基于回转窑的PLC控制系统设计
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摘 要：本文主要介绍了西门子S7-300系列PLC在回转窑控制系统中的应用。通过人机界面和PLC实现电气设备的启停、仪表参数监控等，并通过PROFIBUS总线将其他厂商的电子信号连接到系统中。被控参数的闭环调节、控制系统报警和生产过程报警以及数据归档等功能，使整个回转窑能够实现生产的自动化，减少工人的劳动强度，大幅提高了生产率，同时合理地节省了能源。
关键词：可编程控制器（PLC） 回转窑 过程监控 Wincc组态软件
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）02（b）-0063-02
回转窑的结构分为窑头、窑体、窑尾3个部分。
窑头部分：回转窑的窑尾是进料端，窑头是出料部分，通过加热后的原料由窑头送出。窑头应用鱼鳞状不锈钢结构密封窑体，窑头的切面直径会比回转窑窑体的直径大一些，因为其内部需要设定检修口，同时还有喷煤嘴和搬运小车等结构。只有空间大才能合理设定这些装置。窑体部分：窑体形状为圆筒形，通常长度有50～120m。窑体部分是整个回转窑机械结构的主体，由3、4个无底桶状的结构钢水浇铸而成。窑体部分因为要承担重量桶状结构的钢板壁很厚很坚固。窑的支撑拖轮属于窑体的一部分，拖轮和桶状结构一起跟地基相连，用于支撑整个窑的重量。回转窑窑体里面要铺上耐火砖，因为正常工作时温度最高会超过1200℃。
窑尾部分：窑尾部分分为缩口、进料舌头及烟室等。缩口主要功能为保证风和颗粒的混合配比，保证煤粉的燃烧效率。斜坡对于回转窑也很重要，用于上料后原料的下移。同时在进料端有一个形状类似盖子的结构叫做进料舌头，用来进料和密封作用。窑尾的密封至关重要，如果密封效果差会导致原料从密封处挤出，也会导致冷空气从窑尾进入整个窑体内，影响窑体温度，对原料的加热工艺有很大影响，导致不良品产生。
1 PLC控制系统 设计
上位机我们采用研华品牌的工业计算机，下位执行系统采用西门子S7-300系列PLC模块。PLC数字量和模拟量为离散式IO模块，采集系统的信号数据方便快捷。其主要控制部分分为3部分：主控制室、窑尾控制单元、窑头控制单元。
主控制室：設有上位机、打印机等，负责对整个回转窑工艺参数、电气参数和设备运行状态进行监控、管理、历史数据趋势存储以及报表打印;通过网络交换机将其它两个过程站环状连接，并且可能通过网络和公司内部管理网络之间的访问控制，上传到公司内部管理系统，实现与ERP数据同步。
窑尾控制单元：该单元应用S7-200系列PLC，通过西门子的通讯模块EM277通过PROFIBUS DP与主控制室通讯。为实现主站与从站的通讯，在主站用西门子的STEP7编程软件中组态，从站不用组态。主从站设定好数据接收和发送的字段，在程序里对此字段进行读取即可。本系统显示和控制4台托料称重量数据和4台减量称重量数据，相应的数据信息由称重模块通过数据线上传给PLC。其中包括数字量信号：皮带秤的启停，模拟量信号：料量给定与调节和计量、反馈等功能。完成工艺要求相应的启停，异常情况的紧急停车、故障报警等功能。
窑头控制单元：实施监控回转窑加热工艺参数，如温度、压力等，根据工艺要求，启动停止设备，可以实现手动、自动功能的转换。本控制单元应用的PLC硬件模块为：接口模块IM153、相应的I/O模块。驱动单元硬件主要为：变频器，测量单元硬件主要为：电子皮带秤。以上数据信息由离散式IO采集后通过Profibus-DP现场总线主控制站进行数据交互。
西门子各个模块站的PLC由PROFIBUS-DP现场总线的连接而成，各分布式I/O系统由口模块IM153作为从站再拓展连接。PLC分站放置在各自的控制室内，与相应部分的硬件距离很近，信号很容易采集到系统中。
2 监控系统
1台工程师站和3台操作员站组成了上位机监控系统，监控系统的计算机选用原装西门子工业控制计算机，上位机硬件设有网络通讯卡CP1613，该网卡以TCP IP的通讯协议可以实现PLC和上位机的数据交互。3套S7-300PLC系统的DP接口连接，实现了互相的数据交互。采用西门子公司WINCC6.0版本的组态软件实施监控。该监控软件平台带有实时、历史趋势曲线、打印报表等相关功能，通过设计可实现所需的操作画面、控制画面、监控画面。监控系统画面俗称人机界面，人机界面主要为系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，它实现信息的内部形式与用户可以接受形式之间的转换。所有参与人机信息交流的数据和画面存储在人机界面。其为用户提供了更形象直观的操作画面，大幅度地提高了工作效率。
2.1 工艺参数监控和控制
工艺流程是原料随窑体转动，由窑尾缓慢的向窑头运动。经过加热装置加热，烧结好的原料从窑头的下料管到达下部的冷却机。为保证窑体内部温度，用于加热的混合煤气量和空气量的配比保证回转窑煅烧温度的关键参数。这些信号会通过相应的模拟量模块接入PLC模块中。通过非线性的PID调节，最终控制供给的煤气量、空气量参数进行动态调整。本运行可靠，故障率低，深受用户好评。
2.2 无线测温装置
通常情况下，因为回转窑需要360°旋转，所以回转窑内温度数据测量都是通过可以旋转的滑环装置来传输的，滑环装置类似为一个球和一个球碗的结构，球可以在球碗内旋转，并保持通电接触，实现电信号传输。因为这个结构特点容易在高温状态下锈蚀等引起接触不良。我们得到窑内温度信号来确认烧结的效果，温度是工艺的核心参数。为解决此问题，采用无线测温装置，首先通过采集到热电偶的温度信号，窑体内的发射模块向连接在PLC模块上的接收模块发射信号。此无线测温模块为4-20MA的电信号，通过硬件连接到PLC的AI通道（设定为4-20MA的量程）。通过使用无线测温收发模块，让温度信号传递更稳定。但在应用此无线测温装置时需注意，回转窑的用户工况较差，大型设备很多，容易形成干扰。无线设备的有线连接部分要做好屏蔽抗干扰连接，屏蔽层连接到系统接地上。
2.3 窑头负压检测
回转的窑头工艺是负压生产工艺，窑内必须保证负压才能保证窑内颗粒和原料的正常工艺处理。如果窑内出现正压还可能造成对设备和人员伤害，导致全线停机。负压监控是必要一环，通过在窑内安装压力检测仪表来实现信号监控。将压力的模拟量信号（0-10V）接到PLC的模拟量模块中，实现数据的监控。
3 结语
本控制系统自应用并投产以来一直稳定运行，给企业带来了良好的经济效益。尤其在该系统中PLC控制系统充分发挥其配置灵活、编程方便和功能强大的优点，给整个系统的便捷性和稳定性带来较大的益处。
参考文献
[1] 田淑珍.电机与电气控制技术[M].北京：机械工业出版社，2010，3（1）：90-120.
[2] 王兆明.电气控制与PLC技术[M].北京：清华大学出版社，2010，4（1）：146-157.
[3] 常斗南.PLC运动控制实例及解析（西门子）[M].北京：机械工业出版社，2010，1（1）：100-120.
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