毕业设计(论文)-DCS在水泥生产中的应用.doc
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1、毕业设计(论文) 题 目:DCS 在水泥生产中的应用 学生姓名: xxx 学 号: 200905280127 班 级: xxxx 指导教师: xx 完成日期: 2011-10-7 信息处理与控制工程系信息处理与控制工程系 毕业设计任务书毕业设计任务书 设计(论文)题 目DCS 在水泥生产中的应用 选题时间 2011-9- 1 完成时 间 2011-10-7 论文(设 计)字数 共 18760 字 关键词水泥生产工艺,DCS,过程控制,PID 设计(论文)题目的来源、理论和实际意义:随着我国生产力的不断发展以 及我国在生产过程自动化方面科技水平的不断提高,目前我国新建的水泥厂都采 用了 DCS
2、控制系统,以前采用常规控制的水泥厂也基本进行了 DCS 控制系统的改 造。随着 DCS 控制系统的不断发展,性能逐步提高,价格逐年下降,DCS 控制系 统的应用范围将越来越广泛。由于 DCS 融人了最新的现场总线、嵌人式软件、先 进控制、报表技术、CRT 以及网络技术等,使得其能够整体解决小至一台大型设 备(锅炉)、大至一个现代化工厂整个生产过程的全方位控制,并为工厂全程信 息化管理提供基础平台。 设计(论文)的主要内容: 主要对 DCS 的特点、组成结构、水泥生产中的过程控制以及新型干法生产水 泥的工艺流程图。 学生签字:滕淑红学生签字:滕淑红 指导教师签字:指导教师签字: 系负责人签字:系
3、负责人签字: 年 月 日 兰州石化职业技术学院 摘 要 水泥作为发展国民经济的主要的原材料,我国在近 20 年的改革开放的 形势下,水泥工业不论从技术、产品总量、装备方面都得到巨大发展但是 我国水泥工业在工业结构、产品品种、技术装备水平方面与世界先进水平 尚有较大差距。为了使我国水泥工业更好的适应我国国民经济的发展和改 革开放参与国际市场竞争的需要,国家建材局提出了建材工业“由大变强, 靠新出强”跨世纪战略。同时新型干法技术提供了提高水泥设备的单机能 力和功能的可能性,而追求高效率、高性能、低成本,促进了水泥装备大 型化的进程。设备大型化是实现工艺技术的手段和途径。为达到此目的必 须提高设备制
4、造技术和与之相配套的原材料(耐热、耐磨、耐火材料)的 质量,提高必要的检测、保护装置的灵敏可靠性。 由于近年来计算机控制技术、通信技术和图形显示技术的飞速发展, DCS 这种分散控制,集中管理的集散型控制系统已经在世界水泥工业中得到 广泛的应用。采用这种系统可以实现电动机成组程序控制,过程量的采集、 处理、显示和调节。大大提高了劳动生产率,提高了工厂的管理和经营水 平。水泥工艺过程是处理固体和粉状物料的生产过程,风、煤、料产生的 热工过程变化复杂,不可控因素较多。从过程控制的角度来看,是一个滞 留时间长、时间常数大、外来干扰多、相互干扰关系复杂的过程。在水泥 制造过程的三大部分(原料制备、熟料
5、烧成和水泥制成)中,熟料烧成系 统是个互相干扰因素多、控制复杂、在质量和节能方面占有重要地位的关 键过程。以下就水泥生产线中的熟料生产部分介绍 DCS 系统在水泥行业中 的应用。 关键词:水泥生产工艺,DCS,过程控制,PID 兰州石化职业技术学院 目目 录录 摘摘 要要 1 1 第第 1 1 章章 引言引言 1 1 第第 2 2 章章 DCSDCS 控制系统简介控制系统简介2 2 21 概述2 22 DCS 系统简介2 第第 3 3 章章 水泥生产工艺水泥生产工艺 5 5 31 水泥概述5 3.3. 2 2 工艺流程简介工艺流程简介 6 3.2.1 破碎及预均化7 3.2.2 生料制备7 3
6、.2.3 生料均化7 3.2.4 预热分解7 3.2.5 水泥熟料的烧成8 3.2.6 水泥粉磨9 第第 4 4 章章 DCSDCS 控制系统控制系统 1111 4.1 集散控制系统的硬件结构11 4.2 集散控制系统的软件技术11 4.3 DCS 控制技术的发展 12 4.4 水泥厂控制系统的发展经历 12 4.5 主要部件工作原理 13 第第 5 5 章章 DCSDCS 控制技术在工艺中的应用控制技术在工艺中的应用 1414 5.1 控制项目14 5.1.1 转速控制 14 5.1.2 温度控制15 5.1.3 水泥生产线 DCS 自动回路优化控制17 5.1.4 窑尾喂料调节控制17 5
7、.1.5 分解炉喂煤量控制17 5.1.6 增湿塔出口废气温度控制18 5.1.7 窑头罩负压自动控制18 5.1.8 冷却机篦速自动调节18 5.1.9 冷却机冷风风量自动调节18 5.1.10 窑头喂煤自动控制 19 5.1.11 旋风预热器锥部自动吹堵控制 19 5.1.12 冷却机喷水控制 19 5.1.13 压力控制 19 5.1.14 料位控制 20 目录 第 2 页 共 40 页 5.2 生料粉磨中的过程控制23 5.2.1 磨机负荷控制23 5.2.2 磨机温度控制23 5.2.3 压力控制24 5.2.4 系统设备启动程序控制24 5.3 水泥厂常见设备的控制方法24 5.3
8、.1 普通电机的测点24 5.3.2 基本控制原理24 5.3.3 组操作25 5.3.4 解锁25 5.3.5 电机正反转25 5.3.6 高压电机控制26 5.3.7 变频电机控制26 5.3.8 直流调速电机的控制27 5.3.9 阀门的控制27 第第 6 6 章章 各工段控制方案各工段控制方案2828 6.1 生料粉磨28 6.2 煤粉制备28 6.3 烧成窑尾28 6.4 烧成窑头28 6.5 水泥粉磨29 第七章第七章 结论结论3030 致谢致谢 3131 参考资料参考资料 3232 兰州石化职业技术学院 第 1 页 共 40 页 第 1 章 引言 随着社会的快速发展,水泥建材需求
9、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。 水泥生产设备大型化是实现工艺技术的手段和途径。为达到此目的必 须提高设备制造技术和与之相配套的原材料(耐热、耐磨、耐火材料)的 质量,提高必要的检测、保护装置的灵敏可靠性。由于近年来计算机控制 技术、通信技术和图形显示技术的飞速发展,DCS 这种分散控制,集中管理 的集散型控制系统已经在世界水泥工业中得到广泛的应用。采用这种系统 可以实现电动机成组程序控制,过程量的采集、处理、显示和调节。大大 提高了劳动生产率,提高了工厂的管理和经营水平。水泥工艺过程是处理 固体和粉状物料的生产过程,风、煤、料产生的热工过程变化复杂,
10、不可 控因素较多。从过程控制的角度来看,是一个滞留时间长、时间常数大、 外来干扰多、相互干扰关系复杂的过程。在水泥制造过程的三大部分(原 料制备、熟料烧成和水泥制成)中,熟料烧成系统是个互相干扰因素多、 控制复杂、在质量和节能方面占有重要地位的关键过程。DCS 控制系统自 1975 年发展至今,从这三十年的发展史中我们可以看到,正是由于 4C 技 术的不断发展,才推动了 DCS 技术的不断更新换代。 集散控制系统自问世以来,发展异常迅速 ,几经更新换代,技术性能日臻 完善,并以其技术先进、性能可靠、构成灵活、操作简便和价格合理的特点, 赢得了广大用户,巳被广泛应用于石油、化工、电力、冶金和轻工
11、等工业领域。 第 2 章 DCS 控制系统简介 第 2 页 共 40 页 第 2 章 DCS 控制系统简介 21 概述 计算机集散控制系统,又称计算机分布式控制系统(Distributed Control System),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、
12、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。 22 DCS 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
13、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 兰州石化职业技术学院 第 3 页 共 40 页 号,
14、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
15、,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)
16、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。 第 2 章 DCS 控制系统简介 第 4 页 共 40 页 图 1、集散控制系统(DCS)示意图 兰州石化职业技术学院 第 5 页 共 40 页 第 3 章 水泥生产工艺 31 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(3CaOSiO2)、硅酸二钙(2CaOSiO2)、铝酸三钙 (3CaOAI2O3)、铁铝酸四钙(4CaOAI2O3Fe2O
17、3) 其中:CaO 6267%;SiO2 2024%;AI2O3 47%;Fe2O3 26%。 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 1.41.5 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482.51.01.04.0 二级品45483.01.01.04.0 (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
18、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 0.30.4 吨粘土质原料,在生料中约占 1117%。 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2.73.51.53.53.04.02.012 二级品2.02.7 或 3.54.0 不限3.04.02.012 一般情况下 SiO2 含量 6067%,AI2O3 含量 1418%。 (3)主要原料中的有害成分: 第 3 章 水泥生产工艺 第 6 页 共 40 页 MgO:影响水泥的安定性。水泥熟料中要求 MgO
19、5%,原料中要求 MgO3%。 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 R2O1.3%,原料中要求 R2O4%。 P2O5: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。 TiO2: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 0.51.0%,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 TiO22.0。 3. 硅酸盐水泥生产的辅助原料
20、 (1)校正原料 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。 硅质校正原料:补充生料中 SiO2 的不足,主要有硅藻土等。 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(%) 4.0 7090 4.0 铁质原料 Fe2O340% 铝质原料 AI2O330% (2) 缓凝剂:以天然石膏和磷石膏为主。掺加量 35%。 4.工业废渣的利用 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。 电石渣:以 CaO 为主。可替代部分
21、石灰石生产水泥。 煤矸石:以 SiO2、AI2O3 为主。可替代粘土生产水泥。 粉煤灰:以 SiO2、AI2O3 为主。可替代粘土配制生料,也可作混合 材料。 石煤:以 SiO2、AI2O3 为主。可作粘土质原料,也可作燃料。 3.3. 2 2 工艺流程简介工艺流程简介 兰州石化职业技术学院 第 7 页 共 40 页 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“两磨一烧或三磨一烧”。 重庆正阳新材料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)
22、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
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