西門子S7-300在氧化釩焙燒配料控制系統(tǒng)中的應用

（四川機電職業(yè)技術(shù)學院電子電氣工程系，四川攀枝花 617064）

1 引言

氧化釩生產(chǎn)是由很多復雜的工序有機組成，如原料系統(tǒng)，配混料焙燒系統(tǒng)，沉淀系統(tǒng)，還原系統(tǒng)等工序構(gòu)成。其中配混料焙燒系統(tǒng)是將釩渣、純堿經(jīng)進料、稱量、配料、混料后，進入焙燒爐進行焙燒。釩渣和純堿的配比精確度以及混合程度，是氧化釩提取生產(chǎn)的源頭工序，其地位非常重要。如果能對配料進行精確控制，就可以使釩渣在焙燒爐中的反應程度提高，提高釩的轉(zhuǎn)化率，從而提高氧化釩的產(chǎn)量。

2 氧化釩焙燒配混料原系統(tǒng)工藝簡介

某廠氧化釩焙燒工序配混料系統(tǒng)采用間歇式配混料方式，PLC設(shè)定的配料比例，進料螺旋將釩精渣和純堿送入電子秤分別計量后，由配料螺旋輸送機將釩精渣和純堿送入混料螺旋中進行混料，混料完成后再經(jīng)斗提輸送機加入焙燒爐進行焙燒，如圖1所示。

圖1 配混料系統(tǒng)工藝圖Fig.1 Process map of mixed batching system

通過調(diào)試，發(fā)現(xiàn)原焙燒配混料系統(tǒng)主要存在3點缺陷。

1）由于物料下料時產(chǎn)生的動能作用于電子秤上，造成實際下料物料未達到設(shè)定下料物料重量就停止下料，致使配料量不足。

2）3個稱量斗的下料口不在同一位置，造成精渣、純堿不能充分混合。根據(jù)現(xiàn)場實測，1#純堿計量倉的物料到達2#精渣秤出料處需55 s，而1#純堿計量倉的物料到達1#精渣秤出料處也需25 s，也就是說，1#精渣計量下料時，30 s內(nèi)精渣內(nèi)根本就沒有摻入純堿，3#精渣計量下料時，55 s內(nèi)精渣內(nèi)也沒有摻入純堿，從而造成混合料中堿比波動較大。

3）由于物料的特性，料倉中物料存在滑料現(xiàn)象，尤其是精渣料倉滑料現(xiàn)象更為明顯。即物料重量達到PLC設(shè)定的數(shù)值后，PLC發(fā)出指令停止進料螺旋運動，但由于物料流動性較好，在進料螺旋停止運動后物料卻繼續(xù)向下流動，從而使最終進入稱量料倉的實際物料重量超過設(shè)定的高限重量值。從現(xiàn)場跟蹤情況看，精渣稱量斗的設(shè)定高限為840 kg，在36次配料中，有3次稱量斗內(nèi)的精渣重量達到1 100～1 200 kg，有7次達到920～940 kg，其余26次精渣誤差重量均在10 kg左右，而這些超重的部分物料均會進入物料輸送螺旋。此結(jié)果精渣的消耗跟蹤情況一致，顯示的精渣配料總量較實際的精渣消耗量低約23%。因此出現(xiàn)混合料中碳酸鈉含量較設(shè)定值低得較多。

焙燒配混料系統(tǒng)出來的混合料計量不準確、混合不均勻，從而導致堿比在9%至21%之間大范圍波動。堿比低則焙燒轉(zhuǎn)化率低、回收率低，堿比高則對爐況影響大，焙燒轉(zhuǎn)化率也一直在60%至80%之間波動，尾渣中全釩含量經(jīng)常處于超標狀況，嚴重影響了達效工作的推進。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

通過對工藝、機械設(shè)備、生產(chǎn)現(xiàn)場及配混料系統(tǒng)控制程序的綜合分析，原進料系統(tǒng)主要以控制渣稱、純堿的重量來控制配料質(zhì)量，精渣配料輸送螺旋電機和純堿配料輸送螺旋電機按固定速度運行，渣稱由于物料下料時產(chǎn)生的動能過大使配料量不足導致配料比例達不到要求。同時由于工藝設(shè)計原因還至使釩渣、純堿混合不均。本方案在不改變現(xiàn)有工藝模式、盡量不增加現(xiàn)場設(shè)備的情況下對混配料控制系統(tǒng)進行改造。

3.1 進料比值控制系統(tǒng)設(shè)計

改造后的進料系統(tǒng)采用雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。

比值控制有開環(huán)比值控制、單閉環(huán)比值控制和雙閉環(huán)比值控制3種類型。開環(huán)比值控制是最簡單的控制方案［1］。單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)是為了克服開環(huán)比值控制方案的缺點而設(shè)計的，這種方案的不足之處是主流量沒有構(gòu)成閉環(huán)控制，進料電機速度恒定，造成動能誤差和超限現(xiàn)象。

本系統(tǒng)采樣雙閉環(huán)比值控制方案，用雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的優(yōu)點在于它不但能實現(xiàn)副變量跟隨主變量的變化而變化，結(jié)構(gòu)形式簡單，實施起來比較方便，進料控制系統(tǒng)方框圖如圖2所示。

圖2 進料控制系統(tǒng)方框圖Fig.2 Block diagram of feeding control system

控制系統(tǒng)以精釩渣的重量作為比值控制的主控量，純堿的重量作為比值控制的副控量，以此達到穩(wěn)定比值的控制，克服渣稱誤差，從而得到高精度的配比。精釩渣輸入給定值與重量檢測反饋送入控制器，控制精釩渣進料電機運行速度；純堿進料輸送螺旋電機的速度給定值以精釩渣進料電機運行速度的K倍為標準，與純堿進料輸送螺旋電機速度反饋值送入副控制器，控制純堿進料電機的運行速度，進料螺旋運輸機的初始運行較快，但當快達到給定時運行速度很低，有效地避免了運行動能和滑料所帶來的誤差。

為保證配比的精度，系統(tǒng)還設(shè)計了純堿補料閉環(huán)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)以比值控制系統(tǒng)硬件為基礎(chǔ)，當進料輸送螺旋電機停轉(zhuǎn)1 s后且精釩渣的重量與純堿的重量配比誤差大于5%時，補料閉環(huán)控制系統(tǒng)啟動。

純堿重量控制以精釩渣實際重量乘以配比系數(shù)為給定值，副控制器、變頻器、純堿重量檢測反饋構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)控制純堿進料螺旋運行，完成純堿補料。補料控制系統(tǒng)方框圖如圖3所示。

圖3 補料控制系統(tǒng)方框圖Fig.3 Block diagram of feeding control system

3.2 配料控制系統(tǒng)設(shè)計

配料系統(tǒng)仍采用系統(tǒng)原有開環(huán)比值控制系統(tǒng)，即用控制器按比例控制精釩渣配料變頻器、純堿配料變頻器運行速度?？刂葡到y(tǒng)方框圖如圖4所示。為克服由于工藝設(shè)計使純堿到達混料口時間滯后的問題，系統(tǒng)首先啟動純堿配料電機，待純堿到達精釩渣配料口時啟動精釩渣配料電機。

圖4 配料控制系統(tǒng)方框圖Fig.4 Block diagram of batching control system

4 系統(tǒng)硬件配置

本方案配混料比值控制系統(tǒng)硬件仍沿用老系統(tǒng)設(shè)備，控制器為一臺西門子315-2PN/DP PLC，CPU其帶有DP接口和以太網(wǎng)接口［2］。DP總線上主要設(shè)備為：總線型ET-200M、變頻器。PLC輸出數(shù)字信號直接控制變頻器，作為輸出啟停、固定頻率控制；模擬輸出作為變頻器速度給定。系統(tǒng)螺旋運輸機型號為LSY300，功率7.5 kW，數(shù)量8臺；變頻器型號選擇為MM 440［3］，數(shù)量8臺；系統(tǒng)中接有3個XK2123稱重秤，在同一平面內(nèi)互差120°，輸出4～20 mA標準電流信號，送入PLC模量模塊。

本系統(tǒng)對位置、零位無嚴格要求，因此在電機非負載軸端安裝了4臺增量式旋轉(zhuǎn)編碼器作為速度檢測單元［4］。螺旋軸旋轉(zhuǎn)時，編碼器輸出脈沖傳送到PLC的高速計數(shù)器，經(jīng)CPU單元運算處理后，得到速度檢測信號。

由于本文主要介紹的是焙燒配料控制系統(tǒng)的設(shè)計改造，系統(tǒng)硬件變化不大，所以對硬件配置、設(shè)備線路不做過多的介紹。

5 軟件設(shè)計

5.1 程序結(jié)構(gòu)

焙燒配料系統(tǒng)采用分塊化編程方式進行程序設(shè)計來進行混料控制。在FC中建立DB數(shù)據(jù)塊，而在FB塊中則建立FB背景DB數(shù)據(jù)塊，具體如表1所示［5］。

表1 FC，F(xiàn)B，DB功能表Tab.1 Function table of FC，F(xiàn)B and DB

5.2 程序流程

CPU啟動時，OB100自動執(zhí)行初始化操作。OB100執(zhí)行結(jié)束后，操作系統(tǒng)調(diào)用OB1塊（需要PLC執(zhí)行的順序控制程序），執(zhí)行順序控制，系統(tǒng)控制程序流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)控制程序流程圖Fig.5 Flow chart of system control program

6 結(jié)論

配混料系統(tǒng)控制程序經(jīng)過了4周的使用，該系統(tǒng)設(shè)備運行正常，達到了配料準確、混料均勻的目的，改進前后的數(shù)據(jù)如表2～表3所示。

表2 項目改進前熟料轉(zhuǎn)化率情況統(tǒng)計表Tab.2 Clinker conversion tables of improvement projects before

表3 項目改進后熟料轉(zhuǎn)化率情況統(tǒng)計表Tab.3 Clinker conversion tables of improvement projects after

從表2、表3中可以看出：熟料轉(zhuǎn)化率從80.24%提高到82.04%，釩收率提高了1.80%。實踐證明，改造后配混料系統(tǒng)的配料精度大大提高，使釩的轉(zhuǎn)化率大幅度提高，取得了良好的經(jīng)濟效益。

［1］劉凡才.自動控制原理與系統(tǒng)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1999.

［2］程龍泉.可編程控制器應用技術(shù)（西門子）［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2009.

［3］西門子公司.MICROMASTER 440通用型變頻器0.12～250 kW使用大全版本［Z］.2000.

［4］梁森，王侃夫，黃杭美.自動檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2010.

［5］西門子公司.S7-300編程手冊［Z］.2004.