（机械电子工程专业论文）水泥窑头生产线控制系统研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 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 武汉理工大学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。 签名：垒丛 日期：兰坐：! ! 望 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：多胀导师( 签名) ：酋投日期驯及2 7 摘要 随着世界各地水泥厂日益增大的生产规模，愈加复杂的生产工艺，以及显 著提高的产品质量，水泥生产线对工业控制系统的要求也越来越高，传统的集 散型控制系统d c s 已经适应不了现代化的控制要求。在这种形势下，本文所研 究的基于窑头生产线的控制系统选用了西门子公司的$ 7 - 4 0 0 系列p l c 和集成了 c e m a t 软件包的s i m a t i cp c s 7 产品。 本文的研究对象是基于窑头生产工艺的p c s 7 控制系统，包括控制系统的网 络结构的分析与实现、硬件组态、网络组态、c f c 组态和w i n c c 画面组态的方 法以及工艺过程的自动控制方法。具体分析如下： 1 本文研究了窑头控制系统的三层网络结构，包括现场设备层，过程控制 层和操作管理层。具体来说，在硬件组态过程中，系统选用了西门子产品中最 高端的s 7 4 0 0 系列p l c ，不但满足了整条水泥生产线控制点数多达一万余点( 开 关量约占总i o 点数的8 5 左右) 的控制需求，而且充分发挥了p l c 在开关量 控制方面的优越性。在网络组态方面，系统选用工业以太网与p r o f i b u s d p 现场 总线相结合的方式来实现从操作管理层到现场设备层的网络通信。 2 本文研究了基于窑头生产工艺的自动控制方法，依据工艺来划分，工艺 控制方法的研究可分为两部分，即窑头煅烧工艺的控制方法和窑头冷却工艺的 控制方法，它们是p c s 7 系统设计的主体内容。因为- t 艺控制方法的设计思路是 进行c f c 组态的依据，而整条生产线的控制方式和关键t 艺参数的范围选择都 是通过c f c 组态来实现的。 3 本文研究了基于窑头煅烧工艺的窑头一次风量的参数选定、窑头负压的 控制方式、窑内烧成温度的控制方法和基于窑头冷却工艺的二次风温度的控制 方式、熟料出蓖冷机的温度控制方式、进入窑头收尘器的废气温度控制方式。 具体来说，窑头负压的控制通过调节废气风机的转速和相应的阀门开度而 实现，以使其数值稳定在工艺要求范围内；二次风温度的控制主要通过调节蓖 速来实现，根据现场经验以及对试验数据的分析，系统对蓖速采取了分级控制 方式，以使蓖床上的物料受热均匀，并得到温度适宜的二次风。另外，本文还 研究了窑头次风量、窑内烧成温度、废气温度等1 ：艺参数的控制方法，以保 证生产线稳定运行。 关键词：j 空制系统：p c s 7 ：p l c ：p r o f i b u s d p ；t 艺 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo fp r o d u c t i o ns c a l eo fc e m e n tp l a n t sa l l o v e rt h ew o r l d ，t h e i n c r e a s i n g l yc o m p l e x i t yo fp r o d u c t i o nt e c h n i q u e ，a n dt h es i g n i f i c a n t l yi m p r o v e m e n t o fp r o d u c tq u a l i t y , t h ec e m e n tp r o d u c t i o nh a v eh i g h e rr e q u e s t sf o rt h ei n d u s t r i a l c o n t r o ls v s t e m , a n dt r a d i t i o n a lc o n t r o ls y s t e md c sc o u l dn o ta d a p tt h em o d e r n i z e d c o n t r o lr e q u e s t sa n ym o r e u n d e rs u c hs i t u a t i o n ，t h es y s t e mw h i c hi sd e s c r i b e di n t h i s p a p e rs e l e c t ss i e m e n s t s $ 7 - 4 0 0s e r i e sp l ca n ds i m a t i cp c s 7w h i c h i si n t e g r a t e d w i t hc e m a ts o f t w a r ep a c k a g e t h ec o n t e n to ft h i sp a p e ri st h es t u d yo np c s 7c o n t r o ls y s t e mw h i c h b a s e do nt h ek i l n o u t l e tt e c h n i q u e s p e c i f i c a l l y , t h ec o n t e n to ft h i sp a p e ri n c l u d e st h ea n a l y s i sa n d r e a l i z a t i o no fn e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，t h em e t h o d so fh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n ，n e t w o r k c o n f i g u r a t i o n ，c f cc o n f i g u r a t i o na n dt h e w i n c cp i c t u r ec o n f i g u r a t i o na n dt h e c o n t r o lm e t h o d sw h i c hb a s eo nt e c h n o l o g y s p e c i f i c a l l y , d e t a i l e da n a l y s i s i sa s f c i l l o w s ： 1 t h ep a p e rs t u d i e so nt h en e t w o r ka r c h i t e c t u r eo fp c s 7c o n t r o ls y s t e mw h i c h c a n b ed i v i d e di n t ot h r e el a y e r s ：f i e l dd e v i c e sl a y e lp r o c e s sc o n t r o ll a y e ra n do p e r a t i o n a n dm a n a g e m e n tl a y e r t h en u m b e ro fi op o i n t so ft h ee n t i r ep r o j e c ta r em o r et h a n 10 ，0 0 0 ，a n dt h es w i t c hp o i n t sa c c o n tf o r8 5 o f t h et o t a l t h e r e f o r e ，i nt h eh a r d w a r e c o n f i g u r a t i o n t h i ss y s t e ms e l e c t e ss 7 4 0 0s e r i e sp l c w h i c hi st h em o s th i g h 。e n d p r o d u c to fs i e m e n si nt h eh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o np r o c e s s a sar e s u l t ，s 7 4 0 0n o t o n l vs a t i s f l e dt h ec o n t r o ln e e d so fl a r g e s c a l ep r o d u c t i o n ，b u ta l s od i s p l a y e di t s s u p e r i o r i t yf u l l yi n t h ec o n t r o lo fs w i t c hi o s i nt h en e t w o r kc o n f i g u r a t i o n ，t h i s s y s t e ms e l e c t e st h ew a y o fi n t e g r a t i n gi n d u s t r i a le t h e m e ta n dp r o f i b u s d pt or e a l i z e t h ec o m m u n i c a t i o nf r o mo p e r a t i o nm a n a g e m e n tl a y e rt of i e l dd e v i c e sl a y e r 2 t h ep a p e rs t u d i e so nt h ec o n t r o lm e t h o d sw h i c hb a s e do nt h ek i l no u t l e tt e c h n i q u e a c c o r d i n gt ot h et e c h n i q u e ，t h ec o n t r o lm e t h o d sc a n b ed i v i d e di n t oc o n t r o lm e t h o d s w h i c hb a s e do nb u r n i n gt e c h n i q u ea n dc o n t r o lm e t h o d sw h i c hb a s e do nc o o l i n g t e c h n i q u e t h ed e s i g no fc o n t r o lm e t h o d si s t h ef o c a lp o i n ti nt h es t u d yo fp c s 7 ， b e c a u s ei ti st h ei d e o l o g i c a lb a s i so fc f cc o n f i g u r a t i o n t h ec o n t r o li d e a so fe n t i r e p r o d u c t i o nl i n ea n dt h es e to fk e yt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s v a l u e s a r er e a l i z e d i i t h r o u g ht h ec f cc o n f i g u r a t i o n 3 t h ep a p e rs t u d i e so nt h er e a s o n a b l ev a l u e s ，c o n t r o lm e t h o d sa n dd e t a i l e dc o n t r o l m e t h o d so fk e yt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s ，s u c ha st h ev o l u m eo ff i r s ta i r , n e g a t i v e p r e s s u r ei nk i l no u t l e te n d ，c a l c i n e dt e m p e r a t u r ei nt h ek i l n ，t e m p e r a t u r eo ft h es e c o n d a i r , c l i n k e rw h i c hl e f tf r o mc o o l e ra n dw a s t eg a sw h i c he n t e r st h ed u s tc o l l e c t e r s p e c i f i c a l l y , t h ec o n t r o lo fn e g a t i v ep r e s s u r ei sr e a l i z e dt h r o u g ht h ea d j u s t m e n to ft h e s p e e do fe x h a u s tb l o w e ra n dt h eo p e n i n gd e g r e eo fc o r r e s p o n d i n gv a l v e si no r d e rt o g u a r a n t e ei t sv a l u ei si n t h er e q u i r e m e n tr a n g e ；t h ec o n t r o lo fs e c o n d a r y - a i r s t e m p e r a t u r ei sm a i n l yr e a l i z e dt h r o u g ht h ea d j u s t m e n to fc o o l e r ss p e e d ，a c c o r d i n gt o t h ee x p e r i e n c ea n dt h ea n a l y s i st od a t a , t h es y s t e ma d o p t sd e c e n t r a l i z e dc o n t r o lm o d e t oc o n t r o l t h ec o o l e r ss p e e di no r d e rt og u a r a n t e et h em a t e r i a lo nt h ec o o l e rc a n a b s o r be v e nh e a t ，a n do b t a i n st h es u i t a b l et e m p e r a t u r eo fs e c o n d a r yw i n d s m o r e o v e r , t h i sp a p e rs t u d i e st h ec o n t r o lm e t h o d so ff i r s t w i n d sv o l u m e ，t h eb u r n i n gt e m p e r a t u r e i nt h ek i l na n dt h et e m p e r a t u r eo fw a s t eg a st og u a r a n t e e st h es t e a d yr u n n i n go f p r o d u c t i o nl i n es t e a d yo p e r a t i o n k e yw o r d s ：c o n t r o ls y s t e m ；p c s 7 ；p l c ；p r o f i b u s d p ；t e c h n o l o g y i i i a b s t r a c t i i 目录 第一章绪论1 1 1 课题的背景及意义一l 1 2 国内外相关研究现状2 1 2 1 国外相关研究现状2 1 2 2 国内相关研究现状4 1 3 课题的预期目标5 1 4 本文的主要内容6 第二章窑头t 艺及p c s 7 控制系统概述一7 2 1 水泥窑头工艺概述7 2 2sib a tlcp c s 7 简介9 2 3p c s 7 系统的软件体系9 2 3 1c e m a t 软件包l o 2 3 2win c c 组态软件l0 2 3 3s t e p 7 及c f c 组态软件1 2 2 4 ，j 、结1 5 第三章窑头控制系统网络结构的分析与实现1 6 3 1 窑头控制系统的网络结构1 6 3 2 控制系统的分层配置1 7 3 2 1 现场设备层1 7 3 2 2 过程控制层l7 3 2 3 操作管理层1 9 3 3 系统的网络设计1 9 3 3 1 网络选取及分析1 9 3 3 2 系统网络通信的实现2 l 3 4 ，j 、! ；：1 3 第四章窑头煅烧工艺的控制方法研究2 4 4 1 水泥回转窑概述2 4 4 1 1 回转窑的结构2 4 4 1 2 回转窑的：i ：作流程2 7 4 1 3 窑内气体和物料的温度场2 7 4 2 回转窑传动装置的运行控制2 8 4 2 1 窑主电机的运行控制2 9 4 2 2 回转窑油泵的运行控制3 l 4 3 关键工艺参数的设置与实现3 2 4 3 1 窑头一次风量参数选定3 3 4 3 2 窑头负压的摔制方式一3 5 i v lr 4 3 3 窑内烧成温度的控制方法3 9 4 4 ，j 、结4 2 第五章窑头冷却系统的控制策略研究4 3 5 1 蓖式冷却机概述4 3 5 1 1 蓖冷机的结构4 3 5 2 蓖冷机及破碎机的运行控制4 5 5 2 1 蓖冷机的运行控制4 6 5 2 2 破碎机的运行控制4 7 5 3 关键工艺参数的控制方式4 9 5 3 1 二次风温度的控制方式4 9 5 3 2 l 蓖冷机熟料的温控方式5 3 5 3 3 窑头废气温度的控制方式5 4 5 4 小结5 5 第六章总结与展望5 7 致谢5 9 参考文献6 0 攻读硕士研究牛期间参与项目6 3 攻读硕上研究生期间发表论文6 4 v 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题的背景及意义 第一章绪论 水泥是国内外工业领域中应用最为广泛的一种基本材料，它不仅被大量应 用于建筑工业，还在城建、交通、水利、海港、宇航等诸多新型工业中发挥着 重要作用。随着当今科技的迅猛发展，新型干法水泥的生产工艺日趋合理与科 学，水泥产品的质量越来越高。为了适应不同的应用领域，水泥的品种也愈加 丰富，可以说，水泥几乎已经渗透到国民工业中的各个领域，它的发展无论对 国家建设，还是对人民的生活水平，都具有十分重要的意义。 受某水泥厂的委托，武汉理工大学与北京中材建设有限公司共同负责a b c 项目的自动化控制工作。然而，新型干法水泥的生产工艺非常复杂，加之此项 目的工程量大，需控制的i o 点数多达一万余点，控制难度很高。 在以往的水泥生产过程中，大多数水泥厂使用的是d c s 集散型控制系统， 功能不够强大，水泥生产过程中的诸多需求得不到满足，还需要大量的人工操 作，这就导致了水泥生产效率低下，工序紊乱，水泥质量得不到保证。具体来 说，d c s 的分散控制功能是在分散的过程控制装置基础上实现的，过程控制装 置与现场变送器或执行器之间通过4 , - , 2 0 m a 的电流信号进行单向传输，在这种 方式下，传输的信息量少，传输效率低，安装工作量大。 近几年，现场总线技术的研究逐渐趋于成熟，并越来越多地应用于各类工 业生产中，以弥补传统d c s 系统的弊端。具体来说，通过现场总线，过程控制 装置与现场智能仪表之间可以实现数字信号的双向传输，从而达到降低传输误 差，提高可靠性，增大传输信息量的目的；其次，经现场智能仪表处理过的信 号可以通过现场总线直接传输到操作站或上位机，从而减轻过程控制装置的负 担，而且上位设备也能更好地发挥系统优化、信息管理和调度的功能，以提高 控制质量；再次，现场总线的使用可以节省d c s 的安装空间、输入输出接口以 及其它附属设备，具体来说，以一根电缆连接2 3 台仪表来计算，输入输出卡、 输入输出柜和隔离器等设备平均可节省1 2 到2 3 ，相应的电缆连接和安装费用 可节约6 6 以上。因此，d c s 系统与现场总线的结合使用是种必然的发展趋 势【2 1 。 i 武汉理工大学硕士学位论文 另外，近几年来，p l c 在工业控制领域中也扮演着越来越重要的角色。与 普通的工控机相比，p l c 具有众多突出的优势。首先，p l c 的组态工具与其运 行系统是相互分离的，同一套组态工具可以对多个p l c 进行组态。其次，p l c 具备直接控制功能。在完成组态、编译和下装，形成了可以独立运行的目标系 统后，p l c 就可以脱离组态工具，完全自主地完成控制功能，而无需人工干预。 再次，p l c 具有强大的扩展功能，可以通过机架扩展和网络连接来实现几个点 到上万点的不同规模的工业控制需求【3 】。因此，p l c 比普通的工控机更能满足工 业现场的控制要求。 p c s 7 正是集成了传统d c s 、现场总线技术以及p l c 为一体的新型全集成 自动控制系统，而且包含了s t e p 7 、c f c 、w i n c c 等重要的编程软件和组态软件， 具有集中管理、分散控制、方便安装、价格低廉和管理维护智能化等众多优势。 因此，为了保证产品质量，也为了提高生产过程的稳定性与高效性，本文研究 了p c s 7 系统在水泥窑头生产线中的应用。 1 2 国内外相关研究现状 自2 0 世纪7 0 年代初至今，工业控制系统的发展依次经历了集散型控制系统 d c s ，现场总线控制系统f c s 以及全集成自动控制系统p c s 7 三个阶段，其中 d c s 的发展又可分为四个阶段【4 1 。 1 2 1 国外相关研究现状 d c s 控制系统兴起于2 0 世纪7 0 年代初，由美国、日本和欧洲各国率先研 制。第一代d c s 产品于1 9 7 5 年问世，其代表产品主要有美国h o n e y w e l l 公司的 t d c 2 0 0 0 、日本y o k o g a w a 公司的c e n t u m 以及德国s i e m e n s 公司的 t e l e p e r m m 等。第一代d c s 产品的微处理器选用8 位c p u ，在容量和处理速度 上都有很大的局限性。第二代d c s 出现于8 0 年代中期，主要以美国h o n e y w e l l 公司的t d c 3 0 0 0 ，日本y o k o g a w a 公司的c e n m m a 、b 、c 等为代表产品， 其主要特点是实现了控制站和操作站的功能扩展，采用1 6 位c p u ，并融合了光 纤通讯技术。第三代d c s 诞生于8 0 年代末期，以美国h o n e y w e l l 公司的 t d c 3 0 0 0 l c n ，f o x b o r o 公司的i a s e r i e s ，日本y o k o g a w a 公司的c e n t u m x l 等为代表产品。第三代d c s 把操作、监督和管理结合成一个有机整体，并选用 3 2 位c p u 、m a p 通讯技术和专用集成电路，从而，增强了系统的控制功能，实 2 武汉理工大学硕士学位论文 现了开放式通信，可靠性也得到有效提高。 目前，工业领域内广泛使用的d c s 多为第四代产品，如：h o n e y w e l l 公司 的e x p e r i o n p k s ，e m e r s o n 公司的p l a n t w e b ，f o x b o r o 公司的a 2 ，横河公司的 r 3 以及a b b 公司的i n d u s t r i a l l t 系统等。与前三代d c s 系统相比，第四代d c s 具有显著的优越性。首先，第四代d c s 实现了充分的信息化和高度的集成性。 其次，第四代d c s 融合了p l c 技术，具体表现为：其组态软件的设计标准采用 了p l c 语言的i e c 6 1 1 3 1 3 标准；中小型p l c 可以作为底层控制单元集成于第 四代d c s 系统中，成熟的大型p l c 产品甚至可以直接作为第四代d c s 系统的 过程控制站。再次，第四代d c s 系统集成了各种形式的现场总线接口，因此， 可以方便快速地实现现场设备与过程控制站之间的双向通信p j 。 上世纪8 0 年代中期，现场总线系统开始活跃于工业控制领域，其型号主要 有以下五种：一是现场总线基金会f f ( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) ，它是一个独立的 国际现场总线标准化组织，以制定单一的国际化的现场总线标准为宗旨，且已 通过国际认证；二是局部操作网l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k ) ，它是由 美国e c h e l o n 、摩托罗拉和东芝公司共同倡导的一种总线技术，并于1 9 9 0 年正 式发布；三是现场总线p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l db u s ) ，其标准是由德国国家标准 d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 0 1 7 0 共同规定的；四是控制局域网c a n ( c o n t r o l a r e a n e t w o r k ) ，它是由德国b o s c h 公司推出的一种现场总线技术，其总线规范被国 际标准化组织确定为i s o118 9 8 标准。五是h a r t ( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t e t r a n s d u c e r ) ，其通信基金会于1 9 9 3 年成立，这种总线技术由f i s h e rr o s e m o u n t 公司率先开发，并得到了几十家自动化公司的支持。 通过对以上五种现场总线技术的详细分析，f c s 的系统结构可归纳为三类： 一是2 层结构的f c s ，由现场设备和人机接口组成；二是3 层结构的f c s ，由 现场设备、过程控制站和人机接u 组成；三是通过对d c s 系统增加现场总线接 口模件而形成的f c s 。与d c s 控制系统相比，f c s 的优点为：首先，可以实现 过程控制装置与现场智能仪表之间数字信号的双向传输，从而降低传输误差， 提高可靠性，增大传输信息量；其次，经现场智能仪表处理过的信号可以通过 现场总线直接传输到操作站或上位机，从而减轻过程控制装置的负担，而且上 位设备也能更好地发挥系统优化、信息管理和调度的功能，以提高控制质量； 再次，现场总线的使用可以节省d c s 的安装空间、输入输出接口以及其它附属 设备，具体来说，以一根电缆连接2 3 台仪表来计算，输入输出卡、输入输出 柜和隔离器等设备平均可节省1 2 到2 3 ，相应的电缆连接和安装费用可节约6 6 武汉理工大学硕士学位论文 以上。 上世纪9 0 年代，随着信息技术的快速发展和工业控制需求的不断增加，d c s 控制系统在工业生产线的控制中显示出许多不足和缺陷。基于第四代d c s 与 p l c 技术互相融合的思想，兼具d c s 与p l c 之长的新型控制系统西门子 p c s 7 ( p r o c e s sc o n t r o ls y s t e m ) 过程控制系统应运而生【6 1 。西门子是世界自动 化控制系统的第四大供应商，而p c s 7 作为西门子推出的新一代控制系统，已有 近1 0 年的历史，目前工业控制中广泛使用的p c s 7 版本为v 7 0 。p c s 7 是一种 新型的全集成自动控制系统，它把传统的d c s 控制系统、现场总线技术以及可 编程逻辑控制器集成为一体，包含了s t e p 7 、c f c 、w i n c c 等重要的编程软件和 组态软件，并具有集中管理、分散控制、方便安装、价格低廉和管理维护智能 化等诸多特点，体现了现代控制系统的发展方向。p c s 7 延续了西门子的t i a ( t o t a l l yi n t e g r a t e da u t o m a t i o n ) 理念，可以十分便捷地完成纵、横向集成和整 条生产线的软硬件组态，从而实现从来料加工到成品包装、从底层测量单元到 上层管理系统的自动控制【7 】。目前，p c s 7 系统已在世界范围内被广泛应用于石 油、水泥、化工、冶金、纺织、电力、食品等工业领域中。 1 2 2 国内相关研究现状 基于国外各种控制系统的研制成果，2 0 世纪8 0 年代末至9 0 年代初的几年 间，我国各科研团队陆续研发出了自己的d c s 产品。其中，技术相对领先且应 用较广泛的产品主要有电子部六所研发的h s d c s 1 0 0 0 、清华大学自动化系研 发的d c s 1 0 0 、重庆自动化所研发的d j k - 7 5 0 0 、上海自动化所研发的d j k 2 0 0 0 以及石化总公司与航空部二院联合研发的友力一2 0 0 0 系统等。 目前，和利时、浙大中控和上海新华公司所研发的d c s 产品在国内处于领 先地位。2 0 0 2 年初，和利时公司率先推出了第四代d c s m a c s s m a r t p r o ，与国 外成熟的第四代d c s 相比，s m a n p r o 已具备其基本特征，但在技术方面还存在 一定差距。近年来，通过各类工业现场的考验，s m a r t p r o 不断进行自我改进和创 新，正逐步走向成熟。 我国第一套现场总线系统是由国家电力公司热工研究院于1 9 9 8 年8 月从美 国f i s h e rr o s e m o u n t 公司引进的，这标志着我国对f c s 系统的研究和应用进入 了一个新的阶段。 近年来，通过各相关科研单位的不懈努力，国内现场总线技术的研究与应用 已取得了众多可喜的成果。其中，基于h a r t 协议的产品研发由浙江大学顺利 4 武汉理工大学硕士学位论文 完成；中科院自动化所开发了基于h a r t 协议的控制系统软件，用以完成f c s 系统的过程监控；而大庆华创电子有限公司研发的基于p r o f i b u s 现场总线的远程 i o 类产品也已经成功地应用于石油、化工、水泥等行业。 1 3 课题的预期目标 根据p c s 7 系统和s 7 4 0 0 系列p l c 的功能特点，以及水泥窑头生产线的工 艺流程和特殊要求，系统要实现的技术目标和基本功能如下： 1 根据系统的控制要求和控制信号的数量，在中控室配置若干工程师站和 操作员站，由一台p l c 实现窑头站的全部控制要求。 2 使用s t e p 7 组态软件对系统进行硬件组态，即对s 7 4 0 0 的机架号、电源、 c p u 、分布式i o 模块和工业以太网通讯模块等按其实际配置和物理地址进行组 态。并在w i n c c 界面下，选择合适的通信驱动程序，配置w i n c c 站。 3 使用p r o f i b u sd p 现场总线搭建底层网络，通过远程i o 从站e t 2 0 0 m 实 现现场数据的采集及设备控制，并且通过工业以太网模块上传必要的数据，减 轻中央控制器的负担。 4 使用工业以太网搭建现场设备层、过程控制层和操作管理层之间的网络连 接，并实现数据在s 7 4 0 0 p l c 与w i n c c 之间的快速传输。 5 使用s t e p 7 中的s t l 编程软件和c f c 组态软件实现窑头站的所有工艺控 制要求。其中，s t l 主要用来对所有的数字量i o 点进行初始化编程，c f c 为 系统的主要编程工具，用来完成所有设备本身的逻辑控制和设备间的连锁关系 的实现。 6 使用上位机模拟现场状况：运用w i n c c 组态软件模拟用户程序在$ 7 - 4 0 0 p l c 中的执行过程，使操作员可以在中控室内看到生产过程的动态画面，对工 业控制系统中的各种资源进行配置和编辑，处理数据报警和系统报警，从而在 开发阶段发现和排除错误，提高调试效率。 7 过程参数的调节：生产过程中的各项工艺参数应能随时调节，超出正常范 围时应该产生相应的报警信息。该条生产线的工艺参数很多，而且相互影响， 为了使生产稳定进行，需要对一些控制要求较严格的参数( 如窑头一次风量、 蓖冷机高温段冷却用风、窑头负压、熟料出蓖冷机的温度、进入窑尾、窑头收 尘器废气的温度、窑的转速等) 进行p i d 回路调节，使之维持在设定范围内。 8 对于一些重要的大功率设备，如窑主电机，窑尾废气风机等，要实现中压 武汉理工大学硕士学位论文 变频控制，其电机的运转速度可以由操作员在上位画面中设定或通过p i d 调节 回路实现自动调节。 9 监控及打印报表功能：能够实现历史数据的存储并支持历史数据的查询， 完成各类报表的生成和打印输出，从而实现对整个生产过程的有效控制。 1 4 本文的主要内容 1 窑头站硬件系统的组态 包括系统的构成、上位机的硬件配置、可编程控制器( p l c ) 、各i o 模块及 工业以太网通信模块等硬件系统的选择及配置。使用s t e p 7 组态软件对系统进行 硬件组态，即对$ 7 - 4 0 0 的机架号、电源、c p u 、分布式i o 模块和工业以太网 通讯模块等按其实际配置和物理地址进行组态。 2 窑头站软件系统的组态 在w i n c c 界面下，选择合适的通信驱动程序，配置w i n c c 站；上位机的 画面组态设计。 3 窑头站系统的网络组态 使用工业以太网搭建现场设备层、过程控制层和集中管理层，并实现数据 在s 7 - 4 0 0 p l c 与w i n c c 之间的快速传输；并使用p r o f i b u sd p 现场总线搭建现 场底层网络，实现现场数据的采集和设备控制。 4 控制方法的分析与研究 所有设备之间的连锁分析以及主要设备的控制策略研究；关键工艺参数的 分析，包括其在整个工艺过程中的重要性，合理数值，影响因素和控制方法。 5 窑头站的编程 根据已设计好的连锁关系和控制方式，采用s t l 编程语言对所有的数字量 i o 点进行初始化编程，对各种阀门进行逻辑控制；采用c f c 组态工具实现所有 设备间的复杂连锁。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第二章窑头工艺及p c s 7 控制系统概述 本文的研究对象为基于水泥窑头生产线的p c s 7 控制系统，因此，研究窑头 控制系统之前，首先要熟悉水泥窑头生产工艺和p c s 7 系统的基本特点。 2 1 水泥窑头工艺概述 新型干法水泥的生产工艺主要包括以下环节：破碎、生料磨、煤磨、窑尾、 窑头、水泥磨、包装。其中，窑头是水泥生产线中极其关键的一道工序，这是 因为水泥熟料的烧成是在窑头环节完成的，烧成系统主要包括水泥的煅烧及冷 却，这是影响水泥产、质量的直接因素。 窑头生产线的主要工艺流程如图2 一l 所示，黑色的箭头代表物料的运输方 向。经过上一道工序预热分解后的生料粉进入回转窑的进料端，然后依靠回转 窑的斜度和旋转运动，逐渐向窑头方向移动，同时与窑内的热气流进行热量交 换，并发生充分的化学反应，最后，利用窑头处煤粉所提供的燃烧热，在烧成 带煅烧为水泥熟料。烧结后的高温水泥熟料出窑后，落在推动蓖式冷却机往复 运动的蓖床上。在蓖板的往复推动下，部分小颗粒熟料通过蓖孔落进风室，再 通过拉链输送机送入链斗输送机，或直接经过风室下的料斗汇入链斗输送机； 而大部分熟料则进入蓖冷机尾部的锤式破碎机，经破碎机破碎后的大颗粒熟料 会同落入蓖条下的细熟料，一起溜到链斗输送机上。通过蓖冷机物料层后的气 体可以直接入窑，成为二次风；或被抽往窑尾分解炉，用作三次风；也可以作 为供煤磨烘干原煤所用的热风。多余废气( 约1 8 0 3 0 0 ( 2 ) 则可以通过窑头的 袋收尘器净化后，由废气风机排入大气，袋收尘器捕集到的粉尘由拉链机送至 链斗输送机桫一训。 其中，回转窑的主要作用是进行生料的进一步分解，并为水泥熟料的煅烧 提供合适的温度，足够的热量以及适宜的停留时间和空间。按照窑内各区段的 不同温度和所发生的化学反应，大致可以把回转窑划分为四个区域，即干燥带、 分解带、烧成带和冷却带。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 1 水泥窑头工艺流程图 煤粉对于物料在烧成带的燃烧起着至关重要的助燃作用。煤粉主要由煤粉 设备及输送车间提供，通过四通道喷煤管进入窑内，并与来自一次风机的冷风、 以及来自蓖冷机的二次热风一起充分燃烧。而且，喷煤管的位置并不是固定的， 它被吊装在电动移动小车上，可以在一定幅度内向上、下、前、后方移动，以 适应不同情况下的煅烧要求。另外，窑头还设有一套燃油系统，供窑头点火之 用，包括油箱、油泵、管路系统及喷油装置等。为了确保烧成温度保持在适宜 的范围内，窑头还设有若干冷却风机。 蓖冷机是水泥生产线上专门用于冷却水泥熟料的重要设备，为了存储、运 输和粉磨的方便，高温熟料从回转窑卸出后，便通过蓖冷机进行快速冷却。首 先，利用若干高压风机从蓖板下部鼓入一定量的高压风，对水泥熟料进行急速 冷却，随后，熟料通过蓖床的推动继续前进，并且受到中压风的再次冷却【l2 。在 此过程中，为了保持熟料层厚度的恒定，就必须根据蓖下压力的变化来调节蓖 床前进速度的大小。经蓖冷机冷却后，熟料中的大部分热量被冷却空气回收， 其温度可由出窑时的1 3 5 0 1 4 0 0 。c 降至1 0 0 。c 以下。吸收热量后的冷空气可作为 二次风进入回 而多余的废气 气，袋收尘器 尘器的安全运 一般需在收尘 气温度过高， 武汉理工大学硕士学位论文 2 2sim a tlcp c s 7 简介 p c s 7 是一种新型的全集成控制系统，它把传统的d c s 控制系统、现场总 线技术以及可编程逻辑控制器集成为一体，包含了s t e p 7 、c f c 、w i n c c 等重要 的编程软件和组态软件，并具有集中管理、分散控制、方便安装、价格低廉和 管理维护智能化等诸多特点，体现了现代控制系统的发展方向。p c s 7 延续了西 门子的t i a ( t o t a l l yi n t e g r a t e da u t o m a t i o n ) 理念，可以十分便捷地完成纵、横 向集成和整条生产线的软硬件组态，从