基于回轉窯的PLC控制系統設計

紀玲 孫東豐

摘 ? 要：本文主要介紹了西門子S7-300系列PLC在回轉窯控制系統中的應用。通過人機界面和PLC實現電氣設備的啟停、儀表參數監控等，并通過PROFIBUS總線將其他廠商的電子信號連接到系統中。被控參數的閉環調節、控制系統報警和生產過程報警以及數據歸檔等功能，使整個回轉窯能夠實現生產的自動化，減少工人的勞動強度，大幅提高了生產率，同時合理地節省了能源。

關鍵詞：可編程控制器（PLC） ?回轉窯 ?過程監控 ?Wincc組態軟件

中圖分類號：TP273 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）02（b）-0063-02

回轉窯的結構分為窯頭、窯體、窯尾3個部分。

窯頭部分：回轉窯的窯尾是進料端，窯頭是出料部分，通過加熱后的原料由窯頭送出。窯頭應用魚鱗狀不銹鋼結構密封窯體，窯頭的切面直徑會比回轉窯窯體的直徑大一些，因為其內部需要設定檢修口，同時還有噴煤嘴和搬運小車等結構。只有空間大才能合理設定這些裝置。窯體部分：窯體形狀為圓筒形，通常長度有50～120m。窯體部分是整個回轉窯機械結構的主體，由3、4個無底桶狀的結構鋼水澆鑄而成。窯體部分因為要承擔重量桶狀結構的鋼板壁很厚很堅固。窯的支撐拖輪屬于窯體的一部分，拖輪和桶狀結構一起跟地基相連，用于支撐整個窯的重量?；剞D窯窯體里面要鋪上耐火磚，因為正常工作時溫度最高會超過1200℃。

窯尾部分：窯尾部分分為縮口、進料舌頭及煙室等?？s口主要功能為保證風和顆粒的混合配比，保證煤粉的燃燒效率。斜坡對于回轉窯也很重要，用于上料后原料的下移。同時在進料端有一個形狀類似蓋子的結構叫做進料舌頭，用來進料和密封作用。窯尾的密封至關重要，如果密封效果差會導致原料從密封處擠出，也會導致冷空氣從窯尾進入整個窯體內，影響窯體溫度，對原料的加熱工藝有很大影響，導致不良品產生。

1 ?PLC控制系統 設計

上位機我們采用研華品牌的工業計算機，下位執行系統采用西門子S7-300系列PLC模塊。PLC數字量和模擬量為離散式IO模塊，采集系統的信號數據方便快捷。其主要控制部分分為3部分：主控制室、窯尾控制單元、窯頭控制單元。

主控制室：設有上位機、打印機等，負責對整個回轉窯工藝參數、電氣參數和設備運行狀態進行監控、管理、歷史數據趨勢存儲以及報表打印;通過網絡交換機將其它兩個過程站環狀連接，并且可能通過網絡和公司內部管理網絡之間的訪問控制，上傳到公司內部管理系統，實現與ERP數據同步。

窯尾控制單元：該單元應用S7-200系列PLC，通過西門子的通訊模塊EM277通過PROFIBUS DP與主控制室通訊。為實現主站與從站的通訊，在主站用西門子的STEP7編程軟件中組態，從站不用組態。主從站設定好數據接收和發送的字段，在程序里對此字段進行讀取即可。本系統顯示和控制4臺托料稱重量數據和4臺減量稱重量數據，相應的數據信息由稱重模塊通過數據線上傳給PLC。其中包括數字量信號：皮帶秤的啟停，模擬量信號：料量給定與調節和計量、反饋等功能。完成工藝要求相應的啟停，異常情況的緊急停車、故障報警等功能。

窯頭控制單元：實施監控回轉窯加熱工藝參數，如溫度、壓力等，根據工藝要求，啟動停止設備，可以實現手動、自動功能的轉換。本控制單元應用的PLC硬件模塊為：接口模塊IM153、相應的I/O模塊。驅動單元硬件主要為：變頻器，測量單元硬件主要為：電子皮帶秤。以上數據信息由離散式IO采集后通過Profibus-DP現場總線主控制站進行數據交互。

西門子各個模塊站的PLC由PROFIBUS-DP現場總線的連接而成，各分布式I/O系統由口模塊IM153作為從站再拓展連接。PLC分站放置在各自的控制室內，與相應部分的硬件距離很近，信號很容易采集到系統中。

2 ?監控系統

1臺工程師站和3臺操作員站組成了上位機監控系統，監控系統的計算機選用原裝西門子工業控制計算機，上位機硬件設有網絡通訊卡CP1613，該網卡以TCP IP的通訊協議可以實現PLC和上位機的數據交互。3套S7-300PLC系統的DP接口連接，實現了互相的數據交互。采用西門子公司WINCC6.0版本的組態軟件實施監控。該監控軟件平臺帶有實時、歷史趨勢曲線、打印報表等相關功能，通過設計可實現所需的操作畫面、控制畫面、監控畫面。監控系統畫面俗稱人機界面，人機界面主要為系統和用戶之間進行交互和信息交換的媒介，它實現信息的內部形式與用戶可以接受形式之間的轉換。所有參與人機信息交流的數據和畫面存儲在人機界面。其為用戶提供了更形象直觀的操作畫面，大幅度地提高了工作效率。

2.1 工藝參數監控和控制

工藝流程是原料隨窯體轉動，由窯尾緩慢的向窯頭運動。經過加熱裝置加熱，燒結好的原料從窯頭的下料管到達下部的冷卻機。為保證窯體內部溫度，用于加熱的混合煤氣量和空氣量的配比保證回轉窯煅燒溫度的關鍵參數。這些信號會通過相應的模擬量模塊接入PLC模塊中。通過非線性的PID調節，最終控制供給的煤氣量、空氣量參數進行動態調整。本運行可靠，故障率低，深受用戶好評。

2.2 無線測溫裝置

通常情況下，因為回轉窯需要360°旋轉，所以回轉窯內溫度數據測量都是通過可以旋轉的滑環裝置來傳輸的，滑環裝置類似為一個球和一個球碗的結構，球可以在球碗內旋轉，并保持通電接觸，實現電信號傳輸。因為這個結構特點容易在高溫狀態下銹蝕等引起接觸不良。我們得到窯內溫度信號來確認燒結的效果，溫度是工藝的核心參數。為解決此問題，采用無線測溫裝置，首先通過采集到熱電偶的溫度信號，窯體內的發射模塊向連接在PLC模塊上的接收模塊發射信號。此無線測溫模塊為4-20MA的電信號，通過硬件連接到PLC的AI通道（設定為4-20MA的量程）。通過使用無線測溫收發模塊，讓溫度信號傳遞更穩定。但在應用此無線測溫裝置時需注意，回轉窯的用戶工況較差，大型設備很多，容易形成干擾。無線設備的有線連接部分要做好屏蔽抗干擾連接，屏蔽層連接到系統接地上。

2.3 窯頭負壓檢測

回轉的窯頭工藝是負壓生產工藝，窯內必須保證負壓才能保證窯內顆粒和原料的正常工藝處理。如果窯內出現正壓還可能造成對設備和人員傷害，導致全線停機。負壓監控是必要一環，通過在窯內安裝壓力檢測儀表來實現信號監控。將壓力的模擬量信號（0-10V）接到PLC的模擬量模塊中，實現數據的監控。

3 ?結語

本控制系統自應用并投產以來一直穩定運行，給企業帶來了良好的經濟效益。尤其在該系統中PLC控制系統充分發揮其配置靈活、編程方便和功能強大的優點，給整個系統的便捷性和穩定性帶來較大的益處。

參考文獻

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