（控制科学与工程专业论文）富氧燃烧陶瓷辊道窑监控系统设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 富氧燃烧陶瓷辊道窑因其高热效比、低排放量和节能等特点从而在陶瓷生 产工业中得到了广泛的应用。本文针对富氧燃烧陶瓷辊道窑的特点，设计了一 套完善的高性能富氧燃烧陶瓷辊道窑监控系统。 富氧燃烧陶瓷辊道窑设备众多，在烧成过程中有大量参数需要检测和调整。 操作人员必须随时监控和修改这些参数。这些参数还需要及时归档以备相关人 员查阅和分析。这就需要其监控系统具有同时进行数据采集、数据显示和数据 记录的功能。另外，富氧燃烧陶瓷辊道窑的生产环境是很恶劣的，从操作员的 健康角度而言，操作人员最好远离窑炉的工作现场。因此，监控系统还必须具 备远程监控的功能。 窑炉陶瓷产品的质量取决于众多因素。在烧结阶段，温度和气氛是决定烧 成质量的两个主要因素。窑炉的温度要求严格的按照给定烧成曲线变化，其气 氛要求尽可能的保持在预先设定的比例。一些高性能的陶瓷产品还要求窑内的 温度场要分布均匀。传统的窑炉温度控制方式为基于p i d 调节器的连续燃烧控 制，即通过温度误差调节燃气阀进而调节燃气流量，然后相应的调节氧气阀( 空 气阀) 使得氧气( 空气) 与燃气的比例趋向于预设值。因为窑炉温度过程的大 惯性和控制设备的延迟，p i d 连续燃烧控制的效果并不是很好。除此之外，这种 控制方式无法保证窑内温度场的均匀性，从而很可能导致成品质量出现缺陷。 为解决上述问题，本文提出了一套完善的解决方案： ( 1 ) 采用i p c + p l c 的构架，组态了基于p r o f i b u sd p 的富氧燃烧陶瓷辊道 窑监控系统的硬件。现场信号通过d p 总线送至p l c 中。 ( 2 ) 在上位机中开发了一套包括本地监控系统和b s 远程监控系统在内的 完整的解决方案。本地监控系统采用c 拌开发，其中包含了对富氧燃烧陶瓷辊道 窑进行监测和控制的全部功能。b s 远程监控系统采用a s e n e t 开发，使用用 户可以在任一远程终端通过i n t e m e t 对窑炉进行远程监控。 ( 3 ) 采用了基于模糊控制的脉冲燃烧控制系统。相较于传统的连续控制， 脉冲燃烧控制系统可以在生成相对均匀的温度场的同时简化系统的控制结构。 脉冲燃烧控制系统的烧嘴的通断比由模糊控制算法决定。 关键词：富氧燃烧，辊道窑，模糊控制，监控系统 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eo x y g e n - e n r i c h e dc e r a m i cl 【i l i l h a sb e e n w i d e l y u s e di nc e r a m i c m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yd u et o i t sh i g h e rh e a te f f i c i e n c y , l e s se m i s s i o na n de n e r g y s a v i n g i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a l li n t e g r a t e dd e s i g no fh i g hp e r f o r m a n c em o n i t o rs y s t e m i sp r o p o s e df o rt h eo x y g e n - e n r i c h e dc e r a m i cl ( i ha c c o r d i n gt oi t sc h a r a c t e r i s t i c s t h ec e r a m i cl 【i h lc o n s i s t so fal a r g en u m b e ro fd e v i c e sw h o s ep a r a m e t e r sn e e dt o b ew a t c h e da n dr e g u l a t e dd u r i n gt h es i n t e r i n gp r o c e s s t h ep r o c e s sp a r a m e t e r sm u s t b eu n d e rt h es u r v e i l l a n c eo ft h eo p e r a t o r sa l lt h et i m ea n ds h o u l db ea d j u s t e d i m m e d i a t e l yw h e nn e e d e dt o t h e ya l s on e e dt ob ea r c h i v e df o ra n a l y s eu s e t h i s r e q u i r e sam o n i t o rs y s t e mw h i c hi sa b l et op e r f o r mt h ed a t as a m p l i n g ，d a t ad i s p l a y a n dp a r a m e t e rs e t t i n gs i m u l t a n e o u s l y b e s i d e s ，t h ew o r k i n gc o n d i t i o no ft h ec e r a m i c k i l ni sv e r yh a r s h t h eo p e r a t o r sm i g h tb e t t e rg e tf a ra w a yf r o mt h ef i e l df o rt h es a k e o ft h e i rh e a l t h t h e r e f o r e ，r e m o t em o n i t o r i n gi sr e q u i r e d t h eq u a l i t yo ft h ec e r a m i cp r o d u c td e p e n d so nm a n yf a c t o r s a tt h es i n t e r i n g p h a s e ，t h e t w om a i nf a c t o r st h a td e c i d et h ep r o d u c tq u a l i t ya r et e m p e r a t u r ea n d a m b i e n c e t h et e m p e r a t u r ei se x p e c t e dt of o l l o wt h es i n t e r i n gc u r v es t r i c t l ya n dt h e a m b i e n c et or e m a i na tt h ee x p e c t a t i o np r o p o r t i o n s o m eh i g hq u a l i t yp r o d u c t sa l s o r e q u i r ear e l a t i v e l ye v e nt e m p e r a t u r ef i e l d t h et r a d i t i o n a lt e m p e r a t u r ec o n t r o l m e t h o df o rc e r a m i ck i i ni st h ec o n t i n u o u sc o m b u s t i o nc o n t r o lw i t hp i dr e g u l a t o r s ， i e ，t or e g u l a t et h eg a sv a l v et oc o n t r o lt h eg a sf l u xa c c o r d i n gt ot h et e m p e r a t u r ee r r o r a n dt h e nr e g u l a t et h eo x y g e n a i rv a l v ea c c o r d i n g l yt om a k et h ef l u xp r o p o r t i o no f o x y g e n a i rt og a sa p p r o a c ht h ep r e s e tv a l u e h o w e v e r , t h i sm e t h o dd o e sn o tu s u a l l y w o r kv e r yw e l ld u et ot h ei n t r i n s i c a ll a r g ei n e r t i ao ft h et e m p e r a t u r ep r o c e s sa n dt h e t i m e - d e l a yo fc o n t r o ld e v i c e m o r e o v e r , t h i sm e t h o d c a nn o t k e e pa n e v e n t e m p e r a t u r ef i e l di n s i d et h ek i l n ，w h i c hm i g h tp r o b a b l yc a u s ed e f e c t st ot h ep r o d u c t s c o n s i d e r i n gt h ea b o v ep r o b l e m s ，a ni n t e g r a t e ds o l u t i o ni sp r o p o s e da sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h eh a r d w a r eo ft h e p r o f i b u s - d pc o n t r o ls y s t e mb a s e do ni p c + p l c a r c h i t e c t u r ei sc o n f i g u r e df o rt h em o n i t o rs y s t e m t h ep r o c e s sd a t aa r et r a n s m i t t e dt o p l cv i a d p b u s s e c o n d l y , a ni n t e g r a t e ds o l u t i o ni nm a s t e rc o m p u t e ri sd e v e l o p e d ，w h i c h c o n s i s t so fal o c a lm o n i t o rs y s t e ma n dab sm o n i t o rs y s t e m t h el o c a ls y s t e mi s d e v e l o p e dw i t hc 撑，w h i c hp r o v i d e sc o m p r e h e n s i v ef u n c t i o n sf o rs u r v e i l l a n c ea i l d c o n t r o lo ft h ec e r a m i ck i l n t h eb sm o n i t o rs y s t e mi sd e v e l o p e db y a s p n e t , w h i c h p r o v i d e sam e a n st om o n i t o ra n dc o n t r o lt h ep r o c e s sf r o mar e m o t et e r m i n a lv i a i n t e m e t t h i r d l y , ap u l s e - c o m b u s t i o nc o n t r o ls y s t e mb a s eo nf u z z yc o n t r o li sp r o p o s e d c o m p a r e d w i t ht h e t r a d i t i o n a lc o n t i n u o u s c o m b u s t i o nc o n t r o l s y s t e m , t h e p u l s e - c o m b u s t i o nc o n t r o ls y s t e mc a nm a k ear e l a t i v e l ye v e nt e m p e r a t u r ef i e l dw h i l e s i m p l i f yt h ec o n t r o ls t r u c t u r e t h eo n o f fr a t i o no fi t sn o z z l e si se v a l u a t e du s i n gf u z z y l o g i ca l g o r i t h m k e y w o r d s ：o x y g e n - e n r i c h e dc o m b u s t i o n , r o l l e rk i l n ，f u z z yc o n t r o l ，m o n i t o rs y s t e m m 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：e l 期： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 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照一定比例注入，在调节温度的过程中这个比例要求保持不变，从而控制气氛 武汉理工大学硕士学位论文 和排放量l l 引。由于富氧燃烧陶瓷辊道窑的火焰温度高、升温快，所以若采用手 工调节参数，则无论从速度还是精度方面都是不能满足要求的【m 】。陶瓷窑炉监 控系统可以提供一套完善的控制接口，操作人员只需要给定烧成曲线和气体比 例后即可实现自动调节，提高了控制的精度和速度【l5 1 。 陶瓷窑炉作为热工设备，其工作时的安全性是必须要考虑的一个问题。很 多事故往往是由于人为的误操作或设备故障引起的【1 6 1 。陶瓷窑炉监控系统可以 自动检测各种设备的工作状态并将其反映到上位机监控界面中，并且在设备故 障时自动报警，提示操作人员进行故障处理，并自动关停相关的危险设备以防 止事故发生。另外，监控系统中还有完善的互锁和提示机制，当操作人员误操 作时，可以阻止该操作并发出警告，极大地提高了系统的安全系剡1 。丌。 综上所述，构建一套完善的富氧燃烧陶瓷辊道窑监控系统在保证工程安全、 提高自动化程度、改善控制精度、实现节能减排和减轻操作人员工作量方面具 有很大的实际工程意义。 1 2 国内外研究现状 国外对陶瓷窑炉控制系统的研究从上世纪7 0 年代就开始了，目前能够提供 具有高性能和全自动化监控系统的陶瓷窑炉的国家主要是美国、日本、德国和 意大利【l 引。例如，日本爱子公司的窑炉设置有先进的自动点火、熄火测知、窑 内压力监测、窑内氧浓度监测、气体泄漏监测、瓷辊损折监测等一系列监测仪 器，从而保证了窑炉的省力、节能、快速烧成【1 9 1 。德国陶瓷技术公n ( c t b ) 为著 名的德国马艾森( m e i s s e n ) 的陶瓷研究所提供的燃气窑，可通过比例调节系统注 入0 2 或c d 等从而实现氧化、中性、还原气氛；压力和温度均可精确控制，在 窑横截面上的温差仅为+ l o c 【2 0 】 2 1 】。各烧嘴实现单独控制，并可连续或脉冲工作， 使全窑按设定的曲线烧成与冷却，具有极好的灵活性【2 2 】。美国著名的s d 窑炉公 司的“银云 系统采用了脉冲燃烧技术，该系统的最大效果是窑炉调节灵敏、 温度均匀、燃烧率高，从而缩短烧成周期，降低能耗，提高了生产能力和产品 档次 2 3 1 。 国内从上世纪9 0 年代才开始对陶瓷窑炉进行研究，取得了一定的成果，部 分窑炉的性能达到了国际先进水平，但国内窑炉的研究的重点多在于窑体的构 造和相应的硬件设备，其高档监控系统多为直接从国外引进，在构建集数据采 集、存储、分析、实时控制和远程监控在内的完善的上位机解决方案方面和国 2 武汉理工大学硕士学位论文 外还有一定的差距，特别是在远程网络控制和企业级的监控系统开发方面还有 待进一步完善【2 4 1 2 5 1 。 目前在常用的监控系统的设计方案有四种，以单片机为核心的智能仪器仪 表系统、以工控机为核心的监督系统、分布式控制系统和现场总线监控系统【2 6 1 。 以单片机为核心的智能仪器仪表系统只能使用l e d 显示器显示，同时也不 具备复杂的数据处理和数据转换能力【2 7 】。 以工控机为核心的监督系统的冗余度差，当工控机出现问题时，会影响到 整个系统的工作【2 羽。对于窑炉这种热工设备而言，这种监督控制系统在安全性 方面不满足要求，另外，该类系统中的工控机要同时进行大量的数据转换、数 据存储、动态显示和实时控制，工控机的处理任务过大，很难保证控制的实时 性【2 9 】。 分布式控制系统( d c s ) 以通用微机作为上位机，采用上位机+ 下位机的结 构，上位机通过r s 2 3 2 r s 4 8 5 转换器和下位机之间通信【3 0 】。对于需要监控大量 参数和变量的富氧燃烧陶瓷辊道窑而言，这种控制系统的通信线路较多，成本 高 3 h 。另外，陶瓷窑炉工作环境中的电磁干扰因素非常多，信号远距离传输时 会受到诸多的影响，难以保证精确测量【3 2 1 。 现场总线控制系统( f c s ) 以现场总线技术为核心，以基于现场总线的智能 i 0 或智能传感器、智能仪表为控制主体，以计算机为监控中心的工作平台，可 以实现彻底的分散控带l j 3 3 1 。它解决了d c s 中的关于现场设备的实时控制和现场 信号的网络通信这两大难题。f c s 中有较强独立控制功能的从站可以减轻主站 的工作量 3 4 1 。另外，信号通过现场总线传输可以在节约布线成本的同时大大提 高系统抗干扰的能力【3 5 1 。 1 3 本文主要研究内容 本文主要研究内容在富氧燃烧陶瓷辊道窑的监测和控制系统两方面。 在富氧燃烧陶瓷辊道窑的监测方面，针对富氧燃烧陶瓷辊道窑的基本结构 和监测要求，分析了监控系统的子系统及其输入输出信号，设计了监控系统的 硬件构架，给出了其硬件的选型。对窑炉监控系统的需求进行了分析，选择采 用c j 毕开发富氧燃烧陶瓷辊道窑的本地监控系统和采用a s e n e t 开发基于b s 模 式的远程监控系统，设计了监控系统的三层体系机构，并对系统实现中的关键 问题进行了详细的论述。 武汉理工大学硕士学位论文 在富氧陶瓷燃烧辊道窑的控制系统方面，针对富氧陶瓷燃烧辊道窑的协调 控制要求，分析了p i d 连续燃烧控制技术的不足之处，提出了一种新的基于模 糊控制的脉冲燃烧控制系统的设计，给出了模糊控制算法的具体实现方式。最 后对p i d 连续燃烧控制和基于模糊控制的脉冲燃烧控制的控制效果进行了对比 分析，论述了后者的优越性。 本文的主要研究内容包括监控系统的硬件结构、基于c 捍的本地监控系统的 开发、基于a s p n e t 的远程监控系统的开发和基于模糊控制的脉冲燃烧控制系 统的设计这4 个部分、分别在第2 章第5 章中进行了论述。 。 第2 章富氧燃烧陶瓷辊道窑监控系统的硬件组成。介绍了富氧燃烧陶瓷辊 道窑的基本结构及其控制要求。详细说明了基于i p c + p l c + p r o f i b u sd p 的窑炉监 控系统的硬件组成。根据富氧陶瓷窑炉的功能和控制要求，将监控系统划分为 了启停控制、故障检测、温度控制、压力控制、气氛控制和流量检测等6 个子 系统，并针对每个子系统分析了需要采集和控制的参数。 第3 章基于c 撑的本地监控系统的设计。对本地监控系统的需求进行了分 析，并选择了c 拌作为本地监控系统的开发平台。设计了监控系统的三层体系结 构，并就系统实现中的关键问题例如采样周期设置、异步线程采集、线程安全 和数据的完整性、数据的导出导入做了详细的说明。最后对系统的主要模块进 行了测试。 第4 章基于a s e n e t 的远程监控系统的设计。阐述了设计远程监控系统的 必要性。通过对c s 和b s 模式的对比，说明了采用b s 模式的优越性。对采 用b s 开发的可行性进行了分析，并简述了a p s n e t 开发平台的特点。设计了 b s 监控系统的三层体系结构，并对系统实现中的关键问题例如基于a j a x 的异 步更新和身份验证及授权方式的选择进行了详细的说明。 第5 章基于模糊控制的脉冲燃烧控制系统的设计。分析了富氧燃烧陶瓷辊 道窑脉冲燃烧控制系统的优越性，讨论了采用传统的p i d 控制方式控制富氧燃 烧陶瓷辊道窑温度时的不足之处，提出了一种基于模糊控制的脉冲燃烧控制系 统的设计方法，并将其和传统的p i d 控制效果进行对比，验证了控制方案的可 行性和有效性。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章富氧燃烧陶瓷辊道窑监控系统的硬件结构 本章首先阐述了富氧燃烧陶瓷辊道窑的基本结构，然后从压力控制、温度 控制和气氛控制这三个方面分析了富氧燃烧陶瓷辊道窑的控制要求。根据窑炉 的结构和控制要求，将富氧陶瓷燃烧辊道窑的控制系统分解为启停控制、压力 控制、温度控制、气氛控制、故障检测、流量检测这六个子系统，并详述了每 个子系统的输入输出需求。通过分析，采用基于i p c + p l c + 智能i o 的p r o f i b u s 总线系统作为富氧燃烧陶瓷辊道窑的硬件构架并简述了系统各层的具体硬件组 成。 2 1 富氧燃烧陶瓷辊道窑的基本结构及控制要求 富氧燃烧陶瓷辊道窑是指助燃空气中的氧含量太于2 1 的陶瓷窑炉。采用 富氧燃烧技术可以使得窑炉中的燃气充分燃烧，同时可以减少废气排放量，提 高窑炉的热效率。整个富氧燃烧陶瓷辊道窑的结构如图2 - 1 所示。 曼j 图2 - 1富氧燃烧陶瓷辊道窑的总体结构示意图 窑炉共有3 个安装了执行器和流量计的气体主管道，分别作为空气、氧气 和燃气的进气管其中空气通过空气压缩机加压，再通过电加热炉预热后送入 空气进气管。窑体共安装有6 个烧嘴，每个烧嘴的均连接有三个气体输入分管 道，分别输入空气、氧气和燃气。每个管道上均设置有个电磁阀，一个流量 武汉理工大学硕士学位论文 计和一个执行器。窑体上还安装了1 8 个热电偶，用于测量窑体各点的温度值。 排烟口安装有一个排烟风机和一个排烟配风阀。 富氧燃烧陶瓷辊道窑在工作过程中，需要控制压力、气氛和温度这三个方 面的参数。 压力控制是指空气、燃气、氧气和窑内压力控制，前三个压力要求保持恒 定。氧气和燃气均采用了恒压装置，空气的压力是通过调节空气压缩机的转速 来进行控制的，窑内的压力主要是通过调节排烟风机的转速来进行调节的。 气氛控制是指控制窑体中的各种气体成分的含量比。若氧气过剩，窑体内 的气氛为氧化气氛；若燃气过剩，窑体内的气氛为还原气氛；若正好按比例燃 烧，则窑体内的气氛为中性气氛。陶瓷产品的颜色和光泽度与烧结时的气氛有 很大的关系。 温度控制是指助燃风温度控制、排烟风温度控制和窑内温度控制。助燃风 的温度可以通过调节电加热炉的功率来进行控制，排烟风温度通过调节排烟配 风阀的开度来进行控制，而窑内的温度则通过调节燃气进入量进行控制。 2 2 监控系统的子系统及其输入输出信号 根据富氧燃烧陶瓷辊道窑的控制要求，富氧燃烧陶瓷辊道窑的监控系统可 以分为启停控制、故障检测、温度控制、压力控制、气氛控制和流量检测等6 个子系统。为确定系统的硬件选型，首先对各个子系统进行分析。 ( 1 ) 启停控制子系统 启停控制子系统主要包括风机、电磁阀、加热炉和油泵的启停控制，各被 控 设备均需要2 点数字量输入信号( d i ) 和l 点数字信号输出( d o ) 。2 点 d i 为手动启停输入；1 点d o 为设备控制输出。 表2 - 1 启停控制子系统信号 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 故障检测子系统 故障检测子系统包括对风机、电磁阀、加热炉、油泵和燃烧器的故障检测， 各控制信号均为数字量输入信号( d i ) ，共1 5 点，如表2 2 所示。 表2 2 故障检测子系统信号 信号名称信号类型 助燃风机故障 排烟风机故障 空气压缩机故障 油泵故障 电加热炉l 故障 电加热炉2 故障 燃气电磁阀故障 氧气电磁阀故障 燃烧器1 7 故障 ( 3 ) 温度控制子系统 温度控制子系统又包括三个子系统：窑内温度控制系统、助燃风温度控制 系统和排烟风温度控制系统。 窑内温度控制系统主要是通过调节燃气执行器的开度来控制窑内的温度。 热电偶的温度反馈信号和执行器的反馈信号为模拟量输入信号( a i ) ，执行器的 给定信号为模拟量输出信号( a o ) ，共2 6 点a i 和7 点a o ，如表2 3 所示。 表2 3 窑内温度控制系统信号 助燃风温度控制系统主要是通过调节加热炉启停信号的占空比来调节助燃 风的温度。加热炉启停信号前面已纳入分析，子系统中还需要一个测量助燃风 温度的热电偶t 2 1 ，即l 点a i 。 排烟风温度控制系统主要是通过采用调节排烟配风执行器来调节排烟风的 温度，需要一个测量排烟风温度的热电偶t 2 0 ，所以该子系统中有1 点趾和1 点a o 。 综上所述，温度控制系统共需要2 1 点触和8 点a o 。 7 阱 m m 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 压力控制子系统 富氧燃烧陶瓷辊道窑的压力控制包括燃气压力、助燃风压力和排烟风压力 ( 窑内压力) 三部分。助燃风压力是通过变频器控制助燃风机的转速来控制的， 排烟风的压力是通过变频器控制排烟风机的转速来控制的。三个压力控制子系 统各自需要一个压力计，子系统合计需要3 点触。 ( 5 ) 气氛控制子系统 富氧燃烧陶瓷辊道窑的气氛控制主要是根据燃气执行器的开度，按照设定 的空气和燃气、氧气和燃气的比例系数，通过调节氧气执行器和空气执行器的 开度来设定的，每个执行器要占用l 点a o ，共计1 4 点a o ，如表2 - 4 所示。 表2 4 气氛控制子系统信号 信号名称信号类型 氧气执行器1 7 开度设定 空气执行器l - 7 开度设定 7 a o 7 a o ( 6 ) 流量检测子系统 流量检测子系统包括空气主管道、燃气主管道和氧气主管道的气体流量检 测及燃油流量检测四个部分，共需要4 个流量计，需要占用4 点越。 除了以上六个子系统外，系统的其它输入输出信号如表2 5 所示。 表2 5 其它输入输出信号 信号名称信号类型 燃气总阀开关 氧气总阀开关 系统总启动 系统总停止 系统急停 单动联动切换 排烟风机手动自动 助燃风机手工自动 总氧气执行机构 总燃气执行机构 总燃气执行器反馈 总氧气执行器反馈 8 趾m 珊 捌 似 似 似 埘 啪啪 m m 武汉理工大学硕士学位论文 在富氧燃烧陶瓷辊道窑监控系统中，还有部分不需要参与控制但同时有必 要进行测量和显示的数据，这些数据如表2 - 6 所示。 表2 - 6 其它输入输出信号 信号名称信号类型 燃气执行器1 7 反馈 氧气执行器1 7 反馈 空气执行器l - 7 反馈 排烟配风执行器反馈 模拟量输入 模拟量输入 模拟量输入 模拟量输入 通过上述分析，可以确定系统的数字量输入、数字量输出、模拟量输入、 模拟量输出的点数，进而确定系统的硬件构架和模块选型。 2 3 监控系统的硬件构架和模块选型 本系统采用基于i p c + p l c + p r o f i b u sd p 的f c s 控制作为富氧燃烧陶瓷辊道 窑的硬件构架，富氧燃烧陶瓷辊道窑监控系统的三层体系结构如图2 2 所示。 现 场 执 行 层 图2 - 2 富氧燃烧陶瓷辊道窑监控系统的三层体系结构 整个控制系统的构架分为三个层次：现场执行层、中间层和管理层。 现场执行层为p r o f i b u sd p 控制层，主要包括变频器和智能i o 从站。变频 器用于控制富氧燃烧陶瓷辊道窑中的风机的运行，通过适配器和p r o f i b u sd p 主 9 - - - - - - - - 一 - 管理层 中间层 一 武汉理工大学硕士学位论文 站通信；智能i o 从站接受从现场传感器传来的信号，将其通过p r o f i b u sd p 发 送到d p 主站，同时将d p 主站发送来的控制信号发送到各执行器。另外，从节 约成本的角度考虑，在控制系统中还增设了p c i 数据采集卡，用于采集不需要 参与控制但又需要实时显示的部分反馈数据。 中间层为作为d p 主站和m p i 从站的p l c 。p l c 接收从变频器和智能i o 从站发送而来的信号，完成标度转换后将其存储在p l c 中，供作为m p i 主站的 工控机访问。通过对p l c 编程，可以在p l c 中实现系统的启停控制、安全互锁、 故障保护和单点p l c 控制等功能。 管理层的上位机通过m p i 接口和p l c 通信。上位机中安装的监控系统可以 读出存储在p l c 中的现场实时数据，并完成数据的显示和存储：可以在上位机 中设定窑炉参数，通过p l c 对现场执行器进行控制；可以实现复杂的控制算法 并实时控制。 2 3 1 基于变频器和智能i o 的现场层 现场总线层为一个助燃风机变频器、一个排烟风机变频器和一个智能i o 从 站构成。根据助燃风机和排烟风机的功率要求，变频器选择a b b 的a c s 5 1 0 变 频器，变频器通过总线适配器( i 心b a 0 1 ) 连到d p 总线，进而连接到p l c 的 d p 接口。智能i o 从站选择e t 2 0 0 ，完成对现场信号的采集，并通过d p 接口 连接到p l c 。在上述需求分析中列举的所有信号中，d i 信号直接输入p l c 的自 带d i 模块和一块扩展的d 1 3 2 x 2 4 v 模块中，d o 信号从p l c 自带的d o 模块输 出。触和a o 信号均进入e t 2 0 0 中，然后通过d p 总线送入p l c 中。根据上述 分析可知共有3 块a i s x t c 和2 块a 1 8 x 1 2 b i t 模拟量输入模块和3 块a 0 8 x1 2 b i t 模拟量输出模块。 同时，对于上述表2 - 6 中的各模拟量反馈信号，从测量要求和节约成本的角 度来考虑，选择采用p c i l 7 1 3 数据采集卡直接送至管理层的工控机中用于实时 显示即可。 2 3 2p l c 和模块扩展 综合窑炉控制系统的实际需求和价格因素，选择西门子的s 7 3 0 0 p l c 作为 d p 主站，c p u 选择c p u3 1 3 c 2 d p 型号，该型号自带两个d p 接口和d 1 1 6 d 0 1 6 模块，并扩展一块d 1 3 2 x 2 4 v 模块，以满足系统数字量输入的需要。变频器和 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 e t 2 0 0 通过d p 接口和p l c 相连。 2 3 3 以工控机为核心的管理层 管理层由工控机组成，工控机使用u s b 接口通过u s b 适配器和p l c 的m p i 口连接。工控机用于读取p c i l 7 1 3 数据采集卡和p l c 存储区中存储的数据，并 对数据进行处理、显示和分析。 2 4 本章小结 本章简述了富氧燃烧陶瓷辊道窑的结构及其基本控制要求。将监控系统划 分为了6 个子系统，并分析了各个子系统中需要用于采集和控制的输入输出数 据，并据此确定了窑炉监控系统的硬件构架和模块选型。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章基于c j f i 6 的本地监控系统的设计 本章首先针对富氧燃烧陶瓷辊道窑的控制要求，对本地监控系统进行了需 求分析，阐述了上位机监控软件所应实现的功能。选择了c 拌2 0 0 8 作为本地监控 系统的开发工具并简述了选择该开发工具的原因。设计了本地监控系统的三层 体系结构，并给出了每层的详细设计，并对系统实现中的若干关键问题进行了 详述。最后对系统进行了测试。 3 1 本地监控系统的需求分析 上位机监控软件是操作人员控制富氧燃烧陶瓷辊道窑工艺过程的用户界面 接口，除部分启停控制功能需要通过手工操作、数据的标度转换需要通过下位 机来完成外，其它的功能包括工艺流程的展现、数据的实时显示与存储、参数 的设置和复杂控制算法的实现均需要通过上位机监控软件来完成。除此之外， 上位机监控软件也是企业级解决方案的服务平台之一。所以，开发一套完善的 上位机监控软件是体现富氧燃烧陶瓷辊道窑自动化程度的关键所在。 根据富氧燃烧陶瓷辊道窑的控制要求，上位机监控软件应实现以下1 0 个功 能： ( 1 ) 现场设备的启停控制和防误操作 由于富氧燃烧陶瓷辊道窑是一个热工设备，其现场设备的启停顺序均有严 格的要求。若无法控制系统设备的启停或启停顺序出现错误，都可能会导致系 统出现安全方面的重大事故，所以对于现场设备的启停控制系统应有冗余设计。 在本系统中，采用手工面板控制+ p l c 中的互锁程序作为系统的安全冗余设计。 在上位机监控软件中，除了实现对现场设备的启停控制之外，还应加入提示设 置。当对现场设备的操作失败时，监控软件应向操作员发出警示；当出现了误 操作时，监控软件在提示操作人员的同时还应取消该操作，从而阻止误操作的 发生。 ( 2 ) 监控设备状态及故障报警 设备状态的监控也是上位机监控软件应该实现的个重要要求。对现场设 备的状态进行监控，并将其动态展示出来，可以供操作人员对整个系统的工作 状况有一个系统的了解；当设备及其动力线路或控制链路出现问题时，监控软 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 件应该通过声光报警等形式提示操作人员故障出现的位置及可能的原因，使操 作人员能迅速检查和排除故障。 ( 3 ) 实时显示现场数据和设备状态的工作状态 对于富氧燃烧陶瓷辊道窑工作时的相关参数，应通过监控软件在界面上实 时显示并动态更新，使操作人员能掌握窑炉的当前情况，为其操作设备和修改 参数提供依据。 ( 4 ) 采用实时曲线的方式显示现场数据 实时曲线显示可以为操作人员展示一段时间以来系统参数的变化情况。对 于富氧燃烧陶瓷辊道窑这种参数类型较多且部分参数变化较大的系统( 例如温 度) ，其实时曲线显示应具有自动变限和运行时采样周期设定等功能，使得操作 人员可以针对温度、压力、电机转速、阀门开度等不同参数的变化特点选择最 适合的显示方式。 ( 5 ) 可以选择性的记录数据 对实时数据进行记录是监控软件的必须功能。一般的监控软件多为在设计 时就已经指定了需要记录的变量和记录周期，并可能设置了运行后自动采集等 功能。采用这种方式记录数据可以使得操作人员在使用软件的时候无需关心数 据采集存储方面的问题，但对于富氧燃烧陶瓷辊道窑这种变量较多且变化速度 不尽相同的系统，采用这种方式记录数据容易造成以下几个方面的问题：一是 若采样周期设置过高会增加上位机处理器的负担，有可能影响上位机软件的运 行流畅度，严重时会使得监控软件无法响应用户的输入指令；二是窑炉并非在 任何情况下都要启动现场的所有设备，记录未使用设备的参数是没有意义的， 会产生无用数据，浪费系统资源，增加了数据筛选的难度。 为了避免以上情况的发生，应将数据采集方式由设计时行为变为运行时行 为，即应有操作人员根据当前的需求来选择要采集的数据、采样周期、起始时 间并自命名数据记录。 ( 6 ) 历史记录显示和数据导出 监控系统应该提供接口让用户可以查阅记录在数据库中的数据表及相关记 录。另外，因为监控系统的使用者不一定熟悉底层数据库的操作，且不应该直 接操作底层的数据库，所以必须将存储在数据库中的数据导出为用户熟悉的格 式，以便查阅和后续分析。数据需要以两种方式导出：一是导出为只读格式， 例如报表和p d f 文档类，供相关人员查阅；二是导出为数据源格式，这种数据 源格式可以用于作为其它分析软件( 例如m a t l a b ) 的数据源。 ( 7 ) 参数设定及参数验证 武汉理工大学硕士学位论文 操作员可以在富氧燃烧陶瓷辊道窑工作时使用监控软件设置其工作参数。 在向下位机写入参数之前，必须执行参数的验证，包括有效性验证和值域验证， 从而避免操作员因为误操作向下位机写入了无效数据导致系统工作故障或引发 安全方面的问题。 ( 8 ) 控制模式切换 富氧燃烧陶瓷辊道窑的控制应可在手动自动模式切换。在使用一个模式时， 均需屏蔽掉另一个模式中的输入项，另外，切换时应实现无差切换。 ( 9 ) 用户权限控制 监控软件应管理用户的权限，并可以完成用户的管理，包括增加删除用户、 修改用户权限等。 ( 1 0 ) 系统日志 主要用于记录操作人员的登录时间、用户名、注销时间及操作人员对系统 关键设备的操作。系统日志可以用于事故原因分析和责任追查。 3 2 软件开发平台的选择 上位机监控软件的开发平台为w i n d o w sx ps p 3 ，后台数据库采用s q l 2 0 0 5 ， 前端开发工具为基于n e t 构架的v i s u a lc 撑2 0 0 8 。 s q ls e r v e r2 0 0 5 相对于s q ls e r v e r 2 0 0 0 ，不仅数据库系统具有更高的性能 和处理能力，还带来了许多新的、在2 0 0 0 中从未出现的特性。而这些新特性也 都是和现代数据库的发展方向一致的。例如，对x m l 的支持、在s q l 语言中 嵌入高级语言的支持【3 6 】鲫。 c 存程序在n e tf r a m e w o r k 上运行。n e tf r a m e w o r k 是w i n d o w s 的一个 不可或缺的组件，包括一个称为公共语言运行库( c l r ) 的虚拟执行系统和一组 统一的类库p 引。 语言互操作性是n e tf r a m e w o r k 的一项主要功能。因为由c 撑编译器生 成的i l 代码符合公共类型规范( c t s ) ，因此从c 群生成的i l 代码可以与从 v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc h 、v i s u a lj 拌的n e t 版本或者其他2 0 多种符合c t s 的语言中的任何一种生成的代码进行交互【3 9 】。单一程序集可能包含用不同n e t 语言编写的多个模块，并且类型可以相互引用，就像它们是用同种语言编写 的。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 软件的三层体系结构设计 j ! 禳 层 数 据 屠 上位机监控系统软件的三层体系结构图如图3 2 所示。 3 3 1 数据层的设计 s 0 ls 酊群2 0 0 5 数据罐 图3 - 2 监控软件的三层体系结构 系统数据层的设计方案是在s q ls e r v e r2 0 0 5 中创建“窑炉数据记录”和 “用户信息 及“操作日志”这三个用于长期存储监控系统信息的数据库。其 中“窑炉数据记录”数据库用于存储用户自定义的采集数据；“用户信息数 据库用于存储已授权用户的信息，包括用户名、密码和权限设置；“操作日志 数据库用于存储用户的登录信息、登录用户对关键设备( 例如燃气阀，执行器) 的操作、登录时设备的状态、注销时设备的状态、运行时系统的故障和报警记 录，该数据库可以用于进行故障分析和责任追查。 以上三个数据库都必须设置相应的权限。“用户信息 数据库可以允许已 授权为