制糖石灰窯控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)
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我國是生產(chǎn)和利用石灰最早的國家，石灰廣泛應用于煉鋼、建筑領(lǐng)域，同時在甜菜制糖工藝中有著重要的作用。在生產(chǎn)白糖的過程中，有一個很重要的步驟是糖汁清凈，目前國內(nèi)外甜菜糖廠一般都使用石灰和CO2作為澄清劑來生產(chǎn)高質(zhì)白糖，用量一般為甜菜加工量的2～3%，主要用來在制糖生產(chǎn)中制成輕質(zhì)碳酸鈣后吸附去除制糖原料（甜菜）中的有害元素N、P、有機物等雜質(zhì)。品質(zhì)好、反應快的、反應徹底的石灰和CO2生產(chǎn)出來的輕質(zhì)碳酸鈣，可以提高清凈速度，縮短清凈時間，降低噸糖石灰石的消耗，減少色素及擬黑色素的殘留，從而有效提高白糖產(chǎn)品質(zhì)量[1]。所以，在甜菜制糖廠中石灰的需求量較大，為了降低生產(chǎn)成本，增加產(chǎn)品價格競爭力，甜菜糖廠一般都建有石灰窯用來生產(chǎn)制糖需要的石灰和CO2氣體。
新疆某甜菜制糖企業(yè)日處理甜菜3100噸，一年可加工甜菜40萬噸，其制糖生產(chǎn)中所需要的石灰主要由容量為150m3機械豎窯生產(chǎn)，主要燃料為煤氣[2]。由于該石灰窯主要由人工操作，所以導致產(chǎn)生石灰成本高、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等不利結(jié)果，為解決這一系列問題，決定采用先進的控制方式，集中控制石灰窯的整個生產(chǎn)過程，提高生產(chǎn)質(zhì)量和產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。
1 石灰窯的生產(chǎn)工藝
石灰窯的生產(chǎn)有著嚴格的流程，而且根據(jù)生產(chǎn)的地理環(huán)境和天氣狀況會有一些變化，經(jīng)過技術(shù)人員多年的經(jīng)驗總結(jié)，在石灰窯生產(chǎn)中的主要操作步驟如下[3]：
⑴烘窯：首先把窯體內(nèi)部清理干凈，然后安裝烘窯篦子框架，將約1方木材放入篦子之上，然后用明火點燃，致使火焰不斷的燃燒，間斷地加放木材，使窯內(nèi)的溫度逐漸地升高，將窯體內(nèi)的潮氣烘干，避免窯體內(nèi)部的磚墻出現(xiàn)裂縫。烘窯時間5至7天，第一天溫度控制在50度左右，第二天100度左右，第三天達到200度左右，第四天達到500至600度左右，直到結(jié)束，熄火降溫，取出烘窯篦子，整個烘窯結(jié)束。
⑵裝窯：首先窯體內(nèi)部清理，卸灰盤表面清理，然后將石灰塊注入卸灰盤上，裝至到1層火眼以下（約80cm）鋪平，然后將木材放入窯內(nèi)石灰塊之上，先裝一層（約20至30cm），然后在一層火眼兩端之間留40至50cm寬的通道，通道兩側(cè)向上繼續(xù)整齊擺放木材，直至一層火眼之上，高于火眼20至30cm，然后用木材將上端全面封死，繼續(xù)擺放木材，直至二層人孔門上1到2米，點窯木材裝完后，將人孔門完全封閉。
?、屈c窯：先用柴油將刨花浸泡（約50Kg刨花，15Kg柴油），目的是容易點燃木材，將浸泡過的刨花從一層火眼塞入預留好的木材通道，在點燃前將易燃的柴油汽油（柴油：5Kg；汽油：5Kg）混合噴入一層火眼內(nèi)，準備好點燃的木把（約1.5米長）兩根，大布兩塊，用大布纏在木把的一端，浸上柴油；瓦斯泵開啟后，窯體內(nèi)的抽氣量正常后，開始將浸好油的木把點燃，從一層火眼兩端將火把塞入木材通道內(nèi)，開始燃燒。木材開始不斷地燃燒，窯內(nèi)的溫度逐漸地升高，窯體內(nèi)的石料逐漸下降，視窯體內(nèi)的情況，逐漸上料，使窯體內(nèi)的料位保持正常范圍內(nèi)（布料器以下2米左右），直至木材完全燒盡，煤氣開始進入，將火位逐漸升高，火位保持在5層可開始卸料，卸料溫度控制在100度左右。
點窯之后的步驟就是提高煅燒溫度并保持，石灰窯在上料和出灰等步驟中多是數(shù)字量的直接邏輯控制，把人工控制方式改為PLC控制方式后，效率預計將達到最佳狀態(tài)，所以在此就不再累贅。窯內(nèi)煅燒溫度的控制是本課題關(guān)注的重點，現(xiàn)將石灰窯溫度的控制要求和步驟作如下說明：一層次溫度控制在200左右度；二層控制在500度左右，三層控制在900度左右，四層控制在1000度左右，五層控制在900度左右，窯氣出口溫度控制在100度左右，燃燒正常后，可將一層溫度保持在100度左右，煅燒層控制在3至5層范圍內(nèi)，煅燒溫度控制在1000±12度范圍內(nèi)。泵房的基本構(gòu)成如圖1所示，為了保證系統(tǒng)工作的工作效率和穩(wěn)定性，采用了2條并行的輸水線路選擇性的工作。同時，在水源的水進入抽水系統(tǒng)前，經(jīng)過一個過濾池，去除水中存在的各種雜物，保證系統(tǒng)工作時的安全。
2 石灰窯控制系統(tǒng)的構(gòu)成
根據(jù)各個部分在系統(tǒng)中的作用不同，整個控制系統(tǒng)分為3層：管理層、控制層、設備層。上位機IPC的主要功能是通過組態(tài)軟件的在線監(jiān)控，管理底層的生產(chǎn)設備及其運行狀態(tài)；S7-300PLC的各個模塊作為核心控制器，完成設備狀態(tài)信息的采集，經(jīng)過邏輯判斷和數(shù)據(jù)分析處理，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)；底層設備主要功能是現(xiàn)場狀態(tài)信息的信號轉(zhuǎn)換、工序執(zhí)行等。上位機與S7-300CPU模塊之間和CPU與遠程接口ET200M站之間的通信方式均為Profibus總線，系統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)如圖1所示[4][5]。
圖1石灰窯控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
石灰窯溫控系統(tǒng)的開關(guān)量邏輯控制包括進料、卸灰，同時還將執(zhí)行機構(gòu)出錯報警、物料質(zhì)量上限報警、空氣壓力信號報警作為中斷條件，與運行中的電機等設備實現(xiàn)聯(lián)鎖控制，如石灰窯進料過程中，稱重斗閘門開啟；當物料質(zhì)量超過上限時，自動關(guān)閉物料斷輸送斗車等。這些邏輯控制在STEP7中完成程序的編寫，其中的部分變量表如圖2所示。
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