石灰回轉窯PLC控制系統
一、概述
1.1設計目標
基于“集中管理，分散控制”的模式，數字化、信息化工程的思想，著眼于企業“管控一體化”信息系統的建設，建立一個先進、可靠、高效、安全且便于進一步擴充的集過程控制、監視、管理于一體并且具備良好開放性的監控系統，完成對整個工藝過程及全部生產設備的監測與自動控制。
1.2項目概述
本項目是天鐵石礦回轉窯工程，本工程分二期建設，一期工程建設1座600t/d回轉窯（于2006年11月投產），二期再建設1座600t/d回轉窯（于2008年5月投產），但相應的輔助設施按2座窯規模一次建成。其工藝是將運來的石灰石原料送入貯倉，貯倉中的石灰石經倉下的振動給料機給出，經帶式輸送機轉運后送至篩分樓篩分，>18mm的篩上料經帶式輸送機送入回轉窯中煅燒；而<18mm的篩下料進入貯槽暫存后再經汽車運出。
篩上料由帶式輸送機送入預熱器頂部料倉，然后由溜料管將石灰石（白云石）分布到豎式預熱器內預熱，經過預熱的物料由液壓推桿推出，經轉運溜槽進入回轉窯中，物料在回轉窯內經過焙燒分解，熱煙氣進入預熱器。煙氣在預熱石灰石后經過帶式除塵器除塵后由除塵風機排入大氣。焙燒好的石灰石進入豎式冷卻器，冷卻器的底部送入冷空氣冷卻，通過振動給料機排出至集料斗。冷空氣在冷卻器內冷卻物料的同時被加熱，經窯頭罩進入窯內，作為燃料燃燒的二次空氣，回轉窯采用煤氣為燃料。
出窯后的石灰經帶式輸送機送入成品倉上的振動篩篩分，<3mm的篩下料進入碎石灰料倉裝入汽車后外運，而>3mm的篩上料經帶式輸送機分別送入石灰貯倉。
窯體裝置和輔助設備的運行與監視將在控制室中實現完全自動化控制，通過人機界面實現電氣設備的起動和停止、儀表參數監測，被控參數的閉環調節、控制系統報警和生產過程報警以及數據歸檔等功能，使整個回轉窯能夠實現生產的自動化和管理的自動化，大大減少工人的勞動強度，提高企業的自動化水平，提高了生產率，并合理的節省了能源。
二.系統組成
2.1PLC控制系統
為了保證整個系統安全可靠和生產的連續性，提高自動化水平，適應回轉窯工藝要求，并且從該系統I/O測點較多等方面考慮到系統對設備的硬件條件要求較高以及以往的使用情況，我們采用以西門子S7-400PLC為核心的集中和分散相結合的計算機控制系統，由中央控制室、現場PLC控制站、遠程I/O站組成。
☆中央控制室：設監控計算機、打印機等，負責對整個回轉窯工藝參數、電氣參數和設備運行狀態進行監控、管理、歷史數據存儲以及報表打印；
另外還設一臺網關服務器，負責工控網絡和企業內部管理網絡之間的訪問控制；
☆現場PLC控制站：由帶DP接口CPU模塊（CPU414和CPU416）、以太網模塊（CP443-1）和I/O模塊組成，通過高速、實時的工業以太網與中央控制室進行通訊；
☆遠程I/O站：由DP從站接口模塊（IM153-1）、I/O模塊、電子皮帶秤和變頻器組成，通過Profibus-DP現場總線與現場PLC控制站進行數據通訊。
該回轉窯控制系統由三套（一期兩套、二期一套）西門子PLC的S7-400系統組成。一套S7-414和ET200M遠程站用于原料工段、循環水和空壓機站的控制，一套S7-416用于1#窯體和成品工段控制，一套S7-414用于2#窯體控制。主站CPU都放置在主場房內，三套PLC系統通過工業以太網與上位監控系統通訊實現集中管理分散控制。
S7-400特點：
功能強大的PLC，適用于中高性能控制領域
解決方案滿足最復雜的任務要求
功能分級的CPU以及種類齊全的模板，總能為其自動化任務找到最佳的解決方案
實現分布式系統和擴展通訊能力都很簡便，組成系統靈活自如
用戶友好性強，操作簡單，免風扇設計
隨著應用的擴大，系統擴展無任何問題
ET200M站：
接口模塊IM153用于與PROFIBUS-DP現場總線的連接而組成分布式I/O系統，各種I/O模塊插入有源總線模塊內,可在線更換模塊，實現帶電插拔功能。各分站放置在相應的配電室內，便于以后進行擴展，并且大大減少電纜和工程施工量。
PROFIBUS現場總線：
用于現場控制主站與現場遠程ET200M分站之間的數據通訊，傳輸介質為屏蔽雙絞線，通訊速率為9.6K-12Mbps。
開放的、不依賴于廠商的現場總線，并符合IEC61158國際標準。
2.2上位監控系統
上位機監控系統設一臺工程師站和四臺操作員站，選用原裝研華工業控制計算機，每臺機器上裝有網絡通訊卡CP1613，它們各通過工業以太網與三套S7-400系統的通訊處理器CP443-1通訊口連接，實現了數據交換。
監控組態軟件不僅有監控和數據采集（SCADA）功能，而且有組態、開發和開放功能，是自動化系統集成中不可缺少的關鍵組成部分。我們在此監控系統中采用西門子公司的WINCC6.0組態軟件，WINCC是WindowsControlConter（視窗控制中心）的簡稱，它運行于個人計算機環境，可以與多種自動化設備及控制軟件集成，用戶在其友好的界面下進行組態、編程和數據管理，可形成所需的操作畫面、監控畫面、控制畫面、報警畫面、實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線和打印報表等。
它為操作者提供了圖文并茂、形象直觀的操作環境，不僅縮短了軟件設計周期，而且提高了工作效率。
上位監控計算機提供了友好的人機界面。
三、控制系統功能
3.1控制方式
整個系統控制方式設計為計算機控制系統遠程手動操作（即遠程手動）、計算機控制系統全自動控制（即遠程自動）兩種控制方式。兩種方式的級別由高到低依次為遠程手動、遠程自動。
☆遠程手動：通過中控室內監控計算機實現遠程手動控制；
☆遠程自動：根據工藝要求設定控制程序，實現對工藝過程的自動控制。
3.2回轉窯調節控制
工藝流程是物料經加料機連續向窯尾加料，它隨窯體轉動而緩慢的向窯頭移動，并且從窯??后在900~1100℃的高溫帶煅燒，煅燒好的物料從窯頭下料管落入下部的冷卻機內。
☆混合煤氣和空氣調節
混合煤氣量和空氣量的合理配合是保證回轉窯煅燒溫度的關鍵調節，使煤氣量和空氣量能根據產量和熱值等參數進行動態調整。
流量限幅報警，越限報警、無攏動切換、非線性PID調節、數據儲存。該系統故障率低，運行可靠，可使燃燒更趨合理，焙燒溫度穩定，并能大幅度降低煤氣單耗，改善勞動條件，提高安全性。
☆窯尾溫度和負壓自動控制
回轉窯在正常的生產中，窯內始終保持負壓，窯頭的負壓要求保持在2mmH2O柱以上。回轉窯內負壓的大小對窯內溫度控制有較大的影響。負壓過大，窯內抽力增大，窯內的細粉將被抽光，導致燃燒效率下降;負壓過小，會造成回轉窯內外壓差小，使窯頭窯尾冒煙，惡化操作環境，也會使窯內廢氣流動緩慢，造成窯內混濁不清，窯內溫度難以控制。通過調節窯尾的溫度，使窯尾溫度基本穩定。
☆物料給料定量控制
為了保證焙燒質量，要求回轉窯的給料量穩定、均勻和連續。只有給料量連續、均勻、穩定，才能保證熱工制度穩定，也才能保證焙燒質量穩定。
回轉窯屬于大慣性負載生產設備，料在窯內移動速度對回轉窯的焙燒質量和生產能力都有很大的影響。焙燒物料在窯內移動速度太快，物料在窯內停留時間短，得不到充分加熱，焙燒質量差;若移動速度太慢，將會使焙燒損失增大，降低回轉窯的生產能力。物料的移動速度與窯體的傾斜度、窯體內徑尺寸、窯體轉動速度、窯內料層斷面和窯中心的圓心角等因素有關。
窯內的工藝參數的調節是整個窯生產水平的關鍵，工藝參數調節包括窯的轉速、煤氣流量、一二次風流量、引風機液偶開度和摻冷風閥等，所有工藝參數調節的性能指標都能很好的達到要求。
四、系統特點
本系統以PLC和監控計算機為核心，以工業以太網作為系統骨干網絡，將現場PLC控制站和監控計算機連接起來，構成一個分布式控制系統。
本系統具有如下特點：
☆先進性
本系統不僅采用了先進的軟、硬件，而且著眼于企業“管控一體化”的需求，貫徹了數字化、信息化的先進思想，使企業生產數據的進一步智能應用成為現實。該方案使控制系統有機地成為企業整個IT架構的一部分。
☆高可靠性
控制系統在嚴格的工業環境下長期、穩定地運行。系統組件的的設計符合真正的工業等級，滿足國內、國際的安全標準。并且易配置、易接線、易維護、隔離性好，結構堅固，抗腐蝕，適應較寬的溫度變化范圍。
現場控制站的PLC能夠在惡劣的環境中長期可靠運行，平均無故障間隔時間（MTBF）5年。
☆強大的功能
PLC的編程語言符合IEC61131-3標準，易學、易懂、易用。
CPU內置軟PID，并提供了豐富的指令集及函數庫，用戶直接調用。
高速工業以太網作為系統的骨干網絡，實現高速數據傳輸、高度數據共享。
組態軟件圖庫豐富，網絡功能強大，報警、報表、歷史數據以及二次開發功能完善而易用。
☆優良的開放性
TCP/IP協議是目前開放性最好的協議，可以輕松進行系統擴展。
組態軟件支持DDE、OPC、ODBC、SQL，且提供豐富的API編程接口，同時也為世界各大廠商，如Modicon、Siemens、AB、GE、Omron等的設備提供了完善的驅動程序庫，從而可以將其它系統輕松接入本系統。
五、結束語
本控制系統自投產以來一直運行穩定,為企業帶來了可觀的經濟效益和良好的社會效益。在該系統中PLC控制充分發揮了其配置靈活、控制可靠、編程方便和功能強大的優點，給整個系統的穩定性帶來較大的益處。
1.1設計目標
基于“集中管理，分散控制”的模式，數字化、信息化工程的思想，著眼于企業“管控一體化”信息系統的建設，建立一個先進、可靠、高效、安全且便于進一步擴充的集過程控制、監視、管理于一體并且具備良好開放性的監控系統，完成對整個工藝過程及全部生產設備的監測與自動控制。
1.2項目概述
本項目是天鐵石礦回轉窯工程，本工程分二期建設，一期工程建設1座600t/d回轉窯（于2006年11月投產），二期再建設1座600t/d回轉窯（于2008年5月投產），但相應的輔助設施按2座窯規模一次建成。其工藝是將運來的石灰石原料送入貯倉，貯倉中的石灰石經倉下的振動給料機給出，經帶式輸送機轉運后送至篩分樓篩分，>18mm的篩上料經帶式輸送機送入回轉窯中煅燒；而<18mm的篩下料進入貯槽暫存后再經汽車運出。
篩上料由帶式輸送機送入預熱器頂部料倉，然后由溜料管將石灰石（白云石）分布到豎式預熱器內預熱，經過預熱的物料由液壓推桿推出，經轉運溜槽進入回轉窯中，物料在回轉窯內經過焙燒分解，熱煙氣進入預熱器。煙氣在預熱石灰石后經過帶式除塵器除塵后由除塵風機排入大氣。焙燒好的石灰石進入豎式冷卻器，冷卻器的底部送入冷空氣冷卻，通過振動給料機排出至集料斗。冷空氣在冷卻器內冷卻物料的同時被加熱，經窯頭罩進入窯內，作為燃料燃燒的二次空氣，回轉窯采用煤氣為燃料。
出窯后的石灰經帶式輸送機送入成品倉上的振動篩篩分，<3mm的篩下料進入碎石灰料倉裝入汽車后外運，而>3mm的篩上料經帶式輸送機分別送入石灰貯倉。
窯體裝置和輔助設備的運行與監視將在控制室中實現完全自動化控制，通過人機界面實現電氣設備的起動和停止、儀表參數監測，被控參數的閉環調節、控制系統報警和生產過程報警以及數據歸檔等功能，使整個回轉窯能夠實現生產的自動化和管理的自動化，大大減少工人的勞動強度，提高企業的自動化水平，提高了生產率，并合理的節省了能源。
二.系統組成
2.1PLC控制系統
為了保證整個系統安全可靠和生產的連續性，提高自動化水平，適應回轉窯工藝要求，并且從該系統I/O測點較多等方面考慮到系統對設備的硬件條件要求較高以及以往的使用情況，我們采用以西門子S7-400PLC為核心的集中和分散相結合的計算機控制系統，由中央控制室、現場PLC控制站、遠程I/O站組成。
☆中央控制室：設監控計算機、打印機等，負責對整個回轉窯工藝參數、電氣參數和設備運行狀態進行監控、管理、歷史數據存儲以及報表打印；
另外還設一臺網關服務器，負責工控網絡和企業內部管理網絡之間的訪問控制；
☆現場PLC控制站：由帶DP接口CPU模塊（CPU414和CPU416）、以太網模塊（CP443-1）和I/O模塊組成，通過高速、實時的工業以太網與中央控制室進行通訊；
☆遠程I/O站：由DP從站接口模塊（IM153-1）、I/O模塊、電子皮帶秤和變頻器組成，通過Profibus-DP現場總線與現場PLC控制站進行數據通訊。
該回轉窯控制系統由三套（一期兩套、二期一套）西門子PLC的S7-400系統組成。一套S7-414和ET200M遠程站用于原料工段、循環水和空壓機站的控制，一套S7-416用于1#窯體和成品工段控制，一套S7-414用于2#窯體控制。主站CPU都放置在主場房內，三套PLC系統通過工業以太網與上位監控系統通訊實現集中管理分散控制。
S7-400特點：
功能強大的PLC，適用于中高性能控制領域
解決方案滿足最復雜的任務要求
功能分級的CPU以及種類齊全的模板，總能為其自動化任務找到最佳的解決方案
實現分布式系統和擴展通訊能力都很簡便，組成系統靈活自如
用戶友好性強，操作簡單，免風扇設計
隨著應用的擴大，系統擴展無任何問題
ET200M站：
接口模塊IM153用于與PROFIBUS-DP現場總線的連接而組成分布式I/O系統，各種I/O模塊插入有源總線模塊內,可在線更換模塊，實現帶電插拔功能。各分站放置在相應的配電室內，便于以后進行擴展，并且大大減少電纜和工程施工量。
PROFIBUS現場總線：
用于現場控制主站與現場遠程ET200M分站之間的數據通訊，傳輸介質為屏蔽雙絞線，通訊速率為9.6K-12Mbps。
開放的、不依賴于廠商的現場總線，并符合IEC61158國際標準。
2.2上位監控系統
上位機監控系統設一臺工程師站和四臺操作員站，選用原裝研華工業控制計算機，每臺機器上裝有網絡通訊卡CP1613，它們各通過工業以太網與三套S7-400系統的通訊處理器CP443-1通訊口連接，實現了數據交換。
監控組態軟件不僅有監控和數據采集（SCADA）功能，而且有組態、開發和開放功能，是自動化系統集成中不可缺少的關鍵組成部分。我們在此監控系統中采用西門子公司的WINCC6.0組態軟件，WINCC是WindowsControlConter（視窗控制中心）的簡稱，它運行于個人計算機環境，可以與多種自動化設備及控制軟件集成，用戶在其友好的界面下進行組態、編程和數據管理，可形成所需的操作畫面、監控畫面、控制畫面、報警畫面、實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線和打印報表等。
它為操作者提供了圖文并茂、形象直觀的操作環境，不僅縮短了軟件設計周期，而且提高了工作效率。
上位監控計算機提供了友好的人機界面。
三、控制系統功能
3.1控制方式
整個系統控制方式設計為計算機控制系統遠程手動操作（即遠程手動）、計算機控制系統全自動控制（即遠程自動）兩種控制方式。兩種方式的級別由高到低依次為遠程手動、遠程自動。
☆遠程手動：通過中控室內監控計算機實現遠程手動控制；
☆遠程自動：根據工藝要求設定控制程序，實現對工藝過程的自動控制。
3.2回轉窯調節控制
工藝流程是物料經加料機連續向窯尾加料，它隨窯體轉動而緩慢的向窯頭移動，并且從窯??后在900~1100℃的高溫帶煅燒，煅燒好的物料從窯頭下料管落入下部的冷卻機內。
☆混合煤氣和空氣調節
混合煤氣量和空氣量的合理配合是保證回轉窯煅燒溫度的關鍵調節，使煤氣量和空氣量能根據產量和熱值等參數進行動態調整。
流量限幅報警，越限報警、無攏動切換、非線性PID調節、數據儲存。該系統故障率低，運行可靠，可使燃燒更趨合理，焙燒溫度穩定，并能大幅度降低煤氣單耗，改善勞動條件，提高安全性。
☆窯尾溫度和負壓自動控制
回轉窯在正常的生產中，窯內始終保持負壓，窯頭的負壓要求保持在2mmH2O柱以上。回轉窯內負壓的大小對窯內溫度控制有較大的影響。負壓過大，窯內抽力增大，窯內的細粉將被抽光，導致燃燒效率下降;負壓過小，會造成回轉窯內外壓差小，使窯頭窯尾冒煙，惡化操作環境，也會使窯內廢氣流動緩慢，造成窯內混濁不清，窯內溫度難以控制。通過調節窯尾的溫度，使窯尾溫度基本穩定。
☆物料給料定量控制
為了保證焙燒質量，要求回轉窯的給料量穩定、均勻和連續。只有給料量連續、均勻、穩定，才能保證熱工制度穩定，也才能保證焙燒質量穩定。
回轉窯屬于大慣性負載生產設備，料在窯內移動速度對回轉窯的焙燒質量和生產能力都有很大的影響。焙燒物料在窯內移動速度太快，物料在窯內停留時間短，得不到充分加熱，焙燒質量差;若移動速度太慢，將會使焙燒損失增大，降低回轉窯的生產能力。物料的移動速度與窯體的傾斜度、窯體內徑尺寸、窯體轉動速度、窯內料層斷面和窯中心的圓心角等因素有關。
窯內的工藝參數的調節是整個窯生產水平的關鍵，工藝參數調節包括窯的轉速、煤氣流量、一二次風流量、引風機液偶開度和摻冷風閥等，所有工藝參數調節的性能指標都能很好的達到要求。
四、系統特點
本系統以PLC和監控計算機為核心，以工業以太網作為系統骨干網絡，將現場PLC控制站和監控計算機連接起來，構成一個分布式控制系統。
本系統具有如下特點：
☆先進性
本系統不僅采用了先進的軟、硬件，而且著眼于企業“管控一體化”的需求，貫徹了數字化、信息化的先進思想，使企業生產數據的進一步智能應用成為現實。該方案使控制系統有機地成為企業整個IT架構的一部分。
☆高可靠性
控制系統在嚴格的工業環境下長期、穩定地運行。系統組件的的設計符合真正的工業等級，滿足國內、國際的安全標準。并且易配置、易接線、易維護、隔離性好，結構堅固，抗腐蝕，適應較寬的溫度變化范圍。
現場控制站的PLC能夠在惡劣的環境中長期可靠運行，平均無故障間隔時間（MTBF）5年。
☆強大的功能
PLC的編程語言符合IEC61131-3標準，易學、易懂、易用。
CPU內置軟PID，并提供了豐富的指令集及函數庫，用戶直接調用。
高速工業以太網作為系統的骨干網絡，實現高速數據傳輸、高度數據共享。
組態軟件圖庫豐富，網絡功能強大，報警、報表、歷史數據以及二次開發功能完善而易用。
☆優良的開放性
TCP/IP協議是目前開放性最好的協議，可以輕松進行系統擴展。
組態軟件支持DDE、OPC、ODBC、SQL，且提供豐富的API編程接口，同時也為世界各大廠商，如Modicon、Siemens、AB、GE、Omron等的設備提供了完善的驅動程序庫，從而可以將其它系統輕松接入本系統。
五、結束語
本控制系統自投產以來一直運行穩定,為企業帶來了可觀的經濟效益和良好的社會效益。在該系統中PLC控制充分發揮了其配置靈活、控制可靠、編程方便和功能強大的優點，給整個系統的穩定性帶來較大的益處。
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