制糖石灰窯控制系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)

　　0 引言

　　我國是生產(chǎn)和利用石灰最早的國家，石灰廣泛應(yīng)用于煉鋼、建筑領(lǐng)域，同時在甜菜制糖工藝中有著重要的作用。在生產(chǎn)白糖的過程中，有一個很重要的步驟是糖汁清凈，目前國內(nèi)外甜菜糖廠一般都使用石灰和CO2作為澄清劑來生產(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)出來的輕質(zhì)碳酸鈣，可以提高清凈速度，縮短清凈時間，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)品價格競爭力，甜菜糖廠一般都建有石灰窯用來生產(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40萬噸，其制糖生產(chǎn)中所需要的石灰主要由容量為150m3機械豎窯生產(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，為解決這一系列問題，決定采用先進的控制方式，集中控制石灰窯的整個生產(chǎn)過程，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)有著嚴格的流程，而且根據(jù)生產(chǎn)的地理環(huán)境和天氣狀況會有一些變化，經(jīng)過技術(shù)人員多年的經(jīng)驗總結(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，第三天達到200度左右，第四天達到500至600度左右，直到結(jié)束，熄火降溫，取出烘窯篦子，整個烘窯結(jié)束。

　　⑵裝窯：首先窯體內(nèi)部清理，卸灰盤表面清理，然后將石灰塊注入卸灰盤上，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，直至二層人孔門上1到2米，點窯木材裝完后，將人孔門完全封閉。

　　⑶點窯：先用柴油將刨花浸泡（約50Kg刨花，15Kg柴油），目的是容易點燃木材，將浸泡過的刨花從一層火眼塞入預留好的木材通道，在點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)，準備好點燃的木把（約1.5米長）兩根，大布兩塊，用大布纏在木把的一端，浸上柴油；瓦斯泵開啟后，窯體內(nèi)的抽氣量正常后，開始將浸好油的木把點燃，從一層火眼兩端將火把塞入木材通道內(nèi)，開始燃燒。木材開始不斷地燃燒，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，煤氣開始進入，將火位逐漸升高，火位保持在5層可開始卸料，卸料溫度控制在100度左右。

　　點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，效率預計將達到最佳狀態(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，現(xiàn)將石灰窯溫度的控制要求和步驟作如下說明：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，在水源的水進入抽水系統(tǒng)前，經(jīng)過一個過濾池，去除水中存在的各種雜物，保證系統(tǒng)工作時的安全。

　　2 石灰窯控制系統(tǒng)的構(gòu)成

　　根據(jù)各個部分在系統(tǒng)中的作用不同，整個控制系統(tǒng)分為3層：管理層、控制層、設(shè)備層。上位機IPC的主要功能是通過組態(tài)軟件的在線監(jiān)控，管理底層的生產(chǎn)設(shè)備及其運行狀態(tài)；S7-300PLC的各個模塊作為核心控制器，完成設(shè)備狀態(tài)信息的采集，經(jīng)過邏輯判斷和數(shù)據(jù)分析處理，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)；底層設(shè)備主要功能是現(xiàn)場狀態(tài)信息的信號轉(zhuǎn)換、工序執(zhí)行等。上位機與S7-300CPU模塊之間和CPU與遠程接口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)的開關(guān)量邏輯控制包括進料、卸灰，同時還將執(zhí)行機構(gòu)出錯報警、物料質(zhì)量上限報警、空氣壓力信號報警作為中斷條件，與運行中的電機等設(shè)備實現(xiàn)聯(lián)鎖控制，如石灰窯進料過程中，稱重斗閘門開啟；當物料質(zhì)量超過上限時，自動關(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，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)的要求編寫上料的程序，這是溫度控制的基礎(chǔ)，因為進料數(shù)量的準確可以讓煅燒過程更平穩(wěn)，產(chǎn)生的波動小，從而減少了生燒與過燒的發(fā)生，提高石灰石的利用率。如圖3所示，右邊的程序為大窯的石料稱重程序，PIW336為石料重量傳感器傳送給PLC的石料重量信號，經(jīng)過轉(zhuǎn)換放置在DB3.DBD0中；左邊的程序為小窯的自動中斷程序，即當物料超過上限時，切斷卷揚機等設(shè)備。

圖3上料的部分程序

　　3 監(jiān)控畫面設(shè)計

　　控制系統(tǒng)完成施工后，所有的控制和監(jiān)視都可以在上位機的顯示器上操作，使用了與西門子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)動態(tài)流程圖的顯示，報警處理，顯示實時及歷史曲線圖，生產(chǎn)報表以及存貯等功能模塊，用高性能的過程耦合、快速的畫面更新以及可靠的數(shù)據(jù)使WinCC具有高度可視化和實用性[6]。

　　WinCC所集成的圖形、人機界面、數(shù)據(jù)庫、通訊等技術(shù)，使開發(fā)人員通過對話式的組態(tài)方式，完成監(jiān)控軟件設(shè)計，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)試時間[7]。此外，WinCC軟件是適合監(jiān)控級應(yīng)用的整體開放性軟件，各軟件提供企業(yè)都可以開發(fā)自己的應(yīng)用軟件與WinCC的開放性接口相接。

　　系統(tǒng)工藝基本主流程圖如圖4中所示，動態(tài)顯示了石灰窯的現(xiàn)場工藝過程，包括上料過程、運行設(shè)備狀況等，這樣就可以及時準確掌握石灰石煅燒分解情況，并顯示故障進行實時診斷。

　　圖4上料的部分程序

　　在實際現(xiàn)場儀表的監(jiān)控實現(xiàn)自動和手動兩種方式。在系統(tǒng)全部軟、硬件安裝調(diào)試時采用手動操作分步驗證。調(diào)試正常投入運行時采用自動操作，利用所設(shè)計的梯形圖控制程序自動實現(xiàn)精準控制，特別是稱重、流量等模擬量數(shù)據(jù)的精準控制。

　　在控制過程中，對于風壓、物料質(zhì)量、燃料流量等重要的模擬量控制參數(shù)都進行主畫面實時報警，即實現(xiàn)參數(shù)超限聲光報警，用對話框形式提示故障原因，同時迅速自動調(diào)節(jié)至正常監(jiān)控狀態(tài)。全過程實現(xiàn)過程變化預測的同時，也對各時段歷史曲線數(shù)據(jù)予以保存，對曲線分析比較后對溫度變量的變化趨勢作出相應(yīng)的預測，如圖5所示。

圖5石灰窯煅燒溫度曲線

　　4 結(jié)語

　　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，實現(xiàn)了整個石灰窯生產(chǎn)的實時狀態(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。

　　參考文獻：

　　[1]馬吉.糖廠立式石灰窯的控制與調(diào)節(jié)[J].廣西輕工業(yè)，2010，(1)：13-14

　　[2]施灝.貴糖270m3石灰窯技改項目優(yōu)化設(shè)計及應(yīng)用[D].廣西大學，2009

　　[3]大連輕工業(yè)學院，齊齊哈爾輕工業(yè)學院.甜菜制糖工藝學[M].北京：輕工業(yè)出版社，1982，55-240

　　[4]王華強.石灰窯生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)[J].合肥工業(yè)大學學報（自然科學版），2006，(2)：31-33

　　[5]張運剛.從入門到精通：西門子S7-300/400PLC技術(shù)與應(yīng)用[M].人民郵電出版社，2009，100-320

　　[6]蘇昆哲.深入淺出西門子WinCCV6[M].北京航空航天大學出版社，2005，1-19

　　[7]劉華波，王雪，何文雪.組態(tài)軟件WinCC及其應(yīng)用[M].機械工業(yè)出版社，2009，32-120

　　新疆烏魯木齊天山區(qū)新疆大學南校區(qū)電氣工程學院電氣085班830047

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