基于回轉(zhuǎn)窯的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

紀(jì)玲 孫東豐

摘 ? 要：本文主要介紹了西門(mén)子S7-300系列PLC在回轉(zhuǎn)窯控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。通過(guò)人機(jī)界面和PLC實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備的啟停、儀表參數(shù)監(jiān)控等，并通過(guò)PROFIBUS總線將其他廠商的電子信號(hào)連接到系統(tǒng)中。被控參數(shù)的閉環(huán)調(diào)節(jié)、控制系統(tǒng)報(bào)警和生產(chǎn)過(guò)程報(bào)警以及數(shù)據(jù)歸檔等功能，使整個(gè)回轉(zhuǎn)窯能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化，減少工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，大幅提高了生產(chǎn)率，同時(shí)合理地節(jié)省了能源。

關(guān)鍵詞：可編程控制器（PLC） ?回轉(zhuǎn)窯 ?過(guò)程監(jiān)控 ?Wincc組態(tài)軟件

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）02（b）-0063-02

回轉(zhuǎn)窯的結(jié)構(gòu)分為窯頭、窯體、窯尾3個(gè)部分。

窯頭部分：回轉(zhuǎn)窯的窯尾是進(jìn)料端，窯頭是出料部分，通過(guò)加熱后的原料由窯頭送出。窯頭應(yīng)用魚(yú)鱗狀不銹鋼結(jié)構(gòu)密封窯體，窯頭的切面直徑會(huì)比回轉(zhuǎn)窯窯體的直徑大一些，因?yàn)槠鋬?nèi)部需要設(shè)定檢修口，同時(shí)還有噴煤嘴和搬運(yùn)小車(chē)等結(jié)構(gòu)。只有空間大才能合理設(shè)定這些裝置。窯體部分：窯體形狀為圓筒形，通常長(zhǎng)度有50～120m。窯體部分是整個(gè)回轉(zhuǎn)窯機(jī)械結(jié)構(gòu)的主體，由3、4個(gè)無(wú)底桶狀的結(jié)構(gòu)鋼水澆鑄而成。窯體部分因?yàn)橐袚?dān)重量桶狀結(jié)構(gòu)的鋼板壁很厚很堅(jiān)固。窯的支撐拖輪屬于窯體的一部分，拖輪和桶狀結(jié)構(gòu)一起跟地基相連，用于支撐整個(gè)窯的重量。回轉(zhuǎn)窯窯體里面要鋪上耐火磚，因?yàn)檎９ぷ鲿r(shí)溫度最高會(huì)超過(guò)1200℃。

窯尾部分：窯尾部分分為縮口、進(jìn)料舌頭及煙室等?？s口主要功能為保證風(fēng)和顆粒的混合配比，保證煤粉的燃燒效率。斜坡對(duì)于回轉(zhuǎn)窯也很重要，用于上料后原料的下移。同時(shí)在進(jìn)料端有一個(gè)形狀類(lèi)似蓋子的結(jié)構(gòu)叫做進(jìn)料舌頭，用來(lái)進(jìn)料和密封作用。窯尾的密封至關(guān)重要，如果密封效果差會(huì)導(dǎo)致原料從密封處擠出，也會(huì)導(dǎo)致冷空氣從窯尾進(jìn)入整個(gè)窯體內(nèi)，影響窯體溫度，對(duì)原料的加熱工藝有很大影響，導(dǎo)致不良品產(chǎn)生。

1 ?PLC控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì)

上位機(jī)我們采用研華品牌的工業(yè)計(jì)算機(jī)，下位執(zhí)行系統(tǒng)采用西門(mén)子S7-300系列PLC模塊。PLC數(shù)字量和模擬量為離散式IO模塊，采集系統(tǒng)的信號(hào)數(shù)據(jù)方便快捷。其主要控制部分分為3部分：主控制室、窯尾控制單元、窯頭控制單元。

主控制室：設(shè)有上位機(jī)、打印機(jī)等，負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)回轉(zhuǎn)窯工藝參數(shù)、電氣參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控、管理、歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)存儲(chǔ)以及報(bào)表打印;通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)將其它兩個(gè)過(guò)程站環(huán)狀連接，并且可能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和公司內(nèi)部管理網(wǎng)絡(luò)之間的訪問(wèn)控制，上傳到公司內(nèi)部管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與ERP數(shù)據(jù)同步。

窯尾控制單元：該單元應(yīng)用S7-200系列PLC，通過(guò)西門(mén)子的通訊模塊EM277通過(guò)PROFIBUS DP與主控制室通訊。為實(shí)現(xiàn)主站與從站的通訊，在主站用西門(mén)子的STEP7編程軟件中組態(tài)，從站不用組態(tài)。主從站設(shè)定好數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的字段，在程序里對(duì)此字段進(jìn)行讀取即可。本系統(tǒng)顯示和控制4臺(tái)托料稱(chēng)重量數(shù)據(jù)和4臺(tái)減量稱(chēng)重量數(shù)據(jù)，相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息由稱(chēng)重模塊通過(guò)數(shù)據(jù)線上傳給PLC。其中包括數(shù)字量信號(hào)：皮帶秤的啟停，模擬量信號(hào)：料量給定與調(diào)節(jié)和計(jì)量、反饋等功能。完成工藝要求相應(yīng)的啟停，異常情況的緊急停車(chē)、故障報(bào)警等功能。

窯頭控制單元：實(shí)施監(jiān)控回轉(zhuǎn)窯加熱工藝參數(shù)，如溫度、壓力等，根據(jù)工藝要求，啟動(dòng)停止設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)功能的轉(zhuǎn)換。本控制單元應(yīng)用的PLC硬件模塊為：接口模塊IM153、相應(yīng)的I/O模塊。驅(qū)動(dòng)單元硬件主要為：變頻器，測(cè)量單元硬件主要為：電子皮帶秤。以上數(shù)據(jù)信息由離散式IO采集后通過(guò)Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線主控制站進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

西門(mén)子各個(gè)模塊站的PLC由PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線的連接而成，各分布式I/O系統(tǒng)由口模塊IM153作為從站再拓展連接。PLC分站放置在各自的控制室內(nèi)，與相應(yīng)部分的硬件距離很近，信號(hào)很容易采集到系統(tǒng)中。

2 ?監(jiān)控系統(tǒng)

1臺(tái)工程師站和3臺(tái)操作員站組成了上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)選用原裝西門(mén)子工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，上位機(jī)硬件設(shè)有網(wǎng)絡(luò)通訊卡CP1613，該網(wǎng)卡以TCP IP的通訊協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)PLC和上位機(jī)的數(shù)據(jù)交互。3套S7-300PLC系統(tǒng)的DP接口連接，實(shí)現(xiàn)了互相的數(shù)據(jù)交互。采用西門(mén)子公司W(wǎng)INCC6.0版本的組態(tài)軟件實(shí)施監(jiān)控。該監(jiān)控軟件平臺(tái)帶有實(shí)時(shí)、歷史趨勢(shì)曲線、打印報(bào)表等相關(guān)功能，通過(guò)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)所需的操作畫(huà)面、控制畫(huà)面、監(jiān)控畫(huà)面。監(jiān)控系統(tǒng)畫(huà)面俗稱(chēng)人機(jī)界面，人機(jī)界面主要為系統(tǒng)和用戶(hù)之間進(jìn)行交互和信息交換的媒介，它實(shí)現(xiàn)信息的內(nèi)部形式與用戶(hù)可以接受形式之間的轉(zhuǎn)換。所有參與人機(jī)信息交流的數(shù)據(jù)和畫(huà)面存儲(chǔ)在人機(jī)界面。其為用戶(hù)提供了更形象直觀的操作畫(huà)面，大幅度地提高了工作效率。

2.1 工藝參數(shù)監(jiān)控和控制

工藝流程是原料隨窯體轉(zhuǎn)動(dòng)，由窯尾緩慢的向窯頭運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過(guò)加熱裝置加熱，燒結(jié)好的原料從窯頭的下料管到達(dá)下部的冷卻機(jī)。為保證窯體內(nèi)部溫度，用于加熱的混合煤氣量和空氣量的配比保證回轉(zhuǎn)窯煅燒溫度的關(guān)鍵參數(shù)。這些信號(hào)會(huì)通過(guò)相應(yīng)的模擬量模塊接入PLC模塊中。通過(guò)非線性的PID調(diào)節(jié)，最終控制供給的煤氣量、空氣量參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。本運(yùn)行可靠，故障率低，深受用戶(hù)好評(píng)。

2.2 無(wú)線測(cè)溫裝置

通常情況下，因?yàn)榛剞D(zhuǎn)窯需要360°旋轉(zhuǎn)，所以回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度數(shù)據(jù)測(cè)量都是通過(guò)可以旋轉(zhuǎn)的滑環(huán)裝置來(lái)傳輸?shù)?，滑環(huán)裝置類(lèi)似為一個(gè)球和一個(gè)球碗的結(jié)構(gòu)，球可以在球碗內(nèi)旋轉(zhuǎn)，并保持通電接觸，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)傳輸。因?yàn)檫@個(gè)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)容易在高溫狀態(tài)下銹蝕等引起接觸不良。我們得到窯內(nèi)溫度信號(hào)來(lái)確認(rèn)燒結(jié)的效果，溫度是工藝的核心參數(shù)。為解決此問(wèn)題，采用無(wú)線測(cè)溫裝置，首先通過(guò)采集到熱電偶的溫度信號(hào)，窯體內(nèi)的發(fā)射模塊向連接在PLC模塊上的接收模塊發(fā)射信號(hào)。此無(wú)線測(cè)溫模塊為4-20MA的電信號(hào)，通過(guò)硬件連接到PLC的AI通道（設(shè)定為4-20MA的量程）。通過(guò)使用無(wú)線測(cè)溫收發(fā)模塊，讓溫度信號(hào)傳遞更穩(wěn)定。但在應(yīng)用此無(wú)線測(cè)溫裝置時(shí)需注意，回轉(zhuǎn)窯的用戶(hù)工況較差，大型設(shè)備很多，容易形成干擾。無(wú)線設(shè)備的有線連接部分要做好屏蔽抗干擾連接，屏蔽層連接到系統(tǒng)接地上。

2.3 窯頭負(fù)壓檢測(cè)

回轉(zhuǎn)的窯頭工藝是負(fù)壓生產(chǎn)工藝，窯內(nèi)必須保證負(fù)壓才能保證窯內(nèi)顆粒和原料的正常工藝處理。如果窯內(nèi)出現(xiàn)正壓還可能造成對(duì)設(shè)備和人員傷害，導(dǎo)致全線停機(jī)。負(fù)壓監(jiān)控是必要一環(huán)，通過(guò)在窯內(nèi)安裝壓力檢測(cè)儀表來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)監(jiān)控。將壓力的模擬量信號(hào)（0-10V）接到PLC的模擬量模塊中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)控。

3 ?結(jié)語(yǔ)

本控制系統(tǒng)自應(yīng)用并投產(chǎn)以來(lái)一直穩(wěn)定運(yùn)行，給企業(yè)帶來(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)效益。尤其在該系統(tǒng)中PLC控制系統(tǒng)充分發(fā)揮其配置靈活、編程方便和功能強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)，給整個(gè)系統(tǒng)的便捷性和穩(wěn)定性帶來(lái)較大的益處。

參考文獻(xiàn)

[1] 田淑珍.電機(jī)與電氣控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010，3（1）：90-120.

[2] 王兆明.電氣控制與PLC技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010，4（1）：146-157.

[3] 常斗南.PLC運(yùn)動(dòng)控制實(shí)例及解析（西門(mén)子）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010，1（1）：100-120.