摘要：生產(chǎn)活性石灰的套筒石灰窯在產(chǎn)品質(zhì)量、能耗、成本等各方面較傳統的豎窯都有較大優(yōu)越性，而其在國內的應用尚不廣泛。本文基于濟南鋼鐵股份有限公司自德國引進(jìn)的套筒石灰窯技術(shù)，根據實(shí)際情況對電氣控制系統進(jìn)行了再設計。工程采用西門(mén)子S7-400作為主控制系統，進(jìn)行軟硬件系統設計和多項技術(shù)優(yōu)化處理，在實(shí)際應用中取得了較好的成效。

    關(guān)鍵詞：環(huán)形套筒窯；石灰；控制系統；技術(shù)優(yōu)化

   1 引言

   環(huán)型套筒石灰窯（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“套筒窯”）是德國貝肯巴赫爐窯公司發(fā)明的，此類(lèi)型窯與其他豎窯相比在產(chǎn)品質(zhì)量和單窯單產(chǎn)方面具有很大的優(yōu)越性；與回轉窯相比具有投資少、熱耗低、占地少等優(yōu)點(diǎn)。濟南鋼鐵股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“濟鋼”）是在國內冶金系統第5個(gè)引進(jìn)套筒窯的廠(chǎng)家。項目采用德國“FERCALX”公司的BECKENBACH環(huán)形套筒石灰窯，以生產(chǎn)高活性度的石灰供煉鋼使用，自動(dòng)控制系統和傳動(dòng)控制系統采用西門(mén)子公司的S7-400可編程控制器和變頻器，整個(gè)系統通過(guò)PROFIBUS網(wǎng)絡(luò )和工業(yè)以太網(wǎng)連接在一起，完成上料、燃燒、出料、除塵等系統的自動(dòng)控制。

   2 系統工藝及控制要求

   套筒窯的控制主要分為兩部分，一部分為窯體燃燒控制，主要包括：煤氣熱值控制、上（下）燃燒室溫度控制、空燃比控制、內套筒冷卻控制、循環(huán)氣體溫度控制、窯頂壓力控制、入除塵器氣體溫度控制等；另一部分為上、出料控制，主要包括：原料系統控制、上料小車(chē)（卷?yè)P）上（下）行控制、布料器控制、排料控制等。套筒窯的整體工藝流程如圖1所示。

   3 控制系統配置

   3.1 硬件配置

    整個(gè)監控系統主要采用德國西門(mén)子公司的控制設備，分為兩層。下層為控制層，主控制系統采用416-2DP CPU，模塊是S7-400 I/O模塊，液壓站、操作臺、除塵系統采用IM153遠程控制器，卷?yè)P料車(chē)與廢氣風(fēng)機由西門(mén)子變頻器控制，卷?yè)P上料小車(chē)的位置由圖爾克絕對值型編碼器檢測，主控制系統同它們通過(guò)PROFIBUS網(wǎng)絡(luò )通訊；上層為監控層，主控制系統上插有以太網(wǎng)模塊，通過(guò)專(zhuān)用交換機ESM同監控站組成以太網(wǎng)。硬件配置如圖2所示。
      
                        
                                      圖1 環(huán)形套筒石灰窯工藝流程

    3.2 系統軟件

   控制器采用的系統軟件是STEP7V5.2，監控軟件為WinCCV6.0?？刂葡到y提供了豐富的軟件功能，可進(jìn)行多方式編程，能夠通過(guò)在STEP 7中安裝驅動(dòng)程序連接第3方產(chǎn)品，靈活的實(shí)現系統監控、回路控制、數學(xué)運算、報警提示、趨勢曲線(xiàn)、報表打印等功能。系統具有豐富的功能模塊，編程時(shí)可根據工藝過(guò)程控制特點(diǎn)，方便地設計控制方案。
  
                    
                                             圖2 硬件配置圖

   4 關(guān)鍵技術(shù)與主要控制功能的實(shí)現

   4.1 工業(yè)以太網(wǎng)+現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)

   每套控制系統的控制器、遠程控制站通過(guò)PROFIBUS網(wǎng)絡(luò )連接，控制系統之間及HMI監控站通過(guò)10M/100M高速以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，完成過(guò)程數據采集、聯(lián)鎖調速信號的通訊等。

    4.2 人機接口共享化

    采用的操作系統具有系統開(kāi)放、通用性強、開(kāi)放性好等特點(diǎn)，利用100MHz工業(yè)以太網(wǎng)將系統的各種硬件設備（PLC、監控站）連接起來(lái)，完成各種數據的交換任務(wù)。多個(gè)HMI上位機可同時(shí)監控同一個(gè)工藝子系統，實(shí)現了系統共享、資源共享、信息共享。

    4.3 優(yōu)化自動(dòng)上料控制

   原設計中上料小車(chē)的標準載重為2.5噸，單斗上料時(shí)間為204s（上料系統的單斗運行時(shí)間圖，如圖3所示）。如此若產(chǎn)量達到每日500噸則需上料500/0.575/2.5/6=58批，經(jīng)計算得24小時(shí)內上料系統在單批料之間的停運時(shí)間為：（86400-73022）/58＝230（s）。在如此短的時(shí)間內，幾乎無(wú)法完成對上料系統的各個(gè)設備的維護和日常點(diǎn)檢、潤滑以保證設備的正常、穩定運行。如果想超產(chǎn)，設備的運行時(shí)間就更長(cháng)，則單批料之間的停運時(shí)間就更短。
 
                   
                           圖3 上料系統的單斗運行時(shí)間圖表

   在圖3中：A－料車(chē)裝料時(shí)間；B－料車(chē)上行時(shí)間；

    C－窯頂裝料閘門(mén)開(kāi)到位時(shí)間；D－料車(chē)窯頂放料時(shí)間；

   E－料車(chē)下行時(shí)間；F－窯頂裝料閘門(mén)關(guān)到位時(shí)間；

   G－布料器旋轉到相應放料位置及回1＃位時(shí)間；

   H－料鐘開(kāi)并放料時(shí)間；I－料鐘關(guān)閉時(shí)間；J－秤量斗裝料時(shí)間。

   綜述可知，要增加每批料之間的停頓時(shí)間，需進(jìn)行兩項調整：一是合理的調整上料系統各設備的運行，減少單斗上料時(shí)間；二是在上料卷?yè)P機機械強度和電機允許的情況下增加單斗重量。而讀圖5可知，減少單斗上料時(shí)間就要適當的減少A、B、D、E等四個(gè)工作時(shí)段。
         
                      
                                圖4 卷?yè)P料車(chē)上（下）行運行速度曲線(xiàn)

   為A段時(shí)間，調整了液壓缸的動(dòng)作速度，使之能以最快的速度開(kāi)到位來(lái)減少下料時(shí)間，由此將原狀態(tài)的12秒減少到了8秒；為減少D段時(shí)間，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗確定了料車(chē)到達窯頂的接近開(kāi)關(guān)的位置，增大了倒料傾角，使之能以最快的速度倒料完畢后返回，由此將原狀態(tài)的12秒減少到了7秒；減少上料時(shí)間的重點(diǎn)是調整B、E段時(shí)間，盡量使上料小車(chē)的運行達到最優(yōu)控制。
           
                             
                           圖5 調整后的卷?yè)P料車(chē)上（下）行運行速度曲線(xiàn)

    由圖4可知小車(chē)在上、下行加速階段的運行曲線(xiàn)設計不合理，用時(shí)過(guò)長(cháng)，在上、下行減速階段出于安全上的考慮低速運行時(shí)間也較長(cháng)。料車(chē)滿(mǎn)料上行時(shí)間設定為3秒（電流為143A）。由于窯頂有0.8米左右的彎道，當料車(chē)在彎道上運行時(shí)速度不能過(guò)快，因此根據料車(chē)通過(guò)彎道的時(shí)間將下行時(shí)的加速時(shí)間初步確定為2秒，檢測到的電流為100A。調整后料車(chē)為窯內加料1斗，單程可減少時(shí)間8秒，雙程可減少時(shí)間16秒。其新運行曲線(xiàn)如圖5所示。為保證料車(chē)的安全運行，在優(yōu)化后的控制程序中設定了3個(gè)聯(lián)鎖點(diǎn)以確保料車(chē)在窯頂和窯底安全停車(chē)，分別為：窯頂/底的上/下限位；PROFIBUS網(wǎng)絡(luò )上編碼器的數值；經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗得出的料車(chē)上/下行的時(shí)間。

    完成以上調整后，石灰窯單斗運行時(shí)間可減少24秒。如圖6所示，加料一批共6斗，可節約時(shí)間24×6＝144秒，使每一批料的間隔時(shí)間為230＋144＝374秒，約合6.2分鐘，完全可解決對單個(gè)上料設備的日常檢查和加油潤滑，也為系統的超產(chǎn)創(chuàng )造了條件。圖6中：G－布料器旋轉到相應放料位置的最長(cháng)時(shí)間。
     
                      
                           圖6 調整后的上料系統的單斗運行時(shí)間圖表

    4.4 旋轉布料器優(yōu)化控制

   套筒窯使用旋轉布料器，避免爐料偏落而造成布料不均。料車(chē)上料，通過(guò)旋轉布料器均勻的將爐料投入六個(gè)受料位內，開(kāi)料鐘完成一次卸料這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為一個(gè)完整的布料周期。

   傳統的控制方式，固定為從旋轉布料器的1#號位受料，每次上料旋轉布料器從1#位受料后依次轉動(dòng)至空料位卸料，然后順時(shí)針轉回1#位再次受料，如圖7所示。此方式布料周期長(cháng)，且受料點(diǎn)均為1#位，也容易造成布料器的損壞，尤其是布料器的液壓系統大部分功率都用在截流閥的控制上，極易產(chǎn)生故障影響生產(chǎn)。優(yōu)化后的控制方式不再確定受料位置，遵循就近受料、就近卸料原則，使得旋轉布料器的每次轉動(dòng)均為有效轉動(dòng)，不存在空轉現象，大大減少了液壓系統的壓力并能均衡石子對布料器的沖擊磨損，提高旋轉布料器的使用壽命。由于消除了空載與重載運行同時(shí)存在的現象，速度調節容易，杜絕了布料器卡阻現象。

    控制程序流程如下(設i為卸料時(shí)間，j為轉動(dòng)角度)：

    Begin:

    For i=1 To 6

    J=(i-1)X60

    Next

    I=1

   Goto Begin:

    設旋轉布料器載料轉動(dòng)時(shí)間為m，空轉時(shí)間為n（3秒），則傳統控制方式下一個(gè)布料周期經(jīng)歷的時(shí)間為：

   T1=Σim+(5-i)n，（i=1，2，3，4，5）=15m+15n

   優(yōu)化后時(shí)間為：

   T2=Σim，（i=1，2，3，4，5）=15m

   比較可知，技術(shù)優(yōu)化后完成一個(gè)布料周期共可節省時(shí)間15n（共計45秒）。

    4.5 窯內負壓的自動(dòng)控制

   套筒窯系統對于每個(gè)燃燒室的負壓控制具有嚴格的要求，手動(dòng)調節難度很大。因此對高溫引風(fēng)機采用變頻控制，根據單室負壓的變化自動(dòng)進(jìn)行調節，主要功能為：（1）自動(dòng)判斷單室負壓的大小是否在－100±20以?xún)?，?）自動(dòng)判斷高溫廢氣風(fēng)機轉速的增減，（3）確定采樣計算周期，減少震蕩、（4）根據高溫廢氣風(fēng)機電流限定電機最高轉速，確保電機安全運行。

   5 結語(yǔ)

    由于實(shí)現了對監控設備的自動(dòng)控制、自動(dòng)聯(lián)鎖保護控制和自動(dòng)調速運行等技術(shù)處理，使整個(gè)系統運行穩定可靠，操作工人勞動(dòng)強度低。運行短時(shí)間內達產(chǎn)達效，所生產(chǎn)的石灰質(zhì)量較好，平均日產(chǎn)達到550噸以上，活性度平均達到350ml以上；同時(shí)，CO2含量低于1.5%，灼堿低于6%，具有較強的環(huán)保意義。在國內同類(lèi)爐窯控制系統中達到了領(lǐng)先水平。

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   摘自《自動(dòng)化博覽》2011年第十二期