1、石灰窑燃烧控制系统设计毕业设计报告本科学位论文 本科生毕业设计 毕业设计题目 石灰窑燃烧控制系统设计 学 生 姓 名 所 在 学 院 水利与能源动力工程学院 专业及班级 电气工程及其自动化1202 指 导 教 师 完 成 日 期 2016年6月 3日 摘要随着现代化建设的日益发展,人们对土木建设的需求急剧增加，在钢铁工业中对石灰的活性、纯度以及使用量上也在逐年增加，对石灰的使用量越来越大，这也加速了石灰窖的发展，而决定石灰窑煅烧质量的重要因素就是由石灰窑燃烧控制系统决定的。因此，设计一个很好的石灰窖控制工艺流程至关重要，研究计算机控制的燃烧控制系统有着至关重要现实意义。本文介绍了石灰窑燃烧控制
2、的国内外现状及工艺流程，提出了一套基于组态王6.52及OMRON PLC的石灰窑燃烧控制系统的设计方案，根据石灰煅烧工艺特点和控制要求，以煅烧带的温度为控制对象，通过对煤气和空气的输送量进行燃烧的控制。对控制系统上、下位机的软件程序进行了设计和调试，实现了上、下位机之间的通信及系统的监控。系统性能稳定、可靠性高、控制效果较好，有一定的推广应用价值。关键词：石灰窑燃烧控制；组态王；PLC。ABSTRACT With the rapid development of modernization, peoples demand of civil construction increased dram
3、atically, in the iron and steel industry of lime activity, purity and usage are also increasing year by year, the lime are used more and more, which accelerated the development of lime kilns, and decided to lime kiln calcining quality an important factor is composed of lime kiln combustion control s
4、ystem.Therefore, the design of a good lime control process is very important, has important practical significance to study the combustion control system controlled by computer. This paper introduces present situation at home and abroad, and the processes of the lime kiln combustion control, propose
5、 a set of Kingview 6.52 and OMRON PLC lime kiln combustion control system design scheme based on, according to the requirements of the lime calcining process and the control, the calcining zone temperature as control object, through of the gas and air transportation volume control combustion.The sof
6、tware program of the control system is designed and debugged, which realizes the communication between the upper and lower computer and the monitoring of the system.The system has stable performance, high reliability, good control effect, and it has certain application value. Keywords: lime kiln com
7、bustion control; Kingview; PLC。第一章 绪论一、课题背景石灰可以用在冶金炼钢、土木工程、医疗卫生、生活保质上。石灰具有吸水性，与水反应可以放出大量的热量因此大量用于在我们的日常生活，食物的防腐防潮剂、医院的消毒工具都可以用到石灰。在重工业和建筑业方面也应用广泛，建筑业中石灰由于煅烧的原因可能会出现欠烧石灰和过少石灰，欠烧石灰产浆量少，质量差，利用率低但一般不会产生什么危害。过烧石灰与水反应之后会局部膨胀，在砌的石灰表面有时会出现鼓泡就是这样形成的，工程上我们称之为“爆灰”。这种现象工程中出现的很多，所以粉刷使用的石灰一般都是煅烧活性好的石灰，不会使用过烧石灰这也造
8、成了过烧石灰的浪费。消石灰和黏土混合在一起可以称之为灰土，再添加炉渣或者石屑可以充当三合土用来作为建筑的地基或者铺路的路基使用。冶金炼钢行业中，生石灰（CaO）可以和Fe2O3、Fe3O4等发生还原反应将铁元素还原出来，即完成炼钢需求。随着我国建筑业和重工业的发展我国也成为了石灰需求大国，国内的石灰煅烧技术也在从以前的人工煅烧技术也在向自动化控制系统煅烧方向发展。综上情况来看，设计一个合理的石灰窑煅烧温度控制系统至关重要。二、石灰窑简介用来煅烧石灰石，使石灰石在高温条件下分解成生石灰CaO和二氧化碳CO2的窑炉是冶金石灰生产的主要设备。通常来说，石灰窑的结构和煅烧形式决定了石灰窑的类别，但是大
9、体上来讲石灰窑的煅烧工艺还是一样的。到目前为止，石灰窑的类型按照燃料的不同分为两种：混烧窑和气烧窑；按照窑型又可以分为竖窑、回转窑、套筒窑等。混烧窑主要是燃烧固体燃料，以煤炭、焦炭、焦粉为主；气烧窑主要是燃烧气体燃料，以高炉煤气、焦炉煤气、天然气等为主；我国以前以混烧窑为主，但是近代以煅烧的石灰石活性度、生产成本、燃料资源、利润高低等方面的因素大多使用气烧窑。三、石灰的应用（1） 石灰在建筑业的应用在现在的建筑业上通常是添加在水泥中，石灰石颗粒可以起到微集料颗粒的骨架作用。石灰石在水泥中的水化作用还可以硬化水泥浆体中的碳、硫、氢凝胶及水化硫酸铝钙等。随着石灰石的加入量的比例增加，水泥的硬度也不
10、会断提高，根据多次模拟实验可以通过使用水泥的地理环境位置来确定石灰的比例。石灰也可以作为粉刷材料应用在建筑物上，纯净的石灰粉末加水搅拌均匀之后粉刷在墙壁上可以使建筑物更加美观，石灰粉末也可以添加颜色调剂来粉刷出不同颜色，广泛用于建筑的美化和房屋的装修方面。（2）活性石灰在钢铁工业的应用活性石灰石冶金行业中的重要原料之一，可以帮助炼钢，减少冶金时间、提高钢水纯度、减低材料损耗、提高石灰窑寿命。石灰的煅烧从明朝于谦的诗句“千锤万凿出深山，烈火焚烧若等闲。粉身碎骨浑不怕，要留清白在人间。”可以看出我国使用石灰的历史悠久。我国古代煅烧石灰的主要方式是木料与石灰石层叠堆放高温煅烧。随着时代的发展，石灰的
11、煅烧材料也在不断地变化，从最早的木材到木炭，从煤炭到煤气天然气。石灰窑煅烧的控制也从人为控制转化到智能控制的方向。第二章 石灰的生产控制一、石灰的煅烧机制和影响因素石灰和石灰石名字仅有一字之差，然而两种是完全不同的事物。石灰的主要成分是氧化钙（CaO），石灰石的主要成分是碳酸钙（CaCO3）。石灰石通过高温煅烧可以形成石灰，石灰石的主要成分是碳酸钙（CaCO3）和碳酸镁（MgCO3）在高温的时候会氧化成氧化钙、氧化镁。还会有二氧化碳的生成。在一个标准大气压下，在纯二氧化碳气相中，碳酸钙在898时完全分解。表1-1为石灰窑人内部温度与结晶粒度、体积密度、比表密度、气孔率、收缩率、过少率之间的关系
12、表格。表1-1 石灰窑煅烧温度影响表石灰煅烧的过程存在着生烧和过烧的现象，生烧就是煅烧不充分、不彻底，过烧即是燃烧太过充分。由上表可知，石灰煅烧的最佳温度在900左右最佳。避免了生烧现象，又可以尽量减少过烧。在混烧窑中，一般采用焦炭作为燃料。其中有四个燃烧过程碳的完全氧化 碳的不完全氧化 一氧化碳的燃烧 二氧化碳的还原 一般来讲套筒式石灰窑的生产过程为：石灰石装入石灰窖，通过氮气输送管道将管道和石灰窑内部的杂质空气排出以免发生爆炸。再同时输送煤气和空气并在石灰窑内部的输送气体烧嘴处点火。由比例调节阀调节煤气的输送量，变频风机调节合适的空气量控制煤气的燃烧以达到控制石灰窑内部温度变化的效果。预热
13、到850左右后加热到1200完成煅烧，再经过冷却之后输送出窑。煅烧时石灰石表面的温度不能超过1170，否则会导致石灰石的表面形成致密过烧层，影响煅烧的质量。影响石灰石煅烧的主要因素：（1）原料的质量和颗粒大小：原料的质量决定这石灰的质量好坏。石灰石的颗粒大小决定了石灰石煅烧的是否充分以及是否会出现凝结现象。（2）石灰窑的选型：不同的石灰窑有着不同的煅烧效果，合理的窑型才能够生产出优质的石灰。（3）不同的燃料和供热方式：在混烧窑，即固体燃料中有层叠堆放燃料和石灰石的方法也有将燃料放在中间燃烧的方法。在气烧窑中，一般采用高压高温气流穿层的方式。（4）其他因素：员工的操作、窑体的质量、生产方式以及自
14、动化控制的水平等。二、 生产过程的控制系统的发展石灰煅烧的生产过程的控制系统经历了三个阶段的发展，由简单到复杂，由复杂到简单，有低级到高级的过程。在我国的古代，从明代于谦的“千锤万凿出深山，烈火焚烧若等闲”可以看出以前的石灰石煅烧主要是通过木材的燃烧，通过工匠的经验来确定石灰石的煅烧。二十世纪七十年代前期，以古典控制理论为基础，通过常规的电动、气动、液动的仪表来测定生产过程中的主要参数的变化进行生产过程的自动控制。这个时期的主要目的是尽量减小扰动、消除扰动。二十世纪七十年代到九十年代，以现代控制理论为依据，通过计算机和高级的仪表设备对生产过程进行监控。通过建模理论建立不同的模型以满足不同的环境
15、下的需要，克服了生产过程中的扰动和以前的一个模型一个生产系统的弊端。能够适应复杂的工艺变化。二十世纪就是年代以后，由计算机理论、自动控制理论、人工智能理论、信息化技术、通信技术和管理科学的交叉与结合。信号处理、数据库、通信技术、计算机网络为自动控制系统提供了强有力的工具。生产的要求已经不在于满足消除扰动和工程的多变性，而是要在环境保护和能源节约上做文章，以达到适应社会绿色发展、市场多元变化的目的。三、石灰煅烧的未来生产控制的方向现在我国的石灰窑煅烧大部分都是使用自动控制系统实现，进料、筛选、进窖、煅烧、冷却、出窖一系列的流程通过自动控制系统能够有条不紊的进行，大大提高石灰煅烧的产量和效率。未来
16、石灰窑的发展方向也会高度向自动控制发展，自动控制也会更多的兼顾着石灰窑煅烧过程中可能会出现的一部分不稳定量的变化，以达到石灰窑实现最大煅烧效率。在很多的情况下，事情是一直变化的，对于自动化控制我们无法做到精确的控制，但是我们采用模糊PID算法进行控制。石灰窑自动控制是一个滞后性大、多变性强、非线性且存在着严重的噪声干扰的过程。在以前按照PID算法进行控制的建模的精度决定了控制的质量，精度越高控制的则越是精密。但是在石灰窑燃烧的过程中依旧有许多我们无法用数据和科学程序出来的机制，在这种情况下一般来说老师傅的经验往往要比这些控制数据更加有效。一般来说自动控制在变化较慢的过程中有着很大的效果，但是在
17、变化很快很复杂的情况下并不能达到很好的控制效果。所以应该给与自动控制系统以智能使其能够根据生产过程中的信号输入做出相应的人工智能处理，进而解决传统的数据控制的方面的不足。人工智能现在正在飞速发展，相信自动控制系统的人工智能化也与我们并不遥远。四、本课题的工作任务本课题的任务是开发和完善石灰窑燃烧控制系统，重点是系统的硬件设计、软件设计和调试工作，设计合理的监控界面，上位机开发采用组态王，下位机开发采用PLC，主要研究内容如下： （）石灰窑燃烧温度控制系统的工艺要求及总体设计 （）系统控制策略和控制方案的确定 （）PLC硬件系统的设计 （）PLC软件控制程序的设计 （）系统人机界面的组态和系统通
18、讯及安装调试第三章 石灰窑燃烧控制系统的总体设计一、石灰窑燃烧的工艺流程 图1-1 石灰窑燃烧工艺流程图气烧石灰窑在燃烧过程中要保证气体的纯净和燃料燃烧的充分，不然容易发生石灰窑的爆炸和气体的不充分燃烧产生有毒气体。首先，要对石灰窑窑体内部的空气进行排空。其次，要控制输入的煤气量和空气量的比例达到煤气能够充分燃烧的目的。最后根据石灰窑窑体内部的温度传感器的传输数据和设定的石灰窑时间温度变化函数中的设定温度作比较，调节石灰窑煤气输送比例调节阀，调节煤气量。在充分煅烧之后就可以冷却出仓了。这个过程中可以依据煤气燃烧需要的空气量，来计算煤气和氧气在相同的大气压下的体积比，然后根据当地的空气中的氧气含
19、量计算出对应需要多少体积的空气可以满足要求。一般来说煤气流量：空气流量=1:1.3-1.4。二 、生产控制系统的介绍合肥钢铁有限公司原有的两座65立方米的机械竖烧石灰窑生产石灰的过程中由于设备的陈旧无法保证石灰窑生产的石灰的活性和质量。新建的一个竖式气烧石灰窑主要由工控机（工业控制计算机）和欧姆龙PLC组成。气烧窑是使用高压煤气在窑内点燃火焰可以穿透石灰石的缝隙达到加热煅烧的目的，这种煅烧方式能够煅烧的均匀充分、易于控制煅烧过程中的温度变化方便控制煅烧的石灰石的活性。上位机IPC主要负责对下位机PLC的监控、生产管理、操作管理。下位机PLC负责的是生产过程中的数据采集、生产的自动控制、信息反馈
20、。在整个过程中采用了很多的数字量输入输出也用到了一些模拟量的输入输出。19个开关量的输入，7个开关量的输出，三个模拟量输入，四个模拟量输出。3、石灰窑燃烧温度控制系统的介绍图1-2 石灰窑燃烧监控原理图大致控制方案是：调节阀控制煤气输送量、变频风机控制空气输送量。传感器进行计量和检测。(1)元件功能内容 温度传感器：测量石灰窑内部窑顶、窑中、窑尾的温度点各两个然后取三个点的平均值显示出来。 煤气流量传感器：测量整个煅烧过程中使用的煤气流量并显示。 空气流量传感器：测量随着煤气量变化的空气流量并显示。一般来说煤气流量：空气流量=1:1.3-1.4。 变频风机：变频风机根据石灰窑煅烧的过程中使用的
21、煤气量和需求温度来控制风机的频率，进而控制风机的风速，输送合适的风量保证煤气的充分燃烧也避免风流量过大可能引发的爆炸现象。 石灰窑生产过程的自动控制：自动控制的过程包括了检测和控制两部分。温度传感器、煤气流量传感器、空气流量传感器负责检测。变频风机和比例调节阀负责控制调节。(2)计算机控制系统的硬件选型与设计 1.石灰窑设备的选型 1.1温度传感器因为石灰窑煅烧过程中存在着预热、加热以及最后的冷却过程，所以石灰窑煅烧过程中使用的温度传感器的选型应满足以下条件：（1）耐高温；（2）灵敏度高；（3）精度高； 1.2比例调节阀 比例调节阀采用的是电动椭圆蝶阀，此阀门根据电信号的大小控制阀门的开度，在
22、电气管道回路中可以用来充当切断阀、止回阀和控制阀，在电源出现故障的时候也可以利用其中的手动开关进行手动控制，便于控制。在冶金钢铁，船舶行业中应用广泛具有很高的知名度。具有以下优点： 结构简单，体积小，质量轻；能够适应频繁的启动关闭和不同开度的迅速调节；能够实现良好的密封效果；在高温低压的环境下能够良好的工作。 图1-3 比例调节阀 1.3变频风机 风机变频器是为各类风机量身定制的一种专用型变频器。利用变频调速控制装置，改变风机的转速适应实际的需求，不用一直在最大转速的情况下运行，减少了能量的不必要损耗，经济节约。变频风机调速广泛应用于工程中，作为电机调速的主要方法变频调速，有着其他调速方法不能
23、替代的功能主要特点为：高效节能，节电效果能够达到百分之二十到百分之六十。我国使用到的电机不计其数，大到三峡大坝发电站，小到家庭洗衣机风扇，其中有许多的风机、电机产生的能量远远高于实际需求的能量，这不免造成不必要的浪费。 易于调节控制，通过电流的流入来控制变频风机的变化。将交流电转换成直流电再经过逆变器转换成交流，从而达到控制风速的效果。风机无级调速，形成闭环控制系统可以实现恒压或恒流控制。表1-2 石灰窑设备的选型和用途序号名称型号数量设备用途1热电偶WRPK-131，L=10504测量石灰窑煅烧带温度2热电偶WRN-1312测量石灰窑预热和冷却温度3变频风机SHC100-1.211根据温度和
24、煤气提供风速 （3）计算机硬件系统的选型 1.1 PLC的介绍 程式控制器在发表初期被称为(Programmable Logic -Controller)简称PLC, 最先的目的是取代继电器，从而执行继电器逻辑及其他计时或计数等功能的顺序控制为主, 所以也称顺序控制器。 PLC实际上是一种工业控制机，结构上和微型计算机相同，由中央控制器CPU、存储器、电源、输入输出装置、程序输入装置组成。 中央处理单元(CPU)在PLC控制器中充当核心元件是控制器的核心中枢。在PLC控制器系统中主要有以下几点功能：（1）接受并存储用户的程序和数据。（2）扫描电源电源、IO以及存储器的状态。（3）扫描运行状态中
25、的现场设备的输入输出数据，保存并计算出数据显示出来或者传送到相应的设备中去。 存储器分为两种：系统程序存储器和用户程序存储器。 系统程序存储器存放的是系统程序，用户程序存储器存放的是应用软件。 电源：因为PLC需要的是一个稳定可靠的电源系统，所以无法将PLC直接接入交流系统中去，应该加入的是调节之后的交流电，电压波动不大。 输入输出装置：能够接收系统中的模拟量和数字量，也能输出模拟量和数字量对系统进行调节。程序输入装置：用户可以根据自己的需要编写适当的程序输入，实现不同系统、不同要求、不同环境下的生产程序。 1.2 PLC的选型 石灰温度控制系统中使用用到了开关量点19个模拟量点7个，选用的P
26、LC型号为CPM1A。 CPM1A型号的PLC,它的全称是“OMRONSYSMACCPM1A。OMRON代表的是生产这个型号的PLC的公司，它的名字音译过来为欧姆龙，欧姆龙是一家全球知名的自动化控制及电子设备制造厂商。SYSMAC是欧姆龙自动化系统产品的标志，CPM1A是其旗下的一种系列的PLC产品。 CPM1A系列的PLC它一共有40个开关量的I/O点，包括24个输入点以及16个输出点，输入点的排列从0CH:0011，1CH:0011;输出点的排列从10CH:0007,11CH:0007。在图上方的输入点区域的COM端接的是-24V直流电压，输入点都接的是+24V直流电压。图下方的输出点区域
27、一共有6个COM端，通电时接的也是-24V直流电压，输出点也都接的是+24V直流电压。第四章 石灰窑燃烧系统的组态王程序的设计一、组态王软件的介绍组态王隶属自动控制系统，用来监控系统软件。以标准的工业计算机硬件、软件平台为基础构成集成系统取代传统的封闭式集成系统。操作界面简洁明了、开发项目周期短、经济节约，兼顾了动画、画面和控制三个方面的要素，为我们提供了控制系统的动画效果和数据显示。提供了监视控制的可视化界面，有利于实验者的现在调控。充分利用了windows的图形编辑功能，能够实时的绘制图形曲线反应实验控制过程中的数据变化。设计了报警窗口，在一些数据变化的过程中可以监控数据是否超标已达到报警
28、的目的。组态王kingview6.55是亚控科技根据市场需要开发出来的一款软件，用来适应目前自动化工业快速发展的速度，面向低端、小型的自动化控制程序的市场应用。功能强大、稳定性强、使用方便是组态王kingview6.55的最大特点。二、组态王的使用使用组态王在实验过程中的仿真操作：（1）基本图形画面的构建；（2）建立离散变量为开关赋值，建立实型变量为动态过程中的控制变量赋值。（3）赋值完成之后，将离散量和实型变量与图形中的开关和其他元件一一对应连接。（4）对设计的系统进行运行和调试，确定满足设计的要求，如有运行不符的地方进行修改。三、组态王开发的特点（1）整个过程只需要一台计算机就能完成，不用
29、购买对应的设备，从而大大减少了实验过程中设备的花费项，有很高的经济价值。（2）操作界面为中文界面，画面简洁，有图库的存在可以使画图更加方便快捷，操作简单，可以通过输入不同的数据设计使用多次也可以重复仿真。根据组态王数据处理功能可以实时的绘制实验过程的曲线或者编写实验报表。（3）组态王的设备集成能力极强，可以连接大部分设备和系统。四、使用组态王软件需要考虑的因素 （1）熟悉工业现场的设备和过程流程，将监控设备、工业元件通过图形表示出来；（2）创建合适的数据库，开关量和变量的使用需要注意，水位、液位、温度的控制变化一般要使用数据库中的实型变量。（3）动画的链接要符合实际的情况，不仅仅要实验设计者自
30、己能够看懂，还需要客户能够清晰明了的看个明白。五、石灰窑燃烧温度控制系统在组态王中的设计图1-4 石灰窑燃烧控制界面 （1）在石灰窑燃烧温度控制系统中到的工业设备有：表1-3 组态王中使用到的仪器仪表设备名称使用个数设备名称使用个数套筒式石灰窑1个变频风机1个点火装置1个空气流量计1个温度感应器6个（显示均值）煤气流量计1个氮气输送装置1个检修阀2个煤气输送装置1个开断阀3个比例调节阀1个开关若干 （2）工业流程分析：准备工作：开启温度感应器、开启煤气、空气流量计；点火准备控制：调节比例开关开启氮气开关阀开启检修阀1开启检修阀2石灰窑内部排空气通气点火控制；通气点火控制：石灰窑内部空气排空调节
31、比例开关开启煤气开关阀开启检修阀1开启检修阀2开启空气开断阀开启变频风机开启点火装置达到煅烧要求熄火控制；熄火控制：关闭煤气开断阀变频风机空气开断阀；结束工作：关闭温度感应器、开启煤气、空气流量计；（3）组态王程序的分析介绍：1.燃烧火焰的控制系统：使用组态王画图工具中的多边形绘制一个火焰状的图形，填充红色；复制火焰图形并比例放大，做出四个大小不同的火焰图形，按照从小到大的顺序分别编号为火焰1，火焰2，火焰3，火焰4。赋值变量“终极火焰变化”并在应用程序命令语言中编写 if( 终极火焰开关=1 ) 终极火焰变化=终极火焰变化+1; 即当终极火焰开关开启时，变量终极火焰变化在应用程序每运行一次的时候加一。打开火焰1图形的动画连接，选中“隐含”中的条件表达式中写入“终极火焰变化0&终极火焰变化0&终极火焰变化10”。即在终极火焰变化在
