DCS控制系统在水泥生产工艺流程中的应用.docx
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DCS控制系统在水泥生产工艺流程中的应用
目录
摘要...............................................................2
关键词.............................................................2
1、绪论............................................................2
1.1前言..........................................................2
1.2实习感言......................................................3
2、DCS控制系统简介.................................................4
2.1概述..........................................................4
2.1.1DCS系统简介................................................4
2.1.2集散控制系统的硬件结构......................................7
2.1.3集散控制系统的软件技术......................................7
2.2DCS控制技术的发展.............................................7
2.3水泥厂控制系统的发展经历......................................8
3、水泥生产工艺....................................................10
3.1水泥概述......................................................10
3.2工艺流程简介..................................................10
3.2.1破碎及预均化................................................11
3.2.2生料制备....................................................11
3.2.3生料均化....................................................11
3.2.4预热分解....................................................11
3.2.5水泥熟料的烧成..............................................12
3.2.6水泥粉磨....................................................13
3.3主要部分设备工作原理..........................................15
4、DCS控制技术在工艺中的应用.......................................16
4.1控制项目......................................................16
4.1.1转速控制....................................................16
4.1.2温度控制....................................................18
4.2生料粉磨中的过程控制..........................................18
4.3水泥厂常见设备的控制方法......................................19
4.4各工段控制方案................................................22
附录:
ATOX—50型水泥立磨示意图.....................................24
参考资料........................................................25
DCS控制技术在水泥生产工艺中的应用
(XXXXXXXXXXXXXXX学院安徽合肥230051)
[摘要]以往的水泥生产线是以现场控制为主的,主要通过继电器控制系统进行控制,无论在人力还是物力方面投资都是很大的,近年来由于自动化技术的快速发展,DCS控制技术在工业控制中得到广泛应用,DCS系统在水泥生产线上的使用,使得水泥厂在人力和物力方面的投资大大减少,增加了效率,另外也降低了危险系数,员工安全得到有力的保障。
本文主要叙述DCS系统在铜陵上峰水泥股份有限公司5000t/d生产线上的应用。
[关键词]水泥生产工艺,DCS,过程控制,PID
1、绪论
1.1前言
随着社会的快速发展,水泥建材需求不断扩大,应用范围也越来越广泛,从高楼大厦到园林艺术,都需要水泥的浇筑。
另外,微电子技术、计算机技术、自动控制理论和通信技术的发展,DCS技术在工业控制领域发挥巨大的作用,越来越深入。
当然在水泥行业也不例外,DCS控制系统也得到了很大的应用。
由于DCS的应用,在人员方面减少了需求,提高了效率;在安全方面,由于不需要人亲自到现场即可进行对整个生产流水线的控制,大大提高了安全系数。
这篇实习报告就是我在铜陵上峰水泥股份有限公司实习所得。
在论文中写到了DCS的相关理论,并提到了水泥的部分知识。
结合实习的实际情况,将DCS控制技术与水泥生产工艺流程相结合,叙述了DCS控制技术在水泥生产工艺流程中的应用,其中涉及到温度控制、流量控制、压力控制、转速控制等。
论文中写到了我的专业课所学,同时也联系了我实习时所学到的新知识,可谓是理论联系实际。
在实习过程中,我所在的车间是生料车间,故而我所写内容大部分是围绕生料粉磨的流程而写的。
由于我的知识水平有限以及专业知识的欠缺,论文中难免会有不妥或错误之处,希望老师批评指正并予以谅解。
谢谢!
XXXXXX
2011年4月18日
1.2实习感言
电院的生活是我人生道路上的一个转折点,如若当初有一念之差,我将不知何去何从。
走进电院之前,高考失败的阴霾还在心中,感觉自己很是一无是处;然而,事实并不是如此,不在沉默中爆发,就在沉默中死亡,我走进了电院,抛弃自卑,争取自信。
2010年12月8日,我来到上峰水泥股份有限公司实习,起初主要的实习任务是熟悉现场。
在和现场的老工人打交道的一段时间里我觉得,社会总不如学校,他们没有同学之间那种热情,那种友谊,取而代之的是独立、自我,所以,在社会上一定要谨慎,学聪明点,最重要的是作好自己的工作,让别人没有机会挖你的不是。
当然,领导喜欢诚实肯干的人,所以不能再耍孩子脾气,要更学会服从。
但不是盲目服从,否则会很累自己,要学会适当的坚硬。
这段时间里,有汗水,有泪水,也有笑容,最重要的是学会了很多,不仅仅是知识,还有很多处世方面的。
对于知识,我学到了关于水泥的很多知识,虽然这并不是我所学的的专业,也不知我以后是否会继续从事水泥行业,但学会了总会有点用的,毕竟存在的就是有价值的;另外,水泥厂巡检工的实习,让我了解了不少关于机械设备运转方面的常识,对于机械故障要做到及时处理解决;在实习中,体会到了实际的工作与书本上的知识是有一定距离的,需要进一步的再学习。
在处世方面,为人要老实诚恳,做事要认真积极,尽量少说话多做事;对于别人的事,自己能帮得上忙的尽量帮一下,有时团队合作还是重要的,也是必要的;班组就是一个集体,如果不能很好的合作,那么工作是做不好的,有些事光靠一个人是完成不了的。
实习期间,有累、有苦,水泥厂的环境可想而知,与身俱来的噪音和粉尘,也有高温、高空危险,还要做些体力活,但这些我认为都是值得的。
像我们刚刚毕业走向社会的学生,涉世不深,了解不够,很容易因一时的冲动而犯下大的错误,因此更需要到一个艰苦的环境里磨练一下自己,不仅仅要坚定自己的意志,还要强化自己的体质,在做一些体力活的时候是一个很好的锻炼身体的机会。
这一切都为以后从事固定工作打下了良好的基础。
在这里,感谢上峰给了我这个锻炼自己的机会,更要感谢学校培养了我三年,教会了我许多的知识!
2、DCS控制系统简介
2.1概述
计算机集散控制系统,又称计算机分布式控制系统(DistributedControlSystem),简称DCS系统。
他是一种综合了计算机技术、控制技术、通信技术、CRT技术,即4C技术,实现对生产过程集中监测、操作、管理和分散控制的新型控制系统。
集散控制系统既不同于分散的仪表控制,又不同于集中计算机控制系统,它克服了二者的缺陷而集中了二者的优势。
与模拟仪表控制相比,它具有连接方便、采用软连接的方法连接、容易更改、显示方式灵活、显示内容多样、数据存储量大、占用空间少等优点;与计算机集中控制系统相比,它具有操作监督方便、危险分散、功能分散等优点。
另外,集散控制系统不仅实现了分散控制、分而自治,而且实现了集中管理、整体优化,提高了生产自动化水平和管理水平,成为过程自动化和信息管理自动化相结合的管理与控制一体化的综合集成系统。
这种系统组态灵活,通用性强,规模可大可小,既适用于中小型控制系统,也适用于大型控制系统。
集散控制系统具有如下特点:
自治性,协调性,在线性和实时性,适应性、灵活性和可扩充性,系统组态灵活方便。
2.1.1DCS系统简介
集散控制系统是采用标准化、规模化和系列化的设计,实现集中监视、操作、管理,分散控制。
其体系结构从垂直方向可分为三级,第一级为分散过程控制级;
第二级为集中控制管理级;第三级为综合信息管理级,各级相互独立又相互联系。
从水平方向,每一级功能可分为若干子级(相当于在水平方向分成若干级)。
各级之间有通信网络连接,级与各装置之间哟本级的通信网络进行通信联系。
(1)分散过程控制级
分散过程控制级直接面向生产过程,是集散控制系统的基础。
它具有数据采集、数据处理、回路调节控制和顺序控制等功能,能独立完成对生产过程的直接数字控制。
其过程输入信息是面向传感器的信号,如热电偶、热电阻、变送器(温度、压力、液位、电压、电流功率等)及开关量的信号,其输出是作用于驱动执行机构。
同时,通信网络可实现与同级之间的其他控制单元、上层操作管理站相连和通信,实现更大规模的控制与管理。
它可传送操作管理级所需的数据,也能接受操作管理级发来的各种操作指令,并根据操作指令进行相对的调整或控制。
构成这一级的主要装置有:
(a)现场控制站(工业控制机);
(b)可编程控制器PLC;
(c)智能调节器;
(d)其他测量装置。
各控制器的核心部件是微处理器,且可以是单回路的,也可以是多回路的。
(2)集中操作监控级
这一级以操作监视为主要任务,兼有部分管理功能。
它是面向操作员和系统工程师的,这一级配备有技术手段齐备,功能强的计算机系统及各类外部装置,特别是CRT显示器和键盘,还需要较大存储容量的存储设备及功能强大的软件支持,确保工程师和操作员对系统进行组态、监测和操作,对生产过程实现高级控制策略、故障诊断、质量评估等。
这一级主要设备包括:
(a)监控计算机:
即上位机,综合监视全系统的各工作站,具有多输入多输出控制功能,用以实现系统的最优控制或最优管理。
(b)工程师操作站:
主要用于系统的组态、维护和操作。
(c)操作员操作站:
主要用于对生产过程进行监视和操作。
(3)综合信息管理级
这一级有管理计算机、办公自动化软件、工厂自动化服务系统构成,从而实现整个企业的综合信息管理。
综合信息管理主要包括生产管理和经营管理。
(4)通信网络系统
通信控制系统将集散控制系统的各分布部分连接一起,完成各种数据、指令及其他信息的传递。
图1、集散控制系统(DCS)示意图
图2、集散控制系统(DCS)结构示意图
2.1.2集散控制系统的硬件结构
(1)分散过程控制级
分散控制级主要由各种测控装置组成,常用的有现场控制站、可编程控制器PLC、智能调节器。
(2)集中操作监控级
由监控计算机、操作员工作站和工程师工作站等组成,硬件主要由操作台、监控计算机、键盘、图形显示设备、打印机等组成。
(3)综合信息管理级
这一级主要执行生产管理和经营管理功能。
主要由管理计算机、办公自动化服务系统、工厂自动化服务系统构成。
(4)通信网络系统
集散控制系统中各级的通信设备是通过通信网络互连,并进行相互通信的,已达到既自治又相互协调工作。
主要组成有:
通信介质等。
2.1.3集散控制系统的软件技术
集散控制系统的软件可分三类:
控制软件、操作软件和组态软件。
(1)控制软件:
实现分散过程控制级的过程控制设备具有的数据采集、控制输出、自动控制和网络通信等功能。
(2)操作软件:
完成实时数据管理、历史数据存储和管理、控制回路调节和显示、生产工艺流程画面显示、系统状态、趋势显示以及产生记录的打印和管理等功能。
(3)组态软件:
包括画面组态、数据组态、报表组态、控制回路组态等。
2.2DCS控制技术的发展
自美国Honeywell公司于1975年成功地推出了第一个集散控制系统——TDC2000型计算机集散控制系统以来,经历了20多年的时间,集散控制系统已经走向成熟并获得广泛应用。
器发展具体经历了四个阶段。
(1)第一阶段(70年代初)
第一代集散控制系统大多具有微处理器的分级控制系统,主要有过程空盒子装置、数据采集装置、CRT操作站、监控计算机和数据高速公路五部分组成。
(2)第二阶段(80十年代中前期)
第二代产品在原来产品的基础上,进一步向高精度、高可靠性、标准化、小型化、模块化、单元结构化、智能方向发展,使之具有更强适应性和扩展性。
(3)第三阶段(80年代中后期)
第三代产品开发了高一层次的信息管理系统和符合国际标准组织ISO的OSI开放式互联考模型的局域网络。
(4)第四阶段(90年代初开始)
在20世纪90年代,随着对控制和管理要求的不断提高,第四代集散控制系统以管理一体化形式出现。
它在硬件上采用了开放的工作站,使用RISC替代CISC,采用了客户机/服务器(Client/Server)的结构
2.3水泥厂控制系统的发展经历
*气动仪表式控制系统
*电动但愿组合式模拟仪表控制系统
*集中式数字控制系统
*分布式控制系统
*分布式控制系统DCS
*现场总线控制系统FCS
由于现场总线适应了工业控制系统向网络化、分散化、智能化发展的方向,它的出现导致了传统控系统的变革,形成了新型的网络化继承至全分布控制系统——现场总线控制系统。
FCS既是一个开放通信网络,又是一个全分布式控制系统。
它作为智能设备的联系纽带,吧挂接在总线上作为网络节点的智能设备连接为网络系统,并进一步构成自动化系统;实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控制一体化的综合自动化系统。
这是一项以智能传感器、控制、计算机、数字通信网络为主要内容的综合技术。
目前新型干法水泥厂绝大部分采用分布式计算机控制系统进行控制。
3、水泥生产工艺
3.1水泥概述
水泥(cement),粉状水硬性无机胶凝材料。
加水搅拌成浆体后能在空气或水中硬化,用以将砂、石等散粒材料胶结成砂浆或混凝土。
硅酸盐水泥生产的原料:
1.硅酸盐水泥的主要成分
硅酸三钙(3CaO·SiO2)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)、铝酸三钙(3CaO·AI2O3)、铁铝酸四钙(4CaO·AI2O3·Fe2O3)
其中:
CaO62~67%;SiO220~24%;AI2O34~7%;Fe2O32~6%。
2.硅酸盐水泥生产的主要原料
(1)石灰质原料:
以碳酸钙为主要成分的原料,是水泥熟料中CaO的主要来源。
如石灰石、白垩、石灰质泥灰岩、贝壳等。
一吨熟料约需1.4~1.5吨石灰质干原料,在生料中约占80%左右。
石灰质原料的质量要求如下表:
品位
CaO(%)
MgO(%)
R2O(%)
SO3(%)
燧石或石英(%)
一级品
>48
<2.5
<1.0
<1.0
<4.0
二级品
45~48
<3.0
<1.0
<1.0
<4.0
(2)粘土质原料:
含碱和碱土的铝硅酸盐,主要成分为SiO2,其次为AI2O3,少量Fe2O3,是水泥熟料中SiO2、AI2O3、Fe2O3的主要来源。
粘土质原料主要有黄土、粘土、页岩、泥岩、粉砂岩及河泥等。
一吨熟料约需0.3~0.4吨粘土质原料,在生料中约占11~17%。
粘土质原料的质量要求如下表:
品位
硅酸率
铁率
MgO(%)
R2O(%)
SO3(%)
塑性指数
一级品
2.7~3.5
1.5~3.5
<3.0
<4.0
<2.0
>12
二级品
2.0~2.7或3.5~4.0
不限
<3.0
<4.0
<2.0
>12
一般情况下SiO2含量60~67%,AI2O3含量14~18%。
(3)主要原料中的有害成分:
①MgO:
影响水泥的安定性。
水泥熟料中要求MgO<5%,原料中要求MgO<3%。
②碱含量(K2O、Na2O):
对正常生产和熟料质量有不利影响。
水泥熟料中要求R2O<1.3%,原料中要求R2O<4%。
③P2O5:
水泥熟料中含少量的P2O5对水泥的水化和硬化有益。
当水泥熟料中P2O5含量在0.3%时,效果最好,但超过1%时,熟料强度便显著下降。
P2O5含量应限制。
④TiO2:
水泥熟料中含有适量的TiO2,对水泥的硬化过程有强化作用。
当TiO2含量达0.5~1.0%,强化作用最显著,超过3%时,水泥强度就要降低。
如果含量继续增加,水泥就会溃裂。
因此在石灰石原料中应控制TiO2<2.0%。
3.硅酸盐水泥生产的辅助原料
(1)校正原料
①铁质校正原料:
补充生料中Fe2O3的不足,主要为硫铁矿渣和铅矿渣等。
②硅质校正原料:
补充生料中SiO2的不足,主要有硅藻土等。
③铝质校正原料:
补充生料中AI2O3的不足,主要有铝钒土、煤矸石、铁钒土等。
校正原料的质量要求
硅质原料硅率SiO2(%)R2O(%)
>4.070~90<4.0
铁质原料Fe2O3>40%
铝质原料AI2O3>30%
(2)缓凝剂:
以天然石膏和磷石膏为主。
掺加量3~5%。
4.工业废渣的利用
①赤泥:
烧结法生产氧化铝排出的赤色废渣,以CaO、SiO2为主。
掺加石灰质原料可配制成生料。
②电石渣:
以CaO为主。
可替代部分石灰石生产水泥。
③煤矸石:
以SiO2、AI2O3为主。
可替代粘土生产水泥。
④粉煤灰:
以SiO2、AI2O3为主。
可替代粘土配制生料,也可作混合材料。
⑤石煤:
以SiO2、AI2O3为主。
可作粘土质原料,也可作燃料。
3.2工艺流程简介
水泥的生产工艺,以石灰石和粘土为主要原料,经破碎、配料、磨细制成生料,喂入水泥窑中煅烧成熟料,加入适量石膏(有时还掺加混合材料或外加剂)磨细而成。
可简述为“两磨一烧”。
上峰公司采用的是新型干法水泥生产工艺,具体流程如下:
3.2.1破碎及预均化
(1)水泥生产过程中,很大一部分原料要进行破碎,如石灰石、黏土、铁矿石及煤等。
因为石灰石是生产过程中用量最大的原料,开采出来之后的颗粒较大,硬度较高,因此石灰石的破碎在水泥的物料破碎中占有比较重要的地位。
(2)原料预均化。
预均化技术就是在原料的存、取过程中,运用科学的堆取料技术,实现原料的初步均化,使原料堆场同时具备贮存与均化的功能。
3.2.2生料制备
水泥生产过程中,每生产1吨硅酸盐水泥至少要粉磨3吨物料(包括各种原料、燃料、熟料、混合料、石膏),据统计,干法水泥生产线粉磨作业需要消耗的动力约占全厂动力的60%以上,其中生料粉磨占30%以上,煤磨占约3%,水泥粉磨约占40%。
因此,合理选择粉磨设备和工艺流程,优化工艺参数,正确操作,控制作业制度,对保证产品质量、降低能耗具有重大意义。
3.2.3生料均化
新型干法水泥生产过程中,稳定入窖生料成分是稳定熟料烧成热工制度的前提,生料均化系统起着稳定入窖生料成分的最后一道把关作用。
3.2.4预热分解
把生料的预热和部分分解由预热器来完成,代替回转窑部分功能,达到缩短回转窑长度,同时使窑内以堆积状态进行气料换热过程,移到预热器内在悬浮状态下进行,使生料能够同窑内排出的炽热气体充分混合,增大了气料接触面积,传热速度快,热交换效率高,达到提高窑系统生产效率、降低熟料烧成热耗的目的。
(1)物料分散
换热80在入口管道内进行的。
喂入预热器管道中的生料,在与高速上升气流的冲击下,物料折转向上随气流运动,同时被分散。
(2)气固分离
当气流携带料粉进入旋风筒后,被迫在旋风筒体与内筒(排气管)之间的环状空间内做旋转流动,并且一边旋转一边向下运动,由筒体到锥体,一直可以延伸到锥体的端部,然后转而向上旋转上升,由排气管排出。
(3)预分解
预分解技术的出现是水泥煅烧工艺的一次技术飞跃。
它是在预热器和回转窑之间增设分解炉和利用窑尾上升烟道,设燃料喷入装置,使燃料燃烧的放热过程与生料的碳酸盐分解的吸热过程,在分解炉内以悬浮态或流化态下迅速进行,使入窑生料的分解率提高到90以上。
将原来在回转窑内进行的碳酸盐分解任务,移到分解炉内进行;燃料大部分从分解炉内加入,少部分由窑头加入,减轻了窑内煅烧带的热负荷,延长了衬料寿命,有利于生产大型化;由于燃料与生料混合均匀,燃料燃烧热及时传递给物料,使燃烧、换热及碳酸盐分解过程得到优化。
因而具有优质、高效、低耗等一系列优良性能及特点。
3.2.5水泥熟料的烧成
生料在五级旋风预热器中完成预热和预分解后,下一道工序是进入回转窑中进行熟料的烧成。
在回转窑中碳酸盐进一步的迅速分解并发生一系列的固相反应,生成水泥熟料中的硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙等矿物。
随着物料温度升高近1300℃时,硅酸三钙(C3S)、硅酸二钙(C2S)、铝酸三钙(C3A)、铁铝酸四钙(C4AF)等矿物会变成液相,溶解于液相中的C2S和CaO进行反应生成大量水泥熟料(C3S)。
熟料烧成后,温度开始降低。
最后由水泥熟料冷却机将回转窑卸出的高温熟料冷却到下游输送、贮存库和水泥磨所能承受的温度,同时回收高温熟料的显热,提高系统的热效率和熟料质量。
3.2.6水泥粉磨
水泥粉磨是水泥制造的最后工序,也是耗电最多的工序。
其主要功能在于将水泥熟料(及胶凝剂、性能调节材料等)粉磨至适宜的粒度(以细度、比表面积等表示),形成一定的颗粒级配,增大其水化面积,加速水化速度,满足水泥浆体凝结、硬化要求。
图3、新型干法水泥生产工艺流程示意图
图4、新型干法水泥生产工艺流程简述图解
3.3主要部件工作原理
1、原料磨工作原理:
物料通过下料溜子喂到磨盘中心,在磨盘旋转过程中依靠离心力的作用,被甩到磨盘四周,在运动到墨辊之下的过程中被墨辊挤压研磨。
2、水泥回转窑工作原理:
生料粉从窑尾体高端的下料管喂入窑筒体内,由于窑筒体的倾斜和缓缓地旋转,使物料产生