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毕业设计

基于三菱PLC的水泥厂窑头喂煤系统设计

摘要

随着建筑行业的不断发展，其对水泥产量和质量的要求也越来越高。

水泥煅烧是水泥生产过程中及其重要的部分，喂煤系统中煤粉的连续、均匀喂料是煅烧工作的基础。

由于国外喂煤系统控制的核心、编程语言及许多元器件国内没有替代品，日常难以维护，因此本设计将采用国内的高性价比元器件和通用的三菱PLC代替国外喂煤系统中的部分。

本喂煤系统控制目标是能够向窑头连续、均匀的喂煤，并实现5‰的喂煤精度。

本设计以三菱PLC为控制核心，转子秤通过称重传感器测出其中煤粉的重量，同时转子盘的旋转速度也通过变频器得出，PLC通过高速脉冲测量单元和A/D转换单元将煤粉的重量和速度的转化为数字量，经系统运算处理后得出煤粉瞬时流量，并与给定量进行比较，再经PID算法，最终达到瞬时流量跟踪给定流量的最佳控制效果。

关键词：

转子秤，PLC，PID，喂煤系统，A/D转换

ThecementkilnheadfeedingcoalsystembasedonmitsubishiPLCdesign

ABSTRACT

Withthecontinuousdevelopmentofconstructionindustry,therequirementfortheproductionandqualityofcementisbecomingmoreandhigher.Andcementcalcinationiscrucialstepsintheprocessofcementproduction;coalfeedingsystemofthecontinuous,uniformfeedingisthebasisofcalcinationwork.

Becausethereisnodomesticsubstituteforforeigncoalfeedingsystemcontrolcore,programlanguages,andmanydevices.Itisdifficulttomaintaindaily,sothisdesignwillusedomesticcost-effectivecomponentsanduniversalpartsoftheMitsubishiPLCinsteadoffeedingcoalsystemabroad.

Thekilnheadcontrolgoalofthecoalfeedingsystemistobeabletocontinuousanduniformfeedingcoal,andimplement5‰precisionoffeedcoal.ThisdesignuseMitsubishiPLCasthecontrolcore,thetrochanterthroughweighingsensortomeasuretheweightoftherotorinthepulverizedcoal,atthesametime,therotatingspeedofrotordrumthroughtransducer,PLCusehigh-speedpulsemeasurementunitandA/Dconversionunitconvertedweightandspeedtodigitalquantity,andafterthesystemprocessingcoalinstantaneousflow,andcomparingwithquantitative,thenthroughPIDalgorithm,andfinallyachievetheoptimalcontrolofaeffectthattransientflowtractgivenflow.

KEYWORDS:

Rotorbalance，PLC，PID，Coalfeedingsystem，A/Dconversion

目　录

前　言

在中国乃至世界上的建筑行业中，水泥都是有史以来就是最不可或缺的建筑材料。

水泥产业的发展在我国的基础设施建设及经济发展中不可或缺，也成为了衡量一个国家发展水平及综合实力的重要指标之一。

在水泥的煅烧过程中，在稳定水泥热工制度中尤为重要的是燃烧器的煤粉计量喂料装置，煤粉是否能够充分燃烧取决于转子秤供给煤粉量的均匀稳定，因此煤粉计量在喂料过程中对水泥生产来说至关重要。

水泥厂窑头喂煤的煤粉称量和适当控制对窑头的稳定以及水泥熟料的产量及质量的提升，水泥生产的过程自动化的加强都起到积极的影响。

本设计方案中，转子秤煤粉计量控制系统主要包括粉煤仓、称重传感器、煤粉喂料机、转子秤和电气控制器件等。

煤粉由螺旋喂料机从粉煤仓中均匀稳定地喂入转子称，转子称内的转子盘带着煤粉转动，转子盘上煤粉的重量通过转子秤内称重传感器精准测出，然后经过放大、A/D转换输送到PLC的模拟量输入端口，进入数据处理中心进行数据处理，同时转子秤的转速也由变频器的实时数据值传输到PLC的高速脉冲测量单元经过一定的数据处理。

PLC通过高速脉冲测量单元和A/D转换单元将速度和重量转化为数字量，经过运算处理后得出煤粉瞬时流量，并与用户已设定的台式流量所需要的给定量进行比较，再经PID运算得出电机调节数据，调整转速数据值经D/A转换单元转换成标准电流信号经过变频器去控制喂料机电机和转子称电机的转速，最终达到煤粉瞬时流量与由台时流量所设定的给定流量的误差小于控制精度的最佳控制效果。

现代高科技技术含量的三菱PLC测控控制系统在被用于窑头喂煤控制系统时，负责完成各种实时任务，实现整个窑头喂煤控制系统的连续称量和定量喂煤，实现水泥厂窑头喂煤控制系统的连续化、均匀化，并实现5‰的喂煤精度。

第1章概述

1.1研究的现状

1.1.1水泥产业发展现状

水泥，粉状水硬性无机胶凝材料，在建筑行业中能把砂、石、灰等建筑材料牢固地胶结在一起起到黏固的作用。

在中国乃至世界上的建筑行业中，水泥都是有史以来最不可或缺的建筑材料。

近年来，我国水泥产业发展势头迅猛，高科技技术含量的水泥生产线不断地投入使用，全国水泥产量增速世界首屈一指[1]。

中国目前在全球水泥生产数据统计中独占鳌头。

从水泥生产线来看，2012年我国新增水泥熟料生产线124条，2013年我国新增水泥熟料生产线72条[2]；从行业产量看来，我国水泥产量逐年增长，在“十五”期间，我国全社会固定资产投资保持年平均20%以上的飞速增长，有力的拉动了水泥的生产和消费，因此水泥生产企业得到了快速发[3]。

目前就我国水泥企业的数量而言，7000余家的水泥生产企业在世界范围内也是屈指可数，水泥行业的年产量就占据了全世界水泥年产量的半壁江山[4]。

1.1.2水泥生产喂煤装置简介

水泥生产工艺主要包括：

水泥原料破碎和预均化、生料制备、预热分解、熟料煅烧、粉磨、包装。

在水泥的熟料煅烧过程中，在稳定水泥热工制度中尤为重要的是燃烧器的煤粉喂料计量装置，煤粉是否能够充分燃烧取决于转子秤供给煤粉量是否均匀稳定，因此喂料装置的称重测量对水泥煅烧来说是至关重要。

窑头喂煤系统喂煤量的计量不准确不仅会造成后续窑头烧成系统对于煤粉的不充分燃烧，还有可能直接影响整个水泥厂的生产产量甚至停窑事故，进而影响到工厂的经济效益。

因此,我们选用的摇头喂煤控制系统要控制精度高，称重计量准确，系统稳定、调节响应速度快，对煤粉适应能力强。

这样既可以提高水泥熟料的产量和质量,又能节约水泥原料,降低生产成本[5]。

1.2研究的意义

1.2.1传统水泥生产喂煤装置

在我国水泥生产过程中,传统的煤粉喂料计量装置大多采用称重皮带机、螺旋喂料机、失重式喂料机和冲量式流量计喂料机。

1．称重皮带机

称重皮带机中的皮带秤是安装在皮带输送机上的动态称重仪表，对放置在皮带上并随皮带连续移动的松散物料进行称重。

传统的煤粉称重皮带机固定设备投资大,维修不便，效益增长缓慢，对皮带机密封性要求高，且具有防爆装置,对安装有一定的要求，不方便其广泛使用，于此同时煤粉粘连在输送带的皮带秤上会引起零点漂移,导致测量结果不准确。

2．螺旋喂料机

螺旋喂料机通过称重桥架把经过的物料进行重量检测，用来称重胶带上的煤粉重量，装在胶带尾部的速度传感器测量喂料机电机的转速，然后将重量信号和速度信号一起送至螺旋喂料机的控制核心，经过一定的处理后，就可以及时的测量出流经煤粉的瞬时流量。

但螺旋喂料机不宜输送易变质、粘性大、易结块的物料，因为这些物料会粘结在螺旋上，停止移动并随之旋转或者在吊轴承处形成物料的积塞，从使螺旋喂料机不能正常工作。

因此,螺旋喂料机也不是理想的煤粉称重装置。

3．失重式喂料机和冲量式流量计喂料机

失重式喂料机通过调节其电机的运转速率来修正的差值，从而可以使系统均匀、准确、连续的给窑头喂煤。

失重式喂料系统需要有减振设施或无弹性平台,这大大增加了水泥厂原始投资，同时系统在开始喂煤阶段,有时由于无规则测容的操作，会出现安全意外。

冲量式流量计喂料机利用由来自喂料机煤粉的重力对特定冲击板的重力分量对流经煤粉进行重量检测的,由于是间接测重煤粉重量,所以测量不准确,而且对煤粉要求较高，稍微有不确定因素的进入，就会导致系统计量不准确甚至停机影响生产。

由此可见，失重式喂料系统和冲量式流量计喂料系统也不是理想的喂煤装置[6]。

1.2.2新型水泥生产喂煤装置的研发意义

随着技术的发展以及水泥产品的要求不断地提高，必将不断的出现新的水泥生产喂煤装置。

近些年煤粉计量喂料系统不断推陈出新，一代更比一代计量准确，稳定运行时间也更长，人性化更高。

又由于不断地从国外引进高效率辊压机和新的高效选粉机,因此新出现的喂料设备——喂料转子秤的研发也就势在必行[7]。

世界范围内的水泥生产企业和相关公司都在积极研发与新型干法水泥生产线配套的转子秤计量与控制系统。

目前国内水泥厂使用的煤粉计量与控制设备中，都由国外供货，由于外国厂商对自己的独有设备具有严格的保密，我们无法获取相关设备信息，就造成了国内垄断的局面，设备价格高昂、维修困难、通用性差等等，给我过的水泥生产带来许多不必要的麻烦，对水泥产业的发展也带来了很大的制约，而国内的水泥生产过程中的窑头喂煤设备计量不准确，系统不稳定，可靠性差等等都需要大步的提升[8]。

因此，展开对水泥厂窑头喂煤控制系统的煤粉称量的国产化研发具有极大的研究意义。

随着第一台转子秤系统成功运用于水泥磨,我们看到采用全新的水泥厂要窑头喂煤称重系统运行稳定、结构小巧，操作方便，能适用于水泥厂复杂的环境，对水泥产量和质量也有了质的提升，我们确信国产新型转子秤系统必将取代传统的水泥厂煤粉称重计量方式[9]。

1.3设计方案

本设计中，转子秤煤粉计量控制系统主要包括粉煤仓、称重传感器、煤粉喂料机、转子秤和电气控制器件等。

煤粉由螺旋喂料机从粉煤仓中均匀稳定地喂入转子称，转子称内的转子盘带着煤粉转动，转子盘上煤粉的重量通过转子秤内称重传感器精准测出，然后经过放大、A/D转换输送到PLC的模拟量输入端口，进入数据处理中心进行数据处理，同时转子秤的转速也由变频器的实时数据值传输到PLC的高速脉冲测量单元经过一定的数据处理。

PLC通过高速脉冲测量单元和A/D转换单元将速度和重量转化为数字量，经过运算处理后得出煤粉瞬时流量，并与用户已设定的台式流量所需要的给定量进行比较，再经PID运算得出电机调节数据，调整转速数据值经D/A转换单元转换成标准电流信号经过变频器去控制喂料机电机和转子称电机的转速，最终达到煤粉瞬时流量与由台时流量所设定的给定流量的误差小于控制精度的最佳控制效果[10]。

1.4论文的主要工作及章节安排

水泥厂窑头喂煤控制系统中最重要的就是转子秤的设计与控制，本设计对于控制系统中的各个单元模块的选型和电路的总体设计以及软件的编写都做出详细的设计分析，具体如下所示：

1、对系统总体进行分析，确定总体设计方案。

2、根据总体设计方案，选出具体的硬件设备。

如转子秤、PLC、传感器、开关电源、罗茨风机、触摸屏、变频器等等。

3、画出相应的电气接线图，硬件原理图等。

4、对各个单元模块进行软件设计，绘制流程图，编写程序。

5、用MCGS组态软件对水泥厂窑头喂煤控制系统进行组态设计、仿真。

第2章控制原理与总体设计

2.1控制流程与工作原理分析

窑头喂煤控制系统是由煤粉仓、喂料机、转子秤、除尘器、罗茨风机及相应的PLC控制系统组成。

煤粉进入煤粉仓后，由一个锥形漏斗及螺旋喂料机喂入转子秤，通过转子秤来计量喂煤量的大小并进行适当的调节，转子秤转过一定角度由罗茨风机通过出风口将煤粉吹入窑头通道，在此过程中为避免发生扬尘还有锁风喂料机的加入，最后送至窑头。

窑头喂煤控制系统控制流程如图2-1。

图2-1窑头喂煤控制系统控制流程图

窑头喂煤控制系统中粉煤仓中的煤粉由螺旋喂料机喂入转子称，进入转子称，煤粉经过荷重传感器的称重后，由转子盘带至进入罗茨风机气力输送区。

转子秤中的荷重传感器能准确的测出转子盘中煤粉的重量，并将相应的重量信号输送给PLC，该重量信号又与转子秤电机的转速信号经控制系统处理后得到煤粉的瞬时流量，再经过PLC中自带的PID快速运算处理，最后再通过变频器调节喂料机电机的转速，进而调整整个系统的喂煤量，实现煤粉的定量给料。

系统可以准确测出喂煤系统的瞬时流量、电机转速，计算得出累计流量、台时流量等。

　　三菱PLC控制该系统完成荷重信号的检测，变频器信号的处理，PID运算等等一系列的调节控制处理过程。

2.2控制要求与控制目标

2.2.1控制要求

本系统设计以三菱系列FX2N的PLC为控制核心，用以实现圆盘喂料机的自动控制与相应参数的PID调节，通过转子秤上的荷重传感器检测出流经煤粉的重量，输出重量信号，通过变频器可直接得出转子秤转速信号，也通过变频器实现对转子秤电机转速的控制，通过控制屏显示瞬时流量、给定流量、累积量、荷重、转速等过程参数，并能通过显示屏设定和改变过程参数获得所需要的台时产量，且本系统要求系统的控制精度为5‰。

水泥厂窑头喂煤控制系统中转子秤部分的煤粉称量控制系统结构设计紧凑，密封优良，能有效的防止煤粉外漏，喂煤稳定。

系统能有效抑制外界干扰，并且系统的鲁棒性能有所增加。

2.2.2控制目标

若要实现本系统的稳定运行，需具备以下条件：

　　1.摇头喂煤控制系统需要运行时稳定、称重计量时可靠，装置密封性良好，受控性良好。

　　2.煤粉称重计量装置具有高的灵敏度和稳定性，受外界扰动小，能长期稳定维持在一定的控制精度内。

　　3.煤粉称量范围要宽，喂料机在大幅度改变喂煤量时，系统的计量精度仍能保持不变，本系统的控制精度为5‰。

　　4.系统自动化程度要高，在水泥厂各种复杂的环境下仍能继续保持稳定运行，即适用性要强，。

国内水泥厂内的窑头喂煤装置为了保证系统的稳定都采用德国菲斯特公司生产的煤粉转子秤，由于该公司设备对使用环境和维护方式要求很高，因此在煤粉输送过程中要严格把控煤粉的质量（纯度）和水分、粉煤仓的材质，要求密封、恒温，同时秤体消风、罗茨风机用风、助流系统的使用也需要严格注意。

2.3设备选型

2.3.1转子秤

国内大型熟料生产线为了保证喂煤系统的稳定一般都采用德国菲斯特公司生产的DRW系列转子秤煤粉转子秤，本设计也欲采用DRW系列转子秤。

DRW系列转子秤是德国奥格斯堡的菲斯特公司于1984年设计并获得专利，于1985年用于水泥生产线，1995年引进中国。

目前，中国水泥行业约有1500套该转子秤运行在不同的生产线上。

DRW系列转子秤以先进的前馈控制技术，强劲的功能深得用户的信赖。

DRW系列转子秤占地面积小，称重计量准确，自动调整系统喂煤量。

但价格较昂贵，安装不便，维护困难。

DRW系列转子秤中的DRW4.12型转子称适用于水泥煅烧过程中煤粉的连续称量。

煤粉从粉煤仓的输出、称重和直接传送到气力输送管道的所有过程都在一个结构简单的封闭式机构内完成，此型号转子秤的计量精度为±0.05％。

2.3.2PLC选型

在窑头喂煤控制系统中的PLC系统设计时，在详细分析系统的控制目标，控制要求，输入输出I/O点数、需要PLC达到的功能特性以及外接设备的特定特性要求等等之后，我们最终选择有较高性价比、高性能的三菱FX2N系列PLC。

三菱PLC是当今应用最广泛的PLC之一，其梯形图编程简单，修改方便。

FX2N系列是三菱PLC家族中最先进的系列，具有高速处理分析数据，可互联扩展等特点，能为工厂生产自动化和控制自动化提供最理想的控制核心。

三菱FX2N系列的PLC性能强劲，外形小巧，高速度处理，其所有方面都是FX系列中最高档次的超小型、可满足多样化广泛需要的PLC程序装置。

综合PLC选型的规则及本系统I/O口的需求，三菱FX2N-32MR-001基本单元带有16点继电器I/O端口，分析后可得出其能够满足系统的控制要求，因此可选其作为本系统的基本控制核心。

2.3.3荷重传感器

荷重传感器主要是通过检测被测体使载体发生形变的形变度来获得被测体重量的传感器，荷重传感器能将载体因所受的压力而改变的形变程度转变成相应的电信号来进行相应的数据传输，从而达到测量荷重的目的。

荷重传感器是喂煤控制系统能够持续定量喂煤的重要元器件之一，其量程选择的正确与否将直接影响到系统的计量精度和喂煤精度，我们应尽可能使从转子秤流过的煤粉瞬时荷重维持在荷重传感器20%~80%的受力范围内。

根据控制系统的要求，决定选用西门子公司的压力荷重传感器SIWAREXWL270CP-SSB，本荷重传感器设计紧凑，适用于安装在容器计量秤中，额定负载有10t、20t、30t和50t。

荷重传感器的形变片的形变范围为0.23~2.67mm，误差±0.02%。

2.3.4速度传感器

速度传感器指的是能够感受被测速度并转换成可用于输出或检测的信号的传感器。

由于本系统中转子秤电机和喂料电机是由变频器控制的，可直接由变频器的相关数据得到相应的电机转速信号，而罗茨风机转速对系统喂煤精度没有影响，只要其能将煤粉从转子盘卸出后在气力输送管道吹至窑头就可，无需对其转速进行控制。

2.3.5变频器

系统对喂料机电机和转子秤电机转速的控制精度要求较高，因此我们引入变频器对两者电机的转速进行精密控制。

本设计的窑头喂煤控制系统需要配备2台变频器，一台拖动和控制转子秤电机运转，另一台拖动和控制喂料机电机运转。

根据系统喂料的台时流量以及变频器的高性价比需求，最终确定2台变频器都选用三菱变频器FR-740系列中的FR-A740-7.5K-CHT。

此变频器输入3相380V、50Hz的交流电压。

在闭环时可进行高精度的转矩/速度/位置控制 ，因此在控制精度方面能够满足系统要求。

2.3.6罗茨风机

罗茨风机输送的风量大小一般是由风机电机转速的大小来决定的，罗茨风机的选型要根据煤粉流量、压头、叶片以及电机的转速来决定我们的需要，另外还要满足系统需要罗茨风机在安装、噪音大小等方面的要求。

根据本系统中的各项参数及数据选择MD系列HSR200高压罗茨风机，该风机气密性好、风机送风效率高，节能高效，噪音低、振动小，体积小，控制精度较高，使用较一般风机方便。

风机口径为80—500A，风机风量为5—350m³/min。

2.3.7开关电源

三菱PLC自带电源，可用来给传感器或者扩展模块供电。

若是PLC外接按钮或行程开关，则可以直接使用自带电源；若是外接接近开关或光电开关，可以选择使用PLC内部提供的24V电源，也可以使用外部另接24V电源对其进行供电。

在此我们考虑到外部单元较多，内部电源不能满足要求，因此需要选用开关电源作为外部电源供电。

因为PLC自带电源电压为直流24V，总电流也不大，所以拥有24V/5A的一般电源既能满足要求。

2.3.8模拟量扩展模块

由于我们选用的FX2N-32MR-001型PLC不能直接读取荷重传感器和速度传感器的标准电信号，因此只有通过模拟量扩展模块将标准的电信号转化为数字信号才能由CPU处理。

在此我们就需要在输入和输出端加入A/D及D/A模拟量扩展模块。

A/D转换器的控制精度是由其二进制位数决定的，二进制位数越多，一个单位内所占比例越小，控制精度越高。

由于本系统要求系统控制精度达到5‰，那么本系统选用的A/D或D/A转换器精度就要达到1‰，12位的控制精度

；而8位的控制精度则为

，不能满足要求。

因此我们选用12位的A/D转换单元或D/A转换单元。

FX2N常用的模拟量输入单元有FX2N-2AD、FX2N-4AD、FX2N-8AD。

我们选择FX2N-2AD输入单元，FX—2AD为2通道12位A/D转换单元，它可以根据外部连接方法及PLC指令选择电压输入或电流输入，是一种具有高精确度的输入单元。

FX2N常用的模拟量输出单元有FX2N-2DA、FX2N-4DA、FX2N-8DA。

我们选择FX—4DA输出单元，FX—4DA为4通道12位D/A转换单元，它可以通过简易的调整及PLC的指令改变模拟量的输出范围，是一种具有高精确度的输出单元。

2.3.9人机界面

人机界面是用户和系统间进行交互的媒介，它可以实现系统内部信息处理的形式与人类可接受的形式之间的转换。

由于水泥厂的工作环境复杂以及使用方便和高性价比的要求，系统欲采用日本三菱GT1050-QBBD-C触摸屏，显示屏为5.7英寸蓝白16灰度，DC电源。

GT10系列人机界面优点有很多，如HMI结构简洁，但内部处理功能强大，标准配方功能实用性很强，方便加工存储数据。

支持多台互连，人机界面内置标准的USB，RS-232，RS-422接口。

2.4总体设计方案

根据以上设计要求、控制目标及控制系统的精度要求等，设计出了本窑头喂煤控制系统：

煤粉的台时流量大小是由转子秤电机的转速和测重装置的荷重传感器的共同决定的，其转子盘流经的煤粉荷重通过荷重传感器直接测得，而转子秤电机的转速由变频器的相关运行数据得出。

系统将实际测得的转子秤电机的转速和转子盘上的煤粉的荷重的乘积值与设计台时流量转换后的预先设定值相比较，由变频器调制喂料电机转速，使喂料机的喂煤量保持在一个恒定范围内，进而达到摇头喂煤控制系统精确喂煤的目的。

当转子秤中的转子盘将煤粉从喂料机输送到罗茨风机的气力输送区时，煤粉立即被吹送至窑头。

现代高科技技术含量的三菱PLC测控控制系统在被用于窑头喂煤控制系统时，负责完成各种实时任务，实现整个窑头喂煤控制系统的连续称量和定量喂煤，实现水泥厂窑头喂煤控制系统的连续化、均匀化，并实现5‰的喂煤精度。

喂煤系统控制原理图如图2-2所示。

图2-2喂煤系统控制原理图

第3章系统硬件设计

3.1系统电路分析设计

在基于三菱PLC的水泥厂窑头喂煤控制系统设计中，我们通过DCS系统来控制整个控制系统的运行，包括喂料机电机、转子秤电机、罗茨风机电机三台电机的启动和停止。

系统运行过程中运用三菱PLC完成各种实时任务，实现整个系统的连续称量和定量喂煤。

同时在电机运转过程中实现PID调节，也可以实现系统连续、均匀的喂煤。

3.1.1喂料机电机控制

在本控制系统设计中，煤粉第一个进入的装置就是喂料机，因此对喂料机电机转速的控制在整个控制过程中不可小觑，因此喂料机电机的运转显得尤为重要。

喂料机电机控制原理图如图3-1所示。

图3-1喂料机电机控制原理图

过程分析如下：

总开关QF1闭合，系统开始准备工作，变频器开始运行，选择