制糖石灰窯控制系統的設計與實現
0 引言
我國是生產和利用石灰最早的國家,石灰廣泛應用于煉鋼、建筑領域,同時在甜菜制糖工藝中有著重要的作用。在生產白糖的過程中,有一個很重要的步驟是糖汁清凈,目前國內外甜菜糖廠一般都使用石灰和CO2作為澄清劑來生產高質白糖,用量一般為甜菜加工量的2~3%,主要用來在制糖生產中制成輕質碳酸鈣后吸附去除制糖原料(甜菜)中的有害元素N、P、有機物等雜質。品質好、反應快的、反應徹底的石灰和CO2生產出來的輕質碳酸鈣,可以提高清凈速度,縮短清凈時間,降低噸糖石灰石的消耗,減少色素及擬黑色素的殘留,從而有效提高白糖產品質量[1]。所以,在甜菜制糖廠中石灰的需求量較大,為了降低生產成本,增加產品價格競爭力,甜菜糖廠一般都建有石灰窯用來生產制糖需要的石灰和CO2氣體。
新疆某甜菜制糖企業日處理甜菜3100噸,一年可加工甜菜40萬噸,其制糖生產中所需要的石灰主要由容量為150m3機械豎窯生產,主要燃料為煤氣[2]。由于該石灰窯主要由人工操作,所以導致產生石灰成本高、產品質量不穩定等不利結果,為解決這一系列問題,決定采用先進的控制方式,集中控制石灰窯的整個生產過程,提高生產質量和產率,降低生產成本。
1 石灰窯的生產工藝
石灰窯的生產有著嚴格的流程,而且根據生產的地理環境和天氣狀況會有一些變化,經過技術人員多年的經驗總結,在石灰窯生產中的主要操作步驟如下[3]:
⑴烘窯:首先把窯體內部清理干凈,然后安裝烘窯篦子框架,將約1方木材放入篦子之上,然后用明火點燃,致使火焰不斷的燃燒,間斷地加放木材,使窯內的溫度逐漸地升高,將窯體內的潮氣烘干,避免窯體內部的磚墻出現裂縫。烘窯時間5至7天,第一天溫度控制在50度左右,第二天100度左右,第三天達到200度左右,第四天達到500至600度左右,直到結束,熄火降溫,取出烘窯篦子,整個烘窯結束。
⑵裝窯:首先窯體內部清理,卸灰盤表面清理,然后將石灰塊注入卸灰盤上,裝至到1層火眼以下(約80cm)鋪平,然后將木材放入窯內石灰塊之上,先裝一層(約20至30cm),然后在一層火眼兩端之間留40至50cm寬的通道,通道兩側向上繼續整齊擺放木材,直至一層火眼之上,高于火眼20至30cm,然后用木材將上端全面封死,繼續擺放木材,直至二層人孔門上1到2米,點窯木材裝完后,將人孔門完全封閉。
⑶點窯:先用柴油將刨花浸泡(約50Kg刨花,15Kg柴油),目的是容易點燃木材,將浸泡過的刨花從一層火眼塞入預留好的木材通道,在點燃前將易燃的柴油汽油(柴油:5Kg;汽油:5Kg)混合噴入一層火眼內,準備好點燃的木把(約1.5米長)兩根,大布兩塊,用大布纏在木把的一端,浸上柴油;瓦斯泵開啟后,窯體內的抽氣量正常后,開始將浸好油的木把點燃,從一層火眼兩端將火把塞入木材通道內,開始燃燒。木材開始不斷地燃燒,窯內的溫度逐漸地升高,窯體內的石料逐漸下降,視窯體內的情況,逐漸上料,使窯體內的料位保持正常范圍內(布料器以下2米左右),直至木材完全燒盡,煤氣開始進入,將火位逐漸升高,火位保持在5層可開始卸料,卸料溫度控制在100度左右。
點窯之后的步驟就是提高煅燒溫度并保持,石灰窯在上料和出灰等步驟中多是數字量的直接邏輯控制,把人工控制方式改為PLC控制方式后,效率預計將達到最佳狀態,所以在此就不再累贅。窯內煅燒溫度的控制是本課題關注的重點,現將石灰窯溫度的控制要求和步驟作如下說明:一層次溫度控制在200左右度;二層控制在500度左右,三層控制在900度左右,四層控制在1000度左右,五層控制在900度左右,窯氣出口溫度控制在100度左右,燃燒正常后,可將一層溫度保持在100度左右,煅燒層控制在3至5層范圍內,煅燒溫度控制在1000±12度范圍內。泵房的基本構成如圖1所示,為了保證系統工作的工作效率和穩定性,采用了2條并行的輸水線路選擇性的工作。同時,在水源的水進入抽水系統前,經過一個過濾池,去除水中存在的各種雜物,保證系統工作時的安全。
2 石灰窯控制系統的構成
根據各個部分在系統中的作用不同,整個控制系統分為3層:管理層、控制層、設備層。上位機IPC的主要功能是通過組態軟件的在線監控,管理底層的生產設備及其運行狀態;S7-300PLC的各個模塊作為核心控制器,完成設備狀態信息的采集,經過邏輯判斷和數據分析處理,實現自動化生產;底層設備主要功能是現場狀態信息的信號轉換、工序執行等。上位機與S7-300CPU模塊之間和CPU與遠程接口ET200M站之間的通信方式均為Profibus總線,系統的三層結構如圖1所示[4][5]。
圖1石灰窯控制系統的結構
石灰窯溫控系統的開關量邏輯控制包括進料、卸灰,同時還將執行機構出錯報警、物料質量上限報警、空氣壓力信號報警作為中斷條件,與運行中的電機等設備實現聯鎖控制,如石灰窯進料過程中,稱重斗閘門開啟;當物料質量超過上限時,自動關閉物料斷輸送斗車等。這些邏輯控制在STEP7中完成程序的編寫,其中的部分變量表如圖2所示。
圖2STEP7中的變量表
根據生產的要求編寫上料的程序,這是溫度控制的基礎,因為進料數量的準確可以讓煅燒過程更平穩,產生的波動小,從而減少了生燒與過燒的發生,提高石灰石的利用率。如圖3所示,右邊的程序為大窯的石料稱重程序,PIW336為石料重量傳感器傳送給PLC的石料重量信號,經過轉換放置在DB3.DBD0中;左邊的程序為小窯的自動中斷程序,即當物料超過上限時,切斷卷揚機等設備。
圖3上料的部分程序
3 監控畫面設計
控制系統完成施工后,所有的控制和監視都可以在上位機的顯示器上操作,使用了與西門子PLC完全兼容的WinCC。WinCC是面向監控與SCADA的軟件工具,可以提供適合于工業動態流程圖的顯示,報警處理,顯示實時及歷史曲線圖,生產報表以及存貯等功能模塊,用高性能的過程耦合、快速的畫面更新以及可靠的數據使WinCC具有高度可視化和實用性[6]。
WinCC所集成的圖形、人機界面、數據庫、通訊等技術,使開發人員通過對話式的組態方式,完成監控軟件設計,使用者將PLC與WinCC結合就使的通訊就異常容易,將STEP7與WinCC組合,就很容易在工程中縮短調試時間[7]。此外,WinCC軟件是適合監控級應用的整體開放性軟件,各軟件提供企業都可以開發自己的應用軟件與WinCC的開放性接口相接。
系統工藝基本主流程圖如圖4中所示,動態顯示了石灰窯的現場工藝過程,包括上料過程、運行設備狀況等,這樣就可以及時準確掌握石灰石煅燒分解情況,并顯示故障進行實時診斷。
圖4上料的部分程序
在實際現場儀表的監控實現自動和手動兩種方式。在系統全部軟、硬件安裝調試時采用手動操作分步驗證。調試正常投入運行時采用自動操作,利用所設計的梯形圖控制程序自動實現精準控制,特別是稱重、流量等模擬量數據的精準控制。
在控制過程中,對于風壓、物料質量、燃料流量等重要的模擬量控制參數都進行主畫面實時報警,即實現參數超限聲光報警,用對話框形式提示故障原因,同時迅速自動調節至正常監控狀態。全過程實現過程變化預測的同時,也對各時段歷史曲線數據予以保存,對曲線分析比較后對溫度變量的變化趨勢作出相應的預測,如圖5所示。
圖5石灰窯煅燒溫度曲線
4 結語
該石灰窯控制系統采用了目前典型的工業控制方案,硬件與軟件分別選擇了S7-300PLC與WinCC,使用Profibus搭建了控制系統,完成了石灰窯生產中的上料、稱重、卸灰等一系列步驟降低了人工成本,提高了制糖石灰窯的工作效率,實現了整個石灰窯生產的實時狀態監控與數據管理,為相關制糖企業的石灰窯生產提供了參考。
參考文獻:
[1]馬吉.糖廠立式石灰窯的控制與調節[J].廣西輕工業,2010,(1):13-14
[2]施灝.貴糖270m3石灰窯技改項目優化設計及應用[D].廣西大學,2009
[3]大連輕工業學院,齊齊哈爾輕工業學院.甜菜制糖工藝學[M].北京:輕工業出版社,1982,55-240
[4]王華強.石灰窯生產過程控制系統[J].合肥工業大學學報(自然科學版),2006,(2):31-33
[5]張運剛.從入門到精通:西門子S7-300/400PLC技術與應用[M].人民郵電出版社,2009,100-320
[6]蘇昆哲.深入淺出西門子WinCCV6[M].北京航空航天大學出版社,2005,1-19
[7]劉華波,王雪,何文雪.組態軟件WinCC及其應用[M].機械工業出版社,2009,32-120
新疆烏魯木齊天山區新疆大學南校區電氣工程學院電氣085班830047
13579414730
sdwdnl@126.com
文章版權歸西部工控xbgk所有,未經許可不得轉載。