基于AI工控模塊的梭式窯分布式控制系統(tǒng)
摘 要 本文針對目前梭式窯運(yùn)行控制普遍存在的能源浪費(fèi)、低效、精度差、周期長的缺點(diǎn)，而提出開發(fā)梭式窯分布式控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)將梭式窯控制整體上分割成為若干個(gè)自治系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對每個(gè)溫區(qū)的分別單獨(dú)控制。自治系統(tǒng)的核心使用宇電AI全新E5系列工控模塊實(shí)現(xiàn)對每一溫區(qū)高效、精確的控制。系統(tǒng)同時(shí)具有豐富的人機(jī)對話、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(tǒng) 多線程
1 引言
梭式窯又稱抽屜窯、車底窯，是一種利用燃?xì)?、燃油等為燃料燃燒的工業(yè)加熱設(shè)備，被廣泛地應(yīng)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(yùn)行過程中，窯內(nèi)溫度、氣氛、壓力及各種流量，往往會由于外界條件或內(nèi)部因素的變化而發(fā)生變化，為了使這些變化了的參數(shù)符合燒成工藝要求，必須實(shí)時(shí)根據(jù)這些變化了的情況對窯爐各控制設(shè)備做出快速、合理又整體協(xié)調(diào)地控制；傳統(tǒng)的梭式窯控制基本都是靠人工操作和調(diào)節(jié)或老式PID溫度控制儀表輔助監(jiān)控。這種控制方式的缺點(diǎn)是體力勞動繁重，燒成周期長，有滯后性，而且受主觀因素的影響，故調(diào)節(jié)精度不高，導(dǎo)致梭式窯燒成合格率低。
因此，充分將熱工技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、自控技術(shù)與人工智能技術(shù)相結(jié)合，研究與開發(fā)基于AI工控模塊的梭式窯分布式控制系統(tǒng)，對于減輕工人勞動強(qiáng)度，改善勞動條件，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(shè)備的安全運(yùn)行都具有十分重要的意義。
廈門宇電自動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(biāo)準(zhǔn)PID、AI人工智能調(diào)節(jié)APID或MPT等多種調(diào)節(jié)方式。先進(jìn)的AI人工智能調(diào)節(jié)算法具有自整定、自學(xué)習(xí)功能，無超調(diào)及無欠調(diào)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(tǒng)的盤裝數(shù)量儀表成為導(dǎo)軌安裝儀表，而且其主板硬件及軟件都與傳統(tǒng)數(shù)顯面板通用。E5系列智能型控制模塊具備安裝密度比盤裝儀表更高的優(yōu)點(diǎn)，且它的CPU不需要處理顯示及鍵盤程序，其通訊速度比盤裝顯示表還要快。
2 梭式窯燒成系統(tǒng)
一般來說，梭式窯由窯體、窯車、空氣管道、燃?xì)夤艿?、燃燒設(shè)備、風(fēng)機(jī)等組成；燃燒設(shè)備中主要的是高速燒嘴，空、燃?xì)庠跓烊紵粌?nèi)成比例混合燃燒，一般要求空、燃?xì)饣旌闲Ч谩⑷紵浞?，需達(dá)到節(jié)約燃料的目的；調(diào)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(nèi)溫度、氣氛均勻性。
圖1：某廠PT-01X型高壓電瓷燒成工藝曲線圖
梭式窯燒成周期一般來說有10h~150h，不同的產(chǎn)品周期不一樣，不同的產(chǎn)品有著不同的燒成溫度曲線（如圖1）和氣氛曲線，梭式窯運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)根據(jù)當(dāng)前的運(yùn)行時(shí)間在產(chǎn)品設(shè)定工藝曲線中尋找目標(biāo)溫度點(diǎn)和氣氛點(diǎn)，并且調(diào)節(jié)各執(zhí)行部件，確保窯內(nèi)采集溫度與實(shí)際氣氛與設(shè)定值一致；整個(gè)窯爐運(yùn)行過程反映了窯爐動態(tài)地調(diào)整跟隨產(chǎn)品工藝設(shè)定參數(shù)的過程。
3 基于AI工控模塊的梭式窯分布式控制系統(tǒng)宏觀設(shè)計(jì)
圖2：梭式窯分布式控制系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)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(jù)梭式窯控制的特點(diǎn)，可將各個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的實(shí)體進(jìn)行集中管理，設(shè)計(jì)成由若干溫區(qū)形成分布式控制系統(tǒng)，也就是將整個(gè)系統(tǒng)控制分割成若干子系統(tǒng)，操作人員使用該子系統(tǒng)中的集中操作站，一覽整個(gè)系統(tǒng)情況，并可參與各個(gè)子系統(tǒng)的控制運(yùn)行，監(jiān)視各個(gè)控制站的報(bào)警和故障處理進(jìn)程。
如圖2所示：系統(tǒng)硬件由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通過工業(yè)485通訊總線連接若干個(gè)自治系統(tǒng)，包含1#~N#溫區(qū)自治系統(tǒng)、總管流量自治系統(tǒng)、總管壓力自治系統(tǒng)等。在每一個(gè)自治系統(tǒng)形成一個(gè)相對獨(dú)立的區(qū)域，具有自動調(diào)控、自動決策、自動安全監(jiān)控等功能。
圖3：溫區(qū)自治系統(tǒng)一般內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集窯爐各溫區(qū)溫度、流量、壓力信號并且分別發(fā)送給每一個(gè)自治系統(tǒng)的宇電E5工控模塊，宇電E5工控模塊根據(jù)每一自治系統(tǒng)各種設(shè)定值來調(diào)節(jié)輸出量，然后分別對窯爐各電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制； I/O模塊為每一個(gè)自治系統(tǒng)提供當(dāng)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(tǒng)的輸出控制量的通道；工業(yè)控制計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)是整個(gè)分布式控制系統(tǒng)的宏觀調(diào)度與指揮中心。
窯爐運(yùn)行過程中一般要經(jīng)歷氧化狀態(tài)、過渡狀態(tài)、還原狀態(tài)、冷卻狀態(tài)等，運(yùn)行的狀態(tài)不同，其控制外部設(shè)備的動作也不一樣，氧化狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)根據(jù)支管開度與支管比例程序共同控制空氣支管, 過渡或者還原狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)根據(jù)支管開度程序與支管比例程序共同控制燃?xì)庵Ч堋?br data-filtered="filtered" style="margin: 0px; padding: 0px;"/>
4軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
軟件系統(tǒng)中核心技術(shù)運(yùn)用組件與多線程的思想來設(shè)計(jì)開發(fā)，每個(gè)線程都有它自己的運(yùn)行內(nèi)存、句柄和系統(tǒng)資源。系統(tǒng)核心由5個(gè)線程構(gòu)成：調(diào)度控制管理線程、外設(shè)通訊線程、數(shù)據(jù)處理線程、數(shù)據(jù)存取線程和數(shù)據(jù)顯示線程，其體系結(jié)構(gòu)如圖4。各個(gè)線程具體含義如下：(1)調(diào)度控制管理線程為主控制線程，負(fù)責(zé)其他4個(gè)工作線程的并發(fā)、同步調(diào)度管理工作。它隨著組件的創(chuàng)建而產(chǎn)生，隨著組件的被銷毀而消亡；(2)外設(shè)通訊線程控制配置給硬件，正常情況下它是一個(gè)自治系統(tǒng)，即它自動在后臺和硬件完成常規(guī)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(shù)據(jù)和控制硬件的指令；(3)數(shù)據(jù)處理線程負(fù)責(zé)對測試數(shù)據(jù)的分析處理，如剔除干擾假象數(shù)據(jù)、計(jì)算數(shù)據(jù)均值和峰度等；(4)數(shù)據(jù)存取線程負(fù)責(zé)與外設(shè)磁盤的數(shù)據(jù)交換工作，如原始測試數(shù)據(jù)的存取、處理結(jié)果的存取、歷史數(shù)據(jù)的查閱等；(5)數(shù)據(jù)顯示線程則把宇電E5工控模塊采集測得的數(shù)據(jù)或處理后的結(jié)果以圖形、表格等形式顯示出來，還可以顯示歷史保存在文件中的測試或者分析數(shù)據(jù)。各線程之間通過一個(gè)共享的緩沖區(qū)來傳送數(shù)據(jù)。
圖4：梭式窯分布式控制系統(tǒng)多線程共享緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)圖
5系統(tǒng)電氣連鎖及安全防爆控制
這一項(xiàng)對于企業(yè)的安全生產(chǎn)起到非常重要的作用。
系統(tǒng)控制外部設(shè)備啟動順序依次為排煙機(jī)→助燃風(fēng)機(jī)→燃?xì)饪偣茈姶砰y→燃?xì)夥派㈦姶砰y→點(diǎn)火許可。每步之間有幾分鐘時(shí)間間隔，上一步不執(zhí)行，下一步不得電。即啟動順序?qū)崿F(xiàn)了電氣連鎖。燃?xì)饪偣堋⒖諝饪偣?、排煙機(jī)入口都裝有壓力開關(guān)，運(yùn)行過程中如果壓力變化異常，發(fā)出聲光報(bào)警，提醒操作人員處理問題，甚至系統(tǒng)可以暫停運(yùn)行，保障窯爐和產(chǎn)品安全。若系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)窯爐過載或燃?xì)鈮毫Τ?，立刻關(guān)斷所有燃料供應(yīng)開關(guān)或閥門，確保不出大的安全事故。
本系統(tǒng)中的開關(guān)量輸入、輸出都是通過宇電公司的AI-301系列開關(guān)量I/O工控模塊來實(shí)現(xiàn)的。
6系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
我們用Borland Delphi7.0實(shí)現(xiàn)了梭式窯分布式控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)。將自治系統(tǒng)用統(tǒng)一的類來表示，每一個(gè)溫區(qū)的自治系統(tǒng)是它的實(shí)例（對象）。自治系統(tǒng)類有一個(gè)很重要的TTimer時(shí)間觸發(fā)器，它負(fù)責(zé)為自治系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)管理、事務(wù)處理、控制輸出等工作。本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)的窯爐程序運(yùn)行主窗口如圖5。
7 結(jié)束語
本文論述的工業(yè)梭式窯分布式控制系統(tǒng)簡單易行,具有很強(qiáng)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(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
作者已將此系統(tǒng)在國內(nèi)多個(gè)企業(yè)中投入實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)用，取得了非常良好的經(jīng)濟(jì)效益，而且在很大程度上改變了工業(yè)窯爐行業(yè)傳統(tǒng)控制過程中表現(xiàn)出的溫差大、能耗多、燒成質(zhì)量差的落后狀況。
參考文獻(xiàn)
1．楊盛泉，姚全珠．工業(yè)窯爐分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)測量與控制，2005, 07
2．王國強(qiáng)，王志安，楊盛泉，楊啟攸．全自動控制時(shí)效爐的設(shè)計(jì)與應(yīng)用．鑄造技術(shù)，1999(1)： 24~25
3．佘勃， 李新年， 張靖． 包裝生產(chǎn)線分布式監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 包裝工程，2006,05
4．韓業(yè)輝，陳建業(yè)，關(guān)勝利．基于DSP、工控機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的SVC分布式控制系統(tǒng)．清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2003 43(9)：1206~1209
5．梁偉棟， 詹康生，肖行星．基于DCS原理的供熱自動控制系統(tǒng)．自動化與儀器儀表， 2006，05
6．廈門宇電自動化科技有限公司http://www.wncafjn.cn/
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(tǒng)窯爐程序運(yùn)行主窗口
作者簡介:
楊盛泉（1974-），男，碩士，講師；主要研究方向：MIS系統(tǒng)、智能控制、軟件工程。
楊洪波（1971-），男，工程師；主要研究方向：工業(yè)窯爐結(jié)構(gòu)、窯爐控制。