鄧曉青

(廣東南方堿業(yè)股份有限公司 計(jì)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(jì)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(jì)方案,對稱重儀終端如何與DCS通訊的技術(shù)難點(diǎn)加以重點(diǎn)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(dá)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(jī)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(jìn)行稱量。上料時(shí)料斗運(yùn)行到窯底,借自身的重量壓下壓桿,通過機(jī)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(jìn)入上料斗,上料斗上行10 s后,石煤加料器再次啟動(dòng)加料。上料斗經(jīng)卷揚(yáng)機(jī)沿軌道牽引到窯頂,平衡砣下到底部通過機(jī)械聯(lián)鎖打開放料閥,使混合料進(jìn)入鐘帽旋轉(zhuǎn)料斗。上料斗下行動(dòng)5 s,由DCS控制布料器按6點(diǎn)布料,使旋轉(zhuǎn)料斗轉(zhuǎn)動(dòng)到給定的位置停下。上料斗運(yùn)行到窯底壓下壓桿,通過機(jī)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(dāng)數(shù)量的配套設(shè)備,以配合石灰窯正常運(yùn)作,如對物料起均勻作用的布料器,運(yùn)送窯爐反應(yīng)生成物的出灰運(yùn)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(dāng),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(fèi)原料,而且會使石灰石未來得及化學(xué)分解已被過量的焦炭燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)鄄⒗鄯e在窯底形成極堅(jiān)硬的燒結(jié)物,造成嚴(yán)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(dú)立無聯(lián)網(wǎng),數(shù)據(jù)不能遠(yuǎn)傳。而且控制模塊不能冗余、不能帶電熱插拔,出故障要停機(jī)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(jì)算機(jī)DCS系統(tǒng)(見圖1),實(shí)現(xiàn)石灰窯的集中優(yōu)化控制,解決了石灰工序?qū)φ麄€(gè)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(jì)方面,以現(xiàn)場手動(dòng)控制、主控室手動(dòng)控制和主控室自動(dòng)控制并存的方式,并設(shè)置各種聯(lián)鎖保護(hù)。各窯獨(dú)立控制,配料、上料控制是3套獨(dú)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(shí)現(xiàn)窯爐物料的稱量、配料、送料、出灰、運(yùn)灰等配套設(shè)備的手動(dòng)和自動(dòng)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(dāng)選擇“就地”方式,計(jì)算機(jī)不能操作,要到現(xiàn)場操控。

2)DCS控制:當(dāng)選擇“DCS”方式,計(jì)算機(jī)可手動(dòng)控制和自動(dòng)控制。

手動(dòng)控制:按上行,到頂限位自動(dòng)停;按下行,到底部限位自動(dòng)停。

自動(dòng)控制:輸入批次、石重、配比設(shè)定,顯示“準(zhǔn)備就緒”后按啟動(dòng)。

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(dòng)控制(如圖4)

石灰石與焦炭按設(shè)定的重量與兩者比例進(jìn)行配料,單次配料時(shí)間不超過20 s,配料完成后,首次按啟動(dòng),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(jìn)料開關(guān),通過機(jī)械連動(dòng),稱量后的石和煤經(jīng)混合放料進(jìn)送料小車,延時(shí)12 s,小車上行;上行10 s后啟動(dòng)加料器,小車到達(dá)窯頂停車倒料開關(guān)停止,并自動(dòng)倒料,小車停12 s后開始下行;下行5 s后啟動(dòng)布料器布料,布料器每次運(yùn)行時(shí)間按程序設(shè)計(jì)的6點(diǎn)布料,即0.5、7、14、21、28、35 s,送料小車每下行1次按1點(diǎn)布料的動(dòng)作規(guī)則運(yùn)行。配料、進(jìn)料、送料、倒料、布料各動(dòng)作相互協(xié)調(diào),按程控自動(dòng)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(dá)中間總停位置停下。

圖4 配料上料系統(tǒng)聯(lián)鎖自動(dòng)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(dòng)作是由送料小車機(jī)械聯(lián)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn),利用料斗門開合時(shí)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(shí)會出現(xiàn)較大的負(fù)數(shù),與經(jīng)驗(yàn)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(dòng)判斷加料過程是否正常。一旦異常將終止加料,并發(fā)出報(bào)警,提示操作人員進(jìn)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(dòng)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(jìn)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(qiáng)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(diǎn)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(jì)算機(jī)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(dòng)去皮

IND560支持自動(dòng)去皮功能,通過去皮,可獲得物料的凈重。程序設(shè)計(jì)卷揚(yáng)機(jī)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(dòng)去皮,如圖10,圖11:

4.2 補(bǔ)碼應(yīng)用

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

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

圖12為運(yùn)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(bǔ)碼就是原碼0000100000001010。

2)負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼:符號位為1,即如果補(bǔ)碼的符號位為“1”,表示是負(fù)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(gè)數(shù)加1。

圖12 石凈重正數(shù)補(bǔ)碼的運(yùn)行程序

圖13運(yùn)行程序,第16位的符號位WT102_16為1,表示是負(fù)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(bǔ)碼就是1000000001001000。

圖13 石凈重負(fù)數(shù)補(bǔ)碼的運(yùn)行程序

程序中SEL是一個(gè)選擇運(yùn)算符,當(dāng)選擇開關(guān)為真時(shí)(WT102_16=1)則選擇負(fù)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(jī)帶動(dòng)偏心機(jī)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)把物料從料倉添加到料斗,由于加料時(shí)有慣性作用,稱重時(shí)必須在到達(dá)設(shè)定的目標(biāo)重量之前,停下料電機(jī)。物料目標(biāo)重量與停止下料時(shí)的物料重量之差,就是加料控制中的提前量。

在實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略“產(chǎn)業(yè)興旺、生態(tài)宜居、鄉(xiāng)風(fēng)文明、治理有效、生活富?！笨傄笾?，“治理有效”占據(jù)著基礎(chǔ)地位。只有夯實(shí)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(biāo)順利實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)“治理有效”目標(biāo)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(jìn)行探討，并結(jié)合河北省保定市的普法教育實(shí)踐，對實(shí)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(jī)后的重量-物料停機(jī)時(shí)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(yùn)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(shí)時(shí)情況自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整,才能保證稱量的準(zhǔn)確。

提前量算法模型我們首先對信號采集進(jìn)行數(shù)字濾波的預(yù)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(xiàng)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(xiàng)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(jì)算提前量時(shí)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(dòng)適應(yīng)運(yùn)行環(huán)境,獲得準(zhǔn)確的提前量。剛開機(jī)時(shí),預(yù)置的提前量初值與實(shí)際值不一定接近,但經(jīng)過幾個(gè)周期的運(yùn)行,會自動(dòng)調(diào)整適應(yīng)運(yùn)行環(huán)境,不用人工修正系統(tǒng)很快就獲得準(zhǔn)確的提前量。

6 超限、故障聯(lián)鎖保護(hù)

圖14是計(jì)算機(jī)的聯(lián)鎖控制設(shè)置畫面,操作人員只要點(diǎn)擊計(jì)算機(jī)的“聯(lián)鎖投入”按鈕,就能實(shí)現(xiàn)故障的聯(lián)鎖保護(hù),根據(jù)實(shí)際需要還可隨時(shí)修改控制值。

圖14 計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制設(shè)置畫面

1)小車上行進(jìn)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(dòng)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?yàn)榈降缀缶烷_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(shí)現(xiàn)對運(yùn)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(shí):斗提機(jī)停,則全停;鏈板機(jī)停,則出灰機(jī)、出灰轉(zhuǎn)盤停。

斗提機(jī)和鏈板機(jī)的啟動(dòng)與停止有聯(lián)動(dòng)關(guān)系,啟動(dòng)斗提機(jī)延時(shí)5 s后自動(dòng)啟動(dòng)鏈板機(jī),停止斗提機(jī)會令鏈板機(jī)及后面的設(shè)備停止運(yùn)行。在總控圖(見圖1)上有操作圖標(biāo)和運(yùn)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(jì)算機(jī)分擔(dān)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(jìn)行技術(shù)改造,經(jīng)過我們的不斷研究和改進(jìn),系統(tǒng)完全達(dá)到設(shè)計(jì)的要求和控制的精度。并能把石灰窯運(yùn)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(kuò)產(chǎn)新建石灰窯的控制系統(tǒng)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

TP 273;TQ 177.2

B

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(jì)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(xiàng)大型的技改項(xiàng)目和DCS集散控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。