電石爐電極壓放PLC控制系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)

1、分類號(hào)： tp29 xx大學(xué)本科畢業(yè)論文題 目： 電石爐電極壓放plc控制系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì) 院 系： 信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 班 級(jí)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 論文提交日期：2011年 6月24日論文答辯日期：2011年 6月 28日 摘要本文研究了電石爐的生產(chǎn)原理、工藝流程，并對(duì)電石生產(chǎn)的主要設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)介紹和說(shuō)明;其次，設(shè)計(jì)了電石爐控制系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)的硬件設(shè)備進(jìn)行選型和安裝，并完成了下位機(jī)plc的程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)win cc監(jiān)控軟件的畫(huà)面設(shè)計(jì)。 其中，在研究了電石生產(chǎn)工藝流程的基礎(chǔ)上，用工控機(jī)和可編程控制器建立了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。下位機(jī)采用具有模塊化結(jié)構(gòu)的可編程控制器siemens s7-300

2、完成數(shù)據(jù)采集和對(duì)生產(chǎn)工藝的控制。上位機(jī)采用win cc組態(tài)軟件設(shè)計(jì)了監(jiān)控應(yīng)用程序，提供了友好的人機(jī)交互界面和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理功能。目前，該電石爐控制系統(tǒng)已投入運(yùn)行，系統(tǒng)的應(yīng)用降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了電極電流的穩(wěn)定性，提高了電石生產(chǎn)自動(dòng)化水平，并達(dá)到了節(jié)能降耗、提高生產(chǎn)效率的最終目的。關(guān)鍵詞: 電石爐控制系統(tǒng)； 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 錄第一章 緒論11.1 引言11.2 電石工業(yè)發(fā)展前景11.3 項(xiàng)目背景與研究意義21.3.1 項(xiàng)目背景21.3.2 研究意義31.4 研究?jī)?nèi)容31.4.1 研究?jī)?nèi)容31.5結(jié)構(gòu)安排3第二章 電石爐生產(chǎn)工藝及設(shè)備52.1 電石爐生產(chǎn)原理52.1.1 碳化鈣反應(yīng)機(jī)理52.1.2 電石爐電極特性62.1.3 電石爐中的電熱過(guò)程72.2 電石爐生產(chǎn)工藝及設(shè)備82.2.1 電石爐系統(tǒng)的高壓電路9第三章 電石爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)143.1 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能143.2 測(cè)控信號(hào)和技術(shù)方案153.2.1 采集信號(hào)的技術(shù)方案153.2.2 輸出信號(hào)的技術(shù)方案163.3 控制系統(tǒng)

7、的硬件設(shè)計(jì)方案173.3.1 控制系統(tǒng)的總體配置173.3.2plc 硬件選配與設(shè)計(jì)193.4 電石爐控制系統(tǒng)中的plc程序設(shè)計(jì)243.4.1 plc程序的整體設(shè)計(jì)243.4.2 數(shù)據(jù)采集和處理263.4.3 軟件濾波方法293.4.4 變壓器有載調(diào)壓控制313.4.5 電極壓放控制32第四章 上位機(jī)組態(tài)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)364.1數(shù)據(jù)通信364.2監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)38第五章 總結(jié)4345沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第一章 緒論第一章 緒論1.1 引言1862年hare和wohler在實(shí)驗(yàn)室中首次利用zn 、ca與c等原料制得cac2，三十年后moisson和willson用cao和煤在電爐中制成了。由于

8、這種碳化鈣是在電爐中反應(yīng)生成，于是我們俗稱它為電石，電石工業(yè)品是灰色、黃褐色或黑色的固體，它是有機(jī)合成工業(yè)的重要基本原料，利用電石與水反應(yīng)生成的乙炔可進(jìn)一步合成有關(guān)系列產(chǎn)品，如乙醛、醋酸、醋酸乙烯、聚乙烯醇、合成纖維、合成橡膠、合成樹(shù)脂及有機(jī)溶劑等，還可用于金屬的切割和焊接。 電石爐內(nèi)利用三相電極間短路電弧所產(chǎn)生的高溫?zé)崮軐⑸?、焦碳等原料熔融后反?yīng)生成cac，即工業(yè)電石。在電弧高溫生產(chǎn)電石過(guò)程中，電石爐內(nèi)溫度值的改變是通過(guò)調(diào)節(jié)電極碳棒插入爐料的深度來(lái)控制的，并且其溫度值一般是利用三相原邊電流的大小來(lái)間接測(cè)算的，當(dāng)電極下降時(shí)電流值增加，反之則電流值減少，因此電極升降控制系統(tǒng)是電石生產(chǎn)的重要部

9、位，電極電流值的大小和穩(wěn)定性是影響電石生產(chǎn)質(zhì)量及能耗大小的關(guān)鍵因素。在電石生產(chǎn)過(guò)程中如果僅依賴人工進(jìn)行手動(dòng)操作，這不僅使得人工勞動(dòng)強(qiáng)度加大，而且會(huì)使三相電極平衡難以調(diào)節(jié)、三相電流值不穩(wěn)定，甚至容易造成斷弧或跳閘現(xiàn)象，由于目前國(guó)內(nèi)電石生產(chǎn)的自動(dòng)化水平仍然較低，使得電石生產(chǎn)的電能損耗增加，生產(chǎn)效率和質(zhì)量難以提高，從而導(dǎo)致產(chǎn)品缺乏國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，因此提高現(xiàn)有設(shè)備的自動(dòng)化水平、完善電石爐系統(tǒng)控制機(jī)制、加強(qiáng)生產(chǎn)的安全性能是改善當(dāng)前比較落后的技術(shù)現(xiàn)狀的有效途徑之一。1.2 電石工業(yè)發(fā)展前景 根據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010年，我國(guó)電石能2400萬(wàn)噸，分別是2005年的1.41倍和1.64倍。符合電石行業(yè)準(zhǔn)入條件的企業(yè)

10、共有312家，企業(yè)平均規(guī)模6萬(wàn)噸/年，年產(chǎn)能10萬(wàn)噸以上的企業(yè)數(shù)量超過(guò)10%，最大的廠家的生產(chǎn)能力已近百萬(wàn)噸/年。開(kāi)工率僅為50%-60%。在產(chǎn)能嚴(yán)重過(guò)剩的同時(shí)，采用節(jié)能環(huán)保大型密閉爐的產(chǎn)能僅占總產(chǎn)能的20%。大型密閉爐電爐電耗和綜合能耗分別為3100千瓦時(shí)/噸和1噸標(biāo)準(zhǔn)煤/噸，而目前國(guó)內(nèi)大部分電石爐電耗和綜合能耗分貝為3400千瓦時(shí)/噸和1.1噸標(biāo)準(zhǔn)煤/噸。產(chǎn)能過(guò)剩和因技術(shù)裝備水平落后帶來(lái)的成本壓力，正導(dǎo)致電石行業(yè)利潤(rùn)水平下降、甚至瀕臨虧損。2010年，碎葉節(jié)能減排政策的持續(xù)發(fā)力，國(guó)家對(duì)于電石行業(yè)的要求將更加嚴(yán)格。 目前電石整體市場(chǎng)陷入僵持和觀望之中。市場(chǎng)呈現(xiàn)出兩種不同的狀況：一方面，電石到

11、貨較多庫(kù)存較大，排隊(duì)卸貨較為明顯的pvc企業(yè)，下壓電石接受價(jià)的現(xiàn)象仍有出現(xiàn)；另一方面，遭遇限電的部分電石主產(chǎn)地區(qū)因產(chǎn)量減少貨源供應(yīng)不足，所以釋然性上調(diào)出廠價(jià)格，或者是前期接受偏低的pvc企業(yè)，在到貨明顯減少后重新上調(diào)電石收價(jià)，帶來(lái)價(jià)格反彈。 由于我國(guó)電石消費(fèi)對(duì)于聚氯乙烯行業(yè)的依賴程度較大，金融危機(jī)爆發(fā)后至今聚氯乙烯行業(yè)一直處于低迷狀態(tài)，倒是電石企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)到很大影響。1.3 項(xiàng)目背景與研究意義針對(duì)電石爐項(xiàng)目提出的具體設(shè)計(jì)要求，以節(jié)能降耗、降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度為目標(biāo)，本課題圍繞電石爐系統(tǒng)的控制部分展開(kāi)研究和設(shè)計(jì)。以下就本課題的項(xiàng)目的研究意義。1.3.1 項(xiàng)目背景我國(guó)電石生產(chǎn)設(shè)備整體技術(shù)水平較低，整

12、個(gè)生產(chǎn)過(guò)程需要借助人工進(jìn)行手動(dòng)炒作，各項(xiàng)電氣參數(shù)均要通過(guò)觀察現(xiàn)場(chǎng)儀表才可獲得，由于人工操作缺乏規(guī)范性，電石產(chǎn)品的質(zhì)量和效率得不到有效的保障。目前繼電器電路被廣泛的采用于的電石爐控制系統(tǒng)中，由于繼電器系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)工藝發(fā)生變化的適應(yīng)性差，使得控制系統(tǒng)存在可高性差、診斷與排除故障非常困難等缺陷。鑒于人工操作和繼電器系統(tǒng)存在的種種問(wèn)題，本課題以密閉電石爐工藝和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，選取西門子plc、工控機(jī)以現(xiàn)場(chǎng)儀表等設(shè)備來(lái)設(shè)計(jì)電石爐控制系統(tǒng)。該電石爐項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求包括：各項(xiàng)工藝參數(shù)顯示、電極升降控制、電極壓放控制、電能累計(jì)及報(bào)警保護(hù)等。1.3.2 研究意義 該項(xiàng)目結(jié)合先進(jìn)生產(chǎn)工藝和自動(dòng)化控制設(shè)備，研究電石爐相關(guān)工藝

13、參數(shù)和運(yùn)行控制模式。采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)取代人工經(jīng)驗(yàn)操作，結(jié)合設(shè)計(jì)工藝參數(shù)和控制參數(shù)，合理設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件，并達(dá)到規(guī)范生產(chǎn)過(guò)程、提高自動(dòng)化水平的設(shè)計(jì)效果。 電石爐控制系統(tǒng)投入運(yùn)行后，可視化的計(jì)算機(jī)操作界面和報(bào)警保護(hù)能是人員勞動(dòng)強(qiáng)度降低，并能實(shí)時(shí)有效的掌握現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行情況，從而提高生產(chǎn)的安全性和可靠性。電極自動(dòng)壓放的次數(shù)。1.4 研究?jī)?nèi)容 1.4.1 研究?jī)?nèi)容 （1）研究電石爐的生產(chǎn)原理、工藝流程，詳細(xì)介紹電石爐的主要設(shè)備。 （2）設(shè)計(jì)電石爐控制系統(tǒng)，研究該系統(tǒng)的硬件選型和安裝、下位機(jī)plc的軟件設(shè)計(jì)和編程以及上位機(jī)win cc軟件的監(jiān)控畫(huà)面設(shè)計(jì)。 （3）研究電石爐中的電極壓放控制系統(tǒng)p

14、lc編程設(shè)計(jì)。 （4）對(duì)電極控制系統(tǒng)plc程序分析并進(jìn)行調(diào)試。沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第二章 電石爐生產(chǎn)工藝及設(shè)備第二章 電石爐生產(chǎn)工藝及設(shè)備 電石爐俗稱卡石，其化學(xué)名稱叫碳化鈣。碳化鈣的分子式，分子量為64.100其工業(yè)品是灰色、黃褐色或黑色固體，含碳滑蓋較高的呈紫色，通暢所售的電石是指工業(yè)碳化鈣，它是由生石灰和焦炭放在電爐中加熱到20000生成的。電石中除含大部分碳化鈣外，還含有少部分其他雜志。電石是有機(jī)合成工業(yè)的重要基本原料，利用電石為原料可以合成一系類的有機(jī)化合物，為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥提供原料。以電石乙炔為原料可制取乙烯、氯丁橡膠、氰胺化鈣、乙酸、三氯乙烯等，電石也可做鋼鐵的脫硫劑和用

15、于金屬的切割和焊接。2.1 電石爐生產(chǎn)原理2.1.1 碳化鈣反應(yīng)機(jī)理 電石是石灰與碳素材料在電阻電弧中制成的，在工業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程中，石灰與碳素材料冶煉生成碳化鈣是通過(guò)兩種方式完成的：第一種方式：氧化鈣與碳在高溫下首先發(fā)生下列反應(yīng)： (2.1.1)鈣蒸汽同固態(tài)碳又發(fā)生如下反應(yīng)： (2.1.2)反應(yīng)在雙變量系統(tǒng)，氣體中存在有氣態(tài)和兩種氣體，反應(yīng)狀態(tài)不僅決定于溫度，同時(shí)決定于氣體中或二者間任意一個(gè)壓力值。只有在ca蒸汽壓力較高，而壓力較低的情況下，才可能在較低溫度下生成。第二種方式：隨著物料不斷下移，溫度增高，當(dāng)達(dá)到與其成分相適應(yīng)的溫度時(shí)，石灰表層生成的碳化鈣與石灰物料迅速共融成含石灰成分較高的和熔融

16、物。當(dāng)含量約為20%，溫度在左右時(shí)，發(fā)生如下反應(yīng)： (2.1.3)伴隨沸騰現(xiàn)象的發(fā)生，反應(yīng)急劇進(jìn)行，熔融體成份迅速增加形成電爐中電極下端的反應(yīng)區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)，根據(jù)原配料比完成其最終反應(yīng)，流至爐底而被釋放。整個(gè)反應(yīng)幾段生成電石所需要的熱量，由電極產(chǎn)生的電弧與電流通過(guò)爐料產(chǎn)生的電阻供給。2.1.2 電石爐電極特性 電石爐的電能是由變壓器通過(guò)爐子的短路向電爐輸送的，因此在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中存在有變壓器 及短路網(wǎng)的阻抗，影響著電石爐的特性。如圖2.1表示電石爐的等效電路圖： 圖2.1電石爐等效電路圖其中：原邊電壓；原邊電流；副邊電壓；副邊電流；總感抗；設(shè)備的電阻；爐料和熔體的電阻。副邊電流：副邊視在功率：爐料

17、和熔體總功率：電路電阻總功率：效率：2.1.3 電石爐中的電熱過(guò)程由于電石爐中爐料及熔體的高電阻性，電極的工作不分深入到料層中，在電極端頭與熔體間形成氣體空間的電弧區(qū)，是電石爐具有電阻電弧爐的特性。電能在電石爐內(nèi)根據(jù)焦耳楞次定律轉(zhuǎn)化為熱能，當(dāng)電流通過(guò)電弧，爐料及熔體，且電阻為時(shí)，則在一定時(shí)間內(nèi)，供給電石爐的電能為 （2.1.4）電熱當(dāng)量為：,則： （2.1.5） 根據(jù)歐姆定律： 又可表示為： （2.1.6） 一般情況下，釋放于電弧中的能量約為釋放于電石爐中的總能量的40%，釋放于爐料中的能量較多，而釋放于融體中的能量則為釋放于電石爐中的總能量的20%。2.2 電石爐生產(chǎn)工藝及設(shè)備 電石爐形式主

18、要分為三種：開(kāi)放型、半密閉型和全密閉型。開(kāi)放型電石爐只有用于電石反應(yīng)用的爐體而沒(méi)有爐蓋，這種電石爐的爐料表面溫度高、灰塵多且換將惡劣。半密閉爐是在開(kāi)放型爐的基礎(chǔ)上加上一個(gè)集氣罩，把爐內(nèi)產(chǎn)生的一氧化碳抽出一部分，另一部分仍在料面燃燒。而密閉型爐石二十一世紀(jì)內(nèi)很多國(guó)腳推廣的環(huán)保型電石爐，它誕生于上個(gè)世紀(jì)四十年代末期，是在開(kāi)放式電石爐基礎(chǔ)上加上一個(gè)爐蓋，將爐內(nèi)產(chǎn)生的一氧化碳?xì)庥贸闅庠O(shè)備抽出，并將爐氣加以凈化處理。由于爐子的構(gòu)造機(jī)構(gòu)不同，往往工藝流程和相關(guān)設(shè)備也各有差異，圖2.2所示為電石爐電石生產(chǎn)。 圖2.2電石爐工藝流程圖1原料貯斗；2，14自動(dòng)秤；3鏈斗輸送機(jī)；4,16皮帶輸送機(jī)；5環(huán)斗加料機(jī)；

19、6環(huán)形料倉(cāng)；7電石爐；8變壓器；9短網(wǎng)；10電極；11冷卻筒；12斗式提升機(jī)；13電石貯斗；15貯斗；17優(yōu)雅升降機(jī)由原料加工處理工序送來(lái)的合格的焦炭和生石灰分別儲(chǔ)存于原料貯斗（1）內(nèi)，每個(gè)貯斗下面均有一臺(tái)自動(dòng)秤（2），每?jī)膳_(tái)自動(dòng)秤連成一組，一個(gè)稱石灰，另一個(gè)稱焦炭。石灰和焦炭用自動(dòng)秤按規(guī)定比例稱量后，經(jīng)鏈斗輸送機(jī)（3）將爐料送至皮帶輸送機(jī)（4），載運(yùn)到環(huán)斗加料機(jī)（5）向環(huán)形料倉(cāng)（6）加料。從環(huán)形料倉(cāng)下部的投料管把爐料投到電石爐（7）中。電流由電爐變壓器（8），經(jīng)短網(wǎng)（9）、集電環(huán)、軟銅帶和到點(diǎn)顎板導(dǎo)入電極（10）。爐料在電石爐內(nèi)依靠電弧熱、電阻熱和一氧化碳帶出的顯熱。加熱到19002000攝

20、氏度而生成電石和一氧化碳。生成的電石自出料口流料槽流出。投料管直接插入爐蓋內(nèi)，當(dāng)爐料下沉?xí)r，可繼續(xù)補(bǔ)充爐料。電石爐的使用功率由電極的升降和電壓級(jí)數(shù)的切換來(lái)調(diào)整，切換電壓可以在有載的情況下進(jìn)行。電極的升降用油壓升降機(jī)（17）帶動(dòng)。壓力由油壓裝置供給。電石爐定時(shí)將熔融電石放出來(lái)，沿著具有冷卻水管的流料槽流入冷卻管（11）中。筒內(nèi)裝有導(dǎo)葉，可以抄起電石塊而將其摔碎。筒尾通入氮?dú)?，以減少電石發(fā)氣量的損失，并可保證安全生產(chǎn)。筒外淋灑冷卻水使其冷卻。經(jīng)冷卻破碎后的電石粒度減小，自筒尾卸出，再經(jīng)斗式提升機(jī)（12）進(jìn)入中間貯斗（15）內(nèi)貯存。根據(jù)乙炔發(fā)生站的需要，將電石卸到皮帶出送機(jī)（16）上送往乙炔發(fā)生站或

21、者用皮帶輸送機(jī)（16）送往包裝工序進(jìn)行包裝。電石爐系統(tǒng)的高低壓電路是自動(dòng)化系統(tǒng)監(jiān)控的主要內(nèi)容之一，其主電路如圖2.3所示。電石爐電極依次通過(guò)短網(wǎng)、電爐變壓器、電抗器、斷路器和隔離開(kāi)關(guān)接到高壓供電網(wǎng)上。在高壓側(cè)，一般要加上電力電容器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。 短網(wǎng)是指從電弧爐的電極夾持器到電爐變壓器二次端的一段三相電路，它是電弧爐電氣回路中的重要部分之一。短網(wǎng)由很多種不同形狀的導(dǎo)線組成，主要包括銅排、軟電纜、銅管三部分。短網(wǎng)的電阻包括直流電阻及由集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)產(chǎn)生的附加電阻，短網(wǎng)的電感包括導(dǎo)線的自感及二相線問(wèn)的互感。短網(wǎng)中要通過(guò)數(shù)千至幾萬(wàn)安的大電流。因此，短網(wǎng)對(duì)減小電爐設(shè)備的功率損失、提高功率因數(shù)以及平

22、衡三相功率都起著重要作用。電爐變壓器，是專門用于電爐冶煉的特種變壓器。它具有過(guò)載能力大、機(jī)械強(qiáng)度高等特點(diǎn)。電爐變壓器一般具有20%30%的過(guò)載容量。其二次端輸出為低電壓、大電流。低壓側(cè)配有電壓調(diào)節(jié)裝置，以供在不同熔煉階段調(diào)節(jié)電弧爐的輸入功率之用。電抗器用來(lái)緩和電弧電流的劇烈波動(dòng)，一般在電極燒結(jié)期內(nèi)投入。在電石生產(chǎn)的過(guò)程中電弧比較穩(wěn)定，可通過(guò)電抗器短路開(kāi)關(guān)將電抗器切除。對(duì)于大容量的電弧爐(電爐變壓器容量大于9000kva時(shí))，由于相應(yīng)短網(wǎng)電抗值較大，一般不再接入電抗器。斷路器供保護(hù)之用。當(dāng)電流過(guò)大時(shí)，斷路器會(huì)自動(dòng)切斷，使電弧爐與電源脫離。圖2.3電石爐電極高壓主電路1高壓供電網(wǎng)；2電力電容器；3

23、隔離開(kāi)關(guān)；4電壓互感器；5電流互感器；6監(jiān)測(cè)儀表；7斷路器；8電抗器；9電抗器短路開(kāi)關(guān)；10電爐變壓器；11短網(wǎng)；12電爐本體在電石生產(chǎn)過(guò)程中，由于電極同爐料的接觸性短路、爐料的崩塌、爐料成分的氣化、劇烈的化學(xué)反應(yīng)等原因，會(huì)引起電弧電流發(fā)生很大波動(dòng)。因此需要快速調(diào)節(jié)電極的位置，以使電弧電流保持在一定范圍內(nèi)。爐料熔化和溫度的控制主要靠電弧。電弧電流的變化，使得輸入爐內(nèi)的電功率也隨之變化。如果電弧電流過(guò)小，則輸入爐內(nèi)的電功率減少，生產(chǎn)時(shí)間延長(zhǎng):電弧電流過(guò)大，就會(huì)增加線路上的能量損耗，電效率降低。因而，在生產(chǎn)過(guò)程中，需要有一個(gè)較理想的功率調(diào)節(jié)裝置，調(diào)節(jié)電弧爐的輸入功率，以取得最佳的熔煉效果。電極自動(dòng)

24、調(diào)節(jié)系統(tǒng)是具有上述功能的裝置。電極自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由電壓電流的測(cè)量比較環(huán)節(jié)、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，在第五章中對(duì)電極自動(dòng)調(diào)節(jié)的算法有詳細(xì)論述。執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為機(jī)電式電極升降裝置和液壓式電極升降裝置。機(jī)電式電極升降裝置一般用于中小容量的電弧爐，而液壓式電極升降裝置一般用于大型電弧爐裝置。圖2.4液壓式電極升降裝置總圖 在大型密閉爐上常采用較高壓力的液體作動(dòng)力來(lái)升降電極、壓放電極和夾緊導(dǎo)電顆板。如圖2.4所示，圖的右側(cè)為泵系統(tǒng)，集中安裝在泵站。左側(cè)為閥系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)輸出信號(hào)有很大一部分都是用來(lái)驅(qū)動(dòng)電磁閥的，這些閥集中安裝在閥站用液壓系統(tǒng)控制電極的移動(dòng)有兩個(gè)目的，為了達(dá)到這兩個(gè)目的，采用了兩個(gè)不同的

25、方式。第一種方式是通過(guò)驅(qū)動(dòng)升降大立缸來(lái)使得電極移動(dòng)，這時(shí)電極將和套在其上的上、下摩擦帶一起移動(dòng)，其目的是為了控制因爐料反應(yīng)而導(dǎo)致的電極電流波動(dòng)。第二種方式是一套固定的工序，通過(guò)上摩擦帶松開(kāi)、提升、夾緊，下摩擦帶松開(kāi)、上摩擦帶壓下來(lái)、下摩擦帶緊固共6個(gè)動(dòng)作來(lái)使得電極下壓，這時(shí)電極與上下摩擦帶產(chǎn)生相對(duì)位移。這樣做的目的是因?yàn)槭姌O不斷被電解消耗而變短。為了區(qū)別兩種工作方式，我們稱第一種控制電極移動(dòng)的方式為“升降”，第二種控制電極移動(dòng)的方式為“壓放”。之所以需要壓放操作是因?yàn)樵陔娛癄t工作過(guò)程中，電極因不斷被消耗而變短，如果只采用升降方式，升降大立缸最終會(huì)移動(dòng)至下限位無(wú)法繼續(xù)移動(dòng)。所以在電石生產(chǎn)過(guò)程

26、中“升降”操作是主要的調(diào)節(jié)方式，但每間隔一段時(shí)間需要“壓放”一次以彌補(bǔ)石墨電極的消耗。壓放系統(tǒng)的機(jī)械部分由上摩擦帶、壓放升降缸和下摩擦帶組成。在摩擦帶夾緊和完全放松位置裝有限位開(kāi)關(guān)提供反饋信號(hào)。液壓件的動(dòng)作由電氣系統(tǒng)進(jìn)行控制。壓放電極時(shí)，6個(gè)順序動(dòng)作每一個(gè)動(dòng)作的結(jié)束是后一個(gè)動(dòng)作的開(kāi)始，直到全部動(dòng)作結(jié)束為止。壓放系統(tǒng)的油路如圖2.4中所見(jiàn)。油泵將油從油箱經(jīng)過(guò)過(guò)濾網(wǎng)、罐閥送到儲(chǔ)壓罐或閥站，或經(jīng)安全溢流閥回油箱。正常生產(chǎn)時(shí)候，油的走向受電氣系統(tǒng)的控制，若罐內(nèi)油被打到最高工作油位，則壓力相應(yīng)上升。當(dāng)電磁閥得電后將安全溢流閥中控制油路中的油放掉，使油經(jīng)安全溢流閥回到油箱，泵卸荷。當(dāng)油壓到達(dá)工作壓力時(shí)，又

27、將電磁閥斷電，于是油又從單向閥方向進(jìn)入儲(chǔ)壓罐充壓。在壓放過(guò)程中，摩擦帶的松緊是2個(gè)3通閥通過(guò)電控制而動(dòng)作的，送電時(shí)摩擦帶松開(kāi)，斷電時(shí)摩擦帶夾緊.油路中節(jié)流閥用來(lái)調(diào)節(jié)摩擦帶松緊的速度，電磁閥左邊壓力表是觀察電磁閥接通油路的情況之用。在油路中，油的走向受電磁閥丙控制。缸的上腔油路中，當(dāng)丙上部電磁閥動(dòng)作時(shí)，油路在閥內(nèi)按平行方向接通，油進(jìn)入油缸上腔。反之，油按交叉路線在閥內(nèi)走，于是油進(jìn)入油缸下腔，為控制壓下的力，在上腔的油路中設(shè)有單向減壓閥。為控制摩擦帶運(yùn)動(dòng)速度，在下腔油路中裝有相反的單向減壓閥，以便在運(yùn)動(dòng)中動(dòng)作平穩(wěn)。電極把持器部分和壓放部分合用一組油泵系統(tǒng)，電極升降部分單用一組油泵系統(tǒng)，在把持器缸的

28、上腔油路中油單向節(jié)流閥和節(jié)流閥，以控制油的流量。而下腔油路中具有單向節(jié)流閥和減壓閥。電接點(diǎn)壓力計(jì)是為了保持油缸下腔油一定壓力的油，當(dāng)油缸下腔壓力下降時(shí)，電接點(diǎn)壓力計(jì)動(dòng)作，使電磁換向閥內(nèi)動(dòng)作，以恢復(fù)下部的控制壓力.而壓力的大小可由減壓閥和電接點(diǎn)壓力計(jì)共同來(lái)調(diào)整.為使三個(gè)把持缸實(shí)現(xiàn)同步動(dòng)作，在其中兩個(gè)油缸的油路上裝有單向節(jié)流閥。在自動(dòng)化改造過(guò)程中，為測(cè)量電極壓放油壓、電極升降油壓、電極錐形環(huán)油壓添加了壓力奪送器并且更換了部分老式儀表。沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第三章 電石爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)第三章 電石爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)電石爐的實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)狀，結(jié)合其生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，我們提出了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。根據(jù)這些目標(biāo)

29、和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表信號(hào)的分析，我們提出了控制系統(tǒng)的總體配置方案，并就系統(tǒng)設(shè)備的選配問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。3.1 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能 技改核心為設(shè)計(jì)一套自動(dòng)化控制系統(tǒng)，結(jié)合具休生產(chǎn)工藝，合理設(shè)計(jì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)軟硬件，使電石生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化和規(guī)范化。利用先進(jìn)智能控制理論和技術(shù)，尋求生產(chǎn)過(guò)程中較佳的參數(shù)匹配，達(dá)到提高生產(chǎn)能力，降低能耗的目的。經(jīng)過(guò)技術(shù)改造后，控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以下功能：1) 電石爐運(yùn)行，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)電石爐的電壓、電流和功率等電氣參數(shù)。以所測(cè)電氣參數(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合其它工藝參數(shù)，采用先進(jìn)智能控制技術(shù)，合理動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電極插入深度，控制電爐電流、電壓級(jí)數(shù)等參數(shù)滿足生產(chǎn)要求。在自動(dòng)控制運(yùn)行情況下，可根據(jù)工藝規(guī)定流程，

30、實(shí)現(xiàn)恒電流模式平穩(wěn)運(yùn)行，使整個(gè)操作流程更加規(guī)范合理。2) 以原電極壓放設(shè)備為基礎(chǔ)，進(jìn)行適當(dāng)改造，實(shí)現(xiàn)電極不停電定時(shí)定長(zhǎng)自動(dòng)壓放。3) 定時(shí)監(jiān)測(cè)爐內(nèi)煙氣溫度和壓力、電爐和變壓器冷卻水水溫和水壓、液壓系統(tǒng)油壓、高壓供配電開(kāi)關(guān)狀態(tài)等重要安全參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示和超限報(bào)警，以提高安全性能。4) 在上位計(jì)算機(jī)上以圖、曲線、表格等方式實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示各項(xiàng)有關(guān)工藝參數(shù)。同時(shí)設(shè)計(jì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)歷史記錄。歷史記錄可隨時(shí)以報(bào)表形式調(diào)用顯示和打印，并且可對(duì)有關(guān)記錄進(jìn)行分類查詢和統(tǒng)計(jì)，供有關(guān)人員分析使用。3.2 測(cè)控信號(hào)和技術(shù)方案3.2.1 采集信號(hào)的技術(shù)方案根據(jù)上述控制要求，對(duì)原有儀表測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了分析研究，得出了需采集的

31、各類信號(hào)匯總表。然后結(jié)合計(jì)算機(jī)需要標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的輸入要求，逐項(xiàng)進(jìn)行分析，確定了需要增加的傳感變送器，從而便于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件配置。結(jié)果匯總?cè)缦拢?) 原系統(tǒng)的三相電極電流(序號(hào)1)、三相相電流(序號(hào)2)、三相1次電壓(序號(hào)s)、三相1次電流(序號(hào)6)、三相電極功率(序號(hào)7)、總?cè)嘤泄?無(wú)功功率(序號(hào)8)、有功電度(序號(hào)9)、無(wú)功電度(序號(hào)10)、三相電容器電流(序號(hào)n)、功率因數(shù)(序號(hào)12)等均是通過(guò)電流互感器、電壓互感器降流和降壓后直接由示表顯示，而三相對(duì)地電壓(序號(hào)3)、三相線電壓(序號(hào)4)直接由顯示表顯示.由于通過(guò)互感器處理后的電流為05a或00.5a，電壓為0100v或0150v(包括序

32、號(hào)3、4項(xiàng))，故上述各項(xiàng)電量信號(hào)均需增加相應(yīng)的電量變送器轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)可采集的4 20ma標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，由于序號(hào)1的信號(hào)采集儀表己更換為新型二次儀表，該儀表具有變送功能，故不在需要增加電流變送器。其它各項(xiàng)(序號(hào)2、序號(hào)12)均需增加電流、電壓、功率、電度、功率因數(shù)等電最變送器。2) 變壓器油溫(序號(hào)13)測(cè)量現(xiàn)在采用的是熱電阻與數(shù)顯儀表方式，故此項(xiàng)僅增加熱電阻變送器。3) 電石爐爐壓(序號(hào)14)需增加壓力傳感和變送器。4) 爐氣含氫量(序號(hào)15)，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)查看得知，氫量測(cè)量配用的是xwgj-101圓圖記錄儀。經(jīng)過(guò)分析記錄儀有010ma輸入接口，故此項(xiàng)不需增加。5) 電極壓放油壓(序號(hào)16)、電極升降

33、油壓(序號(hào)17)、電極錐形環(huán)油壓(序號(hào)18)采用的是機(jī)械電接點(diǎn)壓力表測(cè)量顯示，故均需增加壓力傳感和變送器。6) 三相電極壓放量(序號(hào)19)原無(wú)測(cè)試手段，現(xiàn)設(shè)計(jì)了3套機(jī)械測(cè)量裝置，采用光電旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量電極的相對(duì)移動(dòng)量，故增加了光電旋轉(zhuǎn)編碼器。7) 三相電極位置(序號(hào)20)項(xiàng)己有420ma輸出端，故不需增加傳感和變送器。8) 爐蓋冷卻水壓力(序號(hào)21)、軟水壓力(序號(hào)23)采用的是機(jī)械壓力表測(cè)量顯示，故均需增加壓力傳感和變送器。9) 爐蓋冷卻水溫度(序號(hào)22)、軟水溫度(序號(hào)24)采用的是溫度表測(cè)量顯示，故均需增加熱電阻傳感和變送器。10) 煙道溫度(序號(hào)25 )測(cè)量現(xiàn)在采用的是熱電偶與數(shù)顯儀表

34、方式,故此項(xiàng)僅需增加熱電偶變送器。11) 序號(hào)26至序號(hào)30為開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)，可直接接入測(cè)量。3.2.2 輸出信號(hào)的技術(shù)方案 為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制目的，必須通過(guò)計(jì)算機(jī)輸出各類控制信號(hào)。輸出信號(hào)匯總?cè)绫?.1所示。表3.1輸出信號(hào)序號(hào)項(xiàng)目送出地點(diǎn)控制信號(hào)用途路數(shù)1煙道翻板開(kāi)度（0-100%）3樓煙道420ma控制1ao2電極升降電磁閥3樓油壓室ac220v控制3*2=6do3電極壓放電磁閥3樓油壓室ac220v控制3*2=6do4上摩擦片抱緊電磁閥3樓油壓室ac220v控制3*1=3do5下摩擦片抱緊電磁閥3樓油壓室ac220v控制3*1=3do6調(diào)壓開(kāi)關(guān)變壓器房待定控制2do（正反）1) 煙道翻板

35、開(kāi)度(序號(hào)1)通過(guò)電機(jī)執(zhí)行器完成控制。電動(dòng)執(zhí)行器djk-310有010ma控制信號(hào)接口，故不需增加轉(zhuǎn)換接口。2) 所有電磁閥(序號(hào)2序號(hào)5)為ac220v開(kāi)關(guān)量控制信號(hào)。3) 調(diào)壓開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)(序號(hào)6)為開(kāi)關(guān)量控制信號(hào)。3.3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案 自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩大類，其中硬件設(shè)計(jì)是軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，硬件的選配設(shè)計(jì)直接影響到自動(dòng)化控制系統(tǒng)的成本，以及系統(tǒng)的靈活性和穩(wěn)定性。3.3.1 控制系統(tǒng)的總體配置 根據(jù)對(duì)電石爐生產(chǎn)工藝特點(diǎn)的實(shí)際調(diào)研和其生產(chǎn)環(huán)境的了解得知，電石爐現(xiàn)場(chǎng)條件較惡劣，灰塵多，溫度高，電磁干擾嚴(yán)重，因此，對(duì)控制設(shè)備的可靠性要求較高。為此，除一方面要設(shè)置

36、防塵，屏蔽等各種措施外，另一方面則要設(shè)計(jì)高性能和高可靠性的控制系統(tǒng)。 在生產(chǎn)過(guò)程控制中，目前國(guó)內(nèi)外普遍采用dcs系統(tǒng)或plc系統(tǒng)。該電石爐控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)回路較少，而檢測(cè)參數(shù)較多，模擬量較少，開(kāi)關(guān)量較多，屬于中等規(guī)模的技改項(xiàng)目，參考冶金行業(yè)類似的電弧爐等成功案例情況以及較高的性價(jià)比，控制系統(tǒng)的硬件采用了可編程控制器和上位計(jì)算機(jī)構(gòu)成ipc+plc控制系統(tǒng).可編程控制器的可靠性較高和抗干擾性較強(qiáng)，主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制。上位計(jì)算機(jī)選用工業(yè)控制級(jí)計(jì)算機(jī)，主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)的動(dòng)態(tài)顯示、存儲(chǔ)和監(jiān)督控制工作，兩者通過(guò)rs-485串口通信，如圖3.3.1圖3.3.1控制系統(tǒng)硬件組成本系統(tǒng)上位機(jī)選用研華ipc

37、工控機(jī)，運(yùn)行windows xp操作系統(tǒng)，以滿足上位組態(tài)軟件的運(yùn)行要求。17寸彩色液晶顯示器，可清晰地顯示各種圖形和文字，相對(duì)于傳統(tǒng)的crt顯示器可免受電磁干擾的影響，工控機(jī)外接打印機(jī)以打印報(bào)表，由一臺(tái)500va的不間斷電源ups供電，保證工控機(jī)的正常工作和數(shù)據(jù)的完整錄。下位plc需要配置如下的不同性質(zhì)的i/o點(diǎn)：1) 54個(gè)模擬量輸入；2) 1個(gè)模擬量輸出；3) 68個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入；4) 38個(gè)開(kāi)關(guān)量輸出；根據(jù)i/0點(diǎn)數(shù)及其特性，模塊選配如表3.2所示：表3.2 plc模塊清單型號(hào)注釋數(shù)量備注cpu315-2dpcpu模塊1mmc存儲(chǔ)卡eeprom存儲(chǔ)單元1512kcp5611上位通訊卡1im

38、360接口模塊（主站）1im361接口模塊（從站）2ps3075a電源模塊320針前連接器18導(dǎo)軌1sm331-7kf028路ai模塊8共56aism332-5hd014路ao模塊1共4aosm321-1ff018路di模塊（ac230v）2共16dism321-1bh0216路di模塊（dc24v）4共64dism322-1hf108路do模塊（5a）3共24do(5a)sm322-1hh0016路do模塊（2a）1共16do(2a)3.3.2plc 硬件選配與設(shè)計(jì) s7-300 plc采用背板總線的方式將各模塊從物理上和電氣上連接起來(lái)。除cpu模塊外，每塊信號(hào)模塊都帶有總線連接器，安裝時(shí)先

39、將總線連接器裝在cpu模塊上，然后依次將各模塊裝入，最后這組模塊固定在導(dǎo)軌上。 表3.3.1給出了本項(xiàng)目中配置的s7-300plc模板的型號(hào)和數(shù)量，下面對(duì)使用的這些模塊作具體說(shuō)明。1) plc的中央處理器cpu315-2dp。 cpu3152dp是plc的核心，其工作存儲(chǔ)器(ram)的容量為128k字節(jié)，選擇不同的微存儲(chǔ)器卡(mmc)可以獲得不同的裝載容量，最大容量可達(dá)到8mb 。位操作最小執(zhí)行時(shí)間為0.1s，浮點(diǎn)數(shù)加法最小執(zhí)行時(shí)間6s，可見(jiàn)其對(duì)二進(jìn)制和浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算都具有較高的處理性能;最大可擴(kuò)充1024點(diǎn)開(kāi)關(guān)量i/o通道或256路模擬量i/o通道，可用于中等規(guī)模i/o配置。cfu315內(nèi)裝硬件

40、實(shí)時(shí)時(shí)鐘，profibus dp主站/從站接口。2) 接口模塊對(duì)im360和im361當(dāng)plc系統(tǒng)的規(guī)模較大時(shí)，一個(gè)機(jī)架不能容納所有的模塊，這時(shí)就要增添擴(kuò)展機(jī)架，裝有cpu的機(jī)架稱為中央機(jī)架。主機(jī)架和擴(kuò)展機(jī)架之間通過(guò)接口模塊im360和im361連接成統(tǒng)一的整體。每個(gè)機(jī)架的接口模塊再通過(guò)總線連接器連接到i/o模塊上，一個(gè)系統(tǒng)可以有中央機(jī)架和最多3個(gè)擴(kuò)展機(jī)架，每個(gè)機(jī)架最多八個(gè)擴(kuò)展模塊，相鄰機(jī)架的間隔為4厘米到10米。im360必須安裝在s7-300的0號(hào)主機(jī)架上；im361接u模塊安裝在s7-300的1號(hào)到3號(hào)的機(jī)架上;數(shù)據(jù)通過(guò)連接線368由im360傳輸?shù)絠m361，再?gòu)膇m361傳輸?shù)较聜€(gè)機(jī)

41、架上的im361上;每個(gè)im361需要一個(gè)外部24v電源(一般采用ps307模塊電源)，向擴(kuò)展機(jī)架上的所有模塊供電。3) 16路開(kāi)關(guān)量輸入模塊sm321 di16 dc24v或ac 120v開(kāi)關(guān)量輸入模塊sm321將位于現(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的狀態(tài)經(jīng)過(guò)光電隔離或繼電器(如圖3.3.2所示)，將從工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)傳輸來(lái)的外部開(kāi)關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)化為內(nèi)部s7-300信號(hào)電平。然后送至輸入緩沖器等待cpu采樣，采樣時(shí)，信號(hào)經(jīng)過(guò)背板總線進(jìn)入到輸入映像區(qū)。圖3.3.2光電隔離類型開(kāi)關(guān)量輸入4) (4) 8路開(kāi)關(guān)量輸出模塊sm322 d08 rel. 230acv / 5a開(kāi)關(guān)量輸出模塊將s7-300的內(nèi)部信號(hào)電平轉(zhuǎn)化為控制過(guò)程所

42、需的外部信號(hào)電平。按負(fù)載回路使用的電源不同分為：直流輸出模塊(晶體管)、交流輸出模塊(可控硅)和交直流(繼電器)兩用輸出模塊，sm322 do 8 230 rel屬于繼電器輸出方式的模塊，直流或者交流負(fù)載都可以直接驅(qū)動(dòng)，具有較好的安全隔離效果并且應(yīng)用靈活性。8個(gè)輸出點(diǎn)分成8組接地;最大負(fù)載電流5a；該模塊輸出具有短路保護(hù)功能，適用于連接電磁閥、接觸器、小功率電機(jī)和電機(jī)啟動(dòng)器。繼電器型開(kāi)關(guān)量輸出的原理圖如圖3.3.3所示。圖3.3.3 繼電器型開(kāi)關(guān)量輸出原理5) 8路12位分辨率模擬量輸入模塊sm331 ai8 12bit ；sm331 ai8 12bit是8通道的模擬量輸入模塊，在系統(tǒng)中用于測(cè)

43、量各路模擬量如變壓器溫度、軟水壓力、電極電流等。模塊中要是由a/d轉(zhuǎn)換部件、模擬切換開(kāi)關(guān)、補(bǔ)償電路、恒流源、光電隔離部件、邏輯電路等組成， a/d轉(zhuǎn)換部件是模塊的核心，其轉(zhuǎn)換原理采用積分方法。積分式a/d轉(zhuǎn)換的積分時(shí)間直接影響到a/d轉(zhuǎn)換時(shí)間和a/d轉(zhuǎn)換精度。積分時(shí)間越長(zhǎng)，被測(cè)值的精度越高。sm331可選的積分時(shí)間有：2.sms， 16.7ms，20ms和100ms。在我國(guó)為了抑制工頻及諧波干擾，一般選用20ms的積分時(shí)間，相應(yīng)精度為12位。 s7-300模擬輸入模塊的輸入測(cè)量值范圍很寬，可直接輸入電壓、電流、電阻、熱電偶等信號(hào)。通過(guò)設(shè)置編程工具step7的硬件組態(tài)程序，可以連接不帶附加放大器

44、的模擬執(zhí)行元件和傳感器，并將擴(kuò)展過(guò)程中的不同量程模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為s7-300內(nèi)部處理用的數(shù)字信號(hào)。sm331的8個(gè)模擬量輸入通道共用一個(gè)積分式a/d轉(zhuǎn)換部件。即通過(guò)模擬切換開(kāi)關(guān)，各個(gè)輸入通道按順序一個(gè)接一個(gè)轉(zhuǎn)換。為了縮短循環(huán)時(shí)間，應(yīng)該使用step 7組態(tài)工具屏蔽掉不用的模擬量通道，使其不占用循環(huán)時(shí)間。另外，為了使模擬量輸入模塊獲得最佳的抗干擾性能，可以將不使用的通道與m短接。原理圖如圖3.4所示。圖3.3.4模擬量輸入原理6) 模擬量輸出模塊sm332 a04 12bits ；sm332 a04 12bits是4通道的模擬量輸出模塊。在本項(xiàng)目中，模擬量輸出主要用于控制煙道翻板開(kāi)度。sm332可以

45、輸出電壓，也可以輸出電流。在輸出電壓時(shí)，可以采用2線回路和4線回路兩種方式與負(fù)載相連。采用4線回路能夠獲得比較高的輸出精度。7) 電源模塊ps307 (5a)及其容量計(jì)算ps307是西門子公司為s7-300專配的24v直流電源。ps307系列模塊除輸出額定電流不同外，其工作原理和各種參數(shù)都一樣。ps307電源模塊的輸入接單相交流，輸入電壓為230/120v，50/60hz；輸出電壓24vdc，輸出電流有2a，5a，10a三種型號(hào);在輸入和輸出之間有可靠的隔離。 ps 307可安裝在s7-300專用導(dǎo)軌上，除了給s7-300 cpu供電，也可給i/o模塊提供負(fù)載電源。 在組建s7-300應(yīng)用系統(tǒng)

46、時(shí)，要選擇合適的電源模塊。其選擇準(zhǔn)則是電源模塊的輸出功率必須能夠驅(qū)動(dòng)所有負(fù)載模塊，最好要有30%左右的余量，故在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)考慮每個(gè)模塊的電流消耗和功率損耗是非常必要的。表3.3各個(gè)模塊的電流損耗量和功率損耗模塊通過(guò)背板總線吸取的電流（最大值）從24v負(fù)載電源吸取的電流（不帶負(fù)載運(yùn)行）功率損耗（正常運(yùn)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中央機(jī)架上的信號(hào)模塊從s7-300背板總線吸取的電流為，350+503+552=610ma 沒(méi)有超過(guò)cpu315提供的電流1. 2a。圖3.5 plc系統(tǒng)的模塊組成 根據(jù)圖3.3.5的配置作如下計(jì)算： 擴(kuò)展機(jī)架1上的模塊從s7-300背板總線吸取的電流為502+60+40 3+100=380 ma，沒(méi)有超過(guò)im361提供的電流0.8a。擴(kuò)展機(jī)架2上的信號(hào)模塊從s7-300背板總線吸取的電流503+292+552=318 ma，也沒(méi)有超過(guò)im361提供的電流0.8a。中央機(jī)架上各模塊從24v電源吸取的總電流為1000

48、+2003+40 2=2600 ma。 擴(kuò)展機(jī)架1上各模塊從24 v電源吸取的總電流為500+2002+240+125 3+250=1765ma，擴(kuò)展機(jī)架2上各模塊從24v電源吸取的總電流為500+200 3+402=1180 ma。 考慮到電源應(yīng)留有一定的余量，所以3個(gè)電源模塊都選用ps307 (5a)。每個(gè)ps電源模塊消耗的功率為18w，所以整plc系統(tǒng)消耗的功率為 183+2+52+1.383+4.92+44+4.53+4.5=123.2 w這些參數(shù)應(yīng)該在機(jī)箱的整體設(shè)計(jì)時(shí)加以考慮。至此，plc系統(tǒng)的模塊選配和其整體設(shè)計(jì)完成。3.4 電石爐控制系統(tǒng)中的plc程序設(shè)計(jì)plc程序是整個(gè)控制系統(tǒng)

49、的核心，也連接現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)和人機(jī)界面的紐帶，plc程序完成的功能包括數(shù)據(jù)采集和處理，按照工藝完成相應(yīng)的工序，還有三相電極調(diào)節(jié)算法的部分實(shí)現(xiàn)工作。同時(shí)，上位計(jì)算機(jī)中的監(jiān)控程序讀寫plc中的數(shù)據(jù)，完成存貯、設(shè)定和報(bào)警的功能。3.4.1 plc程序的整體設(shè)計(jì)本項(xiàng)目采用結(jié)構(gòu)式程序編程方法，按照項(xiàng)目需求，將各類主要程序劃分成基本模塊，如圖3.4.1所示：圖3.4.1電石爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖 根據(jù)s7-300 plc的程序結(jié)構(gòu)，將主要模塊都放在兩個(gè)組織塊ob 1和ob 35中，共享數(shù)據(jù)塊db 20用于設(shè)定參數(shù)的存儲(chǔ)，如設(shè)定基準(zhǔn)電流值和各類物理量的監(jiān)控上下限位。在電石爐控制系統(tǒng)中需要監(jiān)測(cè)的模擬量比較多，將其分為兩組

50、，一組是各種電量(db 1)，其它物理量作為第二組(db 2 )。當(dāng)這些模擬量超過(guò)存儲(chǔ)在plc中的參數(shù)設(shè)定值的限制范圍時(shí)，上位機(jī)會(huì)顯示報(bào)警信息，同時(shí)響鈴報(bào)警。操作人員發(fā)現(xiàn)故障并排除后，可解除警報(bào)，電極定時(shí)壓放、變壓器有載調(diào)壓、電極升降調(diào)節(jié)、軟件濾波算法也存放于相應(yīng)的fc或是fb中。 plc程序總體模塊調(diào)用結(jié)構(gòu)如圖3.4.2所示，其中ob 100在plc從stop狀態(tài)轉(zhuǎn)換到run狀態(tài)時(shí)由plc的操作系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用，主要用于初始化數(shù)據(jù)。ob 100結(jié)束后，操作系統(tǒng)循環(huán)調(diào)用ob 1 。調(diào)用ob l的時(shí)間間隔稱為掃描周期。掃描周期的長(zhǎng)短，主要由ob1中的程序行所需時(shí)間決定，所以系統(tǒng)在不同狀態(tài)時(shí)掃描周期也

51、不相同。這樣就使得精確等間隔定時(shí)采樣無(wú)法在ob 1中進(jìn)行。圖3.4.2 plc程序模塊調(diào)用結(jié)構(gòu)圖 為此step 7提供了一個(gè)以固定間隔循環(huán)運(yùn)行(定時(shí)中斷)的組織塊ob 35。時(shí)間間隔由編程工具設(shè)置或修改(缺省值為100ms)。因此我們將需要等間隔定時(shí)采樣的濾波算法和控制算法放在組織塊ob 35中。這種分塊處理的方法降低了各個(gè)子系統(tǒng)之間的耦合性，也使得程序結(jié)構(gòu)清晰明了。3.4.2 數(shù)據(jù)采集和處理plc從工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)采集回來(lái)的信號(hào)可分為開(kāi)關(guān)量和模擬量，開(kāi)關(guān)量用0和1即可表示，而對(duì)模擬量的處理比較復(fù)雜，需要根據(jù)外部的變送器或儀表來(lái)選擇量程并且要知道如何把模擬量表示為plc內(nèi)部的數(shù)字量，在電石爐控制系統(tǒng)中

52、有大量需要監(jiān)測(cè)的模擬量信號(hào)如爐溫、爐壓、電流、電壓，現(xiàn)對(duì)模擬量的處理方法如下說(shuō)明：1. 模擬量類型:電壓，電流，電阻；2. 模擬量量程：10v，010v,420ma 等;3. 模擬量極性：雙極性如10v單極性如010v，420ma。模擬量的轉(zhuǎn)換精度取決于模塊規(guī)格，有8位至15位不等。15位精度的模擬量在plc內(nèi)部的數(shù)字表示方式如下：表3.4模擬量在plc內(nèi)部的數(shù)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 第十五位為模擬量

53、的符號(hào)位：“0”表示正：“1”表示負(fù)。如果模擬量轉(zhuǎn)換成的二進(jìn)制數(shù)字量位數(shù)少于16位，以“左對(duì)齊”為原則，余下的空位填“0” 補(bǔ)齊。這樣可以保證在不同的轉(zhuǎn)換精度下，其轉(zhuǎn)化的結(jié)果不會(huì)差別太大。如表3.5所示：“x”表示精度不足而置零的位。表3.5模擬量值與精度的關(guān)系resolution of bits(+sign)unitsanalog valuedecimalhexadecimalhigh bytelow byte812880hvz00000001xxxxxxx96440hvz000000001xxxxxx10322ohvz0000000001xxxxx111610hvz00000000001xxxx1288hvz000000000001xxx1344hvz0000000000001xx1422hvz00000000000001x1511hvz000000000000001量程為10v的模擬量對(duì)應(yīng)的數(shù)字量表示如下：表3.6量程為1