PLC控制系統(tǒng)在套筒窯中的運用

陳遠(yuǎn)剛

（中冶南方武漢鋼鐵設(shè)計研究院有限公司，武漢 430080）

根據(jù)中國石灰協(xié)會相關(guān)資料，目前國內(nèi)石灰行業(yè)，特別是冶金石灰行業(yè)廣泛采用回轉(zhuǎn)窯、弗卡斯窯、環(huán)形套筒豎窯、麥爾茲窯、氣燒豎窯等先進(jìn)窯型生產(chǎn)活性石灰?；钚允姨淄哺G是目前國內(nèi)較先進(jìn)的石灰生產(chǎn)設(shè)施，它采用環(huán)形套筒窯并流煅燒，其燒成石灰活性高、能耗低于回轉(zhuǎn)窯、弗卡斯窯等窯型；檢修、維護(hù)方便、作業(yè)率高；同時，還具有負(fù)壓操作利于環(huán)保、燒成石灰S含量低等優(yōu)點。近年來逐漸得到了越來越多用戶，尤其是國內(nèi)大中型冶金企業(yè)的認(rèn)可。環(huán)形套筒豎窯是20世紀(jì)60年代初德國貝肯巴赫公司發(fā)明的，至今已在全世界建有300多座。在歐洲和日本使用這種窯型較為普遍，我國馬鋼、梅鋼、本鋼等大型鋼鐵企業(yè)也先后引進(jìn)這種窯型，武鋼在2006年引進(jìn)國內(nèi)第一座600t/d 意大利特魯茲·弗卡斯公司貝肯巴赫環(huán)形套筒豎窯以來，通過對引進(jìn)TF控制系統(tǒng)的技術(shù)消化吸收和改進(jìn)，在2013年由中冶南方武鋼院和上海寶冶共同設(shè)計建成第二座600t/d 環(huán)形套筒豎窯。

1 環(huán)形套筒豎窯工藝流程

由膠帶輸送機(jī)從原料倉輸送來的石灰石原料，經(jīng)稱量斗稱量后裝入料車內(nèi)， 卷揚提升機(jī)將料車提升至環(huán)形套筒豎窯窯頂，將料車內(nèi)的石灰石經(jīng)料斗加入窯頂布料系統(tǒng)，通過旋轉(zhuǎn)布料器進(jìn)入窯內(nèi)。在窯頂設(shè)一料位探尺顯示窯內(nèi)的料位。布料系統(tǒng)設(shè)有密封閘門，它與旋轉(zhuǎn)布料器下部的料鐘互鎖，可以避免在向窯內(nèi)加料時外界空氣的進(jìn)入而影響套筒豎窯的負(fù)壓操作。

整個環(huán)形空間由外殼和內(nèi)套筒組成。

石灰石先經(jīng)預(yù)熱帶，再到煅燒帶。套筒窯設(shè)置兩個燒嘴平臺，每個平臺上，沿窯體均布7個燒嘴，在煅燒帶分為三個部分，即上部煅燒帶，中部煅燒帶和下部煅燒帶。上部煅燒帶和中部煅燒帶屬逆流煅燒，下部煅燒帶屬并流煅燒。 石灰經(jīng)過并流煅燒區(qū)后，開始進(jìn)入冷卻帶。由于廢氣風(fēng)機(jī)從窯頂抽氣，石灰冷卻空氣從窯底自然吸入窯體，冷卻石灰。石灰在液壓裝置的驅(qū)動下，經(jīng)出灰機(jī)進(jìn)入窯底料倉。最后由振動出灰機(jī)排出窯外，用膠帶輸送機(jī)送至成品倉貯存。

2 自動控制系統(tǒng)

自動控制系統(tǒng)和傳動控制系統(tǒng)采用西門子公司的S7-400可編程控制器和ABB公司的ACS800變頻器，整個系統(tǒng)通過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(tǒng)的自動控制。

2.1 系統(tǒng)配置

本工程系統(tǒng)由三臺計算機(jī)工作站和三套PLC系統(tǒng)組成：即原料PLC系統(tǒng)、除塵PLC系統(tǒng)和窯體PLC系統(tǒng)。PLC系統(tǒng)與操作站之間通過以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。通過采用Profibus總線，將電氣變頻控制系統(tǒng)和儀表系統(tǒng)連接起來，使得通過端子外引的控制電纜大大減少，簡化了外部管線，節(jié)省了投資?？刂葡到y(tǒng)硬件配置如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)配置圖

三臺工作站中的兩臺為操作站，另一臺為工程師站。

三套PLC系統(tǒng)的具體功能分配如下：

1） 原料系統(tǒng)PLC：主要完成原料、成品系統(tǒng)聯(lián)鎖控制。

2）窯體系統(tǒng)PLC：主要完成窯本體傳動聯(lián)鎖控制及窯本體燃燒系統(tǒng)控制；

3）除塵系統(tǒng)PLC：主要完成窯本體除塵系統(tǒng)控制。

操作員站和工程師站計算機(jī)操作系統(tǒng)采用微軟中文版Windows XP作為操作系統(tǒng)。操作員站裝載了上位監(jiān)控軟件WINCC，工程師站裝載了PLC編程軟件STEP7和上位監(jiān)控軟件WINCC，具有系統(tǒng)軟、硬件組態(tài)和程序開發(fā)功能。

2.2 系統(tǒng)功能

根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，每臺設(shè)備既可以機(jī)旁起停，也可以在操作員站實現(xiàn)單機(jī)起停和聯(lián)鎖起停。聯(lián)鎖可在畫面上選擇投入或者解除。

1）機(jī)旁手動

在設(shè)備附近設(shè)置機(jī)旁操作箱，當(dāng)設(shè)備檢修、調(diào)試時，將操作箱上的轉(zhuǎn)換開關(guān)選到“機(jī)旁手動”位置上，這時設(shè)備處于脫機(jī)狀態(tài)，PLC系統(tǒng)不起作用，通過機(jī)旁箱上按鈕對設(shè)備進(jìn)行起停控制。

2）PLC手動控制

將操作箱上的轉(zhuǎn)換開關(guān)選到“集中控制”位置上，這時設(shè)備處于PLC控制狀態(tài)下，通過操作員站畫面上的按鈕將設(shè)備控制設(shè)置到PLC手動控制，這時操作人員可以通過畫面按鈕實現(xiàn)對設(shè)備的起?？刂啤?/p>

3）PLC自動控制

將操作箱上的轉(zhuǎn)換開關(guān)選到“集中控制”位置上，這時設(shè)備處于PLC控制狀態(tài)下，通過操作員站畫面上的按鈕將設(shè)備控制設(shè)置到PLC自動控制，這時設(shè)備根據(jù)程序設(shè)定處于自動控制狀態(tài)。

PLC控制根據(jù)工藝要求和畫面設(shè)計，在畫面中分別設(shè)置相應(yīng)的手動和自動選擇按鈕。

3 石灰窯系統(tǒng)控制原理

石灰窯自動化控制系統(tǒng)基于PLC系統(tǒng)對石灰窯實現(xiàn)自動化控制，主要功能是對整個生產(chǎn)過程進(jìn)行順序控制、回路控制、監(jiān)測操作、人機(jī)對話和數(shù)據(jù)通信。管理全部工廠邏輯功能，如開/停順序、來自現(xiàn)場的模擬和數(shù)字信號、圖形監(jiān)控以及通過操作人員工作站的操作等。全部報警和故障診斷功能都由PLC系統(tǒng)自動完成。

窯體PLC系統(tǒng)完成的主要控制功能：

3.1 石灰石上料系統(tǒng)

PLC 系統(tǒng)自動控制石灰石上料。窯頂安裝有石灰石料位計，當(dāng)該料位計指示石灰石存量已到低位，石灰石由窯前倉下振動給料機(jī)送入稱量斗內(nèi)。在稱量斗下裝有壓力傳感器和卸料閥，卸料閥為液壓驅(qū)動。在稱量斗中，石灰石加到指定的重量，此時上料小車就位，通過行程開關(guān)達(dá)到最低點。液壓卸料閥開起，石灰石加入上料小車。卷揚機(jī)自動將上料小車送至窯頂，加料到旋轉(zhuǎn)布料器，然后布料器開始工作，每次加料比上一次旋轉(zhuǎn)51.42°，7 次加料完成一個布料周期，每個加料周期完成后，料位探測器探測是否滿料位。

3.2 內(nèi)筒冷卻空氣控制

冷卻空氣用來冷卻上、下內(nèi)套筒，下內(nèi)套筒冷卻空氣通過上拱橋中的冷卻空氣管排出，再進(jìn)入下環(huán)管。在下環(huán)管中的空氣作為二次風(fēng)分配給14 個燒嘴。過剩的空氣通過調(diào)節(jié)閥排放到大氣。上內(nèi)套筒冷卻空氣冷卻上內(nèi)套筒后通過調(diào)節(jié)閥排放到大氣。

停窯時，內(nèi)套筒必須繼續(xù)冷卻，以免過熱而造成損壞。此時調(diào)節(jié)閥應(yīng)全開，熱空氣能直接排出窯外。

通過拱橋中的熱電偶可直接反映冷卻情況，如果溫度超過正常溫度，可通過調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)。如果溫度繼續(xù)升高，必須停窯。系統(tǒng)必須檢查，特別是冷卻空氣平衡。

如果停窯時間很長，在拱橋中的熱電偶顯示的溫度下降很快，就必須定時調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥，避免內(nèi)套筒過冷。

內(nèi)筒冷卻空氣由兩臺冷卻風(fēng)機(jī)打入（一臺工作，一臺備用）。并備有柴油發(fā)電機(jī)，如果電力中斷，緊急備用柴油發(fā)電機(jī)將會自動起動，并且為所選用的冷卻風(fēng)機(jī)提供電力，使其迅速重起，確保停窯后冷卻風(fēng)機(jī)繼續(xù)運行。

3.3 驅(qū)動空氣控制

驅(qū)動空氣由兩臺羅茨風(fēng)機(jī)驅(qū)動進(jìn)入石灰窯，其中一臺裝有變頻器，根據(jù)工藝要求自動調(diào)節(jié)驅(qū)動空氣鼓風(fēng)機(jī)。驅(qū)動空氣的流量、壓力和溫度在不同地點被檢測和調(diào)節(jié)。驅(qū)動空氣在進(jìn)入環(huán)管前，經(jīng)熱交換器預(yù)熱，驅(qū)動空氣從環(huán)管進(jìn)入各個噴射器，由蝶閥合理地控制流量。

驅(qū)動空氣循環(huán)控制：

1）通過變頻器調(diào)節(jié)羅茨風(fēng)機(jī)的速度，對風(fēng)機(jī)出口的壓力加以控制。

2）通過調(diào)節(jié)熱交換器廢氣出口處的調(diào)節(jié)閥的開度，對熱交換器出口處的傳動空氣溫度加以控制。

3.4 廢氣控制

廢氣風(fēng)機(jī)從窯頂抽風(fēng)，使套筒窯處于負(fù)壓操作，負(fù)壓由變頻器通過自動調(diào)節(jié)廢氣風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制?？刂破鲗⒏鶕?jù)壓力傳送器所檢測的下燃燒室的負(fù)壓點來調(diào)節(jié)廢氣風(fēng)機(jī)的速度。

廢氣循環(huán)控制：

1）通過調(diào)節(jié)摻混空氣入口調(diào)節(jié)閥的開度，對廢氣過濾器入口的壓力加以控制。

2）通過調(diào)節(jié)廢氣過濾器風(fēng)機(jī)的速度，對廢氣過濾器入口的壓力加以控制。

3）通過調(diào)節(jié)廢氣風(fēng)機(jī)的速度，對下燃燒室上的壓力加以控制。

4）通過改變卸料時間對循環(huán)廢氣溫度加以控制。

廢氣由各種監(jiān)測點（壓力/溫度）監(jiān)控。所有來自限位開關(guān)和其他裝置的輸入數(shù)據(jù)都被傳送到PLC，并且進(jìn)入聯(lián)鎖。如果出現(xiàn)袋式濾器進(jìn)口處廢氣溫度過高的警報，袋式濾器會自動打開旁路。

3.5 燃?xì)饬髁靠刂?/h3>

燃?xì)鈮毫εc燃?xì)饬髁砍烧?，通過調(diào)節(jié)燃?xì)饪偣苌系恼{(diào)節(jié)閥，穩(wěn)定燃?xì)鈮毫?。通過熱值儀測出的燃?xì)鉄嶂蹈叩停瑏碚{(diào)整相關(guān)燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)閥的開度，對下燃燒器和上燃燒器的燃?xì)饬髁考右钥刂?，確保燃?xì)馊紵δ芸煽慷踩?/p>

3.6 燃燒空氣流量控制

1）進(jìn)入下燃燒器的燃燒空氣流量控制。

2）進(jìn)入上燃燒器的燃燒空氣流量控制。

3）石灰冷卻空氣流量控制。

4）驅(qū)動空氣壓力流量控制。

3.7 出灰調(diào)節(jié)控制

采用閉環(huán)控制，出灰的產(chǎn)量由出灰機(jī)的頻率來決定。改變出灰速度，會影響石灰石在窯內(nèi)的停留時間，如果循環(huán)氣體溫度升高，表明石灰煅燒程度較高，石灰中殘余CO2含量變少，出灰速度就要加快以減少過燒，同時使CO2含量較高未燒透的石灰石進(jìn)入并流區(qū)煅燒；反之亦然。出灰頻率與循環(huán)氣體溫度相關(guān)聯(lián)，這可以指導(dǎo)出成品灰的質(zhì)量狀況，從而確保連續(xù)穩(wěn)定地生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)石灰。

4 套筒窯的安全設(shè)置

考慮到電氣連鎖，風(fēng)機(jī)起動的順序依次為：冷卻風(fēng)機(jī)——廢氣風(fēng)機(jī)——驅(qū)動風(fēng)機(jī)——煤氣主管切斷閥——燒嘴。

如果任何一步出問題，應(yīng)立即停止下續(xù)步驟。根據(jù)壓力計確定風(fēng)機(jī)是否過壓或欠壓。例如：

1）由于窯頂?shù)倪B鎖出現(xiàn)問題，或廢氣風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障，造成在窯頂?shù)膲毫^低時，窯頂?shù)膲毫τ嫅?yīng)立即停止驅(qū)動風(fēng)機(jī)和切斷煤氣的供應(yīng)。

2）如果 UV 單元檢測不到火焰，電-氣動切斷閥將自動切斷煤氣的供應(yīng)。

內(nèi)套筒的冷卻空氣供應(yīng)最多停止一刻鐘。套筒窯配有保安電源及柴油發(fā)電機(jī)。當(dāng)一路供電出現(xiàn)故障時，備用的發(fā)電機(jī)組應(yīng)自動起動，保證控制系統(tǒng)、電動調(diào)節(jié)閥和冷卻風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電。并且，為了防止一臺冷卻風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障，配備一臺冷卻風(fēng)機(jī)作為備用。

如果停窯，廢氣總管上的電動調(diào)節(jié)閥將自動關(guān)閉，保護(hù)廢氣風(fēng)機(jī)。

內(nèi)筒冷卻空氣和驅(qū)動空氣系統(tǒng)有管道相連，如驅(qū)動空氣壓力太低或驅(qū)動空氣停止運行時，可打開單向閥，部分內(nèi)筒冷卻空氣將進(jìn)入噴射器風(fēng)管內(nèi)，防止其部件過熱。

5 結(jié)論

武鋼耐火材料公司600t/d石灰環(huán)形套筒窯自2013年投產(chǎn)以來，生產(chǎn)狀況穩(wěn)定，取得了很好的使用效果，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計效果。實踐證明：該控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，自動化程度高，操作方便，確保了關(guān)鍵工藝參數(shù)的控制，各項技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求，完全滿足煉鋼需要，為企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會效益。

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