（测试计量技术及仪器专业论文）新型干法水泥生产线混合控制系统设计与研究.pdf

武汉理j 大学硕士学位论文 中文摘要 以预分解窑为代表的新型干法水泥生产技术是国际公认的代表当代技术发展 水平的水泥生产方法 它具有生产能力大 自动化程度高 产品质量高 能耗低 有害物质排放低 工业废物利用量大等一系列的优点 成为当今世界水泥工业生 产的主要技术 9 0 年代中后期以来 d c s 伴随着新型干法水泥工艺在国内得到广泛 应用 d c s 实现实时监控 工艺参数集中调整 保证热工制度的动态平衡 统一协 调整个生产过程 功能完善 使用方便 d c s 提升了水泥工业的技术水平 使管理 科学化 为企业带来显著的综合效益 随着信息技术和控制技术的进一步发展 现代水泥生产线的控制系统已经超越了传统的d c s 控制的功能 实现了过程控制 逻辑控制 批处理控制 e r p m i s s a l 专家系统等的综合 实现了企业控制 管理 和决策一体化 使得控制系统真正实现全集成自动化 t i a 作为全集成自动化 体系的过程控制 西门子s i m a t i cp c s 7 采用了t i a 系列甄选的标准硬件和软件部 件 其统一的数据管理 通讯和组态功能 为用于过程工业 制造业以及综合工业 领域的先进和经济的自动化解决方案 提供了一种开放式的平台 本文以中国承建的沙特阿拉伯某5 0 0 0 t p d 水泥生产线为研究和设计对象 分析 了新型干法水泥生产技术和设备 研究了各种工业过程控制系统相关技术和最新 的成果 比较了国内外同行业控制系统的现状 结合实际工艺流程和客户要求 研究和设计了一个基于西门子s i m a t i cp c s 7 为基础的水泥生产线过程控制系统 本文重点进行了以下几个方面的研究和设计 研究了水泥生产的新工艺和 新设备 研究了水泥生产线控制系统的相关技术 并进行了比较和分析 设 计了系统的现场电气系统 设计整个系统控制网络结构 应用西门子s i m a t i c p c s 7 c e m a t 软件实现了整个控制系统 并对软件设计中注意的问题和难点进行了 分析 整个系统与2 0 0 7 年8 月设计完成并进行现场调试 系统运行稳定 达到了设 计的目标 本系统是一个典型的连续过程控制系统案例 经产品化设计后 可方 便的移植到类似系统中 具有良好的推广应用前景 关键词 新型干法水泥工艺 混合控制系统 d c s s i m a t i cp c s 7 c e m a t 武汉理i 人学硕士学位论文 a b s t r a c t t a k i n gp r e d e c o m p o s e dk i l n a sr e p r e s e n t a t i v e sn e wd r y i n gc e m e n tp r o d u c t i o n c r a f ti s i n t e m a t i o n a l l yr e c o g n i z e dr e p r e s e n t a t i v eo fc e m e n tp r o d u c t i o nm e t h o di n a d v a n c e b e c a u s ei th a st h ep r o d u c t i v i t yi nab i gw a y t h ea u t o m a t i s th i g h t h ep r o d u c t q u a l i t yh i g h t h ee n e r g yc o n s u m p t i o nl o w t h ed e l e t e r i o u ss u b s t a n c ed i s c h a r g e s t h e i n d u s t r yl o w l ym a k e su s eo fw a s t et h eq u a n t i t yt ob eb i ga n ds oo nas e r i e so fm e r i t s b e c o m e sn o wc e m e n ti n d u s t r yp r o d u c t i o nm a i nt e c h n o l o g yi nt h ew o r l d i ns i n c et h e 9 0 st h el a t e rp e r i o d d c sh a sf o l l o w e dn e wd r y i n gc e m e n t sp r o d u c t i o nc r a f ti n d o m e s t i c a l l yt oo b t a i nt h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o n i tr e a l i z e dt h er e a l t i m em o n i t o r i n g a n dt h ec r a f tp a r a m e t e r sc e n t r a l i s ma d ju s t m e n t g u a r a n t e e dd y n a m i c a le q u i l i b r i u mo f t h eh o tw o r k i n gs y s t e m c o o r d i n a t e de n t i r ep r o d u c t i o np r o c e s s a n dc o n s u m m a t e so ft h e f u n c t i o n o p e r a t e de a s i l y d c sh a sp r o m o t e dt h ec e m e n ti n d u s t r yt e c h n i c a ll e v e l c a u s e t h es c i e n t i f i cm a n a g e m e n t a n db r i n g st h er e m a r k a b l ec o m p r e h e n s i v eb e n e f i tf o rt h e e n t e r p r i s e a l o n gw i t ht h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ec o n t r o lt e c h n o l o g yf u r t h e r d e v e l o p m e n t t h em o d e mc e m e n tp r o d u c t i o nl i n ec o n t r o ls y s t e mh a da l r e a d y s u r m o u n t e dt h et r a d i t i o n a ld c sc o n t r o lf u n c t i o n h a sr e a l i z e ds y n t h e s i so ft h ep r o c e s s c o n t r o l t h el o g i c a lc o n t r o l t h eb a t c hr u nc o n t r o l e r p m i sa n dt h ee x p e r ts y s t e m r e a l i z e dt h ee n t e r p r i s eo fi n t e g r a t i o no fc o n t r o l t h em a n a g e m e n ta n dt h ep o l i c y m a k i n g i n t e g r a t i o n c a u s e dt h ec o n t r o ls y s t e mt r u l yt or e a l i z et h et o t a l l yi n t e g r a t e da u t o m a t i o n t t a a sp r o c e s sc o n t r o li nt h et o t a l l yi n t e g r a t e da u t o m a t i o ns y s t e m s i e m e n s s i m a t i cp c s 7h a su s e dt h es t a n d a r dh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r ep a r tw h i c ht h et i a s e r i e ss e l e c t s i t su n i f i e dd a t am a n a g e m e n t t h ec o m m u n i c a t i o na n dt h ec o n f i g u r a t i o n f u n c t i o n p r o v i d e so p e np l a t f o r mf o ra d v a n c e da n de c o n o m i c a la u t o m a t i o ns o l u t i o ni n t h ep r o c e s si n d u s t r y t h em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r ya sw e l la st h es y n t h e s i si n d u s t r y t h i sa r t i c l et a k e ss a u d ia r a b i a ns o m e5 0 0 0 t p dc e m e n tp r o d u c t i o nl i n ew h i c ht o b u i l db yc h i n aa sr e s e a r c ha n dd e s i g no b j e c t a n a l y z e sn e w d r y i n gc e m e n t sp r o d u c t i o n t e c h n o l o g y a n dt h e e q u i p m e n t s t u d i e s c o r r e l a t i o n t e c h n o l o g y a n dt h en e w e s t a c h i e v e m e n ti n a l lk i n d so fci n d u s t r yp r o c e s sc o n t r o ls y s t e m c o m p a r e sw i t ht h e d o m e s t i ca n df o r e i g nc o l l e a g u e si n d u s t r yc o n t r o ls y s t e mp r e s e n ts i t u a t i o n c o n s i d e r so f a c t u a lt e c h n i c a l p r o c e s sa n dt h ec u s t o m e rr e q u e s t s t u d i e sa n dd e s i g n e sc e m e n t p r o d u c t i o nl i n ep r o c e s sc o n t r o ls y s t e mb a s e do ns i e m e n ss i m a t i cp c s 7 t h i sa r t i c l ei n c l u d e s 武汉理t 大学硕士学位论文 1 r e s e a r c h e st h ec e m e n tp r o d u c t i o nn e w c r a f ta n dt h en e w e q u i p m e n t 2 r e s e a r c h e st h ec e m e n tp r o d u c t i o nl i n ec o n t r o ls y s t e mr e l a t e dt e c h n o l o g y a n d c a r r i e so nt h ec o m p a r i s o na n dt h ea n a l y s i s 3 d e s i g n sf i e l de l e c t r i c a ls y s t e m 4 d e s i g n st h ee n t i r es y s t e mc o n t r o ln e t w o r ka r c h i t e c t u r e 5 r e a l i z e st h ee n t i r ec o n t r o ls y s t e mu s e ds i e m e n ss i m a t i cp c s 7 c e m a t a n d a n a l y s e st h eq u e s t i o na n d t h ed i f f i c u l t yw h i c hp a y sa t t e n t i o nt ot h es o f t w a r ed e s i g n t h ee n t i r es y s t e md e s i g na n dc o m m i s s i o n i n gc o m p l e t e si na u g u s t 2 0 0 7 a n dt h e s y s t e mr u n ss t a b l y a c h i e v e st h ed e s i g ng o a l t h i ss y s t e mi s at y p i c a lc o n t i n u o u s p r o c e s sc o n t r o ls y s t e mc a s e a f t e rt h ep r o d u c t d e s i g n i tm a y f a c i l i t a t et ot r a n s p l a n tt h e s i m i l a rs y s t e m h a st h eg o o dp r o m o t e da p p l i c a t i o np r o s p e c t k e yw o r d s n e wd 咖n gc e m e n tp r o d u c t i o nc r a f t h y b r i d c o n t r o ls y s t e m d c s s d 江a t i cp c s 7 c e m a t i i i 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它教育机构的 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 研究生 签名 r y 1 乙 关于论文使用授权的说明 日期 出 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 送交论文的复印件 允许论文被查阅和借阅 学校可以公布论文的全部或部 分内容 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 研究生 签名 保密的论文在解密后应遵守此规定 聊 签孙虹逝同 期觥 小l 又 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题的来源 第1 章绪论 论文题目 新型干法水泥生产线混合控制系统设计与研究 来源 中国中材国际工程股份有限公司承建的沙特阿拉伯某水泥生产线项目 1 2 课题背景及意义 水泥是建筑工程的重要基本材料之一 在能源和资源方面 水泥生产需要消 耗较多的能源和资源 但是水泥与砂 石等集料所制成的混凝土则是一种低能耗 型建筑材料 在性能方面 水泥制品与普通的钢材相比 它不生锈 与普通的木 材相比 它不腐烂 与普通塑料相比 它不老化 因此具有明显的技术经济上的 优越性 水泥被广泛的应用于工业建筑 民用建筑 交通工程 水泥工程 海港 工程 核电工程 国防建设等新型工业和工程建设等领域 是国家工程建设和人 民生活中不可缺少的重要基本材料 在没有新的更好的材料出来代替水泥以前 水泥仍是主要的建筑材料 对水泥工业的研究仍然具有重要意义 3 l 3 7 因世界许多发达国家建筑业的持续不景气 使世界水泥及其装备市场相对平 静了近2 0 年 然而自2 l 世纪初开始 以中国为首的 美国 印度 越南和中东 产油诸国的水泥工业骤然升温 而且立即形成了迅猛发展之势 2 0 世纪6 0 年代初期到现在 计算机技术一直伴随着水泥工业技术的发展 一 些新的计算机信息技术不断在在水泥工业中应用 一定程度上促使了水泥工业的 大型化发展 水泥生产线的控制技术也在随着现代的计算机技术 现代控制技术 总线技术 网络技术的发展不断的革新 9 0 年代以后 水泥工业已经基本实现了 集散控制 d c s 进入2 l 世纪 随着信息技术和网络技术的大力发展 加上一些 大型企业为水泥行业丌发了专门的产品 例如 西门子 a b b 施耐德公司等 使 得水泥行业的控制技术更加的符合时代的要求 现代的水泥行业的控制基本上是 一个集成了现场总线 以太网和管理信息系统 m i s 的混合d c s 控制系统 n 副 因此对水泥生产线控制系统的深入研究和合理设计对提高水泥生产线的稳定性 提高产量 节约成本以及促使水泥工艺技术的进步有重要的理论意义和现实意义 武汉理 人学硕士学位论文 1 3 水泥生产线控制系统的现状和发展 1 3 1 水泥生产线控制系统的发展历程 早期水泥生产线的生产控制 为分散的车问现场控制 采用常规仪表与继电 器保护 连锁控制 按车间设立控制室 控制车间范围内的生产 直到6 0 年代 在水泥窑头设立了大型中央仪表控制盘 将生产过程的数据和生产装置的遥控由 仪表完成 由此便进入了全仪表化发展时期 7 0 年代初期 可编程序控制器 p l c 在水泥生产线应用 使水泥工厂的自动控制由有触点控制过渡到无触点控制 控 制系统的可靠性大大提高 n 4 1 8 0 年代 计算机技术的飞快发展 为控制技术提供 了速度更快 功能更强 价格逐步降低的控制设备 8 0 年代中期以来 采用微电 子技术 取代了人型仪表控制盘 使分散控制 集中操作管理的集散型系统逐渐 在水泥生产中得到广泛应用 进入9 0 年代 集散控制系统技术进入了水泥行业 使水泥生产控制领域一个 巨大的飞跃 集散控制系统简称d c s d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m 它是用多 台计算机代替早期的一台计算机 实现分散控制 通过计算机通讯技术 将计算 机互相联系起来 使得操作与管理集中安全 n 引用计算机控制系统取代了传统的 模拟仪表控制和继电器顺序 连锁控制 系统稳定可靠 故障和故障修复时间减 少 从而使水泥生产的产品质量提高 产量增加 最初的系统在纵向分三级 即 由过程控制级 中央监控级和通信网络组成 在横向按工艺的特点分为几个区 每个区又按功能分为过程采集 顺序控制 过程控制三部分 随着信息时代的到来 建立现代化企业管理模式的需求 寻求更高效的管理 方式 改善传统的人工管理 加强企业市场竞争力 向管理要效益己成为水泥生 产线工厂自动化的目标 开发工厂生产管理信息系统 必须考虑与工厂原有d c s 网络的连接 能从d c s 采集实时生产数据并送入生产管理网进行计算 分析 统 计和存档 以帮助领导者思维 判断和决策 此外还可对数据进行进一步加工处 理并按所要求的格式打印并及时上报 减轻管理部门的劳动强度 国外一些大型 过程控制系统生产厂家注意到工厂对生产管理管理信息系统的需求 并己开始出 售与自己的控制系统相配套的生产管理信息系统产品 9 0 年代末期 出现现场总 线技术 这对控制系统是一个很好的补充 随着计算机 通讯 网络等信息技术 的飞速发展 水泥工业的自动控制系统正向着智能化 数字化和网络化方向迈进 传统的集散控制系统和计算机分层控制方式也开始向智能终端与网络结合的现场 总线控制系统 f c s 方向发展 另一方面 现场总线作为一种正在发展的新技术 正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制 管理的各个层次 顺应了自动化系统 2 武汉理工大学硕士学位论文 结构发展的趋势 有利于形成网络集成自动化系统为基础的企业信息系统 1 3 2 水泥生产线控制系统的现状和发展 现代的水泥生产线控制系统是一种混合的集散控制系统 应用了现在工业控 制领域的先进成果 尤其是西门子公司和a b b 公司 走在了前列 在国外 水泥 生产线控制系统已经实现了全集成自动化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 采用t i a 概念设计的p l c 控制系统提供了更加强大的控制功能 网络通讯和i t 服 务功能 现代的水泥生产线采用西门子s i m a t i cp c s 7 实现组态和过程控制 尤其 是西门子公司水泥生产控制系统专门的功能块 c e m a t 的开发和应用 使水泥生 产线控制系统的开发周期大大缩短 a b b 公司也在自己的a c 8 0 0 m 系统中开发出来 针对水泥行业的专业库 管理信息系统 m i s 企业资源计划 e r p 和办公自 动化 o a 广泛的使用 以及各种专家系统和智能系统的使用 已经完全实现了 自动化 集成化和信息化 在国内 一些老水泥生产线由规模小 建厂早 控制 的自动化程度比较低 在新建的水泥生产线控制系统已经开始应用新型混合d c s 控制系统 例如 s i m a t i cp c s 7 系统和a b ba c 8 0 0 m 系统 在几条线上已经成功应 用 慢慢地国内的水泥生产控制系统也已经应用了m i s 系统和e r p 等 但是还没 有普及 在水泥行业完全的实现自动化 集成化和信息化还有一个过程口明n 钔 另外由于成本原因 一些国内新建的生产线还采用国内的d c s 控制系统 如浙大 中自w e b f i e l de c s i o o x 系统 利时系统以及易控 i n s p e c 等 这些系统的实用 性 安全性和可靠性与外国的著名控制系统供应商的产品还有一定的差距 1 4 研究内容和目标 1 4 1 研究内容 本论文通过深入了解国内外水泥行业的发展以及水泥行业自动化控制系统的 状况和趋势 重点以中材国际承建沙特阿拉伯某水泥生产线为设计和研究对象 在分析了新干法水泥工艺特点的基础上 结合沙特阿拉伯国家的国情 深入研究 了现场总线控制系统 d c s 分布式控制系统和p l c 控制系统的特点和优势 充分发 挥现场总线数字化 智能化 开放性好 可以高度分散控制 d c s 控制系统编程运 算好 易于组态 界面友好 p l c 控制系统配置灵活的特点 应用现代最先进的工 业自动化控制理念设计出了新型干法水泥生产线混合控制系统 该系统现场层采 用p r o f i b u s 现场总线 车间采用西门子s 7 4 0 0p l c 上位采用光纤介质传输的高 速工业以太网 编程组态软件采用西门子最新工业控制系统s i m a t i cp c s 7 编程语 言采用西门子新一代图形编程语言c f c 以及西门子最新的功能块c e m a t 概括起 武汉理工大学硕士学位论文 来 本文研究的具体内容如下 1 总结 分析 比较了现场总线 d c s p l c 的特点 重点分析了最新d c s 控制 系统理论和设计方法 2 根据该项目的生产线的工艺 设备特点和自动化控制要求进行了总体控制方 案的分析 提出了现场设备层主要采用现场总线控制 每个电气室一个站 根据每个电气室的控制范围和控制点数选用单c p u 或者双c p u 有些点数少的 电气室直接采用远程站 远程站没有c p u 上层网络采用双环高速工业以太网 即各个自动化站 a s c p u 之间 各个a s 站和工程师站 e s 之间 e s 和服务 器之间以及操作员站 o s 之间采用以太网光纤通讯 3 硬件上 设计了该控制系统主要部分 包括各个站的p l c 的硬件配置 扩展 卡件的配置 p r o f i b u s 总线的布局 以及上位服务器 工程师站 操作员站 和管理系统系统 m l s 的控制权限和工艺范围的配置 4 软件上 本项目采用西门子s i m a t i cp c s 7 系统 该系统集成了西门子控制 系统的所有组件和功能 应用其中的w i n c c 6 0 设计了这个水泥生产线的上 位操作画面 对s i m a t i cp c s 7 进行了硬件组态和网络组态 编程应用c e m a t 库和s i m a t i cp c s 7 基本库中的功能块用c f c 编程语言编程 调试 5 西门子最新一代的电机控制和保护单元s i m o c o d ep r o 是本项目的一个特点 它是构成这个控制系统的基础 对整个系统的稳定与安全有至关重要的意 义 本文重点研究了该装置的使用方法并在系统中成功应用 1 4 2 研究目标 水泥生产的工艺越来越复杂 控制的点数越来越多 控制的范围越来越广 新设备的不断出现 新的控制技术和理念不断引进 业主对系统的自动化 集成 化和信息化程度要求越来越高 使水泥生产线的控制系统越来越复杂 对控制系 统的设计的要求越来越高 本设计就是对一个现代化的水泥生产线控制系统的整 体设计 希望通过本系统的设计对水泥生产线的控制的系统的提高有一定参考价 值 对其它控制系统的设计有借鉴意义 在增强自己能力的同时为行业做出贡献 4 武汉理工大学硕十学位论文 第2 章新型干法水泥生产工艺和新设备介绍 2 1 新干法水泥工艺 水泥生产的技术进步 始终围绕着以煅烧技术为核心而不断发展 经历了从 立窑 干法中空窑 干法余热发电窑 湿法窑 立波尔窑 预热器窑到窑外分解 窑的发展过程 以预分解窑为代表的新型干法水泥生产技术是国际公认的代表当 代水泥技术发展水平的水泥生产方法 具有生产能力大 自动化程度高 产品质 量高 能耗低 有害物质排放低 工业废弃物利用量大等一系列优点 成为当今 世界水泥工业生产的主要技术 新干法水泥生产技术内容主要包括生料矿山计算 机控制开采 生料预均化 生料均化 新型节能粉磨 高效低阻预热器和分解炉 新型篦式冷却机 高耐热耐磨及隔热材料 计算机与网络化信息技术等 使水泥 生产具有高效 优质 节能 资源利用符合环保和可持续发展的要求 2 1 1 工艺流程 新干法水泥生产过程与其他的生产方法相比基本上是相同的 在燃烧系统上 有的用煤做燃料有的用油做燃料 具体有一定的区别 结合本项目实际 新干法 水泥生产的工艺流程图如图2 1 所示口 2 1 2 生产工段 新干法水泥生产的过程通常分为以下三个阶段 第一阶段生料准备和生料制 备 第二阶段熟料烧成 第三阶段水泥制成及出厂 l 生料准备和生料制备 生料制备阶段主要任务是把石灰石和辅助生料经过物理处理达到烧成系统需 要的生料 生料磨系统是水泥生产的第一个核心工艺流程 物料从磨机出来后就 是熟料了 进入熟料库 使得不同成分不同细度的生料进一步进行均化 融合 以供应后面的水泥烧成系统 2 熟料烧成 烧成部分是新型干法水泥生产中最重要的一部分 它由窑外预热 分解 窑 内锻烧 熟料冷却及废气处理组成 武汉理上大学硕士学何论文 困 0 固 匦堕囱 卒摩匦 丫 匦圃 一一 i 一一 一 圃一 l 0 匿姻 匾匝圃 v 圃 j 水泥磨l 豳恒互圈恒堑匦 匡塑麴 咂互圈 争医塑亘亟目 图2 1 新干法水泥工艺流程 1 窑外预热 回转窑生产熟料时排出的烟气温度在1 0 0 0 c 左右 在窑尾加上预热器利用 温烟气的余热预热生料 使入窑生料的温度达到7 5 0 8 0 0 完成预热 粘土 堕 囱巫匿 一0 一 硅 萄 囱豳 习幽一壶 武汉理工大学硕士学位论文 脱水分解和部分碳酸盐分解之后 再入回转窑进行锻烧 这样提高了物料反应 度 有利于熟料热耗的降低 生料首先喂入一级旋风筒入口的上升管道内 在管道内进行充分热交换 然 后由一级旋风筒把气体和生料颗粒分离 收下的生料经卸料管进入二级旋风筒的 上升管道内进行第二次热交换 再经二级旋风筒分离 如此依次经过五级旋风预 热器进入回转窑内进行锻烧 2 分解 分解炉主要是使物料分解 其实质上是高温气固多相反应器 窑外分解技术 是一种显著增加回转窑产量的工艺方法 把大量吸热的碳酸钙分解反应在分解炉 中进行 生料颗粒以悬浮或沸腾状态分散在分解炉中 以最大的温度差在燃料无 焰燃烧的同时进行高速传热过程 使生料迅速地完成分解反应 从而大大减轻了 回转窑的热负荷 使回转窑的生产能力以倍数增加 3 窑内锻烧 回转窑的主要作用是为生料的完全分解和熟料矿物的形成提供所需的温度和 一定的停留时间 以实现熟料的烧成 在水泥生产过程中 生料从窑尾向窑头运 动 与窑内热气流进行交换 物料发生了系统的化学反应 把回转窑分成干燥带 分解带 烧成带和冷却带 4 熟料冷却 高温熟料由窑口进入冷却机后 首先受到从篦板下部鼓入的高压风的急速冷 却 随后由篦床推动前进 并且受到中压风的继续冷却 冷却后的小颗粒熟料穿 过细栅条 经出料溜子直接送入输送设备 大块熟料需经冷却机术端的破碎机破 碎后 再进入输送设备 从篦板缝漏入空气室底部的细小熟料颗粒 由冷却机底 部的拉链机送至出料端 鼓入冷却机的冷空气与熟料进行热交换后 一部分作为 二次空气进入窑内 一部分作为三次空气引入分解炉或用于烘干原燃料 多余的 热风经收尘后由烟囱排入大气 5 废气处理 现代水泥生产线的废气处理系统是指在一级预热器热风出口到窑尾的排放烟 囱为止这样一套系统 在这个系统中 主要设备有窑尾高温风机 电收尘器 收 风机和增湿塔等 6 旁路放风 为了解决碱 硫 氯等有害成分的循环富集所造成的结皮堵塞及熟料质量下 降 首先必须注重原燃料的选用 当原燃料资源受到限制 有害成分含量超过允 许限度时 必须在设计及生产中采取相应的防止堵塞的措施 国外部分公司生料 堆中碱 氯 硫等有害的成分含量有严格的规定 超过规定就要采取旁路放风措 施 7 武汉理工大学硕士学位论文 3 水泥制成及出厂 熟料加适量石膏 矿渣后经水泥磨共同磨细成粉状的水泥 包装或散装即可 出厂 本工艺流程分为两个部分 水泥磨系统和水泥包装系统 1 水泥磨系统 水泥磨系统主要包括水泥调配站 水泥磨 水泥入库 水泥调配站和生料磨 的调配站基本上是一样的 根据生产不同的水泥型号以及熟料的成分控制熟料 石膏 和矿渣的喂料的比例 球磨机里主要是钢球 通过钢球的碰撞达到研磨的 目的 从磨机出来后进入选粉机 粗的料循环再进入磨机 细度达到要求的料 即水泥成品通过斜槽进入水泥库 2 水泥包装系统 水泥包装系统分为袋装和散装 散装直接由水泥库库低装车运出 袋装由包 装机完成 水泥包装机的自动化程度一般很高 本系统中包装机自成一个系统 独立操作和控制 2 2 西门子智能电机控制单元s i m o c o d ep r o 介绍 2 2 1 西门子s lm o c o d ep r o 介绍 s i m o c o d e d r 0 3 u f 7 s i r i u sm o t o rm a n a g e m e n ta n dc o n t r o ld e v i c e s 是西 门子最新一代带有p r o f i b u sd p 接口的电机管理和控制装置 它是在s i m o c o d e d p 系统的基础上发展的更高一级的系统 它具有强大的保护控制和监测功能 灵活 的模块化的系统配置 以及良好的系统开放性和集成性 在低压恒速电机保护和 控制中正在广泛应用 s i m o c o d e p r 0 3 u f 7 带有c p u 的智能控制单元 c p u 是系统 核心部分 它可实现对电机的所有控制保护功能 如连锁 操作 运算 诊断和 统计功能以及通讯功能 s i m o c o d e p r 0 3 u f 7 按照不同的功能分为s i m o c o d ep r oc 和s i m o c o d ep r ov s i m o c o d ep r oc 是紧凑型的 般用于普通的单向和双向电 机 实现简单的保护和控制 而s i m o c o d ep r ov 是可扩展型的 可用于单向电机 双向电机 电磁阀 电动执行器和软启动器等装置 其主要的特点是可以附加扩 展模块 实现复杂的电机保护和控制要求 h 1 3 u f 7 功能介绍 s i m o c o d e p r 0 3 u f 7 结合不同的多步和可延时保护以及监控功能提供电机的综 合保护 主要包括 反时限固态过载保护 t c 5 4 0 电机的热敏电阻保护 相故障 相不平衡保护 武汉理工大学硕士学位论文 电机堵转保护 监视所设定的电机的极限电流 监视电压和电流 监视功率因数 电机空转 负荷故障 监视接地故障 监视升温 如通过外接热电阻p t i o o p t l 0 0 0 监视电机运转时间 停机时间和启动次数 2 2 2sim o c o d e 在水泥生产线控制系统中的意义 低压恒速电机是水泥生产中最重要的设备 对整个水泥生产的安全稳定非常 重要 电机的控制是整个生产线控制系统的基础 大部分的控制任务是围绕电机 的控制完成的 一般在一个日产5 0 0 0 吨的现代大型水泥生产线中 低压恒速电机 就有7 0 0 台以上 而且设备需要连续长时间工作 一旦主要电机设备出现故障 将直接影响整个系统的正常运行 将造成巨大的经济损失 随着现代工业控制技 术的发展 尤其是现场总线控制技术和d c s 控制技术在水泥生产线的运用 水泥 生产线的自动化程度愈来愈高 因此对电气设备的控制要求和适应控制系统的能 力提出了更高的要求 在传统的水泥生产线电机的保护和控制系统设计中 采用继 电器控制 实现交流失压的自启动及控制回路断线自保持功能 由于元器件数量 多 直流控制回路一点接地 将导致整个系统安全系数降低 在电动机控制回路中 有1 个热继电器 它依靠双金属片发热弯曲带动辅助接点动作而起过流保护的作用 其精确度很低 且在长期使用或受到数次过载冲击后 工作特性会发生很大变化 经常发生误动或拒动现象 在水泥生产线中对每个低压电机的保护和控制是整个水泥生产自动化监控的 重要部分 随着工艺的不断改进和设备的大型化 对低压电机的保护和控制提出 了更高的要求 西门子s i m o c o d e 在水泥生产线电机保护和控制系统中的应用 以 及基于s i m o c o d e p r 0 3 u f 7 组建水泥生产线现场总线控制系统 是水泥行业控制领 域的重大进步 9 武汉理t 大学硕士学位论文 第3 章水泥生产线控制系统相关技术 控制是生产生活中常碰到的问题 在工业生产中 控制技术的应用和发展非 常重要 到现在为止 控制技术已经发展的非常成熟 各种各样的控制技术不断 涌现 下图为控制系统的发展过程 随着计算机技术 信息技术 网络技术等发 展已经呈现出了很多非常先进的控制技术 如智能控制技术 计算机控制技术 专家系统等 在水泥工业中 控制技术主要有 p l c 控制技术 现场总线控制技术 和d c s 控制技术 近代水泥生产线的控制技术也在不断的改进 应用世界控制领 域的先进成果 最典型的就是结合p l c 控制技术 现场总线技术和d c s 控制技术 以及网络控制技术的新型混合控制技术n 刚咖1 下图3 1 列出了各类控制技术发展 过程 机械控制器继电器逻辑控制器 一1 l 一l 一 基地式仪表电子逻辑控制器 j 气动单元组合仪表可编程逻辑控制器p l c 单回路调节器s l c h 电动单元组合仪表 现场总线 控制系统 f c s 一 分布式控制系统d c s 7 t 计算机直接数字控制系统d d s 计算机监督控制系统s p c 计算机数据采集和j 临督控制系统s c a d a 一一一 一一一一一7 遥测遥控系统 一 一 图3 1 各类控制系统的发展过程 l o 武汉理r 大学硕士学位论文 3 1 p l c 及其控制技术 3 1 1p l c 概述 可编程逻辑控制器 p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r p l c 长期以来始终 处于工业控制自动化领域的主战场 为各种各样的自动控制设备和系统提供可靠 的控制系统解决方案 自二十世纪六十年代美国推出p l c 取代传统继电器控制装 置以来 p l c 得到了快速发展 在世界各地得到了广泛应用 同时 p l c 的功能也 不断完善 随着计算机技术 信号处理技术 控制技术网络技术的不断发展和用 户需求的不断提高 p l c 在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功 能 今天的p l c 不再局限于逻辑控制 在运动控制 过程控制等领域也发挥着十 分重要的作用口3 1 p l c 是由摸仿原继电器控制原理发展起来的 二十世纪七十年代 的p l c 只有开关量逻辑控制 首先应用的是汽车制造行业 它以存储执行逻辑运 算 顺序控制 定时 计数和运算等操作的指令 并通过数字输入和输出操作 来控制各类机械或生产过程 用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求 并事先存入p l c 的用户程序存储器中 运行时按存储程序的内容逐条执行 以完 成工艺流程要求的操作 3 1 2 体系结构 p l c 是一种产品形态的 可独立运行的控制器 其主体由主控模块 i o 模块 电源模块和网络通讯模块构成 这些模块通过一个总线背板连接在一起 并用金 属机架实现机械固定 p l c 设备本身没有人机界面 只有指示灯或小液晶屏 以进 行状态的显示或简单的运行参数显示 p l c 执行直接控制的功能 运行期间无需人 工干预 因此 在以p l c 构成的控制系统中可不配人机界面设备 3 1 3 系统特点 p l c 系统的特点是其构成部分的完全产品化 这其中包括p l c 产品 组态工具 软件产品 人机界面和监督控制软件产品 网络产品等 这类系统一般由用户自 行购买各类产品并自行组成系统 当系统功能较复杂时 也可以以系统集成商柬 实现系统的工程实施 目前各厂家的p l c 基本上都支持以太网 与p l c 配套的组 态工具软件 人机界面和监控软件也基本上采用了p c 机的硬件环境和w i n d o w s 的 操作系统环境 虽然各种p l c 的组态工具基本商支持i e c6 11 3 卜3 标准 也无法 实现设备的互换 如果采用多种p l c 设备某种开放式标准的通讯规约 如m o d b u s 那么可以实现不同种类p l c 间的互操作 武汉理工大学硕十学位论文 3 2p r o f i b u s 总线控制技术 随着控制 计算机 通信 网络等技术的发展 信息交换沟通的领域正在迅 速覆盖从工厂的现场设备层到控制 管理的各个层次 覆盖从工段 车间 工厂 企业乃至世界各地的市场 信息技术的飞速发展 引起了自动化系统结构的变革 逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统 现场总线 f i e l db u s 就 是顺应这个形势发展起来的新技术 现场总线控制技术在建材行业尤其是水泥行业广泛应用 现在基本上每个水 泥生产线中的控制系统中都应用了现场总线控制系统 尤其是西门子标准的 p r o f i b u s 现场总线技术 3 2 1p r o f l b u s 总线概述 p r o f i b u s 总线是最具竞争力的一类现场总线 是水泥行业中应用最多也是最 成功的总线类型 p r o f i b u s 的定义及分类n 钔 p r o f i b u s 是p r o c e s sf i e l d b u s 的缩写 是一种 国际性的开放式的现场总线标准 即e n 5 01 7 0 欧洲标准 目前世界上许多自动化 生产厂家都为它们生产的设备提供p r o f i b u s 接口 它广泛适用于制造业自动化 流程工业自动化和楼宇 交通 电力 等其他领域自动化 p r o f i b u s 根据应用特 点分为 p r o f i b u s d p p r o f i b u s f m s p r o f i b u s p a 三个兼容版本 1 p r o f i b u s d p 经过优化的高速 廉价的通信链 专为自动控制系统和设 备级分散i o 之间通信设计 使用p r o f i b u s d p 模块可取代昂贵的2 4 v 或o 2 0 m a 并行信号线 用于分布式控制系统的高速数据传输 2 p r o f i b u s f m s 解决车间级通用性通信任务 提供大量的通信服务 完 成中等传输速度的循环和非循环通信任务 用于纺织工业 楼宇自动化 电气传 动 传感器和执行器 可编程控制器 低压开关设备等一般自动化控制 它是一 个令牌结构 实时多主网络 3 p r o f i b u s p a 专为过程自动化设计 标准多本质安全多传输技术 实现 了i e c l l 5 8 2 中规定的通信规章 用于对安全性要求高的场合及由总线供电的站 点 p r o f i b u s 是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的 现场总线技术 可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网 络 从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案 p r o f i b u s 协议结构p r o f i b u s 协议结构是根据i s 0 7 4 9 8 国际标准 以丌放式系统 互联网络 o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o no s i 作为参考模型的 该模型共有七 1 2 武汉理工人学硕士学位论文 层 物理层 数据链路层 网络层 传输层 会话层 表示层和应用层 现场总 线采用简化的网络体系结构 具有类似于o s i 模型的物理层 数据链路层和应用 层的3 层协议或进一步包括网络层或传输层在内的4 层协议 而不采用会话层和 表示层 流量控制和差错控制放在数据链路层执行 而报文的可靠传输可以放在 数据链路层或者应用层执行 这种协议具有结构简单 协议程序的设计灵活 执 行直观 价格低廉 性能良好等优点 这种流体型结构确保了数据传输的快速和 有效 用户接口规定了用户及系统以及不同设备可以调用的应用功能 3 2 2p r o f i b u s 传输技术 现场总线系统的应用质量在很大程度上取决于选用的传输技术 除了一些总