（控制科学与工程专业论文）基于vc的富氧陶瓷窑炉监控系统设计.pdf

独创性声明 l i i iiii iii i ii iii i1 1u i y 18 7 9 8 7 2 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 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。 关于论文使用授权的说明 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、送交 论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：里丝导师签名 摘要 随着人民生活水平的提高和科技水平的发展，传统的陶瓷生产线已不能满 足生产的要求，陶瓷生产线大都采用了以自动控制为主的现代化成套专业设备。 本文针对富氧陶瓷窑炉控制系统要求和现有控制系统现状，以导师课题组研发 成功的富氧陶瓷窑炉试验平台为基础，设计了集实时监控和健康监测于一体的 上位机监控系统软件。 窑炉陶瓷产品的质量取决于众多因素。在烧结阶段，温度和压力是决定烧 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。另外，窑炉生产还需要考虑窑炉设备 安全及其使用期限问题。因此，在保证窑炉生产正常进行的同时，实时检测窑 炉状态，对其进行健康监测，一旦发现有任何异常，及时预警危险，提醒工程 技术人员迅速进行窑炉的维护和保养。 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进行归档以备相 关人员查阅和分析。为此，本文采用a d o 来进行数据库编程进行归档。另外针 对前面提到的问题，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；对于异常情况的发生，需要及时进行调整，监控系统还需要实时 监控窑炉的运行状态，并实现控制功能。 为解决上述问题，本文提出了一套完善的解决方案，主要工作与成果如下： ( 1 ) 课题组成员采用i p c + 单片机的构架，设计下位机硬件电路实现了现场 信号的采集和对烧嘴执行器的控制，现场信号通过a d 、d a 转换器与单片机进 行通讯。 ( 2 ) 对现有健康监测技术进行分析，研究适用于陶瓷窑炉的健康监测技术 和方法，结合富氧及全氧燃烧陶瓷辊道窑的工艺特点，设计富氧及全氧燃烧陶 瓷辊道窑的健康监测系统方案。 ( 3 ) 采用v c + + 6 0 开发，开发了一套富氧陶瓷窑炉监控系统。其中包含了 对数据信号的采集、处理和管理，实现上位机的监测、显示和控制功能。 关键词：富氧陶瓷窑炉，a d o ，健康监测，监控系统 武汉理工大学硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h ei m p m v e m e n to fl i v i n gs t a n d a r da n dd e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g i c a ll e v e l ， t h et r a d i t i o n a lc e r a m i cp r o d u c t i o nl i n e sc a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t so fp r o d u c t i o n ， m o s to fc e r a m i cp r o d u c t i o nl i n eu s et h ec o m p l e t es e to fp r o f e s s i o n a le q u i p m e n tb a s e d m a i n l yo na u t o c o n t r 0 1 i nt h i sd i s s e r t a t i o n , a c c o r d i n g t ot h e r e q u i r e m e n t so f o x y g e n e n r i c h e dc e r a m i ck i l nc o n t r o ls y s t e ma n dt h es t a t u so f t h ee x i s t i n gc o n t r o l s y s t e m ，m a s t e rc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ew h i c h c o n s i s t so fr e a l - t i m e m o n i t o r i n ga n dh e a l t hm o n i t o r i n g ，h a sb e e nd e s i g n e db a s e do nt oo x y g e n e n r i c h e d c e r a m i c 心1 i lt e s tp l a t f o r m 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 et 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 m o r e o v e r , f u m a c ee q u i p m e n t s e c u r i t ya n dt e n u r ei s s u e ss h o u l db ec o n s i d e r e d ，t h u st h er e a l - t i m em o n i t o r i n gc a n e b s r r e st h en o r m a lo p e r a t i o no ft h ek i l na n de n a b l e st h ee n g i n e e r sa n dt e c h n i c i a n st o g e tt 1 1 er e a l - t i m eh e a l t hc o n d i t i o no f 也el ( i l n a ss o o na sa n yd a m a g eo c c u r s ，t h e e n g i n e e r sa n dt e c h n i c i a n sw i l lb ew a r n e dt om a i n t a i na n dr e p a i rt h ek i l na n dr e m o v e t h et r o u b l e si m m e d i a t e l y t h ec e r a m i ck i l nc 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 l t 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 i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，a d oi su s e dt oa r c h i v et h e s et h i n g s t h ea b o v ep r o b l e m sr e q u i r e st h e m 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 ya n d p 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 , a tt h es a m et i m e ，i tn e e dt of i n i s ha l a r m i n ga ss o o n a sa n yd a m a g eo c c u r 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 l li n t e g r a t e d s o l u t i o ni s p r o p o s e di n t h e d i s s e r t a t i o n ，t h em a i nw o r ka n da c h i e v e m e n t si n c l u d e s ： f i r s t l y , t h el o w e rc o m p u t e rh a r d w a r eb a s e do ni p c + m c ua r c h i t e c t u r ew a s 武汉理工大学硕士学位论文 d e s i g n e dt oa c c o m p l i s ht h es a m p l i n go ft h es c e n es i g n a la n dt h eb u r n e ra c t u a t o r c o n t r o l ，i nw h i c h ，t h es c e n es i g n a li st r a n s m i t t e dt om c ua f t e ra d ，d ac o n v e r s i o n s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h eo x y g e n - e n r i c h e dc e r a m i ck i l nt e c h n o l o g yf e a t u r e s ， t h eh e a l t hm o n i t o r i n gt e c h n o l o g i e so fk i l n sa r ed i s c u s s e db ya n a l y s i s i n gt h ee x i s t i n g h e a l t hm o n i t o r i n gt e c h n o l o g y t h i r d l y , a ni n t e g r a t e do x y g e n - e n r i c h e dc e r a m i ck i l nm o n i t o rs y s t e ms o l u t i o ni n m a s t e rc o m p u t e ri s d e v e l o p e d ，i ti sd e v e l o p e dw i t hv i s u a lc + + w h i c hp r o v i d e s c 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 n dc o n t r o lo ft h ec e r a m i ck i i n k e y w o r d s ：o x y g e n e n r i c h e dc e r a m i ck i l n ，a d o ，h e a l t hm o n i t o r i n g ，m o n i t o rs y s t e m i i i 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景及意义1 1 2 国内外研究现状3 1 3 本文主要研究内容5 第2 章富氧陶瓷窑炉的监控系统总体方案设计6 2 1 富氧陶瓷窑炉的基本结构6 2 2 监控系统的控制要求与性能指标7 2 3 监控软件功能需求分析1 0 2 4 监控软件结构设计1 1 2 5 本章小结1 2 第3 章富氧陶瓷窑炉监控系统的数据库应用1 3 3 1 监控系统中数据库的需求分析- 1 3 3 2 数据库对象模型选择16 3 2 1 数据库系统选择l6 3 2 2 数据库访问方式选择2 0 3 3v i s u a lc + + 中基于a d o 的数据库编程2 4 3 4 监控系统中a d o 完成的功能2 7 3 5 本章小结2 9 第4 章富氧陶瓷窑炉监控系统软件设计3 0 4 1 数据接收与发送模块设计3 0 4 2 数据分析处理模块设计3 1 4 3 数据显示模块设计3 2 4 4 窑炉的健康监测一。3 6 4 4 1 健康监测的必要性3 6 4 4 2 设备状态故障监测3 8 4 4 3 特征参数故障检测3 9 4 5 本章小结4 1 武汉理工大学硕士学位论文 第5 章监控系统实现中解决的关键技术及测试4 2 5 1 通讯技术设计4 2 5 2 数据采样频率的设置4 5 5 3 多线程机制和非模态对话框应用4 6 5 4 信号的标定。4 7 5 5 动态曲线显示5 0 5 6 监控系统软件测试。5 l 5 7 本章小结。5 2 第6 章全文总结与展望。5 3 6 1 全文总结5 3 6 2 前景展望5 3 参考文献5 5 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文5 8 作者在攻读硕士学位期间参加的项目= 5 8 致谢5 9 i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 本课题来源于湖北省科技专项资金计划项目“高性能陶瓷窑炉装备关键技 术开发及示范”( 鄂科技发计( 2 0 0 7 ) 1 0 1 号) ，在此基础上申请学校创新基金项 目“富氧陶瓷窑炉的单片机控制系统研究和国家科技部项目“陶瓷窑炉先进 控制与健康监测技术及装备研究( 2 0 0 9 g j d l 0 0 4 2 ) ”。 课题组从富氧陶瓷窑炉的控制要求出发，在已有富氧陶瓷窑炉p l c 控制系 统的基础【l j 上，采用成本较低廉的单片机作为下位机控制器，本文针对项目中富 氧陶瓷窑炉的结构特点，并结合健康监测系统基本设计要求和完成功能，设计 集实时监控和健康监测于一体的基于v i s u a lc + + 的上位机监控系统软件【2 1 。该软 件需要实时读写单片机、采集卡、变频器数据，同时将数据存入数据库以便之 后的提取查询；需要用包含图形和动态曲线韵窗口动态呈现窑炉的工作过程和 现场数据【3 1 ；在进行监测的同时，该软件还可以充分利用上位机运算速度快、数 据存储量大的特点，查询历史数据并根据现场数据控制工作状态【4 1 。另外，上位 机监控系统软件中的健康监测功能可以在保证整个窑炉烧成质量的同时，实时 监测窑炉的设备启停和参数状态信息，一旦发现与正常烧成特性不符现象发生， 及时进行预警【5 儿酬，直接进行相关设备的启停操作，或者提醒技术人员迅速进行 窑炉相关设备的检查和维护，为窑炉烧成过程的安全和窑炉各设备的耐久性提 供有效支持p j 。 陶瓷生产在我国有着悠久的历史，目前在世界范围内我国已成为陶瓷生产 和出口大国【8 j ，并随着人民对陶瓷数量和质量要求的提高，传统陶瓷生产线那种 纯手工的操作方式已越来越不能满足生产的要求，它既增加了工人的劳动强度 又容易出现误操作，还会由于操作人员对炉内温度的错误估计对陶瓷质量造成 较大影响【9 】。另外，传统陶瓷窑炉中操作人员对窑炉运行的监控方面还是采用传 统的电动仪表进行数据显示，采集的现场状态参数也是手工记录，这严重降低 整个窑炉控制工作的效率，并影响工作人员对历史数据的查询、现场工作状态 的查看等操作。 针对这些情况，国内陶瓷生产线随着科技的进步更新设备，窑炉监控系统 武汉理下大学硕壬学位论文 则采用高可靠性的自动控制系统【1 0 】，以此来保证产品质量。原有项目“高性能 陶瓷窑炉装备关键技术开发及示范”中富氧陶瓷窑炉p l c 控制系统采用p l c 做 控制器，负责采集数据并控制各执行器及其他设备的运行来改变陶瓷窑炉状态 参数，上位机则采用专门的针对p l c 作为控制器的情况下的组态软件西门子 w i n c c 开发【i i 】i l2 1 ，这样开发的上位机监控系统虽能较好的显示陶瓷窑炉的生产 过程，准确的控制各设备的起停以及利用烧嘴的燃烧程序来控制状态参数，避 免了效率低下，控制精度差，产品质量难以保证的情况，但是购买组态软件的 价格在几千到几万不等，以p l c 为控制器，以组态软件开发上位机的陶瓷窑炉 控制系统高昂的成本使得很多企业望而却步，继续沿用传统陶瓷窑炉生产模式， 严重降低了陶瓷烧成质量。同时，传统生产模式对陶瓷窑炉生产过程中出现的 异常现象不能做出及时报警，致使窑炉设备容易受损、陶瓷生产也不能顺利进 行【l3 。因此，开发一个高性能、低成本的集实时监控和健康监测于一体的陶瓷 窑炉监控系统显得非常有必要。 富氧陶瓷窑炉监控系统的目的在于提高富氧陶瓷窑炉的自动化程度，从而 缩短生产周期、提高产品质量和延长设备使用期限，并减轻操作人员的工作强 度，为此，本文设计一套集现场数据采集、数据库操作、实时控制和健康监测 于一体的完善的监控系统软件。 为了保证陶瓷窑炉烧成产品质量，在陶瓷窑炉生产过程中，要求窑内温度 与设定的期望烧成曲线相符【1 4 】【1 5 】，所以工作人员要能随时调节各烧嘴执行器开 度、助燃风温度和助燃风机频率来控制窑内温度。另外，为了提高燃气的利用 率，减少废气污染，实现节能减排【l6 】，在陶瓷窑炉中采用富氧燃烧技术，要求 空气和燃气、氧气和燃气按照最适合的设定的比例注入各烧嘴中，并且在进行 温度控制时要求尽可能保持这个比例不变，并控制窑内压力和排放量。由于富 氧陶瓷窑炉生产过程中的火焰温度高、升温快，若采用人工控制，则无论温度 变化速度还是控制精度都存在较大偏差，影响控制效果。 无论从陶瓷窑炉的成本还是从陶瓷的生产质量考虑，陶瓷窑炉整个生产过 程的安全性是一个必须考虑的问题，由于人为的疏忽或设备常年不注意保养超 负荷的运行，很容易造成意外情况的发生【1 7 】【l 引。陶瓷窑炉监控系统要求可以自 动监测排烟风机、助燃风机、各个执行器等设备的工作状态并考虑其相互之间 的相互制约关系，在发现状态不正常时，及时预警，自动停止相关的设备以防 危险发生，或者直接提示操作人员进行故障查找与处理【9 】【捌。另外，富氧陶瓷 窑炉监控系统中针对前面的制约关系，还妻求防止操作人员的误操作，同样进 2 武汉理工大学硕士学位论文 行报警【2 i 】。 综上所述，开发一套功能齐全、成本较低的富氧陶瓷窑炉监控系统在提高 控制精度，减轻操作人员工作量【：2 。、提高自动化程度、降低系统成本、改善燃 气利用率、降低空气污染和保证工程安全等方面具有很大的实际应用价值。 1 2 国内外研究现状 早期，受科技水平的限制，陶瓷窑炉控制采用纯手工的操作方式，在烧成 过程中，用传统的电动仪表进行数据采集显示【23 ，然后由操作工人根据自己的 经验决定增加或减少烧嘴通入的各种气体量，还要能准确调节控制气体通入量 的阀门，控制不精确，达不到烧成需要。近年来，随着计算机的出现以及控制 技术的不断发展，陶瓷窑炉的自动化控制水平得到了很大的提甜2 引。 自上世纪6 0 年代末起，国外开始研究高性能陶瓷窑炉控制系统，现在其高 性能陶瓷窑炉的控制水平已经非常先进【25 。日本东陶( t o t o ) 公司的隧道窑采 用的燃烧系统共分7 组，其中，前4 组每组2 对烧嘴，窑炉上下各一对，后3 组每组3 对烧嘴，其中窑炉上部l 对，下部2 对，各组按照比例调节助燃风执 行器与燃气执行器开度。其控制系统采用单片机作为控制器，通过多个传感器 采集多个区域的温度信号，将信号传送到单片机进行处理【2 6 l ，单片机根据现场 工作状态进行控制。德国陶瓷技术公司( c t b ) 开发的燃气窑，通过系统设定的 一定比例调节注入口或c q ，实现窑内各种气体比例的控制，根据窑炉烧成特 性，得到窑炉氧化气氛、中性气氛和还原气氛，这样才能保证烧成质量【27 。同 时，各烧嘴进行单独控制，当要改变某个区域的状态参数时只需要控制对应的 一个烧嘴就能实现，这样窑炉各个区域的参数能够很好地按设定的曲线烧成与 冷却。英国b r i c e s c o 公司的窑炉控制系统的燃烧采用按照一定比例的燃料和空 气输入到燃烧器，燃烧器则采用连续脉冲燃烧技术，对比例和燃烧器进行控制。 而采用单片机做控制器，用v i s u a lc + + 开发上位机监控系统【2 引，引入脉冲控制方 法协调控制【2 9 j 窑内的温度、压力、气氛的方案在国外还没有实施。 国内对高性能陶瓷窑炉控制系统的研究还仅有十几年的时间，早期主要是 引进国外的成套先进设备和技术，但由于投入成本高昂，产生的经济效益有限。 随着对国外技术的借鉴和不断的研究，国内陶瓷窑炉生产的控制水平不断进步。 按其拓扑结构划分，主要有仪表组合分散型控制系统，计算机集中控制系统和 现场总线控制系统。 武汉理工大学硕士学位论文 仪表组合分散型控制系统主要采用电动仪表单元实现组合控制，每个仪表 单元对应一个传感器、一个执行机构和一个烧嘴，传感器采集窑炉状态参数， 反馈给仪表后，仪表根据具体情况控制执行机构来调节烧嘴，控制窑炉状态参 数。特点是窑炉每个状态参数控制点都有的一套独立的控制回路，并且各个控 制回路之间不会相互影响。早期的陶瓷窑炉由于科技水平的限制，普遍采用这 种控制系统，其控制结构简单，各控制回路之间没有关联，但故障率高，一个 出现问题就影响整体的控制效果，且需要逐个调试。 计算机集中控制系统是由一台上位工控机进行集中控制，下位机则由各个 控制回路完成采集、处理和执行操作。所有传感器采集窑炉状态参数，都反馈 给工控机，工控机接收信号并进行分析，之后根据具体情况分别控制各个执行 机构来调节对应烧嘴，控制窑炉状态参数。特点是所有控制结点最后都由上位 工控机统一控制，具有一定的智能化，并且在上位机上可以设计包含各个状态 参数显示、动态曲线显示等功能的界面，实现人机交互。这种控制系统主要依 靠工控机进行管理，控制界面操作简单、可移植性好，但所有采集和反馈信息 都由 p c 集中控制，当工控机出现故障，整个控制系统运行受阻，影响控制效 果。 现场总线控制系统中，上位机只负责控制系统中数据的显示、处理和反馈， 而具体的采集和控制则由现场控制器完成【3 0 。所有传感器采集窑炉状态参数， 都反馈给现场控制器，现场控制器通过一个总线将数据传送给上位机，上位实 现人机交互和算法分析，将结果反馈给现场控制器，现场控制器根据收到的信 号控制各个执行机构来调节对应烧嘴，控制窑炉状态参数。窑炉状态参数的采 集和具体控制执行由各个总线控制回路自动完成，控制回路主要由数据采集电 路、现场控制器和各种执行器组成【3 l 】【32 。这种将现场仪表、现场控制器和上位 机进行分散控制和集中管理，形成具有三层体系结构的现场总线控制系统解决 了状态参数的实时显示和信息通信。 本文选定单片机+ v c + + 的控制方式，开发出集实时监控和健康监测于一体 的上位机监控系统软件，实现显示窑炉的工艺流程以及数据分析、显示、存储、 报表打印，并向下位机发送命令等功能。该系统成本低廉，主要通过软件实现 其主要功能，使得系统的灵活性大大增强。 课题组成员采用成本较低廉的单片机，开发出一套具有自主知识产权的高 性能、低成本的富氧陶瓷窑炉专用控制器，接收现场级的信号并控制现场的设 备，同时还向上位机发送数据。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 本文主要研究内容 本文在课题组成员开发的富氧陶瓷窑炉专用控制器基础上，针对项目中富 氧陶瓷窑炉的结构特点，并结合健康监测系统基本设计要求和完成功能，设计 集实时监控和健康监测于一体的基于v i s u a lc + + 的上位机监控系统软件。全文共 分6 章，各章主要内容如下： 第1 章绪论。首先介绍课题背景及其研究意义，接着介绍国内外发展现状， 并着重介绍了当今国内存在的几种常见控制系统。 第2 章富氧陶瓷窑炉的监控系统总体方案设计。首先介绍富氧陶瓷窑炉的 基本结构，然后从设备启停控制、压力控制、气氛控制、温度控制、健康监测 几方面分析富氧陶瓷窑炉的控制要求，并简述富氧陶瓷窑炉监控系统性能指标。 最后，结合软件功能需求分析，设计富氧陶瓷窑炉监控系统软件结构。 第3 章富氧陶瓷窑炉监控系统的数据库应用。本章首先分析富氧陶瓷窑炉 中数据库的需求，在监控系统设计中引入数据库。然后介绍数据库的种类，并 在比较其优缺点基础上选择s q ls e r v e r 关系型数据库系统，对数据库常见访问 方式进行分析，阐述选择a d o 技术的原因。之后介绍在v i s u a lc 抖环境中如何 使用a d o 技术对数据库进行操作，在此基础上，根据富氧陶瓷窑炉监控系统的 控制要求，实现数据存储、提取、查询等功能。 第4 章富氧陶瓷窑炉监控系统软件设计。首先根据富氧陶瓷窑炉监控系统 软件结构，从数据接收与发送模块、数据分析处理模块和数据显示模块三方面 进行设计。然后确定在富氧陶瓷窑炉监控系统中加入健康监测的必要性，从设 备状态和特征参数两方面分析富氧陶瓷窑炉监控系统中健康监测的具体实现。 第5 章监控系统实现中解决的关键技术及测试。首先详细说明软件设计中 解决的几个关键技术，然后在这几个关键技术基础上对系统的设计和测试步骤 进行简单介绍。 第6 章全文总结与展望。对全文完成内容进行总结，并在实际实验的基础 上，指出当前监控系统的不足问题，并提出需要改善的方面。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章富氧陶瓷窑炉的监控系统总体方案设计 本章首先介绍富氧陶瓷窑炉的基本结构，然后从设备启停控制、压力控制、 气氛控制、温度控制、健康监测几方面分析富氧陶瓷窑炉的控制要求，并简述 监控系统性能指标。最后，结合软件功能需求分析，设计富氧陶瓷窑炉监控系 统软件结构。 2 1 富氧陶瓷窑炉的基本结构 将坯体连续不问断送入窑炉加工生产的辊道窑，是陶瓷工业中的新型陶瓷 烧成设备，其特征在于温度均匀、烧成周期短、能量消耗低。对于这种陶瓷窑 炉，为了保证窑炉内温度、压力和气氛严格按照烧成曲线进行，对窑炉内部的 设备如气体管道、风机、烧嘴等的位置和控制要求更加准确。 整个富氧陶瓷窑炉主要有六个烧嘴、三个气体主管道和两个风机。富氧陶 瓷窑炉窑体上六个烧嘴的分布图如图2 1 所示( 虚线表示背面的烧嘴) 。 图2 1 富氧陶瓷窑炉的基本结构示意图 从空间位置看，可将这六个烧嘴分为三组：烧嘴l 和烧嘴6 ；烧嘴2 和烧嘴 5 ；烧嘴3 和烧嘴4 【3 引。烧成过程中，每一组的两个烧嘴轮流工作，形成窑内的 热气流的不断流动，保证温度均匀性的同时降低能源消耗。每一个烧嘴都连接 空气、氧气和燃气三个气体分管道。三个气体主管道分别是空气、氧气和燃气 管道，每个管道由一个电磁阀、一个流量表和一个执行器，通过控制各种气体 的流量来控制烧嘴功率，以达到控制窑内温度和气氛的效果。两个风机分别为 助燃风机和排烟风机，由两台a b ba c s 5 1 0 变频器控制，通过调节变频器的频 率，改变风机转速，从而控制窑炉压力和温度。 6 武汉理工大学硕士学位论文 在窑炉生产中，温度、压力、气氛是影响产品烧成质量的三大主要因素。 因此窑炉中安装有十八个热电偶、三个压力传感器。热电偶人用于测量窑体各 个区域的温度值，保证温度的均匀性【3 4 】【3 5 】。压力传感器则用于测量燃气压力、 助燃风压力和窑内压力。另外，气氛的具体测量由材料学院完成，控制则是根 据燃气执行器的开度，按照设定的空气和燃气、氧气和燃气各自的比例系数完 成。 2 2 监控系统的控制要求与性能指标 根据富氧陶瓷窑炉的基本结构和陶瓷烧成特性，富氧陶瓷窑炉监控系统的 控制要求可以细分为设备启停控制、压力控制、气氛控制、温度控制和健康监 测。为确定系统的实现功能，首先对这些控制要求进行具体分析。 ( 1 ) 设备启停控制 设备启停控制主要包括风机、电磁阀等设备的启停控制。当富氧陶瓷窑炉 内温度、压力和气氛偏离烧成曲线、操作人员出现误操作、健康监测系统检测 设备出现意外故障这些情况发生时，要求富氧陶瓷窑炉监控系统运行设备启停 控制，以保证烧成产品质量、操作人员安全和设备使用期限。 风机的启停控制主要由工控机完成，工控机与变频器进行串口通信，通过 控制变频器的启停和频率来控制风机的启停和转速。其他执行机构的控制则由 单片机和工控机共同完成，工控机与单片机进行串口通信，将控制信号发送给 单片机，由单片机直接实施。工控机监控系统从单片机和变频器读取各设备的 工作状态，显示在监控界面中，当出现异常现象时报警并通知单片机和变频器 控制设备的启停。 ( 2 ) 压力控制 压力控制是指燃气压力、助燃风压力和窑内压力的控制。当富氧陶瓷窑炉 这窑内压力偏离烧成曲线，或者燃气压力和助燃风压力不正常时，需要监控系 统运行压力控制，以保证烧成产品质量和整个烧成过程的顺利运行。 压力控制由工控机和变频器共同控制；在工控机监控系统相应界面上输入 压力设定值，与反馈值比较后将控制信号通过串1 ：3 通信写入变频器，通过调节 变频器频率来改变风机转速，从而实现压力控制。其中助燃风压力由助燃风机 7 武汉理工大学硕士学位论文 变频器控制，窑内压力由排烟风机变频器控制。 ( 3 ) 气氛控制 气氛控制是指窑炉中的各种气体成分含量比的控制。将空气、氧气和燃气 按预设比例从管道送往烧嘴燃烧后，若氧气过剩，窑炉气氛为氧化气氛；若燃 气过剩，窑炉气氛为还原气氛；若正好按比例完全燃烧，则窑炉气氛为中性气 氛。当富氧陶瓷窑炉的气氛偏离烧成曲线时，需要控制系统运行气氛控制，以 保证烧成产品质量和资源的合理应用。 气氛的控制主要由工控机和单片机共同完成。根据工艺要求在工控机监控 系统中输入设定的空气与燃气、氧气与燃气的比例系数后，依据燃气执行器的 开度，将空气和氧气执行器的开度值写入单片机，再由单片机改变执行器开度， 实现气氛控制。 ( 4 ) 温度控制 温度控制是指助燃风温度、排烟风温度和窑内温度的控制。在陶瓷窑炉的 生产烧成工艺中，整个烧成系统可分为预热区、烧成区、直冷区、间冷区和自 然风冷区几个独立部分，窑内温度须严格符合各个区域的烧成曲线，以保证烧 成产品质量。助燃风温度则需要严格符合设定值，保证窑内温度的稳定。排烟 风温度则不能高于一定的设定值，保证窑炉设备的安全。 助燃风温度控制是是由单片机完成的，当窑内温度反馈值与设定值相符并 且稳定下来时，助燃风温度需要设定在一固定值，工控机将这一温度发送到单 片机，单片机通过调节加热炉功率进行控制。排烟风温度温度控制是由单片机 完成的，为保证排烟设备的安全，排烟风温度不能超过一定设备承受值，单片 机通过调节排烟配风阀的开度来进行控制，而窑内温度控制是由单片机和工控 机共同完成。在工控机监控系统中输入空气与燃气、氧气与燃气比例关系的设 定值，然后单片机按照这个比例控制执行器输入的空气、氧气和燃气流量。当 窑内温度反馈值与陶瓷的对应烧成曲线值不同时，调用p i d 模块，确定烧嘴燃 气管道执行器开度，工控机将该信号写入单片机，单片机按照比例关系控制空 气、氧气、燃气输入量来实现窑内温度的控制。 同时温度控制与压力控制、气氛控制相互影响，当窑内温度偏离烧成曲线 时，在设定的空气与燃气、氧气与燃气比例关系不变的前提下，修改燃气输入 量来改变温度，该操作必将影响窑炉气氛，将窑内气氛与设定的比例关系比较， 8 武汉理工大学硕士学位论文 修改设定比例关系，在保证温度控制的基础上尽量满足气氛要求。在窑炉温度 符合烧成曲线时，由于助燃风温度将影响炉温的稳定，而排烟风温度影响排烟 设备的安全，设定助燃风温度和排烟风温度为一固定值( 比如2 0 0 ) ，然后由 助燃风机变频器来控制助燃风机配风量的大小，实现窑炉温度的稳定，执行该 操作必然引起窑内压力和助燃风压力的波动，则需要再由排烟风机变频器或助 燃风机变频器来进行调节和稳定。 ( 5 ) 健康监测 健康监测是指对设备状态和烧成参数的检测，在出现异常现象时预警并提 示工作人员进行下一步操作。当执行器开度或者风机频率出现不正常现象、烧 成参数偏离设定值太远等状况时，需要及时报警，显示故障信息，提示操作人 员进行查看。 健康监测是由单片机和工控机共同完成，单片机及其外围电路采集与富氧 陶瓷窑炉中与其健康状况相关的特征信息，如各点温度、电磁阀和风机的启停 等，将这些信息信号通过串口通信发送给工控机，工控机据此来分析陶瓷窑炉 工作状态和设备状态是否正常，在不正常时进行报警，显示详细故障信息，提 示操作人员进行检查并维护。 根据监控系统的控制要求，设备启停控制、压力控制、气氛控制、温度控 制和健康监测，总结出监控系统需要实现功能。富氧陶瓷窑炉的单片机控制系 统中，以控制温度、压力、气氛这影响陶瓷窑炉生产的三大因素为主，辅以对 特征参数和设备状态的健康监测，在保证产品质量的同时在生产安全和设备完 好方面建立保障。在此基础上，提出富氧陶瓷窑炉监控系统性能指标如下： 1 ) 实时准确采集现场各种需要信号，并按要求控制各执行机构； 2 ) 显示生产工艺流程、各参数设定值以及烧成参数反馈值的趋势曲线； 3 ) 存储大量数据，包括反馈值和设定值，便于对历史数据的查询和分析； 4 ) 助燃风压力控制精度为5 0 p a ，窑内压力控制精度为2 5 p a ； 5 ) 助燃风的温度偏差在2 5 0 c 以内，窑内平均温度偏差在2 0 c 以内； 在此基础上，确定富氧陶瓷窑炉监控系统要实现的功能主要是下位机实时 采集现场的信号，控制各个执行机构和上位机显示生产工艺流程、输入设定值、 发出报警信息以及显示烧成参数反馈值的趋势曲线，存储各种反馈值和设定值。 陶瓷窑炉是陶瓷生产工艺中最主要也是最关键的设备，为提高烧成产品质 量、提高资源利用率、降低环境污染、提高设备使用期限，除需要选用合理的 耐火材料等一些外在条件外，选用合适的控制系统，保证温度、压力、气氛严 9 武汉理工大学硕士学位论文 格按照烧成曲线进行控制，才是实现功能的关键所在。 2 3 监控软件功能需求分析 富氧陶瓷窑炉监控软件需要为工作人员提供一个人机交互界面，借助监控 软件，工作人员可以轻松完成富氧陶瓷窑炉各种功能。富氧陶瓷窑炉监控系统 软件实现功能有：实时显示现场数据、监控设备状态及启停控制、实时数据曲 线显示、历史数据显示及导出以及健康监测，其功能结构图如图2 2 所示。 图2 2 监控软件功能结构图 监控系统软件首先通过串口和采集卡读取现场数据信号，之后，一方面将 这些采集数据存入数据库中，另一方面提供给现场设备监控界面、现场数据显 示界面、动态曲线显示和窑炉健康监测界面中进行显示或处理。现场数据显示 界面显示窑炉烧成工艺和窑炉温度和压力。现场设备监控界面中显示各执行器 开度值，同时接收操作人员的输入，并进行分析处理将最终控制信号传送到现 场。根据2 1 节介绍的窑炉基本结构可知，窑炉共有6 个烧嘴，监控系统设计中 将其进行分别设计，即对应六个现场设备监控界面。健康监测界面则由操作人 员选择监测选项，并根据接收的现场数据对操作人员进行提示并将控制信号传 送到现场。动态曲线显示界面显示温度、压力和流量的实时动态曲线，对应三 个界面，其中热电偶趋势界面可显示1 8 个窑内温度、助燃风温度和排烟风温度， 压力趋势界面可显示燃气压力、助燃风压力和窑内压力，流量趋势界面则显示 武汉理工大学硕士学位论文 注入窑炉的空气、氧气和燃气流量。历史数据查询界面则负责满足用户要求， 从数据库中查询符合条件的数据进行显示。 2 4 监控软件结构设计 根据监控系统软件需要实现的功能，整个富氧陶瓷窑炉监控系统软件从结 构上可以分为数据接收与发送模块、数据分析处理模块、数据库操作模块和数 据显示模块，监控软件结构图如图2 3 所示。 图2 3 监控软件结构图 数据接收发送模块接收现场信号后，一方面将其传送到数据显示模块，方 便工作人员查看窑炉状态，另一方面将这些信号存储在数据库中。数据分析处 理模块提取数据库中现场数据进行分析处理，得到的控制信号一方面传到数据 显示模块，另一方面存储在数据库中，同时还需要通过数据接收发送模块将控 制信号发送到现场控制器，实现控制功能。数据显示模块也可以直接从数据库 中提取数据显示。数据库操作模块实现的功能将在第3 章中详细介绍，下面对 其他3 个界面实现功能进行介绍。 ( 1 ) 数据接收与发送模块 数据接收与发送模块完成的功能包括采集现场数据、数字量与对应温度、 执行器开度值之间的转换、发送控制信号。采集现场数据包括单片机发送的2 0 个温度信号、采集卡采集的各执行器开度信号和两个变频器的频率信号。其中 变频器频率信号属于直接从变频器中读取，而温度和执行器开度都是经过一定 的转换最后得到的数字量，需要转换为实际的温度值和执行器开度值，详细的 转换公式之后会有详细介绍。最后的读写数据库在3 3 节中已有介绍，这里就不 再复述。发送控制信号是指将控制信号通过串口发送给单片机和变频器，控制 现场设备实现控制功能，控制信号包括变频器频率、各烧嘴执行器开度等。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 数据分析处理模块 数据分析处理模块的功能为当燃烧器控制选择自动控制时，分析处理从数 据库中提取的现场数据，得到各执行器开度、变频器频率等的设定值，并将这 些设定值发送到在数据显示模块和数据库操作模块的同时，发送到数据接收与 发送模块完成控制功能。这些分析处理主要是根据控制要求，比较温度、压力、 气氛的反馈值，通过控制算法得到执行器开度和变频器频率的修改值，从而使 得各参数能符合各阶段的控制要求。 ( 3 ) 数据显示模块 数据显示模块实现与工作人员的交互，完成显示现场数据、监控设备状态 及启停控制、历史数据显示及导出功能。显示现场数据是指得到数据接收和发 送模块的温度、压力数据进行显示，监控设备状态及启停控制是指显示现场各 烧嘴执行器开度并接收来自数据分析处理模块的控制信号实现设备的启停控 制。 2 5 本章小结 本章介绍了富氧陶瓷窑炉的基本结构，从设备启停控制、压力控制、温度 控制、气氛控制、健康监测几方面分析了富氧陶瓷窑炉的控制要求，并在窑炉 基本结构和控制要求基础上简述了富氧陶瓷窑炉监控系统性能指标。最后，软 件功能设计了富氧陶瓷窑炉监控系统软件结构。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章富氧陶瓷窑炉监控系统的数据库应用 本章首先分析富氧陶瓷窑炉中数据库的需求，在监控系统设计中引入数据 库。然后介绍数据库的种类，并在比较其优缺点基础上选择s q ls e r v e r 关系型 数据库系统，对数据库常见访问方式进行分析，阐述选择a d o 技术的原因。之 后介绍在v i s u a lc + + 环境中如何使用a d o 技术对数据库进行操作，在此基础上， 根据富氧陶瓷窑炉监控系统的控制要求，实现数据存储、提取、查询等功能。 3 1 监控系统中数据库的需求分析 2 0 世纪6 0 年代以前，计算机主要还是用于科学计算，而6 0 年代以后的社 会各大系统中，随着科技的不断发展更新，产生了巨大的信息流和随之而来的 数据流【3 鲥。为了适应和满足社会发展的这种状况，必须采用新的技术和手段来 对这些数据流进行收集、存储、检索、分类和统计等，方便人们的生活和工作， 这就是数据