基于AI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、周期長的缺點，而提出開發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自治系統實現對每個溫區的分別單獨控制。自治系統的核心使用宇電AI全新E5系列工控模塊實現對每一溫區高效、精確的控制。系統同時具有豐富的人機對話、安全防爆警示等功能。

關鍵字 梭式窯  分布式控制 自治系統 多線程

1 引言
    梭式窯又稱抽屜窯、車底窯，是一種利用燃氣、燃油等為燃料燃燒的工業加熱設備，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，對很多相關企業正常工作生產起到非常關鍵性的作用。梭式窯在運行過程中，窯內溫度、氣氛、壓力及各種流量，往往會由于外界條件或內部因素的變化而發生變化，為了使這些變化了的參數符合燒成工藝要求，必須實時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、計算機應用技術、自控技術與人工智能技術相結合，研究與開發基于AI工控模塊的梭式窯分布式控制系統，對于減輕工人勞動強度，改善勞動條件，降低能源消耗，提高裝燒產品的產量和質量，控制生產成本，保證設備的安全運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）、標準PID、AI人工智能調節APID或MPT等多種調節方式。先進的AI人工智能調節算法具有自整定、自學習功能，無超調及無欠調的優良控制特性。適合溫度、壓力、流量、液位、濕度……的精確測量與控制。AI工控模塊可與多個型號的AI系列儀表搭配，使AI系列儀表由傳統的盤裝數量儀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裝儀表更高的優點，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
    一般來說，梭式窯由窯體、窯車、空氣管道、燃氣管道、燃燒設備、風機等組成；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；調溫風與燃燒產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，不同的產品周期不一樣，不同的產品有著不同的燒成溫度曲線（如圖1）和氣氛曲線，梭式窯運行過程中實時根據當前的運行時間在產品設定工藝曲線中尋找目標溫度點和氣氛點，并且調節各執行部件，確保窯內采集溫度與實際氣氛與設定值一致；整個窯爐運行過程反映了窯爐動態地調整跟隨產品工藝設定參數的過程。
 
3 基于AI工控模塊的梭式窯分布式控制系統宏觀設計
 
圖2：梭式窯分布式控制系統宏觀結構圖
    不同行業以及不同的裝燒產品，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，可將各個獨立運行的實體進行集中管理，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，一覽整個系統情況，并可參與各個子系統的控制運行，監視各個控制站的報警和故障處理進程。
    如圖2所示：系統硬件由工業控制計算機通過工業485通訊總線連接若干個自治系統，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。在每一個自治系統形成一個相對獨立的區域，具有自動調控、自動決策、自動安全監控等功能。
 
圖3：溫區自治系統一般內部結構圖
    采集系統實時采集窯爐各溫區溫度、流量、壓力信號并且分別發送給每一個自治系統的宇電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調節輸出量，然后分別對窯爐各電動執行機構進行控制； I/O模塊為每一個自治系統提供當前窯爐的狀態量采集指示，同時又是每一個自治系統的輸出控制量的通道；工業控制計算機軟件系統是整個分布式控制系統的宏觀調度與指揮中心。
    窯爐運行過程中一般要經歷氧化狀態、過渡狀態、還原狀態、冷卻狀態等，運行的狀態不同，其控制外部設備的動作也不一樣，氧化狀態時系統根據支管開度與支管比例程序共同控制空氣支管, 過渡或者還原狀態時系統根據支管開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運用組件與多線程的思想來設計開發，每個線程都有它自己的運行內存、句柄和系統資源。系統核心由5個線程構成：調度控制管理線程、外設通訊線程、數據處理線程、數據存取線程和數據顯示線程，其體系結構如圖4。各個線程具體含義如下：(1)調度控制管理線程為主控制線程，負責其他4個工作線程的并發、同步調度管理工作。它隨著組件的創建而產生，隨著組件的被銷毀而消亡；(2)外設通訊線程控制配置給硬件，正常情況下它是一個自治系統，即它自動在后臺和硬件完成常規的通訊工作；同時它也接受外界宇電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)數據存取線程負責與外設磁盤的數據交換工作，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，還可以顯示歷史保存在文件中的測試或者分析數據。各線程之間通過一個共享的緩沖區來傳送數據。
 
圖4：梭式窯分布式控制系統多線程共享緩沖區結構圖

5系統電氣連鎖及安全防爆控制
    這一項對于企業的安全生產起到非常重要的作用。
    系統控制外部設備啟動順序依次為排煙機→助燃風機→燃氣總管電磁閥→燃氣放散電磁閥→點火許可。每步之間有幾分鐘時間間隔，上一步不執行，下一步不得電。即啟動順序實現了電氣連鎖。燃氣總管、空氣總管、排煙機入口都裝有壓力開關，運行過程中如果壓力變化異常，發出聲光報警，提醒操作人員處理問題，甚至系統可以暫停運行，保障窯爐和產品安全。若系統發現窯爐過載或燃氣壓力超高，立刻關斷所有燃料供應開關或閥門，確保不出大的安全事故。
    本系統中的開關量輸入、輸出都是通過宇電公司的AI-301系列開關量I/O工控模塊來實現的。
 
6系統實現
    我們用Borland Delphi7.0實現了梭式窯分布式控制系統的軟件開發。將自治系統用統一的類來表示，每一個溫區的自治系統是它的實例（對象）。自治系統類有一個很重要的TTimer時間觸發器，它負責為自治系統內部數據管理、事務處理、控制輸出等工作。本系統的實現的窯爐程序運行主窗口如圖5。
 
7 結束語
    本文論述的工業梭式窯分布式控制系統簡單易行,具有很強的通用性,為工業窯爐控制行業提供了較好的模型和方法,具有很強的實際應用價值。
    作者已將此系統在國內多個企業中投入實際生產運用，取得了非常良好的經濟效益，而且在很大程度上改變了工業窯爐行業傳統控制過程中表現出的溫差大、能耗多、燒成質量差的落后狀況。
 
參考文獻
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5．梁偉棟， 詹康生，肖行星．基于DCS原理的供熱自動控制系統．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.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

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