观易懂，深受现场电气技术人员的欢迎。几年来有发展了面向对象的顺控流程图语言，也称功能图，使编程更简单方便。d) 控制系统设计、安装、调试方便。plc中含有大量的相当于中间继电器、时间继电器、计数器等的“软元件”。又用程序（软接线）代替硬接线，安装接线工作量少。设计人员只要有plc就可进行控制系统设计并可在实验室进行模拟调试。e）维修方便、维修工作量小。plc有完善的自诊断、履历情报储存及监视功能。plc对于其内部工作状态、通信状态、异常状态和i/o点的状态均有显示。工作人员通过它可以查出故障原因，便于迅速处理。f）功能完善。除基本的逻辑控制、定时、技术、算术运算等功能外，配合特殊功能模块还可以实现点位控制、pid运算、过程控制、数字控制等功能，为方便工厂管理又可与上位机通信，通过远程模块还可以控制远方设备。由于具有上述特点，使得plc的应用范围极为广泛，可以说只要有工厂、有控制要求，就会有plc的应用16。3.3 可编程控制器的应用plc种类繁多，但其组成结构和工作原理基本相同。用plc实施控制，其实质是按一定算法进行输入/输出变换，并将这个变换给以物理实现，应用于工业现场。plc专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，它主要由cpu、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。随着plc功能的不断完善，性能价格比的不断提高，plc的应用面也越来越广。目前，plc在国内外已经广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电子、机械制造、汽车、船舶、装卸、造纸、纺织、环保、娱乐等各行各业。plc的应用范围通常可分为如下五种类型。3.3.1 顺序控制这是近日plc最广泛应用的领域，它取代传统的继电器顺序控制。plc应用于单机控制、多机群控制、生产自动线控制，例如，注塑机、印刷机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、包装生产线、电镀流水线及电梯控制等。3.3.2 运动控制plc制造商目前已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。在多数情况下，plc把描述目标位置的数据送给模块，模块移动一轴或数轴到目标位置，当每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。相对来说，位置控制模块比cnc装置体积更小，价格更低，速度更快，操作方便。3.3.3 数据处理在机械加工中，出现了把支持顺序控制的plc和计算机数值控制（cnc）设备紧密结合的趋向。著名的日本fanuc公司推出的system10、11、12系列，已将cnc控制功能作为plc的一部分。为了实现plc和cnc设备之间的内部数据的自由传递，该公司采用了窗口软件。通过窗口软件，用户可以独自编程，由plc送至cnc设备使用。同样，美国ge公司的cnc设备新机种也使用了具有数据处理的plc。东芝的tosnuc600也将cnc和plc组合在一起，预计今后几年cnc系统将变成以plc为主体的控制和管理系统。3.3.4 过程控制plc能控制大量的物理参数，例如，温度、压力、速度和流量等。pid模块的提供plc具有闭环控制功能，即一个具有pid控制能力的plc可以用于过程控制。当控制过程中某个变量出现偏差时，pid控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定值上。pid 算法一旦适应了工艺，就不管工艺混乱而保持设定值。3.3.5 通信和联网为了适应国外今年来兴起的工厂自动化系统、柔性制造系统及集散系统等发展的需要，首先，必须发展plc之间、plc和上级计算机之间的通信功能。作为实时控制系统，不仅plc数据通信速率要求高，而且要考虑出现停电、故障时的对策等。日本富士电机公司开发的micrex-f系列就是一例，其中处理器多达16台，输入/输出点数达3200个之多。plc之间、plc和上级计算机之间都采用光纤通信，多机传递。i/o模块按功能各自放置在生产现场分散控制，然后采用网络联结构成集中管理信息的分布式网络系统17。4 控制系统的设计目标及集成方案4.1 控制系统的设计目标4.1.1 原有控制系统概述电石炉采用自动化仪表现场采集和显示各类电流、电压、压力、温度等工艺参数。操作人员根据所测数据，手工操作调节电极插入深度和调压开关以控制电石炉电流、电压技术等参数满足工艺要求。电石炉由于当时技术水平所限，经过多年运行，暴露出以下几点不足：（1）电石生产为三班连续作业，由于操作员的素质（如技术水平、反应灵敏性和责任心等）不同，导致电石炉运行很不规范，难以保证持续满负荷运行；（2）电极压放经常必须在停电状态下进行；（3）电石炉运行参数和供配电状态分别由操作员和电工定时观察和记录，难以做到规范准确，难以对数据进行分析，更难以对历史记录分析比较等等。4.1.2 改造后控制系统实现的功能技术核心改造为设计一套自动化控制系统。结合具体生产工艺，合理设计自动化控制系统软硬件，使电石生产过程自动化和规范化。利用先进控制理论和技术，调整生产过程中较佳的参数配合，达到提高生产能力，降低能耗的目的。经过技术改造后，控制系统实现了以下功能：（1）自动采集显示电流、电压；（2）自动与设定参数进行对比；（3）自动进行自我调节，使数值尽量维持在设定值内。这就要求通过设计更好的方法去进一步改善它。电石炉炉内温度不稳不仅是在国内对电石炉研究中的一个难点，在世界范围内也没有得到一个好地解决方案，而通过参考国内的一些科研成果，在此次设计中，把测量炉内温度转化为测量电流或电压，进而简化去炉内测温的不方便和不准确性，因为炉内温度是由电弧强度决定，而电弧强度又由电流及电压决定，所以，控制电流电压就能间接控制炉内的温度，运用plc自动控制系统可以通过对电石炉进行动态监测电石炉的电压、电流和供率的电气参数。以测电气参数为基础，结合其他工艺参数，采用先进控制技术，合理动态调节电极插入深度，控制电炉电流、电压级数等参数满足生产要求。在自动控制运行情况下，可根据工艺规定流程，实现恒电流模式平稳运行，使整个操作流程更加规范合理；以原电极压放设备为基础，进行适当改造，实现电极不停电定时自动压放。4.2 需采集的信号汇总分析根据上述控制要求，对原有仪表测量系统进行了分析研究，得出了需采集的各类信号汇总表。通过采集系统的三相电极的1次电压、三相电极的1次电流、三相电极的2次电压、三相电极的2次电流等均是通过电流互感器、电压互感器降流和降压后经转换器由显示表显示。而三相对地电压、三相线电压直接由显示表显示。由于通过互感器处理后的电流为05a或00.5a，电压为0100v或0150v，故上述各项电量信号均需增加相应的电量变送器转变为计算机可采集的420ma的标准信号18。而相对来说，三相电极的1次电流、三相电极的2次电压数值相对较小，测量起来相对比较容易，所以在设计中，重点测量三相电极的1次电流、三相电极的2次电压的数值。4.3 控制系统的硬件集成方案自动化控制系统的设计可以分为硬件设计和软件设计两大类，其中硬件设计是软件设计的基础。硬件的选配设计直接影响到自动化控制系统设计的成本，以及系统的灵活性和稳定性。根据对电石炉生产工艺特点的实际调研和其生产环境的了解得知，电石炉现场条件较为恶劣，灰尘多，温度高，电磁干扰严重。因此对控制设备的可靠性要求较高。为此除一方面设置防尘屏蔽各种措施外，另一方面则要设计高性能和高可靠的控制系统。在生产过程控制中，目前国内外，普遍采用plc系统。该电石炉控制系统的调节回路较少，而检测参数较多，模拟量较少，开关量较多，属于中等规模的技改项目。参考冶金行业类似的电弧炉等成功案例情况以及较高的性价比，控制系统的硬件采用了可编程控制器和上位计算机构成plc控制系统。可编程控制器的可靠性较高和抗干扰性较强，主要负责生产现场及控制，上位计算机选用工业控制级计算机，主要负责生产过程参数的动态显示、存储和监督控制工作。方案的选择，由工控机控制参数的变化，通过plc把采集到的信号和设定值作比较进而控制电磁阀，调节电极的升降，增加或减小电弧强度，达到改变温度的目的，与plc相连的2个a/d模块作用是及时的把变送器送来的数据转换数字信号并送plc中，电流互感器作用是把测到的电流或电压按比例转换成a/d模块能接受的范围，保护模块不被损坏（如图4-1所示）。如果此循环工作系统成立，就能达到使炉内温度尽量恒定在最佳温度值，进而能达到提高生产质量19。a/d模块电压变送器电压互感器二次测电压电压变送器电压变送器电流变送器电流变送器电流变送器电压互感器电压互感器电流互感器电流互感器电流互感器二次测电压二次测电压一次测电流一次测电流一次测电流a/d模块电磁阀电磁阀电磁阀电极升降电极升降电极升降plc工控机图4-1 电石炉plc控制系统示意图4.3.1 工控机的选型主站上位计算机选用研华系列工业控制机如图4-2所示，台湾研华股份有限公司生产的高性能工业控制机是专为工业环境下保证系统连续运行而设计制作的。可以在050 的温度范围内正常工作。电源采用开关电源，其mtbf（平均无故障时间）至少在50 000 h，机箱采用钢制全封闭结构。有效地防止了emi（电磁干扰），系统易于扩展，可采用ieee-488，rs-232，rs-422/485通讯卡来实现分布式数据采集与控制，还配有丰富的接口板。 图4-2 研华工控机实物图 图4-3 fx2n-16mr-001型plc4.3.2 plc的选型plc 程序是整个控制系统的核心，也连接现场信号和人机界面的纽带， plc 程序完成的功能包括数据采集和处理，按照工艺完成相应的工序，还有三项电极调节算法的部分实现工作。同时，上位计算机中的监控程序读写 plc 中的数据，完成储存、设定和报警的功能。plc单元选用fx2n-16mr-001型plc如图4-3所示，参数如下：8点输入点数、8点输出点数、可控硅输出可用fx2n-16ms、晶体管输出可用fx2n-16mt、扩展模块可用点数为2432。fx2n系列是fx系列plc家族中较先进的系列。由于fx2n系列具备如下特点：包容了标准特点、程式执行快、补充了通信功能、适合不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，可以自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。为大量实际应用而开发的特殊功能开发了各个范围的特殊功能模块以满足不同的需要-模拟i/o，高速计数器。24v、400ma直流电源可用于外围设备，如传感器或其它元件。采用了优良的可维护性快速断开端子块，并在fx2n系列plc中都有实时时钟标准。时间设置和比较指令易于操作，还有小时表功能对过程跟踪和机器维护提供了有价值的信息。为应用所需求的持续扫描时间定义操作周期。可以用输入滤波器平整输入信号（在基本单元中x000到x017）。元件注解可以记录在程序寄存器中，在线改变程序不会损失工作时间或停止生产运转。面板上运行/停止开关易于操作，远处的编程软件可以通过调制解调器通信来监测、上载或卸载程序和数据，并使用一个八位数字密码保护您的程序19。4.3.3 模拟量输入/输出的选型模拟量输入模块选用三菱的fx2n-4ad如图4-4所示，该模块有4个输入通道，其分辨率为12位。可选择电流或电压输入，选择通过用户接线来实现。可选为模拟值范围为10vdc（分辨率位5mv）或420ma、-2020ma（分辨率位20a）。转换的速度最高位6ms/通道。fx2n-4ad占用8个i/o点。模拟量输出模块选用三菱的fx2n-4da如图4-5所示，该模块有4个输出通道。提供了12位高精度分辨率的数字输入。转换速度为2.1ms/4通道，使用的通道数变化不会改变转换速度。其他的性能与fx2n-2da相似。 图4-4 fx2n-ad 模块 图4-5 fx2n-da 模块可编程控制器采用三菱公司的fx2n-16mr-001。上位计算机采用台湾研华公司的工业控制计算机和液晶显示器。plc控制程序的编程采用了组态王软件作为开发工具，上位机监控部分的设计采用了组态软件作为开发工具20。本系统上位机选用研华工控机，运行windows2000操作系统，以满足上位组态软件的运行要求。17寸彩色液晶显示器，可清晰的现实各种图形和文字，相对于传统的crt显示器，可免受电磁干扰的影响。工控及外接打印机以打印报表，由一台500va的不间断电源 ups 供电，保证工控机的正常工作和数据的完整记录。考虑到电石炉电流检测受电磁干扰比较严重,程序中考虑到当系统出现意外情况下,电极电流偏差严重超限时,通过声光报警及时通知操作人员进行人工干预。由于系统的实际需要,系统设“自动控制”和“手动控制”2种工作方式。5 控制系统的 plc 程序设计5.1 fx2n系列 plc 的工作原理及元件介绍5.1.1 fx2n系列plc的工作原理plc大多采用成批输入/输出的周期扫描方式工作，按用户程序的先后次序逐条运行。一个完整的周期可分为三个阶段： （1）输入刷新阶段:程序开始时，监控程序使机器以扫描方式逐个输入所有输入端口上的信号，并依次存入对应的输入映象寄存器。（2）程序处理阶段:所有的输入端口采样结束后，即开始进行逻辑运算处理，根据用户输入的控制程序，从第一条开始，逐条加以执行，并将相应的逻辑运行结果，存入对应的中间元件和输出元件映象寄存器，当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输出刷新处理。 （3）输出刷新阶段:将输出元件映象寄存器的内容，从第一个输出端口开始，到最后一个结束，依次读入对应的输出锁存器，从而驱动输出器件形成可编程的实际输出。一般地，plc的一个扫描周期约10ms，另外，可编程序控制器的输入/输出还有响应滞后（输入滤波约10ms），继电器机械滞后约10ms，所以，一个信号从输入到实际输出，大约有20-30ms的滞后。输入信号的有效宽度应大于1个周期+10ms。可编程控制器通过输入模块接受外来的输入信号，通过输出模块驱动外部执行机构，而各种信号之间的逻辑关系则通过用户程序来实现。可编程控制器本质上是一台计算机，和其他计算机一样，他按照分时工作的原理进行工作。也就是说，它在每一个时刻只能进行一项操作。按照既定的顺序一步一步地完成各种操作。5.1.2 fx2n系列plc的元件介绍 fx2n系列plc一般含有一下元件：1、输入继电器 x2、输出继电器 y3、辅助继电器 m：（1）通用辅助继电器（2）掉电保持辅助继电器（3）特殊辅助继电器4、状态继电器 s5、定时器 t：（1）定时器（2）积算定时器6、计数器 c7、数据寄存器 d5.2 plc的pid功能介绍5.2.1 pid控制在工业控制中，pid控制（比例-积分-微分控制）得到了广泛的应用，这是因为pid控制具有以下优点： 1）不需要知道被控对象的数学模型。实际上大多数工业对象准确的数学模型是无法获得的，对于这一类系统，使用pid控制可以得到比较满意的效果。据日本统计，目前pid及变型pid 约占总控制回路数的90%左右。 2）pid控制器具有典型的结构，程序设计简单，参数调整方便。3）有较强的灵活性和适应性，根据被控对象的具体情况，可以采用各种pid控制的变种和改进的控制方式，如 pi、pd、带死区的pid、积分分离式pid、变速积分pid等。随着智能控制技术的发展，pid控制与模糊控制、神经网络控制等现代控制方法相结合，可以实现pid控制器的参数自整定，使pid控制器具有经久不衰的生命力。5.2.2 plc实现pid控制的方法如图5-1所示为采用plc对模拟量实行pid控制的系统结构框图。用plc对模拟量进行pid控制时，可以采用以下几种方法：plcpvfpvpv(t)c(t)mv(t)mvevsvpid调节器数字滤波a/d测量变送被控对象执行机构d/a图5-1 用plc实现模拟量pid控制的系统结构框图1）使用pid过程控制模块。这种模块的pid控制程序是plc生产厂家设计的，并存放在模块中，用户在使用时只需要设置一些参数，使用起来非常方便，一块模块可以控制几路甚至几十路闭环回路。但是这种模块的价格昂贵，一般在大型控制系统中使用。如三菱的a系列、q系列plc的pid控制模块。 2）使用pid功能指令。现在很多中小型 plc都提供pid控制用的功能指令，如fx2n系列plc的pid指令。它们实际上是用于pid控制的子程序，与a/d、d/a模块一起使用，可以得到类似于使用pid过程控制模块的效果，价格却便宜得多。3）使用自编程序实现pid闭环控制。有的plc没有有pid过程控制模块和 pid控制指令，有时虽然有pid控制指令，但用户希望采用变型pid控制算法。在这些情况下，都需要由用户自己编制pid控制程序。5.2.3 fx2n的pid指令pid指令的编号为fnc88，如图5-2所示源操作数s1、s2、s3和目标操作数d均为数据寄存器d，16位指令，占9个程序步。s1和s2分别用来存放给定值sv和当前测量到的反馈值pv，s3s36用来存放控制参数的值，运算结果mv存放在d中。源操作数s3占用从s3开始的25个数据寄存器。x000fnc 88 d0 d1 d100 d150pids1 s2 s3 d 给定值 反馈值 参数 输出值 （sv） (pv) (mv)图5-2 pid指令pid指令是用来调用pid运算程序，在pid运算开始之前，应使用mov指令将参数（见表5-1）设定值预先写入对应的数据寄存器中。如果使用有断电保持功能的数据寄存器，不需要重复写入。如果目标操作数d有断电保持功能，应使用初始化脉冲m8002的常开触点将其复位。表5-1 pid控制参数及设定源操作数参 数设定范围或说明备 注s3采样周期（ts）132767ms不能小于扫描周期s3+ 1动作方向（act）bit0: 0为正作用、1为反作用bit1: 0为无输入变化量报警1为有输入变化量报警bit2: 0为无输出变化量报警1为有输出变化量报警bit3 bit15不用s3+ 2输入滤波常数（l）099（%）对反馈量的一阶惯性数字滤波环节s3+ 3比例增益（k p）132767（%）s3+ 4积分时间（t i）032767（100ms）0与作同样处理s3+ 5微分增益 (k d)0100（%）s3+ 6微分时间（t d）032767（10ms）0为无微分s3+ 7 s3+ 19pid运算占用s3+ 20输入变化量（增方）警报设定值032767由用户设定act（s3+ 1）为k2k7时有效，即act的bit1 和bit2至少有一个为1时才有效；当act的bit1 和bit2都为0时，s3+ 20 s3+ 24无效s3+ 21输入变化量（减方）警报设定值032767s3+ 22输出变化量（增方）警报设定值032767s3+ 23输出变化量（减方）警报设定值032767s3+ 24警报输出bit0: 输入变化量（增方）超出bit1: 输入变化量（减方）超出bit2: 输出变化量（增方）超出bit3: 输出变化量（减方）超出pid指令可以同时多次使用，但是用于运算的s3、d的数据寄存器元件号不能重复。pid指令可以在定时中断、子程序、步进指令和转移指令内使用，但是应将s37清零（采用脉冲执行的mov指令）之后才能使用。控制参数的设定和 pid运算中的数据出现错误时，“运算错误”标志m8067为 on，错误代码存放在d8067中。pid指令采用增量式pid算法，控制算法中还综合使用了反馈量一阶惯性数字滤波、不完全微分和反馈量微分等措施，使该指令比普通的pid算法具有更好的控制效果。pid控制是根据“动作方向”（s3+1）的设定内容，进行正作用或反作用的pid运算。pid运算公式如下：以上公式中：mv是本次和上一次采样时pid输出量的差值，mvn是本次的pid输出量；evn和 evn-1分别是本次和上一次采样时的误差，sv为设定值；pvn是本次采样的反馈值，pvnf、pvnf-1和pvnf-2分别是本次、前一次和前两次滤波后的反馈值，l是惯性数字滤波的系数；dn和dn-l分别是本次和上一次采样时的微分部分；k p是比例增益，t s是采样周期，t i和t d分别是积分时间和微分时间，d是不完全微分的滤波时间常数与微分时间td的比值。5.2.4 pid参数的设定pid控制器有4个主要的参数k p、t i、t d和t s需整定，无论哪一个参数选择得不合适都会影响控制效果。在整定参数时应把握住pid参数与系统动态、静态性能之间的关系。在p（比例）、i（积分）、d（微分）这三种控制作用中，比例部分与误差信号在时间上是一致的，只要误差一出现，比例部分就能及时地产生与误差成正比的调节作用，具有调节及时的特点。比例系数k p越大，比例调节作用越强，系统的稳态精度越高；但是对于大多数系统，k p过大会使系统的输出量振荡加剧，稳定性降低。积分作用与当前误差的大小和误差的历史情况都有关系，只要误差不为零，控制器的输出就会因积分作用而不断变化，一直要到误差消失，系统处于稳定状态时，积分部分才不再变化。因此，积分部分可以消除稳态误差，提高控制精度，但是积分作用的动作缓慢，可能给系统的动态稳定性带来不良影响。积分时间常数t i增大时，积分作用减弱，系统的动态性能（稳定性）可能有所改善，但是消除稳态误差的速度减慢。微分部分是根据误差变化的速度，提前给出较大的调节作用。微分部分反映了系统变化的趋势，它较比例调节更为及时，所以微分部分具有超前和预测的特点。微分时间常数t d增大时，超调量减小，动态性能得到改善，但是抑制高频干扰的能力下降。选取采样周期t s时，应使它远远小于系统阶跃响应的纯滞后时间或上升时间。为使采样值能及时反映模拟量的变化，t s越小越好。但是t s太小会增加cpu的运算工作量，相邻两次采样的差值几乎没有什么变化，所以也不宜将t s取得过小。5.2.4 pid手、自动控制方式在现场控制回路中，我们有时会出现扰动的强变引起现场过程值的跳变，如果这时采用了i控制规律，要消除这个扰动，会使得调节时间过长、过慢，这时就需要人为的进行干预。pid控制器在这方面设置了一个使能位0或1，0指手动控制，1为pid参与调节，也就是”自动”与”手动”的说法。当pid运算不被执行的时，我们称之为”手动”方式，pid运算参与控制称为”自动”方式。当这个使能位发生从0到1的正跳变时，pid会按照预先设置的控制规律进行一系列的动作，使pid从手动方式无扰动地切换到自动方式，为了能使手动方式无扰动切换到自动方式，pid会执行以下操作：1、 置过程变量值pv=给定值sp，在未人为改变sp值之前，sp持恒定。 2、 置过程变量前值pvn-1=过程变量现值pvn。需要说明的是：cpu在启动或从stop方式转化到run的方式时，使能位的默认值是为1的。当run状态存在，人为使使能位变为0，pid是不会自行将使能位变为1，不会自行的切换到自动方式。也就是说，要想再次使pid参与控制，需人为将使能位置1。例如：在abb freelance 2000 digivis操作员站中pid控制面板上，手、自动用m(man)、a(auto)标示，当从m转为a时，pid工作，pid将过程变量值pv置于设定值sp值，并保持pv跟踪sp值；当从a转为m时，pid停止工作，系统会将输出值outn-1赋予outn，并保持out不变，sp值跟踪pv值。5.3 plc的程序流程图n选择控制方案ynya/d数字读取开始是否为自动方案？手动开关是否为停止状态？y数字量转换模拟量n是否报警？输出处理结束运行pid运算6 监控软件的设计与实现本章论述了上位工业控制