新型干法水泥生產(chǎn)過程DCS系統(tǒng)簡述

1、水泥生產(chǎn)過程DCS系統(tǒng)謝國政摘要：本文介紹了以PLC為核心，采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)水 泥生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)的硬件配置和軟件組態(tài)。并對水泥生產(chǎn)過程 中的主要控制技術(shù)進行了介紹。關(guān)鍵詞：DCS水泥干法生產(chǎn)1.概述二十世紀水泥工業(yè)有兩次重大的技術(shù)突破，第一次是回轉(zhuǎn)窯 在上世紀初得到全面推廣，提高了水泥的產(chǎn)量和質(zhì)量，奠定了水泥工 業(yè)作為現(xiàn)代化工業(yè)的基礎(chǔ)；第二次是五十年代懸浮預(yù)熱器和七十年代 預(yù)分解技術(shù)的出現(xiàn)，大大提高了水泥窯的熱效率和單機生產(chǎn)能力，促 進了水泥工業(yè)向大型化、現(xiàn)代化的進一步發(fā)展。由于濕法窯具有良好的均化性能，產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良，且操作維護 方便，因而在20世紀上半葉一直是傳統(tǒng)窯型發(fā)展的主流。60年

2、代 初發(fā)展到頂點，最大的濕法窯規(guī)格為7.6X232M，產(chǎn)量3600t/d。 隨著世界經(jīng)濟的高速增長，生產(chǎn)技術(shù)和水泥設(shè)備制造技術(shù)及其有關(guān) 的材料性能的提高和自動化控制技術(shù)的發(fā)展，使生產(chǎn)規(guī)模進一步擴 大和完善，加快了預(yù)熱器的大型化和發(fā)展，60年代預(yù)熱器窯投產(chǎn) 的數(shù)量已超過濕法窯，70年代的能源危機進一步加速了干法生產(chǎn) 的進程 預(yù)分解窯的出現(xiàn)，窯徑在相同的情況下，產(chǎn)量增加了一倍 以上，熱耗進一步下降，為水泥產(chǎn)量迅速增長創(chuàng)造了條件，其投資 和生產(chǎn)成本遠低于濕法窯。預(yù)分解窯的先進技術(shù)綜合反映在以下方 面：水泥熟料熱耗一般水平為3100kJ/kg (740kcal/kg)，先進的可達 2930kJ/kg

3、(700kcal/kg)。 水泥電耗一般水平為95100kWh/t.水泥，先進的約8590kWh/t 水泥。窯系統(tǒng)年運轉(zhuǎn)率一般為85%，先進約為90%，生料磨的年運轉(zhuǎn)率 可與窯匹配。勞動生產(chǎn)率視生產(chǎn)線規(guī)模而定，大型生產(chǎn)線一般為800010000t 水泥/人.年，先進的可達15000t水泥/人.年以上。有毒有害氣體排放量得到嚴格控制，粉塵排放量一般50mg/m3， 先進的為1530mg/m3，NOx、SOx均低于控制指標以內(nèi)。熟料質(zhì)量優(yōu)良，達到國家所規(guī)定的高標號熟料質(zhì)量要求。水泥工藝的重大變化對生產(chǎn)的自動控制提出了更高的要求。DCS 系統(tǒng)、FCS系統(tǒng)在水泥行業(yè)的推廣應(yīng)用為水泥工藝的變化提供了技術(shù)

4、 保證。目前控制系統(tǒng)硬件以國外品牌為主，控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件自行開 發(fā)。2.水泥生產(chǎn)過程DCS系統(tǒng)2. 1主要生產(chǎn)過程控制原理水泥生產(chǎn)工藝主要包括：生料制備、水泥燒成、水泥制成等 主要環(huán)節(jié)。這些環(huán)節(jié)直接影響到水泥生產(chǎn)的質(zhì)量和生產(chǎn)廠的經(jīng)濟效 益。水泥制成與生料制備在控制方面類似。故本文主要對生料制備、 水泥燒成進行介紹。生料制備框圖生料制備控制原理本工段的主要控制環(huán)節(jié)是：生料質(zhì)量控制、原料粉磨機負荷控制、 原料粉磨入磨負壓自動調(diào)節(jié)。生料質(zhì)量控制生料質(zhì)量控制系統(tǒng)是通過入庫生料取樣系統(tǒng)，取出生料的平均試 樣，將試樣送到樣品制備間，制成標準試樣，在熒光分析儀上分析生 料試樣的成份，把各種參數(shù)送入計算機，由

5、計算機計算出生料率值， 根據(jù)已設(shè)定的生料率值，然后進行分析處理得到新的喂料比例，同時 用該信號控制原料配料庫下定量給料機的皮帶機速度，以改變各種物 料的配比，使得生料的率值符合要求的設(shè)定率值。原料粉磨機負荷控制原料粉磨機負荷控制系統(tǒng)是通過立磨進、出口差壓參數(shù)的檢測， 送入計算機，由計算機分析處理，再控制配料庫底定量給料機的給料 量，以控制原料粉磨的喂料量，保證磨機運行在最佳的工況狀態(tài)下。原料粉磨入磨負壓自動調(diào)節(jié)保持立磨內(nèi)適當?shù)娘L(fēng)速以及熱風(fēng)量與喂料量的適當比例，對原料 系統(tǒng)熱工參數(shù)的穩(wěn)定及獲得合格的產(chǎn)品，起著至關(guān)重要的作用。其控 制方法是利用立磨入口壓力調(diào)節(jié)原料粉磨系統(tǒng)循環(huán)閥門開度來實現(xiàn)。水泥燒

6、成框圖水泥燒成控制原理本工段的主要控制煤粉制備、水泥煅燒、分解爐等環(huán)節(jié)。煤磨磨機負荷控制煤磨機負荷控制系統(tǒng)是通過立磨進、出口差壓參數(shù)的檢測，并送 入計算機由計算機分析處理，控制原煤倉圓盤喂料機的變頻裝置。通 過改變其圓盤喂料機的轉(zhuǎn)速而實現(xiàn)改變其喂料裝置的喂料量。實現(xiàn)對 煤磨磨機負荷的有效控制，以保證磨機安全運行在最佳的工況狀態(tài) 下。煤磨出口溫度自動調(diào)節(jié)為確保煤磨的安全操作，保持磨內(nèi)溫度穩(wěn)定于安全限值以內(nèi)是十 分重要的。其控制方法是利用磨機出口溫度調(diào)節(jié)入磨冷風(fēng)閥閥門的開 度，確保磨內(nèi)溫度穩(wěn)定在要求的限值內(nèi)。C.五級旋風(fēng)筒出口溫度自動調(diào)節(jié)探求最佳運轉(zhuǎn)操作，窯爐的熱工制度穩(wěn)定是一個重要因素。出五 級

7、旋風(fēng)筒氣體是窯尾廢氣和分解爐氣體充分混合的熱氣流，其溫度高 低，一則反映出五級旋風(fēng)筒入窯物料的分解率，二則也反映出爐內(nèi)燃 燒狀況。隨著窯尾氣體的變化及物料量的波動，增減喂煤便可保持所 要求的穩(wěn)定溫度，減少入窯物料分解率的波動，為窯內(nèi)熱工制度穩(wěn)定 創(chuàng)造了條件。實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)的手段為：五級旋風(fēng)筒出口溫度調(diào)節(jié)煤粉制備車間 喂煤秤轉(zhuǎn)速。入窯喂料量自動控制通過計量秤計量出喂料量與給定的喂料量進行比較，用其差值來 控制稱重倉下喂料電動流量閥門的開度，從而來實現(xiàn)生料喂料量的穩(wěn) 定。入窯喂料量的給定值由計算機控制系統(tǒng)給出。窯尾生料稱重倉倉重自動控制確保稱重倉下喂料電動流量閥具有穩(wěn)定的料壓是保證沖擊流量 計精度的

8、關(guān)鍵。其控制方法是利用窯尾生料稱重倉倉重調(diào)節(jié)生料庫庫 下卸料閥的開度，保證窯尾生料稱重倉倉重維持在一恒定的水平。增濕塔出口溫度自動調(diào)節(jié)為了保證電收塵器的收塵效率，并保護電收塵器極板不變形，同 時兼顧本身沉集粉塵的含水量，自動調(diào)節(jié)增濕塔噴水量是理想的方 法。而噴水量是根據(jù)增濕塔出口氣體溫度來調(diào)節(jié)噴水系統(tǒng)回水管道閥 門開度來實現(xiàn)。窯頭罩負壓自動調(diào)節(jié)燃料充分燃燒，需要提供足夠的空氣量，然而過多的空氣量，只 加大了窯內(nèi)通風(fēng)量，增加粉塵飛揚，降低窯內(nèi)溫度。相應(yīng)增加了熱耗。 因此控制入窯的空氣量保持穩(wěn)定是非常必要的。通過冷卻機電收塵器排風(fēng)機進口閥門的開度來調(diào)整窯頭罩負壓。 既可實現(xiàn)上述要求，又保證了窯爐用

9、熱風(fēng)與冷卻機余風(fēng)間的風(fēng)量、風(fēng) 壓平衡和合理分布。實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)的手段為：由窯頭罩負壓調(diào)節(jié)排風(fēng)機進口閥門開 度。冷卻機風(fēng)機風(fēng)量自動調(diào)節(jié)為使冷卻機工作狀況少受外來干擾，保持各室的恒定風(fēng)量是非常 必要的，因此對各室冷風(fēng)機風(fēng)量進行自動調(diào)節(jié)控制。其控制方法是通 過測量冷風(fēng)機入口流量來調(diào)節(jié)冷風(fēng)機入口閥門的開度。冷卻機蓖下壓力自動調(diào)節(jié)蓖冷機的蓖板上均勻穩(wěn)定的熟料料層厚度可以達到更好的冷卻 效果。但直接測量其厚度是比較困難的。根據(jù)流體理論，通過熟料料 層阻力與料層厚度成正比，故可以通過測量各冷卻室的壓力間接表示 熟料料層厚度，保持穩(wěn)定的壓力，便能獲得均勻穩(wěn)定的熟料料層厚度。實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)的手段為：通過調(diào)節(jié)蓖板速度

10、，即蓖板沖程次數(shù)來 維持蓖下壓力的恒定，從而達到維持冷卻機蓖板上均勻穩(wěn)定的熟料料 層厚度。使冷卻機工作在最佳工況。窯頭電收塵器入口溫度自動調(diào)節(jié)為了保證電收塵器的收塵效率，并保護電收塵器極板不變形，同 時兼顧本身沉集粉塵的含水量，自動調(diào)節(jié)冷卻機噴水量是理想的方 法。而噴水量是根據(jù)窯頭電收塵器入口氣體溫度來調(diào)節(jié)噴水系統(tǒng)回水 管道閥門開度來實現(xiàn)。2控制系統(tǒng)配置該項目選用ABBIndustrial IT Freelance控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是面 向工廠自動化的新一代開放式DCS系統(tǒng)，全面支持現(xiàn)場總線技術(shù)，系 統(tǒng)采用全局數(shù)據(jù)庫技術(shù),實現(xiàn)全局一體化編程。系統(tǒng)通信為標準以太 網(wǎng),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有較強擴展能力，系統(tǒng)

11、編程采用國際化標準。現(xiàn)場控制 站采用符合技術(shù)要求的遠程I/O ABB S800并通過Profibus總線與 控制站進行數(shù)據(jù)通信。水泥生產(chǎn)DCS控制系統(tǒng)配置圖如附圖所示。DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)概述根據(jù)用戶要求系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)設(shè)計為2層：第一層為現(xiàn)場控制層， 主要包括：PLC設(shè)備、現(xiàn)場分布式1/0、智能傳感元件、智能在線檢 測設(shè)備、執(zhí)行設(shè)備等。主要完成系統(tǒng)設(shè)備的智能化、數(shù)字化控制及數(shù) 據(jù)采集功能。實現(xiàn)各控制器與I/O模件及智能儀表的通信；采用 ProfiBus現(xiàn)場總線通訊協(xié)議，傳輸介質(zhì)采用DP電纜，石灰石礦山由 于距離較遠通訊采用光纜；第二層為集中監(jiān)控層，包括：操作員站、工程師站、網(wǎng)絡(luò)打印機 和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，以

12、及監(jiān)控組態(tài)軟件、網(wǎng)絡(luò)通訊軟件等。該層為控制系 統(tǒng)人機接口，通過操作員站、工程師站實現(xiàn)對生產(chǎn)線的組合操作、狀 態(tài)實時監(jiān)控、生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、工藝指標顯示記錄、配料參數(shù)設(shè)定和報 警顯示、記錄功能。實現(xiàn)各控制器之間及與操作員站、工程師站的通 信：系統(tǒng)通信采用TCP/IP協(xié)議以太網(wǎng)，傳輸介質(zhì)為光纜，通信速率為10MB/S；現(xiàn)場層ABB S800 I/O采用ProfiBus DP通信標準與AC 800F控 制器進行通信；集中監(jiān)控層采用OPC數(shù)據(jù)交換標準與公司MIS管理系統(tǒng)接口。DCS過程控制站概述過程控制站采用ABB AC 800F現(xiàn)場總線控制器，有：生料磨控制站；原料調(diào)配遠程站；窯尾控制站；窯頭控制站；操

13、作員站概述 操作員站硬件選用適用工業(yè)現(xiàn)場的DELL PC機，配置為：Intel Pentium 4 主頻 1.8GHz，RAM256MB， 48 倍光驅(qū)，硬盤 40GB, 軟盤 3.5 1.44MB，21 彩色 CRT。該系統(tǒng)設(shè)置5臺操作員站,操作員站安裝DigiVis 6.2軟件，操 作界面及菜單為中文。操作員站軟件運行在Windows 2000操作系統(tǒng)上。操作員站使用以太網(wǎng)與過程站及其它設(shè)備進行通信，由于系統(tǒng)數(shù) 據(jù)庫為全局，所以操作員站之間數(shù)據(jù)及畫面完全可以共享,互為冗 余備份。顯示功能：支持一系列標準預(yù)定義顯示:如總貌顯示、回路及各過 程位號面板顯示（面板也可以根據(jù)用戶特殊要求實現(xiàn)自定義

14、）、控 制組顯示、趨勢顯示、報警顯示、過程信號記錄與操作記錄列表（實 現(xiàn)各種操作的實時記錄和實時打印）顯示等，用戶自定義流程圖顯 示即支持傳統(tǒng)DCS流程圖，又支持三維立體圖形畫面，軟件具有 強大的三維圖形庫可以調(diào)用，該庫可以由用戶自行擴充，同時畫 面支持位圖功能，使作圖更加簡單，畫面更加直觀。位號動態(tài)顯 示不僅支持傳統(tǒng)數(shù)字表示，而且支持各種動畫表示，同時還支持 彈出對應(yīng)操作面板、畫面切換、變量賦值等事件操作。圖形數(shù)量 無軟件限制，畫面數(shù)據(jù)更新時間為小于1秒，可以由編程軟件定 義。系統(tǒng)診測顯示：分為系統(tǒng)總體顯示、系統(tǒng)過程站顯示、系統(tǒng)模件 顯示三部分，系統(tǒng)自動進行實時診斷，診斷狀態(tài)信息在診測畫面

15、上以圖形方式顯示及文字詳細提示，故障提示信息為中文。趨勢顯示：系統(tǒng)支持2520個變量進行趨勢組態(tài)，畫面可以進行靈 活操作，同時支持FTP協(xié)議數(shù)據(jù)遠傳功能。實時操作記錄及打印。操作功能：用戶操作界面為圖形界面，所有操作風(fēng)格為“所見即 所得”操作風(fēng)格，操作方式為鼠標操作，同時也支持鍵盤快捷鍵 操作方式；由于系統(tǒng)采用全局數(shù)據(jù)庫方式，操作員站的所有標簽數(shù)據(jù)直接與 過程站進行存取，所以數(shù)據(jù)更新速率較快，所有軟手操也可以快 速被過程站響應(yīng)；在操作員站裝有一套OPC/DDE軟件，有以下用途：A.與工廠信息管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，使DCS與MIS聯(lián)網(wǎng)并實 現(xiàn)不同操作平臺下的數(shù)據(jù)共享。B.生料質(zhì)量控制系統(tǒng)將X熒光

16、分析儀的分析數(shù)據(jù)經(jīng)過計算以 后傳給Freelance系統(tǒng)，再通過Industril IT對所控制的喂料設(shè)備 進行配比自動控制。Industril IT系統(tǒng)提供外部接口通訊裝置及通 信協(xié)議，協(xié)助生料質(zhì)量控制系統(tǒng)供應(yīng)商所提供的設(shè)備與DCS系統(tǒng)聯(lián) 網(wǎng)。工程師站概述該系統(tǒng)設(shè)置一臺工程師站，安裝CBF版本軟件，運行在 Windows2000 系統(tǒng)上.工程師站使用以太網(wǎng)與過程站及其它設(shè)備進行通信，可以實現(xiàn) 硬件編輯、現(xiàn)場過程站編程、現(xiàn)場總線智能儀表組態(tài)、操作員站組態(tài) 一體化編程及調(diào)試。 CBF軟件支持現(xiàn)場總線設(shè)備的數(shù)據(jù)讀取與編程功能。編程語言與圖形化編程語言標準IEC 1131-3完全兼容，根據(jù) 實際控制要求可任意選用FBD、LD、IL、SFC等方式。系統(tǒng)具備大量標準功能塊及功能子程序，如調(diào)節(jié)塊具備標準、 比率、步進等功能塊供用戶根據(jù)實際情況選用，功能塊編程采用參數(shù) 表形式，語言面向儀表工程師語言。同時系統(tǒng)也提供用戶自定義接口 根據(jù)用戶要求開發(fā)專用功能塊。編程結(jié)構(gòu)采用項目樹結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)任務(wù)采用多任