摘要：石灰作為重要的澄清原料，其質(zhì)量的好壞直接影響甜菜制糖的品質(zhì)及原料的利用率，新疆某甜菜制糖廠為了提高石灰的產(chǎn)量及其質(zhì)量，使用西門子S7-300PLC作為控制器，使用Profibus總線搭建了分布式的控制系統(tǒng)，完成了石灰窯的稱重、上料及卸灰等工序的控制，并使用WinCC設(shè)計(jì)了上位監(jiān)控畫面。運(yùn)行結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，同時(shí)降低了人工成本和燃料的使用，增加了石灰產(chǎn)率，值得在相關(guān)領(lǐng)域推廣。

　　關(guān)鍵詞：制糖石灰窯；Profibus；S7-300PLC；WinCC

　　0 引言

　　我國是生產(chǎn)和利用石灰最早的國家，石灰廣泛應(yīng)用于煉鋼、建筑領(lǐng)域，同時(shí)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(gè)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(jī)物等雜質(zhì)。品質(zhì)好、反應(yīng)快的、反應(yīng)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(shí)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(jià)格競(jìng)爭(zhēng)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(jī)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(dǎo)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(jìn)的控制方式，集中控制石灰窯的整個(gè)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(yán)格的流程，而且根據(jù)生產(chǎn)的地理環(huán)境和天氣狀況會(huì)有一些變化，經(jīng)過技術(shù)人員多年的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，在石灰窯生產(chǎn)中的主要操作步驟如下[3]：

　?、藕娓G：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(diǎn)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(shí)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(dá)到200度左右，第四天達(dá)到500至600度左右，直到結(jié)束，熄火降溫，取出烘窯篦子，整個(gè)烘窯結(jié)束。

　?、蒲b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(diǎn)窯木材裝完后，將人孔門完全封閉。

　?、屈c(diǎn)窯：先用柴油將刨花浸泡（約50Kg刨花，15Kg柴油），目的是容易點(diǎn)燃木材，將浸泡過的刨花從一層火眼塞入預(yù)留好的木材通道，在點(diǎn)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(zhǔn)備好點(diǎn)燃的木把（約1.5米長(zhǎng)）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(diǎn)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(jìn)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(diǎn)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(yù)計(jì)將達(dá)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(diǎn)，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(shí)，在水源的水進(jìn)入抽水系統(tǒng)前，經(jīng)過一個(gè)過濾池，去除水中存在的各種雜物，保證系統(tǒng)工作時(shí)的安全。

　　2 石灰窯控制系統(tǒng)的構(gòu)成

　　根據(jù)各個(gè)部分在系統(tǒng)中的作用不同，整個(gè)控制系統(tǒng)分為3層：管理層、控制層、設(shè)備層。上位機(jī)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(shè)備及其運(yùn)行狀態(tài)；S7-300PLC的各個(gè)模塊作為核心控制器，完成設(shè)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)；底層設(shè)備主要功能是現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)信息的信號(hào)轉(zhuǎn)換、工序執(zhí)行等。上位機(jī)與S7-300CPU模塊之間和CPU與遠(yuǎn)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(jìn)料、卸灰，同時(shí)還將執(zhí)行機(jī)構(gòu)出錯(cuò)報(bào)警、物料質(zhì)量上限報(bào)警、空氣壓力信號(hào)報(bào)警作為中斷條件，與運(yùn)行中的電機(jī)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖控制，如石灰窯進(jìn)料過程中，稱重斗閘門開啟；當(dāng)物料質(zhì)量超過上限時(shí)，自動(dòng)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。

　　圖2STEP7中的變量表

　　根據(jù)生產(chǎn)的要求編寫上料的程序，這是溫度控制的基礎(chǔ)，因?yàn)檫M(jìn)料數(shù)量的準(zhǔn)確可以讓煅燒過程更平穩(wěn)，產(chǎn)生的波動(dòng)小，從而減少了生燒與過燒的發(fā)生，提高石灰石的利用率。如圖3所示，右邊的程序?yàn)榇蟾G的石料稱重程序，PIW336為石料重量傳感器傳送給PLC的石料重量信號(hào)，經(jīng)過轉(zhuǎn)換放置在DB3.DBD0中；左邊的程序?yàn)樾「G的自動(dòng)中斷程序，即當(dāng)物料超過上限時(shí)，切斷卷揚(yáng)機(jī)等設(shè)備。

　　圖3上料的部分程序

　　3 監(jiān)控畫面設(shè)計(jì)

　　控制系統(tǒng)完成施工后，所有的控制和監(jiān)視都可以在上位機(jī)的顯示器上操作，使用了與西門子PLC完全兼容的WinCC。WinCC是面向監(jiān)控與SCADA的軟件工具，可以提供適合于工業(yè)動(dòng)態(tài)流程圖的顯示，報(bào)警處理，顯示實(shí)時(shí)及歷史曲線圖，生產(chǎn)報(bào)表以及存貯等功能模塊，用高性能的過程耦合、快速的畫面更新以及可靠的數(shù)據(jù)使WinCC具有高度可視化和實(shí)用性[6]。

　　WinCC所集成的圖形、人機(jī)界面、數(shù)據(jù)庫、通訊等技術(shù)，使開發(fā)人員通過對(duì)話式的組態(tài)方式，完成監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)，使用者將PLC與WinCC結(jié)合就使的通訊就異常容易，將STEP7與WinCC組合，就很容易在工程中縮短調(diào)試時(shí)間[7]。此外，WinCC軟件是適合監(jiān)控級(jí)應(yīng)用的整體開放性軟件，各軟件提供企業(yè)都可以開發(fā)自己的應(yīng)用軟件與WinCC的開放性接口相接。

　　系統(tǒng)工藝基本主流程圖如圖4中所示，動(dòng)態(tài)顯示了石灰窯的現(xiàn)場(chǎng)工藝過程，包括上料過程、運(yùn)行設(shè)備狀況等，這樣就可以及時(shí)準(zhǔn)確掌握石灰石煅燒分解情況，并顯示故障進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷。

　　圖4上料的部分程序

　　在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)儀表的監(jiān)控實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和手動(dòng)兩種方式。在系統(tǒng)全部軟、硬件安裝調(diào)試時(shí)采用手動(dòng)操作分步驗(yàn)證。調(diào)試正常投入運(yùn)行時(shí)采用自動(dòng)操作，利用所設(shè)計(jì)的梯形圖控制程序自動(dòng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，特別是稱重、流量等模擬量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)控制。

　　在控制過程中，對(duì)于風(fēng)壓、物料質(zhì)量、燃料流量等重要的模擬量控制參數(shù)都進(jìn)行主畫面實(shí)時(shí)報(bào)警，即實(shí)現(xiàn)參數(shù)超限聲光報(bào)警，用對(duì)話框形式提示故障原因，同時(shí)迅速自動(dòng)調(diào)節(jié)至正常監(jiān)控狀態(tài)。全過程實(shí)現(xiàn)過程變化預(yù)測(cè)的同時(shí)，也對(duì)各時(shí)段歷史曲線數(shù)據(jù)予以保存，對(duì)曲線分析比較后對(duì)溫度變量的變化趨勢(shì)作出相應(yīng)的預(yù)測(cè)，如圖5所示。

　　圖5石灰窯煅燒溫度曲線

　　4 結(jié)語

　　該石灰窯控制系統(tǒng)采用了目前典型的工業(yè)控制方案，硬件與軟件分別選擇了S7-300PLC與WinCC，使用Profibus搭建了控制系統(tǒng)，完成了石灰窯生產(chǎn)中的上料、稱重、卸灰等一系列步驟降低了人工成本，提高了制糖石灰窯的工作效率，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)石灰窯生產(chǎn)的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控與數(shù)據(jù)管理，為相關(guān)制糖企業(yè)的石灰窯生產(chǎn)提供了參考。

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