石灰窑炉自动控制系统改造探析

冷 波

(日照职业技术学院，山东 日照 276800)

石灰窑炉自动控制系统改造探析

冷 波

(日照职业技术学院，山东 日照 276800)

在一系列技术革新的基础上，针对石灰窑炉提出基于PLC和上位机的两级控制方案，进行石灰窑炉的改造，通过改造实现生产过程全自动化，提升了石灰的产量，减少了煤耗、电耗，除尘效果也非常明显，解决了原石灰窑炉不稳定、故障率高、操作复杂等难题。目前，该控制系统已得到广泛应用及认可。

石灰窑炉；PLC；改造；构建

0 引言

石灰是我国建筑行业大量用到的建筑材料之一，在高温煅烧时，温度控制的好坏会直接影响石灰生产的质量。传统的石灰窑炉设备简单，温度主要由人工操作，不能实现有效控制，常常会生产出欠火石灰、过火石灰，而且出灰间隔时间太长，粉尘较多，石灰窑炉的环境条件非常不好，工人劳动强度也非常大。因此，采用先进的自动控制系统，对提高传统石灰窑炉石灰的产量及质量，都具有十分重要的意义。

1 石灰窑炉系列技术改进

根据多年工程经验，对石灰窑炉进行了一系列技术改造。

1.1 鼓风、引风机全部采用变频控制

通过变频调速来调节风量，代替原来的工频启动，避免了启动大电流，减少了对电网的冲击，改变了通过进风口开度来调节风量的方式，操作简便、节约能源。使用变频器不仅能够满足窑炉温度的控制要求，而且还能够节约能源。

1.2 配料系统

采用西门子具有自动补偿功能的称重模块，精度可达到小于0.35%，石灰石和煤炭通过两个不同的皮带进入料斗。配料过程是通过PLC进行控制的，能够自动补偿前一次的称量误差，确保了配比准确，有效避免了过烧、夹生、结焦等现象。

1.3 智能电子主令控制器

卷扬机采用联合开发的HDLK型智能电子主令控制器代替原来的机械式主令来控制料车的运行，定位精度高、调节方便、更加可靠，具有停电自动记忆功能，更加贴合实际自动化生产要求。主令器由编码器、西门子的操作面板和西门子PLC组成，操作面板用于信息的输入和显示，PLC是主令器的控制核心，编码器通过柔性联轴器的带动旋转，将位移等信号转化成特定信号。

卷扬机选用变频器无级调速来代替原设备的串电阻调速，运行可靠、维护量小，且降低了采购成本，节约了能源。目前交流PWM变频调速已得到广泛采用，其调速性能好，并适合在恶劣的环境中工作。该项目中选用的交流变频器为F1500-G0370T3B型，由欧瑞电气传动有限公司生产，该机性能良好，适合本系统应用。

卷扬机自动控制流程：起始等待；料斗到地坑下限位，上料；上料结束上料皮带停转；卷扬机低速启动；料车上升到行程10%位置变为中速运行；上升到行程20%位置变为高速运行；上升到行程80%位置变为中速运行；上升到行程90%位置变为低速运行；到达终点上升停止，倒料；延时，倒料结束；卷扬机低速启动；料车下降到行程10%位置变为中速运行；下降到行程20%位置变为高速运行；下降到行程80%位置变为中速运行；下降行程90%位置变为低速运行；到达地坑提升机停止；延时上料，循环运行。

1.4 自主开发HDTC-A型智能料位计，方便探测炉内料面料位

智能料位计具备可手自动测量、多种报警、测量精确、响应速度快、可远程控制等优点。智能料位计主要由CPU224扩展的模拟量模块和旋转编码器来实现对炉内料位的远程监测，并分析料车工作状态及出灰是否正常。

1.5进一步改进两段出灰控制，在不停风机的基础上提高出灰速度

如图1所示，通过上下两段阀控制两段串联密封挡板依次打开和关闭，不断把落下的石灰输送出去。

图1 出灰控制示意图

1.6 粉磨系统

通过检测粉磨电机的电流来控制进料速度，代替人工观察进料。将石灰粉磨电机测得电流传送给PLC，PLC运算后控制变频器带动振动给料机的速度，代替原有人工观测电流表，实现高效控制，保证了给料速度，增加了石灰的产量。窑炉产出的石灰块被送至粉磨机，当检测石灰块达到一定重量时，其就落入料斗中，料斗按照变频器给定速度带动振动给料机进行粉磨，粉磨好的石灰就可以成为成品。

1.7 除尘系统

石灰生产过程中的原料称重、出灰及粉磨等几个阶段产生的粉尘较多，我们设置了引风机和除尘器。在引风机引导下，烟尘进入除尘器，进行除尘，然后排放。在除尘之前，烟尘混入CaO粉尘，可将烟气中的焦油变成易滤除的微粒，将烟尘中的SO2变成CaSO4微尘，方便进行过滤，能够降低烟尘温度，且能进行除硫，效果非常明显。

经过改造后石灰窑炉的生产工艺如图2所示。

图2 石灰窑炉工艺流程

2 自动控制系统构建

在本文的设计中，下位机由西门子S7-300系列PLC实时采集温度、压力等数字量，料位、重量、粉磨电流等模拟量，而PC机进行WINCC组态监控。经过PLC控制，实现原料称重、窑炉进料、料位控制、温度控制、出灰、粉磨等全过程的自动化。

2.1 控制系统硬件设计

系统的硬件除了S7-300 PLC之外，还采用了西门子专有的SIWAREX U进行煤料、石料称量。该模块为S7-300 PLC标准模块，相当于一个模拟量模块。因本系统需多次称重，故采用双通道模块。采用此模块减少了传输数据的中间环节，提高了抗干扰能力，费用明显降低，精度非常高。同时，用西门子称重软件进行初始校称，使用方便、可靠，校正完再更换模块不需要再进行校验；生产过程中可由PLC进行校秤。

2.2 系统功能实现

石灰窑炉生产过程主要由煤石双料混配、窑炉炉内煅烧、石灰出灰与除尘三大部分组成：(1) 公共部分。公共部分设置并显示手自动状态，运行、停止及故障状态，并在关键位置设置急停按钮。另外，比较重要的是设置了最高温度报警，还能曲线显示压力、温度等参数并进行报警。(2) 煤石双料混配。煤炭和石灰石进行称重时，一方面可经上位机WINCC组态画面任意设定目标值，并实时显示两条皮带上当前料重，显示每次配料的石料、煤炭的称量值、误差值，通过PLC对数据的分析，自动计算下一次配料石料和煤炭的设定值，这样就实现了自动补偿，从而使配比较为理想；另一方面，采用了精度很高的西门子专用称重模块，与组态进行配合，称重模块称重前可以进行手工校验，也可由PLC进行校秤。(3) 窑炉炉内煅烧。卷扬机通过变频器改变其运行速度，根据速度计算上料过程时间及运行剩余时间，并在WINCC画面上显示小车上行、返回状态和大体位置，合作研发的智能主令控制器可实现位置的实时准确定位。合作研发的料位计探料、上料几次，就会检测一次，实时显示料面高度，并可进行料面越限报警，还设置了炉顶闸门卡料报警等。(4) 石灰出灰与除尘。通过料位传感器检测，出灰也实现了自动控制。当炉内料面高于料位上限值时，会自动出灰。也可根据实际要求，由WINCC进行手动控制。这里需要指出的是，在设置出灰时，控制系统其他部分停止工作，为实现环保目标，针对各处较为严重的灰尘进行除尘，在引风机产生的负压下经烟囱排出。

2.3 组态监控

本系统用WINCC制作了人机界面(图3)，主要包括温度曲线、窑炉控制、设备状态、报表系统等几个画面。在窑炉控制画面中，主要有配料参数设置、配料情况、报警以及温度显示、出灰手自动切换等功能。画面工艺清楚、操作简单可靠、功能强大、易于上手。

图3 WINCC监控界面

3 项目应用

目前该系统已在四川某公司2×200 t/日石灰窑工程、新疆某公司6×300 t/日石灰窑工程等项目中应用。通过过去两年来的应用及推广，客户的反馈都表明该系统稳定可靠，节能效果明显，除尘效果达到预期，每吨石灰耗煤降低了13.8%，每吨石灰耗电降低了35%，取到了可观的经济效益，符合当前节能减排、绿色环保的理念。

4 结语

本系统解决了原石灰窑炉配料不精准、烧料过烧或欠烧、操作复杂等难题，实现了石灰生产配料、煅烧、出灰、除尘等全程自动化，降低了成本，提高了产量，实现了节能环保。

[1]许星，唐其伟，罗世亮，等.基于S7-300 PLC的石灰窑炉控制系统[J].工业控制计算机，2004(2)

[2]武中华，赵长安，谷志刚.西门子PLC在环形套筒石灰窑控制系统中的应用[J].科技信息，2010(14)

2014-06-09

冷波(1979—)，男，山东日照人，讲师，主要从事PLC控制、物联网等方面的研究。