毕业设计之水泥回转窑电气控制系统设计.docx

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毕业设计之水泥回转窑电气控制系统设计

（括号里填学校名称）本科毕业论文

￠3.5/3×60m水泥回转窑电气控制系统设计

学生姓名：

***

学生学号：

0000000

院（系）：

******学院

年级专业：

****级****

指导教师：

****

助理指导教师：

二〇一一年六月

摘要

在建材、冶金、化工、矿物加工和环保等许多行业中，广泛地使用回转圆筒型设备对散装或浆状物料进行物理或化学处理，这种回转圆筒设备被称为回转窑。

水泥生产是由原料预处理（均化、破碎、烘干等）、生料制备（配料、粉磨、均化）、熟料锻烧（分解预热、锻烧、煤磨）、水泥制成（水泥配料、粉磨、包装）四大部分组成，其中水泥熟料的煅烧是水泥生产中最重要的过程，所用的设备水泥回转窑，常被称为水泥厂的心脏。

水泥回转窑由机械、电气、液压等部分组成。

通过研究设计主要用PLC为核心控制水泥回转窑系统，主要包括有:

①回转窑辅助电机的正常运转控制。

②主电机的变频调速控制。

③燃烧器移动小车的正反转运行控制。

④主减速机润滑站的控制应按TE525润滑站的压力、温度、液位等控制。

⑤挡轮液压站TE326的控制。

结论控制方案包括:

①主电机为变频调速电机，故采用变频器控制其调速运行。

②辅助电机、燃烧小车的控制比较简单，直接用继电接触器控制其运行。

③挡轮液压站、主减速机润滑站因控制内容多，工艺复杂，两者均采用由PLC控制的方式，利用PLC的硬件电路与软件结合，实现挡轮液压站、主减速机润滑站的正常运转与故障报警等控制功能。

关键词水泥，回转窑，PLC，控制系统

ABSTRACT

Inbuildingmaterials,metallurgy,chemical,mineralprocessing,environmentalpr-otection,andmanyotherindustries,peoplewidespreaduseofrotatingcylindricaldeviceonthebulkorslurrymaterialtodophysicalorchemicaltreatment,which-hisknownasrotarykilnthatwithrotatingcylinderdevice.

Cementproductioniscomposedbytherawmaterialpretreatment（homog-e-nizing,crushing,drying,etc.）,rawmaterialpreparationingredients,grinding,homogeniz-ation）,clinkercalcination（decompositionandpreheating,calcination,coalmill）,ceme-ntproducts（Cementbatching,grinding,packaging）.Andcalciningcementclinkerwhichisthemostimportantcementproductionprocess,soitsequipment–cementrotarykiln,oftenreferredtoastheheartofcement.Cementkilnconsistofmec-hanical,electrical,hydraulicandothercomponents.BystudyingandthedesignofcementrotarykilnsystemwewillusePLCasthemaincoreofthecontrol.Tha-tincluding:

Firstly,rotarycontrolofthenormaloperationofauxiliarymotors.S-condly,themainmotorofthevariablefrequencycontrol.Thirdly,movethecarreversingtheburneroperationcontrol.ThefourthisthemainreducerlubricationstationcontrolstationsshallTE525lubricationpressure,temperature,liquidlevelcontrol.ThefifthisgearwheelhydraulicTE326control.

Conclusionscontrolprograminclude:

Firstofall,mainmotorforfrequencyconversionmotor,whichinvertercontrolitsspeedoperation.Secondly,auxiliarym-otors,combustioncar’scontrolisrelativelysimple,whichdirectcontactswiththerelaycontrolitsoperation.Lastbutnotleast,becauseofgearwheelhydraulics-tation,themaingearboxlubricationstation’scontrolcontentsandmorecomplexprocess,bothadoptedbythePLCcontrolmethod,theuseofPLCcombinationofhardwareandsoftwaretoachievegearwheelhydraulicstation,themaingearboxlubricationStopthenormaloperationandfaultalarmcontrolfunctions.

KeywordsCement,Kiln,PLC,ControlSystem

1绪论

1.1水泥生产工艺

水泥生产是由原料预处理（均化、破碎、烘干等）、生料制备（配料、粉磨、均化）、熟料锻烧（分解预热、锻烧、煤磨）、水泥制成（水泥配料、粉磨、包装）四大部分组成，其中水泥熟料的煅烧是水泥生产中最重要的过程，所用的设备——水泥回转窑，常被称为水泥厂的心脏。

一般采用的主要原料是石灰石、粘土和铁粉，将这些原料按一定的比例配合在一起，经粉磨、均化后，用回转窑锻烧制成熟料。

熟料经再次配料后，先由辊压机将进料压成实饼（小型的水泥厂一般不另设辊压机），再送入水泥磨，磨成粉状的水泥。

经包装机打包后，制成水泥成品。

水泥生产工艺流程图见图1.1。

图1.1水泥生产工艺流程图

回转窑的造型是一个倾斜的圆筒（本系统中回转窑筒体长60m，大圆筒直径为3.5m，小圆筒直径3m），生料由圆筒的高端加入，由于圆筒具有一定的倾斜度并在不断地回转，因此物料由高端向低端逐渐运动，在这个过程中煤粉在窑内燃烧，对其物料加热锻烧，从而制成水泥熟料。

水泥回转窑机械设备造型见图1.2。

图1.2水泥回转窑机械设备

1.1.1水泥熟料的煅烧

熟料煅烧：

将生料制备过程中制得的生料送入煅烧窑，经高温煅烧，发生一系列物理的、化学的和物理化学变化后形成熟料的工艺过程。

熟料煅烧物料可分为：

水分蒸发→生料预热→生料分解→熟料煅烧→熟料冷却五个功能单元。

相应分为干燥带、预热带、分解带和放热带，烧成带和冷却带。

回转窑一方面是燃烧设备，煤粉在其中燃烧产生热量；同时也是传热设备，原料吸收气体的热量进行煅烧。

另外有时输送设备，将原料从进料端输送到出料端。

而燃料燃烧、传热及原料运动三者间必须合理配合，才能使燃料燃烧所产生的热量能在原料通过回转窑的时间内及时传给原料，已到达高产、优质、低消耗的目的。

水泥回转窑内的煤粉燃烧特点：

具有一定动量的空气（一次风）携带一定量的煤粉喷入水泥回转窑内实现着火燃烧。

煤粉喷入水泥回转窑内后，再与大量来自于水泥熟料冷却机的预热空气（二次风）相接触，在二次风的助燃下，煤粉实现完全燃烧，从而形成了一个具有一定长度、刚度和形状的稳定火焰。

1.1.2回转窑的发展

回转窑的应用起源于水泥生产，1824年英国水泥工J阿斯普发明了间歇操作的土立窑；1883年德国狄茨世发明了连续操作的多层立窑；1885英国人兰萨姆（ERansome）发明了回转窑，在英、美取得专利后将它投入生产，很快获得可观的经济效益。

回转窑的发明，使得水泥工业迅速发展，同时也促进了人们对回转窑应用的研究，很快回转窑被广泛应用到许多工业领域，并在这些生产中越来越重要，成为相应企业生产的核心设备。

①它的技术性能和运转情况，在很大程度上决定着企业产品的质量、产量和成本。

“只要大窑转，就有千千万”这句民谣就是对生产中回转窑重要程度的生动描述。

在回转窑的应用领域，水泥工业中的数量最多。

②水泥的整个生产工艺概括为“两磨一烧”，其中“一烧”就是把经过粉磨配制好的生料，在回转窑的高温作用下烧成为熟料的工艺过程。

因此，回转窑是水泥生产中的主机，即水泥工厂的“心脏”。

1.1.3回转窑的性能和特征

回转窑作为水泥煅烧的关键装备，它的功能特征如下：

①作为燃料燃烧装置。

它具有广阔的空间和热力场，可以供应足够的空气，装设优良的燃烧装置，保证燃料充分燃烧，为水泥煅烧提供必要的热量。

②作为热交换装备，它具有比较均匀的温度场，可以满足水泥熟料生产过程各个阶段的换热要求。

③作为化学反应器，随着水泥熟料矿物形成不同阶段的不同需要，它既可分阶段地满足不同矿物形成对热量、温度的要求，又可以满足它们对时间的要求。

④作为输送设备，它具有更大的潜力。

1.2水泥回转窑硬件系统技术参数

水泥回转窑由机械、电气、液压等部分组成。

机械部分由筒体、支承装置、挡轮、传动装置、减速器、活动窑头、窑头窑尾密封装置、喷煤管装置等部分组成。

与电气传动有关的技术的参数如下：

①主电机：

型号为YPG315L-6的高转矩变频调速电机，功率110kW，额定转速100r/min。

②辅助电机：

型号为Y180L-6，功率15kW，转速9000r/min，制动开关型号为YWE3-315/25-12.5，限位器型号为LX2-121。

③主减速机润滑站：

型号为TE525，它是为主减速机提供润滑的保护设备。

稀油润滑站是稀油循环润滑系统的心脏，用来将润滑油液强制地压送到机械的摩擦部位，在相对运动的机器零件间形成油膜，减少零件的摩擦、磨损，同时对摩擦部位进行冲洗，并带走摩擦产生的热量，保证机械正常运转，延长机械寿命。

稀油润滑站由油站和仪表盘组成，通常安装在保护设备附近的地下油库或地坑中。

④挡轮液压站：

型号为TE326，液压站的功能是利用液压的作用驱动回转窑筒体上下运行，并保证挡轮液压站具有正常的压力、温度和液位。

⑤燃烧器移动小车：

电机型号BWY12-43-1.1，功率为1.1kW，转速为1400r/min。

2总体方案设计

2.1设计任务要求

①回转窑辅助电机的正常运转控制。

辅助电机的作用是在检修时低速驱动筒体旋转，工艺要求主电机与辅助电机之间必须互锁，即主电机运行时，辅助电机禁止运行；辅助电机运行时，主电机禁止转动。

主电机、辅助电机运行的切换还应由限位器的相应位置决定。

辅助电机应配有备用电源，以备停电时在瞬间自动切换，由备用电源供电。

②主电机的变频调速控制。

主电机的作用是驱动筒体按一定的转速旋转，与水泥生料下料量、风量和给煤量协调运行。

高转矩变频调速电机采用变频器调速，变频范围为0～100Hz。

③燃烧器移动小车的正反转运行控制。

燃烧器移动小车是辅助移动燃烧的设备，煤粉在其内部燃烧，对水泥生料加热锻烧。

④主减速机润滑站的控制应按TE525润滑站的压力、温度、液位等控制要求实现。

TE525系列润滑装置均设有两台油泵电机机组，其中一台供正常使用，另一台供应急时备用。

控制的具体要求如下：

1）油压控制：

在润滑装置出油口处设有油压控制点，有3个压力控制器参与压力设置点的控制，当出油口油压下降到0.1MPa时，一个压力控制器发出声光报警信号，同时启动备用油泵投入工作。

当备用油泵投入工作后，油压恢复到0.3MPa时，另一个压力控制器发出正常工作信号，切断备用泵。

第三个压力控制器用于控制系统最高压力设定，当油压达到0.5MPa时，发出声光报警信号。

2）油温控制：

用两个电接点温度计测量油箱内油液温度的变化情况以及对电加热器和电磁水阀实施控制。

当油箱内油液温度低于15℃时，电加热器自动投入工作状态，当达到25℃时，电加热器自动切断。

另一个电接点温度计用于电磁水阀的控制，当温度达到45℃时，电磁水阀打开，投入冷却水用于降温；当油温达到35℃时，关闭电磁水阀，冷却水自动停止供应。

温度控制器用于出油口处最高油温值的控制，当油温达到55℃时，发出声光报警信号。

3）液位控制：

在油箱内设有浮球式液位计一个，用于显示油箱内油液位置上下极限和信号控制。

当液位超上限或低于下限时，应发出油箱内缺油的声光报警信号。

4）双筒过滤器压差显示：

在双筒过滤器上设有压差信号开关，当通过双筒过滤器两端压差达到或超过0.5MPa时，发出滤芯堵塞声光报警信号。

TE525主减速机润滑站含有如下电气组件：

a.油泵电机：

Y112M-6-B8，2台，2.2kW，AC380V，50Hz。

b.电加热器：

SRY2-220/2，3件，AC220V，2kW。

c.液位控制器：

VQK-02，1件，AC220V：

200μA，DC24V：

0.5A。

d.电接点温度计：

WTZ-288，2件，AC24～38V，10μA。

e.温度控制器：

YWK-50-C，1件，AC380V：

3A，DC220V：

2.5A，阻性负载，温度设定范围50～60℃。

f.电磁水阀：

ZCS-25P，1件，AC220V，650mA。

g.压力控制器：

YWK-50-C，3件，AC380V：

3A；DC220V：

25A，阻性负载，压力设定范围0～1MPa。

h.压差开关：

CS-Ⅱ，2件，AC220V：

0.25A；DC24V：

0.05A，△P=0.05MPa。

主减速机润滑站见图2.1。

图2.1主减速机润滑站

⑤挡轮液压站TE326的控制。

控制要求为：

1）回转窑在窑体上行时，其中一台油泵电机通电，油泵打出的液压油进入2挡油缸中，驱动窑体上行。

当碰到上限行程开关时，发出声光报警信号，使油泵电机断电，同时电磁球阀通电。

窑体靠自重把油缸中的油压回到油箱，窑体向下滑行。

碰到下限行程开关时，发出声光报警信号，使油泵电机通电，同时电磁球阀断电，窑体再次上行。

液压站这样循环工作，使得窑体实现按上行→下行→上行→下行的方式运动。

2）超压控制：

当液压系统的油压达到系统中的一个压力控制器的设定值时，发出声光报警信号。

3）油温控制：

用温度控制器监控油箱中的油温。

当油箱内油液温度低于12℃时，电加热器进入工作状态，当油温升到15℃时（利用该温度控制器的切换差），电加热器自动切断。

4）压差控制：

本液压站设有3个滤油器，当滤油器进出口两端压差达到或超过0.35MPa时，发出滤芯堵塞声光报警信号。

型号为TE326型的挡轮液压站，含有如下的电器组件：

a.油泵电动机：

YB100L1-4-V1，2件，2.2kW，AC380V，50Hz。

b.电磁球阀：

23QDF6B/31.5E24，1件，DC24V。

c.电加热器：

SRY2-220/1，1件，1kW，AC220V。

d.压力控制器：

D505/18D，1件，压力设定范围2.5～25MPa，AC220V：

3A。

e.温度控制器：

WTZK-50-C，1件，温度设定范围10～40℃，AC380V：

3A；DC220V：

2.5A（阻性负载）。

f.压差开关：

CS-V，3件，DC24V：

2A，AC220V：

0.25A，△P=0.35MPa。

挡轮液压站见图2.2。

图2.2挡轮液压站

2.2电气控制方案

根据生产工艺和电气控制目标，可以看出水泥回转窑传动系统属典型的小型开关量输入/输出控制系统，控制要求和连锁要求较多，且与回转窑其它控制系统之间关联密切，在调试中需不断对其改进和扩充。

若采用继电接触器控制，则只能接成固定线路，灵活性太差，也不能满足水泥窑车间煅烧关键设备的核心作用，故采用PLC为核心的电气控制方案。

电气总图如图2.1所示。

图2.1电气总图

如图中所示，水泥窑主要分为三段控制：

进料端、电机端、燃烧小车端。

这三个端子在水泥窑上由挡轮液压站；电机包括主电机、主减速电机和辅助电机组成；燃烧小车接触器。

具体方案如下：

①主电机为变频调速电机，故采用变频器控制其调速运行。

②辅助电机、燃烧小车的控制比较简单，直接用继电接触器控制其运行。

③挡轮液压站、主减速机润滑站因控制内容多，工艺复杂，两者均采用由PLC控制的方式，利用PLC的硬件电路与软件结合，实现挡轮液压站、主减速机润滑站的正常运转与故障报警等控制功能。

本套电控系统共设电控柜2个，电控箱3个。

分别为＋AL0（主电机变频调速控制柜）、＋AL1（PLC、液压站及润滑站控制柜），＋AX1（辅助电机控制箱）、＋AX2（燃烧小车控制箱）、＋AX3（主减速机润滑站现场控制箱）。

控制箱框图及其相关参数如图2.2所示：

图2.2回转窑控制箱框图

3水泥窑控制方式

3.1操作方式

3.1.1DCS介绍

DCS是分布式控制系统的英文缩写（DistributedControlSystem），在国内自控行业又称之为集散控制系统。

即所谓的分布式控制系统，或在有些资料中称之为集散系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。

它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机，通信、显示和控制等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。

①DCS的特点

DCS是计算机技术、控制技术和网络技术高度结合的产物。

DCS通常采用若干个控制器（过程站）对一个生产过程中的众多控制点进行控制，各控制器间通过网络连接并可进行数据交换。

操作采用计算机操作站，通过网络与控制器连接，收集生产数据，传达操作指令。

因此，DCS的主要特点归结为一句话就是：

分散控制集中管理。

②DCS的结构

从结构上划分，DCS包括过程级、操作级和管理级。

过程级主要由过程控制站、I/O单元和现场仪表组成，是系统控制功能的主要实施部分。

操作级包括：

操作员站和工程师站，完成系统的操作和组态。

管理级主要是指工厂管理系统（MIS系统），作为DCS更高层次的应用，目前国内纸行业应用到这一层的系统较少。

③DCS的控制程序

DCS的控制决策是由过程控制站完成的，所以控制程序是由过程控制站执行的。

④过程控制站的组成

DCS的过程控制站是一个完整的计算机系统，主要由电源、CPU（中央处理器）、网络接口和I/O组成。

3.1.2操作方式设计

①集中/现场操作。

大型水泥厂的控制系统现在均采用的是计算机集散型控制系统（DCS），总厂控制室内是DCS系统的操作站（大多数由工业控制计算机、计算机网络系统组成），而分厂或车间的控制属二级控制系统，现场设备属三级控制系统。

这三级控制系统之间可互相传递参数，其中总厂的DCS可直接发送命令启动现场设备，而现场设备的重要参数又可传递到总控室，并在计算机屏幕上显示其实时的状态信息。

所以该系统设计了集中和现场两种操作方式，集中操作适用于水泥窑接收来自于总控制室的启动/停止信号（以无源接点的方式），控制水泥窑、挡轮液压站、主减速机润滑站的启停；现场操作方式用于车间控制室内的操作。

现场控制站的主要任务是进行数据采集及处理；根据控制程序来实施实时的过程量的控制；进行设备监视和系统的测试与诊断。

现场控制站主要含以下内容：

原料制备和石灰石预均化；生料粉磨；生料配料；废气处理；窑尾分解；筒体温度扫描；烧成窑头控制；窑头看火；煤磨控制；熟料配料；水泥粉磨和输送等等。

根据具体情况由它们组成若干个现场控制站。

②本柜/机旁操作。

本柜操作适用于在车间控制柜的面板上进行操作，机旁操作适用于检修时用现场操作箱的控制装置进行操作。

水泥窑三级操作方式示意图见图3.1。

图3.1水泥窑三级操作方式示意图

机旁操作站全厂设若干套操作员站，它是对全生产线工况进行监视、控制及操作的人机接口，主要完成数据、图形及状态的显示，历史数据的存档，故障记录，故障状态显示，报表打印以及工艺设备选择，电机成组或单机的启动、停车、急停、复位和数据给定等控制操作。

各个操作站可以互为备用。

3.2与外界的连锁信号

水泥窑与其它设备及全厂总控制室之间有相当多的连锁控制，这些连锁都是从各自电控柜中的端子板上引入或引出的。

水泥窑向外界提供的连锁信号有：

①主电机运行、跳闸信号。

②辅助电机运行信号。

③主减速机润滑站正常信号。

④挡轮液压站、主减速润滑站备妥信号、故障信号。

来自于外界的连锁信号有：

1）来自于总控制室的挡轮液压站、主减速机润滑站启动/停止信号。

2）来自主电机控制柜的主机运行信号（因这部分图纸省略，暂将其作为外部信号）。

3.3配电系统

由三相四线制取一相和地所得控制电压为交流220V，AC220V经变压器、一体化电源等装置后获得控制系统所需各种等级的电压。

因为挡轮液压站的电磁球阀工作电压为DC24V，挡轮液压站与减速机润滑站的压差开关工作电压均为AC24V，PLC输入模块电压为AC100V，PLC输出模块需DC24V的电压，所以要求配电系统输出以上几种等级的电压，以满足不同的需要。

AC220V经变压器TC1获得AC110V的供电电源（注：

因无二次侧为AC100V的变压器，故选用二次侧AC110V，也可满足PLC输入模块AC100V电压的要求），AC220V经变压器TC2后变为AC24V。

AC220V经一体化电源Q获得DC24V，可供PLC输出模块Z-16TD2（接DC24V指示灯）使用。

PLC另一输出模块Z-8TR1要求电压为AC200V，可直接用AC220V替代。

在配电回路中均加低压断路器QF1、QF2、QF6进行保护。

该水泥窑的电气设计按设计内容可分为如下几部分：

①主回路设计、控制回路设计。

②PLC硬件配置。

③梯形图软件设计。

在下面的章节中将作详细的介绍。

图3.2水泥窑配电原理图

4硬件电路设计

4.1辅助电机的控制

辅助电机主要是为防止突然断电，窑体在高温、重载（窑内有较多的余料）的情况下发生变形，目前回转窑中都设有余热发电及重油发电设备，停电后自发的电还可以利供窑系统工作用，停电对窑内生产的影响小一些。

在砌砖或检修时要用辅助电机进行带动。

开窑时也要用辅助马达来帮助起动，这样可以减少开窑起动时的能耗。

辅助马达与主减速机之间还设有一个辅助减速机。

回转窑系统一般布置了一到两台汽油电机的寸步电机。

辅助电机可通过两条途径启动运行：

①当转换开关3SA处于现场操作位置时，通过辅助电机现场操作箱上的起停