基于模糊PID的液化氣梭式窯自動控制系統(tǒng)設(shè)計

劉鵬+馬壯

【摘 要】針對某耐火材料廠液化氣梭式窯爐生產(chǎn)工藝的要求，完成了控制系統(tǒng)的設(shè)計。闡述了自動控制系統(tǒng)的組成及基本功能；根據(jù)梭式窯爐溫度的非線性、大慣性和純滯后的特點，采用了自適應(yīng)模糊PID控制算法。實踐證明，系統(tǒng)溫度控制精度達到了預(yù)期效果，，并大大減少了勞動強度，提高了勞動生產(chǎn)率。

【關(guān)鍵詞】梭式窯；溫度控制；模糊PID

0 引言

隨著建材行業(yè)的發(fā)展，我國對建筑陶瓷材料的需求越來越高。高溫梭式窯式做為一種新型現(xiàn)代化的間歇式窯爐，具有升溫快、溫差小，產(chǎn)品烘焙質(zhì)量高、節(jié)能率高等優(yōu)點。在我國建筑陶瓷工業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

梭式窯燒成產(chǎn)品的質(zhì)量與其燒成溫度曲線的控制密切相關(guān)，因此選擇合適的控制方式至關(guān)重要。梭式窯爐做為時變、非線性、大慣性和純滯后的復(fù)雜熱工對象，控制系統(tǒng)往往存在一定程度的抗干擾能力差，控制精度低，溫控范圍有限等問題。目前，國內(nèi)外的溫度控制系統(tǒng)大多采用常規(guī)PID控制策略或模糊PID技術(shù)，均達到不錯的控制效果[1]。

本文針對某耐火材料廠梭式窯爐的實際工藝情況，設(shè)計了一套高溫梭式窯控制系統(tǒng)，實際的生產(chǎn)表明，控制系統(tǒng)能夠符合控制工藝要求，對于提高陶瓷的產(chǎn)量和質(zhì)量均起到了較好的效果。

1 梭式窯爐自動控制系統(tǒng)組成

高溫梭式窯控制系統(tǒng)采用監(jiān)控級及現(xiàn)場設(shè)備級的兩級控制方式，監(jiān)控級可分為監(jiān)控主站和PLC從站，主站和從站之間通過Profibus總線連接，現(xiàn)場設(shè)備級可分為測量元件和執(zhí)行機構(gòu)組成。模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

作為系統(tǒng)的被控對象，該廠梭式窯內(nèi)腔尺寸8m×5m×3m，使用溫度為1700℃。使用液化石油氣作為加熱燃料，窯內(nèi)安裝有10個吸入式燒嘴，每個燒嘴對應(yīng)一個燒成區(qū)。燒成方式采用側(cè)燒式、明焰燒成。煙氣由窯車底部的排煙口進入地下煙道，通過排煙風機排空。

測量元件主要完成溫度、壓力、流量等工藝參數(shù)的測量。測量系統(tǒng)包括用于檢測煙道溫度的K型熱電偶，共16只，安裝在排煙風機和換熱器入口處；用于檢測爐溫的B型熱電偶，共11支；爐內(nèi)、天然氣及空氣主管道等處安裝用于檢測壓力、流量等工藝參數(shù)的變送器；窯爐外表面設(shè)置可燃氣體探測儀，用于檢測燃氣是否泄漏；燃氣總管道上安裝有高低壓壓力開關(guān)，用于檢測液化氣壓力變化。

執(zhí)行機構(gòu)主要包括電磁閥、電動執(zhí)行器和空燃比例調(diào)節(jié)閥等。電動執(zhí)行器包括控制擺渡車實現(xiàn)窯車進出窯的行走電機，提供助燃冷空氣的2臺變頻鼓風（采用開一備一的工作方式），用于排出廢氣的變頻引風機，用于點火燒嘴的點火風機；用于開啟和關(guān)閉爐門的拖動電機；助燃冷空氣總管路、燃氣總管路、助燃氣燒嘴上均安裝電磁閥；在爐窯兩側(cè)的自動點火裝置上安裝有空燃比例調(diào)節(jié)閥，用于同步控制點火用的燃氣流量與冷空氣流量。

監(jiān)控級的監(jiān)控主站運行WINCC 7.0組態(tài)監(jiān)控程序，主控室內(nèi)兩臺監(jiān)控主站計算機互為備用，型號為研華工控機IPC-610-L，PLC從站采用西門子S7-300 PLC，型號為CPU 315-2DP，模擬量模塊選用SM332，SM331；數(shù)字量模塊選用SM321 DI16與SM322 D08等。通過PROFIBUS總線與監(jiān)控計算機通訊。

2 自動控制系統(tǒng)功能

2.1 參數(shù)的采集與設(shè)備的連鎖控制

自動控制系統(tǒng)采集現(xiàn)場的溫度、壓力、氣體流量、電磁閥開度及閥位、變頻器與電機工作狀態(tài)數(shù)據(jù)等生產(chǎn)參數(shù)，并傳輸?shù)絇LC的DI模塊中。PLC通過Profibus網(wǎng)絡(luò)，將生產(chǎn)數(shù)據(jù)在上位機監(jiān)控畫面上顯示，PLC的輸出模塊經(jīng)過中間繼電器與現(xiàn)場設(shè)備相連，實現(xiàn)牽引車電機、排煙風機、助燃風機、點火風機、相關(guān)閥門等設(shè)備的啟停控制。所有控制設(shè)備均有單體和聯(lián)動兩種操作模式，方便設(shè)備的隨時檢修。控制系統(tǒng)程序嚴格按照生產(chǎn)工藝及安全操作規(guī)范設(shè)置必要的連鎖，實現(xiàn)自動燒制與冷卻的同時，保證設(shè)備的安全可靠。

2.2 監(jiān)控與管理功能

組態(tài)界面全面反映梭式窯生產(chǎn)過程控制的全流程，通過對各個設(shè)備的運行狀態(tài)進行處理和加工實現(xiàn)在線實時控制及生產(chǎn)管理，系統(tǒng)監(jiān)控畫面界面友好，界面間的切換操作簡單方便。

操作人員可通過組態(tài)界面實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)及生產(chǎn)班次統(tǒng)計數(shù)據(jù)的查詢。通過相關(guān)數(shù)據(jù)的查詢，實現(xiàn)故障的實時及事后分析或工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)定。操作人員可按工藝要求實時或定時打印生產(chǎn)報表及故障記錄報表。當被控對象中的工藝參數(shù)（包括開關(guān)量和模擬量）或設(shè)備發(fā)生異常時，系統(tǒng)將通過畫面和聲音進行報警。

在WINCC監(jiān)控界面提供溫控工藝曲線設(shè)置接口，根據(jù)不同燒制成品生產(chǎn)工藝的要求，隨時的錄入和更改溫度曲線參數(shù)。系統(tǒng)可存儲10條溫度曲線設(shè)置數(shù)據(jù)，每條溫度曲線最多可以存放30步加熱過程。

2.3 壓力與溫度的控制

壓力控制包括窯內(nèi)壓力、助燃冷風壓力和天然氣總管道壓力控制。窯內(nèi)壓力控制采用單閉環(huán)PID控制，即PLC采集窯內(nèi)壓力傳感器信號并與壓力設(shè)定值進行比較，差值經(jīng)過PID運算后作為排煙風機變頻調(diào)速的修正值，調(diào)節(jié)窯內(nèi)壓力與設(shè)定的窯壓保持一致。助燃冷風壓力控制與窯內(nèi)壓力控制類似，是從空氣總管路上取出壓力信號，通過變頻控制風機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)的。天然氣總管道壓力控制是通過控制燃氣管道的比例調(diào)節(jié)閥，使得燃氣壓力符合規(guī)定的工藝值。

梭式窯每個燒成區(qū)的熱電偶的測量溫度信號值，與溫度曲線設(shè)定值進行比較，控制系統(tǒng)采取設(shè)計的溫度控制策略，通過PLC實現(xiàn)同步調(diào)節(jié)助燃風管道、燃氣管道的比例閥、空燃比例調(diào)節(jié)閥的開度，達到改變空燃比的目的，進而保證窯溫曲線按照設(shè)定的燒成曲線進行。

3 自動控制系統(tǒng)中的溫度控制策略

由于該控制系統(tǒng)是數(shù)字化系統(tǒng)，所以采用了離散化的增量式PID算法，增量的確定只與最近幾次采樣值有關(guān)，避免了誤差飽和的現(xiàn)象，具有較好的控制效果。

常規(guī)PID控制器的參數(shù)調(diào)整需要被控對象具有精確數(shù)學模型， 經(jīng)過計算后，控制參數(shù)值一般是固定的，不易進行在線調(diào)整。而由于梭式窯本身具有時變、非線性、大慣性和純滯后的溫度特性，因此采用傳統(tǒng)PID算法進行溫度控制很難達到預(yù)期效果。為了提高控制精度，系統(tǒng)對溫度采用了自適應(yīng)模糊PID控制算法，這種智能控制方法采取非線性控制，不依賴于對象模型，且設(shè)計簡單易編程，自適應(yīng)模糊PID控制原理如圖2所示。

4 結(jié)果與調(diào)試

控制系統(tǒng)在WINCC組態(tài)環(huán)境中完成組態(tài)配置后，即轉(zhuǎn)入運行環(huán)境，進行綜合性測試檢查。主要從外部設(shè)備、動畫動作、按鈕動作、用戶（工程）窗口、圖形界面和運行策略幾個方面對新工程進行檢查。WINCC軟件組態(tài)和PLC通訊的調(diào)試成功后，即可將控制系統(tǒng)進行實際工況的安裝與實驗。其控制系統(tǒng)主界面如圖4所示。

自動控制系統(tǒng)投入生產(chǎn)后，梭式窯溫度實際的工況曲線如圖5所示。

由圖5可以看出，本控制系統(tǒng)在燃氣梭式窯溫度控制中效果比較理想。在低溫階（0-500℃），溫度偏差能控制在±2℃以內(nèi)，控制迅速，系統(tǒng)穩(wěn)定。在高溫的氧化和還原階段時（500-1000℃），雖然此時控制對象滯后性較嚴重，但實時曲線與計劃曲線的偏差和波動也在±5℃的工藝要求范圍內(nèi)；在后期高溫階段（1000-1500℃），控制基本穩(wěn)定。實時曲線基本上圍繞計劃曲線走，偏離幅度較小。

5 結(jié)束語

本文完成了梭式窯生產(chǎn)的控制系統(tǒng)設(shè)計，實踐證明，該液化氣梭式窯自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用，極大減輕人工操作的同時能夠提高燒成質(zhì)量，溫度壓力控制精確度高，點火調(diào)試成功并投入正常運行，各項技術(shù)經(jīng)濟指標均達到預(yù)期要求。具有一定的推廣應(yīng)用價值。

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[責任編輯：楊玉潔]