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案例頻道 摘要：生產活性石灰的套筒石灰窯在產品質量、能耗、成本等各方面較傳統的豎窯都有較大優越性，而其在國內的應用尚不廣泛。本文基于濟南鋼鐵股份有限公司自德國引進的套筒石灰窯技術，根據實際情況對電氣控制系統進行了再設計。工程采用西門子S7-400作為主控制系統，進行軟硬件系統設計和多項技術優化處理，在實際應用中取得了較好的成效。
關鍵詞：環形套筒窯；石灰；控制系統；技術優化
1 引言
環型套筒石灰窯（以下簡稱“套筒窯”）是德國貝肯巴赫爐窯公司發明的，此類型窯與其他豎窯相比在產品質量和單窯單產方面具有很大的優越性；與回轉窯相比具有投資少、熱耗低、占地少等優點。濟南鋼鐵股份有限公司（以下簡稱“濟鋼”）是在國內冶金系統第5個引進套筒窯的廠家。項目采用德國“FERCALX”公司的BECKENBACH環形套筒石灰窯，以生產高活性度的石灰供煉鋼使用，自動控制系統和傳動控制系統采用西門子公司的S7-400可編程控制器和變頻器，整個系統通過PROFIBUS網絡和工業以太網連接在一起，完成上料、燃燒、出料、除塵等系統的自動控制。
2 系統工藝及控制要求
套筒窯的控制主要分為兩部分，一部分為窯體燃燒控制，主要包括：煤氣熱值控制、上（下）燃燒室溫度控制、空燃比控制、內套筒冷卻控制、循環氣體溫度控制、窯頂壓力控制、入除塵器氣體溫度控制等；另一部分為上、出料控制，主要包括：原料系統控制、上料小車（卷揚）上（下）行控制、布料器控制、排料控制等。套筒窯的整體工藝流程如圖1所示。
3 控制系統配置
3.1 硬件配置
整個監控系統主要采用德國西門子公司的控制設備，分為兩層。下層為控制層，主控制系統采用416-2DP CPU，模塊是S7-400 I/O模塊，液壓站、操作臺、除塵系統采用IM153遠程控制器，卷揚料車與廢氣風機由西門子變頻器控制，卷揚上料小車的位置由圖爾克絕對值型編碼器檢測，主控制系統同它們通過PROFIBUS網絡通訊；上層為監控層，主控制系統上插有以太網模塊，通過專用交換機ESM同監控站組成以太網。硬件配置如圖2所示。
圖1 環形套筒石灰窯工藝流程
3.2 系統軟件
控制器采用的系統軟件是STEP7V5.2，監控軟件為WinCCV6.0。控制系統提供了豐富的軟件功能，可進行多方式編程，能夠通過在STEP 7中安裝驅動程序連接第3方產品，靈活的實現系統監控、回路控制、數學運算、報警提示、趨勢曲線、報表打印等功能。系統具有豐富的功能模塊，編程時可根據工藝過程控制特點，方便地設計控制方案。
圖2 硬件配置圖
4 關鍵技術與主要控制功能的實現
4.1 工業以太網+現場總線技術
每套控制系統的控制器、遠程控制站通過PROFIBUS網絡連接，控制系統之間及HMI監控站通過10M/100M高速以太網聯網，完成過程數據采集、聯鎖調速信號的通訊等。
4.2 人機接口共享化
采用的操作系統具有系統開放、通用性強、開放性好等特點，利用100MHz工業以太網將系統的各種硬件設備（PLC、監控站）連接起來，完成各種數據的交換任務。多個HMI上位機可同時監控同一個工藝子系統，實現了系統共享、資源共享、信息共享。
4.3 優化自動上料控制
原設計中上料小車的標準載重為2.5噸，單斗上料時間為204s（上料系統的單斗運行時間圖，如圖3所示）。如此若產量達到每日500噸則需上料500/0.575/2.5/6=58批，經計算得24小時內上料系統在單批料之間的停運時間為：（86400-73022）/58＝230（s）。在如此短的時間內，幾乎無法完成對上料系統的各個設備的維護和日常點檢、潤滑以保證設備的正常、穩定運行。如果想超產，設備的運行時間就更長，則單批料之間的停運時間就更短。
圖3 上料系統的單斗運行時間圖表
在圖3中：A－料車裝料時間；B－料車上行時間；
C－窯頂裝料閘門開到位時間；D－料車窯頂放料時間；
E－料車下行時間；F－窯頂裝料閘門關到位時間；
G－布料器旋轉到相應放料位置及回1＃位時間；
H－料鐘開并放料時間；I－料鐘關閉時間；J－秤量斗裝料時間。
綜述可知，要增加每批料之間的停頓時間，需進行兩項調整：一是合理的調整上料系統各設備的運行，減少單斗上料時間；二是在上料卷揚機機械強度和電機允許的情況下增加單斗重量。而讀圖5可知，減少單斗上料時間就要適當的減少A、B、D、E等四個工作時段。
圖4 卷揚料車上（下）行運行速度曲線
為A段時間，調整了液壓缸的動作速度，使之能以最快的速度開到位來減少下料時間，由此將原狀態的12秒減少到了8秒；為減少D段時間，經過多次實驗確定了料車到達窯頂的接近開關的位置，增大了倒料傾角，使之能以最快的速度倒料完畢后返回，由此將原狀態的12秒減少到了7秒；減少上料時間的重點是調整B、E段時間，盡量使上料小車的運行達到最優控制。
圖5 調整后的卷揚料車上（下）行運行速度曲線
由圖4可知小車在上、下行加速階段的運行曲線設計不合理，用時過長，在上、下行減速階段出于安全上的考慮低速運行時間也較長。料車滿料上行時間設定為3秒（電流為143A）。由于窯頂有0.8米左右的彎道，當料車在彎道上運行時速度不能過快，因此根據料車通過彎道的時間將下行時的加速時間初步確定為2秒，檢測到的電流為100A。調整后料車為窯內加料1斗，單程可減少時間8秒，雙程可減少時間16秒。其新運行曲線如圖5所示。為保證料車的安全運行，在優化后的控制程序中設定了3個聯鎖點以確保料車在窯頂和窯底安全停車，分別為：窯頂/底的上/下限位；PROFIBUS網絡上編碼器的數值；經過多次實驗得出的料車上/下行的時間。
完成以上調整后，石灰窯單斗運行時間可減少24秒。如圖6所示，加料一批共6斗，可節約時間24×6＝144秒，使每一批料的間隔時間為230＋144＝374秒，約合6.2分鐘，完全可解決對單個上料設備的日常檢查和加油潤滑，也為系統的超產創造了條件。圖6中：G－布料器旋轉到相應放料位置的最長時間。
圖6 調整后的上料系統的單斗運行時間圖表
4.4 旋轉布料器優化控制
套筒窯使用旋轉布料器，避免爐料偏落而造成布料不均。料車上料，通過旋轉布料器均勻的將爐料投入六個受料位內，開料鐘完成一次卸料這個過程稱為一個完整的布料周期。
傳統的控制方式，固定為從旋轉布料器的1#號位受料，每次上料旋轉布料器從1#位受料后依次轉動至空料位卸料，然后順時針轉回1#位再次受料，如圖7所示。此方式布料周期長，且受料點均為1#位，也容易造成布料器的損壞，尤其是布料器的液壓系統大部分功率都用在截流閥的控制上，極易產生故障影響生產。優化后的控制方式不再確定受料位置，遵循就近受料、就近卸料原則，使得旋轉布料器的每次轉動均為有效轉動，不存在空轉現象，大大減少了液壓系統的壓力并能均衡石子對布料器的沖擊磨損，提高旋轉布料器的使用壽命。由于消除了空載與重載運行同時存在的現象，速度調節容易，杜絕了布料器卡阻現象。
控制程序流程如下(設i為卸料時間，j為轉動角度)：
Begin:
For i=1 To 6
J=(i-1)X60
Next
I=1
Goto Begin:
設旋轉布料器載料轉動時間為m，空轉時間為n（3秒），則傳統控制方式下一個布料周期經歷的時間為：
T1=Σim+(5-i)n，（i=1，2，3，4，5）=15m+15n
優化后時間為：
T2=Σim，（i=1，2，3，4，5）=15m
比較可知，技術優化后完成一個布料周期共可節省時間15n（共計45秒）。
4.5 窯內負壓的自動控制
套筒窯系統對于每個燃燒室的負壓控制具有嚴格的要求，手動調節難度很大。因此對高溫引風機采用變頻控制，根據單室負壓的變化自動進行調節，主要功能為：（1）自動判斷單室負壓的大小是否在－100±20以內，（2）自動判斷高溫廢氣風機轉速的增減，（3）確定采樣計算周期，減少震蕩、（4）根據高溫廢氣風機電流限定電機最高轉速，確保電機安全運行。
5 結語
由于實現了對監控設備的自動控制、自動聯鎖保護控制和自動調速運行等技術處理，使整個系統運行穩定可靠，操作工人勞動強度低。運行短時間內達產達效，所生產的石灰質量較好，平均日產達到550噸以上，活性度平均達到350ml以上；同時，CO2含量低于1.5%，灼堿低于6%，具有較強的環保意義。在國內同類爐窯控制系統中達到了領先水平。
參考文獻：
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酆 烽（1979-）
男，山東濟南人，現任濟南鋼鐵股份有限公司發電管控中心工程師。主要研究方向為冶金自動控制系統和自動化儀表。
穆 寧（1980-）
女，山東濟南人，現任濟南職業學院財經系助教。主要研究方向為成本核算。
摘自《自動化博覽》2011年第十二期
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號