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1 绪论
1.1 引言
1862年Hare 和Wohler 在实验室中首次利用Zn 、Ca 与C 等原料制得2CaC ，三十年后Moisson 和Willson 用CaO 和煤在电炉中制成了2CaC [1]。由于这种碳化钙是在电炉中反应生成，于是我们俗称它为电石。电石工业品是灰、黄褐或黑的固体，它是有机合成工业的重要基本原料，利用电石与水反应生成的乙炔可进一步合成有关系列产品，如乙醛、醋酸、醋酸乙烯、聚乙烯醇、合成纤维、合成橡胶、合成树脂及有机溶剂等，还可用于金属的切割和焊接。 电石炉内利用三相电极间短路电弧所产生的高温热能将生石灰、焦碳等原料熔融后反应生成2CaC ，即工业电石。在电弧高温生产电石过程中，电石炉内温度值的改变是通过调节电极碳棒插入炉料的深度来控制的，并且其温度值一般是利用三相原边电流的大小来间接测算的，当电极下降时电流值增加，反之则电流值减少，因此电极升降控制系统是电石生产的重要部位，电极电流值的大小和稳定性是影响电石 生产质量及能耗大小的关键因素。
在电石生产过程中如果仅依赖人工进行手动操作，这不仅使得人工劳动强度加大，而且会使三相电极平衡难以调节、三相电流值不稳定，甚至容易造成断弧或跳闸现象。由于目前国内电石生产的自动化水平仍然较低，使得电石生产的电能损耗增加，生产效率和质量难以提高，从而导致产品缺乏国内外市场竞争力，因此提高现有设备的自动化水平、完善电石炉系统控制机制、加强生产的安全性能是改善当前比较落后的技术现状的有效途径之一。
1.2 电石工业的现状和发展前景
随着国际原油价格的上涨，有机合成工业的重要原料——乙炔的生产由石油提炼法转为电石生产法，这就使得电石的需求量与日俱增，给国内外电石行业提供了极大的市场空间。以下就国内外的电石工业现状和发展前景分别加以介绍和说明。
1. 国内外的生产现状
气路接头日本、美国、德国等都是世界上电石工业较发达的国家，这些国家在电石工业极盛时期的年生产量都超过100万吨。日本电石工业创始于1901年，当时只有一座容量50千瓦的小型电炉，但在20世纪50年代末已使用密闭电石炉，80年代初期日本电石生产电耗已降至3050 kWh /t 以下，1976年其电石年产
量达到了56万吨[1]。1895年，美国建成了第一座工业化电石炉，1904年，又建成一座功率为7500kW 的三相电石炉，在恒定
功率运行，电石电耗到3034kWh/t，发气量也稳定在优级品。德国拥有世界最大的电石炉，容量为75000 KVA，日产电石为435吨，净化后炉气为1万m3/h，运用空心电极技术，可利用粉料占总炉料的1/4以上，电石电耗已降至2940 kWh/t，质量稳定在304L/kg左右，最大生产厂可年产电石60万吨以上[1]。
我国在解放前几乎没有电石工业，只是在某些采矿场建有几座小型电石炉，容量为300KVA左右，生产电石产生的乙炔主要用于点灯，与国外电石工业相比，落后约半个世纪。解放后，1950年在吉林建成了第一座容量为1750KVA的开放电石炉，之后在上世纪六十年代由上海吴淞化工厂与化工部第一设计院合作首先自主开发16500KVA全密闭电石炉，1958年以电石乙炔为原料的有机合成工业在我国兴起以后，电石工业才在全国各地发展兴起，许多城市纷纷建设电石厂。1960年全国共建成容量为10000KVA 的三相圆形开放电石炉13座，年生产能力超过35万吨[2]。目前我国约有大、小电石生产厂家500余家，2006年为3.35万吨[3]。统计数据显示，2006年我国电石产量突破1000万吨，2007年产量达到了1500万吨以上[4]。
2.国内外的研究现状
车辆定位
目前国外的性能较好的电石炉大部分采用了空心电极加料，并采用计算机控制系统实现电极压放控制、电极升降控制以及工艺参数的检测等功能。早在上世纪60年代初，美国在大型密闭电石炉已首先将电子计算机应用于电石生产过程中，通过过程计算机寻求生产最佳参数值使生产能力和电石质量得到很大提高[5]。电石生产过程是一个比较复杂化合反应过程，电石炉的操作受到炉料配比、水分、粒度、气孔率粒度以及电气参数的设定等诸多因素的影响，并且原料状态参数、电极升降位置以及电石炉内温度值难以直接准确的测量得到，这使得建立电石炉系统的数学模型成为主要技术问题，目前尚无电石炉控制模型的国内外文献资料可供参考。
针对电石炉控制系统的设计，国内出现了一些相关的工程设计文献[6][7][8]，但这些研究文献有一定的局限性，或缺少计算机监控系统的设计或缺少三相电极难以调节平衡的问题解决方法。电石炉系统中三相电极升降控制的好坏直接影响到炉温和三相电流或电压的不平衡程度，并且电石炉电流本身存在灵敏度高、耦合性强、参数时变等因素，使电石炉系统中电极的升降调节成为控制的重点和难点。针对电石炉电流所存在的问题，目前国内外对电弧冶炼的三相电极控制做过很多相关研究并提出多种控制算法，如文献[9]提出PID控制算法；文献[10][11][12]提出模糊控制算法；文献[13]提出智能PID 控制算法；文献[14][15][16]提出神经网络控制算法以及文献[17][18][19]提出其他控制方案等。目前针对电石炉电极升降系统虽然存在多种控制算法和文献参考，但较多方案存在缺少控制器结构和算法论述或
没有系统仿真、应用结果等问题，因此难以达到理想的理论研究和工程应用参考价值，如上述文献[10]中提出的三输入单输出结构模糊控制算法、文献[11][12]中所提自适应模糊算法，对电石炉对象的模糊控制器结构和模糊规则
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等均缺少论述和说明以及实际工程应用，如[13][15][16]等参考文献中所提智能控制以及神经网络等控制算法均缺少研究仿真或应用结果。由于国内外的电石炉系统早期主要以单片机、继电器控制为主或以理论研究为主，很多先进算法在电石炉工业现场没有得到具体的应用或实施，而常规控制方案难以达到理想控制效果，并且因电石炉系统无具体控制模型，各种算法在实际的应用中控制参数的选取以实验法为主。本文针对电石炉控制系统参考文献中所研究的算法和结果，结合实际工程项目分别采用改进型PID 控制和模糊控制策略，此外在电极模糊控制系统中本文提出将模糊控制算法与PLC 相结合，设计和编程实现离线创建模糊控制表和在线查表控制功能，最终将控制系统投入实际应用，并获得理想控制效果。
3. 电石工业的发展前景
70年代后期到90年代初，随着石油化工的发展，西方国家的有机合成工业原料路线由电石乙炔转变到石油乙炔，国际电石行业处于低谷，技术和设备的研究也处于停滞和萎缩状态。但90年代后期，由于国际原油价格的上涨，乙炔的生产转向以电石为原料，使得电石行业得到迅速发展。目前，国际上电石市场看好，电石的需求量与日俱增，国内PVC 产品应用领域在逐渐拓展，这就给国内外电石行业提供了极大的市场空间[5]。
目前我国电石行业产能过剩、技术装备水平低、结构不合理、污染严重等问题仍然没有得到根本解决，如何将粗放型的电石工业通过技术更新、设备优化，逐步改造成集约型工业是我国现有电石工业改变落后面貌、提高技术经济效益的关键。改善目前落后生产技术的根本措施应从工艺入手，改善电石生产设备、提高自动化水平以及淘汰高污染高能耗的电石生产企业和设备。
2 电石炉生产工艺及设备
电石俗称卡石，其化学名称叫碳化钙。碳化钙的分子式是2CaC ，分子量为64.10。其工业品是灰、黄褐或黑固体，含碳化钙较高的呈紫。通常所说的电石是指工业碳化钙，它是由生石灰和焦碳放在电炉中加热到2000C 生成的。电石中除含大部分碳化钙外，还含有少部分其它杂质。
电石是有机合成工业的重要基本原料，利用电石为原料可以合成一系列的有机化合物，为工业、农业、医药提供原料。以电石乙炔为原料可制取乙烯、氯丁橡胶、氰氨化钙、乙酸、三氯乙烯等，电石也可做钢铁的脱硫剂和用于金属的切割和焊接[1]。
2.1 电石炉生产原理[20]
2.1.1 碳化钙的反应机理
电石是石灰与碳素材料在电阻电弧炉中制成的，在工业生产过程中，石灰与碳素材料冶炼生成碳化钙是通过两种方式完成的：
第一种方式：
氧化钙与碳在高温下首先发生下列反应：
CO Ca C CaO +=+ (2.1.1) 钙蒸汽同固态碳又发生如下反应：
22C a C C Ca =+ (2.1.2) 反应为双变量系统，气体中存在有气态Ca 和CO 两种气体，反应状态不仅决定于温度，同时决定于气体中Ca 或CO 二者间任意一个压力值。只有在Ca 蒸汽压力较高，而CO 压力较低的情况下，2CaC 才可能在较低温度下生成。
第二种方式：
随着物料不断下移，温度增高，当达到与其成份相适应的温度时，石灰表层生成的碳化钙与石灰物料迅速共熔成含石灰成份较高的2CaC 和CaO 熔融物，当2CaC 含量约为20%，温度在2000C 左右时，发生如下反应：
CO CaC C CaO +=+23 (2.1.3) 伴随沸腾现象的发生，反应急剧进行，熔融体中2CaC 成份迅速增加，形成电炉中电极下端的反应区，在此区域内，根据原料配比完成其最终反应，2CaC 流至炉底而被释放。
整个反应阶段生成电石所需的热量，由电极产生的电弧与电流通过炉料产生的电阻
卷对卷丝网印刷机>蠕墨铸铁
5 供给。
2.1.2 电石炉电气特性
电石炉的电能是由变压器通过炉子的短网向电炉输送的，因此在整个网络中存在有变压器及短网的阻抗，影响着电石炉的特性。如图2.1.1表示电石炉的等效电路图：
+-
f
I I v
R
图2.1.1 电石炉等效电路图
苯甲酸乙酯的制备
其中：f U ──原边电压；f I ──原边电流；U ──副边电压；I ──副边电流； L ω──总感抗；v R ──设备的电阻；n R ──炉料和熔体的电阻。
副边电流：2222)()()(L R R U L R U Z U I n v ωω++=+==
副边视在功率：I U P ⨯=
炉料和熔体总功率：n n R I P ⨯=2 电路电阻总功率：)(2n v r R R I P +⨯=
效率：n v n n n r n R R R R R R
I R I P P +====22η 2.1.3 电石炉中的电热过程
由于电石炉中炉料及熔体的高电阻性，电极的工作部分深入到料层中，在电极端头与熔体间形成气体空间的电弧区，使电石炉具有电阻电弧炉的特性。
电能在电石炉内根据焦耳楞次定律转化为热能，当电流I 通过电弧，炉料及熔体，且其电阻为R 时，则在一定时间t 内，供给电石炉的电能为：
K Wh t R I Q 3210-⨯⨯⨯= (2.1.4) 电热当量为：千卡8601=KWh ，则：
千卡3210860-⨯⨯⨯⨯=t R I Q (2.1.5) 根据欧姆定律：R I U ⨯=
无心磨床自动上料机又可表示为：
