富氧陶瓷窯爐監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

郎建勛，鐘建偉

(湖北民族學(xué)院 信息工程學(xué)院，湖北 恩施 445000)

富氧陶瓷窯爐是以高濃度氧作為助燃介質(zhì)的陶瓷窯爐生產(chǎn)設(shè)備.相較于傳統(tǒng)的陶瓷窯爐而言，富氧陶瓷窯爐在具有火焰溫度高、燃點(diǎn)溫度低、加速燃燒完全、節(jié)能減排和提高熱利用率等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)[1]，其安全性、實(shí)時(shí)性和抗干擾能力的要求高，并需要進(jìn)行壓力、溫度和氣氛的協(xié)調(diào)控制，靠一些傳統(tǒng)的控制方法已經(jīng)無(wú)法再滿足其性能要求[2].開發(fā)富氧陶瓷窯爐監(jiān)控系統(tǒng)的目的在于構(gòu)建一套集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、動(dòng)態(tài)顯示、實(shí)時(shí)控制于一體的完善的解決方案，提高富氧陶瓷窯爐的自動(dòng)化程度和控制水平，從而縮短生產(chǎn)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，并可以極大地減輕操作人員的工作強(qiáng)度[3].

1 富氧陶瓷窯爐的結(jié)構(gòu)和控制要求

1.1 窯爐主體結(jié)構(gòu)

富氧陶瓷窯爐共有3個(gè)安裝了執(zhí)行器和流量計(jì)的氣體主管道，分別作為空氣、氧氣和燃?xì)獾倪M(jìn)氣管，其中空氣通過空氣壓縮機(jī)加壓，再通過電加熱爐預(yù)熱后送入空氣進(jìn)氣管[4].窯體共安裝有6個(gè)燒嘴，每個(gè)燒嘴的均連接有三個(gè)氣體輸入分管道，分別輸入空氣、氧氣和燃?xì)?每個(gè)管道上均設(shè)置有一個(gè)電磁閥，一個(gè)流量計(jì)和一個(gè)執(zhí)行器.窯體上還安裝了18個(gè)熱電偶，用于測(cè)量窯體各點(diǎn)的溫度值.排煙口安裝有一個(gè)排煙風(fēng)機(jī)和一個(gè)排煙配風(fēng)閥.

1.2 控制要求

富氧陶瓷窯爐在工作過程中，主要需要控制壓力、氣氛和溫度這三個(gè)方面的參數(shù).

壓力控制是指空氣、燃?xì)狻⒀鯕夂透G內(nèi)壓力控制，前三個(gè)壓力要求保持恒定[5].氧氣和燃?xì)饩捎昧撕銐貉b置，空氣的壓力是通過調(diào)節(jié)空氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)進(jìn)行控制的，窯內(nèi)的壓力主要是通過調(diào)節(jié)排煙風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)的[6].

氣氛控制是指控制窯體中的各種氣體成分的含量比.若氧氣過剩，窯體內(nèi)的氣氛為氧化氣氛；若燃?xì)膺^剩，窯體內(nèi)的氣氛為還原氣氛；若正好按比例燃燒，則窯體內(nèi)的氣氛為中性氣氛.陶瓷產(chǎn)品的顏色和光澤度與燒結(jié)時(shí)的氣氛有很大的關(guān)系[7].

溫度控制是指助燃風(fēng)溫度控制、排煙風(fēng)溫度控制和窯內(nèi)溫度控制.助燃風(fēng)的溫度可以通過調(diào)節(jié)電加熱爐的功率來(lái)進(jìn)行控制，排煙風(fēng)溫度通過調(diào)節(jié)排煙配風(fēng)閥的開度來(lái)進(jìn)行控制，而窯內(nèi)的溫度則通過調(diào)節(jié)燃?xì)膺M(jìn)入量進(jìn)行控制[8-9].

2 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及選型

從通信量、實(shí)時(shí)性和抗干擾能力等方面考慮，選擇IPC+PLC+Profibus-DP構(gòu)架的控制結(jié)構(gòu)作為富氧陶瓷窯爐的總體設(shè)計(jì)方案，如圖1所示.

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Hardware configuration of monitor system

圖2 監(jiān)控軟件的體系結(jié)構(gòu)Fig.2 The architecture of the monitor software

現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行層為Profibus-DP控制層，主要包括變頻器和智能I/O從站.變頻器用于控制富氧陶瓷窯爐中的風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，通過適配器和Profibus-DP主站通信；智能I/O從站接受從現(xiàn)場(chǎng)傳感器傳來(lái)的信號(hào)，將其通過Profibus-DP發(fā)送到DP主站，同時(shí)將DP主站發(fā)送來(lái)的控制信號(hào)發(fā)送到各執(zhí)行器.另外，從節(jié)約成本的角度考慮，在控制系統(tǒng)中還增設(shè)了PCI數(shù)據(jù)采集卡，用于采集不需要參與控制但又需要實(shí)時(shí)顯示的部分反饋數(shù)據(jù).

中間層為作為DP主站和MPI從站的PLC.PLC接收從變頻器和智能I/O從站發(fā)送而來(lái)的信號(hào)，完成標(biāo)度轉(zhuǎn)換后將其存儲(chǔ)在PLC中，供作為MPI主站的工控機(jī)訪問.通過對(duì)PLC編程，可以在PLC中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的啟?？刂?、安全互鎖、故障保護(hù)和單點(diǎn)PLC控制等功能.

管理層的上位機(jī)通過MPI接口和PLC通信.上位機(jī)中安裝的監(jiān)控系統(tǒng)可以讀出存儲(chǔ)在PLC中的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)的顯示和存儲(chǔ)；可以在上位機(jī)中設(shè)定窯爐參數(shù)，通過PLC對(duì)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器進(jìn)行控制；可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法并實(shí)時(shí)控制.

3 監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

3.1 需求分析

根據(jù)富氧陶瓷窯爐的控制要求，上位機(jī)監(jiān)控軟件應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)方面的功能：①現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的啟?？刂坪头勒`操作；②監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)及故障報(bào)警；③實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)的工作狀態(tài)；④采用實(shí)時(shí)曲線的方式顯示現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)；⑤可以選擇性的記錄數(shù)據(jù)；⑥歷史記錄顯示和數(shù)據(jù)導(dǎo)出；⑦參數(shù)設(shè)定及參數(shù)驗(yàn)證；⑧控制模式切換；⑨用戶權(quán)限控制；⑩系統(tǒng)日志.

3.2 軟件的三層體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控軟件的開發(fā)平臺(tái)為Windows XP SP3，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL2005，前端開發(fā)工具為基于.NET構(gòu)架的Visual C# 2008.上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件的三層體系結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.

在邏輯層的設(shè)計(jì)中，考慮到窯爐的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)或通過DP總線送至PLC中，或直接送入工控機(jī)中的PCI數(shù)據(jù)采集卡，所以，邏輯層設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要部分就是讀取PCI 數(shù)據(jù)采集卡和PLC中存儲(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)，并將操作人員通過操作界面輸入的數(shù)據(jù)和發(fā)出的指令發(fā)送到PLC中，從而完成實(shí)時(shí)顯示和控制功能.其中，數(shù)據(jù)采集卡中的數(shù)據(jù)是通過采集卡的驅(qū)動(dòng)程序來(lái)讀??；PLC中的數(shù)據(jù)則是通過西門子公司提供的Prodave軟件包進(jìn)行讀寫的[10].為了便于重用，同時(shí)也為了方便表示層調(diào)用，可將表示層中所需的數(shù)據(jù)操作方法均封裝到COM中，然后通過在C#中包裝該COM后來(lái)使用COM接口提供的數(shù)據(jù)操作方法.

圖3 監(jiān)控軟件的主界面Fig.3 Main interface of the monitor system

圖4 燃燒器控制界面Fig.4 The control panel of the nozzle

4 系統(tǒng)測(cè)試

圖3所示為管理員身份登錄時(shí)所呈現(xiàn)的富氧陶瓷窯爐監(jiān)控系統(tǒng)的主界面.在主界面中，用戶可以通過界面下方的按鈕控制系統(tǒng)設(shè)備的啟停.系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)會(huì)通過界面上的指示控件顯示出來(lái).主界面以圖形的方式呈現(xiàn)出了窯爐的工藝結(jié)構(gòu)，并在相應(yīng)設(shè)備標(biāo)識(shí)旁動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù).通過主界面的菜單項(xiàng)即可訪問監(jiān)控系統(tǒng)的全部功能.

對(duì)主界面的測(cè)試主要集中在數(shù)據(jù)顯示的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)備性和啟停安全連鎖控制這三個(gè)方面.

數(shù)據(jù)顯示的實(shí)時(shí)性主要取決于IPC和PLC及變頻器的通信時(shí)間.為了保證數(shù)據(jù)的完整性和安全，PLC中設(shè)置了較多的校驗(yàn)程序，這使得IPC每讀寫一次PLC的時(shí)間較長(zhǎng)，一般為150～500 ms.經(jīng)測(cè)試，主界面上數(shù)據(jù)的更新約滯后實(shí)際數(shù)據(jù)1～2 s.考慮到窯爐的溫度變化是一個(gè)相對(duì)緩慢的過程，且控制過程主要集中在PLC中，所以這一滯后時(shí)間不會(huì)對(duì)窯爐的監(jiān)控產(chǎn)生影響，所以數(shù)據(jù)顯示的實(shí)時(shí)性是可以滿足的.

在數(shù)據(jù)顯示的準(zhǔn)確性方面，由于采用了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，各傳感器的信號(hào)均在傳感器內(nèi)部轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出，所以數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性要遠(yuǎn)高于采用模擬信號(hào)進(jìn)行傳輸?shù)臏?zhǔn)確性.經(jīng)測(cè)定，上位機(jī)的數(shù)據(jù)和實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的誤差在0.5%以內(nèi)，滿足監(jiān)控系統(tǒng)的精度要求.

啟停安全連鎖控制是窯爐控制中的重要一環(huán)，直接關(guān)系到窯爐的生產(chǎn)安全.為此，除了在PLC中設(shè)置安全連鎖控制外，在上位機(jī)的監(jiān)控軟件也有防誤操作的程序.測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)用戶未按照規(guī)定安全流程進(jìn)行操作時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)阻止用戶的誤操作，并給出相應(yīng)的告警和提示信息，保證了生產(chǎn)操作的安全性.

圖4展示了系統(tǒng)的7個(gè)燃燒器控制界面之一.用戶可以通過點(diǎn)擊界面中的手動(dòng)或自動(dòng)按鈕來(lái)切換燃燒器的控制模式.在使用一個(gè)模式時(shí)，均需屏蔽掉另一個(gè)模式中的輸入項(xiàng)，另外，切換時(shí)應(yīng)實(shí)現(xiàn)無(wú)差切換.圖4中的文本框分別用來(lái)輸入?yún)?shù)、顯示PLC中相關(guān)參數(shù)的當(dāng)前設(shè)定值和該參數(shù)的反饋值.操作員可以在富氧陶瓷窯爐工作時(shí)使用監(jiān)控軟件設(shè)置其工作參數(shù).在向下位機(jī)寫入?yún)?shù)之前，必須執(zhí)行參數(shù)的驗(yàn)證，包括有效性驗(yàn)證和值域驗(yàn)證，從而避免操作員因?yàn)檎`操作向下位機(jī)寫入了無(wú)效數(shù)據(jù)導(dǎo)致系統(tǒng)工作故障或引發(fā)安全方面的問題.對(duì)燃燒控制器界面的測(cè)試主要是分析是否能夠在手動(dòng)/自動(dòng)模式的切換中實(shí)現(xiàn)無(wú)差切換，以及能否防止用戶因誤操作向下位機(jī)寫入無(wú)效參數(shù)以致引發(fā)系統(tǒng)故障.

在無(wú)差切換的測(cè)試中，當(dāng)用戶在手動(dòng)/自動(dòng)模式之間切換時(shí)，上位機(jī)中的自適應(yīng)程序會(huì)自動(dòng)檢測(cè)各執(zhí)行器的當(dāng)前狀態(tài)，若是由手動(dòng)切換到自動(dòng)模式，會(huì)在界面中屏蔽掉手動(dòng)控制選項(xiàng)，并啟動(dòng)下位要中的PID控制程序進(jìn)行自動(dòng)控制；當(dāng)模式由自動(dòng)切實(shí)到手動(dòng)時(shí)，手動(dòng)控制選項(xiàng)的輸入框被置為有效，同時(shí)屏蔽PLC中的相關(guān)控制模塊，將控制權(quán)交給用戶.圖4所示即為手動(dòng)模式下的燃燒控制模塊，可見此時(shí)自動(dòng)控制乖舛面已經(jīng)被置為無(wú)效了.

在參數(shù)有效性的測(cè)試中，當(dāng)用戶在向下位機(jī)寫入?yún)?shù)之前，必須執(zhí)行參數(shù)的驗(yàn)證，包括有效性驗(yàn)證和值域驗(yàn)證.若用戶輸入的參數(shù)無(wú)效或者是參數(shù)范圍超過了額定值，此時(shí)燃燒控制器的參數(shù)校驗(yàn)程序會(huì)阻止用戶寫入，并給出告警信息，從而避免操作員因?yàn)檎`操作向下位機(jī)寫入了無(wú)效數(shù)據(jù)導(dǎo)致系統(tǒng)工作故障或引發(fā)安全方面的問題.

上述分析測(cè)試表明，該監(jiān)控系統(tǒng)具有較好的安全性和實(shí)時(shí)性，能夠很好的滿足富氧陶瓷窯爐生產(chǎn)過程中的各項(xiàng)監(jiān)控要求.

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