基于回轉(zhuǎn)窯的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

紀(jì)玲 孫東豐

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

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

中圖分類號：TP273 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：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，通過加熱后的原料由窯頭送出。窯頭應(yīng)用魚鱗狀不銹鋼結(jié)構(gòu)密封窯體，窯頭的切面直徑會比回轉(zhuǎn)窯窯體的直徑大一些，因為其內(nèi)部需要設(shè)定檢修口，同時還有噴煤嘴和搬運(yùn)小車等結(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，通常長度有50～120m。窯體部分是整個回轉(zhuǎn)窯機(jī)械結(jié)構(gòu)的主體，由3、4個無底桶狀的結(jié)構(gòu)鋼水澆鑄而成。窯體部分因為要承擔(dān)重量桶狀結(jié)構(gòu)的鋼板壁很厚很堅固。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，用于支撐整個窯的重量。回轉(zhuǎn)窯窯體里面要鋪上耐火磚，因為正常工作時溫度最高會超過1200℃。

窯尾部分：窯尾部分分為縮口、進(jìn)料舌頭及煙室等。縮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。斜坡對于回轉(zhuǎn)窯也很重要，用于上料后原料的下移。同時在進(jìn)料端有一個形狀類似蓋子的結(jié)構(gòu)叫做進(jìn)料舌頭，用來進(jìn)料和密封作用。窯尾的密封至關(guān)重要，如果密封效果差會導(dǎo)致原料從密封處擠出，也會導(dǎo)致冷空氣從窯尾進(jìn)入整個窯體內(nèi)，影響窯體溫度，對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

上位機(jī)我們采用研華品牌的工業(yè)計算機(jī)，下位執(zhí)行系統(tǒng)采用西門子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)對整個回轉(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)趨勢存儲以及報表打印;通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)將其它兩個過程站環(huán)狀連接，并且可能通過網(wǎng)絡(luò)和公司內(nèi)部管理網(wǎng)絡(luò)之間的訪問控制，上傳到公司內(nèi)部管理系統(tǒng)，實現(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，通過西門子的通訊模塊EM277通過PROFIBUS DP與主控制室通訊。為實現(xiàn)主站與從站的通訊，在主站用西門子的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，在程序里對此字段進(jìn)行讀取即可。本系統(tǒng)顯示和控制4臺托料稱重量數(shù)據(jù)和4臺減量稱重量數(shù)據(jù)，相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息由稱重模塊通過數(shù)據(jù)線上傳給PLC。其中包括數(shù)字量信號：皮帶秤的啟停，模擬量信號：料量給定與調(diào)節(jié)和計量、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、故障報警等功能。

窯頭控制單元：實施監(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，啟動停止設(shè)備，可以實現(xiàn)手動、自動功能的轉(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)動單元硬件主要為：變頻器，測量單元硬件主要為：電子皮帶秤。以上數(shù)據(jù)信息由離散式IO采集后通過Profibus-DP現(xiàn)場總線主控制站進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

西門子各個模塊站的PLC由PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線的連接而成，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，信號很容易采集到系統(tǒng)中。

2 ?監(jiān)控系統(tǒng)

1臺工程師站和3臺操作員站組成了上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)的計算機(jī)選用原裝西門子工業(yè)控制計算機(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，實現(xiàn)了互相的數(shù)據(jù)交互。采用西門子公司W(wǎng)INCC6.0版本的組態(tài)軟件實施監(jiān)控。該監(jiān)控軟件平臺帶有實時、歷史趨勢曲線、打印報表等相關(guān)功能，通過設(shè)計可實現(xiàn)所需的操作畫面、控制畫面、監(jiān)控畫面。監(jiān)控系統(tǒng)畫面俗稱人機(jī)界面，人機(jī)界面主要為系統(tǒng)和用戶之間進(jìn)行交互和信息交換的媒介，它實現(xiàn)信息的內(nèi)部形式與用戶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)和畫面存儲在人機(jī)界面。其為用戶提供了更形象直觀的操作畫面，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，由窯尾緩慢的向窯頭運(yùn)動。經(jīng)過加熱裝置加熱，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)。這些信號會通過相應(yīng)的模擬量模塊接入PLC模塊中。通過非線性的PID調(diào)節(jié)，最終控制供給的煤氣量、空氣量參數(shù)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。本運(yùn)行可靠，故障率低，深受用戶好評。

2.2 無線測溫裝置

通常情況下，因為回轉(zhuǎn)窯需要360°旋轉(zhuǎn)，所以回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度數(shù)據(jù)測量都是通過可以旋轉(zhuǎn)的滑環(huán)裝置來傳輸?shù)模h(huán)裝置類似為一個球和一個球碗的結(jié)構(gòu)，球可以在球碗內(nèi)旋轉(zhuǎn)，并保持通電接觸，實現(xiàn)電信號傳輸。因為這個結(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)溫度信號來確認(rèn)燒結(jié)的效果，溫度是工藝的核心參數(shù)。為解決此問題，采用無線測溫裝置，首先通過采集到熱電偶的溫度信號，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。此無線測溫模塊為4-20MA的電信號，通過硬件連接到PLC的AI通道（設(shè)定為4-20MA的量程）。通過使用無線測溫收發(fā)模塊，讓溫度信號傳遞更穩(wěn)定。但在應(yīng)用此無線測溫裝置時需注意，回轉(zhuǎn)窯的用戶工況較差，大型設(shè)備很多，容易形成干擾。無線設(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

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)，通過在窯內(nèi)安裝壓力檢測儀表來實現(xiàn)信號監(jiān)控。將壓力的模擬量信號（0-10V）接到PLC的模擬量模塊中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)控。

3 ?結(jié)語

本控制系統(tǒng)自應(yīng)用并投產(chǎn)以來一直穩(wěn)定運(yùn)行，給企業(yè)帶來了良好的經(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)，給整個系統(tǒng)的便捷性和穩(wěn)定性帶來較大的益處。

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