水泥窯頭工藝控制方法研究

劉冰LIU Bing；何云霄HE Yun-xiao

（①中原工學(xué)院軟件學(xué)院，鄭州 450000；②鄭州宇通客車股份有限公司，鄭州 450000）

（①Software School，Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450000，China；②Zhengzhou Yutong Bus Co.，Ltd.，Zhengzhou 450000，China）

0 引言

隨著世界各地的水泥廠生產(chǎn)規(guī)模的增大以及水泥生產(chǎn)控制系統(tǒng)的特殊要求，各生產(chǎn)設(shè)備間的連鎖關(guān)系愈加復(fù)雜，DCS 集散型控制系統(tǒng)所能達(dá)到的對水泥控制線的控制已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代企業(yè)的需求。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，各水泥廠需采用功能更加強(qiáng)大的自動控制系統(tǒng)來確保生產(chǎn)線的穩(wěn)定運(yùn)行。所以，本文采用的是一種新型的全集成控制系統(tǒng)，即水泥窯頭控制系統(tǒng)，它采用的是西門子公司近年新推出的SIMATIC PCS7 系列產(chǎn)品，能夠把傳統(tǒng)DCS、現(xiàn)場總線技術(shù)以及可編程邏輯控制器有機(jī)的融合起來[1]。

1 水泥窯頭工藝分析

水泥生產(chǎn)主要有七個工藝環(huán)節(jié)，分別是破碎、生料磨、煤磨、窯尾、窯頭、水泥磨和包裝。其中，窯頭是水泥生產(chǎn)工藝過程中最重要的一道工序。水泥窯頭系統(tǒng)的工藝流程如圖1 所示。經(jīng)預(yù)熱分解的生料粉喂入回轉(zhuǎn)窯進(jìn)料端，并借助回轉(zhuǎn)窯的斜度和旋轉(zhuǎn)，慢慢地向窯頭運(yùn)動，與窯內(nèi)熱氣流進(jìn)行交換，發(fā)生充分的化學(xué)反應(yīng)，在燒成帶利用窯頭煤粉所提供的燃燒熱將其煅燒成水泥熟料，出窯熟料溫度為1350～1400℃。

燒結(jié)后的高溫水泥熟料出窯落入推動蓖式冷卻機(jī)的蓖床上。首先，物料受到從蓖板下部鼓入的高壓風(fēng)的急速冷卻，隨后由蓖床推動前進(jìn)，并且受到中壓風(fēng)的繼續(xù)冷卻，經(jīng)蓖冷機(jī)后的熟料溫度可降至100℃以下。熟料通過蓖板的往復(fù)推動，部分小顆粒通過蓖孔落入風(fēng)室，經(jīng)拉鏈輸送機(jī)送入鏈斗輸送機(jī)，或直接經(jīng)風(fēng)室下的料斗匯入鏈斗輸送機(jī)；而大部分熟料則進(jìn)入冷卻機(jī)尾部的錘式破碎機(jī)口，經(jīng)破碎機(jī)破碎后的大顆粒熟料會同落入蓖條下的細(xì)熟料，溜到鏈斗輸送機(jī)上[2]。

2 PCS7 控制系統(tǒng)在水泥窯頭站的應(yīng)用

2.1 SIMATIC PCS7 的功能 SIMATIC PCS7 遵循西門子TIA 理念，集成了專門針對水泥行業(yè)的CEMAT 軟件包，并包含了Step7、CFC、WinCC 等重要的編程軟件和組態(tài)軟件，可以方便地進(jìn)行橫向集成及縱向集成，完成所有流程作業(yè)，實現(xiàn)從來料加工到成品包裝、從底層測量單元到上層管理系統(tǒng)的自動控制[3]。

2.2 水泥窯頭站控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 窯頭站控制系統(tǒng)主要有三層結(jié)構(gòu)，分別是現(xiàn)場設(shè)備層，過程控制層和操作管理層，如圖2 所示。第一層是現(xiàn)場設(shè)備層，它主要是由蓖冷機(jī)、主電機(jī)、各種輸送設(shè)備、冷卻風(fēng)機(jī)、收塵設(shè)備、閥門、倉筒等組成的。壓力傳感器、流量傳感器、電流傳感器、速度傳感器等組成了檢測設(shè)備，它的作用就是把不同的物理量變換為標(biāo)準(zhǔn)的4-2OmA 直流信號。通過I/O 模塊進(jìn)入集成于ET200M 中的A/D 轉(zhuǎn)換電路可以把各直流信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并把其通過Profibus-DP 現(xiàn)場總線送到過程控制站。第二層是過程控制層，采用西門子公司的S7-400 系列PLC 作為控制站。過程控制層通過對由現(xiàn)場檢測儀表送來的各種過程信號進(jìn)行各種有效的處理，折算成相應(yīng)的工程量，之后再傳送到數(shù)據(jù)庫中，可以用作實時顯示、優(yōu)化計算、報警打印等[4]。第三層是操作管理層，包括一個工程師站（ES）和一個操作員站(OS)。其中工程師站也是系統(tǒng)的I/O 服務(wù)器、報警服務(wù)器以及用戶的登錄服務(wù)器。現(xiàn)場和操作員的對話窗口就是操作員站，操作員通過各項設(shè)備完成對整個系統(tǒng)的監(jiān)控[4]。

3 關(guān)鍵工藝參數(shù)的控制

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

各工藝參數(shù)的數(shù)值是否始終在工藝要求的范圍內(nèi)，是保證水泥生產(chǎn)線穩(wěn)定運(yùn)行，以完成各項生產(chǎn)指標(biāo)的重要因素。因此，對工藝參數(shù)的控制與調(diào)整是整個工業(yè)過程控制的關(guān)鍵。在窯頭生產(chǎn)線的眾多工藝參數(shù)中，二次風(fēng)的溫度可以說是最重要的一個控制量。二次風(fēng)溫度是指由蓖冷機(jī)進(jìn)入窯內(nèi)的空氣溫度，它的高低不僅決定了窯從蓖冷機(jī)接受多少熱量和窯內(nèi)的火焰燃燒狀態(tài)，這是一個重要的直接降低單位熟料熱耗的控制參數(shù)，也能夠直接的反映蓖冷機(jī)對熟料的冷卻能力，這能夠判斷出蓖冷機(jī)各項操作參數(shù)是否正確，并且熟料出蓖冷機(jī)時的溫度會隨著二次風(fēng)溫度的提高而明顯的降低。所以，二次風(fēng)的溫度在生產(chǎn)線的眾多工藝參數(shù)中是很關(guān)鍵的，它既關(guān)系到熟料主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的完成，也是衡量全系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)是否合理的重要標(biāo)志。

3.1 二次風(fēng)溫度的理想值 從理論的角度出發(fā)，隨著二次風(fēng)溫度的升高，會有更多的熟料冷卻熱量被利用，且煤粉燃燒所用的空氣熱焓越大。但是，二次風(fēng)溫度過高，對窯頭罩的襯料壽命不利，還容易在蓖冷機(jī)熱端形成“雪人”。因此，該參數(shù)的理想值應(yīng)該介于1050～1150℃之間。

3.2 二次風(fēng)溫度的影響因素 主要是以下五個方面的因素影響了二次風(fēng)溫度：

①熟料產(chǎn)量的高低。二次風(fēng)溫度會隨著熟料產(chǎn)量的增多而升高；所以，只有把喂料量穩(wěn)定下來了，才能穩(wěn)定住二次風(fēng)溫度，并且不應(yīng)該出現(xiàn)塌料現(xiàn)象。

②熟料出窯溫度的高低。要想提高二次風(fēng)溫度，不僅需要對熟料的煅燒溫度進(jìn)行合理的穩(wěn)定，也和熟料出窯溫度的高低有關(guān)，燃燒器出口離窯口位置越近，它的火焰形狀會更合理，會很利于提高二次風(fēng)溫度。反之，則不利于提高二次風(fēng)溫度。

③蓖冷機(jī)高溫段蓖床上的熟料厚度。當(dāng)熟料的粒徑組成不變時，蓖床上的熟料厚度直接與蓖下壓力成正比：一定的蓖下壓力將保證有最理想的二次風(fēng)溫度，一般情況下，蓖下壓力會隨著料層的厚度增加而壓力升高，此時蓖下壓力越高，高溫段的冷卻風(fēng)與熟料的熱交換會更加的充分，有利于二次風(fēng)溫度的提高；反之，則不利于提高二次風(fēng)的溫度；但料層過厚，致使高壓空氣難以吹透料層，二次風(fēng)溫度不但不會提高，甚至還會降低。

④高溫段高壓風(fēng)機(jī)的開度。一般情況下，要想保證二次風(fēng)持續(xù)較高的溫度，其中一個必要的條件就是蓖冷機(jī)高溫段的風(fēng)機(jī)均選型為高壓，并且運(yùn)行中的開度也基本上都在100%左右。然而，需要注意的是，并不是隨時都是開度越大就越好的，有一些特殊的情況開度越大可能會降低二次風(fēng)溫度，比如在熟料產(chǎn)量偏低，料層本身并不厚時等。

⑤蓖冷機(jī)廢氣風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。它能夠有效的保證蓖冷機(jī)高溫段的熱風(fēng)不會被抽至冷端，全部入窯。

3.3 二次風(fēng)溫度的控制方法 針對以上影響二次風(fēng)溫度的五個因素，提出了以下幾種提高并穩(wěn)定二次風(fēng)溫度的措施：

①保證窯內(nèi)煅燒制度的穩(wěn)定。影響窯內(nèi)穩(wěn)定煅燒的因素很多，其中也包括二次風(fēng)溫度的穩(wěn)定，操作中對原燃料質(zhì)量及用量的穩(wěn)定、窯速的穩(wěn)定、系統(tǒng)用風(fēng)的穩(wěn)定等都會直接影響二次風(fēng)溫度的穩(wěn)定。所以，二次風(fēng)溫度的穩(wěn)定與窯內(nèi)煅燒制度穩(wěn)定是相互促進(jìn)、相互保證的。

②建立自動控制蓖速的回路。當(dāng)蓖冷機(jī)高溫段的風(fēng)機(jī)開度相對穩(wěn)定時，可以將高溫段的蓖下壓力與高溫段的蓖速設(shè)置成自動控制回路，當(dāng)蓖下壓力減小時，蓖速將自動減慢，以保證蓖下壓力不變。

③建立自動控制高壓風(fēng)機(jī)開度的回路。根據(jù)蓖冷機(jī)高溫段高壓風(fēng)機(jī)、窯頭高溫風(fēng)機(jī)、廢氣風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況，合理控制相應(yīng)閥門的開度。特殊情況下，該開度可以由操作員在上位畫面中設(shè)置。控制回路如圖3 所示。

④調(diào)節(jié)窯頭廢氣風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。根據(jù)窯頭負(fù)壓的數(shù)值來調(diào)節(jié)蓖冷機(jī)廢氣風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。控制回路如圖4 所示。

4 小結(jié)

本文采用西門子PCS7 全集成自動控制系統(tǒng)完成了水泥窯頭站的組態(tài)，實現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備層、過程控制層以及操作管理層之間的數(shù)據(jù)通信。并重點分析了窯頭站的工藝流程，研究了工藝過程中關(guān)鍵參數(shù)的控制方法。實踐證明，比起以往的DCS 集散型控制系統(tǒng)，PCS7 控制系統(tǒng)對窯頭生產(chǎn)線的組態(tài)明顯簡化了控制過程和操作步驟，提高了生產(chǎn)效率，達(dá)到了預(yù)期效果；關(guān)鍵工藝參數(shù)的控制回路設(shè)計也實現(xiàn)了預(yù)期功能，使二次風(fēng)量的數(shù)值穩(wěn)定在工藝要求的范圍內(nèi)，從而優(yōu)化了窯內(nèi)的溫度場，提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和水泥熟料的質(zhì)量。

[1]劉繼光.CEMAT 軟件在某水泥廠的應(yīng)用[J].Proceedings of the 7th Industrial Instrumentation and Automation Conference，2006（3）：353-358.

[2]張冬梅.新型干法水泥生產(chǎn)工藝和新設(shè)備介紹[J].硅谷，2008（22）：99.

[3]張鳳剛，鹿志清，鄭仰冠.CEMAT 系統(tǒng)在大型水泥企業(yè)中的應(yīng)用[J].水泥，2004（10）：62-64.

[4]溫曉玲.基于PLC 的水泥粉磨控制系統(tǒng)[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2007.