基于PCS7 的IKN篦冷機監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

顧 威

合肥水泥研究設(shè)計院 安徽 合肥 230051

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基于PCS7 的IKN篦冷機監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

顧 威

合肥水泥研究設(shè)計院 安徽 合肥 230051

摘 要基于PCS7 的IKN篦冷機監(jiān)控系統(tǒng)是根據(jù)越南廣福5 000 t/d熟料水泥生產(chǎn)線實際運用需要設(shè)計開發(fā)的新一代穩(wěn)定可靠的自控系統(tǒng)。它從系統(tǒng)工程角度出發(fā)，使用SIMATIC -PCS7為控制核心，實時采集篦冷機專用柜PLC及其配套現(xiàn)場設(shè)備信息進行復雜的數(shù)據(jù)處理和邏輯運算，實現(xiàn)了自動控制技術(shù)與水泥生產(chǎn)工藝過程的相結(jié)合，能夠完成篦冷機相關(guān)系統(tǒng)所有的測量、監(jiān)視、操作、控制、報警及保護和連鎖、記錄等功能。目的在于降低篦冷機的故障率，確保篦冷機運行更加穩(wěn)定可靠，在減少能耗的同時，提高窯系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)率。

關(guān)鍵詞PCS7 IKN篦冷機 監(jiān)控系統(tǒng)

0　引言

篦冷機是燒成系統(tǒng)中的重要主機設(shè)備，與旋風筒、分解爐、回轉(zhuǎn)窯等熱工設(shè)備密切配合，構(gòu)成了一個完整的預分解窯熟料煅燒體系，完成對水泥熟料的高溫冷卻和輸送[1]，同時為水泥回轉(zhuǎn)窯及窯尾分解爐等提供熱空氣等，是水泥生產(chǎn)線當中燒成系統(tǒng)熱回收的主要設(shè)備。隨著現(xiàn)代預分解窯水泥生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備的迅速發(fā)展，以及水泥熟料篦冷機的技術(shù)不斷提高，高效能、運行可靠的熟料篦冷機成為確保系統(tǒng)生產(chǎn)能力的關(guān)鍵。

在越南廣福5 000 t/d熟料水泥水泥生產(chǎn)線窯頭設(shè)計中，采用了IKN篦冷機，其主要配置為：（1）采用COANDA的篦板并帶有兩個液壓缸；（2）采用“熟料端進口分配系統(tǒng)”技術(shù)，即“KIDS”（clinker inlet distribution system）技術(shù)，如圖1所示，保證了熟料在篦床有效寬度的最優(yōu)化分布；（3）整體集成在充氣室內(nèi)的線性擺動支撐系統(tǒng)，可以解決冷卻風的分布和漏料問題；（4）在熟料出料口處安裝帶有4個輥子的熟料破碎機；（5）冷卻機灰斗的卸灰系統(tǒng)采用氣體動力系統(tǒng)（PHD）；（6）所安裝的空氣炮用于自動清除物料結(jié)塊或堆“雪人”現(xiàn)象[2]。

圖1　IKN篦冷機 KIDS示意圖

基于PCS7 的IKN篦冷機監(jiān)控系統(tǒng)是根據(jù)越南廣福5 000 t/d熟料水泥生產(chǎn)線實際運用需要設(shè)計開發(fā)的新一代穩(wěn)定可靠的自控系統(tǒng)。它從系統(tǒng)工程角度出發(fā)，使用德國西門子SIMATIC-PCS7為控制核心，實時采集篦冷機專用柜PLC及其配套現(xiàn)場設(shè)備信息進行復雜的數(shù)據(jù)處理和邏輯運算，實現(xiàn)了自動控制技術(shù)與水泥生產(chǎn)工藝過程的相結(jié)合，能夠完成篦冷機相關(guān)系統(tǒng)所有的測量、監(jiān)視、操作、控制、報警及保護和連鎖、記錄等功能。該系統(tǒng)結(jié)合IKN篦冷機，采用了多項先進技術(shù)和先進的制造理念，并在中控PCS系統(tǒng)中得以完善，可以降低篦冷機的故障率，確保篦冷機運行更加穩(wěn)定可靠，在減少能耗的同時，提高了窯系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)率，可以為企業(yè)創(chuàng)造出更大的經(jīng)濟效益。

本文就該系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用進行介紹。

1　SIMATIC PCS7簡介

SIMATIC PCS7是基于現(xiàn)場總線的新一代過程控制系統(tǒng)，它是一個全集成的、結(jié)構(gòu)完整的、功能完善、面向整個生產(chǎn)過程的過程控制系統(tǒng)，它綜合了DCS、PLC及現(xiàn)場總線的技術(shù)，基于標準的SIMATIC 軟件和硬件組件，強大的HMI系統(tǒng)和基于SQL服務(wù)器的歸檔系統(tǒng)， 通過現(xiàn)場總線技術(shù)，方便而靈活地實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備和驅(qū)動系統(tǒng)集成。

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用了SIMATIC PCS7 V8.0版本, 控制邏輯采用SIMATIC Manager 管理器下的CFC(連續(xù)功能圖)進行組態(tài)。CFC是一種用于連續(xù)過程自動化控制的圖形組態(tài)工具，以功能塊為基礎(chǔ)進行組態(tài)，基于模塊化、靈活性和開放性的設(shè)計理念，針對工程控制中一些標準的控制要求，PCS7系統(tǒng)配置了很多預編程的功能塊, 這些功能塊以庫的形式體現(xiàn)，本項目通過利用系統(tǒng)目前最新的PCS7 APL（Advanced Process Library）庫提供的大量功能塊來實現(xiàn)驅(qū)動現(xiàn)場裝置，該軟件從形式上將編程軟件、監(jiān)控軟件、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)軟件集中在同一平臺，從功能上將控制器提供的所有功能塊的各種信息通過編譯OS(compile OS)的方式上傳到OS的WinCC項目中 ，并自動生成變量標簽(Tags)、調(diào)用動態(tài)圖標(block icons)及其對應(yīng)的彈出面板(faceplate)、生成報警消息(Message)、趨勢(Trend)等[3]。

2　系統(tǒng)組成

基于PCS7 的IKN篦冷機監(jiān)控系統(tǒng)主要包括：（1）IKN篦冷機的熟料破碎系統(tǒng)控制；（2）IKN篦冷機的風量控制；（3）IKN篦冷機的篦床和篦速控制；（4）IKN篦冷機的PHD系統(tǒng)控制；（5）IKN篦冷機的空氣炮系統(tǒng)控制等5個子系統(tǒng)。在操作控制的過程中，組啟動依據(jù)從1到5組的順序進行，組停順序則相反，整個基于PCS7 的IKN篦冷機監(jiān)控系統(tǒng)如圖2所示。

2.1 IKN篦冷機的熟料破碎系統(tǒng)控制

IKN篦冷機的熟料破碎系統(tǒng)包括4臺熟料破碎機和一臺給熟料破碎機潤滑的油泵電機。

2.1.1 熟料破碎機潤滑油泵控制方式

（1）如果破碎機潤滑泵的液位開關(guān)顯示低油位，必須向PCS7系統(tǒng)發(fā)出報警信號，系統(tǒng)彈出報警畫面和提示。

（2）潤滑油泵每8 h潤滑運行5 min。潤滑油泵運行期間收到潤滑限位開關(guān)信號三次為一個正常潤滑過程，如運行5 min期間少于三次則潤滑油泵停止，系統(tǒng)報警。

（3）每當熟料破碎機組停止，潤滑油泵自動跳停，同時把當前潤滑運行時間存儲，當熟料破碎組再次運行時，潤滑油泵自動讀取上次中斷的運行時間繼續(xù)進入潤滑運行狀態(tài)，直到執(zhí)行完每8 h潤滑5 min一次的周期為止。如果潤滑油泵跳停，破碎機最多再持續(xù)運行1個月。如果潤滑油泵在此時間段后仍未投入運行，PCS7系統(tǒng)程序中會自動跳停熟料破碎機組。

2.1.2 熟料破碎電機控制方式

（1）1#（單向電機）和2#（正反轉(zhuǎn)電機）為一對電機相向運行，3#（單向電機）和4#（正反轉(zhuǎn)電機）為一對電機相向運行。

（2）當某對電機中任一臺電機電流超過安全設(shè)定值（延時5 s）后，該對電機停止，延時幾秒后其中一臺正反轉(zhuǎn)電機逆向運行20～40 s停止，然后延時幾秒后這一對電機再次重新相向運行。

（3）上述（2）過程在300 s內(nèi)重復超過5次（包括5次），發(fā)出故障報警信息，同時此對電機停止運行。

圖2　基于PCS7 的IKN篦冷機監(jiān)控系統(tǒng)圖

（4）當某個電機中監(jiān)測到其左右軸承溫度大于130 ℃或該電機速度監(jiān)控顯示停滯（失速延時5s）后，該電機停止[4]。

（5）當故障電機修復后，該組重新啟動，并恢復為正常工作方式運行。

IKN篦冷機的熟料破碎系統(tǒng)控制如圖3所示。

圖3　IKN篦冷機的熟料破碎系統(tǒng)控制圖

2.2 IKN篦冷機的風量控制

IKN篦冷機的風量控制系統(tǒng)設(shè)備為篦冷機的10臺冷卻風機及每臺風機風量閥、風壓測量儀表等。

根據(jù)IKN篦冷機配套的冷卻風機總計10臺，冷卻風機啟動方式可以單機手動啟動，也可以組自動啟動，組啟動間隔時間可在程序中設(shè)定。為了提高篦冷機的冷卻效率，降低出篦冷機的熟料溫度，必須嚴格控制冷卻風機風量。調(diào)節(jié)風量形式主要有兩種，其中1#～6#風機采用電動執(zhí)行器控制閥門開度來調(diào)節(jié)風量，7#～10# 風機采取變頻調(diào)速調(diào)節(jié)冷卻風量。不同的窯生料喂料量，篦冷機提供的冷卻風量不同。為了使冷卻風量與熟料產(chǎn)量的對應(yīng)，實現(xiàn)冷卻風量自動控制與調(diào)節(jié)，IKN公司制作出不同窯生料喂料量區(qū)段下每一臺冷卻分機的風量設(shè)定表，表格中的一些數(shù)據(jù)（見圖4）根據(jù)每個具體項目現(xiàn)場的實際情況有所調(diào)整。依據(jù)此表操作，風機電耗及熟料溫度進一步降低，平均熟料溫度達96.8 ℃，現(xiàn)場運行參數(shù)見表1所示。

圖4　IKN篦冷機風量設(shè)定表

表1　現(xiàn)場運行參數(shù)

當窯尾高溫風機跳停，如果風量調(diào)節(jié)設(shè)置在自動狀態(tài)下，篦冷機冷卻風機1#～4#電動執(zhí)行器不動作，5#～6#電動執(zhí)行器自動減到50%，7#～10#風機頻率調(diào)速自動減到20%。如果風量調(diào)節(jié)設(shè)置在手動狀態(tài)下，冷卻風機的入口電動執(zhí)行器或風機頻率都會自動調(diào)整為安全值以下。

2.3 IKN篦冷機的篦床和篦度控制

2.3.1 篦床控制

篦床控制的液壓動力由IKN公司的自帶PLC柜控制，完成內(nèi)部連鎖包括電機保護連鎖等，液壓動力系統(tǒng)主要有IKN現(xiàn)場配套自帶的液壓控制面板（HCB-hydraulic control board）（見圖5）或由中控PCS7系統(tǒng)控制。

正常操作時，篦床驅(qū)動必須在熟料輸送運行&破碎機運行&冷卻風機運行以及艙門關(guān)閉等狀態(tài)條件下備妥。

（1）如果熟料輸送機跳停，篦床驅(qū)動延時2 min左右后停止。

圖5　中控顯示的液壓控制面板設(shè)計圖

（2）如果有1個冷卻風機跳停，篦床驅(qū)動延時5 min左右后停止，如果有2個或以上冷卻風機跳停，篦床驅(qū)動延時1 min左右后停止。

（3） 如果篦床驅(qū)動跳停，窯主電機延時5 min左右后停機。

2.3.2 篦速控制

對于IKN篦冷機而言，最重要的控制之一就是篦冷機篦床速度的控制，篦床速度控制曲線見圖6所示，篦速的控制是為了穩(wěn)定料層厚度，以配合對應(yīng)冷卻風量高效、均勻的熱交換，篦速控制質(zhì)量的好壞，直接關(guān)系到其系統(tǒng)的安全運行和使用效果[5]，由于直接測量高溫狀況下的熟料厚度不太現(xiàn)實，目前，一般都是通過檢測高溫篦床下的供風壓力的方式來間接反映料層厚度，在中控PCS7系統(tǒng)中，有手動模式、自動模式和自動級聯(lián)模式控制篦速。在手動模式或自動模式下，篦速設(shè)置值為0～25 次/min，對應(yīng) 4～20 mA, 在PCS7系統(tǒng)程序中篦速一般限制在3～21 次/min，從而直接通訊傳送到IKN的PLC系統(tǒng)中去。

圖6　篦床速度控制曲線

（1） 手動模式：中控操作員在PCS7系統(tǒng)WINCC畫面中輸入設(shè)定的篦床速度。

（2） 自動模式：根據(jù)風量設(shè)定表，在不同窯喂料量下，根據(jù)4#冷卻風機的出口壓力值，來自于表格的數(shù)據(jù)集會自動加載到PCS7系統(tǒng)中去計算出新的篦床速度，以此實現(xiàn)篦速的自動控制，見表2。

表2　篦床速度控制參數(shù)

表2篦速可用下列等式計算：

從圖6可看出，當4#冷卻風機的出口壓力值在P1和P2范圍之內(nèi)時，篦床速度保持常量恒定，所以，當窯產(chǎn)量變化較小時，不需要頻繁改變篦床運行速度。

（3）自動級聯(lián)模式：篦速取決于窯喂料量的設(shè)定值與實際值間的差別。

如果設(shè)定值與實際值間的差別小于20%，那則按照設(shè)定值進行計算。如果設(shè)定值與實際值間的差別大于20%，那則按照實際窯喂料量進行計算，自動級聯(lián)模式公式見圖7所示。

圖7　自動級聯(lián)模式公式

2.3.3 IKN篦冷機的PHD系統(tǒng)控制

（1）篦冷機的卸灰輸送系統(tǒng)采用氣體動力（PHD）系統(tǒng)(見圖8所示)，該系統(tǒng)一般分為兩個小組，每個小組單獨循環(huán)。

圖8　IKN篦冷機PHD系統(tǒng)控制圖

（2）PHD系統(tǒng)控制模式有兩種：自動模式和手動模式。自動模式中，氣體動力系統(tǒng)中每個獨立的PHD系統(tǒng)設(shè)定可調(diào)的循環(huán)周期時間，包括PHD單元運行時間、清灰時間、PHD單元關(guān)停時間等，實現(xiàn)定時清灰。手動模式就是在每個獨立的PHD系統(tǒng)上的氣動閥V1、V2和共用管上的V3能夠在中控室自行手動開關(guān)控制。

（3）清灰過程中料位探測計負責對檢測料位高報警，在經(jīng)過3個清灰周期（循環(huán)周期的間隔時間設(shè)定為8 h）后，仍有料位高信號，料位高報警信號送到PCS7系統(tǒng)。

2.3.4 IKN篦冷機的空氣炮系統(tǒng)控制

水泥生產(chǎn)中發(fā)生的窯頭工段篦冷機“堆雪人”現(xiàn)象，會嚴重影響系統(tǒng)通風，破壞窯系統(tǒng)的熱平衡，使窯內(nèi)熟料煅燒不好，導致水泥產(chǎn)量和質(zhì)量下降，嚴重時會造成窯頭正壓、窯尾漏料、窯系統(tǒng)停產(chǎn)等。

目前，空氣炮已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水泥廠，是防止和消除預熱器、窯頭篦冷機等部分物料結(jié)皮、堵塞等現(xiàn)象的專用裝置。篦冷機空氣炮組包括8臺空氣炮，按照工藝要求合理安置于篦冷機系統(tǒng)不同位置。空氣炮的自動循環(huán)噴爆功能能夠有效地預防篦冷機區(qū)域“堆雪人”問題， IKN篦冷機空氣炮系統(tǒng)見圖9所示。

（1） 空氣炮的工作可分為手動控制和自動循環(huán)控制兩種模式。

（2） 手動模式下，中控操作員可以根據(jù)篦冷機系統(tǒng)的運行狀況來靈活控制單個空氣炮的動作。

圖9　IKN篦冷機空氣炮系統(tǒng)控制圖

（3）自動模式下，可按1#～8#順序選擇那幾個空氣炮參加循環(huán)動作。中控操作員可以根據(jù)篦冷機系統(tǒng)運行過程中的工藝參數(shù)對每選擇的空氣炮組的動作時間和循環(huán)時間進行實時調(diào)整。如在畫面中勾選了1#～2#空氣炮時，自動開啟1#空氣炮，延時T1動作時間后開2#，然后延時T2循環(huán)時間后再開1#，自動反復循環(huán)。

3　結(jié)束語

基于PCS7 的IKN篦冷機監(jiān)控系統(tǒng)是我院基于越南廣福5 000 t/d熟料水泥生產(chǎn)線實際運用中針對IKN篦冷機設(shè)計開發(fā)而成的，不僅獲得IKN篦冷機外方工程師的驗收，也在項目現(xiàn)場投入了實際應(yīng)用，配合IKN篦冷機采用的多項先進技術(shù)和先進的制造理念在中控PCS7系統(tǒng)中采用完善的自動化控制技術(shù)，準確地監(jiān)控IKN篦冷機及配套設(shè)備的詳細運行狀況，及時調(diào)整參數(shù)和數(shù)據(jù)，可以降低篦冷機的故障率，確保篦冷機運行更加穩(wěn)定可靠的同時，促進生產(chǎn)的穩(wěn)定、協(xié)調(diào)和優(yōu)化，為整個水泥生產(chǎn)線的高效運轉(zhuǎn)創(chuàng)造了條件。

參考文獻

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中圖分類號：TQ172.622.4

文獻標識碼：B

文章編號：1008-0473(2016)02-0047-06

DOI編碼：10.16008/j.cnki.1008-0473.2016.02.008

收稿日期：（2015-12-10）