鞍鋼鲅魚圈回轉窯智能控制系統的開發應用

王福有，于海岐，陳晨，宋云飛，賈春暉，曹海東

（鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口 115007）

回轉窯是工業領域的重要生產設備，其應用范圍廣泛，全國約有各類回轉窯2 000 多臺[1]。 冶金石灰回轉窯主要用于焙燒鋼鐵廠用的活性石灰和輕燒白云石等，因回轉窯生產工藝復雜、生產過程存在滯后性等因素，增加了其生產智能控制的難度，所以目前尚無成熟的回轉窯智能控制系統。國內外已有許多學者對回轉窯生產工藝及智能控制系統進行了深入研究，如通過研究回轉窯物料傳輸模型和熱平衡模型，得出物料在窯內停留時間和料層變化關系[2]；研究的回轉窯在線仿真優化模型及軟件系統能實時計算回轉窯各帶長度及窯內溫度分布，建立了回轉窯狀態預報系統[3]。 但目前的研究大多圍繞回轉窯單點位、單工序的智能操作，未能真正降低勞動強度和產線綜合能耗。 鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司（以下簡稱“鲅魚圈”）以智能焙燒為核心，開發了回轉窯全線工藝的智能控制系統，本文對此做一介紹。

1 鲅魚圈回轉窯智能控制系統

1.1 回轉窯概況

鲅魚圈現有4 座冶金石灰回轉窯，于2008 年8 月陸續投產，單窯日產1 000 t 冶金石灰，主要生產煉鋼用石灰、燒結石灰及輕燒白云石。 回轉窯主要參數見表1。 與其他大型冶金石灰回轉窯類似，鲅魚圈回轉窯也存在著生產過程中人工監控參數多，設備故障率高，石灰質量不穩定等問題。

表1 回轉窯主要參數Table 1 Main Parameters for Rotary Kiln

1.2 回轉窯智能控制系統的組成

鲅魚圈回轉窯智能控制系統組成見圖1。 回轉窯智能控制系統的核心是回轉窯智能焙燒系統，該系統將編程語言與專業知識相結合，采集回轉窯過程控制系統的全部數據，并通過OPC 系統實現智能控制系統與回轉窯一級PLC 系統的數據交互。OPC 是目前最流行的數據連接標準，用于控制器、設備、應用程序和其他基于服務器系統之間的通信。 PLC 系統（Programmable Logic Controller）為可編程邏輯控制器，是專為工業生產設計的一種數字運算操作的電子裝置，它采用可編程的存儲器用于其內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數及算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬輸入/輸出控制各種類型機械或生產過程，是工業生產控制的核心?；剞D窯智能焙燒系統“一鍵焙燒”操作可以提高對煤氣、供風過程、預熱器、回轉窯、冷卻器及排煙風機的精準一體化控制。 回轉窯智能控制系統還包括原石智能入倉、原石智能入窯、成品智能入倉、成品智能發料四個工序的控制系統，及各工序所需要的除塵智能控制系統和智能監控系統，實現回轉窯生產工序智能操作的全線貫通，最終達到生產操作智能化、生產過程可視化、生產現場無人化、生產管理信息化的目的。

圖1 鲅魚圈回轉窯智能控制系統組成Fig. 1 Structure of Intelligent Control System for Rotary Kiln in Bayuquan Branch

2 回轉窯智能控制系統的開發與應用

2.1 原石智能入倉、智能入窯控制系統

2.1.1 原來存在的問題

原石入倉（給原料倉上料）和原石入窯（給預熱器料倉上料）時，須人工現場監控料倉倉位和巡檢設備，存在料倉冒料頻發、現場堵料問題嚴重及料倉內空間無法充分利用等問題。

2.1.2 原石智能入倉控制系統的開發

原石智能入倉控制系統的開發實現了原石智能入倉操作，即原料倉上部布料小車的自動控制及原料倉料位的實時監控。 具體內容如下：

（1）在料倉上部安裝雷達料位計，建立料倉料位與裝料數量的模型，并在控制系統操作界面上實時顯示。

（2）根據現有石灰石的自然堆角，給每個料倉上部設置4 個卸料點，并在該處安裝檢測裝置（激光限位器），通過不同部位的檢測裝置對卸料點進行識別，根據各倉庫庫存情況在控制系統操作界面上選中卸料點號碼，卸料小車即可運行到指定卸料點，每次上料量達到設定值后，系統自動發出報警。當觸碰料倉高料位時系統自動停機，根據料倉料位重新選擇卸料點后可繼續上料作業。

（3）在卸料小車兩側的下料溜管上增加防堵料裝置和小車視頻監控裝置，防止下料溜管堵塞造成大量物料外溢到料倉上部。

（4）根據實際工作情況對卸料小車的操作程序進行優化，達到所需工作狀態。

2.1.3 原石智能入窯控制系統的開發

原石智能入窯控制系統的開發實現了原石智能入窯操作，即實時監控預熱器料倉料位，并在料位低限時能夠自動上料，達到所需上料量后系統自動停機。 具體內容如下：

在預熱器料倉安裝雷達料位計，當料位達到下限時，系統發出報警。 確認報警后，在控制系統操作界面輸入所需上料數量，選取料倉下電振給料機，一鍵啟動原料倉下部到預熱器料倉的所有設備。系統開始自動上料，通過末端皮帶上的皮帶秤計量上料量。當系統達到上料數量后，整個上料運行設備自動停機。 上料作業時視頻監控皮帶送料、料倉料位等工作狀態，實現安全上料。

2.1.4 應用效果

原石智能入倉控制系統實現了多組料倉卸料小車的集中自動控制，取消了現場值守人員，提高了料倉利用空間，增加了石灰石的倉儲量，避免跑、冒料現象及由此造成的皮帶劃傷事故。原石智能入窯控制系統提高了上料量的準確性和安全性，大大減輕了操作者的勞動強度。

2.2 智能焙燒控制系統

2.2.1 原來存在的問題

回轉窯正常生產時，要不斷修正各工藝參數與目標參數的差異，以保證系統供熱量充足、設備運行穩定、產品質量合格。 遇到提產或減產時，需要在一定時間內完成對燃燒系統、排煙機等6 個系統運行參數的協調控制。以上操作存在時間滯后、運行參數匹配不精確等弊端，對產品質量和能耗都有較大影響。

焙燒系統是回轉窯系統的核心，實現焙燒系統的智能控制與過程優化對整個回轉窯生產線提質、提效、降耗至關重要。 智能焙燒系統控制就是將預熱器、 回轉窯和冷卻器這些單體設備的配合邏輯進行聯動控制，實現“一鍵式”智能操作。建立不同物料品種和產量下的各工藝參數數學模型，在生產中自動調整各工藝參數，使其接近目標值?；剞D窯智能焙燒控制系統關鍵點見圖2。

圖2 回轉窯智能焙燒控制系統關鍵點Fig. 2 Key Points for Intelligent Roasting Control System for Rotary Kiln

2.2.2 智能焙燒控制系統的開發

在熱工計算的基礎上，結合回轉窯工藝特點及實踐經驗，建立起不同生產條件下的供料模型、熱工模型、產量模型及窯內負壓模型等，開發了智能焙燒控制系統。正常生產時控制參數相對穩態，在控制系統操作界面輸入目標日產量和焙燒物料品名，系統會對工藝參數自動微調，使其保證在目標數值范圍內。在提產或減產過程中，控制參數動態變化，所有參數自動調節時需要協調一致，操作者在操作界面輸入目標日產量和焙燒物料品名，系統會在規定時間內有步驟的實現提產或減產作業，最終實現穩定生產。回轉窯智能焙燒控制系統操作界面見圖3。為了適應不同工況條件下的特殊操作需求，為一些重點工藝參數的目標值設定人工微調操作窗口，見圖4 所示。 系統每8 h 會根據焙燒后成品質量自動提示回轉窯內熱量平衡狀態，經操作者確認后決定是否修改目標值，系統再根據重新確定的目標值進行自動調節。

圖3 回轉窯智能焙燒控制系統操作界面Fig. 3 Operation Interface of Intelligent Roasting Control System for Rotary Kiln

圖4 回轉窯智能焙燒控制系統參數調整窗口Fig. 4 Adjustment Window for Parameters of Intelligent Roasting Control System for Rotary Kiln

2.2.3 應用效果

應用該系統后，回轉窯生產時的煤氣量、供風量及負壓等重要參數調控更加準確，生產穩定性顯著提升，煤氣單耗降低0.13 GJ/t，石灰質量合格率提高了3.5%。

2.3 成品智能入倉、智能發料控制系統

2.3.1 原來存在的問題

焙燒好的物料從冷卻器中出來后進入成品倉，再給用戶發出。 上述操作中存在兩個問題：一是在石灰成品區域有三套環錘設備將塊狀石灰破碎后供燒結廠使用，由于不能有效監控環錘堵料或環錘壁條損壞情況，給生產造成極大困擾；二是給下游用戶輸送物料時，需要人工根據料流量監控發料數量，發出數量滿足要求后再人工停止設備，此操作費時費力。

2.3.2 成品智能入倉、智能發料控制系統的開發

成品智能入倉、 智能發料控制系統的開發實現了成品智能入倉操作，即將現有設備編成料線，并對關鍵設備的運行狀態實現自動監控，能夠及時發現設備故障并處理，避免造成更大影響；實現了自動發料，減少人工干預程度。 具體內容如下：

（1）把所有設備編成料線，通過“一鍵啟動”按鈕啟動所需設備。

（2）為環錘增加低負荷電流和高負荷電流自動保護功能，當運行電流低于低負荷電流時認為壁條損壞，當超過高負荷電流時認為環錘堵料，兩種情況均馬上自動停止向環錘供料，及時發現環錘壁條損壞和堵料問題，大大縮短故障處理時間，減少對生產的不利影響。

（3）各料倉增加料位計，達到設定料位后，系統自動提示操作者轉倉操作。

（4）為精準控制發料量，開發了發料量自動采集程序。 發料前設定發料數量，點擊“確定”按鈕，成品電振給料機自動運行，當達到設定值時，電振給料機自動停止運行。 該程序能有效減輕操作者勞動量，避免由于發料不準確造成下游用戶料倉冒料。

2.3.3 應用效果

成品智能入倉和成品智能發料控制系統能及時準確發現環錘壁條損壞和堵料事故，降低事故處理難度，縮短事故處理時間。發料自動采集程序只要輸出發料量便無需人工監控，達到目標發出量后自動停止所有設備，減少操作者勞動強度，減少崗位定員12.5%。

2.4 除塵智能控制系統

2.4.1 原來存在的問題

（1）原料、成品區域小除塵器

在原料和成品區域共設置35 套低阻脈沖除塵器，用于收集從石灰石倒運和成品物料破碎及發出過程中產生的大量粉塵。這些除塵器分布廣，均為人工單機操作，存在開機晚現場揚塵嚴重、停機晚增加電耗等問題。

（2）回轉窯窯尾大除塵器

每座回轉窯窯尾配備一座耐高溫濾袋除塵器，可處理最大煙氣量為25 萬m3/h，每日產生除塵灰約15 t。 由于粉塵量、煙氣量均較大，該處是重點環保監控對象，需要對其實行在線監控，實時檢測粉塵情況。但是由于缺乏設備監控手段，設備故障率較高，而且操作程序不完善導致在線生產時無法檢查和更換除塵濾袋。

2.4.2 除塵智能控制系統的開發

除塵智能控制系統的開發可以實現原料、成品區域小除塵器聯動、 集中自動控制及回轉窯窯尾大除塵器本體關鍵設備智能監控，以及對外排放情況實時監控。 具體內容如下：

（1）原料、成品區域小除塵器智能控制系統

一是將所有現場操作改為操作室集中控制；二是實現除塵器“一鍵式”操作，皮帶運行時，對應的除塵器、卸灰系統、噴吹系統自動運行，反之皮帶停止運行，上述設備也隨之自動停止運行；三是實現集中監控，在操作畫面上通過“變色標識”顯示，對已運行的除塵器和非運行的除塵器加以區分。

（2）窯尾大除塵器智能控制系統

一是開發除塵器輸灰系統故障自動報警功能。 輸灰系統是大除塵器的重要設備，實踐表明，如果輸灰系統損壞未能及時發現，將會使事故擴大，延長處理時間，增加處理難度。 在輸灰刮板機尾部安裝運轉監測裝置，用于監測設備運行狀態，避免因輸灰設備故障導致除塵排放超標。 二是實現單灰倉檢修功能，即單倉可以離線進行檢修，而不影響整個除塵器的運行，同時修改輸灰設備與除塵器噴吹設備控制程序，即在輸灰設備檢修時，除塵器能夠正常運行，從而保證全時段除塵效果。三是為減少除塵器下部料倉漏風，給料倉安裝高、低料位計，根據料位計顯示實現料倉高料位開始卸料、低料位停止卸料的操作，有效實現料倉物料鎖風功能，降低排煙機功率，節電效果明顯。 四是在控制系統操作界面上顯示窯尾監測數據，能夠隨時查看窯尾除塵排放情況，一旦發現異常能夠及時調整。

2.4.3 應用效果

實現了原料、成品區域全部小除塵器的“一鍵式”自動操作，解決了由于開機晚造成現場揚塵問題和停機晚造成電能浪費問題，石灰電耗降低2 kW·h/t。 窯尾大除塵器實現了輸灰系統故障自動檢測停機，縮短故障處理時間，操作程序優化后實現多種設備故障下的離線檢修，及時監控大除塵器排放指標，避免超標排放。

2.5 智能監控系統

2.5.1 原來存在的問題

大型冶金石灰回轉窯監控軟件是整個回轉窯監控系統的一部分，確定設計目標時需要對整個系統有一個基本認識[41。鲅魚圈回轉窯智能監控系統主要由視頻監控系統和PLC 監控系統兩部分組成。 原來視頻監控系統存在現場視頻監控終端不足、設置位置不合理等問題，PLC 監控系統存在報警條目繁多、重點參數監控不到位等問題。

2.5.2 智能監控系統的開發

增加現場視頻監控終端和優化監控布局實現生產狀況可視化是智能監控系統的主要目的，通過設備參數和工藝參數對異常生產狀況進行預警，并參與關鍵點控制是該系統研究的重點。具體內容如下：

（1）硬件優化

通過在現場增加視頻監控終端、 優化監控終端布局，在操作室內可實現全時段對現場重點部位監控。

（2）軟件優化

在回轉窯智能控制系統開發過程中，對自動報警和關鍵聯鎖執行系統進行了優化。 考慮計算機監控系統的特點，從計算機監控系統功能的角度出發，采用圖5 所示的雙層計算機監控系統體系結構。

圖5 監控系統體系結構Fig. 5 Monitoring System Structure

監控層位于現場控制層之上，實現數據收集處理、遠程監視和數據轉發，該層信息集中存儲在實時數據庫中。

現場控制層由各種控制、監測設備（如PLC 、工控機、智能儀表等）構成，常規的控制方案和算法在設備上組態并執行，根據設備的具體要求而定，高級的控制算法在監控層實現。

在PLC 系統中按照等級將現有報警分為三類管理：一級報警條，報警畫面彈出報警條，提示操作者參數異常；二級聲光報警，報警畫面彈出報警條，同時有聲響，雙重提示操作者參數異常；三級連鎖停機報警，參數達到報警值，通過參數聯鎖控制設備運轉狀態。

監控軟件的內部結構分為原料皮帶、排煙機、回轉窯、 煤氣和成品皮帶控制五個部分，互相協作，共同實現回轉窯智能監控系統的強大功能。

2.5.3 應用效果

操作者根據視頻監控系統可全時段監控現場重點部位，實時查看生產現場數據及流程畫面。 智能監控系統實現了報警條目的分級管理，實現了關鍵設備運行狀態和工藝參數的監控，并對關鍵監控參數實行自動控制，在需要時干預生產過程，修改生產過程參數和狀態。 設備運行穩定性大幅提高，故障率降低12%，實現了安全生產的目的。

3 結語

鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司冶金石灰回轉窯智能控制系統的開發與應用提高了回轉窯生產的操作水平，設備運行穩定性大幅提高，故障率降低了12%。煤氣單耗降低了0.13 GJ/t，電耗降低了2 kW·h/t，石灰質量合格率提高了3.5%。實現了生產現場無人化、生產過程可視化、生產操作智能化及生產管理信息化的目的，達到全線工藝智能操作貫通，提高了勞動效率，減少崗位定員12.5%。該回轉窯智能控制系統對整個石灰產業的智能化提升具有借鑒意義。