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1、精选优质文档-倾情为你奉上新兴石灰回转窑生产线控制系统 关键字：回转窑 自动化控制 摘要：回转窑石灰工艺比较复杂，产品产量、质量受原料情况、物料运动速度、煅烧温度、燃料供给、助燃风、主抽风等各项工艺参数及窑内工况综合影响。新兴河北工程技术有限公司在多年的石灰回转窑生产线总承包中积累了丰富的经验。本文结合新兴石灰回转窑工艺，提出了多回路控制策略，在回转窑多回路控制系统中，关键的控制方式是由多个测量值、多个调节器、补偿器和解耦器等组成多回路控制系统。在回转窑多回路控制系统中，采用串级控制是改善调节过程较为有效的方法。回转窑控制系统中，煅烧带为主控制调节，一次风变频调节量和主抽风变频调节量为副控制调
2、节。在实践过程中，通过煅烧窑燃烧装置和控制系统，对物料煅烧过程及回转窑煅烧区域温度进行控制，使煅烧窑内的物料按照预定的曲线升温，石灰石得以在预定的温度曲线下完成分解过程，生产出优质的成品灰。一、 引言石灰回转窑生产控制工艺比较复杂，产品产量、质量及煅烧实收率受原料供给量、物料运动速度、煅烧带温度、燃料供给量、助燃一次风量、二次风量、窑头窑尾负压等各项工艺参数及窑内工况的综合影响，就成品质量而言，如果没有一套完善的窑内情况自动化监控系统，煅烧温度、窑头窑尾负压、原料供给量、燃料补给量、助燃风量、物料运动速率等各项工艺参数不能达到良好配置，在实际生产中，只依据操作人员的实际经验进行调整，往往存在煅
3、烧带温度，窑头窑尾负压，给料量，窑体转速，一二次风及燃料配比，煅烧带稳定性等不合理，不规范现象。易造成产品灰过烧、欠烧，同时对窑内衬寿命、燃料消耗、窑尾烟气净化、窑体转动、机械设备运转都带来不利影响。因此，对于降低生产成本、提高产品质量、减少环境污染和资源消耗只能通过全流程自动控制系统的优化设计来实现。采用计算机控制系统是对石灰焙烧过程实现成功控制的关键，采用新的合适的控制结构过程综合自动化系统是解决上述问题的关键。采用过程控制、过程优化的综合自动化系统。二、 新兴石灰生产线过程自动化系统的实现经过筛选过的合格的原料经上料皮带或料车进入原料预热器，根据预热器内原料料位自动控制上料系统的运行，经
4、过预热的原料根据预先设定的产量由预热器液压推杆均匀推入回转窑内，与此同时回转窑的转速、燃料的供给、一次风量、二次风量、窑尾主抽风量也随之变化，达到动态平衡。2.1新兴石灰回转窑的主要技术参数石灰回转窑控制系统是对整个生产过程工艺实行监控，根据工艺规范和回转窑的煅烧温度需求，进行动态调节控制，使其在工艺要求的升温曲线和负压范围内对回转窑内的石灰石进行干燥、加热、煅烧和冷却段的控制。并对煅烧过程优化燃气配置功能。回转窑实际控制点和测量点如表1所示。序号 名 称参 数1预热器料位2回转窑尾温度3回转窑头温度4煅烧带温度5窑尾压力6窑头压力7燃料流量8燃料压力9一次风流量10二次风流量11窑尾风机转速
5、12回转窑转速13冷却器出料温度14燃料燃值在线数据15回转窑产能在回转窑正常生产情况下，系统的调节器众多，仅依靠独立闭环的单回路控制系统是不可能实现最优生产控制的。另外，主要调节对象（产量、窑转速、燃料供给量、一次风、二次风、窑尾风机转速等装置控制）都是动态调节，其动态特性决定了它的控制复杂性，且生产工艺对调节质量的要求又较高。因此，只有采用多回路控制系统才能完成回转窑的最佳生产状态调节控制任务。2.2控制系统结构随着石灰生产过程回转窑控制技术的改进，其过程控制向着大型、连续和多复合功能方向发展，对生产工艺操作规程的要求更加严格，参数间相互关系更加复杂。产品的品质指标的不断提高，直接要求控制
6、系统的精度和功能均要有较大的提升，同时对能源消耗和环境污染也有明确的限制。在这种情况下，回转窑控制系统必须采取新型控制方式多回路控制系统。回转窑煅烧过程控制系统结构如图1所示。图1回转窑煅烧过程控制结构2.3控制策略回转窑控制系统调节对象的动态特性决定了其控制的复杂性，而工艺指标对调节质量的要求又很高。从回转窑控制单元器件而言，调节对象的动态特性虽然并不复杂，但控制的关联性却高度集中，故单回路控制系统（是指用1个调节器、1个输入信号、1个闭环控制。）难以满足工艺生产要求。在回转窑多回路控制系统中，关键的控制方式是由多个测量值、多个调节器、补偿器和解耦器等组成多回路控制系统。在回转窑多回路控制系
7、统中，采用串级控制是改善调节过程较为有效的方法。回转窑控制系统中，煅烧带为主控制调节，一次风变频调节量和主抽风变频调节量为副控制调节。物料自回转窑尾部下料溜子进入窑体，经煅烧后从窑头底部排料口排出，其煅烧过程中产生的热量在负压作用下经过除尘器、烟道外排。为了保证煅烧产品质量，必须严格控制煅烧最高温度。引起煅烧热力场温度变化的扰动因素主要来自2个方面：物料和助燃风量。在物料方面主要是物料下料流量、物料入口温度、物料化学成分和物料停留时间；在助燃风量方面主要是一次风量偏差、二次风量偏差和漏风量。这些扰动量，由于作用地点不同，其对煅烧温度的影响也不一样；当石灰石下料流量波动时，会造成水分干燥段温度的
8、波动。因此，设计煅烧带（即负压）控制为主控制回路，二次风为副控制回路，窑体变频转速为辅助主变频控制回路，能够较好地满足回转窑的控制工艺要求。在回转窑串级控制中，采用了三级调节控制，这三级调节器串在一起，各有其自己的温升状态响应。主抽风调节器为前端的控制，负责物料波动时的“粗调”，而二次风调节器担负物料波动较大情况下的调整，负压为最后的稳定调整。这样就可以在物料方面发生扰动时，能够快速把煅烧温度调节到最佳的状态段内。2.4回转窑煅烧控制原理随着生产过程向着大型、连续和高控制方向发展，对操作条件要求更加严格，参数间相互关系更加复杂，对控制系统的精度和功能有相当多的要求，对能源消耗和环境污染也有明确
9、的限制。这种多回路测量值、多调节器和解耦器组成的控制系统。其回转窑煅烧带优化控制原理如图2所示。燃料控制系统主抽风调节变频器窑尾温度测量系统燃烧带温度测量主抽风调节变频器主抽风调节变频器主给定下料量波动其它扰动燃烧带温度-图2回转窑煅烧带优化控制原理在回转窑煅烧带控制系统中，主环（PI调节）和副环（PID调节）的波动频率不同，副环频率较高，主环频率较低。在整定时，要尽量加大副调节器的增益以提高副环频率，目的是使主、副环的频率错开，各层副环频率的要求最好相差三倍以上，以减少相互之间的影响。预测控制优点诸多：首先，采用滚动优化的控制策略，通过预测值设计控制算法。预测控制就是不断修正控制作用，在每一
10、步都向最优的目标前进，其目标是随时调整。虽然滚动优化控制的结果可能并非最优，但由于能够适应模型失配、扰动影响诸多因素。因此，是预测控制具有很强的适应性；其次，预测控制采用预测模型。它既产生被控变量的预估值，同时又作为控制器的设计依据。当模型与被控对象一致时，能够使两者的误差为零，当模型失配时，能够通过反馈校正，及时调整失配程度。故预测控制具有良好的鲁棒性；2.5煅烧带正常生产控制量在煅烧动态区域控制系统中，根据预设的产量控制燃烧系统的给气量和窑体转速。同时监控煅烧带温度、窑尾温度，如果煅烧带最高温度变化低于1250，则启动燃气燃烧系统调节燃料供给及助燃风的供给；若窑尾温度低于800，则适当加大
11、引风量，使煅烧带后移；否则，就适当减小引风量。根据物料排料温度参数、煅烧带高点温度、窑尾温度和窑内负压引力参数，通过控制状态的解析，发出控制二次风供给风量的调节指令，驱动执行机构，完成该系统控制。三、 系统实现在回转窑煅烧过程中，通过煅烧窑燃烧装置和控制系统，对物料煅烧过程及回转窑煅烧区域温度进行控制，使煅烧窑内的物料按照预定的曲线升温，石灰石得以在预定的温度曲线下完成分解过程，生产出优质的成品灰。3.1系统硬件结构系统的硬件结构包括：监控计算机（2台）工业用计算机，计算机控制系统采用SIEMENS公司的S7-400系统，包括CPU模块，电源模块，开关量输入输出模块，模拟量输入、输出模块、控制
12、网(Industrial EHTERNET)通讯模块、设备网(Profibus)通讯模块等。其系统内通过控制网通讯模块进行通讯，控制室上位机设有以太网网通讯接口，为今后实施设备网络化管理提供方便；智能优化程序将计算结果通过控制网传至各分控制站。中央监控机直接通过控制网与各分站PLC进行信息交换。其控制分站有上料系统、下料系统、窑控制系统，燃烧系统、成品系统、循环水系统等6个站组成；回转窑中央控制站实现对回转窑燃烧带温度、进料温度和冷却窑温度的检测。各控制站通过独立的控制功能实现本系统内所有控制装置的控制参数的给定、状态参数的显示（如变频器的频率设定和状态监测），并将相关数据通过网络传输给回转窑
13、煅烧控制中央上位机。3.2系统软件结构整个控制系统所使用的软件选用Simens公司的产品，编程软件由Step70和WinCC两部分组成，其中Step7-v5.4为PLC软件开发环境，WinCC6.2为监控画面开发环境，Step7系统的结构体系是一个技术先进的控制平台，它集成了多种控制功能：顺序控制，过程控制，运动控制等。Step7系统是模块化的，根据其内存量、控制器个数和网络类型均可通过实际应用具体选择大小、类别。这种柔性结构能实现在同一个机架内使用多个控制器、网络通讯及I/O模块。并在多个控制器之间分配资源和划分任务。 WinCC是一个功能强大的控制系统监控软件，可以按用户的要求编制监控程序
14、及友好的操作界面。可以编制复杂的计算处理程序，智能优化模型的开发就是基于VBA软件设计的。本系统中监控画面的主要组成是：回转窑煅烧工艺流程图、自动控制参数总览、设定值及PID参数控制面板、设备运行状态图、故障报警画面等模拟状态图。通过这些操作界面，能准确、及时地实现回转窑煅烧总系统过程的远程监控和操作，实时监视回转窑煅烧工艺中的温度、压力、流量等关键部位参数变化趋势，对设备异常、故障报警及时显示，可以使操作员随时对现场进行生产过程进行准确判断和干预。四、 应用效果回转窑控制是石灰煅烧生产过程控制的关键。回转窑生产过程输入有下料量、空气量、燃料；输出有窑头温度、煅烧带温度和出料温度。输入与输出之间具有强耦合，过程机理复杂，而且不确定因素多。此外，石灰石特性和含水量高低的不同，燃料流量的波动，一次风二次风的给定变化，煅烧带实际温度在线测量困难等因素的存在，使得回转窑煅烧带控制任务更加复杂，合理的系统结构及先进的控制技术是保证可靠控制的关键。回转窑煅烧过程实现智能优化过程控制，通过对回转窑煅烧过程的煅烧带温度、燃料给定量、一次风量、二次风流量、主抽风量、回转窑转速的优化控制，达到了石灰石较为理想的煅烧过程控制目的。专心-专注-专业