电石炉温度控制系统的设计和实现毕业设计.doc
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1、 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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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27
8、5285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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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,
14、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
15、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
16、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
17、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
18、(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
19、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
20、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
21、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
22、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,
23、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
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