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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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