基于A(yíng)I工控模塊的梭式窯分布式控制系統

楊洪波

(黃岡市華窯中興窯爐有限責任公司 )

摘 要 本文針對目前梭式窯運行控制普遍存在的能源浪費、低效、精度差、周期長(cháng)的缺點(diǎn)，而提出開(kāi)發(fā)梭式窯分布式控制系統。此系統將梭式窯控制整體上分割成為若干個(gè)自治系統實(shí)現對每個(gè)溫區的分別單獨控制。自治系統的核心使用宇電AI全新E5系列工控模塊實(shí)現對每一溫區高效、精確的控制。系統同時(shí)具有豐富的人機對話(huà)、安全防爆警示等功能。

關(guān)鍵字 梭式窯  分布式控制 自治系統 多線(xiàn)程

1 引言
    梭式窯又稱(chēng)抽屜窯、車(chē)底窯，是一種利用燃氣、燃油等為燃料燃燒的工業(yè)加熱設備，被廣泛地應用于陶瓷、耐火材料、砂輪、電瓷、鑄造和建筑材料等行業(yè)，對很多相關(guān)企業(yè)正常工作生產(chǎn)起到非常關(guān)鍵性的作用。梭式窯在運行過(guò)程中，窯內溫度、氣氛、壓力及各種流量，往往會(huì )由于外界條件或內部因素的變化而發(fā)生變化，為了使這些變化了的參數符合燒成工藝要求，必須實(shí)時(shí)根據這些變化了的情況對窯爐各控制設備做出快速、合理又整體協(xié)調地控制；傳統的梭式窯控制基本都是靠人工操作和調節或老式PID溫度控制儀表輔助監控。這種控制方式的缺點(diǎn)是體力勞動(dòng)繁重，燒成周期長(cháng)，有滯后性，而且受主觀(guān)因素的影響，故調節精度不高，導致梭式窯燒成合格率低。
    因此，充分將熱工技術(shù)、計算機應用技術(shù)、自控技術(shù)與人工智能技術(shù)相結合，研究與開(kāi)發(fā)基于A(yíng)I工控模塊的梭式窯分布式控制系統，對于減輕工人勞動(dòng)強度，改善勞動(dòng)條件，降低能源消耗，提高裝燒產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，控制生產(chǎn)成本，保證設備的安全運行都具有十分重要的意義。
    廈門(mén)宇電自動(dòng)化科技有限公司推出的全新E5系列智能型控制模塊它具備位式控制（ON-OFF）、標準PID、AI人工智能調節APID或MPT等多種調節方式。先進(jìn)的AI人工智能調節算法具有自整定、自學(xué)習功能，無(wú)超調及無(wú)欠調的優(yōu)良控制特性。適合溫度、壓力、流量、液位、濕度……的精確測量與控制。AI工控模塊可與多個(gè)型號的AI系列儀表搭配，使AI系列儀表由傳統的盤(pán)裝數量?jì)x表成為導軌安裝儀表，而且其主板硬件及軟件都與傳統數顯面板通用。E5系列智能型控制模塊具備安裝密度比盤(pán)裝儀表更高的優(yōu)點(diǎn)，且它的CPU不需要處理顯示及鍵盤(pán)程序，其通訊速度比盤(pán)裝顯示表還要快。
 
2 梭式窯燒成系統
    一般來(lái)說(shuō)，梭式窯由窯體、窯車(chē)、空氣管道、燃氣管道、燃燒設備、風(fēng)機等組成；燃燒設備中主要的是高速燒嘴，空、燃氣在燒嘴燃燒腔內成比例混合燃燒，一般要求空、燃氣混合效果好、燃燒要充分，需達到節約燃料的目的；調溫風(fēng)與燃燒產(chǎn)物的同軸流股在任何溫度段均可噴出高速射流，可提高窯內溫度、氣氛均勻性。

圖1：某廠(chǎng)PT-01X型高壓電瓷燒成工藝曲線(xiàn)圖

    梭式窯燒成周期一般來(lái)說(shuō)有10h~150h，不同的產(chǎn)品周期不一樣，不同的產(chǎn)品有著(zhù)不同的燒成溫度曲線(xiàn)（如圖1）和氣氛曲線(xiàn)，梭式窯運行過(guò)程中實(shí)時(shí)根據當前的運行時(shí)間在產(chǎn)品設定工藝曲線(xiàn)中尋找目標溫度點(diǎn)和氣氛點(diǎn)，并且調節各執行部件，確保窯內采集溫度與實(shí)際氣氛與設定值一致；整個(gè)窯爐運行過(guò)程反映了窯爐動(dòng)態(tài)地調整跟隨產(chǎn)品工藝設定參數的過(guò)程。
 
3 基于A(yíng)I工控模塊的梭式窯分布式控制系統宏觀(guān)設計
 
圖2：梭式窯分布式控制系統宏觀(guān)結構圖
    不同行業(yè)以及不同的裝燒產(chǎn)品，窯爐的燒成工藝要求有差異，然而其控制組成比較相似。根據梭式窯控制的特點(diǎn)，可將各個(gè)獨立運行的實(shí)體進(jìn)行集中管理，設計成由若干溫區形成分布式控制系統，也就是將整個(gè)系統控制分割成若干子系統，操作人員使用該子系統中的集中操作站，一覽整個(gè)系統情況，并可參與各個(gè)子系統的控制運行，監視各個(gè)控制站的報警和故障處理進(jìn)程。
    如圖2所示：系統硬件由工業(yè)控制計算機通過(guò)工業(yè)485通訊總線(xiàn)連接若干個(gè)自治系統，包含1#~N#溫區自治系統、總管流量自治系統、總管壓力自治系統等。在每一個(gè)自治系統形成一個(gè)相對獨立的區域，具有自動(dòng)調控、自動(dòng)決策、自動(dòng)安全監控等功能。
 
圖3：溫區自治系統一般內部結構圖
    采集系統實(shí)時(shí)采集窯爐各溫區溫度、流量、壓力信號并且分別發(fā)送給每一個(gè)自治系統的宇電E5工控模塊，宇電E5工控模塊根據每一自治系統各種設定值來(lái)調節輸出量，然后分別對窯爐各電動(dòng)執行機構進(jìn)行控制； I/O模塊為每一個(gè)自治系統提供當前窯爐的狀態(tài)量采集指示，同時(shí)又是每一個(gè)自治系統的輸出控制量的通道；工業(yè)控制計算機軟件系統是整個(gè)分布式控制系統的宏觀(guān)調度與指揮中心。
    窯爐運行過(guò)程中一般要經(jīng)歷氧化狀態(tài)、過(guò)渡狀態(tài)、還原狀態(tài)、冷卻狀態(tài)等，運行的狀態(tài)不同，其控制外部設備的動(dòng)作也不一樣，氧化狀態(tài)時(shí)系統根據支管開(kāi)度與支管比例程序共同控制空氣支管, 過(guò)渡或者還原狀態(tài)時(shí)系統根據支管開(kāi)度程序與支管比例程序共同控制燃氣支管。
 
4軟件系統設計
    軟件系統中核心技術(shù)運用組件與多線(xiàn)程的思想來(lái)設計開(kāi)發(fā)，每個(gè)線(xiàn)程都有它自己的運行內存、句柄和系統資源。系統核心由5個(gè)線(xiàn)程構成：調度控制管理線(xiàn)程、外設通訊線(xiàn)程、數據處理線(xiàn)程、數據存取線(xiàn)程和數據顯示線(xiàn)程，其體系結構如圖4。各個(gè)線(xiàn)程具體含義如下：(1)調度控制管理線(xiàn)程為主控制線(xiàn)程，負責其他4個(gè)工作線(xiàn)程的并發(fā)、同步調度管理工作。它隨著(zhù)組件的創(chuàng )建而產(chǎn)生，隨著(zhù)組件的被銷(xiāo)毀而消亡；(2)外設通訊線(xiàn)程控制配置給硬件，正常情況下它是一個(gè)自治系統，即它自動(dòng)在后臺和硬件完成常規的通訊工作；同時(shí)它也接受外界宇電E5工控模塊采集測試數據和控制硬件的指令；(3)數據處理線(xiàn)程負責對測試數據的分析處理，如剔除干擾假象數據、計算數據均值和峰度等；(4)數據存取線(xiàn)程負責與外設磁盤(pán)的數據交換工作，如原始測試數據的存取、處理結果的存取、歷史數據的查閱等；(5)數據顯示線(xiàn)程則把宇電E5工控模塊采集測得的數據或處理后的結果以圖形、表格等形式顯示出來(lái)，還可以顯示歷史保存在文件中的測試或者分析數據。各線(xiàn)程之間通過(guò)一個(gè)共享的緩沖區來(lái)傳送數據。
 
圖4：梭式窯分布式控制系統多線(xiàn)程共享緩沖區結構圖

5系統電氣連鎖及安全防爆控制
    這一項對于企業(yè)的安全生產(chǎn)起到非常重要的作用。
    系統控制外部設備啟動(dòng)順序依次為排煙機→助燃風(fēng)機→燃氣總管電磁閥→燃氣放散電磁閥→點(diǎn)火許可。每步之間有幾分鐘時(shí)間間隔，上一步不執行，下一步不得電。即啟動(dòng)順序實(shí)現了電氣連鎖。燃氣總管、空氣總管、排煙機入口都裝有壓力開(kāi)關(guān)，運行過(guò)程中如果壓力變化異常，發(fā)出聲光報警，提醒操作人員處理問(wèn)題，甚至系統可以暫停運行，保障窯爐和產(chǎn)品安全。若系統發(fā)現窯爐過(guò)載或燃氣壓力超高，立刻關(guān)斷所有燃料供應開(kāi)關(guān)或閥門(mén)，確保不出大的安全事故。
    本系統中的開(kāi)關(guān)量輸入、輸出都是通過(guò)宇電公司的AI-301系列開(kāi)關(guān)量I/O工控模塊來(lái)實(shí)現的。
 
6系統實(shí)現
    我們用Borland Delphi7.0實(shí)現了梭式窯分布式控制系統的軟件開(kāi)發(fā)。將自治系統用統一的類(lèi)來(lái)表示，每一個(gè)溫區的自治系統是它的實(shí)例（對象）。自治系統類(lèi)有一個(gè)很重要的TTimer時(shí)間觸發(fā)器，它負責為自治系統內部數據管理、事務(wù)處理、控制輸出等工作。本系統的實(shí)現的窯爐程序運行主窗口如圖5。
 
7 結束語(yǔ)
    本文論述的工業(yè)梭式窯分布式控制系統簡(jiǎn)單易行,具有很強的通用性,為工業(yè)窯爐控制行業(yè)提供了較好的模型和方法,具有很強的實(shí)際應用價(jià)值。
    作者已將此系統在國內多個(gè)企業(yè)中投入實(shí)際生產(chǎn)運用，取得了非常良好的經(jīng)濟效益，而且在很大程度上改變了工業(yè)窯爐行業(yè)傳統控制過(guò)程中表現出的溫差大、能耗多、燒成質(zhì)量差的落后狀況。
 
參考文獻
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6．廈門(mén)宇電自動(dòng)化科技有限公司http://www.yudian.com/
7．David J. Musliner, Kurt D. Krebsbach．Adjustable Autonomy in Procedural Control for Refineries．
 
圖5：梭式窯分布式控制系統窯爐程序運行主窗口

作者簡(jiǎn)介:
楊洪波（1971-），男，高級工程師；主要研究方向：工業(yè)窯爐結構、窯爐控制。