李少帥 王慶賢 左曉薇

(蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

我國是世界電石生產(chǎn)大國，但是目前國內(nèi)所用電石生產(chǎn)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(chǎn)的經(jīng)濟技術(shù)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(shù)，并利用計算機控制技術(shù)實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化。

采用空心電極技術(shù)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(nèi)電石企業(yè)多為民營或私營企業(yè)，從人員素質(zhì)、技術(shù)水平、生產(chǎn)成本和安全考慮，國內(nèi)的密閉電石爐無法廣泛使用空心電極技術(shù)，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(guī)劃中確定，電石行業(yè)要不斷提高技術(shù)裝備和節(jié)能減排水平，實現(xiàn)生產(chǎn)裝置的密閉化、大型化。因此，提高電石生產(chǎn)的技術(shù)水平、優(yōu)化電石生產(chǎn)過程顯得尤為重要。本文采用基于LabVIEW編程實現(xiàn)的監(jiān)測系統(tǒng)[2－4]，實現(xiàn)了電極工作長度的自動檢測。

1 電極參數(shù)的檢測原理

電石爐電極參數(shù)實時監(jiān)測是在結(jié)合國內(nèi)企業(yè)實際情況的基礎(chǔ)上(即國內(nèi)的密閉電石爐在生產(chǎn)中沒有廣泛采用空心電極技術(shù))，與生產(chǎn)企業(yè)聯(lián)合開發(fā)的、監(jiān)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(xiàn)。需要檢測的三個主要相關(guān)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(zhì)量和液壓缸的活塞環(huán)面積決定了液壓缸內(nèi)的壓力。在所有質(zhì)量中，只有電極和電極糊是變量。電極糊質(zhì)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(chǎn)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(nèi)的壓力變化并傳入計算機;計算機通過數(shù)據(jù)處理，結(jié)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(shè)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(chǎn)過程中，電極需要根據(jù)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(chǎn)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(xiàn)。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(shù)據(jù)，設(shè)為h2。電極的壓放是根據(jù)生產(chǎn)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(shù)。

綜上可知，電極的實時工作長度H為:

2 系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用LabVIEW設(shè)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(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實驗室所廣泛接受，被視為標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件[5]。系統(tǒng)軟件主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理、實時顯示、報警、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲和查詢等功能。

①數(shù)據(jù)采集與處理

各傳感器測得現(xiàn)場數(shù)據(jù)后，通過數(shù)據(jù)采集卡送入計算機，計算機對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行處理，最終得到電極參數(shù)并實時顯示。當電極工作長度超出設(shè)定的上下限時，電極調(diào)節(jié)報警燈點亮，給出報警提示。

②參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置程序用于設(shè)置電極參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)，如電極工作長度的上下限、電極密度、初始參數(shù)、數(shù)據(jù)存儲間隔時間等。在系統(tǒng)運行前必須保證合理設(shè)定參數(shù)，否則系統(tǒng)自動禁止運行。

③數(shù)據(jù)存儲與查詢

數(shù)據(jù)的存儲和查詢便于操作人員和管理人員通過查詢歷史數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)存儲采用數(shù)據(jù)流管理技術(shù)(technical data management streaming，TDMS)文件(一種二進制記錄文件)，可以設(shè)置數(shù)據(jù)記錄的間隔時間。系統(tǒng)按照日期和設(shè)定的時間間隔生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄文件，便于操作人員和管理人員按照時間進行查詢。數(shù)據(jù)存儲程序如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)存儲程序Fig.1 Data storage program

2.2 硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件主要由工控機(IPC)、數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)、壓力變送器、位置變送器等構(gòu)成。

①工控機(IPC)

工業(yè)現(xiàn)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(xiàn)場數(shù)據(jù)[6]。

本系統(tǒng)采用研華610L工控機，用于數(shù)據(jù)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(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測模塊;前端可安裝3個半高磁盤驅(qū)動器，1個3.5英寸(1英寸=25.4 mm)軟式磁盤驅(qū)動器和1個內(nèi)置磁盤驅(qū)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(wěn)定工作。

②數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)

現(xiàn)場信號由各傳感器采集轉(zhuǎn)換為0～5 V的電壓信號，并通過數(shù)據(jù)采集卡傳入計算機進行數(shù)據(jù)處理、存儲和顯示[7－9]。

本系統(tǒng)采用研華PCI 1710UL數(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(shù)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(shù)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(nèi)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(chǎn)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(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware architecture of the system

3 抗干擾措施

3.1 軟件設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計了遞推平均濾波算法，即把連續(xù)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(shù)據(jù)放入隊尾，并扔掉原來隊首的一次數(shù)據(jù)(先進先出原則);將隊列中的N個數(shù)據(jù)進行算術(shù)平均運算，就可獲得新的濾波結(jié)果。該濾波算法的引入使整個系統(tǒng)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(shè)計

硬件設(shè)計方面通過采取以下措施，進一步提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

①數(shù)據(jù)采集卡采用差分信號接法，共模抑制比高，使系統(tǒng)具有更好的抗干擾性。

②使用RC電路。通過RC網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)致的共模抑制比降低，進而影響輸入信號測量。

4 結(jié)束語

將電石爐電極參數(shù)實時監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于電石冶煉過程中電極參數(shù)的實時在線監(jiān)測，目前已進入試運行階段，其關(guān)鍵技術(shù)在于采用間接測量的方法實現(xiàn)電極工作長度的自動檢測。本文主要對系統(tǒng)的原理及軟硬件構(gòu)成等進行了介紹。該系統(tǒng)對于優(yōu)化電石生產(chǎn)過程、實現(xiàn)節(jié)能降耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量和保證生產(chǎn)安全具有重要的意義。

[1] 劉東.電石爐的生產(chǎn)工藝及其關(guān)鍵設(shè)備分析[J].科技信息，2010(35):463.

[2] 黃杰.電石爐控制系統(tǒng)的設(shè)計與先進控制方案的研究[D].南京:南京理工大學(xué)，2008.

[3] 張培武.密閉電石爐電極管理[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[4] 穆國華.電石爐控制系統(tǒng)的應(yīng)用與研究[D].西安:西安電子科技大學(xué)，2005.

[5] 李江全，劉恩博，胡蓉.LabVIEW虛擬儀器數(shù)據(jù)采集與串口通信測控應(yīng)用實戰(zhàn)[M].北京:人民郵電出版社，2010.

[6] 宋敦波.基于LabVIEW的工業(yè)現(xiàn)場測控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制，2010，18(7):1528.

[7] 陳光建，何華平，賈金玲.基于虛擬儀器的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011(4):49.

[8] 陳江波.多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2002(12):20.

[9] 柴敬安，廖克儉，張紅朋，等.LabVIEW環(huán)境下的虛擬數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)[J].自動化儀表，2007，28(7):18 －19.

[10] 郭山國，任立軍，王國章，等.基于LabVIEW和PCI-1710的虛擬儀器系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011(10):35.