1、大型密闭式电石炉原料自动输送系统设计与应用马力 1 刘伟平 2 朱晓明 2 黄文君 2（1 新疆天业集团有限公司，石河子，832000； 2 浙江中控技术股份有限公司，杭州，310053）摘 要：以 64万吨/年电石项目为背景，分析了 40000kVA 大型密闭式电石炉原料输送的工艺特点，设计了电石炉原料自动输送控制方案。为保证输送精度，在卸料小车上采用了编码器技术，实现了对卸料小车位置和速度的精确测量和控制。通过系统的实际应用验证，实现了原料输送和过程管理的全局自动化生产，在全自动化控制与运行方面达到了应用要求，同时系统的抗干扰能力、环境适应性等都达到了预定目标。关键词：电石炉 原料自动输送
2、 卸料小车定位 编码器Design and Application of Automatic Conveying System for Raw Materials in Large Closed Calcium Carbide FurnaceMA Li1 LIU Wei-ping2 ZHU Xiao-ming2 HUANG Wen-jun2(1 Xinjiang Tianye (Group) Co., Ltd.；2 SUPCON Co., LTD, Hangzhou, 310053) Abstract: Based on the background of 640000 tons/year c
3、alcium carbide project belong to Xinjiang Tianchen chemical CO. , LTD, we analyse the process features of raw material conveying in 40000kVA large closed calcium carbide furnace, and design automatic control program of this process. To ensure tranmit precision of the dump car, we have introduced enc
4、oding technology and finally have realized accurate measuerment and control of position and velocity. After the application of the system, atuomatic conveying of raw materials and global automation production of process management come true. The system have meet the requirement of global automatic c
5、ontrol and operation, meanwhile the anti-interference ability and environment adaptability of the system have achieved the goal.Key words: Calcium Carbide Furnace Automatic Conveying of Raw Materials Position of Dump Car Encoder 引言 在电石的生产过程中，电石上料一直是一重要的工艺环节。传统的上料方式要靠人工判断何时上料以及上料数量和比例，不但劳动强度大，而且易造成原料
6、配比不准确，从而降低产品质量，影响经济效益。随着信息技术的发展，自动化越来越多的被引入到生产过程中来。本文通过分析新疆天辰化工有限公司 40000kVA 大型密闭式电石炉原料输送的工艺特点，在国产的WebField ECS-700 控制系统基础上设计了电石炉原料自动输送方案。同时由于电石炉原料的输送要靠卸料小车进行，小车的定位精度直接影响到卸料的精度，为保证输送精度，本文还采用编码器技术设计了卸料小车定位系统。1. 电石炉原料输送工艺电石是有机合成化学工业的基本原料之一，一般多采用电热法生产电石，即生石灰和含碳原料（焦炭、无烟煤或石油焦）在电石炉内，依靠电弧高温熔化反应而生成电石。主要生产过程
7、是：石灰石和焦炭等原料经加工、配料后，通过电炉上端的料斗将混合料加入电炉内，在开放或密闭的电炉中加热至 1800-2000左右，依下式反应生成电石：CaO+3C=CaC2+CO466kJ。熔化了的碳化钙从炉底取出后，经冷却、破碎后作为成品包装。反应中生成的一氧化碳根据电石炉的种类不同采取不同的处理措施 1。 电石原料的输送过程是电石生产的重要环节，主要指从原料加工至混料进入电1 # 电 石 炉 车 间操 作 站1 # 电 石 炉车 间机 柜 间就 地 操 作 站交换机2 # 电 石 炉车 间机 柜 间3 # 电 石 炉车 间机 柜 间就 地 操 作 站2 # 电 石 炉 车 间操 作 站3 #
8、 电 石 炉 车 间操 作 站1 # 中 央 控 制 室1 # 原 料 车 间控 制 室尾 气 输 送 车 间控 制 室4 # 电 石 炉 车 间操 作 站4 # 电 石 炉车 间机 柜 间就 地 操 作 站交换机5 # 电 石 炉车 间机 柜 间6 # 电 石 炉车 间机 柜 间就 地 操 作 站5 # 电 石 炉 车 间操 作 站6 # 电 石 炉 车 间操 作 站2 # 中 央 控 制 室2 # 原 料 车 间控 制 室主 工 程 师 站O P C 服 务器炉之前的这一阶段，如图 1 所示，主要包括煤均化工段、炭材卸料工段、烘干除尘工段、石灰卸料工段、配料站工段等。煤均化工段将炭材均匀分
9、配至储仓；炭材卸料段把储仓里的炭材破碎处理后输送进烘干窑烘干除尘并送入配料仓；石灰卸料工段主要将储仓的石灰均匀分配进配料仓；配料站工段主要实现将分别在不同配料仓中的炭材和石灰分配进相应炉体炭材配料仓和炉体石灰配料仓等待生产使用。石灰石灰储仓炭素炭材干燥炭材储仓电石炉生产破碎筛分 、 皮带输送破碎筛分 皮带输送称重称重混料图 1 原料输送流程图该工艺流程长、涉及多个传动输送设备，设备之间存在复杂的耦合关系，传动驱动大功率电机多，运行环境恶劣。而且传统的上料需要人力操作，不但劳动强度大，且原料运输易受人为影响，造成电石品质和产量不稳定，因此原料输送系统迫切需要进行自动化改造，实现自动输送控制。控制
10、系统设计新疆天辰化工有限公司 64 万吨/年电石项目设计为年产 64 万吨电石，共有 12台 40000kVA 电石炉，分成 6 个电石炉车间。具有 2 套原料输送系统，每套原料系统包括煤均化库、炭材干燥和卸料、石灰卸料、配图 2 控制系统网络结构图料站等。原料输送控制部分主要实现石灰 和炭材原料由不同路径输送至目的地（石灰和炭材不能相混） 。针对上文中提到的原料输送工艺的特点，所要设计的控制系统应该具有如下特点：必须具备防尘能力；系统能在工业级宽温下运行；具有 EMC 三级抗干扰能力，可抗传动部件的强电磁干扰；采用冗余结构，具有高度的可靠性等。在 40000kVA 大型密闭式电石炉控制中采用
11、国产的 WebField ECS-700 系统，该系统由控制节点、操作节点及系统网络等构成，具有开放性、安全性、易用性、实时性等特点。系统的网络拓扑图如图 2 所示。系统共有 1#和 2#两个中央控制室，分别控制 1#-3#和 4#-6#电石炉车间、原料车间尾气输送车间等，每个电石炉车间有两座电石炉，每个电石炉配备一套 ECS-700系统。中央控制室与现场的车间控制机柜之间有交换机进行网络连接。ECS-700 系统满足 IEC61000 中提到的关于静电、工频和脉冲磁场、浪涌脉冲等电磁兼容性的要求 2，系统 I/O 模块可在-2070工作，系统采用冗余结构，具有高度的可靠性。因此可以在该系统基
12、础上设计原料输送控制系统。原料车间控制系统具体配置方案如下（以2#原料车间为例）：a. 控制站：煤均化工段和砖窑烘干工段配置一 ECS-700 控制站；石灰卸料工段和配料站工段配置一W 1 0 0 2 B - 1L 1 0 0 2 BL 1 0 0 1 BS 1 0 0 2 BP 1 0 0 2 BP 1 0 0 1 BS 1 0 0 1 BT 1 0 0 1T 1 0 0 2X C 1 0 0 5 BL 1 0 0 5 BL 1 0 0 6 BL 1 0 1 0 BL 1 0 0 8 BL 1 0 1 2 BK N 1 0 0 6 BS 1 0 0 4 BS T 1 0 0 4 B S T
13、1 0 0 3 BS 1 0 0 3 BL 1 0 1 1 BL 1 0 0 9 BL 1 0 0 7 BZ 1 0 0 7 B Z 1 0 0 8 BL 1 0 0 4 BL 1 0 0 3 BD T 1 0 0 3 BW 1 0 0 1 B - 17 - 1 7 - 2 7 - 3 7 - 47 - 57 - 6 7 - 7 8 - 18 - 2 8 - 3 8 - 4 8 - 5 8 - 6 8 - 7ECS-700 控制站。b. I/O 站：砖窑烘干工段配置 1 本地 I/O 站；煤均化工段配置 1 扩展 I/O 站（距离较远，采用多模光纤通讯） ；石灰卸料工段和配料站工段配置 2 个
14、扩展 I/O 站（距离较远，采用多模光纤通讯） 。 图 3 石灰卸料工艺流程图原料输送控制方案设计原料输送的各个工段控制方案基本类似，现以 2#原料车间石灰卸料工段为例进行方案的设计。石灰卸料工段工艺流程如图 3 所示，此工段需要控制的设备共 18 台，根据功能不同分为两套（工号中以奇偶数区分，皮带 L1005B、可逆皮带 KN1006B为共用） 。主要实现把 6 台振动给料机对应送料仓（分为奇仓和偶仓，各 3 台）的石灰送往 14 个受料仓（分为奇仓和偶仓，各7 台） 。涉及到的设备有：振动给料机：W1001B-1 W1001B-3、W1002B-1 W1002B-3普通皮带：L1001BL
15、1005B可逆皮带：KN1006B振动筛：S1001B、S1002B破碎机：P1001B、P1002B斗提机：T1001、T1002三通：DT1003B卸料小车：XC1005B 联锁和顺控方案原料输送涉及多个传输设备，相互之间关系复杂，针对上文提到的 2#原料车间石灰卸料工段流程特点，设计了联锁和顺序控制方案，该方案采用了符合控制系统IEC61131-3 标准的编程软件 3。联锁方案联锁控制是指某一参数达到规定值或某一设备启、停或开、关时，联动或闭锁对另一设备的控制。在输送系统中，为防止堆料、卡料而损坏设备需采用联锁控制。以偶送料仓为例，送料仓石灰经振动给料机 W1002B-1 送至输送皮带
16、L1002B，皮带将石灰料输送 S1002B 振动筛或者经P1002B 破碎机送至皮带 L1004B，经斗提机 T1002 送至皮带 L1005B 及皮带上的卸料小车 XC1005B，在可逆皮带 KN1006B的配合下将料送至 14 个受料仓。因此设备启动联锁的顺序是：可逆皮带 KN1006B斗提机 T1002普通皮带 L1004B振动筛S1002B 和破碎机 P1002皮带轮振动给料机 W1002B-1。停止时，则从振动给料机开始，最后停可逆皮带。在运行过程中，如果其中一台设备出现故障停机，则其它设备也都停止运行。顺控方案顺序控制是整个原料输送系统的核心所在，本文设计的顺控方案流程图如图 4
17、所示，当主控室控制系统 HMI（Human Machine Interface，人机界面）上人工选择取料或自动检测到低料位仓时，卸料小车自动移动到相应仓位，启动相应路径的输送设备传送原料，直至料仓高度达到设定值要求。要注意的是，奇送料仓里的石灰可以通过奇数路径和共用设备送往受料仓（此时偶路径设备不工作） 。偶送料仓里的石灰可以通过偶数路径和共用设备送往受料仓（此时奇路径设备不工作） 。同时，偶送料仓里石灰通过三通 DT1003B 可直接送往配料站，此时奇路径设备可同时进行自己的工作。开始H M I 人工选择受料仓号或自动选择低料位仓启动奇数路径和共用传输设备料位高度符合要求停止进料受料仓号为奇
18、数移动小车至指定位置移动小车至指定位置启动奇偶数路径和共用传输设备Y NYNYN图 4 顺控方案流程图在控制系统人机界面上组态一个手/自动投切开关和自动启动开关：只有投切到自动控制状态后，自动启动才有效；系统处于自动运行时，在 HMI 上单独操作某台设备无效，只有自动运行停止后改变手/自动投切开关才有效。小车定位控制由上面的控制方案分析可以看出，卸料小车及时、准确的与料仓对接，对于提高整个原料输送系统的效率和精度起了至关重要的作用。本系统中，小车定位系统原理框图如图 5 所示，主控器变频器 电机编码器接入模块编码器接近开关图 5 小车定位系统框图小车定位系统主要由 DCS 系统主控器，变频器，
19、异步电机、编码器、编码器接入模块、接近开关等组成。主控器接到某料仓上料信号后，比较该料仓口号与小车目前所在仓口号之差，产生一带符号的数值。其中绝对值乘以两料仓间的距离系数就是小车要移动的距离，符号表示小车的运动方向。利用该数值计算小车要行走该段距离编码器发出的脉冲数，作为设定脉冲数。在小车不断前进的过程中，编码器返回的脉冲数与设定脉冲数比较，判断小车的当前位置，并根据不同的距离设定不同的行驶速度，保证小车平稳准确的到达仓口。为了确保小车安全精确定位在轨道上，设置接近开关并形成反馈信号，进行阶段行程出发和硬限位保护。硬件配置1) 编码器本项目中采用了 FRABA 绝对式多圈并行编码器，编码形式为
20、格雷码，单圈分辨率 13 位，最大转数 256。与电机同轴安装，转轴每转一周编码器就产生 8192 个脉冲，因此只要知道脉冲个数就可知道电机转速，再通过传动比便可计算出脉冲数所表示的小车行走的距离 4。2) 编码器接入模块接入模块采用了中控 AM713-S 模块。AM713-S 是单通道的绝对编码器接入模块，主要用于位置信号的测量，同时具有简单的控制输出功能。通过组态设置，AM713-S 能够实现 813 位的并行输出的绝对编码器信号的输入。对于绝对编码器信号，AM713-S 最高支持频率可达100kHZ。AM713-S 能够将编码器信号转成自然二进制码，同时能够对编码器旋转圈数进行计数，最后
21、形成当前位置上送给控制器。软件设计小车定位流程图如图 6 所示开始小车处于工作状态小车车闸打开变频器获得信号返回脉冲数达到减速点设定的脉冲数小车减速运行小车到达仓口停止YN小车立即停止单位时间内脉冲数异常YNYN图 6 小车定位流程图当有料仓需要加料时，在确认小车处于工作状态后，启动小车的受控设备打开小车车闸，同时释放变频器信号，小车开始移动。当小车移动到料仓口前后适当距离的减速边界点时，主控器将向变频器发低速行走命令，卸料小车向仓口低速移动，直至小车上的定位传感器检测到当前仓口定位传感器感应铁，此时主控器向变频器发送停车命令，卸料小车停止。如果在运行途中检测到返回的脉冲数在一定时间内变化异常
22、，则立即对小车发送停车命令。运行结果经采用上述定位方法后，卸料小车的运动曲线如下所示：tv图 7 小车运行速度曲线由图 7 可以看出，小车在移动过程中，分为升速、恒速和降速这 3 个阶段。在开始启动时由于距离较远所以一直处于升速阶段，中间运行过程中保持了匀速前进，即将到达仓口时可快速的减速运行，保证了小车能够快速、准确的到达指定仓口。结束语自采用上述原料自动输送系统以来，系统运行平稳，定位小车的定位精度维持在 5mm 左右。实现了原料输送和过程管理的全局自动化生产，减少了设备操作对人的依赖，减轻了工人劳动强度，大大降低了故障率，减少了解决故障的时间，保证了生产的连续、正常运行，在全自动化控制与
23、运行方面达到了应用要求，同时系统的抗干扰能力、环境适应性等都达到了预定目标。参考文献：1 李建兴. 基于 PLC 的电石炉控制系统研究与设计D. 中南大学. 2008(12)2 浙江中控技术股份有限公司 . ECS-700 系统概要Z. 3 IEC61131-3: Programmable controllers - Part 3: Programming languages S. 4 武俊海. 光电编码器在邯钢高炉炉顶的应用J. 中国科技博览.2009 年第 20 期 第一作者简介：马力，1974 年生，男，本科学历，工程师。1996 年毕业于西安西航工学院电子与电气技术专业，现任新疆天业集团电石产业副总工程师。主要从事工业自动化研究与工程项目实施。
