PLC控制在電石爐電極升降控制中的應用

陳 玲

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術學院徐州經(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)的結構如圖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)電流與電流設定值保持平衡。

圖1 電石爐控制系統(tǒng)結構框圖

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通信將人工電流設定參數(shù)送入PLC，即得控制器設定值；然后由PLC通過比較電流的設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)結構框圖

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]，采用結構化的用戶程序。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的程序結構，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)，整體結構主要有數(shù)據(jù)采集處理和電極升降控制兩部分，程序調(diào)用結構如圖4所示。

圖4 電極升降控制PLC程序調(diào)用結構框圖

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．

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[8] 秦益霖.西門子S7-300PLC應用技術[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 結合控制在電石爐上的應用[J].化工自化及儀表,2004，31(5):82～83.