电石炉电极压放PLC控制系统组态设计

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1、分类号： TP29 XX大学本科毕业论文题 目： 电石炉电极压放PLC控制系统组态设计 院 系： 信息工程学院 专 业： 班 级： 学生姓名： 指导教师： 论文提交日期：2011年 6月24日论文答辩日期：2011年 6月 28日 摘要本文研究了电石炉的生产原理、工艺流程，并对电石生产的主要设备进行详细介绍和说明;其次，设计了电石炉控制系统，对该系统的硬件设备进行选型和安装，并完成了下位机PLC的程序设计和上位机Win CC监控软件的画面设计。 其中，在研究了电石生产工艺流程的基础上，用工控机和可编程控制器建立了计算机控制系统。下位机采用具有模块化结构的可编程控制器Siemens S7-300

2、完成数据采集和对生产工艺的控制。上位机采用Win CC组态软件设计了监控应用程序，提供了友好的人机交互界面和实时数据管理功能。目前，该电石炉控制系统已投入运行，系统的应用降低了人工劳动强度，改善了电极电流的稳定性，提高了电石生产自动化水平，并达到了节能降耗、提高生产效率的最终目的。关键词: 电石炉控制系统； PLC； Win CC Abstract To begin with, the principle and flow of the Calcium Carbide furnace production were introduced. Furthermore, the control sy

3、stem was designed, the hardware of the system is selected and installed, and then the PLC software and monitoring software with WinCC in the PC were finished. Which,in the study of thecalcium carbideproduction processbased on, With theIPCandPLCcomputer control systemestablished.Lower machine has a m

4、odular structure,Siemens S7-300 prammable controller for data acquisition and control of the production process.PC with Win CC configuration software designed to monitor applications,provides a friendly interactive interface and real-time data management capabilities. The Calcium Carbide furnace con

5、trol system has been put into practice, which releasesthe labor intensity, enhances the stability of electrode current, improves the automation levelof Calcium Carbide production, and realizes the ultimate objects of energy saving andproductivity increase.Key words: Calcium Carbide furnace control s

6、ystem； PLC； WinCC目 录第一章 绪论11.1 引言11.2 电石工业发展前景11.3 项目背景与研究意义21.3.1 项目背景21.3.2 研究意义31.4 研究内容31.4.1 研究内容31.5结构安排3第二章 电石炉生产工艺及设备52.1 电石炉生产原理52.1.1 碳化钙反应机理52.1.2 电石炉电极特性62.1.3 电石炉中的电热过程72.2 电石炉生产工艺及设备82.2.1 电石炉系统的高压电路9第三章 电石炉控制系统设计143.1 控制系统实现功能143.2 测控信号和技术方案153.2.1 采集信号的技术方案153.2.2 输出信号的技术方案163.3 控制系统

7、的硬件设计方案173.3.1 控制系统的总体配置173.3.2PLC 硬件选配与设计193.4 电石炉控制系统中的PLC程序设计243.4.1 PLC程序的整体设计243.4.2 数据采集和处理263.4.3 软件滤波方法293.4.4 变压器有载调压控制313.4.5 电极压放控制32第四章 上位机组态设计和实现364.1数据通信364.2监控界面的设计38第五章 总结4346沈阳化工大学学士学位论文 第一章 绪论第一章 绪论1.1 引言1862年Hare和Wohler在实验室中首次利用Zn 、Ca与C等原料制得CaC2，三十年后Moisson和Willson用CaO和煤在电炉中制成了。由于

8、这种碳化钙是在电炉中反应生成，于是我们俗称它为电石，电石工业品是灰色、黄褐色或黑色的固体，它是有机合成工业的重要基本原料，利用电石与水反应生成的乙炔可进一步合成有关系列产品，如乙醛、醋酸、醋酸乙烯、聚乙烯醇、合成纤维、合成橡胶、合成树脂及有机溶剂等，还可用于金属的切割和焊接。 电石炉内利用三相电极间短路电弧所产生的高温热能将生石灰、焦碳等原料熔融后反应生成CaC，即工业电石。在电弧高温生产电石过程中，电石炉内温度值的改变是通过调节电极碳棒插入炉料的深度来控制的，并且其温度值一般是利用三相原边电流的大小来间接测算的，当电极下降时电流值增加，反之则电流值减少，因此电极升降控制系统是电石生产的重要部

9、位，电极电流值的大小和稳定性是影响电石生产质量及能耗大小的关键因素。在电石生产过程中如果仅依赖人工进行手动操作，这不仅使得人工劳动强度加大，而且会使三相电极平衡难以调节、三相电流值不稳定，甚至容易造成断弧或跳闸现象，由于目前国内电石生产的自动化水平仍然较低，使得电石生产的电能损耗增加，生产效率和质量难以提高，从而导致产品缺乏国内外市场竞争力，因此提高现有设备的自动化水平、完善电石炉系统控制机制、加强生产的安全性能是改善当前比较落后的技术现状的有效途径之一。1.2 电石工业发展前景 根据统计，2010年，我国电石能2400万吨，分别是2005年的1.41倍和1.64倍。符合电石行业准入条件的企业

10、共有312家，企业平均规模6万吨/年，年产能10万吨以上的企业数量超过10%，最大的厂家的生产能力已近百万吨/年。开工率仅为50%-60%。在产能严重过剩的同时，采用节能环保大型密闭炉的产能仅占总产能的20%。大型密闭炉电炉电耗和综合能耗分别为3100千瓦时/吨和1吨标准煤/吨，而目前国内大部分电石炉电耗和综合能耗分贝为3400千瓦时/吨和1.1吨标准煤/吨。产能过剩和因技术装备水平落后带来的成本压力，正导致电石行业利润水平下降、甚至濒临亏损。2010年，碎叶节能减排政策的持续发力，国家对于电石行业的要求将更加严格。 目前电石整体市场陷入僵持和观望之中。市场呈现出两种不同的状况：一方面，电石到

11、货较多库存较大，排队卸货较为明显的PVC企业，下压电石接受价的现象仍有出现；另一方面，遭遇限电的部分电石主产地区因产量减少货源供应不足，所以释然性上调出厂价格，或者是前期接受偏低的PVC企业，在到货明显减少后重新上调电石收价，带来价格反弹。 由于我国电石消费对于聚氯乙烯行业的依赖程度较大，金融危机爆发后至今聚氯乙烯行业一直处于低迷状态，倒是电石企业的生产经营到很大影响。1.3 项目背景与研究意义针对电石炉项目提出的具体设计要求，以节能降耗、降低人工劳动强度为目标，本课题围绕电石炉系统的控制部分展开研究和设计。以下就本课题的项目的研究意义。1.3.1 项目背景我国电石生产设备整体技术水平较低，整

12、个生产过程需要借助人工进行手动炒作，各项电气参数均要通过观察现场仪表才可获得，由于人工操作缺乏规范性，电石产品的质量和效率得不到有效的保障。目前继电器电路被广泛的采用于的电石炉控制系统中，由于继电器系统对生产工艺发生变化的适应性差，使得控制系统存在可高性差、诊断与排除故障非常困难等缺陷。鉴于人工操作和继电器系统存在的种种问题，本课题以密闭电石炉工艺和现场设备，选取西门子PLC、工控机以现场仪表等设备来设计电石炉控制系统。该电石炉项目的设计要求包括：各项工艺参数显示、电极升降控制、电极压放控制、电能累计及报警保护等。1.3.2 研究意义 该项目结合先进生产工艺和自动化控制设备，研究电石炉相关工艺

13、参数和运行控制模式。采用计算机监控系统取代人工经验操作，结合设计工艺参数和控制参数，合理设计计算机控制系统的软硬件，并达到规范生产过程、提高自动化水平的设计效果。 电石炉控制系统投入运行后，可视化的计算机操作界面和报警保护能是人员劳动强度降低，并能实时有效的掌握现场设备运行情况，从而提高生产的安全性和可靠性。电极自动压放的次数。1.4 研究内容 1.4.1 研究内容 （1）研究电石炉的生产原理、工艺流程，详细介绍电石炉的主要设备。 （2）设计电石炉控制系统，研究该系统的硬件选型和安装、下位机PLC的软件设计和编程以及上位机Win CC软件的监控画面设计。 （3）研究电石炉中的电极压放控制系统P

14、LC编程设计。 （4）对电极控制系统PLC程序分析并进行调试。沈阳化工大学学士学位论文 第二章 电石炉生产工艺及设备第二章 电石炉生产工艺及设备 电石炉俗称卡石，其化学名称叫碳化钙。碳化钙的分子式，分子量为64.100其工业品是灰色、黄褐色或黑色固体，含碳滑盖较高的呈紫色，通畅所售的电石是指工业碳化钙，它是由生石灰和焦炭放在电炉中加热到20000生成的。电石中除含大部分碳化钙外，还含有少部分其他杂志。电石是有机合成工业的重要基本原料，利用电石为原料可以合成一系类的有机化合物，为工业、农业、医药提供原料。以电石乙炔为原料可制取乙烯、氯丁橡胶、氰胺化钙、乙酸、三氯乙烯等，电石也可做钢铁的脱硫剂和用

15、于金属的切割和焊接。2.1 电石炉生产原理2.1.1 碳化钙反应机理 电石是石灰与碳素材料在电阻电弧中制成的，在工业生产的过程中，石灰与碳素材料冶炼生成碳化钙是通过两种方式完成的：第一种方式：氧化钙与碳在高温下首先发生下列反应： (2.1.1)钙蒸汽同固态碳又发生如下反应： (2.1.2)反应在双变量系统，气体中存在有气态和两种气体，反应状态不仅决定于温度，同时决定于气体中或二者间任意一个压力值。只有在Ca蒸汽压力较高，而压力较低的情况下，才可能在较低温度下生成。第二种方式：随着物料不断下移，温度增高，当达到与其成分相适应的温度时，石灰表层生成的碳化钙与石灰物料迅速共融成含石灰成分较高的和熔融

16、物。当含量约为20%，温度在左右时，发生如下反应： (2.1.3)伴随沸腾现象的发生，反应急剧进行，熔融体成份迅速增加形成电炉中电极下端的反应区，在此区域内，根据原配料比完成其最终反应，流至炉底而被释放。整个反应几段生成电石所需要的热量，由电极产生的电弧与电流通过炉料产生的电阻供给。2.1.2 电石炉电极特性 电石炉的电能是由变压器通过炉子的短路向电炉输送的，因此在整个网络中存在有变压器 及短路网的阻抗，影响着电石炉的特性。如图2.1表示电石炉的等效电路图： 图2.1电石炉等效电路图其中：原边电压；原边电流；副边电压；副边电流；总感抗；设备的电阻；炉料和熔体的电阻。副边电流：副边视在功率：炉料

17、和熔体总功率：电路电阻总功率：效率：2.1.3 电石炉中的电热过程由于电石炉中炉料及熔体的高电阻性，电极的工作不分深入到料层中，在电极端头与熔体间形成气体空间的电弧区，是电石炉具有电阻电弧炉的特性。电能在电石炉内根据焦耳楞次定律转化为热能，当电流通过电弧，炉料及熔体，且电阻为时，则在一定时间内，供给电石炉的电能为 （2.1.4）电热当量为：,则： （2.1.5） 根据欧姆定律： 又可表示为： （2.1.6） 一般情况下，释放于电弧中的能量约为释放于电石炉中的总能量的40%，释放于炉料中的能量较多，而释放于融体中的能量则为释放于电石炉中的总能量的20%。2.2 电石炉生产工艺及设备 电石炉形式主

18、要分为三种：开放型、半密闭型和全密闭型。开放型电石炉只有用于电石反应用的炉体而没有炉盖，这种电石炉的炉料表面温度高、灰尘多且换将恶劣。半密闭炉是在开放型炉的基础上加上一个集气罩，把炉内产生的一氧化碳抽出一部分，另一部分仍在料面燃烧。而密闭型炉石二十一世纪内很多国脚推广的环保型电石炉，它诞生于上个世纪四十年代末期，是在开放式电石炉基础上加上一个炉盖，将炉内产生的一氧化碳气用抽气设备抽出，并将炉气加以净化处理。由于炉子的构造机构不同，往往工艺流程和相关设备也各有差异，图2.2所示为电石炉电石生产。 图2.2电石炉工艺流程图1原料贮斗；2，14自动秤；3链斗输送机；4,16皮带输送机；5环斗加料机；

19、6环形料仓；7电石炉；8变压器；9短网；10电极；11冷却筒；12斗式提升机；13电石贮斗；15贮斗；17优雅升降机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秤（2），每两台自动秤连成一组，一个称石灰，另一个称焦炭。石灰和焦炭用自动秤按规定比例称量后，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到电石炉（7）中。电流由电炉变压器（8），经短网（9）、集电环、软铜带和到点颚板导入电极（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19002000摄

20、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的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。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管（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。筒外淋洒冷却水使其冷却。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（15）内贮存。根据乙炔发生站的需要，将电石卸到皮带出送机（16）上送往乙炔发生站或

21、者用皮带输送机（16）送往包装工序进行包装。电石炉系统的高低压电路是自动化系统监控的主要内容之一，其主电路如图2.3所示。电石炉电极依次通过短网、电炉变压器、电抗器、断路器和隔离开关接到高压供电网上。在高压侧，一般要加上电力电容器进行无功补偿。 短网是指从电弧炉的电极夹持器到电炉变压器二次端的一段三相电路，它是电弧炉电气回路中的重要部分之一。短网由很多种不同形状的导线组成，主要包括铜排、软电缆、铜管三部分。短网的电阻包括直流电阻及由集肤效应和邻近效应产生的附加电阻，短网的电感包括导线的自感及二相线问的互感。短网中要通过数千至几万安的大电流。因此，短网对减小电炉设备的功率损失、提高功率因数以及平

22、衡三相功率都起着重要作用。电炉变压器，是专门用于电炉冶炼的特种变压器。它具有过载能力大、机械强度高等特点。电炉变压器一般具有20%30%的过载容量。其二次端输出为低电压、大电流。低压侧配有电压调节装置，以供在不同熔炼阶段调节电弧炉的输入功率之用。电抗器用来缓和电弧电流的剧烈波动，一般在电极烧结期内投入。在电石生产的过程中电弧比较稳定，可通过电抗器短路开关将电抗器切除。对于大容量的电弧炉(电炉变压器容量大于9000KVA时)，由于相应短网电抗值较大，一般不再接入电抗器。断路器供保护之用。当电流过大时，断路器会自动切断，使电弧炉与电源脱离。图2.3电石炉电极高压主电路1高压供电网；2电力电容器；3

23、隔离开关；4电压互感器；5电流互感器；6监测仪表；7断路器；8电抗器；9电抗器短路开关；10电炉变压器；11短网；12电炉本体在电石生产过程中，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。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少，生产时间延长:电弧电流过大，就会增加线路上的能量损耗，电效率降低。因而，在生产过程中，需要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

24、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、调节器和执行机构组成，在第五章中对电极自动调节的算法有详细论述。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装置。图2.4液压式电极升降装置总图 在大型密闭炉上常采用较高压力的液体作动力来升降电极、压放电极和夹紧导电颗板。如图2.4所示，图的右侧为泵系统，集中安装在泵站。左侧为阀系统，计算机控制系统输出信号有很大一部分都是用来驱动电磁阀的，这些阀集中安装在阀站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

25、方式。第一种方式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。第二种方式是一套固定的工序，通过上摩擦带松开、提升、夹紧，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

26、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的消耗。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。液压件的动作由电气系统进行控制。压放电极时，6个顺序动作每一个动作的结束是后一个动作的开始，直到全部动作结束为止。压放系统的油路如图2.4中所见。油泵将油从油箱经过过滤网、罐阀送到储压罐或阀站，或经安全溢流阀回油箱。正常生产时候，油的走向受电气系统的控制，若罐内油被打到最高工作油位，则压力相应上升。当电磁阀得电后将安全溢流阀中控制油路中的油放掉，使油经安全溢流阀回到油箱，泵卸荷。当油压到达工作压力时，又

27、将电磁阀断电，于是油又从单向阀方向进入储压罐充压。在压放过程中，摩擦带的松紧是2个3通阀通过电控制而动作的，送电时摩擦带松开，断电时摩擦带夹紧.油路中节流阀用来调节摩擦带松紧的速度，电磁阀左边压力表是观察电磁阀接通油路的情况之用。在油路中，油的走向受电磁阀丙控制。缸的上腔油路中，当丙上部电磁阀动作时，油路在阀内按平行方向接通，油进入油缸上腔。反之，油按交叉路线在阀内走，于是油进入油缸下腔，为控制压下的力，在上腔的油路中设有单向减压阀。为控制摩擦带运动速度，在下腔油路中装有相反的单向减压阀，以便在运动中动作平稳。电极把持器部分和压放部分合用一组油泵系统，电极升降部分单用一组油泵系统，在把持器缸的

28、上腔油路中油单向节流阀和节流阀，以控制油的流量。而下腔油路中具有单向节流阀和减压阀。电接点压力计是为了保持油缸下腔油一定压力的油，当油缸下腔压力下降时，电接点压力计动作，使电磁换向阀内动作，以恢复下部的控制压力.而压力的大小可由减压阀和电接点压力计共同来调整.为使三个把持缸实现同步动作，在其中两个油缸的油路上装有单向节流阀。在自动化改造过程中，为测量电极压放油压、电极升降油压、电极锥形环油压添加了压力夺送器并且更换了部分老式仪表。沈阳化工大学学士学位论文 第三章 电石炉控制系统设计第三章 电石炉控制系统设计根据电石炉的实际生产现状，结合其生产工艺特点，我们提出了控制系统的设计目标。根据这些目标

29、和对现场仪表信号的分析，我们提出了控制系统的总体配置方案，并就系统设备的选配问题进行了详细设计。3.1 控制系统实现功能 技改核心为设计一套自动化控制系统，结合具休生产工艺，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。利用先进智能控制理论和技术，寻求生产过程中较佳的参数匹配，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) 电石炉运行，动态监测电石炉的电压、电流和功率等电气参数。以所测电气参数为基础，结合其它工艺参数，采用先进智能控制技术，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，

30、实现恒电流模式平稳运行，使整个操作流程更加规范合理。2) 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定长自动压放。3) 定时监测炉内烟气温度和压力、电炉和变压器冷却水水温和水压、液压系统油压、高压供配电开关状态等重要安全参数，实时显示和超限报警，以提高安全性能。4) 在上位计算机上以图、曲线、表格等方式实时动态显示各项有关工艺参数。同时设计监控数据库，存储历史记录。历史记录可随时以报表形式调用显示和打印，并且可对有关记录进行分类查询和统计，供有关人员分析使用。3.2 测控信号和技术方案3.2.1 采集信号的技术方案根据上述控制要求，对原有仪表测量系统进行了分析研究，得出了需采集的

31、各类信号汇总表。然后结合计算机需要标准信号的输入要求，逐项进行分析，确定了需要增加的传感变送器，从而便于计算机系统的硬件配置。结果汇总如下：1) 原系统的三相电极电流(序号1)、三相相电流(序号2)、三相1次电压(序号S)、三相1次电流(序号6)、三相电极功率(序号7)、总三相有功/无功功率(序号8)、有功电度(序号9)、无功电度(序号10)、三相电容器电流(序号n)、功率因数(序号12)等均是通过电流互感器、电压互感器降流和降压后直接由示表显示，而三相对地电压(序号3)、三相线电压(序号4)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(包括序

32、号3、4项)，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4 20mA标准信号，由于序号1的信号采集仪表己更换为新型二次仪表，该仪表具有变送功能，故不在需要增加电流变送器。其它各项(序号2、序号12)均需增加电流、电压、功率、电度、功率因数等电最变送器。2) 变压器油温(序号13)测量现在采用的是热电阻与数显仪表方式，故此项仅增加热电阻变送器。3) 电石炉炉压(序号14)需增加压力传感和变送器。4) 炉气含氢量(序号15)，经过现场查看得知，氢量测量配用的是XWGJ-101圆图记录仪。经过分析记录仪有010mA输入接口，故此项不需增加。5) 电极压放油压(序号16)、电极升降

33、油压(序号17)、电极锥形环油压(序号18)采用的是机械电接点压力表测量显示，故均需增加压力传感和变送器。6) 三相电极压放量(序号19)原无测试手段，现设计了3套机械测量装置，采用光电旋转编码器测量电极的相对移动量，故增加了光电旋转编码器。7) 三相电极位置(序号20)项己有420mA输出端，故不需增加传感和变送器。8) 炉盖冷却水压力(序号21)、软水压力(序号23)采用的是机械压力表测量显示，故均需增加压力传感和变送器。9) 炉盖冷却水温度(序号22)、软水温度(序号24)采用的是温度表测量显示，故均需增加热电阻传感和变送器。10) 烟道温度(序号25 )测量现在采用的是热电偶与数显仪表

34、方式,故此项仅需增加热电偶变送器。11) 序号26至序号30为开关量输入信号，可直接接入测量。3.2.2 输出信号的技术方案 为了实现自动控制目的，必须通过计算机输出各类控制信号。输出信号汇总如表3.1所示。表3.1输出信号序号项目送出地点控制信号用途路数1烟道翻板开度（0-100%）3楼烟道420mA控制1AO2电极升降电磁阀3楼油压室AC220V控制3*2=6DO3电极压放电磁阀3楼油压室AC220V控制3*2=6DO4上摩擦片抱紧电磁阀3楼油压室AC220V控制3*1=3DO5下摩擦片抱紧电磁阀3楼油压室AC220V控制3*1=3DO6调压开关变压器房待定控制2DO（正反）1) 烟道翻板

35、开度(序号1)通过电机执行器完成控制。电动执行器DJK-310有010mA控制信号接口，故不需增加转换接口。2) 所有电磁阀(序号2序号5)为AC220V开关量控制信号。3) 调压开关调节(序号6)为开关量控制信号。3.3 控制系统的硬件设计方案 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的成本，以及系统的灵活性和稳定性。3.3.1 控制系统的总体配置 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，除一方面要设置

36、防尘，屏蔽等各种措施外，另一方面则要设计高性能和高可靠性的控制系统。 在生产过程控制中，目前国内外普遍采用DCS系统或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IPC+PLC控制系统.可编程控制器的可靠性较高和抗干扰性较强，主要负责生产现场级控制。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，两者通过RS-485串口通信，如图3.3.1图3.3.1控制系统硬件组成本系统上位机选用研华IPC

37、工控机，运行Windows XP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，可清晰地显示各种图形和文字，相对于传统的CRT显示器可免受电磁干扰的影响，工控机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录。下位PLC需要配置如下的不同性质的I/O点：1) 54个模拟量输入；2) 1个模拟量输出；3) 68个开关量输入；4) 38个开关量输出；根据I/0点数及其特性，模块选配如表3.2所示：表3.2 PLC模块清单型号注释数量备注CPU315-2DPCPU模块1MMC存储卡EEPROM存储单元1512KCP5611上位通讯卡1IM

38、360接口模块（主站）1IM361接口模块（从站）2PS3075A电源模块320针前连接器18导轨1SM331-7KF028路AI模块8共56AISM332-5HD014路AO模块1共4AOSM321-1FF018路DI模块（AC230V）2共16DISM321-1BH0216路DI模块（DC24V）4共64DISM322-1HF108路DO模块（5A）3共24DO(5A)SM322-1HH0016路DO模块（2A）1共16DO(2A)3.3.2PLC 硬件选配与设计 S7-300 PLC采用背板总线的方式将各模块从物理上和电气上连接起来。除CPU模块外，每块信号模块都带有总线连接器，安装时先

39、将总线连接器装在CPU模块上，然后依次将各模块装入，最后这组模块固定在导轨上。 表3.3.1给出了本项目中配置的S7-300PLC模板的型号和数量，下面对使用的这些模块作具体说明。1) PLC的中央处理器CPU315-2DP。 CPU3152DP是PLC的核心，其工作存储器(RAM)的容量为128K字节，选择不同的微存储器卡(MMC)可以获得不同的装载容量，最大容量可达到8MB 。位操作最小执行时间为0.1s，浮点数加法最小执行时间6s，可见其对二进制和浮点数运算都具有较高的处理性能;最大可扩充1024点开关量I/O通道或256路模拟量I/O通道，可用于中等规模I/O配置。CFU315内装硬件

40、实时时钟，PROFIBUS DP主站/从站接口。2) 接口模块对IM360和IM361当PLC系统的规模较大时，一个机架不能容纳所有的模块，这时就要增添扩展机架，装有CPU的机架称为中央机架。主机架和扩展机架之间通过接口模块IM360和IM361连接成统一的整体。每个机架的接口模块再通过总线连接器连接到I/O模块上，一个系统可以有中央机架和最多3个扩展机架，每个机架最多八个扩展模块，相邻机架的间隔为4厘米到10米。IM360必须安装在S7-300的0号主机架上；IM361接u模块安装在S7-300的1号到3号的机架上;数据通过连接线368由IM360传输到IM361，再从IM361传输到下个机

41、架上的IM361上;每个IM361需要一个外部24V电源(一般采用PS307模块电源)，向扩展机架上的所有模块供电。3) 16路开关量输入模块SM321 DI16 DC24V或AC 120V开关量输入模块SM321将位于现场的开关触点的状态经过光电隔离或继电器(如图3.3.2所示)，将从工业现场传输来的外部开关信号转化为内部S7-300信号电平。然后送至输入缓冲器等待CPU采样，采样时，信号经过背板总线进入到输入映像区。图3.3.2光电隔离类型开关量输入4) (4) 8路开关量输出模块SM322 D08 REL. 230ACV / 5A开关量输出模块将S7-300的内部信号电平转化为控制过程所

42、需的外部信号电平。按负载回路使用的电源不同分为：直流输出模块(晶体管)、交流输出模块(可控硅)和交直流(继电器)两用输出模块，SM322 DO 8 230 REL属于继电器输出方式的模块，直流或者交流负载都可以直接驱动，具有较好的安全隔离效果并且应用灵活性。8个输出点分成8组接地;最大负载电流5A；该模块输出具有短路保护功能，适用于连接电磁阀、接触器、小功率电机和电机启动器。继电器型开关量输出的原理图如图3.3.3所示。图3.3.3 继电器型开关量输出原理5) 8路12位分辨率模拟量输入模块SM331 AI8 12Bit ；SM331 AI8 12Bit是8通道的模拟量输入模块，在系统中用于测

43、量各路模拟量如变压器温度、软水压力、电极电流等。模块中要是由A/D转换部件、模拟切换开关、补偿电路、恒流源、光电隔离部件、逻辑电路等组成， A/D转换部件是模块的核心，其转换原理采用积分方法。积分式A/D转换的积分时间直接影响到A/D转换时间和A/D转换精度。积分时间越长，被测值的精度越高。SM331可选的积分时间有：2.Sms， 16.7ms，20ms和100ms。在我国为了抑制工频及谐波干扰，一般选用20ms的积分时间，相应精度为12位。 S7-300模拟输入模块的输入测量值范围很宽，可直接输入电压、电流、电阻、热电偶等信号。通过设置编程工具STEP7的硬件组态程序，可以连接不带附加放大器

44、的模拟执行元件和传感器，并将扩展过程中的不同量程模拟信号转化为S7-300内部处理用的数字信号。SM331的8个模拟量输入通道共用一个积分式A/D转换部件。即通过模拟切换开关，各个输入通道按顺序一个接一个转换。为了缩短循环时间，应该使用STEP 7组态工具屏蔽掉不用的模拟量通道，使其不占用循环时间。另外，为了使模拟量输入模块获得最佳的抗干扰性能，可以将不使用的通道与M短接。原理图如图3.4所示。图3.3.4模拟量输入原理6) 模拟量输出模块SM332 A04 12Bits ；SM332 A04 12Bits是4通道的模拟量输出模块。在本项目中，模拟量输出主要用于控制烟道翻板开度。SM332可以

45、输出电压，也可以输出电流。在输出电压时，可以采用2线回路和4线回路两种方式与负载相连。采用4线回路能够获得比较高的输出精度。7) 电源模块PS307 (5A)及其容量计算PS307是西门子公司为S7-300专配的24V直流电源。PS307系列模块除输出额定电流不同外，其工作原理和各种参数都一样。PS307电源模块的输入接单相交流，输入电压为230/120V，50/60Hz；输出电压24VDC，输出电流有2A，5A，10A三种型号;在输入和输出之间有可靠的隔离。 PS 307可安装在S7-300专用导轨上，除了给S7-300 CPU供电，也可给I/O模块提供负载电源。 在组建S7-300应用系统

46、时，要选择合适的电源模块。其选择准则是电源模块的输出功率必须能够驱动所有负载模块，最好要有30%左右的余量，故在设计系统时考虑每个模块的电流消耗和功率损耗是非常必要的。表3.3各个模块的电流损耗量和功率损耗模块通过背板总线吸取的电流（最大值）从24V负载电源吸取的电流（不带负载运行）功率损耗（正常运行）CPU315-2DP供1.2A1A(接口)2.5WIM360350mA2WIM361供0.8A0.5A5WSM331-7KF0250mA200mA1.3WSM332-5HD0160mA240mA3WSM321-1FF0129mA4.9WSM321-1BH0255mA40mA4WSM322-1HF

47、1040mA125mA4.2WSM322-1HH01100mA250mA4.5W中央机架上的信号模块从S7-300背板总线吸取的电流为，350+503+552=610mA 没有超过CPU315提供的电流1. 2A。图3.5 PLC系统的模块组成 根据图3.3.5的配置作如下计算： 扩展机架1上的模块从S7-300背板总线吸取的电流为502+60+40 3+100=380 mA，没有超过IM361提供的电流0.8A。扩展机架2上的信号模块从S7-300背板总线吸取的电流503+292+552=318 mA，也没有超过IM361提供的电流0.8A。中央机架上各模块从24V电源吸取的总电流为1000

48、+2003+40 2=2600 mA。 扩展机架1上各模块从24 V电源吸取的总电流为500+2002+240+125 3+250=1765mA，扩展机架2上各模块从24V电源吸取的总电流为500+200 3+402=1180 mA。 考虑到电源应留有一定的余量，所以3个电源模块都选用PS307 (5A)。每个PS电源模块消耗的功率为18W，所以整PLC系统消耗的功率为 183+2+52+1.383+4.92+44+4.53+4.5=123.2 W这些参数应该在机箱的整体设计时加以考虑。至此，PLC系统的模块选配和其整体设计完成。3.4 电石炉控制系统中的PLC程序设计PLC程序是整个控制系统

49、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，还有三相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，完成存贮、设定和报警的功能。3.4.1 PLC程序的整体设计本项目采用结构式程序编程方法，按照项目需求，将各类主要程序划分成基本模块，如图3.4.1所示：图3.4.1电石炉控制系统设计图 根据S7-300 PLC的程序结构，将主要模块都放在两个组织块OB 1和OB 35中，共享数据块DB 20用于设定参数的存储，如设定基准电流值和各类物理量的监控上下限位。在电石炉控制系统中需要监测的模拟量比较多，将其分为两组

50、，一组是各种电量(DB 1)，其它物理量作为第二组(DB 2 )。当这些模拟量超过存储在PLC中的参数设定值的限制范围时，上位机会显示报警信息，同时响铃报警。操作人员发现故障并排除后，可解除警报，电极定时压放、变压器有载调压、电极升降调节、软件滤波算法也存放于相应的FC或是FB中。 PLC程序总体模块调用结构如图3.4.2所示，其中OB 100在PLC从STOP状态转换到RUN状态时由PLC的操作系统自动调用，主要用于初始化数据。OB 100结束后，操作系统循环调用OB 1 。调用OB l的时间间隔称为扫描周期。扫描周期的长短，主要由OB1中的程序行所需时间决定，所以系统在不同状态时扫描周期也

51、不相同。这样就使得精确等间隔定时采样无法在OB 1中进行。图3.4.2 PLC程序模块调用结构图 为此STEP 7提供了一个以固定间隔循环运行(定时中断)的组织块OB 35。时间间隔由编程工具设置或修改(缺省值为100ms)。因此我们将需要等间隔定时采样的滤波算法和控制算法放在组织块OB 35中。这种分块处理的方法降低了各个子系统之间的耦合性，也使得程序结构清晰明了。3.4.2 数据采集和处理PLC从工业现场采集回来的信号可分为开关量和模拟量，开关量用0和1即可表示，而对模拟量的处理比较复杂，需要根据外部的变送器或仪表来选择量程并且要知道如何把模拟量表示为PLC内部的数字量，在电石炉控制系统中

52、有大量需要监测的模拟量信号如炉温、炉压、电流、电压，现对模拟量的处理方法如下说明：1. 模拟量类型:电压，电流，电阻；2. 模拟量量程：10V，010V,420mA 等;3. 模拟量极性：双极性如10V单极性如010V，420mA。模拟量的转换精度取决于模块规格，有8位至15位不等。15位精度的模拟量在PLC内部的数字表示方式如下：表3.4模拟量在PLC内部的数字表示Bit15 14 13 12 11 10 9 87 6 5 4 3 2 1 0Value of bits215 214 213 212 211 210 29 28 27 26 25 24 23 22 2 1 20 第十五位为模拟量

53、的符号位：“0”表示正：“1”表示负。如果模拟量转换成的二进制数字量位数少于16位，以“左对齐”为原则，余下的空位填“0” 补齐。这样可以保证在不同的转换精度下，其转化的结果不会差别太大。如表3.5所示：“X”表示精度不足而置零的位。表3.5模拟量值与精度的关系Resolution of Bits(+Sign)UnitsAnalog valueDecimalhexadecimalHigh ByteLow Byte812880HVz00000001xxxxxxx96440HVz000000001xxxxxx10322OHVz0000000001xxxxx111610HVz00000000001x

54、xxx1288HVz000000000001xxx1344HVz0000000000001xx1422HVz00000000000001x1511HVz000000000000001量程为10V的模拟量对应的数字量表示如下：表3.6量程为10V的模拟量对应的数字量表示SystemVoltage Measuring RangeMeasured value%Del.Hex.10V100.000%276486C0010VRatedrange75.000%2073651007.5V0.029836%882.8936mV0%000V-0.028936%-8FFF8-2.8936mV-75.000%-20

55、736AF00-7.5V-100.000%-276489400-10V为了便于在控制或编程时系统参数设置的直观，需要对PLC内部数值(A/D转换得到的数据或D/A转换待输出的数据)与外部实际工程数值(用于A/D转换的输入模拟量或准备进行D/A转换的输出数据)进行对应转换。转换过程可由STEP7编程软件提供的标准功能FC 1 OS (SCALE)或功能FC106 (UNSCALE来完成。 功能FC 105 (SCALE)可以将输入PLC对应的数据转换为直观的实际工程值。它实现的公式如下：Out=In-k!/k2-k1HI_LIM-LO_LIM+LO_LIM (3.4.2)双极性时输入整数值在-2

56、7648和+27648之间，则k1=-27648，k2=+27648;单极性时输入整数值在0和+27648之间，则k1=0 k2=+276480使用LAD编程语言的程序示例如图3.4.3：图3.4.3功能FC 105的梯形图示例如果HI_ LIM为100.00V，LI _LIM为0，极性为单，则输入输出对应的关系如表3.7：表3.7 FC 105 输入输出对应表IN(PLC内部数值)OUT(伏特)001000.9251382450.027648100.0 FC 106的工作原理与FC 105类似，它用于把实际工程值转换成PLC内部数值。由此可以看出，相关参数赋值完成后，只要在程序中调用FC 1

57、05或FC 106,即可完成读取或输出模拟量的任务。3.4.3 软件滤波方法 PLC数据预处理包括数值滤波，这是因为过程信号通过物理介质传送过程中不可避免地会受到工业生产现场各种各样的干扰，数据采集可能存在较大的误差。大量的干扰源常常使控制系统不能正常运行，致使控制失灵，可能造成重大事故。因此，必须采取措施过滤干扰信号。随着计算机运算速度的不断提高，数据滤波在实时数据采集系统中的应用愈来愈广，常见的滤波方法有很多种，包括限幅滤波、中值滤波、均值滤波、低滤波等。西门子公司的SM331模块提供一个未经过处理的数字量(未经过线性化或滤波)，它对应于模拟量输入端的电压或电流。由于这种模块是高速模块，可

58、以跟踪模拟量信号中的快速变化(包括内部和外部噪声)，为了提高控制的可靠性，对受干扰较大的电极电流，电压等测量值在调节周期内的采集数据进行了预处理。具体的算法主要采用一阶低通滤波算法。算法公式如下:Yn=1-aXn+aYn-1 a0,1,n=0,1,2,3 3.4.1 即本次滤波结果等于(1-a)乘以本次采样值加a乘以上次滤波结果，这种滤波方式相当于使采集到的数据通过一次低通滤波器。其优点是对周期性干扰具有良好的抑制作用，缺点是相位滞后，灵敏度低，滞后程度取决于a值大小，不能消除滤波频率高于采样频率的1/2的干扰信号，因此实际使用时要选择合理的a值，过高过低都不能达到目的。在电石炉的生产现场，来

59、自电流和电压变送器的是420mA信号，它的变化一般比较缓慢，而干扰一般带有突发性的特点，变化频率较高，低通滤波器就可以滤除这种干扰，相对于中值滤波有运算量小的优点，而且还可以在线调整a值来改善滤波效果。在应用过程中，有不少模拟量都需要滤波处理，所以可以将滤波程序做成功能块FB，其程序用SCL语言描述如下：FUNCTION_BLOCK di tong / 低通滤波CONST / 常数END CONSTVAR _INPUT / 输入参数In Data ;REAL;Reset ;bool;END VARVAR OUTPUT / 输出参数Out Data ;REAL;END VARVAR / 静态变量Xn_1;REAL ;=0;END VAR / 指令部分IF Reset =l THEN Xn_1 :=0;RETURN;END-IF;Out Data:=ALPHA*In Data+(1-ALP