DCS 集散控制系統(tǒng)在石灰工序的應(yīng)用

鄧曉青

(廣東南方堿業(yè)股份有限公司 計量控制部,廣東 廣州 510640)

技術(shù)討論

DCS 集散控制系統(tǒng)在石灰工序的應(yīng)用

鄧曉青

(廣東南方堿業(yè)股份有限公司 計量控制部,廣東 廣州 510640)

介紹了石灰車間3臺石灰窯由原來的PLC控制改為DCS控制系統(tǒng)的總體設(shè)計方案,對稱重儀終端如何與DCS通訊的技術(shù)難點加以重點介紹。其研究對新建石灰窯的控制系統(tǒng)很有意義。

DCS;通信;去皮;凈重;提前量;聯(lián)鎖控制

廣東南方堿業(yè)股份有限公司采用的是氨堿法制純堿,生產(chǎn)純堿的主要原料二氧化碳(慣稱窯氣)和石灰乳均通過石灰石與焦炭混合在石灰窯內(nèi)煅燒獲得。本廠有3臺石灰窯,單臺石灰窯日處理能力可達近千噸石灰石。以往采用帶觸屏的PLC控制,隨著信息化的不斷發(fā)展,現(xiàn)已全部改為DCS控制。

1 工藝流程

從原料場來的石灰石、無煙煤篩分后經(jīng)帶式輸送機送至石灰石倉和無煙煤倉。石灰石及無煙煤分別由倉底卸出,往石灰石加料器及無煙煤加料器分別送入石灰石秤、無煙煤秤進行稱量。上料時料斗運行到窯底,借自身的重量壓下壓桿,通過機械聯(lián)鎖,使石煤料斗老虎嘴閘門開啟,稱量后的石、煤經(jīng)混合溜槽進入上料斗,上料斗上行10 s后,石煤加料器再次啟動加料。上料斗經(jīng)卷揚機沿軌道牽引到窯頂,平衡砣下到底部通過機械聯(lián)鎖打開放料閥,使混合料進入鐘帽旋轉(zhuǎn)料斗。上料斗下行動5 s,由DCS控制布料器按6點布料,使旋轉(zhuǎn)料斗轉(zhuǎn)動到給定的位置停下。上料斗運行到窯底壓下壓桿,通過機械聯(lián)鎖開啟鐘帽,使混合料經(jīng)分石均勻撒入窯內(nèi)。

石灰窯爐系統(tǒng)有相當數(shù)量的配套設(shè)備,以配合石灰窯正常運作,如對物料起均勻作用的布料器,運送窯爐反應(yīng)生成物的出灰運灰系統(tǒng)。

2 石灰窯DCS集散控制系統(tǒng)

由于石灰石與焦炭的混合比例是否恰當,是影響石灰窯工藝質(zhì)量至關(guān)重要的因素。物料中焦炭含量比例過少,會造成石灰石分解不充分,窯氣供應(yīng)不足,石灰乳質(zhì)量下降;石灰石生料含量過低,而焦炭含量過高,不但浪費原料,而且會使石灰石未來得及化學分解已被過量的焦炭燃燒產(chǎn)生的高溫燒熔并累積在窯底形成極堅硬的燒結(jié)物,造成嚴重的生產(chǎn)事故。因此,石灰窯操控的好壞直接影響窯氣的產(chǎn)量和品質(zhì)以及能耗和設(shè)備的壽命。由于原有的PLC控制設(shè)備只帶觸摸屏,操作很不方便,系統(tǒng)獨立無聯(lián)網(wǎng),數(shù)據(jù)不能遠傳。而且控制模塊不能冗余、不能帶電熱插拔,出故障要停機才能檢修,無法適應(yīng)連續(xù)生產(chǎn)的要求和企業(yè)信息化的管理。我們充分利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)平臺,改用計算機DCS系統(tǒng)(見圖1),實現(xiàn)石灰窯的集中優(yōu)化控制,解決了石灰工序?qū)φ麄€生產(chǎn)的瓶頸制約。

3 系統(tǒng)的控制方案

石灰工序DCS系統(tǒng)配置3臺操作員站,各站之間以100M快速工業(yè)以太網(wǎng)連接,系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)冗余配置,現(xiàn)場控制站的電源、主控單元冗余配置。軟件設(shè)計方面,以現(xiàn)場手動控制、主控室手動控制和主控室自動控制并存的方式,并設(shè)置各種聯(lián)鎖保護。各窯獨立控制,配料、上料控制是3套獨立的控制系統(tǒng)。即使某一臺窯發(fā)生故障,也不會影響另外2臺窯的工作。

主控操作畫面實現(xiàn)窯爐物料的稱量、配料、送料、出灰、運灰等配套設(shè)備的手動和自動的聯(lián)鎖控制。

圖1 石灰窯DCS控制系統(tǒng)

3.1 控制模式(見圖2、圖3)

1)就地控制:當選擇“就地”方式,計算機不能操作,要到現(xiàn)場操控。

2)DCS控制:當選擇“DCS”方式,計算機可手動控制和自動控制。

手動控制:按上行,到頂限位自動停;按下行,到底部限位自動停。

自動控制:輸入批次、石重、配比設(shè)定,顯示“準備就緒”后按啟動。

煤設(shè)定重量=石設(shè)定重量×設(shè)定配比/100

3.2 配料上料系統(tǒng)聯(lián)鎖自動控制(如圖4)

石灰石與焦炭按設(shè)定的重量與兩者比例進行配料,單次配料時間不超過20 s,配料完成后,首次按啟動,延遲10 s后送料小車從中間的總停位置開始下行,到底部停車進料開關(guān),通過機械連動,稱量后的石和煤經(jīng)混合放料進送料小車,延時12 s,小車上行;上行10 s后啟動加料器,小車到達窯頂停車倒料開關(guān)停止,并自動倒料,小車停12 s后開始下行;下行5 s后啟動布料器布料,布料器每次運行時間按程序設(shè)計的6點布料,即0.5、7、14、21、28、35 s,送料小車每下行1次按1點布料的動作規(guī)則運行。配料、進料、送料、倒料、布料各動作相互協(xié)調(diào),按程控自動完成。不斷循環(huán),直到上料次數(shù)等于設(shè)定批次,小車到達中間總停位置停下。

圖4 配料上料系統(tǒng)聯(lián)鎖自動控制過程

圖5為石灰石加料器控制邏輯圖:

圖5 石灰石加料器控制邏輯圖

圖6為焦炭加料器控制邏輯圖:

圖6 焦炭加料器控制邏輯圖

窯的下料料斗門的開合動作是由送料小車機械聯(lián)動的方式實現(xiàn),利用料斗門開合時反映在物料稱量重量上的關(guān)系,每次開始下料前判斷料斗重量即可知道料斗門是否關(guān)閉,一般未關(guān)好時會出現(xiàn)較大的負數(shù),與經(jīng)驗設(shè)置的撒料參數(shù)作比較,小車上行后,老虎嘴未合好重量會小于撒料設(shè)定則示作撒料。這樣就能自動判斷加料過程是否正常。一旦異常將終止加料,并發(fā)出報警,提示操作人員進行故障處理,避免大量的物料撒落,保證系統(tǒng)加料過程的安全。其控制邏輯如圖7:

圖7 石(煤)撒料聯(lián)鎖動作控制邏輯圖

4 稱重儀與DCS的通訊

我們對現(xiàn)有的石、煤稱重系統(tǒng)進行技改,增加6臺IND560(見圖8)梅特勒——托利多公司最新推出功能強大、性能優(yōu)越的稱重控制終端,1#、2#窯在18#站,3#窯在19#站。稱重終端選用PROFIBUS–DP通訊方式與DCS連接。由于PROFIBUS–DP是一種高速低成本通信,它用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I/O通信,使用PROFIBUS-DP可取代4～20 mA信號傳輸,使數(shù)據(jù)傳送更快,精度更高。

圖8 IND 560梅特勒——托利多稱重控制終端

稱重儀的數(shù)據(jù)傳輸有3種類型:①Divisions以顯示分度數(shù)傳輸;②Floating Point以32位浮點數(shù)傳輸;③Integer以16位整型數(shù)傳輸。我們選用Integer以16位整型數(shù)傳輸?shù)念愋?計算機發(fā)出信號取數(shù),儀表接收到信號發(fā)送數(shù)據(jù)。參照 IND560 PLC Interface Manual(PLC接口手冊)編寫控制代碼。下面以石秤的通信為例(見圖9):

圖9 石秤通信的編寫控制代碼

4.1 自動去皮

IND560支持自動去皮功能,通過去皮,可獲得物料的凈重。程序設(shè)計卷揚機上行7 s后由DCS的 CZ1_6和CZ2_6發(fā)出信號給石秤和煤秤自動去皮,如圖10,圖11:

4.2 補碼應(yīng)用

在倒料過程中物料的稱重經(jīng)常會出現(xiàn)負數(shù),如剛倒完料,料斗老虎嘴沒關(guān)閉好時稱重儀就會顯示負值。在計算機系統(tǒng)中,數(shù)值一律用補碼來表示(存儲)。主要原因是:使用補碼,可以將符號位和其它位統(tǒng)一處理;同時減法也可按加法來處理。求給定數(shù)值的補碼表示分以下兩種情況:

1)正數(shù)的補碼:與原碼相同。如果補碼的符號位為“0”,表示是一個正數(shù),其原碼就是補碼。

圖12為運行的程序,第16位的符號位WT102_16為0,表示正數(shù),石凈重:_WT102:+2058的補碼就是原碼0000100000001010。

2)負數(shù)的補碼:符號位為1,即如果補碼的符號位為“1”,表示是負數(shù),那么要把其余位為該數(shù)絕對值的原碼按位取反;然后整個數(shù)加1。

圖12 石凈重正數(shù)補碼的運行程序

圖13運行程序,第16位的符號位WT102_16為1,表示是負數(shù),后15位,_WT102(石凈重):+ 65464的原碼 (111111110111000)→按位取反(000000001000111)→加1(000000001001000),-72的補碼就是1000000001001000。

圖13 石凈重負數(shù)補碼的運行程序

程序中SEL是一個選擇運算符,當選擇開關(guān)為真時(WT102_16=1)則選擇負值(-72)輸出,其后除2是與稱重儀顯示相對應(yīng)作倍數(shù)的修正。

5 提前量控制算法

提前量是指料門關(guān)閉后空中的飛料。加料設(shè)備使用電機帶動偏心機構(gòu)產(chǎn)生振動把物料從料倉添加到料斗,由于加料時有慣性作用,稱重時必須在到達設(shè)定的目標重量之前,停下料電機。物料目標重量與停止下料時的物料重量之差,就是加料控制中的提前量。

在實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略“產(chǎn)業(yè)興旺、生態(tài)宜居、鄉(xiāng)風文明、治理有效、生活富?！笨傄笾校爸卫碛行А闭紦?jù)著基礎(chǔ)地位。只有夯實這一基礎(chǔ)，才能確保鄉(xiāng)村社會充滿活力、和諧有序，保障鄉(xiāng)村振興整體目標順利實現(xiàn)。實現(xiàn)“治理有效”目標的基本方針，就是建立健全自治、法治、德治相結(jié)合的鄉(xiāng)村治理體系。這就要求農(nóng)村普法教育由單一法治教育模式，向自治教育、法治教育、德治教育“三教”融合新模式轉(zhuǎn)型。本文擬對這一轉(zhuǎn)型的必要性和內(nèi)容進行探討，并結(jié)合河北省保定市的普法教育實踐，對實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)型的基本路徑提出一些看法。

物料提前量=物料停機后的重量-物料停機時重量

提前量并非固定不變,受眾多因素的影響,如加料系統(tǒng)的運行快慢、物料下落的速度、物料顆粒的大小、物料的黏稠度等因素有密切關(guān)系。加料控制中的提前量必須跟隨控制系統(tǒng)的實時情況自動進行調(diào)整,才能保證稱量的準確。

提前量算法模型我們首先對信號采集進行數(shù)字濾波的預處理,采用遞推平均濾波。遞推平均的方法:即第n次采樣的N項遞推平均值取 n,(n-1),…(n-N+1)次采樣值的平均值。

y(n-1)——依此向前遞推i項的平均值;

N——遞推平均次數(shù)。

程序中我們N取5,系統(tǒng)每次計算提前量時都參照之前的下料歷史數(shù)據(jù),由此獲得代表物料下落的速度、顆粒的大小、黏稠的程度等因素的影響系數(shù),自動適應(yīng)運行環(huán)境,獲得準確的提前量。剛開機時,預置的提前量初值與實際值不一定接近,但經(jīng)過幾個周期的運行,會自動調(diào)整適應(yīng)運行環(huán)境,不用人工修正系統(tǒng)很快就獲得準確的提前量。

6 超限、故障聯(lián)鎖保護

圖14是計算機的聯(lián)鎖控制設(shè)置畫面,操作人員只要點擊計算機的“聯(lián)鎖投入”按鈕,就能實現(xiàn)故障的聯(lián)鎖保護,根據(jù)實際需要還可隨時修改控制值。

圖14 計算機聯(lián)鎖控制設(shè)置畫面

1)小車上行進行配料,配石重量顯示沒有遞增,原因可能是石料斗老虎嘴沒關(guān)閉好或下料口堵或空倉、電動故障等,需聯(lián)鎖停配料檢查處理。程序控制邏輯如圖15:

2)料斗壓到底7 s后,物料秤重量不變或變化不大,原因可能是有大塊物料卡住老虎嘴或鋼絲繩斷,需聯(lián)鎖停配料。程序控制邏輯如圖16、圖17:

圖15 配上料系統(tǒng)程序控制邏輯圖

程序中料斗到底7 s后石灰石的凈重與100作比較,焦炭的凈重與10作比較是因為到底后就開始倒料,按正常7 s后應(yīng)該基本倒完,而如果稱得石還有100 kg,焦炭還有10 kg,則肯定異常,有可能是上面的原因造成。

圖17 1#窯焦炭稱重程序控制邏輯圖

7 出灰聯(lián)鎖控制

圖18是出灰控制畫面,可實現(xiàn)對運灰系統(tǒng)的控制。

圖18 出灰聯(lián)鎖控制

聯(lián)鎖控制方案:

故障時:斗提機停,則全停;鏈板機停,則出灰機、出灰轉(zhuǎn)盤停。

斗提機和鏈板機的啟動與停止有聯(lián)動關(guān)系,啟動斗提機延時5 s后自動啟動鏈板機,停止斗提機會令鏈板機及后面的設(shè)備停止運行。在總控圖(見圖1)上有操作圖標和運行狀態(tài)的顯示,操作和監(jiān)控十分方便。

綜上所述,由于DCS使用了多臺計算機分擔控制的功能和范圍,使處理能力和系統(tǒng)的安全性大大提高。2008年開始進行技術(shù)改造,經(jīng)過我們的不斷研究和改進,系統(tǒng)完全達到設(shè)計的要求和控制的精度。并能把石灰窯運行數(shù)據(jù)傳送到總調(diào)及生產(chǎn)信息網(wǎng)。其研究成果為擴產(chǎn)新建石灰窯的控制系統(tǒng)提供了寶貴的經(jīng)驗。

TP 273;TQ 177.2

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1005-8370(2010)04—07—08

2010-04-25

鄧曉青(1958—),現(xiàn)任廣東南方堿業(yè)股份有限公司計控部專職工程師。30年來一直工作在第一線,先后主持過多項大型的技改項目和DCS集散控制系統(tǒng)的設(shè)計。