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摘要：生产活性石灰的套筒石灰窑在产品质量、能耗、成本等各方面较传统的竖窑都有较大优越性，而其在国内的应用尚不广泛。本文基于济南钢铁股份有限公司自德国引进的套筒石灰窑技术，根据实际情况对电气控制系统进行了再设计。工程采用西门子S7-400作为主控制系统，进行软硬件系统设计和多项技术优化处理，在实际应用中取得了较好的成效。
关键词：环形套筒窑；石灰；控制系统；技术优化
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引言
环型套筒石灰窑（以下简称“套筒窑”）是德国贝肯巴赫炉窑公司发明的，此类型窑与其他竖窑相比在产品质量和单窑单产方面具有很大的优越性；与回转窑相比具有投资少、热耗低、占地少等优点。济南钢铁股份有限公司（以下简称“济钢”）是在国内冶金系统第5个引进套筒窑的厂家。项目采用德国“FERCALX”公司的BECKENBACH环形套筒石灰窑，以生产高活性度的石灰供炼钢使用，自动控制系统和传动控制系统采用西门子公司的S7-400可编程控制器和变频器，整个系统通过PROFIBUS网络和工业以太网连接在一起，完成上料、燃烧、出料、除尘等系统的自动控制。
2 系统工艺及控制要求
套筒窑的控制主要分为两部分，一部分为窑体燃烧控制，主要包括：煤气热值控制、上（下）燃烧室温度控制、空燃比控制、内套筒冷却控制、循环气体温度控制、窑顶压力控制、入除尘器气体温度控制等；另一部分为上、出料控制，主要包括：原料系统控制、上料小车（卷扬）上（下）行控制、布料器控制、排料控制等。套筒窑的整体工艺流程如图1所示。
3 控制系统配置
3.1
硬件配置
整个监控系统主要采用德国西门子公司的控制设备，分为两层。下层为控制层，主控制系统采用416-2DP CPU，模块是S7-400
I/O模块，液压站、操作台、除尘系统采用IM153远程控制器，卷扬料车与废气风机由西门子变频器控制，卷扬上料小车的位置由图尔克绝对值型编码器检测，主控制系统同它们通过PROFIBUS网络通讯；上层为监控层，主控制系统上插有以太网模块，通过专用交换机ESM同监控站组成以太网。硬件配置如图2所示。
图1
环形套筒石灰窑工艺流程
3.2 系统软件
控制器采用的系统软件是STEP7V5.2，监控软件为WinCCV6.0。控制系统提供了丰富的软件功能，可进行多方式编程，能够通过在STEP
7中安装驱动程序连接第3方产品，灵活的实现系统监控、回路控制、数学运算、报警提示、趋势曲线、报表打印等功能。系统具有丰富的功能模块，编程时可根据工艺过程控制特点，方便地设计控制方案。
图2
硬件配置图
4
关键技术与主要控制功能的实现
4.1 工业以太网+现场总线技术
每套控制系统的控制器、远程控制站通过PROFIBUS网络连接，控制系统之间及HMI监控站通过10M/100M高速以太网联网，完成过程数据采集、联锁调速信号的通讯等。
4.2 人机接口共享化
采用的操作系统具有系统开放、通用性强、开放性好等特点，利用100MHz工业以太网将系统的各种硬件设备（PLC、监控站）连接起来，完成各种数据的交换任务。多个HMI上位机可同时监控同一个工艺子系统，实现了系统共享、资源共享、信息共享。
4.3 优化自动上料控制
原设计中上料小车的标准载重为2.5吨，单斗上料时间为204s（上料系统的单斗运行时间图，如图3所示）。如此若产量达到每日500吨则需上料500/0.575/2.5/6=58批，经计算得24小时内上料系统在单批料之间的停运时间为：（86400-73022）/58＝230（s）。在如此短的时间内，几乎无法完成对上料系统的各个设备的维护和日常点检、润滑以保证设备的正常、稳定运行。如果想超产，设备的运行时间就更长，则单批料之间的停运时间就更短。
图3 上料系统的单斗运行时间图表
在图3中：A－料车装料时间；B－料车上行时间；
C－窑顶装料闸门开到位时间；D－料车窑顶放料时间；
E－料车下行时间；F－窑顶装料闸门关到位时间；
G－布料器旋转到相应放料位置及回1＃位时间；
H－料钟开并放料时间；I－料钟关闭时间；J－秤量斗装料时间。
综述可知，要增加每批料之间的停顿时间，需进行两项调整：一是合理的调整上料系统各设备的运行，减少单斗上料时间；二是在上料卷扬机机械强度和电机允许的情况下增加单斗重量。而读图5可知，减少单斗上料时间就要适当的减少A、B、D、E等四个工作时段。
图4 卷扬料车上（下）行运行速度曲线
为A段时间，调整了液压缸的动作速度，使之能以最快的速度开到位来减少下料时间，由此将原状态的12秒减少到了8秒；为减少D段时间，经过多次实验确定了料车到达窑顶的接近开关的位置，增大了倒料倾角，使之能以最快的速度倒料完毕后返回，由此将原状态的12秒减少到了7秒；减少上料时间的重点是调整B、E段时间，尽量使上料小车的运行达到最优控制。
图5 调整后的卷扬料车上（下）行运行速度曲线
由图4可知小车在上、下行加速阶段的运行曲线设计不合理，用时过长，在上、下行减速阶段出于安全上的考虑低速运行时间也较长。料车满料上行时间设定为3秒（电流为143A）。由于窑顶有0.8米左右的弯道，当料车在弯道上运行时速度不能过快，因此根据料车通过弯道的时间将下行时的加速时间初步确定为2秒，检测到的电流为100A。调整后料车为窑内加料1斗，单程可减少时间8秒，双程可减少时间16秒。其新运行曲线如图5所示。为保证料车的安全运行，在优化后的控制程序中设定了3个联锁点以确保料车在窑顶和窑底安全停车，分别为：窑顶/底的上/下限位；PROFIBUS网络上编码器的数值；经过多次实验得出的料车上/下行的时间。
完成以上调整后，石灰窑单斗运行时间可减少24秒。如图6所示，加料一批共6斗，可节约时间24×6＝144秒，使每一批料的间隔时间为230＋144＝374秒，约合6.2分钟，完全可解决对单个上料设备的日常检查和加油润滑，也为系统的超产创造了条件。图6中：G－布料器旋转到相应放料位置的最长时间。
图6 调整后的上料系统的单斗运行时间图表
4.4 旋转布料器优化控制
套筒窑使用旋转布料器，避免炉料偏落而造成布料不均。料车上料，通过旋转布料器均匀的将炉料投入六个受料位内，开料钟完成一次卸料这个过程称为一个完整的布料周期。
传统的控制方式，固定为从旋转布料器的1#号位受料，每次上料旋转布料器从1#位受料后依次转动至空料位卸料，然后顺时针转回1#位再次受料，如图7所示。此方式布料周期长，且受料点均为1#位，也容易造成布料器的损坏，尤其是布料器的液压系统大部分功率都用在截流阀的控制上，极易产生故障影响生产。优化后的控制方式不再确定受料位置，遵循就近受料、就近卸料原则，使得旋转布料器的每次转动均为有效转动，不存在空转现象，大大减少了液压系统的压力并能均衡石子对布料器的冲击磨损，提高旋转布料器的使用寿命。由于消除了空载与重载运行同时存在的现象，速度调节容易，杜绝了布料器卡阻现象。
控制程序流程如下(设i为卸料时间，j为转动角度)：
Begin:
For i=1 To 6
J=(i-1)X60
Next
I=1
Goto Begin:
设旋转布料器载料转动时间为m，空转时间为n（3秒），则传统控制方式下一个布料周期经历的时间为：
T1=Σim+(5-i)n，（i=1，2，3，4，5）=15m+15n
优化后时间为：
T2=Σim，（i=1，2，3，4，5）=15m
比较可知，技术优化后完成一个布料周期共可节省时间15n（共计45秒）。
4.5 窑内负压的自动控制
套筒窑系统对于每个燃烧室的负压控制具有严格的要求，手动调节难度很大。因此对高温引风机采用变频控制，根据单室负压的变化自动进行调节，主要功能为：（1）自动判断单室负压的大小是否在－100±20以内，（2）自动判断高温废气风机转速的增减，（3）确定采样计算周期，减少震荡、（4）根据高温废气风机电流限定电机最高转速，确保电机安全运行。
5 结语
由于实现了对监控设备的自动控制、自动联锁保护控制和自动调速运行等技术处理，使整个系统运行稳定可靠，操作工人劳动强度低。运行短时间内达产达效，所生产的石灰质量较好，平均日产达到550吨以上，活性度平均达到350ml以上；同时，CO2含量低于1.5%，灼碱低于6%，具有较强的环保意义。在国内同类炉窑控制系统中达到了领先水平。
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郑宁，肖师荣．石灰窑计算机控制系统[J]．福州大学学报（自然科学版），2002（3）.刘晓阳（1980-）男，山东济南人，现任济南职业学院电子工程系讲师，工学硕士，维修电工技师。主要研究方向为信号与信息处理和自动化仪表。
酆 烽（1979-）
男，山东济南人，现任济南钢铁股份有限公司发电管控中心工程师。主要研究方向为冶金自动控制系统和自动化仪表。
穆
宁（1980-）
女，山东济南人，现任济南职业学院财经系助教。主要研究方向为成本核算。
摘自《自动化博览》2011年第十二期 | 
