PLC控制系統在套筒窯中的運用

陳遠剛

（中冶南方武漢鋼鐵設計研究院有限公司，武漢 430080）

根據中國石灰協會相關資料，目前國內石灰行業，特別是冶金石灰行業廣泛采用回轉窯、弗卡斯窯、環形套筒豎窯、麥爾茲窯、氣燒豎窯等先進窯型生產活性石灰?；钚允姨淄哺G是目前國內較先進的石灰生產設施，它采用環形套筒窯并流煅燒，其燒成石灰活性高、能耗低于回轉窯、弗卡斯窯等窯型；檢修、維護方便、作業率高；同時，還具有負壓操作利于環保、燒成石灰S含量低等優點。近年來逐漸得到了越來越多用戶，尤其是國內大中型冶金企業的認可。環形套筒豎窯是20世紀60年代初德國貝肯巴赫公司發明的，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也先后引進這種窯型，武鋼在2006年引進國內第一座600t/d 意大利特魯茲·弗卡斯公司貝肯巴赫環形套筒豎窯以來，通過對引進TF控制系統的技術消化吸收和改進，在2013年由中冶南方武鋼院和上海寶冶共同設計建成第二座600t/d 環形套筒豎窯。

1 環形套筒豎窯工藝流程

由膠帶輸送機從原料倉輸送來的石灰石原料，經稱量斗稱量后裝入料車內， 卷揚提升機將料車提升至環形套筒豎窯窯頂，將料車內的石灰石經料斗加入窯頂布料系統，通過旋轉布料器進入窯內。在窯頂設一料位探尺顯示窯內的料位。布料系統設有密封閘門，它與旋轉布料器下部的料鐘互鎖，可以避免在向窯內加料時外界空氣的進入而影響套筒豎窯的負壓操作。

整個環形空間由外殼和內套筒組成。

石灰石先經預熱帶，再到煅燒帶。套筒窯設置兩個燒嘴平臺，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。 石灰經過并流煅燒區后，開始進入冷卻帶。由于廢氣風機從窯頂抽氣，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動下，經出灰機進入窯底料倉。最后由振動出灰機排出窯外，用膠帶輸送機送至成品倉貯存。

2 自動控制系統

自動控制系統和傳動控制系統采用西門子公司的S7-400可編程控制器和ABB公司的ACS800變頻器，整個系統通過PROFIBUS網絡和工業以太網連接在一起，完成上料、燃燒、出料、除塵等系統的自動控制。

2.1 系統配置

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

圖1 系統配置圖

三臺工作站中的兩臺為操作站，另一臺為工程師站。

三套PLC系統的具體功能分配如下：

1） 原料系統PLC：主要完成原料、成品系統聯鎖控制。

2）窯體系統PLC：主要完成窯本體傳動聯鎖控制及窯本體燃燒系統控制；

3）除塵系統PLC：主要完成窯本體除塵系統控制。

操作員站和工程師站計算機操作系統采用微軟中文版Windows XP作為操作系統。操作員站裝載了上位監控軟件WINCC，工程師站裝載了PLC編程軟件STEP7和上位監控軟件WINCC，具有系統軟、硬件組態和程序開發功能。

2.2 系統功能

根據生產工藝要求，每臺設備既可以機旁起停，也可以在操作員站實現單機起停和聯鎖起停。聯鎖可在畫面上選擇投入或者解除。

1）機旁手動

在設備附近設置機旁操作箱，當設備檢修、調試時，將操作箱上的轉換開關選到“機旁手動”位置上，這時設備處于脫機狀態，PLC系統不起作用，通過機旁箱上按鈕對設備進行起?？刂?。

2）PLC手動控制

將操作箱上的轉換開關選到“集中控制”位置上，這時設備處于PLC控制狀態下，通過操作員站畫面上的按鈕將設備控制設置到PLC手動控制，這時操作人員可以通過畫面按鈕實現對設備的起停控制。

3）PLC自動控制

將操作箱上的轉換開關選到“集中控制”位置上，這時設備處于PLC控制狀態下，通過操作員站畫面上的按鈕將設備控制設置到PLC自動控制，這時設備根據程序設定處于自動控制狀態。

PLC控制根據工藝要求和畫面設計，在畫面中分別設置相應的手動和自動選擇按鈕。

3 石灰窯系統控制原理

石灰窯自動化控制系統基于PLC系統對石灰窯實現自動化控制，主要功能是對整個生產過程進行順序控制、回路控制、監測操作、人機對話和數據通信。管理全部工廠邏輯功能，如開/停順序、來自現場的模擬和數字信號、圖形監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系統自動完成。

窯體PLC系統完成的主要控制功能：

3.1 石灰石上料系統

PLC 系統自動控制石灰石上料。窯頂安裝有石灰石料位計，當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送入稱量斗內。在稱量斗下裝有壓力傳感器和卸料閥，卸料閥為液壓驅動。在稱量斗中，石灰石加到指定的重量，此時上料小車就位，通過行程開關達到最低點。液壓卸料閥開起，石灰石加入上料小車。卷揚機自動將上料小車送至窯頂，加料到旋轉布料器，然后布料器開始工作，每次加料比上一次旋轉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 內筒冷卻空氣控制

冷卻空氣用來冷卻上、下內套筒，下內套筒冷卻空氣通過上拱橋中的冷卻空氣管排出，再進入下環管。在下環管中的空氣作為二次風分配給14 個燒嘴。過剩的空氣通過調節閥排放到大氣。上內套筒冷卻空氣冷卻上內套筒后通過調節閥排放到大氣。

停窯時，內套筒必須繼續冷卻，以免過熱而造成損壞。此時調節閥應全開，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，可通過調節閥來調節。如果溫度繼續升高，必須停窯。系統必須檢查，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，就必須定時調節調節閥，避免內套筒過冷。

內筒冷卻空氣由兩臺冷卻風機打入（一臺工作，一臺備用）。并備有柴油發電機，如果電力中斷，緊急備用柴油發電機將會自動起動，并且為所選用的冷卻風機提供電力，使其迅速重起，確保停窯后冷卻風機繼續運行。

3.3 驅動空氣控制

驅動空氣由兩臺羅茨風機驅動進入石灰窯，其中一臺裝有變頻器，根據工藝要求自動調節驅動空氣鼓風機。驅動空氣的流量、壓力和溫度在不同地點被檢測和調節。驅動空氣在進入環管前，經熱交換器預熱，驅動空氣從環管進入各個噴射器，由蝶閥合理地控制流量。

驅動空氣循環控制：

1）通過變頻器調節羅茨風機的速度，對風機出口的壓力加以控制。

2）通過調節熱交換器廢氣出口處的調節閥的開度，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

廢氣風機從窯頂抽風，使套筒窯處于負壓操作，負壓由變頻器通過自動調節廢氣風機轉速進行控制?？刂破鲗⒏鶕毫魉推魉鶛z測的下燃燒室的負壓點來調節廢氣風機的速度。

廢氣循環控制：

1）通過調節摻混空氣入口調節閥的開度，對廢氣過濾器入口的壓力加以控制。

2）通過調節廢氣過濾器風機的速度，對廢氣過濾器入口的壓力加以控制。

3）通過調節廢氣風機的速度，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廢氣溫度加以控制。

廢氣由各種監測點（壓力/溫度）監控。所有來自限位開關和其他裝置的輸入數據都被傳送到PLC，并且進入聯鎖。如果出現袋式濾器進口處廢氣溫度過高的警報，袋式濾器會自動打開旁路。

3.5 燃氣流量控制

燃氣壓力與燃氣流量成正比，通過調節燃氣總管上的調節閥，穩定燃氣壓力。通過熱值儀測出的燃氣熱值高低，來調整相關燃氣流量調節閥的開度，對下燃燒器和上燃燒器的燃氣流量加以控制，確保燃氣燃燒功能可靠而安全。

3.6 燃燒空氣流量控制

1）進入下燃燒器的燃燒空氣流量控制。

2）進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）驅動空氣壓力流量控制。

3.7 出灰調節控制

采用閉環控制，出灰的產量由出灰機的頻率來決定。改變出灰速度，會影響石灰石在窯內的停留時間，如果循環氣體溫度升高，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入并流區煅燒；反之亦然。出灰頻率與循環氣體溫度相關聯，這可以指導出成品灰的質量狀況，從而確保連續穩定地生產優質石灰。

4 套筒窯的安全設置

考慮到電氣連鎖，風機起動的順序依次為：冷卻風機——廢氣風機——驅動風機——煤氣主管切斷閥——燒嘴。

如果任何一步出問題，應立即停止下續步驟。根據壓力計確定風機是否過壓或欠壓。例如：

1）由于窯頂的連鎖出現問題，或廢氣風機出現故障，造成在窯頂的壓力過低時，窯頂的壓力計應立即停止驅動風機和切斷煤氣的供應。

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。

內套筒的冷卻空氣供應最多停止一刻鐘。套筒窯配有保安電源及柴油發電機。當一路供電出現故障時，備用的發電機組應自動起動，保證控制系統、電動調節閥和冷卻風機應急供電。并且，為了防止一臺冷卻風機出現故障，配備一臺冷卻風機作為備用。

如果停窯，廢氣總管上的電動調節閥將自動關閉，保護廢氣風機。

內筒冷卻空氣和驅動空氣系統有管道相連，如驅動空氣壓力太低或驅動空氣停止運行時，可打開單向閥，部分內筒冷卻空氣將進入噴射器風管內，防止其部件過熱。

5 結論

武鋼耐火材料公司600t/d石灰環形套筒窯自2013年投產以來，生產狀況穩定，取得了很好的使用效果，達到了預期設計效果。實踐證明：該控制系統運行穩定可靠，自動化程度高，操作方便，確保了關鍵工藝參數的控制，各項技術指標達到設計要求，完全滿足煉鋼需要，為企業帶來了可觀的經濟效益和良好的社會效益。

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