武威柏柠化工有限公司(以下简称柏柠化工)是金川集团化工公司的全资子公司，其一期电石产能为20万t/a,4#、5#电石炉均为12500kV·A电石炉。DCS系统采用杭州和利时自动化有限公司MACSV5系统;4#电石炉净化系统采用西门子股份有限公司S7-300PLC,5#电石炉净化系统采用日本欧姆龙(OMRON)公司CP1H系列PLC;上料系统、三相电极控制系统均采用CPM2AH系列PLC;管道管网系统、除尘系统、工艺风系统、烘干窑系统均以S7-300PLC为主控单元;一氧化碳报警系统采用AGS1000气体报警控制器，使用SM020模块组态于DCS系统;烘干窑系统采用RSQ-Ⅱ型防爆燃烧控制器，用于净气自动点火;热风炉加装火焰监测器监测热风炉内燃烧情况。该系统采用较新的控制技术，能提高电石炉控制系统自动化水平。
1 电石生产工艺
回转烘干窑烘干的兰炭和外购的石灰经振动给料机、皮带运输机送至筛分装置筛分，质量、粒度合格的石灰和兰炭经多级皮带运输、配料站称重后，按一定配比送到电石炉的环形加料机，通过控制刮板阀进入料仓。
每台电石炉有9个料仓，料仓中的混合物经过向下延伸的料管及炉盖上的进料口靠重力连续进入炉中。装在电极糊盛斗内的破碎好的电极糊经链式提升机从地面提升到各电极筒顶部倒入电极筒内。电能由变压器和导电系统经自焙电极输入炉内，石灰和兰炭在电阻电弧产生的高温(2000～2200℃)下转变成电石。反应一定时间后，用烧穿器打开炉口，液态电石流入电石锅，电石锅由电动牵引车牵引至冷却棚进行冷却。
电石炉炉气通过DN500流通输送管道经粗气风机导出密闭炉，经过沉降、旋风除尘、风冷降温到220～260℃后进行除尘过滤净化。含尘量少于30mg/m³、cO体积分数为82%～85%的净化气进入管网送往气烧石灰窑作为烧制石灰的燃料和烘干窑热风炉烘干兰炭的燃料，既节约了能源又避免了炉气污染。
电石生产工艺流程见图1。
图1 电石生产工艺流程简图
2 系统配置
MACSV5系统支持以OPC协议和ModBus协议与第三方控制系统进行通讯。上位机通过杭州和利时自动化有限公司自主开发的工业以太网协议HSIE与下位机传递数据。下位机通讯采用Profibus-DP总线，同时支持HART总线。该系统由工程师站、操作员站、历史站构成。电石炉控制系统主控制器模块为SM202,该模块采用双机冗余配置，模块内部具有硬件构成的冗余切换电路和故障自检电路，可实现在线主控制器无扰切换。
4#、5#电石炉控制系统设置中央控制室，中央控制室设置5台操作员站(其中OP50操作员站兼工程师站),用于电石生产系统监控和操作。按照工艺和所在区域划分6个控制I/O站：①主控制室I/O站(10#、11#站),控制电石炉电极、液压系统、上料系统。②净化系统I/O站(12#、13#站),控制净化系统、管道管网系统。③工艺风系统I/O站(14#站),控制工艺风系统。④烘干窑系统I/O站(15#站),控制兰炭烘干。⑤除尘系统I/O站(16#站),控制除尘系统。⑥循环水系统I/O站(17#站),控制循环水系统。该系统主要控制测点均进行I/O分配，满足电石炉控制工艺的自动化要求。
许多设备制造厂家在研发设备时均搭载控制元件，炉气分析仪、除尘系统、AGS1000系列气体报警控制器等均须与DCS进行通信。生产时需要通信的对象分别是除尘系统PLC、AGS1000气体报警控制器、上料系统、三相电极控制系统、管道管网系统、工艺风系统、烘干窑系统等。
3 电石生产过程控制
电石生产过程控制主要是针对电石生产过程中的温度，压力，位移，流量，CO、H₂、O,含量检测控制。电石炉控制系统按块分为电石炉系统、净化系统、除尘系统、上料系统、循环水系统、工艺风系统、回转窑系统、CO报警系统、管道管网系统等9个控制子系统。
电石炉控制系统主要控制如下：①环形加料机刮板阀联锁，②炉压联锁，③电极压放、升降手自动控制、手自动互锁，④料仓上下阻旋料位计联锁，⑤电极下降位置绝对值编码器和拉绳式位移传感器控制，⑥短网电压互感器、电流互感器、功率互感器的监控及调节，⑦变压器联锁控制，⑧液压系统联锁控制等。
净化系统主要控制如下：①粗气风机、净气风机变频控制，②粗气风机、净气风机入口调节阀调节，石bH③炉气分析仪数据监测，④净化系统氢、氧含量联锁，⑤卸灰系统、清灰系统手自动控制，⑥过滤器温度联锁等。
除尘系统主要控制如下：①出炉风机变频控制，②定时清灰联锁控制，③出炉风机联锁等。
上料系统主要控制：①多级运输带联锁，②配料装置联锁，③多级传送带启停控制等。
循环水系统主要为电石炉、净化装置、除尘装置等提供软水和冷却水，主要控制如下：①回水管线温度联锁，②循环水断流联锁，③停电炉供水泵联锁等。
工艺风系统主要控制如下：①气动蝶阀、电磁阀、气动薄膜阀调节，②管网压力联锁等。
回转窑系统主要控制如下：①火焰检测联锁控制，②回转窑转速调节，③热风炉手动自动点火控制，④净化系统至回转窑管道压力联锁等。
cO报警系统主要控制CO、C₂H₂固定式气体22检测仪状态及画面报警。
管道管网系统主要控制如下：①快速切断阀、防爆电动蝶阀、盲板阀调节，②管网压力联锁等。
4 控制策略的工程设计与优化
电石生产控制策略主要包括设备联锁控制、过程控制和顺序控制。对于设备联锁控制，通过DCS的控制组态就能实现，通过与其他系统通信，确保整个电石生产的正常运行。柏柠化工结合控制理论、工艺要求、计算机技术、仪器仪表和电气技术等，设计了电石炉生产过程控制策略并加以实施，将先进的过程控制策略成功地应用到生产过程中。
4.1 除尘系统控制
原4#、5#电石炉各配套18万m³/h风量正压式除尘系统，该装置长时间未使用且已不符合当前排放标准要求。为此，柏柠化工新上2套15万m³/h风量负压离线布袋脉冲除尘器并配置1套工艺风储罐用于脉冲喷吹清灰，灰斗下端增加插板阀和星型卸灰阀，可有效避免多点同时卸灰产生的挤灰问题。S7-300PLC发出信号，电磁脉冲阀动作，释放出压缩空气，经安装在袋口的引射喷嘴诱导大量空气进入滤袋，喷吹清除滤袋外的粉尘，使其落入底部灰斗，再由卸料器定时卸料收集固体颗粒物。
该除尘器的清灰采用时间、压差混合控制方式。混合控制方式开始时可以压差控制为主，时间控制为辅。得到经验的时间数据后，可适当延长设定时间，调整为以时间控制为主，压差控制为辅的方式。在运行期间，当压差小于或等于设定值时，则按时间设定工作;当压差大于设定值时，则强制对设备进行清灰。除尘器上安装1个压差变送器，设定吹扫压差为1.2kPa。如果在循环间隔等待时间内达到设定压差，则除尘器开始清灰运行。可根据现场情况改变压差设定值和循环间隔时间来决定压差优先还是时间优先。除尘系统采用PLC控制，设置手自动模式，手动控制主要用于检修、调试，自动模式用于定时清灰。DCS与除尘系统PLC进行通信，组态于DCS画面，由中控室进行远程操作，进行风机频率和清灰自动控制。
4.2回转窑系统控制
原4#、5#电石炉回转窑系统用于兰炭烘干，在回转窑窑头、窑中、窑尾加装热电偶温度传感器用于测量净气温度、炉膛温度、炉尾温度。搭载1个小控制系统用于炉排转速调节，风机调节，温度、电流、电压等关键指标监测，安装点火器用于净气点火。
柏柠化工从安全角度考虑，将年久失修的普通n一点火器更换为RSQ-Ⅱ防爆燃烧控制器，该控制器采用一级点火控制模式，模块搭载自动点火、火焰监测和熄火保护功能。点火器可现场手动点火，也可由控制器自动点火。配有两路火焰监测器，当监测器监测到火焰时打开燃料阀正常燃烧;当未点着火或中途熄火时，自动关断燃料阀并报警;同时，将着火或熄火信号送至控制器。对热风炉加高温视镜和霍尼韦尔火焰监测器，用于监测热风炉装置火焰状态并设置联锁，DCS与回转炉控制器通信，组态于DCS进行控制和调节，便于中控在烘干兰炭时监测热风炉的状态。
4.3循环水系统控制
原4#、5#电石炉循环水系统160根回水管道装有热电偶温度传感器，用于循环水上水温度测量，包括生产过程中炉盖、水冷套、护屏、底环、接触元件、炉嘴、炉门、烟囱、烟道等的温度监测;回水总管上装有压力变送器，用于循环水上水总管水压监测，但循环水一天的使用量无法计算。软化水装置采用JMA多阀控制器控制隔膜阀为变压器制合格软水，用于变压器冷却。
柏柠化工对循环水系统进行了改造，将循环水系统和软化水装置统一整合到17#操作站，电石炉供水泵及备用泵新增4台智能涡街流量计，计量瞬时流量和总用水量。在循环水厂房门口安装报警灯，中控室操作台加装循环水泵急停按钮，用于电石炉况异常情况时的处置。通过循环水系统PLC与DCS通讯，完成对循环水系统的监控和调节，并统计每天的生产用水量。
4.4CO报警系统控制
原4#、5#电石炉及配套设施CO报警系统只有一些固定式报警仪，无可视化画面，须巡检人员巡检才能锁定报警位置，响应速度滞后。
柏柠化工在改造升级时采用32通道的AGS1000系列气体报警控制器控制28台AG210CO固定式报警仪和4台冷却棚安装的乙炔报警仪，在机柜间通过SM020模块经MODBUS转DP通讯模块与DCS进行通信并组态于中控电脑。在画面中加入报警器所在位置、数据，设置高高、高、低、低低报警值，通过画面闪烁及时确定报警位置并显示CO、C₂H₂含量，及时通知巡检人员检查并处置。可视化画面便于中控人员填写报警记录。
4.5上料系统控制
原4#、5#电石炉环形加料机采用就地气源罐供气进行加料操作，加料期间现场粉尘大。原料依靠皮带及链式提升机输送至环形加料机，该过程采用顺序控制，现场控制箱分布较为分散，不易管理。柏柠化工改造时，将就地气源罐供气改为采用Φ10mm不锈钢管进行气缸气路配置，将上料系统的仪表通道整合至机柜间11#操作站，对多级皮带运输设置联锁，对配料站增加联锁防止卡料，对环形加料机刮板阀设置联锁，保证上料系统稳定运行。
4.6整体系统控制
原4#、5#电石炉控制系统比较分散且独立控制，净化系统仅为简单的顺序控制。柏柠化工在改造时加入联锁控制：①当净化系统氢气体积分数≥15%时，净化系统将联锁停净气风机，再联锁停粗气风机，同时打开电石炉直排阀，关闭净化阀并联锁电石炉停炉。②当净化系统氧气体积分数≥1%时，净化系统将联锁停净气风机，再联锁停粗气风机，同时打开电石炉直排阀，关闭净化阀。③停粗气风机的同时打开直排阀并关闭净化阀，延时10min按顺序停止输灰系统。④净化系统氧气体积分数≥2%时联锁停车。⑤净化系统氢气体积分数≥12%时报警，≥15%时联锁停净化系统及电石炉。⑥粗气风机和净气风机任意一个停止时，联锁停另一个风机。⑦1#、2#过滤器入口温度任意一个≥260℃时，联锁停净化系统。
原4#、5#电石炉DCS系统、除尘系统PLC、工艺风系统PLC、配料系统PLC、管道管网系统PLC、烘干窑控制系统PLC、三相电极控制系统PLC中，仅有三相电极控制系统PLC和配料系统PLC与DCS进行通讯并组态于DCS,其他均单独控制;CO报警仪系统仅有现场固定报警器，DCS集中在中央控制室，而PLC控制操作分散在工艺风车间、回转窑等处，主控室操作人员无法观察和判断除电石炉和净化系统的重点指标，数据也没有实现可视化，只能通过对讲机联系岗位员工进行控制。辅助工序工艺指标不能实时监测，电石炉炉况波动大，对正常生产造成影响;同时，多点位控制指标沟通有延迟且多个控制系统造成操作人员重复配置，浪费人力资源。柏柠化工在改造升级时，将除尘系统PLC、工艺风系统PLC、烘干窑控制系统PLC与DCS通讯组态于DCS,便于电石生产系统重点数据的实时监测。
原中央控制室无急停按钮、指示灯和报警灯，柏柠化工在改造时在中控台面加入急停按钮、指示灯和报警灯。在电石炉生产异常情况下，通过急停按钮停循环水上水泵和变压器。
5 结语
柏柠化工电石炉控制系统改造升级后，于2022年7月投用。系统运行至今稳定可靠，操作简单，电石产品发气量稳定，取得良好的经济效益。
