冷 波

(日照職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 日照 276800)

石灰窯爐自動(dòng)控制系統(tǒng)改造探析

冷 波

(日照職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 日照 276800)

在一系列技術(shù)革新的基礎(chǔ)上，針對石灰窯爐提出基于PLC和上位機(jī)的兩級控制方案，進(jìn)行石灰窯爐的改造，通過改造實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程全自動(dòng)化，提升了石灰的產(chǎn)量，減少了煤耗、電耗，除塵效果也非常明顯，解決了原石灰窯爐不穩(wěn)定、故障率高、操作復(fù)雜等難題。目前，該控制系統(tǒng)已得到廣泛應(yīng)用及認(rèn)可。

石灰窯爐；PLC；改造；構(gòu)建

0 引言

石灰是我國建筑行業(yè)大量用到的建筑材料之一，在高溫煅燒時(shí)，溫度控制的好壞會直接影響石灰生產(chǎn)的質(zhì)量。傳統(tǒng)的石灰窯爐設(shè)備簡單，溫度主要由人工操作，不能實(shí)現(xiàn)有效控制，常常會生產(chǎn)出欠火石灰、過火石灰，而且出灰間隔時(shí)間太長，粉塵較多，石灰窯爐的環(huán)境條件非常不好，工人勞動(dòng)強(qiáng)度也非常大。因此，采用先進(jìn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，對提高傳統(tǒng)石灰窯爐石灰的產(chǎn)量及質(zhì)量，都具有十分重要的意義。

1 石灰窯爐系列技術(shù)改進(jìn)

根據(jù)多年工程經(jīng)驗(yàn)，對石灰窯爐進(jìn)行了一系列技術(shù)改造。

1.1 鼓風(fēng)、引風(fēng)機(jī)全部采用變頻控制

通過變頻調(diào)速來調(diào)節(jié)風(fēng)量，代替原來的工頻啟動(dòng)，避免了啟動(dòng)大電流，減少了對電網(wǎng)的沖擊，改變了通過進(jìn)風(fēng)口開度來調(diào)節(jié)風(fēng)量的方式，操作簡便、節(jié)約能源。使用變頻器不僅能夠滿足窯爐溫度的控制要求，而且還能夠節(jié)約能源。

1.2 配料系統(tǒng)

采用西門子具有自動(dòng)補(bǔ)償功能的稱重模塊，精度可達(dá)到小于0.35%，石灰石和煤炭通過兩個(gè)不同的皮帶進(jìn)入料斗。配料過程是通過PLC進(jìn)行控制的，能夠自動(dòng)補(bǔ)償前一次的稱量誤差，確保了配比準(zhǔn)確，有效避免了過燒、夾生、結(jié)焦等現(xiàn)象。

1.3 智能電子主令控制器

卷揚(yáng)機(jī)采用聯(lián)合開發(fā)的HDLK型智能電子主令控制器代替原來的機(jī)械式主令來控制料車的運(yùn)行，定位精度高、調(diào)節(jié)方便、更加可靠，具有停電自動(dòng)記憶功能，更加貼合實(shí)際自動(dòng)化生產(chǎn)要求。主令器由編碼器、西門子的操作面板和西門子PLC組成，操作面板用于信息的輸入和顯示，PLC是主令器的控制核心，編碼器通過柔性聯(lián)軸器的帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，將位移等信號轉(zhuǎn)化成特定信號。

卷揚(yáng)機(jī)選用變頻器無級調(diào)速來代替原設(shè)備的串電阻調(diào)速，運(yùn)行可靠、維護(hù)量小，且降低了采購成本，節(jié)約了能源。目前交流PWM變頻調(diào)速已得到廣泛采用，其調(diào)速性能好，并適合在惡劣的環(huán)境中工作。該項(xiàng)目中選用的交流變頻器為F1500-G0370T3B型，由歐瑞電氣傳動(dòng)有限公司生產(chǎn)，該機(jī)性能良好，適合本系統(tǒng)應(yīng)用。

卷揚(yáng)機(jī)自動(dòng)控制流程：起始等待；料斗到地坑下限位，上料；上料結(jié)束上料皮帶停轉(zhuǎn)；卷揚(yáng)機(jī)低速啟動(dòng)；料車上升到行程10%位置變?yōu)橹兴龠\(yùn)行；上升到行程20%位置變?yōu)楦咚龠\(yùn)行；上升到行程80%位置變?yōu)橹兴龠\(yùn)行；上升到行程90%位置變?yōu)榈退龠\(yùn)行；到達(dá)終點(diǎn)上升停止，倒料；延時(shí)，倒料結(jié)束；卷揚(yáng)機(jī)低速啟動(dòng)；料車下降到行程10%位置變?yōu)橹兴龠\(yùn)行；下降到行程20%位置變?yōu)楦咚龠\(yùn)行；下降到行程80%位置變?yōu)橹兴龠\(yùn)行；下降行程90%位置變?yōu)榈退龠\(yùn)行；到達(dá)地坑提升機(jī)停止；延時(shí)上料，循環(huán)運(yùn)行。

1.4 自主開發(fā)HDTC-A型智能料位計(jì)，方便探測爐內(nèi)料面料位

智能料位計(jì)具備可手自動(dòng)測量、多種報(bào)警、測量精確、響應(yīng)速度快、可遠(yuǎn)程控制等優(yōu)點(diǎn)。智能料位計(jì)主要由CPU224擴(kuò)展的模擬量模塊和旋轉(zhuǎn)編碼器來實(shí)現(xiàn)對爐內(nèi)料位的遠(yuǎn)程監(jiān)測，并分析料車工作狀態(tài)及出灰是否正常。

1.5進(jìn)一步改進(jìn)兩段出灰控制，在不停風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)上提高出灰速度

如圖1所示，通過上下兩段閥控制兩段串聯(lián)密封擋板依次打開和關(guān)閉，不斷把落下的石灰輸送出去。

圖1 出灰控制示意圖

1.6 粉磨系統(tǒng)

通過檢測粉磨電機(jī)的電流來控制進(jìn)料速度，代替人工觀察進(jìn)料。將石灰粉磨電機(jī)測得電流傳送給PLC，PLC運(yùn)算后控制變頻器帶動(dòng)振動(dòng)給料機(jī)的速度，代替原有人工觀測電流表，實(shí)現(xiàn)高效控制，保證了給料速度，增加了石灰的產(chǎn)量。窯爐產(chǎn)出的石灰塊被送至粉磨機(jī)，當(dāng)檢測石灰塊達(dá)到一定重量時(shí)，其就落入料斗中，料斗按照變頻器給定速度帶動(dòng)振動(dòng)給料機(jī)進(jìn)行粉磨，粉磨好的石灰就可以成為成品。

1.7 除塵系統(tǒng)

石灰生產(chǎn)過程中的原料稱重、出灰及粉磨等幾個(gè)階段產(chǎn)生的粉塵較多，我們設(shè)置了引風(fēng)機(jī)和除塵器。在引風(fēng)機(jī)引導(dǎo)下，煙塵進(jìn)入除塵器，進(jìn)行除塵，然后排放。在除塵之前，煙塵混入CaO粉塵，可將煙氣中的焦油變成易濾除的微粒，將煙塵中的SO2變成CaSO4微塵，方便進(jìn)行過濾，能夠降低煙塵溫度，且能進(jìn)行除硫，效果非常明顯。

經(jīng)過改造后石灰窯爐的生產(chǎn)工藝如圖2所示。

圖2 石灰窯爐工藝流程

2 自動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)建

在本文的設(shè)計(jì)中，下位機(jī)由西門子S7-300系列PLC實(shí)時(shí)采集溫度、壓力等數(shù)字量，料位、重量、粉磨電流等模擬量，而PC機(jī)進(jìn)行WINCC組態(tài)監(jiān)控。經(jīng)過PLC控制，實(shí)現(xiàn)原料稱重、窯爐進(jìn)料、料位控制、溫度控制、出灰、粉磨等全過程的自動(dòng)化。

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件除了S7-300 PLC之外，還采用了西門子專有的SIWAREX U進(jìn)行煤料、石料稱量。該模塊為S7-300 PLC標(biāo)準(zhǔn)模塊，相當(dāng)于一個(gè)模擬量模塊。因本系統(tǒng)需多次稱重，故采用雙通道模塊。采用此模塊減少了傳輸數(shù)據(jù)的中間環(huán)節(jié)，提高了抗干擾能力，費(fèi)用明顯降低，精度非常高。同時(shí)，用西門子稱重軟件進(jìn)行初始校稱，使用方便、可靠，校正完再更換模塊不需要再進(jìn)行校驗(yàn)；生產(chǎn)過程中可由PLC進(jìn)行校秤。

2.2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

石灰窯爐生產(chǎn)過程主要由煤石雙料混配、窯爐爐內(nèi)煅燒、石灰出灰與除塵三大部分組成：(1) 公共部分。公共部分設(shè)置并顯示手自動(dòng)狀態(tài)，運(yùn)行、停止及故障狀態(tài)，并在關(guān)鍵位置設(shè)置急停按鈕。另外，比較重要的是設(shè)置了最高溫度報(bào)警，還能曲線顯示壓力、溫度等參數(shù)并進(jìn)行報(bào)警。(2) 煤石雙料混配。煤炭和石灰石進(jìn)行稱重時(shí)，一方面可經(jīng)上位機(jī)WINCC組態(tài)畫面任意設(shè)定目標(biāo)值，并實(shí)時(shí)顯示兩條皮帶上當(dāng)前料重，顯示每次配料的石料、煤炭的稱量值、誤差值，通過PLC對數(shù)據(jù)的分析，自動(dòng)計(jì)算下一次配料石料和煤炭的設(shè)定值，這樣就實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)補(bǔ)償，從而使配比較為理想；另一方面，采用了精度很高的西門子專用稱重模塊，與組態(tài)進(jìn)行配合，稱重模塊稱重前可以進(jìn)行手工校驗(yàn)，也可由PLC進(jìn)行校秤。(3) 窯爐爐內(nèi)煅燒。卷揚(yáng)機(jī)通過變頻器改變其運(yùn)行速度，根據(jù)速度計(jì)算上料過程時(shí)間及運(yùn)行剩余時(shí)間，并在WINCC畫面上顯示小車上行、返回狀態(tài)和大體位置，合作研發(fā)的智能主令控制器可實(shí)現(xiàn)位置的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確定位。合作研發(fā)的料位計(jì)探料、上料幾次，就會檢測一次，實(shí)時(shí)顯示料面高度，并可進(jìn)行料面越限報(bào)警，還設(shè)置了爐頂閘門卡料報(bào)警等。(4) 石灰出灰與除塵。通過料位傳感器檢測，出灰也實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制。當(dāng)爐內(nèi)料面高于料位上限值時(shí)，會自動(dòng)出灰。也可根據(jù)實(shí)際要求，由WINCC進(jìn)行手動(dòng)控制。這里需要指出的是，在設(shè)置出灰時(shí)，控制系統(tǒng)其他部分停止工作，為實(shí)現(xiàn)環(huán)保目標(biāo)，針對各處較為嚴(yán)重的灰塵進(jìn)行除塵，在引風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓下經(jīng)煙囪排出。

2.3 組態(tài)監(jiān)控

本系統(tǒng)用WINCC制作了人機(jī)界面(圖3)，主要包括溫度曲線、窯爐控制、設(shè)備狀態(tài)、報(bào)表系統(tǒng)等幾個(gè)畫面。在窯爐控制畫面中，主要有配料參數(shù)設(shè)置、配料情況、報(bào)警以及溫度顯示、出灰手自動(dòng)切換等功能。畫面工藝清楚、操作簡單可靠、功能強(qiáng)大、易于上手。

圖3 WINCC監(jiān)控界面

3 項(xiàng)目應(yīng)用

目前該系統(tǒng)已在四川某公司2×200 t/日石灰窯工程、新疆某公司6×300 t/日石灰窯工程等項(xiàng)目中應(yīng)用。通過過去兩年來的應(yīng)用及推廣，客戶的反饋都表明該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，節(jié)能效果明顯，除塵效果達(dá)到預(yù)期，每噸石灰耗煤降低了13.8%，每噸石灰耗電降低了35%，取到了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，符合當(dāng)前節(jié)能減排、綠色環(huán)保的理念。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)解決了原石灰窯爐配料不精準(zhǔn)、燒料過燒或欠燒、操作復(fù)雜等難題，實(shí)現(xiàn)了石灰生產(chǎn)配料、煅燒、出灰、除塵等全程自動(dòng)化，降低了成本，提高了產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保。

[1]許星，唐其偉，羅世亮，等.基于S7-300 PLC的石灰窯爐控制系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2004(2)

[2]武中華，趙長安，谷志剛.西門子PLC在環(huán)形套筒石灰窯控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科技信息，2010(14)

2014-06-09

冷波(1979—)，男，山東日照人，講師，主要從事PLC控制、物聯(lián)網(wǎng)等方面的研究。