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    摘要：生產(chǎn)活性石灰的套筒石灰窯在產(chǎn)品質(zhì)量、能耗、成本等各方面較傳統(tǒng)的豎窯都有較大優(yōu)越性，而其在國內(nèi)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(shù)，根據(jù)實際情況對電氣控制系統(tǒng)進行了再設計。工程采用西門子S7-400作為主控制系統(tǒng)，進行軟硬件系統(tǒng)設計和多項技術(shù)優(yōu)化處理，在實際應用中取得了較好的成效。

    關(guān)鍵詞：環(huán)形套筒窯；石灰；控制系統(tǒng)；技術(shù)優(yōu)化

   1 引言

   環(huán)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(fā)明的，此類型窯與其他豎窯相比在產(chǎn)品質(zhì)量和單窯單產(chǎn)方面具有很大的優(yōu)越性；與回轉(zhuǎn)窯相比具有投資少、熱耗低、占地少等優(yōu)點。濟南鋼鐵股份有限公司（以下簡稱“濟鋼”）是在國內(nèi)冶金系統(tǒng)第5個引進套筒窯的廠家。項目采用德國“FERCALX”公司的BECKENBACH環(huán)形套筒石灰窯，以生產(chǎn)高活性度的石灰供煉鋼使用，自動控制系統(tǒng)和傳動控制系統(tǒng)采用西門子公司的S7-400可編程控制器和變頻器，整個系統(tǒng)通過PROFIBUS網(wǎng)絡和工業(yè)以太網(wǎng)連接在一起，完成上料、燃燒、出料、除塵等系統(tǒng)的自動控制。

   2 系統(tǒng)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(nèi)套筒冷卻控制、循環(huán)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(tǒng)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(tǒng)配置

   3.1 硬件配置

    整個監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)采用416-2DP CPU，模塊是S7-400 I/O模塊，液壓站、操作臺、除塵系統(tǒng)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(tǒng)同它們通過PROFIBUS網(wǎng)絡通訊；上層為監(jiān)控層，主控制系統(tǒng)上插有以太網(wǎng)模塊，通過專用交換機ESM同監(jiān)控站組成以太網(wǎng)。硬件配置如圖2所示。
      
                        
                                      圖1 環(huán)形套筒石灰窯工藝流程

    3.2 系統(tǒng)軟件

   控制器采用的系統(tǒng)軟件是STEP7V5.2，監(jiān)控軟件為WinCCV6.0。控制系統(tǒng)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(qū)動程序連接第3方產(chǎn)品，靈活的實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控、回路控制、數(shù)學運算、報警提示、趨勢曲線、報表打印等功能。系統(tǒng)具有豐富的功能模塊，編程時可根據(jù)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(guān)鍵技術(shù)與主要控制功能的實現(xiàn)

   4.1 工業(yè)以太網(wǎng)+現(xiàn)場總線技術(shù)

   每套控制系統(tǒng)的控制器、遠程控制站通過PROFIBUS網(wǎng)絡連接，控制系統(tǒng)之間及HMI監(jiān)控站通過10M/100M高速以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，完成過程數(shù)據(jù)采集、聯(lián)鎖調(diào)速信號的通訊等。

    4.2 人機接口共享化

    采用的操作系統(tǒng)具有系統(tǒng)開放、通用性強、開放性好等特點，利用100MHz工業(yè)以太網(wǎng)將系統(tǒng)的各種硬件設備（PLC、監(jiān)控站）連接起來，完成各種數(shù)據(jù)的交換任務。多個HMI上位機可同時監(jiān)控同一個工藝子系統(tǒng)，實現(xiàn)了系統(tǒng)共享、資源共享、信息共享。

    4.3 優(yōu)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(tǒng)的單斗運行時間圖，如圖3所示）。如此若產(chǎn)量達到每日500噸則需上料500/0.575/2.5/6=58批，經(jīng)計算得24小時內(nèi)上料系統(tǒng)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(nèi)，幾乎無法完成對上料系統(tǒng)的各個設備的維護和日常點檢、潤滑以保證設備的正常、穩(wěn)定運行。如果想超產(chǎn)，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(tǒng)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(guān)到位時間；

   G－布料器旋轉(zhuǎn)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(guān)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(diào)整：一是合理的調(diào)整上料系統(tǒng)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?shù)臏p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(diào)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(tài)的12秒減少到了8秒；為減少D段時間，經(jīng)過多次實驗確定了料車到達窯頂?shù)慕咏_關(guān)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(tài)的12秒減少到了7秒；減少上料時間的重點是調(diào)整B、E段時間，盡量使上料小車的運行達到最優(yōu)控制。
           
                             
                           圖5 調(diào)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(jù)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(diào)整后料車為窯內(nèi)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(yōu)化后的控制程序中設定了3個聯(lián)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(wǎng)絡上編碼器的數(shù)值；經(jīng)過多次實驗得出的料車上/下行的時間。

    完成以上調(diào)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(jié)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(tǒng)的超產(chǎn)創(chuàng)造了條件。圖6中：G－布料器旋轉(zhuǎn)到相應放料位置的最長時間。
     
                      
                           圖6 調(diào)整后的上料系統(tǒng)的單斗運行時間圖表

    4.4 旋轉(zhuǎn)布料器優(yōu)化控制

   套筒窯使用旋轉(zhuǎn)布料器，避免爐料偏落而造成布料不均。料車上料，通過旋轉(zhuǎn)布料器均勻的將爐料投入六個受料位內(nèi)，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(tǒng)的控制方式，固定為從旋轉(zhuǎn)布料器的1#號位受料，每次上料旋轉(zhuǎn)布料器從1#位受料后依次轉(zhuǎn)動至空料位卸料，然后順時針轉(zhuǎn)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(tǒng)大部分功率都用在截流閥的控制上，極易產(chǎn)生故障影響生產(chǎn)。優(yōu)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(zhuǎn)布料器的每次轉(zhuǎn)動均為有效轉(zhuǎn)動，不存在空轉(zhuǎn)現(xiàn)象，大大減少了液壓系統(tǒng)的壓力并能均衡石子對布料器的沖擊磨損，提高旋轉(zhuǎn)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(xiàn)象，速度調(diào)節(jié)容易，杜絕了布料器卡阻現(xiàn)象。

    控制程序流程如下(設i為卸料時間，j為轉(zhuǎn)動角度)：

    Begin:

    For i=1 To 6

    J=(i-1)X60

    Next

    I=1

   Goto Begin:

    設旋轉(zhuǎn)布料器載料轉(zhuǎn)動時間為m，空轉(zhuǎn)時間為n（3秒），則傳統(tǒng)控制方式下一個布料周期經(jīng)歷的時間為：

   T1=Σim+(5-i)n，（i=1，2，3，4，5）=15m+15n

   優(yōu)化后時間為：

   T2=Σim，（i=1，2，3，4，5）=15m

   比較可知，技術(shù)優(yōu)化后完成一個布料周期共可節(jié)省時間15n（共計45秒）。

    4.5 窯內(nèi)負壓的自動控制

   套筒窯系統(tǒng)對于每個燃燒室的負壓控制具有嚴格的要求，手動調(diào)節(jié)難度很大。因此對高溫引風機采用變頻控制，根據(jù)單室負壓的變化自動進行調(diào)節(jié)，主要功能為：（1）自動判斷單室負壓的大小是否在－100±20以內(nèi)，（2）自動判斷高溫廢氣風機轉(zhuǎn)速的增減，（3）確定采樣計算周期，減少震蕩、（4）根據(jù)高溫廢氣風機電流限定電機最高轉(zhuǎn)速，確保電機安全運行。

   5 結(jié)語

    由于實現(xiàn)了對監(jiān)控設備的自動控制、自動聯(lián)鎖保護控制和自動調(diào)速運行等技術(shù)處理，使整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，操作工人勞動強度低。運行短時間內(nèi)達產(chǎn)達效，所生產(chǎn)的石灰質(zhì)量較好，平均日產(chǎn)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(huán)保意義。在國內(nèi)同類爐窯控制系統(tǒng)中達到了領(lǐng)先水平。

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   酆 烽（1979-）

   男，山東濟南人，現(xiàn)任濟南鋼鐵股份有限公司發(fā)電管控中心工程師。主要研究方向為冶金自動控制系統(tǒng)和自動化儀表。

   穆 寧（1980-）

   女，山東濟南人，現(xiàn)任濟南職業(yè)學院財經(jīng)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