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

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