電石爐電極參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李少帥 王慶賢 左曉薇

(蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

我國(guó)是世界電石生產(chǎn)大國(guó)，但是目前國(guó)內(nèi)所用電石生產(chǎn)裝備多為開(kāi)放爐和半密閉爐[1]，不僅污染嚴(yán)重，而且能耗較高，生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)比較低。國(guó)外性能較好的密閉電石爐大都采用了空心電極技術(shù)，并利用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化。

采用空心電極技術(shù)進(jìn)行加料過(guò)程全自動(dòng)控制，對(duì)各方面要求較高。由于目前國(guó)內(nèi)電石企業(yè)多為民營(yíng)或私營(yíng)企業(yè)，從人員素質(zhì)、技術(shù)水平、生產(chǎn)成本和安全考慮，國(guó)內(nèi)的密閉電石爐無(wú)法廣泛使用空心電極技術(shù)，對(duì)電極工作長(zhǎng)度的自動(dòng)檢測(cè)也變得更加困難。

我國(guó)在“十二五”規(guī)劃中確定，電石行業(yè)要不斷提高技術(shù)裝備和節(jié)能減排水平，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)裝置的密閉化、大型化。因此，提高電石生產(chǎn)的技術(shù)水平、優(yōu)化電石生產(chǎn)過(guò)程顯得尤為重要。本文采用基于LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[2－4]，實(shí)現(xiàn)了電極工作長(zhǎng)度的自動(dòng)檢測(cè)。

1 電極參數(shù)的檢測(cè)原理

電石爐電極參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是在結(jié)合國(guó)內(nèi)企業(yè)實(shí)際情況的基礎(chǔ)上(即國(guó)內(nèi)的密閉電石爐在生產(chǎn)中沒(méi)有廣泛采用空心電極技術(shù))，與生產(chǎn)企業(yè)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的、監(jiān)測(cè)電極插入深度的新方法。電極工作長(zhǎng)度的檢測(cè)采用間接測(cè)量的方法實(shí)現(xiàn)。需要檢測(cè)的三個(gè)主要相關(guān)量為電極組合把持器液壓油缸的壓力、電極的升降位移和電極的壓放量。

液壓缸用來(lái)支撐電極的組合把持器。組合把持器承載著整個(gè)電極裝置。包括電極、電極糊、電極筒和其他附屬配件。這些裝置的總質(zhì)量和液壓缸的活塞環(huán)面積決定了液壓缸內(nèi)的壓力。在所有質(zhì)量中，只有電極和電極糊是變量。電極糊質(zhì)量M1可表述為:

式中:R為電極半徑，R=1 250 mm;L為電極糊高度，一般取為3.5～4 m;ρ1為電極糊密度。

生產(chǎn)過(guò)程中，電極不斷消耗，壓力也會(huì)隨著變化，所以，通過(guò)壓力的變化可以反映出電極消耗的實(shí)時(shí)情況。

采用液壓式壓力傳感器檢測(cè)液壓缸內(nèi)的壓力變化并傳入計(jì)算機(jī);計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)處理，結(jié)合電極升降位移和電極壓放量的檢測(cè)，就可以得出電極的工作長(zhǎng)度。

假設(shè)由計(jì)算機(jī)計(jì)算后得到的電極工作長(zhǎng)度為h1(在電極沒(méi)有升降和壓放的情況下)，則h1為該時(shí)刻的實(shí)時(shí)電極工作長(zhǎng)度。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，電極需要根據(jù)爐況進(jìn)行升降或壓放操作，并保證一定的工作長(zhǎng)度，以滿足正常生產(chǎn)需要。若要得到實(shí)時(shí)的電極工作長(zhǎng)度，還需要檢測(cè)電極的升降位移和壓放量。

電極是由電極組合把持器來(lái)控制升降的，電極組合把持器的升降則是通過(guò)控制液壓油缸的升降來(lái)實(shí)現(xiàn)。在電極組合把持器上安裝位置變送器便可以得到電極的實(shí)時(shí)位移數(shù)據(jù)，設(shè)為h2。電極的壓放是根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中的爐況進(jìn)行定時(shí)自動(dòng)壓放或手動(dòng)操作壓放。以某25 500 kVA密閉電石爐為例，電極壓放一次為20 mm。從初始時(shí)刻開(kāi)始，某時(shí)刻電極的壓放總量為:

式中:h3為電極壓放總量;n為從初始時(shí)刻開(kāi)始到該時(shí)刻電極的壓放次數(shù)。

綜上可知，電極的實(shí)時(shí)工作長(zhǎng)度H為:

2 系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用LabVIEW設(shè)計(jì)，人機(jī)交互界面友好，便于操作。LabVIEW是一種圖形化編程語(yǔ)言，又稱“G”語(yǔ)言，被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所廣泛接受，被視為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件[5]。系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理、實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢等功能。

①數(shù)據(jù)采集與處理

各傳感器測(cè)得現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)后，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終得到電極參數(shù)并實(shí)時(shí)顯示。當(dāng)電極工作長(zhǎng)度超出設(shè)定的上下限時(shí)，電極調(diào)節(jié)報(bào)警燈點(diǎn)亮，給出報(bào)警提示。

②參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置程序用于設(shè)置電極參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)，如電極工作長(zhǎng)度的上下限、電極密度、初始參數(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)間隔時(shí)間等。在系統(tǒng)運(yùn)行前必須保證合理設(shè)定參數(shù)，否則系統(tǒng)自動(dòng)禁止運(yùn)行。

③數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與查詢

數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和查詢便于操作人員和管理人員通過(guò)查詢歷史數(shù)據(jù)了解電石爐的長(zhǎng)期運(yùn)行狀況，以提高操作水平和管理水平。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用數(shù)據(jù)流管理技術(shù)(technical data management streaming，TDMS)文件(一種二進(jìn)制記錄文件)，可以設(shè)置數(shù)據(jù)記錄的間隔時(shí)間。系統(tǒng)按照日期和設(shè)定的時(shí)間間隔生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄文件，便于操作人員和管理人員按照時(shí)間進(jìn)行查詢。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序Fig.1 Data storage program

2.2 硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件主要由工控機(jī)(IPC)、數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)、壓力變送器、位置變送器等構(gòu)成。

①工控機(jī)(IPC)

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾較強(qiáng)且灰塵較大，故采用工控機(jī)采集和處理現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)[6]。

本系統(tǒng)采用研華610L工控機(jī)，用于數(shù)據(jù)采集、處理和實(shí)時(shí)顯示。該工控機(jī)的特點(diǎn)主要有:4U高支持14槽背板;前置USB/PS2接口;前置系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊;前端可安裝3個(gè)半高磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，1個(gè)3.5英寸(1英寸=25.4 mm)軟式磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器和1個(gè)內(nèi)置磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器;配置250 W ATX PFC PS/2電源;可支持ATX母板和400 W PFC電源;能抗沖擊、振蕩，并且能在高溫下穩(wěn)定工作。

②數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)

現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)由各傳感器采集轉(zhuǎn)換為0～5 V的電壓信號(hào)，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)和顯示[7－9]。

本系統(tǒng)采用研華PCI 1710UL數(shù)據(jù)采集卡，其具有以下特點(diǎn)[10]:8路差分模擬量輸入或16路單端或組合方式輸入;12 bit A/D轉(zhuǎn)換器，采樣速率可達(dá)100 kHz;自動(dòng)通道/增益掃描，每個(gè)輸入通道的增益可編程;數(shù)字量輸入和輸出通道各16路;板載4 kB采樣FIFO緩存;可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器。

③壓力變送器

壓力變送器用于檢測(cè)電極組合把持器液壓油缸內(nèi)的壓力，通過(guò)檢測(cè)液壓油缸的壓力來(lái)反映電極的實(shí)時(shí)消耗狀況。壓力變送器采用PTJ206型液壓壓力傳感器，工作電源為24 V直流電源，量程為0～20 MPa，輸出信號(hào)為0～5 V電壓信號(hào)或4～20 mA電流信號(hào)。

④位置變送器

位置變送器安裝于電極組合把持器上，用于檢測(cè)電極在生產(chǎn)過(guò)程中的升降位移。位置變送器的量程為1.5 m，輸出信號(hào)為4～20 mA電流信號(hào)，工作電源為24 V直流電源。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware architecture of the system

3 抗干擾措施

3.1 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了遞推平均濾波算法，即把連續(xù)取得的N個(gè)采樣值看成一個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列的長(zhǎng)度固定為N，每次采樣到一個(gè)新數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，并扔掉原來(lái)隊(duì)首的一次數(shù)據(jù)(先進(jìn)先出原則);將隊(duì)列中的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，就可獲得新的濾波結(jié)果。該濾波算法的引入使整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾性有了很大的提高，有效抑制了隨機(jī)干擾。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)方面通過(guò)采取以下措施，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

①數(shù)據(jù)采集卡采用差分信號(hào)接法，共模抑制比高，使系統(tǒng)具有更好的抗干擾性。

②使用RC電路。通過(guò)RC網(wǎng)絡(luò)消除大共模信號(hào)的影響，并對(duì)輸入共模信號(hào)進(jìn)行高頻抑制，避免因高頻共模信號(hào)耦合導(dǎo)致的共模抑制比降低，進(jìn)而影響輸入信號(hào)測(cè)量。

4 結(jié)束語(yǔ)

將電石爐電極參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于電石冶煉過(guò)程中電極參數(shù)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，目前已進(jìn)入試運(yùn)行階段，其關(guān)鍵技術(shù)在于采用間接測(cè)量的方法實(shí)現(xiàn)電極工作長(zhǎng)度的自動(dòng)檢測(cè)。本文主要對(duì)系統(tǒng)的原理及軟硬件構(gòu)成等進(jìn)行了介紹。該系統(tǒng)對(duì)于優(yōu)化電石生產(chǎn)過(guò)程、實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量和保證生產(chǎn)安全具有重要的意義。

[1] 劉東.電石爐的生產(chǎn)工藝及其關(guān)鍵設(shè)備分析[J].科技信息，2010(35):463.

[2] 黃杰.電石爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與先進(jìn)控制方案的研究[D].南京:南京理工大學(xué)，2008.

[3] 張培武.密閉電石爐電極管理[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[4] 穆國(guó)華.電石爐控制系統(tǒng)的應(yīng)用與研究[D].西安:西安電子科技大學(xué)，2005.

[5] 李江全，劉恩博，胡蓉.LabVIEW虛擬儀器數(shù)據(jù)采集與串口通信測(cè)控應(yīng)用實(shí)戰(zhàn)[M].北京:人民郵電出版社，2010.

[6] 宋敦波.基于LabVIEW的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010，18(7):1528.

[7] 陳光建，何華平，賈金玲.基于虛擬儀器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011(4):49.

[8] 陳江波.多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2002(12):20.

[9] 柴敬安，廖克儉，張紅朋，等.LabVIEW環(huán)境下的虛擬數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)[J].自動(dòng)化儀表，2007，28(7):18 －19.

[10] 郭山國(guó)，任立軍，王國(guó)章，等.基于LabVIEW和PCI-1710的虛擬儀器系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011(10):35.