電石爐電極參數實時監測系統設計

李少帥 王慶賢 左曉薇

(蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

我國是世界電石生產大國，但是目前國內所用電石生產裝備多為開放爐和半密閉爐[1]，不僅污染嚴重，而且能耗較高，生產的經濟技術指標比較低。國外性能較好的密閉電石爐大都采用了空心電極技術，并利用計算機控制技術實現生產過程自動化。

采用空心電極技術進行加料過程全自動控制，對各方面要求較高。由于目前國內電石企業多為民營或私營企業，從人員素質、技術水平、生產成本和安全考慮，國內的密閉電石爐無法廣泛使用空心電極技術，對電極工作長度的自動檢測也變得更加困難。

我國在“十二五”規劃中確定，電石行業要不斷提高技術裝備和節能減排水平，實現生產裝置的密閉化、大型化。因此，提高電石生產的技術水平、優化電石生產過程顯得尤為重要。本文采用基于LabVIEW編程實現的監測系統[2－4]，實現了電極工作長度的自動檢測。

1 電極參數的檢測原理

電石爐電極參數實時監測是在結合國內企業實際情況的基礎上(即國內的密閉電石爐在生產中沒有廣泛采用空心電極技術)，與生產企業聯合開發的、監測電極插入深度的新方法。電極工作長度的檢測采用間接測量的方法實現。需要檢測的三個主要相關量為電極組合把持器液壓油缸的壓力、電極的升降位移和電極的壓放量。

液壓缸用來支撐電極的組合把持器。組合把持器承載著整個電極裝置。包括電極、電極糊、電極筒和其他附屬配件。這些裝置的總質量和液壓缸的活塞環面積決定了液壓缸內的壓力。在所有質量中，只有電極和電極糊是變量。電極糊質量M1可表述為:

式中:R為電極半徑，R=1 250 mm;L為電極糊高度，一般取為3.5～4 m;ρ1為電極糊密度。

生產過程中，電極不斷消耗，壓力也會隨著變化，所以，通過壓力的變化可以反映出電極消耗的實時情況。

采用液壓式壓力傳感器檢測液壓缸內的壓力變化并傳入計算機;計算機通過數據處理，結合電極升降位移和電極壓放量的檢測，就可以得出電極的工作長度。

假設由計算機計算后得到的電極工作長度為h1(在電極沒有升降和壓放的情況下)，則h1為該時刻的實時電極工作長度。但在實際生產過程中，電極需要根據爐況進行升降或壓放操作，并保證一定的工作長度，以滿足正常生產需要。若要得到實時的電極工作長度，還需要檢測電極的升降位移和壓放量。

電極是由電極組合把持器來控制升降的，電極組合把持器的升降則是通過控制液壓油缸的升降來實現。在電極組合把持器上安裝位置變送器便可以得到電極的實時位移數據，設為h2。電極的壓放是根據生產過程中的爐況進行定時自動壓放或手動操作壓放。以某25 500 kVA密閉電石爐為例，電極壓放一次為20 mm。從初始時刻開始，某時刻電極的壓放總量為:

式中:h3為電極壓放總量;n為從初始時刻開始到該時刻電極的壓放次數。

綜上可知，電極的實時工作長度H為:

2 系統構成

2.1 軟件設計

系統采用LabVIEW設計，人機交互界面友好，便于操作。LabVIEW是一種圖形化編程語言，又稱“G”語言，被工業界、學術界和研究實驗室所廣泛接受，被視為標準的數據采集和儀器控制軟件[5]。系統軟件主要實現數據采集和處理、實時顯示、報警、參數設置、數據存儲和查詢等功能。

①數據采集與處理

各傳感器測得現場數據后，通過數據采集卡送入計算機，計算機對現場數據進行處理，最終得到電極參數并實時顯示。當電極工作長度超出設定的上下限時，電極調節報警燈點亮，給出報警提示。

②參數設置

參數設置程序用于設置電極參數和系統參數，如電極工作長度的上下限、電極密度、初始參數、數據存儲間隔時間等。在系統運行前必須保證合理設定參數，否則系統自動禁止運行。

③數據存儲與查詢

數據的存儲和查詢便于操作人員和管理人員通過查詢歷史數據了解電石爐的長期運行狀況，以提高操作水平和管理水平。數據存儲采用數據流管理技術(technical data management streaming，TDMS)文件(一種二進制記錄文件)，可以設置數據記錄的間隔時間。系統按照日期和設定的時間間隔生成相應的數據記錄文件，便于操作人員和管理人員按照時間進行查詢。數據存儲程序如圖1所示。

圖1 數據存儲程序Fig.1 Data storage program

2.2 硬件結構

系統硬件主要由工控機(IPC)、數據采集卡(DAQ)、壓力變送器、位置變送器等構成。

①工控機(IPC)

工業現場的電磁干擾較強且灰塵較大，故采用工控機采集和處理現場數據[6]。

本系統采用研華610L工控機，用于數據采集、處理和實時顯示。該工控機的特點主要有:4U高支持14槽背板;前置USB/PS2接口;前置系統狀態監測模塊;前端可安裝3個半高磁盤驅動器，1個3.5英寸(1英寸=25.4 mm)軟式磁盤驅動器和1個內置磁盤驅動器;配置250 W ATX PFC PS/2電源;可支持ATX母板和400 W PFC電源;能抗沖擊、振蕩，并且能在高溫下穩定工作。

②數據采集卡(DAQ)

現場信號由各傳感器采集轉換為0～5 V的電壓信號，并通過數據采集卡傳入計算機進行數據處理、存儲和顯示[7－9]。

本系統采用研華PCI 1710UL數據采集卡，其具有以下特點[10]:8路差分模擬量輸入或16路單端或組合方式輸入;12 bit A/D轉換器，采樣速率可達100 kHz;自動通道/增益掃描，每個輸入通道的增益可編程;數字量輸入和輸出通道各16路;板載4 kB采樣FIFO緩存;可編程計數器/定時器。

③壓力變送器

壓力變送器用于檢測電極組合把持器液壓油缸內的壓力，通過檢測液壓油缸的壓力來反映電極的實時消耗狀況。壓力變送器采用PTJ206型液壓壓力傳感器，工作電源為24 V直流電源，量程為0～20 MPa，輸出信號為0～5 V電壓信號或4～20 mA電流信號。

④位置變送器

位置變送器安裝于電極組合把持器上，用于檢測電極在生產過程中的升降位移。位置變送器的量程為1.5 m，輸出信號為4～20 mA電流信號，工作電源為24 V直流電源。

系統硬件結構如圖2所示。

圖2 系統硬件結構圖Fig.2 Hardware architecture of the system

3 抗干擾措施

3.1 軟件設計

系統設計了遞推平均濾波算法，即把連續取得的N個采樣值看成一個隊列，隊列的長度固定為N，每次采樣到一個新數據放入隊尾，并扔掉原來隊首的一次數據(先進先出原則);將隊列中的N個數據進行算術平均運算，就可獲得新的濾波結果。該濾波算法的引入使整個系統的抗干擾性有了很大的提高，有效抑制了隨機干擾。

3.2 硬件設計

硬件設計方面通過采取以下措施，進一步提高了系統的抗干擾能力。

①數據采集卡采用差分信號接法，共模抑制比高，使系統具有更好的抗干擾性。

②使用RC電路。通過RC網絡消除大共模信號的影響，并對輸入共模信號進行高頻抑制，避免因高頻共模信號耦合導致的共模抑制比降低，進而影響輸入信號測量。

4 結束語

將電石爐電極參數實時監測系統應用于電石冶煉過程中電極參數的實時在線監測，目前已進入試運行階段，其關鍵技術在于采用間接測量的方法實現電極工作長度的自動檢測。本文主要對系統的原理及軟硬件構成等進行了介紹。該系統對于優化電石生產過程、實現節能降耗、提高產品質量和保證生產安全具有重要的意義。

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