新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院 宋德旺 鄧春濤 李永鋒

《控制與傳動(dòng)》第11期　供稿

　　0 引言

　　我國(guó)是生產(chǎn)和利用石灰最早的國(guó)家,，石灰廣泛應(yīng)用于煉鋼,、建筑領(lǐng)域，同時(shí)在甜菜制糖工藝中有著重要的作用,。在生產(chǎn)白糖的過(guò)程中,，有一個(gè)很重要的步驟是糖汁清凈，目前國(guó)內(nèi)外甜菜糖廠一般都使用石灰和CO2作為澄清劑來(lái)生產(chǎn)高質(zhì)白糖,，用量一般為甜菜加工量的2～3%,，主要用來(lái)在制糖生產(chǎn)中制成輕質(zhì)碳酸鈣后吸附去除制糖原料（甜菜）中的有害元素N、P,、有機(jī)物等雜質(zhì),。品質(zhì)好、反應(yīng)快的,、反應(yīng)徹底的石灰和CO2生產(chǎn)出來(lái)的輕質(zhì)碳酸鈣,，可以提高清凈速度，縮短清凈時(shí)間,，降低噸糖石灰石的消耗,，減少色素及擬黑色素的殘留，從而有效提高白糖產(chǎn)品質(zhì)量[1]。所以,，在甜菜制糖廠中石灰的需求量較大,，為了降低生產(chǎn)成本，增加產(chǎn)品價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力,，甜菜糖廠一般都建有石灰窯用來(lái)生產(chǎn)制糖需要的石灰和CO2氣體,。

　　新疆某甜菜制糖企業(yè)日處理甜菜3100噸，一年可加工甜菜40萬(wàn)噸,，其制糖生產(chǎn)中所需要的石灰主要由容量為150m3機(jī)械豎窯生產(chǎn),，主要燃料為煤氣[2]。由于該石灰窯主要由人工操作,，所以導(dǎo)致產(chǎn)生石灰成本高,、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等不利結(jié)果，為解決這一系列問(wèn)題,，決定采用先進(jìn)的控制方式,，集中控制石灰窯的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，提高生產(chǎn)質(zhì)量和產(chǎn)率,，降低生產(chǎn)成本,。

　　1 石灰窯的生產(chǎn)工藝

　　石灰窯的生產(chǎn)有著嚴(yán)格的流程，而且根據(jù)生產(chǎn)的地理環(huán)境和天氣狀況會(huì)有一些變化,，經(jīng)過(guò)技術(shù)人員多年的經(jīng)驗(yàn)總結(jié),，在石灰窯生產(chǎn)中的主要操作步驟如下[3]：

　　⑴烘窯：首先把窯體內(nèi)部清理干凈,，然后安裝烘窯篦子框架,，將約1方木材放入篦子之上，然后用明火點(diǎn)燃,，致使火焰不斷的燃燒,，間斷地加放木材，使窯內(nèi)的溫度逐漸地升高,，將窯體內(nèi)的潮氣烘干,，避免窯體內(nèi)部的磚墻出現(xiàn)裂縫。烘窯時(shí)間5至7天,，第一天溫度控制在50度左右,，第二天100度左右，第三天達(dá)到200度左右,，第四天達(dá)到500至600度左右,，直到結(jié)束，熄火降溫,，取出烘窯篦子,，整個(gè)烘窯結(jié)束,。

　　⑵裝窯：首先窯體內(nèi)部清理,，卸灰盤(pán)表面清理,，然后將石灰塊注入卸灰盤(pán)上，裝至到1層火眼以下（約80cm）鋪平,，然后將木材放入窯內(nèi)石灰塊之上,，先裝一層（約20至30cm），然后在一層火眼兩端之間留40至50cm寬的通道,，通道兩側(cè)向上繼續(xù)整齊擺放木材,，直至一層火眼之上，高于火眼20至30cm,，然后用木材將上端全面封死,，繼續(xù)擺放木材，直至二層人孔門(mén)上1到2米,，點(diǎn)窯木材裝完后,，將人孔門(mén)完全封閉。

　?、屈c(diǎn)窯：先用柴油將刨花浸泡（約50Kg刨花，15Kg柴油）,，目的是容易點(diǎn)燃木材,，將浸泡過(guò)的刨花從一層火眼塞入預(yù)留好的木材通道，在點(diǎn)燃前將易燃的柴油汽油（柴油：5Kg,；汽油：5Kg）混合噴入一層火眼內(nèi),，準(zhǔn)備好點(diǎn)燃的木把（約1.5米長(zhǎng)）兩根，大布兩塊,，用大布纏在木把的一端,，浸上柴油；瓦斯泵開(kāi)啟后,，窯體內(nèi)的抽氣量正常后,，開(kāi)始將浸好油的木把點(diǎn)燃，從一層火眼兩端將火把塞入木材通道內(nèi),，開(kāi)始燃燒,。木材開(kāi)始不斷地燃燒，窯內(nèi)的溫度逐漸地升高,，窯體內(nèi)的石料逐漸下降,，視窯體內(nèi)的情況，逐漸上料,，使窯體內(nèi)的料位保持正常范圍內(nèi)（布料器以下2米左右）,，直至木材完全燒盡,，煤氣開(kāi)始進(jìn)入，將火位逐漸升高,，火位保持在5層可開(kāi)始卸料,，卸料溫度控制在100度左右。

　　點(diǎn)窯之后的步驟就是提高煅燒溫度并保持,，石灰窯在上料和出灰等步驟中多是數(shù)字量的直接邏輯控制,，把人工控制方式改為PLC控制方式后，效率預(yù)計(jì)將達(dá)到最佳狀態(tài),，所以在此就不再累贅,。窯內(nèi)煅燒溫度的控制是本課題關(guān)注的重點(diǎn)，現(xiàn)將石灰窯溫度的控制要求和步驟作如下說(shuō)明：一層次溫度控制在200左右度,；二層控制在500度左右,，三層控制在900度左右，四層控制在1000度左右,，五層控制在900度左右,，窯氣出口溫度控制在100度左右，燃燒正常后,，可將一層溫度保持在100度左右,，煅燒層控制在3至5層范圍內(nèi)，煅燒溫度控制在1000±12度范圍內(nèi),。泵房的基本構(gòu)成如圖1所示,，為了保證系統(tǒng)工作的工作效率和穩(wěn)定性，采用了2條并行的輸水線路選擇性的工作,。同時(shí),，在水源的水進(jìn)入抽水系統(tǒng)前，經(jīng)過(guò)一個(gè)過(guò)濾池,，去除水中存在的各種雜物,，保證系統(tǒng)工作時(shí)的安全。

　　2 石灰窯控制系統(tǒng)的構(gòu)成

　　根據(jù)各個(gè)部分在系統(tǒng)中的作用不同,，整個(gè)控制系統(tǒng)分為3層：管理層,、控制層、設(shè)備層,。上位機(jī)IPC的主要功能是通過(guò)組態(tài)軟件的在線監(jiān)控,，管理底層的生產(chǎn)設(shè)備及其運(yùn)行狀態(tài)；S7-300PLC的各個(gè)模塊作為核心控制器,，完成設(shè)備狀態(tài)信息的采集,，經(jīng)過(guò)邏輯判斷和數(shù)據(jù)分析處理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn),；底層設(shè)備主要功能是現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)信息的信號(hào)轉(zhuǎn)換,、工序執(zhí)行等,。上位機(jī)與S7-300CPU模塊之間和CPU與遠(yuǎn)程接口ET200M站之間的通信方式均為Profibus總線，系統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)如圖1所示[4][5],。



　　圖1石灰窯控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

　　石灰窯溫控系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量邏輯控制包括進(jìn)料,、卸灰，同時(shí)還將執(zhí)行機(jī)構(gòu)出錯(cuò)報(bào)警,、物料質(zhì)量上限報(bào)警,、空氣壓力信號(hào)報(bào)警作為中斷條件，與運(yùn)行中的電機(jī)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖控制,，如石灰窯進(jìn)料過(guò)程中,，稱重斗閘門(mén)開(kāi)啟；當(dāng)物料質(zhì)量超過(guò)上限時(shí),，自動(dòng)關(guān)閉物料斷輸送斗車等,。這些邏輯控制在STEP7中完成程序的編寫(xiě)，其中的部分變量表如圖2所示,。



　　圖2STEP7中的變量表

　　根據(jù)生產(chǎn)的要求編寫(xiě)上料的程序,，這是溫度控制的基礎(chǔ)，因?yàn)檫M(jìn)料數(shù)量的準(zhǔn)確可以讓煅燒過(guò)程更平穩(wěn),，產(chǎn)生的波動(dòng)小,，從而減少了生燒與過(guò)燒的發(fā)生，提高石灰石的利用率,。如圖3所示,，右邊的程序?yàn)榇蟾G的石料稱重程序，PIW336為石料重量傳感器傳送給PLC的石料重量信號(hào),，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換放置在DB3.DBD0中；左邊的程序?yàn)樾「G的自動(dòng)中斷程序,，即當(dāng)物料超過(guò)上限時(shí),，切斷卷?yè)P(yáng)機(jī)等設(shè)備。



　　圖3上料的部分程序

　　3 監(jiān)控畫(huà)面設(shè)計(jì)

　　控制系統(tǒng)完成施工后,，所有的控制和監(jiān)視都可以在上位機(jī)的顯示器上操作,，使用了與西門(mén)子PLC完全兼容的WinCC。WinCC是面向監(jiān)控與SCADA的軟件工具,，可以提供適合于工業(yè)動(dòng)態(tài)流程圖的顯示,，報(bào)警處理，顯示實(shí)時(shí)及歷史曲線圖,，生產(chǎn)報(bào)表以及存貯等功能模塊,，用高性能的過(guò)程耦合、快速的畫(huà)面更新以及可靠的數(shù)據(jù)使WinCC具有高度可視化和實(shí)用性[6],。

　　WinCC所集成的圖形,、人機(jī)界面,、數(shù)據(jù)庫(kù)、通訊等技術(shù),，使開(kāi)發(fā)人員通過(guò)對(duì)話式的組態(tài)方式,，完成監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)，使用者將PLC與WinCC結(jié)合就使的通訊就異常容易,，將STEP7與WinCC組合,，就很容易在工程中縮短調(diào)試時(shí)間[7]。此外,，WinCC軟件是適合監(jiān)控級(jí)應(yīng)用的整體開(kāi)放性軟件,，各軟件提供企業(yè)都可以開(kāi)發(fā)自己的應(yīng)用軟件與WinCC的開(kāi)放性接口相接。

　　系統(tǒng)工藝基本主流程圖如圖4中所示,，動(dòng)態(tài)顯示了石灰窯的現(xiàn)場(chǎng)工藝過(guò)程,，包括上料過(guò)程、運(yùn)行設(shè)備狀況等,，這樣就可以及時(shí)準(zhǔn)確掌握石灰石煅燒分解情況,，并顯示故障進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷。



　　圖4上料的部分程序

　　在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)儀表的監(jiān)控實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和手動(dòng)兩種方式,。在系統(tǒng)全部軟,、硬件安裝調(diào)試時(shí)采用手動(dòng)操作分步驗(yàn)證。調(diào)試正常投入運(yùn)行時(shí)采用自動(dòng)操作,，利用所設(shè)計(jì)的梯形圖控制程序自動(dòng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制,，特別是稱重、流量等模擬量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)控制,。

　　在控制過(guò)程中,，對(duì)于風(fēng)壓、物料質(zhì)量,、燃料流量等重要的模擬量控制參數(shù)都進(jìn)行主畫(huà)面實(shí)時(shí)報(bào)警,，即實(shí)現(xiàn)參數(shù)超限聲光報(bào)警，用對(duì)話框形式提示故障原因,，同時(shí)迅速自動(dòng)調(diào)節(jié)至正常監(jiān)控狀態(tài),。全過(guò)程實(shí)現(xiàn)過(guò)程變化預(yù)測(cè)的同時(shí)，也對(duì)各時(shí)段歷史曲線數(shù)據(jù)予以保存,，對(duì)曲線分析比較后對(duì)溫度變量的變化趨勢(shì)作出相應(yīng)的預(yù)測(cè),，如圖5所示。



　　圖5石灰窯煅燒溫度曲線

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　該石灰窯控制系統(tǒng)采用了目前典型的工業(yè)控制方案,，硬件與軟件分別選擇了S7-300PLC與WinCC,，使用Profibus搭建了控制系統(tǒng)，完成了石灰窯生產(chǎn)中的上料,、稱重,、卸灰等一系列步驟降低了人工成本,，提高了制糖石灰窯的工作效率，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)石灰窯生產(chǎn)的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控與數(shù)據(jù)管理,，為相關(guān)制糖企業(yè)的石灰窯生產(chǎn)提供了參考,。

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