基于PLC的电石炉控制系统研究与设计

论文摘要

电石炉是生产电石的核心设备,它是通过三相电极之间产生的电弧对原料进行加热,使原料在一定温度下发生化学反应而生产出电石产品。电石炉三相电极升降控制的好坏,直接影响到炉温和三相电流的不平衡程度,从而影响电石产品的质量和电网的质量。以16500KVA半密闭电石炉技改项目为背景,针对电石炉具有的非线性、时变性、强耦合、难以建立精确数学模型,以及电石冶炼现场环境恶劣等特点,通过对电石炉系统的生产工艺、相关设备及仪表进行调研,设计出了一套完整的基于可编程控制器（PLC）的电石炉控制系统,包括PLC控制系统的软硬件和上位机人机监控界面的设计与工程实现。详细分析了电石炉控制系统的关键部分——电极自动调节系统,探讨了电极升降装置和位置-电流的数学模型,在对常用控制算法分析的基础上,提出了一种基于模糊解耦的电极调节算法,Matlab仿真结果与实际使用的结果表明该算法在静、动态响应、抗扰动能力以及鲁棒性等方面,均优于常规的PID控制。部分研究成果已经成功应用于多个电石炉改造项目中。控制系统运行状况良好、可靠性高,较好地满足了电石生产要求,降低了操作人员的劳动强度,提高了产品质量和产量,降低了电能消耗,达到了预期的目标。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 电石的生产工艺
• 1.1.1 电石的生产和用途
• 1.1.2 电石生产工艺流程简述
• 1.2 电石炉及相关电气设备
• 1.2.1 电石炉的基本结构及工作原理
• 1.2.2 电石炉系统的高低压电路
• 1.2.3 电石炉电极调节系统
• 1.3 国内外研究现状与发展趋势
• 1.3.1 国内外电石工业技术现状
• 1.3.2 国内外电石工业技术发展趋势
• 1.3.3 电石炉电极调节方法的研究现状
• 1.4 课题的来源及意义
• 1.4.1 课题的来源
• 1.4.2 课题研究的目的、意义
• 1.5 课题研究的主要内容
• 第二章 电石炉控制系统设计方案与硬件组成
• 2.1 控制系统的设计方案
• 2.1.1 原电石炉控制系统及存在问题
• 2.1.2 控制系统的设计方案
• 2.2 电极液压升降执行机构
• 2.3 输入输出信号的分析
• 2.3.1 采集信号的分析
• 2.3.2 控制信号的分析
• 2.4 控制系统的硬件配置
• 2.4.1 硬件配置的依据
• 2.4.2 硬件配置的确定
• 2.4.3 硬件配置的各模块说明
• 2.5 本章小结
• 第三章 电石炉电极模糊解耦调节器的研究与仿真
• 3.1 三相电极调节系统及数学模型分析
• 3.1.1 三相电极调节系统的分析
• 3.1.2 三相电极调节系统仿真模型的建立
• 3.2 电极自动调节的几种控制策略分析
• 3.2.1 PID控制
• 3.2.2 自适应控制
• 3.2.3 模糊控制
• 3.3 基于模糊解耦的三相电极调节系统设计
• 3.3.1 概述
• 3.3.2 模糊控制器的结构设计
• 3.3.3 模糊解耦控制规则的设计
• 3.4 基于模糊解耦的三相电极调节系统仿真及结果分析
• 3.4.1 Matlab仿真原理
• 3.4.2 系统阶跃响应及扰动分析
• 3.4.3 解耦效果的比较分析
• 3.4.4 系统参数不确定性的仿真分析
• 3.4.5 仿真结果分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 电石炉控制系统的PLC程序设计
• 4.1 PLC的编程环境简介
• 4.2 PLC程序设计思路及I/O点分配
• 4.2.1 PLC程序设计思路
• 4.2.2 PLC I/O点分配
• 4.3 手动控制程序的设计
• 4.3.1 电极压放与倒拨程序
• 4.3.2 单步操作程序
• 4.3.3 异常操作程序
• 4.4 模拟量采样与处理程序的设计
• 4.4.1 采样程序
• 4.4.2 滤波程序
• 4.5 自动控制程序的设计
• 4.5.1 总体思路
• 4.5.2 模糊解耦算法程序
• 4.6 指示与报警程序的设计
• 4.7 本章小结
• 第五章 电石炉上位机监控系统的设计
• 5.1 上位机开发环境简介
• 5.1.1 上位机和组态软件
• 5.1.2 组态王6.5软件
• 5.2 组态王与FX2N PLC的通信
• 5.2.1 上位机和PLC的连接
• 5.2.2 PLC中通讯参数的设置
• 5.2.3 组态王组态软件的设置
• 5.3 监控界面的设计
• 5.3.1 监控主界面的设计
• 5.3.2 趋势曲线界面的设计
• 5.4 监控数据管理
• 5.4.1 数据归档与查询管理
• 5.4.2 报警记录管理
• 5.4.3 操作记录管理
• 5.4.4 监控系统安全管理
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论及改进
• 参考文献
• 致谢
• 研究生期间发表的论文