基于AI工控模块的梭式窑分布式控制系统

杨盛泉1    杨洪波2  (1.西安工业大学计算机科学与工程学院 ；2. 黄冈市华窑中兴窑炉有限责任公司 )

摘 要 本文针对目前梭式窑运行控制普遍存在的能源浪费、低效、精度差、周期长的缺点，而提出开发梭式窑分布式控制系统。此系统将梭式窑控制整体上分割成为若干个自治系统实现对每个温区的分别单独控制。自治系统的核心使用宇电AI全新E5系列工控模块实现对每一温区、的控制。系统同时具有丰富的人机对话、安全防爆警示等功能。

关键字 梭式窑  分布式控制 自治系统 多线程

1 引言
    梭式窑又称抽屉窑、车底窑，是一种利用燃气、燃油等为燃料燃烧的工业加热设备，被广泛地应用于陶瓷、耐火材料、砂轮、电瓷、铸造和建筑材料等行业，对很多相关企业正常工作生产起到非常关键性的作用。梭式窑在运行过程中，窑内温度、气氛、压力及各种流量，往往会由于外界条件或内部因素的变化而发生变化，为了使这些变化了的参数符合烧成工艺要求，必须实时根据这些变化了的情况对窑炉各控制设备做出快速、合理又整体协调地控制；传统的梭式窑控制基本都是靠人工操作和调节或老式PID温度控制仪表辅助监控。这种控制方式的缺点是体力劳动繁重，烧成周期长，有滞后性，而且受主观因素的影响，故调节精度不高，导致梭式窑烧成合格率低。
    因此，充分将热工技术、计算机应用技术、自控技术与人工智能技术相结合，研究与开发基于AI工控模块的梭式窑分布式控制系统，对于减轻工人劳动强度，改善劳动条件，降低能源消耗，提高装烧产品的产量和质量，控制生产成本，保证设备的安全运行都具有十分重要的意义。
    厦门宇电自动化科技有限公司推出的全新E5系列智能型控制模块它具备位式控制（ON-OFF）、标准PID、AI人工智能调节APID或MPT等多种调节方式。的AI人工智能调节算法具有自整定、自学习功能，无超调及无欠调的优良控制特性。适合温度、压力、流量、液位、湿度……的测量与控制。AI工控模块可与多个型号的AI系列仪表搭配，使AI系列仪表由传统的盘装数量仪表成为导轨安装仪表，而且其主板硬件及软件都与传统数显面板通用。E5系列智能型控制模块具备安装密度比盘装仪表更高的优点，且它的CPU不需要处理显示及键盘程序，其通讯速度比盘装显示表还要快。
 
2 梭式窑烧成系统
    一般来说，梭式窑由窑体、窑车、空气管道、燃气管道、燃烧设备、风机等组成；燃烧设备中主要的是高速烧嘴，空、燃气在烧嘴燃烧腔内成比例混合燃烧，一般要求空、燃气混合效果好、燃烧要充分，需达到节约燃料的目的；调温风与燃烧产物的同轴流股在任何温度段均可喷出高速射流，可提高窑内温度、气氛均匀性。

图1：某厂PT-01X型高压电瓷烧成工艺曲线图

    梭式窑烧成周期一般来说有10h~150h，不同的产品周期不一样，不同的产品有着不同的烧成温度曲线（如图1）和气氛曲线，梭式窑运行过程中实时根据当前的运行时间在产品设定工艺曲线中寻找目标温度点和气氛点，并且调节各执行部件，确保窑内采集温度与实际气氛与设定值一致；整个窑炉运行过程反映了窑炉动态地调整跟随产品工艺设定参数的过程。
 
3 基于AI工控模块的梭式窑分布式控制系统宏观设计
 
图2：梭式窑分布式控制系统宏观结构图
    不同行业以及不同的装烧产品，窑炉的烧成工艺要求有差异，然而其控制组成比较相似。根据梭式窑控制的特点，可将各个运行的实体进行集中管理，设计成由若干温区形成分布式控制系统，也就是将整个系统控制分割成若干子系统，操作人员使用该子系统中的集中操作站，一览整个系统情况，并可参与各个子系统的控制运行，监视各个控制站的报警和故障处理进程。
    如图2所示：系统硬件由工业控制计算机通过工业485通讯总线连接若干个自治系统，包含1#~N#温区自治系统、总管流量自治系统、总管压力自治系统等。在每一个自治系统形成一个相对的区域，具有自动调控、自动决策、自动安全监控等功能。
 
图3：温区自治系统一般内部结构图
    采集系统实时采集窑炉各温区温度、流量、压力信号并且分别发送给每一个自治系统的宇电E5工控模块，宇电E5工控模块根据每一自治系统各种设定值来调节输出量，然后分别对窑炉各电动执行机构进行控制； I/O模块为每一个自治系统提供当前窑炉的状态量采集指示，同时又是每一个自治系统的输出控制量的通道；工业控制计算机软件系统是整个分布式控制系统的宏观调度与指挥中心。
    窑炉运行过程中一般要经历氧化状态、过渡状态、还原状态、冷却状态等，运行的状态不同，其控制外部设备的动作也不一样，氧化状态时系统根据支管开度与支管比例程序共同控制空气支管, 过渡或者还原状态时系统根据支管开度程序与支管比例程序共同控制燃气支管。
 
4软件系统设计
    软件系统中核心技术运用组件与多线程的思想来设计开发，每个线程都有它自己的运行内存、句柄和系统资源。系统核心由5个线程构成：调度控制管理线程、外设通讯线程、数据处理线程、数据存取线程和数据显示线程，其体系结构如图4。各个线程具体含义如下：(1)调度控制管理线程为主控制线程，负责其他4个工作线程的并发、同步调度管理工作。它随着组件的创建而产生，随着组件的被销毁而消亡；(2)外设通讯线程控制配置给硬件，正常情况下它是一个自治系统，即它自动在后台和硬件完成常规的通讯工作；同时它也接受外界宇电E5工控模块采集测试数据和控制硬件的指令；(3)数据处理线程负责对测试数据的分析处理，如剔除干扰假象数据、计算数据均值和峰度等；(4)数据存取线程负责与外设磁盘的数据交换工作，如原始测试数据的存取、处理结果的存取、历史数据的查阅等；(5)数据显示线程则把宇电E5工控模块采集测得的数据或处理后的结果以图形、表格等形式显示出来，还可以显示历史保存在文件中的测试或者分析数据。各线程之间通过一个共享的缓冲区来传送数据。
 
图4：梭式窑分布式控制系统多线程共享缓冲区结构图

5系统电气连锁及安全防爆控制
    这一项对于企业的安全生产起到非常重要的作用。
    系统控制外部设备启动顺序依次为排烟机→助燃风机→燃气总管电磁阀→燃气放散电磁阀→点火许可。每步之间有几分钟时间间隔，上一步不执行，下一步不得电。即启动顺序实现了电气连锁。燃气总管、空气总管、排烟机入口都装有压力开关，运行过程中如果压力变化异常，发出声光报警，提醒操作人员处理问题，甚至系统可以暂停运行，保障窑炉和产品安全。若系统发现窑炉过载或燃气压力超高，立刻关断所有燃料供应开关或阀门，确保不出大的安全事故。
    本系统中的开关量输入、输出都是通过宇电公司的AI-301系列开关量I/O工控模块来实现的。
 
6系统实现
    我们用Borland Delphi7.0实现了梭式窑分布式控制系统的软件开发。将自治系统用统一的类来表示，每一个温区的自治系统是它的实例（对象）。自治系统类有一个很重要的TTimer时间触发器，它负责为自治系统内部数据管理、事务处理、控制输出等工作。本系统的实现的窑炉程序运行主窗口如图5。
 
7 结束语
    本文论述的工业梭式窑分布式控制系统简单易行,具有很强的通用性,为工业窑炉控制行业提供了较好的模型和方法,具有很强的实际应用价值。
    作者已将此系统在多个企业中投入实际生产运用，取得了非常良好的经济效益，而且在很大程度上改变了工业窑炉行业传统控制过程中表现出的温差大、能耗多、烧成质量差的落后状况。
 
参考文献
1．杨盛泉，姚全珠．工业窑炉分布式控制系统的设计，计算机测量与控制，2005, 07
2．王国强，王志安，杨盛泉，杨启攸．全自动控制时效炉的设计与应用．铸造技术，1999(1)： 24~25
3．佘勃， 李新年， 张靖． 包装生产线分布式监控系统的设计 包装工程，2006,05
4．韩业辉，陈建业，关胜利．基于DSP、工控机和网络的SVC分布式控制系统．清华大学学报(自然科学版), 2003 43(9)：1206~1209
5．梁伟栋， 詹康生，肖行星．基于DCS原理的供热自动控制系统．自动化与仪器仪表， 2006，05
6．厦门宇电自动化科技有限公司http://www.yudian.com/
7．David J. Musliner, Kurt D. Krebsbach．Adjustable Autonomy in Procedural Control for Refineries．
 
图5：梭式窑分布式控制系统窑炉程序运行主窗口

作者简介:
杨盛泉（1974-），男，硕士，讲师；主要研究方向：MIS系统、智能控制、软件工程。
杨洪波（1971-），男，工程师；主要研究方向：工业窑炉结构、窑炉控制。