PLC控制在電石爐電極升降控制中的應用

陳 玲

(江蘇聯合職業技術學院徐州經貿分院，江蘇 徐州 221004)

電石爐是電石生產的主體設備，生產電石時需把電能轉變成熱能，將爐料加熱到預定溫度。所以，電石生產的關鍵在于電石爐內溫度值的大小和穩定性。而溫度的改變是由電極棒插入爐料的深度來調節的，因此，三相電極的位置控制是電石爐控制系統的重點和難點。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的位置，目前大都采用改進電氣參數、做細原料加工處理以及適時調整爐料電阻等措施，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，實際運行后取得了較好的效果。

電石爐控制系統的主要功能是三相電極的升降控制、壓放控制、報警保護及數據采集處理等。根據現場需求研究采用以PLC為控制系統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要求，負責控制系統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，主要負責系統協調控制、過程值顯示、狀態監控及歷史存儲打印輸出等。電石爐控制系統的結構如圖1所示。

1.1 電極升降控制系統

電石生產中，經實驗驗證，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調節，使爐內電流與電流設定值保持平衡。

圖1 電石爐控制系統結構框圖

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定時[3]。

常規的電極升降控制有恒電流、恒功率及恒流壓比等[4]。本系統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，根據其差值來調節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,電極應向下調節，反之則上升調節，最終達到電流平衡點，從而進行穩弧加熱的過程[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轉換為4～20mA信號，送入PLC經A/D變換后的數字量進行數據處理，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，經過自適應PID控制得到控制量，驅動電極液壓升降裝置，改變電極位置，實現自動升降。電極的升降又引起電極電流的變化，所以電石爐控制系統采用閉環控制，可根據反饋電流進行校正，抵消干擾，保證控制的有效性[6]。

圖2 電極升降控制系統結構框圖

1.2 電極壓放控制系統

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。自動壓放時系統能及時地檢測其變化，定時壓放，實現補償。電極的壓放控制由電磁閥和液壓缸驅動。

電極壓放系統主要由上、下摩擦環和錐形環組成[7]。未實施壓放程序時，電極被上、下摩擦環和錐形環鎖定。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。電極壓放裝置在控制系統的程序控制下，按順序實施電極壓放過程(圖3)。

圖3 電極壓放過程示意圖

2 系統軟件

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，再由主程序調用各子程序來實現復雜的程序功能。

2.1 電極升降控制程序

根據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，整體結構主要有數據采集處理和電極升降控制兩部分，程序調用結構如圖4所示。

圖4 電極升降控制PLC程序調用結構框圖

在利用STEP7編程前需系統地創建和分配若干子程序塊(FC)和數據塊(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PLC程序塊

圖5 電極升降控制系統流程

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節單步控制，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

電石爐系統采用PLC控制后，能有效控制生產過程，提高電石的產量和質量，解決了操作人員操作困難、勞動強度大的問題。可視化人機界面和報警保護功能可以實時地掌控現場設備的運行狀態，有效應對和處理信息，有利于安全、穩定的生產。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.

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[5] 戚志東,黃寧吉,黃杰.電石爐電極升降模糊控制系統設計與應用[J].工業控制計算機,2009,22(7):43～44.

[6] 劉芙蓉,張丹紅,胡榮強.PLC在電石爐控制中的應用[J].控制工程,2002,(4):46～47．

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