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东北大学硕士学位论文 摘要 隧道窑控制与管理系统设计及烧成带温度解耦控制研究 摘要 作为砖瓦工业中一种非常重要的烧成设备，隧道窑在卫生陶瓷、耐火材料等砖瓦产 品的生产过程中已经得到了越来越广泛的应用。但是，受到资金及技术水平的限制，我 国隧道窑生产过程自动化程度相对较低，既严重限制了砖瓦产品质量水平的提高，又造 成了较大的能源消耗。因此，如何进一步提高我国隧道窑生产过程的自动化水平，具有 重要的理论及现实意义。 本文围绕某企业1 1 0 米高温隧道窑计算机控制与管理系统的设计及开发，对隧道窑 生产过程的自动控制问题进行了研究。在深入分析隧道窑生产工艺要求以及国内外隧道 窑自动控制系统发展状况之后，本文对隧道窑计算机控制与管理系统的整体结构、控制 部分及管理部分进行了设计与实现。同时，为了进一步改善隧道窑自动控制的效果，本 文还针对隧道窑烧成带温度解耦控制问题进行了相应研究，提出了一种基于两层r b f 神经网络的隧道窑烧成带温度解耦控制方法。 在实际生产过程中良好的运行状况表明，本文开发的隧道窑计算机控制与管理系统 设计合理，功能先进：相应的仿真研究也证明了本文提出的烧成带温度解耦控制方法的 有效性。综上所述，本文的研究工作在一定程度上为隧道窑生产过程自动控制技术的发 展进行了实践探索和理论储备。 关键词：隧道窑；控制与管理系统；神经网络；解耦控制 i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e s i g no fc o n t r o la n dm a n a g e m e n ts y s t e m f o rt u n n e lk i l na n d r e s e a r c ho nt e m p e r a t u r ed e e o u p l i n gc o n t r o lo fh e a t i n gz o n e a b s t r a c t a sa l li m p o r t a n th e a t i n ge q u i p m e n ti nb r i c ki n d u s t r y , t h et u n n e lk i l nh a sb e e nm o r ea n d m o r ew i d e l yu s e di nt h ep r o d u c t i o np r o c e s so fc h i n a w a r ea n df i r e b r i c k h o w e v e r , t h e a u t o m a t i z a t i o nl e v e lo ft u n n e lk i l i li nc h i n ai s r e l a t i v e l yl o wb e c a u s eo ff i n a n c i a la n d t e c h n i c a lr e a s o n s t h i sk i n do fs i t u a t i o nr e s u l t si nl o w e rp r o d u c tq u a l i t ya n dm o r ec o n s u m i n g o fe n e r g ys o u r c e t h e r e f o r e h o wt oi m p r o v et h ea u t o m a t i z a t i o nl e v e lo f t u n n e ll ( i l i li sr e a l l ya p r o b l e mt or e s o l v e a c o m p u t e rc o n t r o la n dm a n a g e m e n ts y s t e md e s i g n e df o ra1 1 0m e t e r sh i g ht e m p e r a t u r e t u n n e lk i l ni sc o n c e r n e di nt h i st h e s i s f i r s t l y , t h et h e s i sa n a l y z e st h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s a n dt h ec u r r e n ts i t u a t i o no fc o n t r o ls y s t e mo ft h ep r o d u c t i o np r o c e s s a f t e rt h a t ，w ee l u c i d a t e t h eh o l i s t i cs t r u c t u r e ，t h ec o n t r o l l i n ga n dt h em a n a g e m e n tp a r t so ft h ec o m p u t e rs y s t e m r e s p e c t i v e l y t e m p e r a t u r ec o n t r o lo ft h eh e a t i n gz o n e ，w h i c hi st h ek e yp a r to ft h ec o n t r o ls y s t e mo f t u n n e lk i l n ，i sa l s oi n c l u d e di nt h i st h e s i s o nt h eb a s i so fs u m m a r i z i n ga n da n a l y z i n gt h e e x i s t e dr e s e a r c h i n gr e s u l t s ，an e wt e m p e r a t u r ed e c o u p l i n gc o n t r o lm e t h o do ft h eh e a t i n gz o n e o f t u n n e lk i l ni sp r o p o s e di nt h i st h e s i sw h i c hi sb a s e do nd o u b l e d e c kr b fn e u r a ln e t w o r k t h ea p p l i c a t i o no ft h ed i s c u s s e dc o n t r o la n dm a n a g e m e n ts y s t e ma n dt h es i m u l a t i o n r e s u l to f t h et e m p e r a t u r ed e c o u p l i n gc o n t r o lm e t h o dd e m o n s t r a t et h ev a l i d i t ya n dr e l i a b i l i t yo f o u rw o r kf o rt u n n e lk i l n k e yw o r d s ：t u n n e lk i l n ；c o n t r o la n dm a n a g e m e n ts y s t e m ；n e u r a ln e t w o r k ；d e c o u p l i n gc o n t r o l i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：豸苟 日期：7 仇形- 口- 护 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、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 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在卜- 方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 随着我国综合国力的不断增强，砖瓦工业无论在产量上，还是在技术水平上都有了 长足的发展。隧道窑作为砖瓦工业中一种非常重要的烧成设备，具有许多优点【l j ： ( 1 ) 机械化、自动化程度高，劳动强度低，生产能力大，应用范围广。 ( 2 ) 操作环境良好，装卸窑车均在窑外，常温下进行。 ( 3 ) 使用寿命较长，比较好的隧道窑可以使用十几年。 ( 4 ) 热效率高，由于利用燃料燃烧热量预热砖坯和空气以及具有固定的段带，因此 不需要消耗用于砌砖加热和蓄热的热量，从而使单位燃料消耗降低。 基于此，隧道窑在卫生陶瓷、耐火材料等砖瓦产品的生产过程中已经得到了越来越 广泛的应用。研究隧道窑生产过程的自动化具有重要的理论及现实意义。本文的研究工 作就是围绕隧道窑生产过程的自动控制问题展开的。 1 1 隧道窑结构及生产工艺简介 1 1 1 隧道窑的结构 根据烧成制品的不同，隧道窑在结构上也略有差异，但其基本结构是类似的。隧道 窑是由耐火砖和其他耐高温材料砌筑而成的隧道型工业窑炉。隧道内铺设供窑车行驶的 钢轨，窑车底部两端以凹凸形式相互衔接，构成隧道窑窑室平面。 通常，隧道窑被连续分为预热带、烧成带、冷却带。下面分别介绍各段带的主要结 构： 预热带结构 预热带主要作用是对烧成制品进行预热。在预热带窑墙内设有排烟孑l ，与烧成制品 完成热交换后的废气由排烟机抽出。 烧成带结构 烧成带每个车位两侧分别设有烧嘴和助燃风口。加热用的重油经雾化风雾化后喷入 窑内，与从助燃风口送入的助燃风混合燃烧。 雾化风由烧成带两侧的高压风管道送入。除了起到雾化重油的作用外，雾化风还可 东北大学硕士学位论文第一章绪论 以起到保护烧嘴以及充当一次空气的作用。雾化风压力稳定与否，直接关系到燃料的燃 烧效率。 冷却带结构 冷却带主要用于烧成制品的冷却。由冷却风机送入窑内的冷却风在冷却烧成制品的 同时被加热，这部分热风大多由助燃风机抽出，分别送至烧成带各车位，用作二次空气： 其余的冷却风由抽热风机抽出，再送至其它工序，可用作干燥制品的热源。 1 1 2 隧道窑生产工艺 隧道窑是一种逆流式的烧成设备，靠坯体和热介质的相对运动，依次完成坯体预热， 烧成和制品的冷却 2 1 。隧道窑的工艺流程如图1 1 所示。 倒1 1 隧道窑t 艺流程图 f i g 1 1t h et e c h n i c a lf l o w c h a r to f t u m a e lk i l n 窑车上的坯体，由于推车机的推动，在隧道内与气流依相反方向作连续或间歇移动， 并沿窑车前进方向依次完成预热、烧成和冷却过程。因此，如前文所述可以将隧道窑沿 窑长分为预热带、烧成带和冷却带。 在正常生产状况下，操作人员按规定时间间隔完成入车操作。入车时，先从窑尾拉 出一辆完成烧成的窑车，然后再从窑头推入一辆新的装好坯体的窑车。新窑车在进入窑 内后将首先经过预热带，由于窑内气流是从冷却带流向预热带，因此处于预热带的窑车 上的坯体将首先与来自烧成带的高温烟气接触。随着窑车在预热带内缓慢前进，窑车卜 坯体的温度逐渐升高，当窑车进入烧成带后，借助燃料燃烧放出的热量，窑车上的坯体 被进一步加热，最终达到工艺要求的烧成温度。之后，窑车进入冷却带，窑车上完成烧 制的坯体与从窑尾鼓入的大量低温空气进行热交换，温度不断降低，直到窑车移出窑外， 烧成过程完成。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 国内外隧道窑自动控制系统现状、前景和意义 1 2 1 隧道窑自动控制系统的现状 隧道窑作为砖瓦工业的主要烧成设备已经历了多年的成长和发展，相比于其他类型 的工业窑炉来说，自动化程度较高。但是国内现有隧道窑的控制大多还停留在常规仪表 控制的水平上，实现温度自动调节的不是很多，控制水平较为低下。控制系统的这一现 状产生了大量的工业问题：一是造成操作人员多，劳动强度大；二是导致窑炉运行不稳 定，造成产品质量差异较大；三是热损失较大，造成能源浪费【j j 。 近年来，随着计算机硬件水平和网络技术的飞速发展，隧道窑自动控制设备的硬件 配置也已从传统的模拟仪表、数字仪表发展到计算机控制。系统结构从集中式控制、分 布控制向计算机集成管理控制系统方向发展1 4 j 。 国内研究机构及相关企业在该领域做了大量的工作，并取得了显著的成绩，使我国 隧道窑自动控制的水平逐步提高。例如，铁道科学院自主研发的隧道窑多变量智能控制 及管理系统，是专门针对我国现有工业隧道窑特点而设计制造的。适用于以重油、轻油 以及清洁燃气为主要燃料的工业窑炉。该系统采用了先进的计算机硬件、软件、网络通 信以及智能控制技术，无论在控制方式、性能、功能、可靠性和灵活性方面都具有很高 的性能价格比，是代表未来发展方向的新一代工业窑炉自动控制系统。该系统控制精度 达到国外同类窑炉先进水平p j 。 从国外引进先进窑炉进行消化和吸收，也是国内隧道窑自动控制系统实现快速发展 的方式之一。例如，河南省焦作市某企业结合现有6 9 m 国产新型宽断面节能隧道窑的 工艺结构特点，借鉴国外窑炉的先进经验，研制开发出了煤气烧成隧道窑的两级微机控 制系统。这一以微机为基础的小型分布式控制系统( d c s ) ，实现了窑炉牛产：过程集中操 作和分散控制，提高了窑炉的热：t = 性能和节能水平【。 国内部分先进企业的隧道窑自动控制也已经具有了较高的水平。例如，黄冈某企业 隧道窑的温度、压力、气氛及流量等均采用先进的多变量模糊控带i j ( f c ，f u z z yc o n t r o l l 结合p i d 控制的计算机自动控制技术，通过计算机、模糊控制器、1 _ r 编程序控制器f p l c ) 和智能仪表，实现了高精度的双回路串级自动调节、控制和管理j 。 综合评价，国外新型隧道窑自动控制系统的总体水平好于我国，并正向着更快、更 轻、更好、更少的方向发展。一些经济发达的西方国家，在砖瓦1 业中已实现了工厂全 自动化生产，无论窑断而大小如何，从码窑车丌始，到窑车运转系统、顶车、烧成、窑 内温度和压力的监控，到各风闸的动作，窑门升降全部实现自动控制。 一1 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 在新型隧道窑自动控制系统应用领域，欧洲和日本都有长足进展。例如，已经在西 班牙投入使用的一座钢外壳隧道窑采用了大功率的过程控制计算机，该计算机同存储程 序控制装置和数字调速器一起以最佳效果控制着隧道窑的运行。该套系统中成功应用了 精心设计的菜单技术，通过彩色的工艺过程图像为用户提供了大量有用信息，并且操作 简便。该系统能够模拟隧道窑全部重要部件及管道的运行状况。过程参数的测量值，设 定值以及工艺过程的状态信息实时的反映在大屏幕显示器上。当产品或吨位数发生变化 时，烧成曲线会全自动的适应该变化，并以最快速度中止所有l 临界边缘条件，如加热和 冷却速度等。这种现代化的数字硬件调速器借助友好的人机交互界面从过程计算机获得 设定值和设定参数。由于调节系统始终参与生产过程而不是在计算机可能出现故障时才 开启，这样就可以确保较高的运行可靠性p j 。 德国r i e d ha m m e r 燃气t w 6 5 2 1 0 7 5 g 现代轻型隧道窑的控制系统大体由四个 部分组成：a 、电机系统；b 、输车系统；c 、热工检测及自动调节系统；d 、工况监护 及报警系统。全部由微机自动调节和控制。整个控制系统包括：电子自动点火、火焰探 测、喷嘴火焰回流防爆。自动调温及比例调节压力，推车超压报警，煤气阀联锁自动启 闭等功能。操作人员通过人机交互界面设定温度、压力、气氛、流量、燃起与助燃风调 节比值等主要的过程参数。自动显示、记录仪表具有显示窑炉运行状况或记录历史曲线 的功能p j 。 为进一步提高耐火材料生产企业的产品质量和管理水平，日本的一些耐火材料生产 厂家也已经广泛采用了计算机控制系统。这些计算机控制系统一方面实现窑温、窑压等 参数的自动调节，设定值的修改、趋势图的绘制以及报警等功能；另一方面可以对窑内 温度、压力分布情况、各台车的生产信息等重要的质量参数进行监测和记录，并将这些 重要的历史数据进行存储，便于对历史生产信息的查询和分析。 1 2 2 隧道窑自动控制系统的前景 虽然目前隧道窑生产过程的自动化已经取得了长足的进步，但是限于现有的技术和 工艺水平，并没有真正实现隧道窑生产的全过程自动化。随着自动控制技术的不断进步， 隧道窑生产工艺的不断改进，隧道窑自动控制系统将更加完善，体现隧道窑特性的温度 制度和压力制度将实现智能优化控制，控制系统将具有更高的精度、更快的速度以及更 强的抗干扰性能。例如，窑炉监控系统能够根据已经设定的烧成制度，对窑内发生的各 种变化自动进行调控。当系统当前状态发生变化时，控制系统将驱动执行机构对相应参 数做出调整。隧道窑的辅助过程也将进一步实现自动化、一体化。例如，隧道窑的进车、 一4 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 出车、窑门升降按预先设定的程序自动完成，在无人干预的情况下，窑车能在回车线上 顺利完成码坯，砖坯转运，卸砖，返回等作业。利用电子计算机技术实现全过程自动化 控制的隧道窑可以准确、及时、灵敏地调整各项热工参数，减少对操作经验的依赖，降 低操作人员的劳动强度；提高窑炉运行稳定性，进一步改善产品的质量，增加产品的产 量；并且进一步降低能耗，减少能源浪费。 1 2 _ 3 开发隧道窑自动控制系统的意义 我国现有隧道窑在生产效率、节能、节约耗材、热能利用( 热效率) 、控制操作及 环境保护等方面的技术和管理水平还比较落后。这种落后的生产工艺和技术水平，使得 我国砖瓦工业的产品质量仍处于较低水平，严重制约了我国砖瓦行业的发展。同时，我 国还是一个人口众多，资源相对匮乏的国家，这样的国情要求我们必须不断提高技术水 平，逐步降低隧道窑生产过程中的能耗。 通过技术引进虽然有助于快速提高我国隧道窑生产过程的技术水平，但是由于无法 获取关键技术，阻碍了对引进系统的消化吸收。而且，少数由国外高价引进的全套控制 系统，也由于缺乏必要的维护措施，运行效果并不理想。因此开发适合我国国情的高水 平隧道窑生产过程自动控制系统是提高我国砖瓦产品质量和管理水平的必由之路。 1 3 隧道窑自动控制中存在的问题 由于隧道窑生产过程是典型的热工生产过程，因此，窑内的温度直接影响着烧成产 品的质量。通常情况下，为了使产品达到要求的技术指标，在焙烧过程中必须严格保证 烧成带各区温度符合技术部门下发的烧成曲线，同时尽可能保持窑内温度制度的稳定。 从控制对象动态特性的角度讲，隧道窑是属于具有时变性、大滞后、多干扰的热工 过程，各调节参数与被调参数之问存在着多层次的交叉耦合作用。目前，在实际过程 中广泛采用传统的p d 方式对烧成带各区分别进行控制，尽管这种方式能够基本实现各 区温度的自动调节，但是由于多变量相互耦合，使p i d 的参数整定很复杂，而且控制速 度慢、系统超调大，控制效果并不十分理想。 因此，如何进一步提高烧成带温度控制的精度和稳定性，已经成为隧道窑自动控制 中的研究热点和难点之一一。 随着智能控制方法的快速发展，针对上述问题的研究取得了一定的进展。文献 i o 中认为，对此种复杂的生产过程，有经验的操作工人却能凭经验使系统基本正常运行， 一5 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 主要是对整个系统有综合判断能力，即具有模糊控制能力。摹于此，该文章尝试了f u z z y ( 模糊) 控制和p i d 控制相结合的控制系统，并取得了较好的控制效果。文献【1 1 】中也 对在隧道窑温度控制巾使用模糊控制方法进行了探讨，并对传统模糊控制方法进行了改 进。 近年来，神经网络在解决与隧道窑过程类似的温度过程的控制问题中得到了越柬越 广泛的应用。文献 1 2 中建立了一种基于d r n n 神经网络的p i d 控制器，该控制器具有 参数自整定，多输入多输出特点。文献e 1 3 巾采用p i d 神经网络实现在线学习，根据对 象过程参数调整控制作用，达到了系统解耦和控制的目的。 尽管前人已经在该领域的某些力向进行了深入的研究，但由于这些方法或要求大量 操作经验，或结构复杂、稳定性差，要将其应用于实际生产过程还有许多工作要做。 1 4 本文的主要工作 本文以某企业1 1 0 米高温隧道窑训算机控制与管理系统的设计和丌发t 作为主要内 容，并针对其烧成带温度控制方法进行了研究，包括以下土要工作： ( 1 ) 通过查阅文献，了解目前隧道窑自动控制系统的现状、前景和意义。 ( 2 ) 完成隧道窑计算机控制与管理系统的总体没计。 ( 3 1 完成隧道窑计算机控制系统的设计与实现。 ( 4 ) 完成隧道窑计算机管理系统的设计与实现。 ( 5 ) 针对烧成带各区温度的耦合问题，提出了一种基于两层r b f 神经网络的烧成带 温度解耦控制方法，并通过仿真研究证明了该方法的有效性。 温度解耦控制方法，并通过仿真研究证明了该方法的有效性。 6 东北大学硕士学位论文第二章隧道窑计算机控制与管理系统设计 第二章隧道窑计算机控制与管理系统设计 本章围绕为某企业两条11 0 米高温隧道窑开发的计算机控制与管理系统的总体架构 展开，分别对该套系统的总体结构设计、各层功能、所涉软硬件以及数据通信方式做了 深入研究。 2 1 计算机控制与管理系统总体设计 本文研究的计算机控制与管理系统采用三级集散控制系统结构，如图2 1 所示。在 具体介绍该系统的总体结构及各层功能之前，为了便于说明，我们先对集散控制系统进 行简要介绍。 图2 1 计算机控制与管理系统结构 f i g2 1t h es t r u c t u r eo f c o n t r o la n dm a n a g e m e n ts y s t e m 2 1 1 集散控制系统简介 集散控制系统最初产生于7 0 年代中期，它是4 c 技术( 即计算机一c o m p u t e r 、控制 技术一c o n t r o l 、通信技术一c o m m u n i c a t i o n 和c r t 显示技术) 综合的产物，其核心是微型 计算机。可以说集散控制系统是一种以微型机为主的分级分布式微机网络控制系统。 一7 一 东北大学硕士学位论文第二章隧道窑计算机控制与管理系统设计 集散控制系统具有+ 般计算机控制系统控制算法先进、精度高、响应速度快的优点 同时它还具有常规仪表控制系统安全可靠、配置灵活以及维护方便等优点。 图22 集散控制系统组成 f i g 2 2t h es t r u c t u r eo f d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m 图2 2 为典型集散控制系统的基本组成。其具有分层结构，可划分为三个层次，分 别为基础控制级、操作监控级和生产管理级。对于不同的生产过程，可根据其对自动控 制系统复杂程度的要求选用第二、第三级。 2 1 2 系统结构设计 对照上节中的集散控制系统组成，本文对本系统的层次结构进行了设计。如图2 3 所示，本系统采用了基础控制级、操作监控级和生产管理级三层结构的集散控制系统。 基础控制级包括两套德国s i e m e n s 公司的s 7 3 0 0 可编程控制器( 下文使用s 7 3 0 0 p l c 表示) 和1 2 个e u r o t h e r m 公司的2 4 0 8 单回路控制器( 下文使用2 4 0 8 控制器表示) 以及其它辅助设备。每条窑使用一套s 7 3 0 0p l c 和6 个2 4 0 8 控制器。每套s 7 3 0 0p l c 由一个c p u 模块、4 个机架、4 个电源模块、2 1 个模拟量输入模块s m 3 3 1 、3 个模拟量 输出模块s m 3 3 2 、1 个数字量输入输出模块s m 3 2 3 以及配套的p r o f i b u s 网线及连接 器组成。 一8 一 东北大学硕士学位论文第二章隧道窑计算机控制与管理系统设计 生产管理级( 使用v b 开发的管理信息系统) ， l 广 操作监控级( 使用w i n c c 开发的监控系统) 1 鍪广 基础控制级( s 7 3 0 0 p l c ，2 4 0 8 控制器等) 图2 3 本系统总体结构及备层组成 f i g 2 3t h es t r u c t u r ea n dc o m p o n e n to f t h es y s t e m 操作监控级由两台工业控制计算机及运行于其上的使用德国s i e m e n s 公司的组态 软件w i n c c 6 0 ( 下文使用w i n c c 6 0 表示) 开发的监控系统软件组成。 生产管理级由两台管理计算机及运行于其上的使用美国m i c r o s o f t 公司的程序开发 语占v i s u a l b a s i c ( 下文使用v b 表示) 开发的隧道窑管理信息系统软件组成。 2 1 3 各层功能设计 基础控制级主要完成现场过程数据的采集、处理以及主要过程参数的控制等任务。 其中，2 4 0 8 控制器用于烧成带6 个区段的温度控制，s 7 3 0 0p l c 用于预热带和冷却带 压力控制、雾化风压力控制、2 7 # 西侧墙压力控制、抽热风流量控制以及助燃风流量控 制，此外还用于现场实时数据采集、处理、运算、分析及数据通信等工作。 操作监控级通过监控软件为现场操作人员和技术人员提供工况及流程信息，控制参 数设定和调节，实时过程数据、曲线的显示和打印，历史过程数据和历史趋势查询及打 印，报警管理以及操作权限分配等功能。 生产管理级通过隧道窑管理信息系统提供生产信息录入和查询，操作信息记录和查 询，过程数据存储和查询，编制及打印报表等功能。 9 东北大学硕士学位论文第二章隧道窑计算机控制与管理系统设计 2 2 软硬件功能 2 2 1e u r o t h e r m2 4 0 8 控制器 烧成带六个区段的温度调节采用英国欧陆公司的e u r o t l l e 肋2 4 0 8 控制器。2 4 0 8 单回 路控制器可与计算机进行通讯，并配合上位机图形软件的工作。它集成了各种算法模块， 可根据现场要求进行组态及在线编程。2 4 0 8 单回路控制器是一种具有综合功能的计算机 过程控制仪表单元，能够对过程控制中出现的模拟量、开关量、人机对话、通讯传输进 行运算或处理。 图2 42 4 0 8 单回路控制器 f i g 2 4e u r o t h e r m2 4 0 8c o n t r o l l e r 基于上述优点，可以将2 4 0 8 控制器和计算机操作站一起构成一套复杂的控制系统。 这样既保证了没有计算机情况下的简单自动和手动控制，又可以融合到计算机控制系统 当中，构成高级控制结构。其特点如下： ( 1 ) 面向现场提供了最简单的操作。无须编程器，全部操作都可由面板上的6 只按 键操作实现，并具有十分可靠的p i d 模块在线参数调整的保护手段。 ( 2 1 面向过程提供了丰富的组态模块。并可配合运行参数记录的图形软件，可和上 位机通过协议转换后进行通讯、数据采集及监视运行。 2 2 1 2s 7 3 0 0p l c 现场控制级中除了烧成带温度调节之外的工作都是由s 7 3 0 0p l c 完成的。可编程 控制器简称为p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) ，是一种数字运算操作的电子系统， 专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的储存器，用于在其内部储存执行逻辑 一1 0 东北大学硕士学位论丈第二章隧道窑计算机控制与管理系统设计 运算、颓窿控制、定时、计数和算术运算等操作豁指令，并透过数字式、模拟式的输入 和输出，控制各种类型的机械或生产过程。西门子公司生产的s 7 3 0 0 系列p l c 魁目前 应用最为广泛的一种p l c 系统。 圈2 5 职门子$ 7 - 3 0 0 系列p l c f i g2 5s i e m e n ss 7 3 0 0p l c 掘圈所示s 7 3 0 0p l c 是模板化结构设计。各种单独的模板之剧呵进行组合以用于 扩展。整个控制单元出中央处理单元( c p u ) 、信号模板( s m ) 、通讯处理器( c p ) 、接口模 投( 蹦) 以及负载电源模板p s ) 等部分缀成。 与s 7 3 0 0 p l c 系统配套的是s i m a t i cs t e p 7 软件系统，其主程序界面如图2 6 所 示。利用该软件可以进行下述工作。 图2 ，6s t e p 7 主界面 f i g 2 6t h em a i ni n t e r f a c eo f s i e m e n ss t e p 7 ( 1 ) 硬钵系统的组态：硬件系统除了需要在模扳本鸯进行必要的选择设置外，还需 要通过软件对具体的功能规范进行设定，才构成了完整的系统硬件组态。组态 的信息需下馘到p l c 中。 ( 2 ) 用户程序块、数据块及系统功能块的开发及下栽。 ( 3 ) 相关说明与文档编制。 一1 1 东北大学硕士学位论文第二章隧道窑计算机控制与管理系统设计 2 2 3w i n c c6 0 操作监控级中的监控部分采用组态软件西门子w i n c c 6 0 进行开发。w i n c c 6 0 是 在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的工业技术中性系统。它提供了适用于工 业过程的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板。高性能的过程耦合、快速的画面 更新、以及可靠的数据使其具有高度的实用性。除了这些系统功能外，w i n c c 6 0 还提 供了开放的界面用于用户解决方案，这使得将w i n c c 6 0 集成入复杂、广泛的自动控制 解决方案成为可能。可以集成通过o d b c 和s q l 方式的归档数据访问，以及通过o l e 2 0 和a c t i v e x 控件的对象和文档的链接。这些机制使w i n c c 6 0 成为w i n d o w s 世界中性能 卓越、善于沟通的监控软件。 图2 7w i n c c 6 0 主程序界面 f i g 2 7t h e m a i ni n t e r f a c eo f w i n c c 6 ，0 2 2 4m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c 生产管理级中的隧道窑管理信息系统是采用m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c 进行丌发的。 v i s u a lb a s i c 是m i c r o s o f t 公司推出的基于b a s i c 语言的可视化编程环境。v i s u a l 意为可 视化，它提供了一种开发图形用户界面( g u i ) 的方法，它不需编写大量代码去描述界面 元素的外观和位置，而只要把预先建立的对象添加到适当位置即可。 一1 2 东北大学硕士学位论文第二章隧道窑计算机控制与管理系统设计 图2 8v b 主程序界面 f i g 2 8t h em a i ni n t e r f a c eo f m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c 2 3 数据通信的实现方式 隧道窑生产过程的控制、监控与管理也可以说是现场过程参数的采集、显示、处理、 控制及管理的过程。从这个层面上讲，我们可以将隧道窑计算机控制与管理系统看作一 个信息处理系统，而贯穿这个系统，将系统各个部分连接起来的就是过程数据的通信。 下面，本文将对隧道窑计算机控制与管理系统的数据通信实现方式进行介绍。 2 3 1s 7 3 0 0p l c 与监控机间的数据通信 s 7 3 0 0p l c 与监控机之间的数据通信采用p r o f i b u s 总线标准。 硬件上，在s 7 3 0 0p l c 的c p u 模块上具有m p i d p 接口，而监控机上插有c p 5 6 11 通信控制器，这两者通过专用的总线连接器和p r o f i b u s 电缆实现连接。 软件上，监控系统通过集成在w i n c c 项目中的通讯驱动程序来完成与相应地址的 p l c 之间的通信。通讯驱动程序利用其通道单元构成w i n c c 与过程处理之间的接口。 其通信结构层次如图2 9 所示。 一1 3 东北大学硕士学位论文 第二章隧道窑计算机控制与管理系统设计 w i n c c 心月j 程序 图形运行系统、报警运行系统 变量记录运行系统等 ip w i n c c 变量管理器 w 。c c 通讯驱动程序l j 匝鳃理硇 【硬件驱动程序l e 矿一 l 通讯处理器j i 壅塑堡堡 可编程逻辑控制器 图2 9w i n c c 通讯结构层次图 f i g2 9t h ec o m n l u n i c a t i o ns t r u c t u r eo f w i n c c 2 3 22 4 0 8 控制器与监控机间的数据通信 如图2 1 0 所示，硬件上2 4 0 8 控制器采用了m o d b u s 通信协议，其通信端口为 r s ，4 8 5 串行接口。由于监控机上的串行接口为标准的r s 一2 3 2 ，因此为了实现2 4 0 8 控制 器与监控机问的数据通信，还需要一个r s 4 8 5 到r s 一2 3 2 的转换器进行协议之间的转换。 软件上，在监控机中安装有i c o n i c sm o d b u so p cs e r v e r ，使用该软件对2 4 0 8 控 制器中的过程变量进行组态，从而读取这些变量。在获取了这些变量之后，再通过o p c 通信方式将这些变量读入到监控程序中。 图2 1 02 4 0 8 控制器接线图 f i g 2 1 0 w i r i n g d i a g r a m o f e u r o t h e t m 2 4 0 8 1 4 东北大学硕士学位论文第二章隧道窑计算机控制与管理系统设计 2 3 3 两台监控机之间的数据通信 为了实现两台监控机之间的数据共享和操作冗余，需要建立它们之间的数据通信。 硬件上两台监控机通过以太网进行连接，而软件上采用了目前较为流行的o p c 数据通 信协议。o p c 通信协议采用s e r v e r c l i e n t ( 服务器客户机) 模式。数据源机器作为o p c s e r v e r ，而数据目标机作为o p cc l i e n t 。由于两台监控机既是数据源又是目标机，故他 们互为对方的s e r v e r 和c l i e n t 。 w i n c c ( o p cd 擞务瓣) w i n c c ( o p cd a 年，1 咿l ) 例2 1 1 监控系统间数据通信 f i g 2 1 1t h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e n m o n i t o r i n gs y s t e m 当在w i n c c 和w i n c c 之间连接时，w i n c co p cd a 服务器和客户机之问的数据 交换通过w i n c c 变量“o p c s e r v e r _ t a g ”进行。客户机上的w i n c c 变量 “c l i e n t _ o p c s e r v e r _ t a g _ x y z ”从服务器上的w i n c c 变量“o p c s e r v e r _ t a g ”中读取。如 果w i n c co p c 服务器上的“o p c s e r v e r _ t a g ”变量的数值改变，w i n c co p cd a 客户机 上的w i n c c 变量“c l i e n t _ o p c s e r v e r _ t a g _ x y z ”的值也改变。客户机上的改变也会在服 务器上反映出来。 2 3 4 监控机与管理机之间的数据通信 为了获取过程数据和操作信息，管理机需要与监控机进行通信。这两者之间的通信 与两台监控机之间的通信方式类似，硬件上都是以以太网进行连接，软件上都采用了 o p c 通信协议。不同的是监控机始终作为数据发布源，而管理机始终作为数据目标机。 因此，两者在通信中的地位是相对固定的。另外，出于管理信息系统是用户自主丌发的 系统，没有集成的通信驱动程序。所以，为了实现o p c 通信，必须由用户编程来实现 c l i e n t 与s e r v e r 之间的连接及数据通信。具体的实现方法将在本文第四章中进行阐述。 。1 5 东北大学硕士学位论文第二章隧道窑计算机控制与管理系统设计 2 3 5 两台管理机之间的数据通信 为了实现管理功能上的冗余，两台管理机之间也需要实现数据通信。为了使数据通 信高效、可靠，我们采用了s q ls e r v e r 的合并复制功能。该功能能够实时的实现两个 s q ls e r v e r 实例之间的数据同步，即一个服务器实例中的数据变化，如添加数据、修改 数据、删除数据等，能够实时的反映到另一个服务器实例中。合并复制的实现方式较为 简单，在s q l s e r v e r 企业管理器中有相应的向导，只要根据向导的提示进行配置即可。 需要特别指出的是为了实现复制功能，需要确保操作系统中的m s s q l s e r v e r 和 s q l s e r v e r a g e n t 两个本地服务已经启动且以不同的本地帐户登录。 2 4 本章小节 本章对隧道窑计算机控制与管理系统进行了总体设计，明确了系统结构、各部分的 功能以及各部分之间的结合方式。这些工作为计算机控制系统和管理信息系统的开发建 立了框架，明确了目标和要求，对下一步的设计开发工作具有指导意义。 一1 6 东北大学硕士学位论文 第三章隧道窑计算机控制系统设计 第三章隧道窑计算机控制系统的实现 本文第二章主要对隧道窑计算机控制与管理系统进行了总体设计，明确了各部分所 要实现的功能。在此基础上，本章主要完成其中的计算机控制系统的设计工作。计算机 控制系统由控制和监控两部分组成，下面将分别对其进行详细研究和阐述。 3 1 计算机控制系统功能概述 为了满足隧道窑生产过程正常运行的要求，必须对该生产过程中的主要参数进行监 测和控制，根据隧道窑生产工艺，我们把设计的重点放在能够反映生产状态的温度、压 力和流量等参数的监控与自动调节上。 在控制方面，系统需要完成烧成带1 “区的温度控制、预热带压力控制、冷却带压 力控制、雾化风压力控制、2 7 # 车位西侧墙压力控制、抽热风流量控制以及助燃风流量 控制。其中，对烧成带各区段温度的控制是通过变频器来控制油枪泵的转速以控制燃料 重油的流量，从而对温度进行调节的。而对窑压和流量的控制是通过调节风机闸板开度 来实现的。 在监控方面，系统需要能够快速、准确的将窑内各测点的实时数据采集、汇总到监 控系统，并进行显示。此外监控系统还需要具有流程监控、历史趋势查询、参数设定与 调节、报警管理等功能。由于监控系统覆盖的生产流程范围较广，过程信息很多，故监 控系统还需要具有美观、友好的人机交互界面，合理安排信息的表现形式，既要全面， 又要重点突出、简洁明了。 3 2 控制系统控制功能的实现 控制部分的设计工作主要包括烧成带温度控制，各压力、流量参数的控制及控制器 保阀位等控制功能的实现。 3 2 1 烧成带温度的控制 隧道窑烧成工艺主要在烧成带内完成。正常情况下，烧成带各区温度必须严格按照 根据烧成制品制定的温度曲线进行调节。烧成带温度制度的稳定与否直接决定着烧成产 品的质量。因此，对烧成带各区温度的精确控制是隧道窑自动控制系统的重中之重。 一1 7 东北大学硕士学位论文第三章隧道窑计算机控制系统设计 3 2 1 1 被控量的选取 本文研究的隧道窑烧成带由1 2 个车位组成，分为6 个区，从1 8 # 车位开始，每两 个车位为一个区，直到2 9 # 车位为止。在每个车位的东西侧墙上各安装有一杆油枪，其 位置对称。烧成带区问的划分和油枪的分布如图3 1 所示。 区间期j 甍等呕 烧成带二区黼区i 尧成裁眍烧成带五区烧成带六区 车位 l 雅1 9 #2 0 #2 1 #2 2 襻2 弹2 4 #2 5 #2 6 #2 群2 8 #2 9 # 油枪0 0 0 000 0 0 0 00 0 0 o 0 o 0 o 0 0 0 o 0 0 图3 1 烧成带区间的划分和油枪的分布 f i g 3 1s e c t i o n so f h e a t i n gz o n ea n dt h ed i s t r i b u t i o no f b u r n e r s 由于窑内气流是由冷却带经烧成带吹向预热带的，因此，烧嘴喷射的火焰会产生偏 转，高温气体方向是偏向预热带的。受到窑内气流方向的影响，烧成带所有车位的实际 温度也都向预热带方向偏转。根据隧道窑工艺要求及以往操作经验，对被控量选择如下： 控制烧成带1 区时，以1 8 号车位的温度作为该区温度被控量；控制烧成带2 区时，以 2 0 号车位的温度作为该区温度被控量；以此类推，控制烧成带3 区、4 区、5 区、6 区 时分别以2 2 号车位、2 4 号车位、2 6 号车位以及2 8 号车位的温度作为这些区段温度被 控量。 此外，每个车位上均有东西两个温度测点，即有两个温度测量值。根据工艺要求， 本系统中我们对这两个测量值进行比较，选择其中较高的一个参与控制。 3 2 1 2 烧成带温度控制设计与实现 本系统选用2 4 0 8 单回路控制器对烧成带各区温度进行控制。当实际温度偏离设定 温度时，2 4 0 8 控制器输出的控制信号驱动变频器改变油枪油泵转速，增大或减小油枪喷 出的燃料重油流量，从而达到控制温度的目的。 对2 4 0 8 控制器的各项操作，例如：手、自动控制方式的切换、手动时输出的设定、 自动时给定值的设定、控制参数的设定均可通过控制器面板上的按钮实现。同时，2 4 0 8 控制器还通过m o d b u s 总线实现与监控机之间的通讯。这