制糖石灰窑控制系统的设计与实现

　　0 引言

　　我国是生产和利用石灰最早的国家，石灰广泛应用于炼钢、建筑领域，同时在甜菜制糖工艺中有着重要的作用。在生产白糖的过程中，有一个很重要的步骤是糖汁清净，目前国内外甜菜糖厂一般都使用石灰和CO2作为澄清剂来生产高质白糖，用量一般为甜菜加工量的2～3%，主要用来在制糖生产中制成轻质碳酸钙后吸附去除制糖原料（甜菜）中的有害元素N、P、有机物等杂质。品质好、反应快的、反应彻底的石灰和CO2生产出来的轻质碳酸钙，可以提高清净速度，缩短清净时间，降低吨糖石灰石的消耗，减少色素及拟黑色素的残留，从而有效提高白糖产品质量[1]。所以，在甜菜制糖厂中石灰的需求量较大，为了降低生产成本，增加产品价格竞争力，甜菜糖厂一般都建有石灰窑用来生产制糖需要的石灰和CO2气体。

　　新疆某甜菜制糖企业日处理甜菜3100吨，一年可加工甜菜40万吨，其制糖生产中所需要的石灰主要由容量为150m3机械竖窑生产，主要燃料为煤气[2]。由于该石灰窑主要由人工操作，所以导致产生石灰成本高、产品质量不稳定等不利结果，为解决这一系列问题，决定采用先进的控制方式，集中控制石灰窑的整个生产过程，提高生产质量和产率，降低生产成本。

　　1 石灰窑的生产工艺

　　石灰窑的生产有着严格的流程，而且根据生产的地理环境和天气状况会有一些变化，经过技术人员多年的经验总结，在石灰窑生产中的主要操作步骤如下[3]：

　　⑴烘窑：首先把窑体内部清理干净，然后安装烘窑篦子框架，将约1方木材放入篦子之上，然后用明火点燃，致使火焰不断的燃烧，间断地加放木材，使窑内的温度逐渐地升高，将窑体内的潮气烘干，避免窑体内部的砖墙出现裂缝。烘窑时间5至7天，第一天温度控制在50度左右，第二天100度左右，第三天达到200度左右，第四天达到500至600度左右，直到结束，熄火降温，取出烘窑篦子，整个烘窑结束。

　　⑵装窑：首先窑体内部清理，卸灰盘表面清理，然后将石灰块注入卸灰盘上，装至到1层火眼以下（约80cm）铺平，然后将木材放入窑内石灰块之上，先装一层（约20至30cm），然后在一层火眼两端之间留40至50cm宽的通道，通道两侧向上继续整齐摆放木材，直至一层火眼之上，高于火眼20至30cm，然后用木材将上端全面封死，继续摆放木材，直至二层人孔门上1到2米，点窑木材装完后，将人孔门完全封闭。

　　⑶点窑：先用柴油将刨花浸泡（约50Kg刨花，15Kg柴油），目的是容易点燃木材，将浸泡过的刨花从一层火眼塞入预留好的木材通道，在点燃前将易燃的柴油汽油（柴油：5Kg；汽油：5Kg）混合喷入一层火眼内，准备好点燃的木把（约1.5米长）两根，大布两块，用大布缠在木把的一端，浸上柴油；瓦斯泵开启后，窑体内的抽气量正常后，开始将浸好油的木把点燃，从一层火眼两端将火把塞入木材通道内，开始燃烧。木材开始不断地燃烧，窑内的温度逐渐地升高，窑体内的石料逐渐下降，视窑体内的情况，逐渐上料，使窑体内的料位保持正常范围内（布料器以下2米左右），直至木材完全烧尽，煤气开始进入，将火位逐渐升高，火位保持在5层可开始卸料，卸料温度控制在100度左右。

　　点窑之后的步骤就是提高煅烧温度并保持，石灰窑在上料和出灰等步骤中多是数字量的直接逻辑控制，把人工控制方式改为PLC控制方式后，效率预计将达到最佳状态，所以在此就不再累赘。窑内煅烧温度的控制是本课题关注的重点，现将石灰窑温度的控制要求和步骤作如下说明：一层次温度控制在200左右度；二层控制在500度左右，三层控制在900度左右，四层控制在1000度左右，五层控制在900度左右，窑气出口温度控制在100度左右，燃烧正常后，可将一层温度保持在100度左右，煅烧层控制在3至5层范围内，煅烧温度控制在1000±12度范围内。泵房的基本构成如图1所示，为了保证系统工作的工作效率和稳定性，采用了2条并行的输水线路选择性的工作。同时，在水源的水进入抽水系统前，经过一个过滤池，去除水中存在的各种杂物，保证系统工作时的安全。

　　2 石灰窑控制系统的构成

　　根据各个部分在系统中的作用不同，整个控制系统分为3层：管理层、控制层、设备层。上位机IPC的主要功能是通过组态软件的在线监控，管理底层的生产设备及其运行状态；S7-300PLC的各个模块作为核心控制器，完成设备状态信息的采集，经过逻辑判断和数据分析处理，实现自动化生产；底层设备主要功能是现场状态信息的信号转换、工序执行等。上位机与S7-300CPU模块之间和CPU与远程接口ET200M站之间的通信方式均为Profibus总线，系统的三层结构如图1所示[4][5]。

图1石灰窑控制系统的结构

　　石灰窑温控系统的开关量逻辑控制包括进料、卸灰，同时还将执行机构出错报警、物料质量上限报警、空气压力信号报警作为中断条件，与运行中的电机等设备实现联锁控制，如石灰窑进料过程中，称重斗闸门开启；当物料质量超过上限时，自动关闭物料断输送斗车等。这些逻辑控制在STEP7中完成程序的编写，其中的部分变量表如图2所示。

图2STEP7中的变量表

　　根据生产的要求编写上料的程序，这是温度控制的基础，因为进料数量的准确可以让煅烧过程更平稳，产生的波动小，从而减少了生烧与过烧的发生，提高石灰石的利用率。如图3所示，右边的程序为大窑的石料称重程序，PIW336为石料重量传感器传送给PLC的石料重量信号，经过转换放置在DB3.DBD0中；左边的程序为小窑的自动中断程序，即当物料超过上限时，切断卷扬机等设备。

图3上料的部分程序

　　3 监控画面设计

　　控制系统完成施工后，所有的控制和监视都可以在上位机的显示器上操作，使用了与西门子PLC完全兼容的WinCC。WinCC是面向监控与SCADA的软件工具，可以提供适合于工业动态流程图的显示，报警处理，显示实时及历史曲线图，生产报表以及存贮等功能模块，用高性能的过程耦合、快速的画面更新以及可靠的数据使WinCC具有高度可视化和实用性[6]。

　　WinCC所集成的图形、人机界面、数据库、通讯等技术，使开发人员通过对话式的组态方式，完成监控软件设计，使用者将PLC与WinCC结合就使的通讯就异常容易，将STEP7与WinCC组合，就很容易在工程中缩短调试时间[7]。此外，WinCC软件是适合监控级应用的整体开放性软件，各软件提供企业都可以开发自己的应用软件与WinCC的开放性接口相接。

　　系统工艺基本主流程图如图4中所示，动态显示了石灰窑的现场工艺过程，包括上料过程、运行设备状况等，这样就可以及时准确掌握石灰石煅烧分解情况，并显示故障进行实时诊断。

图4上料的部分程序

　　在实际现场仪表的监控实现自动和手动两种方式。在系统全部软、硬件安装调试时采用手动操作分步验证。调试正常投入运行时采用自动操作，利用所设计的梯形图控制程序自动实现精准控制，特别是称重、流量等模拟量数据的精准控制。

　　在控制过程中，对于风压、物料质量、燃料流量等重要的模拟量控制参数都进行主画面实时报警，即实现参数超限声光报警，用对话框形式提示故障原因，同时迅速自动调节至正常监控状态。全过程实现过程变化预测的同时，也对各时段历史曲线数据予以保存，对曲线分析比较后对温度变量的变化趋势作出相应的预测，如图5所示。

图5石灰窑煅烧温度曲线

　　4 结语

　　该石灰窑控制系统采用了目前典型的工业控制方案，硬件与软件分别选择了S7-300PLC与WinCC，使用Profibus搭建了控制系统，完成了石灰窑生产中的上料、称重、卸灰等一系列步骤降低了人工成本，提高了制糖石灰窑的工作效率，实现了整个石灰窑生产的实时状态监控与数据管理，为相关制糖企业的石灰窑生产提供了参考。

　　参考文献：

　　[1]马吉.糖厂立式石灰窑的控制与调节[J].广西轻工业，2010，(1)：13-14

　　[2]施灏.贵糖270m3石灰窑技改项目优化设计及应用[D].广西大学，2009

　　[3]大连轻工业学院，齐齐哈尔轻工业学院.甜菜制糖工艺学[M].北京：轻工业出版社，1982，55-240

　　[4]王华强.石灰窑生产过程控制系统[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2006，(2)：31-33

　　[5]张运刚.从入门到精通：西门子S7-300/400PLC技术与应用[M].人民邮电出版社，2009，100-320

　　[6]苏昆哲.深入浅出西门子WinCCV6[M].北京航空航天大学出版社，2005，1-19

　　[7]刘华波，王雪，何文雪.组态软件WinCC及其应用[M].机械工业出版社，2009，32-120

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