（控制理论与控制工程专业论文）水泥回转窑生产过程控制系统设计研究.pdf

摘要 水泥生产中，水泥回转窑的工作过程属于复杂的热工反应过程，是水泥生 产的核心部分，对水泥回转窑的自动控制可保证生产的“均衡稳定”与设备的 安全运行，使生产过程经常处于最佳状态，达到优质、高效、低消耗的目的。 髫前，国内各大、中型水泥厂水泥回转窑的闭环控制回路仍普遍采用传统的p i d 控制，参数难以整定，控制效果不够理想。本课题采用两级d c s 控制系统，改 进控制策略，实现水泥回转窑生产的自动控制，对工艺要求的一些重要参数进 行自动监控。 本课题针对水泥回转窑生产的工艺要求提出系统控制方案，下位机( p i 。c ) 负责完成数据的采集和处理，并接受上位机指令向模块输出信号去完成各种控 制功能，上位机( 工控机) 完成生产工艺过程的监视、操作、控制，系统通讯 通过c o n t r o l n e t 网络实现，完成下位机p l c 与上位机工作站之间的信息交换； 对预热器五级筒出口气体温度改进传统p i d 控制方式，引入先进控制策略，进 行模糊p i d 控制算法的研究与设计，获褥了动态响应快、超调量小、温度控制 稳定的良好效果；对控制系统的硬件和软件进行设计，完成了工控机和p i 。c 的 选型及配置，重点对下位窑尾窑中和窑头两个控制站的模拟、数字信号做出p l c 连接图，进行地址分配，完成了下位机控制程序流程图及调节回路控制框图的 设计，对系统监控界面做出了设计，通过8 幅工艺流程界面，可实现水泥回转 窑生产过程的监控、进行p i d 参数的调整，并可对各工艺、电气参数的实时趋 势及历史趋势进行观察、打印，自动生成生产报表等并打印，还具有对工艺及 电气故障进行实时报警的功能，通过显示屏显示报警信息，并可通过声音进行 报警。 关键词：水泥回转窑、过程控制、p l c 、工控机、模糊p i d 、监控 a b s t r a c t t h ep r o c e s so f t h ec e m e n tr o t a t i v es t o v ei st h ec o r ep a r to f t h ec e m e n tp r o d u c e ， w h i c hb e l o n gt h ec o m p l e xh e a tr e a c t i o np r o c e s s t h ec o n t r o lo ft h ec e m e n tr o t a t i v c s t o v en o to n l ye n s u r eb e t ht h es t a b i l i z a t i o no fp r o d u c ea n de q u i p m e n t ss a f e t y ，b u t m a k et h ep r o c e s so fp r o d u c et ot h eb e s tp o i n t ，w h i c hc a nr e a c ht ot h ea i mo fh i g h q u a l i t y , h i g he f f i c i e n c y ，l o wc o n s u m p t i o n n o w , t h ec e m e n tr o t a t i v es t o v e sc l o s e d l o o pu s et r a d i t i o np i dc o n t r o ls t r a t e g yi nt h en a t i o n i ti ss od i f f i c u l tt oa s c e r t a i nt h e p a r a m e t e ro fs y s t e mt h a tc a l l tr e a c ht ot h ei d e a le f f e c t t h i sp a p e ru s et w oc l a s sd c s c o n t r o ls y s t e mt oi m p r o v ec o n t r o ls t r a t e g y , w h i c hc a l lr e a l i z et h ec o n t r o lo ft h e p r o c e s so f t h ec e m e n tr o t a t i v es t o v ea n ds u p e r v i s et h er e q u e s tp m m n e t e r a c c o r d i n gt ot h et e c h n i c a lr e q u e s to fc e m e n tr o t a t i v es t o v e ，t h i sp a p e rp r e s e n t s ac o n t r o ls t r a t e g y p l cc o m p l e t et h ec o l l e c t i o na n dd i s p o s eo fd a t a , a n da c c e p t c o m p u t e r si n s t r u c t i o ns ot h a tc a l le x p o r ts i g n a lt oc o m p l e t ek i n d so fc o n t r o lf u n c t i o n t h ei n d u s t r i a lc o n t r o l c o m p u t e rc o m p l e t e t h es t a k e o u t , h a n d l ea n dc o n t r 0 1 c o n t r o l n e tr e a l i z et h es y s t e mc o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ne x c h a n g ei np l ca n d c o m p u t e r a c c o r d i n gt ot h er e q u e s to fg a st e m p e r a t u r e ，t r a d i t i o np i dc o n t r o ls t r a t e g y i s i m p r o v e dt h r o u g hu s ef u z z yc o n t r o ls t r a t e g y t h ef a s td y n a m i cr e s p o n da n d s t a b i l i z a t i o nt e m p e r a t u r ec a nb eo b t a i n e dt h r o u g hu s e dt h ef u z z yp i dc o n t r o ls t r a t e g y t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ed e s i g n e d p l cc o n n e c tc h a r ti sc o m p l e t e df o rt h e a n a l o g i c a la n dd i g i t a ls i g n a lo ft w oc o n t r o ls t a t i o n t h ep r o g r a mf l o wc h a r t ，a d j u s t l o o pc o n t r o lf r a m ec h a r t , a n dc o n t r o li n t e r f a c ea r ed e s i g n e d t h es t a k e o u ta n dc o n t r o l o fc e m e n tr o t a t i v es t o v e p r o d u c ep r o c e s s ，a n dt h ea d j u s to fp i d p a r a m e t e rc a nb e r e a l i z e dt h r o u g he i g h tc r a t h v o r ki n t e r f a c e i ta l s oc a no b s e r v ea n dp r i n tt h ec u r r e n t a n dh i s t o r i c a lc i r c u m s t a n t i a l i t i e so fk i n g so ft e c h n i c s ，e l e c t r i cp a r a m e t e r s w h e nt h e t e c h n i c sa n de l e c t r i cf a u l to c c u r r e d ，t h es c r e e nc a nd i s p l a yt h em e s s a g eo f f a u l t ，a tt h e s a n l et i m es o u n di sg i v eo 任 k e yw o r d ：t h ec e m e n tr o t a t i v es t o v e ；p r o c e s sc o n t r o l ；i n d u s t r i a lc o n t r o l c o m p u t e r ；, p l c ；f u z z yp i d ；s t a k e o u ta n dc o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘璧或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 耖巷& 签字日期：三一西年月币曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁壅盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫撼等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：；沙l 甏， 导师签名 签字日期：动o 年月千日 签字日期： f 月4 日 第一章绪论 1 1 水泥回转窑溉述 第一章绪论 水泥生产过程由四大部分组成，它们形成了四条连续生产线：原料预处 理生产线( 预均化、破碎、烘干等) ：生料制备生产线( 配料、粉磨、均化等) ； 熟料煅烧生产线( 分解、预热、煅烧、煤磨等) ；水泥制成生产线( 水泥配 料、粉磨、包装等) 。 其中，熟料煅烧生产线，指从生料入库到熟料冷却入库的生产过程，从地 理位置上包括三个区域：窑头区、窑尾区及煤磨区，它是水泥生产的核心部分。 水泥熟料的煅烧是水泥生产中最重要的工艺环节，所用的设备水泥工 业窑，常被称为水泥厂的心脏。它分为立窑和回转窑两大类，目前，我国大、 中型水泥厂一般采用回转窑，在国外立窑已被淘汰，全部采用回转窑。水泥熟 料煅烧比较先进的工艺技术是：新型千法窑外分解技术，是目前大型水泥企业 广泛采用的技术。本课题的工业应用对象就是采用这种技术的回转窑带窑 外分解炉的干法回转窑。 生产水泥熟料，普遍采用的主要原料是石灰石、粘土和铁粉( 煅烧时还要 掺入煤灰) ，将这些原料按一定比例配合粉磨后，制成生料，然后，以煤为燃料 用水泥回转窑对生料连续加热，使其经过系列物理化学反应变成熟料，再连 续冷却，即制成熟料。整个熟料生产过程可以分为六个阶段：水分蒸发( 进 行生料烘干) ；粘土质原料脱水( 加热发生脱水反应) ：碳酸盐分解( 熟料 形成过程中消耗热量最多的一个过程，是水泥熟料生产中重要的一环) ；固相 反应( 放出一定的热量) ；硅酸三钙的形成和烧结反应( 决定熟料质量的关键 过程) ；熟料冷却( 对熟料质量和回收热薰有着重要的意义) 。 水泥回转窑是一个旋转的倾斜圆柱体( 斜度一般在2 。5 。) ，生料由窑 体的高端( 一般称为窑尾) 加入，由于窑体具有一定的斜度且不断回转，所以 物料由高端向低端( 一般称为窑头) 逐渐运动。 窑内的热源主要来自于窑头，将煤事先经过烘干，再经细磨制成粉状，用 鼓风机由窑头向窑尾方向喷入，同时也向分解炉中喷入。窑煤与炉煤的比例一 般是4 ：6 。 第一章绪论 燃烧用的空气由两部分组成，一部分是预先和煤粉混合并起输送作用的空 气，称之为“一次风”，一般占总空气量的1 5 3 0 。大部分空气是经预热到 定温度( 一般6 0 0 ( 2 左右) 进入窑内的，这部分空气叫做“二次风”。对于带窑 外分解炉的回转窑，冷却机内出来的热风中有一部分进入分解炉，被称为“三 次风”。 煤粉在一次风作用下，由窑头吹入窑内，通过具有定温度的二次风助燃， 使煤粉在窑内充分燃烧，形成高温火焰( 一般可达1 6 0 0 。c 1 7 0 0 。c ) ，放出大量 热量。高温气体在窑尾拂风机的抽引下，沿着回转筒体向窑尾流动，它和煅烧 熟料产生的废气一起经过收尘净化后排至大气中。 高温气体和物料在窑体内是向相反方向运动的。在运动过程中进行热量交 换，物料接受高温气体和高温火焰传给的热量，经过一系列的物理化学反应后， 被煅烧成熟料。熟料进入冷却机，遇到冷空气，又进行热交换，本身被冷却并 将空气预热。作为二次风进入窑内。 根据熟料生产的六个过程，回转窑可以分为干燥、预热、分解、放热、烧 成及冷却等六个带。其中干燥、预热在预热器进行，物料分解在分解炉进行( 入 窑分解率可达8 0 9 0 ) ，窑内只进行小部分分解反应和放热反应、烧结反应、 熟料冷却。烧成带是煅烧过程的关键部分，其间物料直接受火焰加热，物料温 度达1 3 0 0 1 4 5 0 ( 火焰最高温度可达1 7 0 0 ( 2 ) ，出现液相，生成硅酸三钙 并形成熟料。物料在烧成带中停留的时间与诸多因素有关，一般约为1 0 分钟 2 0 分钟。 水泥回转窑的工作过程就是通过燃料燃烧、热量交换、物料输送三方面的 作用，将生料煅烧为熟料的过程。 回转窑煅烧熟料的质量与产量，除与配料、设备等因素有关外，在相当大 的程度上取决于回转窑的操作与控制。 1 2 生产过程工艺简介 窑煅烧系统的主要关键设备有：生料计蠡称、高效斗提机、窑主机、蓖冷 机、窑头冷却风机、高温风机、煤粉喂料计量称。水泥回转窑生产工艺流程示 意图如图卜1 所示。生料均化库中生料经卸料、计量系统，再经气力输送和商 效斗提机喂入c 1 c 2 筒的连接管道，然后被由c 2 级筒来的热风带入c 1 级筒加 热：物料到c 4 级筒被加热到大约7 8 0 ( 2 分离后，由设在c 4 简下面的分料挡板把 第一章绪论 物料分为两路，大约5 0 进入窑尾上升管道，5 0 9 6 进入分解炉内；在分解炉涡旋 室上部设四根喷煤嘴，喷入煤粉：物料在分解炉内几乎全部完成分解后，进入 c 5 简分离入窑；从冷却机抽来的热风进入分解炉涡旋室，然后随烟室来的烟气 一起进入分解炉。在窑尾烟室和分解炉之间的上升管道及三次风管j 二，均设置 风量调节挡板，以控制两者风量的平衡。分解炉排出的烟气经c 5 、c 4 、c 3 、 c 2 、c 1 级旋风筒加热物料，c l 级出口气体温度大体降到3 4 5 ，通过管道由主 排风机排走。在c 1 c 2 级筒的连接管道上设有冷风门，必要时可作为烟囱使用， 此外，在c 1 级筒出口气体超温时，亦可由此吸入冷风以降低废气温度，保护主 排风机安全。经预热器、分解炉后大体完成了碳酸盐分解的物料进入窑体进行 煅烧，煅烧后的熟料进入窑头蓖冷机系统进行熟料冷却，再经盘式输送机输送 到熟料储库”。 1 3 本课题研究内容与研究方法 水泥生产中，用于熟料煅烧的水泥回转窑的工作过程属于复杂的热工反应 过程，是水泥生产的核心部分，也是最重要的工艺环节，对水泥回转窑工况的 自动控制可保证生产的“均衡稳定”与设备的安全运行，使生产过程经常处于 最佳状态，达到优质、高效、低消耗的目的。目前，国内各大、中型水泥厂水 泥回转窑的工艺参数闭环控制回路仍普遍采用传统的p i d 控制，参数很难整定， 控制效果不够理想。为提高自动化水平和水泥产品质量，本课题拟采用计算机 对锻烧生产过程进行实时控制，并改进控制策略，引入智能控制算法，对其主 要控制参数采用模糊p i d 控制方式。本课题的研究将对水泥工厂自动化水平的 提高起到一定的推动作用。 本控制系统对水泥回转窑各生产设备进行自动控制、对备监控参数进行实 时监控、对主要参数实行f u z z y - p i d 控制策略，主要完成了以下工作： ( 1 ) 硬件设计 实现回转窑监控系统主要功能的系统结构设计、相关电路图及框图绘制。 ( 2 ) 模糊p i d 控制算法设计 针对主要控制参数制定模糊控制规则及模糊控制查询表，编制控制程序流 程图，完成算法设计。 ( 3 ) 软件设计 编制上位机工作站及下位机p l c 软件程序”1 “。 第一章绪论 蒜匠昂虫 匝糍惜裂爆翊j镟刊葡车毒匦熙*i_一匝 第二章水泥回转窑生产过程控制方案 第二章水泥回转窑生产过程控制方案 本设计中，采用带窑外分解的干法生产回转窑，有1 6 5 个工艺参数和过程 变量需要进行检测。从各个工艺参数的个别角度观察，这些参数是独立存在， 各有作用，但是从窑系统整体观察，各个参数又是按热：【制度要求，按比例平 衡分布，互相联系，互为因果。因此，实际生产中，只要根据工艺规律要求， 抓住关键，监控若干主要参数，便可控制生产，满足要求。本课题中结合某水 泥厂的实际监控参数，得到1 4 7 个监测量和1 8 个控制量，对它们实行监控，可 保证窑系统热工制度的稳定，实现持续地均衡稳定运转。 2 1控制特点及工艺要求 为保证窑系统的良好的燃料燃烧和热传递条件，从而保证窑系统的最佳的 稳定的热工制度，在生产中必须做到生料化学成分稳定、生料喂料量稳定、燃 料成分稳定、燃料喂入量稳定和设备运转稳定，即“五稳保一稳”。这是水泥生 产中一条最重要的工艺原则。水泥窑生产，只有做到“五稳保一稳”，才能保证 各个技术参数经常处于最佳值，生产经常处于最佳状态，才能取得最佳的经济 效益。热工制度不稳，轻者会打乱正常的生产秩序，严重时则会造成预热器系 统的粘结堵塞，甚至威胁设备安全。 “均衡稳定”与生产过程自动化互为因果，只有实行生产过程的自动控制， 才能保证生产的及时灵敏地调节，促进生产的“均衡稳定”；也只有生产的“均 衡稳定”才能满足自动化装置的工作条件，为自动化装置的正常使用打下基础i 。 1 本课题中工艺要求的模拟量输入、模拟量输出、数字量输入、数字量输 如点数如下： a i 点数：1 6 5 个( 窑头7 1 个，窑尾9 4 个) ； a o 点数：3 2 个( 窑头1 9 个，窑尾9 4 个) ； d i 点数：2 8 2 个( 窑头6 3 个，窑尾2 1 9 个) ； d o 点数：1 6 3 个( 窑头7 2 个，窑尾9 1 个) 。 模拟量输入信号包括设备调速、挡板开度、温度、压力、流量、电机功率、 电机电流等信号的输出给定；模拟量输出信号包括设备调速、挡板开度等信号 第二章水泥回转窑生产过程控制方案 的输出给定：数字量输入信号包括备妥、设备运行、故障、各种限位开关、保 护开关等发出的信号；数字量输出信号包括各台设备的驱动信号。 2 窑系统要求的重要工艺联锁： ( 1 ) 主风机停联锁状态：生料喂料秤停，分解炉喂煤秤停，窑头喂煤秤降至 2 t h ，窑转速降至最低( 0 4 r m i n ) ，蓖冷机6 台冷却风机全停，增湿塔水泵停。 ( 2 ) 窑头喂煤秤组停( 同窑头一次风机停) 联锁状态：窑转速降至最低 ( 0 4 r m i n ) ，生料喂料秤停，分解炉喂煤秤停，增湿塔水泵停。 ( 3 ) 分解炉喂煤秤停联锁状态：生料喂煤秤减到4 0 2 ( 2 t h ) ，窑转速降至 0 8 r m i n ( 注意此联锁必须在3 0 秒内执行完毕) 。 ( 4 ) 窑主机停联锁状态：生料喂料秤停，分解炉喂煤秤停，窑头喂煤秤降至 最低( 2 t h ) ，液压挡轮泵停，增温塔水泵停。 ( 5 ) 窑尾e p 风机停联锁状态：主风机停，立磨循环风机停。 ( 6 ) 窑头e p 风机停联锁状态：蓖冷机6 台冷却风机全停，生料喂料秤停， 分解炉喂煤秤停，窑转速降至最低( 0 4 r m i n ) ，窑头曜煤秤降至最低( 2 t h ) ， 增湿塔水泵停。 ( 7 ) 窑供料高效斗提机停联锁状态：分解炉暖煤秤停，窑头喂煤秤降至最低 ( 2 t h ) ，窑转速降至最低( 0 4 r m i n ) ，斜耩风机停，生料暖料秤停，增湿塔 水泵停。 ( 8 ) 生料喂料秤停联锁状态：分解炉喂煤秤停，窑头喂煤秤降至最低( 2 t h ) ， 窑转速降至0 8 r m i n ，增湿塔水泵停。 ( 9 ) 蓖冷机推力棒停联锁状态：窑转速降至最低( 0 4 r m i n ) 。 a o ) 熟料输送机停联锁状态：蓖冷机推力棒停，窑转速降至2 o r m i n 。 0 u 熟料破碎机停联锁状态：蓖冷机推力捧停，窑转速降至2 o r m i n 。 3 窑系统控制参数： 生料下料量( 两个控制回路) ；标准仓仓重：分解炉三次风量：高 温风机风量；预热器五级筒出口气体温度：蓖冷机一室压力；窑头负压： f 1 f 1 0 风机风量( 1 0 个控制回路) 。 2 2 重点监控工艺参数 1 烧成带温度 一般烧成带物料温度需达1 3 0 0 1 4 5 0 才能顺利进行烧结反应。烧成带温 第二章水泥回转窑生产过程控制方案 度监测，用三种方法综合判断： 用工业电视一台监测观火或用辐射高温计检测；测窑尾烟气中的n ( ) x 的浓度；测窑转动力矩。 2 窑尾烟气温度 一般控制在9 5 0 1 1 0 0 。c 。用热电偶或辐射高温计测量。同烧成带温度一起， 表征窑内各带热力分布状况，同最上一级旋风筒出口气体温度( 或连同分解炉 出口气体温度) 一起表征预热器系统的热力分布状况。 3 分解炉出口气体温度 它表征炉内燃烧及分解状况，一般控制在8 5 0 9 0 0 。出炉气温过高，可 能引起炉后系统物料过热结皮，甚至堵塞。如果出炉气温过低，说明分解炉下 游燃料早已基本烧完，将使分解炉下游分解速度锐减，不能充分发挥炉分解效 能。 4 最低一级旋风筒出口气体温度 一般控制在8 2 0 8 6 0 。它应低于分解炉出口气体温度。否则说明出炉气 流中还有部分燃料末烧完。 5 最上一级旋风筒出口气体温度 一般控制在3 2 0 3 6 0 。超温时，说明可能出现以下几种状况：生料喂 料中断或减少；某级旋风筒或管道堵塞；燃料量与风量超过喂料量需要等。 当温度降低时，则应结合系统有无漏风及其它级旋风筒温度状况酌情处理。 6 窑尾、分解炉出口或预热器出口气体成份 它们是通过设置在各相应部位的气体成份自动分析装嚣检测的，指示着窑 内、分解炉内或整个系统的燃料燃烧及通风状况。一般，窑尾烟气中0 ：含量控 制在1 0 1 5 之间：分解炉出口烟气中0 ，含量控制在3 0 以下。 窑系统装设有电收尘器，对分解炉或晟低一级旋风筒出口及预热器出【l ( 或 电收尘入口) 的气体中的可燃气体( c o + h 。) 含量必须严加限制。因为含量遭高， 不仅表明窑系统燃料的不完全燃烧及热耗增大，更重要的是，在电收尘内容易 引起燃烧和爆炸。因此，当预热器出口或电收尘入口气体中c o + h t 含量超过0 2 时，则发生爆炸，达到允许极限0 6 时，电收尘器高电压电源自动跳闸，以防 止爆炸事故，保证生产安全。 7 最上一级及最低一级旋风筒出口负压 预热器各部位负压的测量，是为了监视各部阻力，以判断生料喂料量是否 正常、风机闸门是否开启、防爆风门是否关闭、以及各部有无漏风或堵塞情况。 第二章水泥回转窑生产过程控制方案 由于各级旋风简之间的负压互相关联、自然平衡，故一般只要重点监测预热器 最上一级及最下一级旋风筒的出口负压即可了解预热器系统的情况。 8 最下一、二级旋风简锥体下部负压 它表征该两级旋风筒的工作状态，当该旋风筒发生粘结堵塞时，锥体下部 负压下降，此时即需迅速采取措施加以消除。 9 预热器主排风机出口管道负压 在窑系统与生料磨系统联合操作时，该处负压主要指示系统风量平衡情况。 当该处负压较目标值增大或正压较目标值减小时，应关小电收尘器的排风机闸 门，反之，则开大闸门，以保持风量平衡。 1 0 电收尘器入口气体温度 温度控制在规定范围，对保证电收尘器设备安全及防止气体冷凝结露十分 重要。一般，在电收尘器装有自控装嚣，当入口气温达到最高允许值时，电收 尘器的高压电源自动跳闸。 1 1 窑速及生料喂料量 当窑速有较大变动时，喂料量应随之调整，最好与窑速同步，以保持窑内 料层均匀，利于克服干扰因素。 1 2 窑头负压 表征着窑内通风及冷却机入窑二次风之间的平衡。正常生产中，窑头负压 一般保持在一0 0 5 一0 i k p a ，决不允许窑头形成正压，否则窑内细料熟料飞 出，会使窑头密封圈磨损，也影响人身安全及环境卫生，对装设在窑头的比色 高温计及电视摄像头等仪器仪表的正常工作及安全也很不利。一般采用调节蓖 冷机剩余空气排风机风量的方法，控制窑头负压在规定范围之内。 1 3 蓖冷机一室下压力 它不仅指示蓖冷机一定蓖床阻力，亦可指示窑内烧成带温度变化。当烧成 带温度下降，必然导致熟料结粒减小，使蓖冷机一室料层阻力增大，在一室蓖 床速度不变时，一室蓖床下压力必然增高。利用一室下压力与蓖床速度构成自 动调节回路，当一室压力增大，蓖床速度自动加快，以改善熟料冷却状况”“】。 2 3 总体控制方案设计 水泥工厂的自动化控制起始于4 0 年代，经历了仪表化分车间控制、操作人 员监控生产过程的集中控制和生产过程的计算机控制等几个阶段，其中计算机 第二章水泥回转窑生产过程控制方案 控制逐步从数字直接模拟控制( d d a c 或d a c ) 、直接数字控制( d d c ) ，发展到集 散控制系统( d c s ) 。一般d c s 系统多是侧重于多种p i d 运算、比值运算、串级 调节等功能，考虑到水泥生产线自控系统开关量占i o 总量的7 5 以上，自动调 节回路数占模拟量i o 的3 ，因此，从经济角度出发，自控系统采用基于p i c 的d c s 控制系统9 “。系统设备选用美国a e l i b r d e y 公司制造生产的 c o n t r o l l o g i x 5 5 5 0 系列产品，控制网络为a bc o n t r o l n e t 。 本设计采用两级d c s 控制系统，包括直接控制级( 过程控制级) 和挎制管 理级( 过程管理级) 。直接控制级包括原料、煤磨、窑中窑尾( 以下简称窑尾) 、 窑头4 个控制站，负责完成数据的采集和处理，并接受上位机指令向模件输出 信号去完成各种控制功能。过程管理级由4 台工业控制计算机组成，完成生产 工艺过程的监视、操作、控制。系统通讯是通过c o n t r o l n e t 网络实现下位机p l c 与上位机工作站之间的信息交换，网络节点地址为1 8 个，用来实现工控机和各 p l c 之间的连接。 本系统采用彩色汉化显示屏，实现对工艺过程的监视、操作、控制，西】对 各工艺、电气参数的实时趋势及历史趋势进行观察、打印，自动生成生产报表 等并打印。本系统还具有对工艺及电气故障进行实时报警的功能，通过显示屏 显示报警信息，也可通过声音进行报警n ”“。 系统下位包括4 个控制站：原料系统、煤磨系统、窑中窑尾系统、窑头系 统；上位有4 台工控机来控制。每个工控机之间由e t h e r n e t 连接，形成局域网， 并且每个工控机分别由k t c ( a 、b 网) 卡连接下位的p l c 控制器，每个框架之 间也通过k t c 卡相连接。本控制系统控制网络为a bc o n t r o l n e t ，采用 a e n b r d l e y 同轴专用网线、冗余的双网( a 、b 网) 星型结构，速率为5 m b p s ， 网络扫描时间设定为1 5 m s 。 控制系统采用“现场机旁优先方式”。即现场单机启动以现场操作为最高优 先级。该方式的优点是：操作灵活、便于检修。它既可以在“远程”方式的成 组中控起动，又可以在检查或检修设备时，现场随时开停设备”“。 现场控制站组成： 原料控制站：0 l 原料本地处理器、0 5 原料远程、0 6 原料远程、0 7 原料 远程；窑尾控制站：0 2 窑尾本地处理器、0 8 窑尾远程、0 9 窑尾远程、1 0 窑 尾远程：煤磨控制站：0 3 煤磨本地处理器、1 l 煤磨远程、12 煤磨远程； 窑头控制站：0 4 窑头本地处理器、1 3 窑头远程；其它：1 4 西门子阀处理嚣。 中控室操作站组成：1 5 上位l 。计算机、1 6 上位2 计算机、1 7 上位3 吲算 第二章水泥圊转窑生产过程控铺方案 机、1 8 上位如 算机。 控镥j 系统结构连接图如图2 - i 所示，控制系统结构原理图如图2 - 2 所示。 图2 - 1 控制系统结构连接圈 鄹旱旱晕哪镳脯 l 懿翻# l 辨一。 i 鬣瓣h 重 薤 霾 曩i 垂 垂 囊l 藿 薹 刊中侗继燃 琏 嚣 竹峰馨强，磐攀。ln 惴1 峄盼，焖潘艄，嘲漆i 鼍爆簟蘩蔫嶝簟e _ l 甲竹 图囤图例幽囤圈同 备种限位、压 两、激度、辩位 开关、保护开 关、电礁捌、l ：l 及与现矮设备 胄燕盼各种联 窳念念念念a 鹱信号 图2 - 2 控稍系统结构原理图 第三章控制系统硬件设计 第三章控制系统硬件设计 根据第二章的工艺要求及控制方案，本章对水泥回转窑自动控制系统的硬 件进行设计。硬件的设计包括上位机( 工控机) 和下位机( p l c ) 的选型及配置。 3 1 工控机的选型和配置 本设计选用美国r o c k w e l la b 公司生产的工业专用计算机作为上位机，完 成系统的监视、操作、控制等功能，硬件配置如下：p e n t i u u mh i 处理器、最小 1 2 8 m 内存、八倍速s c s i 硬盘、最小9 g bs c s i 硬盘、3 0 功能键键盘、3 5 ”软 驱、支持1 0 2 4 7 6 8x6 5 k 色显卡、m o u s e 、w i n d o w s2 0 0 0 操作系统。 3 2p l c 的选型和配置 本控制系统的下位采用美国r o c k w e l la b 公司的c o n t r o l l o g i x5 5 5 0 控制 器及相应豹i o 配置。5 个本地机架，包括原料系统本地p l c 、窑尾系统本地p l c 、 煤磨系统本地p l c 、窑头系统本地p l c 、西门子阀系统本地p l c ；9 个远程机架， 包括3 个原料系统远程p l c 、3 个窑尾系统远程p l c 、2 个煤磨系统远程p l c 、1 个窑头系统远程p l c 。p l c 通过c o n t r o l n e t ( a 、b 网) 与工控机相连接，它们 负责完成数据的采集和处理，并接受上位机指令向模件输出信号去完成各种控 制功能，处理来自基础自动化系统及马达控制中心( m c c ) 、现场控制盘( l c p ) 、 速度控制盘( s c p ) 、高压盘( b t t p ) 等高低压电气设备的d i d o 、a i a o 信号， 并通过c o n t r o l n e t 网络进行信息交换，实现与上位机的实时操作和监控“”。 鉴于水泥工业粉尘较大的特点，为保证d c s 系统电器动作的可靠性，d i d o 模板均采用2 2 0 va c 类型。a i 模板主要类型为：蓑分双端4 2 0 m a 型、热电阻 ( p t - 1 0 0 ) 型、热电偶( m y ) 型、称重( m y ) 模板4 种类型。其中“称重型”模 板为a 1 l e n b r d l e yo e m 产品( 加拿大生产) ，用于煤粉称熏仓、原料均化称重 仓计量转换( 将m v v 信号变换为p l c 系统接收的数字信号) 。a o 模板采用标准 型，可组态为：4 2 0 m a 或l 5 v 及0 1 0 v 。 水泥回转窑控制系统窑尾p l c 组成，如表3 1 所示。水泥回转窑控制 第三章控制系统硬件设计 系统窑头p l c 组成，如表3 - 2 所示”“。窑尾p l ci 0 地址分配，如表3 3 所 示。窑头p l ci o 地址分配，如表3 - 4 所示( 考虑到本设计中信号量很大， 限于篇幅，这里只列出模拟量的i 0 地址) 。窑尾p l c 连接图，如图3 1 所 示。窑头p l c 连接图，如图3 2 所示。 表3 - i 窑尾p l c 组成 序号模板名称模板型号模板数量模板地址 1 电源 l7 5 6 - p a 7 24 2c p u l7 5 6 - l 5 5 m i3l 3通讯 17 5 6 - c n b r4 17 5 6 一i t 6 14i t l 0 i t 4 5 4 模拟量输入 17 5 6 一i f l 68a 1 1 o a 1 8 7 1 7 5 6 - i r 6 i4i r l 0 i r 4 5 5 模拟量输出 l7 5 6 - 0 f 82a o i 0 a 0 2 7 6 数字量输入 17 5 6 - i m l 6 i2 ld 1 1 o d 1 2 1 1 5 7 数字量输出 1 7 5 6 一o w l 6 i 9 d 0 1 o d 0 9 1 5 表3 - 2 窑头p l c 组成 序号模板名称模板型号模板数量模板地址 1 电源 17 5 6 - p a 7 22 2c p u1 7 5 6 - l 5 5 m 1 3l 3通讯 17 5 6 - c n b r2 】7 5 6 - i t 6 1 2i t l 0 i t 2 5 4 模拟量输入 】7 5 6 一i f l 6 6a 1 1 o a 1 6 7 5 模拟爨输出 17 5 6 一o f 83a o i o a 0 3 7 6 数字量输入 1 7 5 6 - i m l 6 11 3d 1 1 o d i l 3 1 5 7 数字量输出 1 7 5 6 一o w l 6 i5d 0 1 o d 0 5 1 5 表3 - 3 窑尾p l ci 0 地址分配 信号含义 地址 t l a f o i预热器i 级a 出口气体温度i t l o t l a f 0 2 预热器l 级b 出口气体温度 i t l 1 t l a f 0 3 预热器i i 级a 出口气体温度 i t l 2 t l a f 0 4 预热器1 i 级b 出口气体温度 i t l 3 t l f 0 5 预热器i 级a 出口气体温度 i t l 4 t l j a f 0 6 预热器i i i 级b 出口气体温度 i t l 5 t l a f 0 7 预热器级a 出口气体温度 i t 2 0 第三章控制系统硬件设计 t l a f 0 8 预热器i v 级b 出口气体温度 i t 2 1 t l a f 0 9 分解炉a 出口气体温度 i t 2 2 t l a f l 0 分解炉b 出口气体温度 i t 2 3 t r a f l l 预热器级a 下料口物料温度 i t 3 0 t r a f l 2 预热器i 级b 下料口物料温度 i t 3 】 t l a f 2 5 窑尾热风温度 i t 3 2 t l a f 2 6三次风温度 i t 3 3 p i f o l 预热器1 级a 出口压力 a 1 1 o p i f 0 2 预热器i 级b 出口压力 a 1 1 1 p i f 0 3 预热器i l 级a 出口压力 a 1 1 2 p i f 0 4 预热器i i 级b 出口压力 a 1 1 3 p l a f 0 5 预热器i 级a 锥体压力 a 1 1 4 p l a f o r 预热器1 级b 锥体压力 a 1 1 5 p l a f 0 7 预热器i 】级a 锥体压力 a 1 1 6 p l a f 0 8 预热器l l 级b 锥体压力 a 1 1 7 p i f 0 9 预热器i l l 级a 出口压力 a 1 2 0 p i f l 0 预热嚣i i l 级b 出口压力 a 1 2 1 p i f l l预热器i ，级a 出口压力a 1 2 2 p i f l 2 预热器级b 出口压力 a 1 2 3 p l a f l 3 预热嚣i l 】级a 锥体歪力 a 1 2 。4 p l a f l 4 预热器i i l 级b 锥体压力 a 1 2 5 a l a l 5 c 1 0 m 窑尾主风机电流 a 1 2 6 z l a f 0 0 9 液耦位置反馈 a 1 2 7 p u 岍1 5 预热器级a 锥体压力 a 1 3 o p l a f l 6 预热器级b 锥体压力 a 1 3 1 c o k r a f 0 1四级筒出口c o 含量 a 1 3 2 0 2 a r a f 0 1 四级筒出口如含量 a 1 3 3 n o x a r a f o i 四级筒如口n o x 含量 a 1 3 4 p i f l 7 分解炉a 出口压力 a 1 3 5 p i f l 8 分解炉b 出口压力 a 1 3 6 p l a f l 9 窑尾烟室压力 a 1 3 7 z l a f 0 2 入分解炉l 三次风挡板开度 a 1 4 0 z l a f 0 3 入分解炉2 三次风挡板开度 a 1 4 1 c o a r a f 0 2 窑尾熘室c o 含量 a 1 4 2 0 2 a r a f 0 2窑尾熘室0 2 含量 a 1 4 3 n o r a f 0 2 窑尾烟室n o x 含量 a 1 4 4 p i f 2 0 入分解炉三次风压力 a 1 4 5 第三章控制系统硬件设计 z l a f 0 1 高温风机入口阀门开度 a 1 4 6 p i f 2 1 高温风管入口风压 a 1 4 7 z i f 0 7 大气开放口1 。开度 a 1 5 0 z i f 0 8大气开放口2 开度a 1 5 1 z l a f 0 4 窑尾分料阀开度 a 1 5 2 m a i a l 5 b o l m 窑主机电流 a 1 5 3 s r a f 0 2 窑主机转速 a 1 5 4 a i a l 5 8 0 1 m 窑主机电枢电流 a 1 5 5 a l a l5 c 0 8分解炉一次风机电流 a 1 5 6 a l a l 9 1 3 煤磨l 罗茨风机电流 a 1 5 7 v l a f 0 1 窑尾主风机驱动端轴承振动 a 1 6 0 p l a f 2 2 液耦油压 a 1 6 1 s r a f 0 3窑尾主风机转速 a 1 6 2 f r c q d 0 11 。标准仓底生料流量 a 1 6 3 f r c q d 0 22 标准仓底生料流量 a 1 6 4 a l 】5 c 0 1 m 窑尾斗提机电流 m 6 5 a l a l 9 1 2 a 煤磨2 。罗茨风机电流 h i 6 6 a l a l 9 1 2 b 煤磨3 罗茨风机电流 a 1 6 7 z l a d 0 1 库底1 卸料流量控制阀开度 a 1 7 0 z l a d 0 2 库底2 卸料流量控制阀开度 a 1 7 1 z l a d 0 3 库底3 卸料流量控制阀开度 a 1 7 2 z l a d 0 4 库底4 卸料流量控制阀开度 a 1 7 3 z l a d 0 5 库底5 卸料流量控制阀开度 a 1 7 4 z l a d 0 6 库底6 卸料流量控制润开度 h i 7 5 z l a d 0 7 仓底l 卸料流量控制阀开度 a 1 7 6 z l a d 0 8 仓底2 卸料流量控制阀开度 a 1 7 7 t l a f l 3 1 墩1 托轮轴承油温 i r l 0 t l a f l 41 墩2 托轮轴承油温 i r l 1 t l a f l 51 墩3 托轮轴承油温i r l 2 t l a f l 6 1 墩4 托轮轴承油温 i r l 3 t l a f l 7 2 墩l 托轮轴承油滠 i r l 4 t l a f l 8 2 墩2 托轮轴承油温 i r l 5 t l a f l 9 2 墩3 托轮轴承油温 i r 2 0 t l a f 2 0 2 墩4 托轮轴承油温 i r 2 1 t l a f 2 1 3 墩1 托轮辘承油温 i r 2 2 t l a f 2 2 3 墩2 托轮轴承油温 i r 2 3 t l a f 2 3 3 墩3 托轮轴承油温 i r 2 4 第三章控制系统硬件设计 t l a f 2 4 3 。墩4 托轮轴承油温 i r 2 5 t l a f 2 7 高温风机驱动端轴承油温 i r 3 0 t l a f 2 8 高温风机非驱动端轴承油温 i r 3 1 t l a f 2 9高温风机电机前轴承油潺 i r 3 2 t l a f 3 0 高温风机电机后轴承油温 i r 3 3 t l a f 3 1 液耦进口油温 i r 3 4 t l a f 3 2 液糕出口油温 i r 3 5 t l a f 3 3 减速机瓦油温 i r 4 0 t l a f 3 4 减速机瓦油温 i r 4 1 t l a f 3 5 减速机电机瓦油温 i r 4 2 t l a f 3