（机械电子工程专业论文）基于高速以太网现场总线的陶瓷辊道窑控制系统.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 陶瓷窑炉是陶瓷生产过程的关键设备，一台先进的窑炉往往凝聚了燃烧 技术、材料技术、节能技术、信息处理技术、自动控制技术等多领域的研究 成果。本文通过对国内目前陶瓷生产控制系统的详细研究，针对传统陶瓷控 制系统信息孤岛问题，提出了基于高速以太网现场总线技术的陶瓷生产控制 系统网络解决方案，研究并建立了陶瓷辊道窑h s e 系统。 本文所做的工作是高速以太网现场总线技术在陶瓷辊道窑应用的初步探 索，设计并实现了陶瓷辊道窑控制h s e 系统的选型、控制策略建立和系统的 组态，为陶瓷辊道窑控制系统提出了一种基于高速以太网现场总线技术的实 现方式。有效解决了陶瓷辊道窑控制中由于工艺复杂、i o 点数较多且分散、 设备类型多样、控制协调性要求较高所带来的控制问题。整个控制系统结构 清晰、功能分别明确，既体现了“分散控制、集中管理”的分布式控制思想， 更体现了高速以太网现场总线控制系统全数字通讯、高度开放性、互操作性、 互换性的技术优势。 本文工作包括： 1 根据陶瓷辊道窑控制的特点，研究各种现场总线技术和工业以太网技术及 其特点，从中选择试用于陶瓷辊道窑控制的技术，然后温度控制系统、压力及 气氛控制系统进行研究，选择系统方案。 2 对本文所构建的控制系统进行研究，选择控制系统需要用到的智能设备， 实现系统互联。 3 利用n i 系统对控制系统进行系统组态。 4 利用m c g s 软件进行了监控界面的设计。 通过构建陶瓷辊道窑控制系统，本文得出一下结论： 1 高速以太网现场总线是非常适合于过程控制的现场总线技术，它是专门为 过程控制开发的现场总线技术。符合f f 协议标准的总线仪表内嵌控制功能模块， 可以用仪表直接构成完整的控制回路，使用简单方便，可靠性高。 2 虽然陶瓷辊道窑控制系统包含各种复杂的控制系统，但高速以太网现场总 线有多种功能块可供选择，控制功能块包括f i d 控制算法功能块p i d 、增强p i d 武汉理工大学硕士学位论文 功能块e p i d 和先进p i d 功能块a p i d ，可实现增益适应，抗积分饱和等算法， 完全可以胜任各种控制系统的控制任务，而且实现方式简单，可实现冗余控制， 系统可靠性大为提高。 3 对于程序控制，基金会现有功能块显得不够灵活。没有专门的积分功能块 用于产生给定值曲线，虽然p i d 功能块有积分功能，但它主要功能是控制，不 能灵活的实现反向积分 实验证明运用高速以太网构建的陶瓷辊道窑控制系统，结构简单，性能可 靠，在系统构成和设备维护方面实现了质的飞跃。由于h s e 的高速性，使传输 大量信息成为可能，这些信息不光是现场数据，还包括数据的质量( b a d 数值不 能使用：u n c e r t a i n 数值略差于正常，但还能使用；g o o d 数值是好的) 为系统查错 和维护带来了很大方便。 关键词：陶瓷生产、以太网、h s e 、组态 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 1 1 ec e r a m i c st u n n e lk i l ns t o v ei st h ek e ye q u i p m e n to ft h ec e r a m i c s p r o d u c t i o n ，缸a d v a n c e dk i l ns t o v eu s u a l l yi n c l u d e st h eb u r n a b l et e c h n i q u e ， m a t e r i a lt e c h n i q u e ，t h ee n e r g ys a v i n gt e c h n i q u e ，i n f o r m a t i o np r o c e s s i n gt e c h n i q u e ， t h ea u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n i q u e e t e t h i sa r t i c l eg i v e san e ts e t t l e m e n tf o rt h e c e r a m i cp r o d u c t i o nc o n t r o ls y s t e mw h i c hi sb a s e do nh s e f i e l d b u st e c h n i q u ea n d e s t a b l i s h e st h ec e r a m i cs t o v eh s ec o n t r o ls y s t e m t h i sc o n 仃o ls y s t e mc a ur e s o l v e t h ei n f o r m a t i 0 1 1i s o l a t e di s l a n dp r o b l e mf o r t h et r a d i t i o n a lc e r a m i cc o n t r o ls y s t e m m a tt h i sa r t i c l eh a sd o n ei n c l u d e st h ep r e l i m i n a r yr e s e a r c h i n ga b o u tt h e h s ef i e l d b u sa p p l i c a t i o ni nc e r a m i cs t o v ec o n t r o la n dt h ed e s i g n i n ga b o u tt h e c o n t r o ln e t i nt h i sa r t i c l ew ee s t a b l i s ht h ec o n t r o ls t r a t e g ym a df i n i s ht h es y s t e m c o n f i g u r a t i o n t h i sa r t i c l eg i v e sah s e f i e l d b u si m p l e m e n t a t i o nf o rt h ec e r a m i c c o n t r o ls y s t e m i tr e s o l v e dt h ec o n t r o lp r o b l e m sb e c a u s eo fc r a f tc o m p l i c a t i o n s ，t h e i ，oo r d e rn u m b e rd i s p e r s i o n ，t h ed i v e r s ee q u i p m e n t st y p e ，t h eh i 曲c o n t r o l c o o r d i n a t i o n t h es t r u c t u r eo f t h ew h o l ec o n t r o ls y s t e mi sc l e a ra n dh a st h ed e f i n i t e f n c t i o n i ta l s oe m b o d i e st h ed i s t r i b u t e dc o n t r o lt h o u g h tw h i c hi sb a s e do n d i s t r i b u t e dc o n t r o la n dc e n t r a l i z e dm a n a g e m e n t 1 1 l i sc o n t r o ls y s t e ms h o w st h e a 1 1 d i g i t a lc o m m u n i c a t i o n , h i g h l yo p e n i n gu p ，i n t e r o p e r a b i l i t y , i n t e r c h a n g e a b i l i t yo f t h eh s ef i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m t h i sa r t i c l ei n c l u d e s ： 1 a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fak i i nc e r a m i c sc o n t r o l ，t od oar e s e a r c h a b o u ta l lk i n d so ff c sa n de t h e r n e tt e c h n i q u ea n dt h e i r sc h a r a c t e r i s t i e st oc h o o s e ac o n t r o lt e c h n i q u ew h i c hi ss u i t a b l ef o rc e r a m i ck i i nc o n t r o l ，a n dt h e nw eh a v et o l e a r na b o u tt h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m , p r e s s u r ea n da t m o s p h e r ec o n t r o lt h e s y s t e m b a s e do nt h ep r e p a r a t i o n ，w eh a v et oc o n f i r ma b o u t t h ec o n t r o ls y s t e m 2 c a r r yo nt h er e s e a r c ha b o u tt h ec o n t r o ls y s t e mt h a tt h i sa r t i c l es e t su p t o c h o o s et h ei n t e l l i g e n c ee q u i p m e n t st h a tt h ec o n t r o ls y s t e mn e e d st ou s e ，r e a l i z et h e s y s t e mc o l l e c t i o n i h 武汉理工大学硕士学位论文 3 m a k eu s eo ft h es y s t e mo fn it oc a r r yo nac o n f i g u r a t i o no ft h ec o n t r o l s y s t e m 4 m a k eu s eo ft h es o f t w a r eo fm c g st of i n i s ht h ed e s i g no ft h es u p e r v i s i o n a n dc o n t r o li n t e r f a c e b y r i n gt l pac e r a m i c sk i l nc o n t r o ls y s t e m ，t h i sa r t i c l eg e t sac o n c l u s i o n ： 1 1 1 1 eh i g h - s p e e de t h e m e tf i e l d b u si sv e r ys u i t a b l ef o rt h ep r o c e s sc o n t r o l ，i t i sd e v e l o p e ds p e c i a l l yf o rt h ep r o c e s s i n gc o n t r 0 1 t h ef i e l d b u si n s t r u m e n t st h m m a t c h e st h ef fa g r e e m e n ts t a n d a r di se m b e d d e dt h ec o n t r o l sf u n c t i o nb l o c k s w e c a nu s et h ei n s t r u m e n t st oc o n s t i t u t et h ei n t e g r i t yd i r e c t l yc o n t r o lc i r c l e ，a n di ti ss o c o n v e n i e n ta n dc r e d i b l e 2 a l t h o u g hac e r a m i c sk i l nc o n t r o ls y s t e mi n c l u d e sv a r i o u sc o m p l i c a t e d c o n t r o ls y s t e m ，h i g h - s p e e de t h e r n e tc o n t a i n sv a r i o u sf u n c t i o n sb l o c k sw h i c hc a n b ep r o v i d e da sc h o i c e ，t h ef u n c t i o nb l o c k si n c l u d ef i d ，p i d ，e p i da n daa p i d ， c a r lb ec o m p e t e n tt h ec o n t r o lm i s s i o no f t h es y s t e m ，a n dc a r r yo u tt h ew a ys i m p l e , c a nc a l r yo u tt h er e d u n d a n c yc o n t r o l ，a n dt h es y s t e m sc r e d i b i l i t yw i l lr a i s e g r e a t l y 3 t h ef o u n d a t i o ne x i s t i n gf u n c t i o nb l o c k ss e e mt ob en o te n o u g hv i v i di nt h e p r o g r a mc o n t r 0 1 t h e r ei sn os p e c i a l i z e di n t e g r a lf u n c t i o nb l o c kt op r o d u c et h e g i v e nv a l u eg u i n e ，a l t h o u g ht h ep i d f u n c t i o nb l o c kh a st h ei n t e g r a lf u n c t i o n , i t s m a i nf u n c t i o ni st oc o n t r o la n dc a n tr e a l i z et h ea n t i - t o w a r di n t e g r a lv i v i d l y t h ee x p e r i m e n tc e r t i f i c a t e st h a tnc e r a m i c sj 【i i nc o n t r o ls y s t e mw h i c hi s s e t t e du pb yah i g h - s p e e de t h e m e th a sas i m p l es t r u c t u r e ，a n dt h i ss y s t e mh a sa c r e d i b l ef u n c t i o na n dr e a l i z eah i g hs t e pi nt h es y s t e mc o n s t i t u t i o na n di n s t r u m e n t m a i n t e n a n c e b e c a u s eo ft h eh i g hs p e e do fh s e , i ti sp o s s i b l et od e l i v e rag r e a t d e a lo fi n f o r m a t i o nt om a k e ，t h e s ei n f o r m a t i o n sa r en o to n l yt h es p o t sd a t a , b u t a l s oi n c l u d i n gt h eq u a n t i t yo ft h ed a t aft h en u m b e ro fb a dc a n tu s e ：t h en u m b e r o fu n c e r t a i ni sb a ds l i g h t l yi nn o r m a l ，b u tc a ns t i l lu s e ；t h en u m b e ro fg o o di s g o o d ) i tm a k e tc h e c ka n dm a i n t e n a n c ef o rt h es y s t e mm o r ec o n v e n i e n t l y k e y w o r d s ：c c r a l i cm a n u f a c t u r e ；e t h e m e t ；h s e ；c o n f i g u r a t i o n i v 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：盔盎日期：垒生丝日麴 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：盛壅：导师签名：1 f 垒! k 塑日期：曼乏蜘 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 随着经济的高速发展，人们对建筑陶瓷的需求日益增加及对产品质量、品 种等的要求越来越高，其生产过程和工艺过程逐渐复杂。目前，陶瓷制品的生 产过程一般由制粉料或成型烧成两大部分组成，而成型烧成生产线对产品的品 种规格、尺寸、颜色的质量起着非常关键的作用。粉料山压机压制经过输送进 入烘干窑烘干水份，然后经过施釉线进行施釉和色彩处理进入辊道窑，在辊道 窑内根据工艺配方的要求按制定的烧成曲线烧制需要的产品，由于整个生产线 是由许多相同的设备组成，各个环节的故障和变化将影响整个生产线的工况， 且由于原材料及产品规格和品种的变化也须对生产线进行相应变化，因而使得 整个生产过程是多变的。因此，对陶瓷生产技术与装备进行研究，以便能快速、 高质高产、低能耗地生产多规格和多品种的陶瓷产品。 陶瓷窑炉是陶瓷生产过程的关键设备，一台先进的窑炉往往凝聚了燃烧技 术、材料技术、节能技术、信息处理技术、自动控制技术等多领域的研究成果， 商新技术领导着窑炉技术发展的新潮流。陶瓷是原材料和能源消耗性产业，在 陶瓷生产的成本结构中，能源消耗占总损耗的3 0 以上。窑炉作为主要的能源 消耗设备，它的环保、节能、降耗一直是陶瓷生产企业追求的目标。当今陶瓷 窑炉的发展趋势是由过去的辊道化、煤气化、轻型化、自动化、大型化向绿色( 环 保节能型) 窑炉方向发展。所谓绿色窑炉即环保节能型窑炉，其标准主要包括：1 ) 低消耗( 节能型) ：包括低燃料消耗、低电能消耗、低水消耗、低耐火材料及其他 资源消耗，2 ) 低污染( 环保型) ：其中包括低废气( c 0 叻排放，低s q 及n 仉气体 排放，低烟尘排放，无黑烟，低污水捧放，燃料完全燃烧，低噪音及振动，工 作环境舒适。3 ) 低成本：包括初投资成本低，投资回收期短，运行费用低，劳动 成本低。4 ) 高效率：窑炉内温度分布均匀，优等品率高，热效率高，操作控制灵 活方便，自动化水平高，生产过程适应性强，劳动生产率高，竞争性强，经济 效益高。 国外意大利西蒂公司、萨克米公司、难高公司、纳塞提公司，德国国汶索 武汉理工大学硕士学位论文 夫公司以及日本的高砂公司和碍子公司在陶瓷窑炉设计和陶瓷装备制造方面在 国际上处于领先水平，国内许多大型的制造厂商还主要处于对国外的先进窑型 及设备的模仿、吸收、消化阶段，在陶瓷生产技术与装备研究尚处于起步阶段。 近年来，日本高砂公司开发的电脑自动控制窑炉已畅销世界各国，碍子公司的 窑炉均设置有先进的自动点火、熄火测知、窑内压力监测、地震监测、内氧浓 度监测、气体泄漏监测、瓷辊损折监测及喷嘴用电偶记录仪等一系列监测仪器。 从而保证了窑炉的省力、节能、快速烧成。现在日本陶瓷窑炉的技术水平， 已实现运行辊道化，燃料气体化、烧成自动化、窑体轻量化及节能化的目标。 1 2 我国陶瓷生产线控制系统现状 中国的制陶工艺可以追溯到一万年以前，在经历了陶一印纹硬陶一原始 瓷的漫长历程后，才终于发明了瓷。之后，随着经贸活动和文化交流的扩大， 中国的制瓷技术流传到世界各国。陶瓷工业从2 0 世纪5 0 年代末至7 0 年代初， 随着燃油结构的改变，即由燃煤、重油等转向使用天然气、液化石油气和轻 油等，实现了窑炉热工技术的三大突破：( 1 ) 高速调温烧( 喷) 嘴的发明和 使用；( 2 ) 新型、高级耐火材料和隔热材料的广泛使用；( 3 ) 精密完善的自 动控制系统的采用。在这三大技术突破的基础上，产生并发展了以推板窑、 轨道窑为连续式作业窑炉代表，以梭式窑( 抽屉窑) 、高帽窑( 钟罩窑) 为间 歇式作业窑炉代表的全新一代窑炉。它们的经济技术指标比原有窑炉高得多， 从而使窑炉由传统的土木砖石“构筑物”变成了机电一体化、有较高技术含量 的“烧成机器”。与国外相比，中国的陶瓷工业多年来一直使用原来的工艺设 备，消耗大，产出少，废品多，污染大，经济效益差。自8 0 年代后，我国陆 续引进了一批先进的陶瓷设备，同时也引进了相关的熟工技术，对于陶瓷工 业及窑炉的要求，由“高产、优质、低消耗”逐渐转向追求“优质、低耗、灵活、 无污染、轻体力”。 1 2 1 组合仪表分散控镧 其结构如图1 1 所示，这类控制系统一般采用电动单元组合仪表控制， 其特点是每一个温度控制点自己独占一套控制回路，各个控制回路间在控制 上无任何联系。其实，这种控制方法与大家都很熟悉的单回路控制没有什么 2 武汉理工大学硕士学位论文 本质区别，种方法最大的优点是：相对比较安全，当一路控制回路出现故障后， 并不影响其它回路，其它回路可以照常工作。 辊道窑 牛幸牛幸 调节仪表l调节仪表n 图1 1仪表分散控制结构图 1 2 2 计算机集中控镧 其结构如图1 2 所示，这种控制系统的测量、通讯以及控制算法的实现 和反馈控制信号的输出都是由一台计算机实现，在这种方法出现初期，确实 具有很吸引人的地方，因为这种方法可以由计算机实现一些简单的管理功 能，如：图表的显示、报表的打印等，但是，同时它也给用户带来了很大的 忧虑，主要问题是其可靠性，因为这种控制方法一般都没有冗余设计( 特别是 国内生产的窑炉) ，往往是一点故障波及全局。 i辊道 窑 i 牛聿”牛幸 计算机 图1 2计算机集中控制结构图 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 3 计算机集散控镧 其组成结构如图1 3 所示，这类控制系统实际上可以看作是上述两类系 统的综合。在这里，计算机只是负责控制系统的管理工作，并不参与控制， 现场信息的采集和控制完全由各个控制回路分别自己完成，一些必要的现场 信息由仪表传送到计算机，然后计算机将所得到的信息进行分析加工处理， 以一种便于人们接受的方式把现场的各种信息表示出来，比如c r t 显示、 打印机打印等。同时，人们可以通过计算机对仪表的各种控制参数进行在线 修改，在必要时人工参与控制。相比之下这种方式较前两种方式具有更大优 点。 l辊道窑 丰聿一幸幸 i调节仪表l调节仪表n !i i计算机 1 2 4 方案分析 图1 3 计算机集散控制结构图 上述三种陶瓷生产控制系统的方式，基本上包括了目前所有的陶瓷生产系 统。现在新建的陶瓷窑大多采取计算机集散控制系统的方式，调节仪表采用成 熟的p i d 模糊控制器，但这种方式也存在一些缺点：1 ) 采用计算机集散控制系 统，通信线路较多，成本较高；2 ) 由于进口的p i d 模糊控制器成本比较高，一 般需要几千元，因此在现场大多对执行机构进行分组，以减少对p i d 模糊控制 器的需求，这样一来又必然降低了温度控制系统的控制能力；3 ) 由于p i d 模糊 4 武汉理工大学硕士学位论文 控制器的厂家采用自己的接口方式，不同厂家难以兼容，动态修改参数也比较 困难；4 ) 用户只能通过修改p i d 模糊控制器的参数来满足自己的需求，无法在 其中装载自己的程序，控制系统的人性化不好。 1 3 相关工业控制技术概述 1 3 1p 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 可编程逻辑控制器) 技术 长期以来，p l c 始终处于工业控制自动化领域的主战场，为各种各样的自 动控制设备提供高可靠性的控制系统解决方案。如今的p l c 已经由过去的单一 数字逻辑控制发展到具备运动控制、过程控制、数据处理、通信联网等功能。 近年来p l c 本身也在向高性能、高速度、大容量、智能化i 发展，而且众多 的p l c 厂商推出的新一代产品都提供了基于多种现场总线和工业以太网的接 口，方便了p l c 与现场总线控制系统的连接。因此p l c 在将来仍将继续占据工 业控制的的主导地位。 1 3 2 现场总线技术 现场总线技术是2 0 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的，随着9 0 年代通 讯技术的飞速发展，目前又得到越来越多的普及。它是当今自动化领域的热点 之一，并对该领域的发展有着深远的影响 所谓现场总线，指利用现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪 表，使它们都具有了数字计算和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等 作为总线，把多个测量控制仪表连接成的网络系统，并按公开，规范的通信协议，在 位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间， 实现数据传输与信息交换，形成一种适应实际需要的自动化控制系统简而言之， 它把单个分散的测量设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以 相互沟通信息，共同完成自控任务的网络控制系统 现场总线是应用在生产现场、在微机化测控设备之间实现双向串行多节点 数字通信的系统。现场总线具有协议高度开放、互操作性和互用性强、现场测 控设备具有智能性和自制性、系统结构高度分散、对现场环境具有较高的适应 性等技术优势和特点，使它近年来成为工业自动化技术发展的热点之一现场 总线既是通信网络，又是控制网络，适应了工业控制向分散化、网络化、智能 武汉理工大学硕士学位论文 化发展的方向。智能仪表的出现为现场总线的发展奠定了基础，使得数字通讯 技术在现场总线测控系统发挥了重要作用。从目前来看，这些以微处理器芯片 为基础的各种智能仪表，为现场信号的数字化以及实现复杂的应用功能提供了 条件。但不同厂商所提供的设备之间的通信标准不统一，严重束缚了工厂底层 网络的发展。从甩户到设备制造商都强烈要求形成统一的标准，组成开放互联 网络。把不同厂商提供的自动化设备互连为系统。这时的开放意味着对同一标 准的共同遵从，意味着这些来自不同厂商而遵从相同标准的设备可互连为一致 通信系统。从这个意义上说，现场总线就是工厂自动化领域的开放互连系统。 开发这项技术首先必须制定相应的统一标准。随着近几年现场总线技术的发展， 市场上己形成了由几家大公司为主导的标准体系，最有影响包括下列几家：基 金会现场总线，p r o f i b u s 现场总线，c a n 现场总线以及h a r t 现场总线。 1 3 3 工业以太网技术 计算机和网络技术的发展，引发了控制领域深刻的技术变革。控制系统结 构向网络化、开放性方向发展是控制系统技术发展的主要潮流。以太网作为目 前应用最为广泛的局域网技术，在工业自动化和过程控制领域得到了越来越多 的应用，形成了新型的工业以太网控制网络技术这主要是由于应用工业以太网 有如下一些优势： ( 1 ) 基于t c p i p 的工业以太网是一种标准的开放式网络，不同厂商的设备 很容易互联。这种特性非常适合于解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操 作性的问题。 ( 2 ) 工业以太网能便捷地访问远程系统，共享，访问多个数据库。 ( 3 ) 易于与i n t e n o t 连接，能够在任何城市、地方利用电话线通过i n m n c t 对企业进行监控，是提高生产效率的有效手段。 ( 4 ) 能降低成本，包括技术人员的培训费用、维护费用及初期投资。 ( 5 ) 工业以太网能实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接。 目前，主流工业以太网主要有：现场总线基金会f f ( f i e l d - b u sf o u n d a t i o n ) 的高速以太网h s e ( h i g hs p e e de t h e m e t ) ，罗克韦尔自动化( r o c k w e l la u t o m a t i o n ) 公司的工业以太网e t h e r n c t i p ( e t h e r n e ti n d u s t r i a lp r o t o c 0 1 ) , 西门予公司的 p r o f m e t m o d b u s - i d a 以及施耐德电气( s c h n e i d e r e l e c t r i c ) 公司的m o d b u s t c p 等。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 4 组态软件技术 组态软件是当今工业控制领域的主要操作、运行和监控的软件设计开发平 台，被广泛地应用于冶金、石化、交通运输、智能建筑、污水处理等领域。组 态软件采用w m d o w s 图形晃面和对话框进行程序的开发组态和用户操作，使得 无论是编程设计人员还是操作人员，都能够轻松、快捷地学习和掌握它的开发 和操作技巧，极大地减小了程序设计开发的负担。而且组态软件还可以利用计 算机丰富的软硬件资源以及其它源程序开发工具( 如v b ，v c 等) 进行二次开发来 扩充其功能，使用户能彻底地设计和更新具有自己风格的操作软件监控平台。 耳前国内外知名的工业组态软件品牌主要有w m c c 、m c g s 、组态王等。 1 3 5 智能控制技术 目前工业现场绝大多数闭环控制算法仍然主要采用p i d 控制算法及其改进 算法，并取得了良好的控制效果。但工业现场中大量非线性、时变、大滞后系统 以及难以建立精确数学模型的系统，需要更先进控制算法的控制。随着控制理 论的不断发展和各种高性能控制计算机的问世，使以往理论性很强的智能控制 算法进入现场成为现实。模糊控制、神经网络控制、人工智能、专家系统、遗 传算法以及上述控制算法之间的相互融合、智能控制算法与传统p i d 算法相互 融合的控制算法应用于工业现场的例子举不胜举。 1 4 研究目标 ( 1 ) 针对上述控制系统的缺点，采用现场总线技术，提出了以下陶瓷生产控 制系统的方案。 现场级网络从总线仪表采集了如此众多的数据，结果使信息量剧增这一巨 大的信息量是一个老式的专有控制级网络所无法应对的以太网具备传送大量数 据所需的吞吐量，这些数据用于传统工程的操作和历史趋势，用于新增的远程诊 断，维护及组态功能，以及用于对工厂自动化任务的快速响应这些应用之所以选 择以太网，是因为其高速度使其具有能力传送所有这些信息 本陶瓷窑控制系统由两台工控机构互为冗余的计算机操作站。每个操作战 挂接一台显示器( c r t ) ，使整个系统同时可以显示2 个不同的画面。两个计算 机之间通过以太网进行连接。 武汉理工大学硕士学位论文 在本控制系统中采用d f i 型网络结构。d f i 是一种标准的多功能链接设备， 它由电源输入模块( d f 5 0 ) 、控制器模块( d f 5 1 ) 、总线电源( d f 5 2 ) 和阻抗 匹配器( d f 5 3 ) 等多个模块构成。一些现场总线系统，基于带总线接口的传统 控制器，需大量配件，不同于此，d f l 3 0 2 是一个高度集成、自我运作的单元， 包括电源、电源阻抗匹配器，甚至安全栅。囚此，它便于应用、维护和扩展。 在单一模板上实现4 路现场总线m 端i = 1 ( 3 1 2 5k b i t s ) ，以太网和串行m o d b u s 端口，而不需独立接口模板，d f l 3 0 2 节省空间，并易于使用。d f l 3 0 2 一个主要 优势是使用它可建立一个结构简练的控制系统，而不会象现有l a s 那样复杂而 昂贵。 主站级网络使用f f - h s e ，现场级网络使用f f h 1 ，两者形成均一化的网络体 系结构，网络拓扑结构采用总线式结构。这种结构比环形结构信息吞吐率低，但 结构简单、成本低，并且采用无源抽头连接，系统可靠性高选用h i 总线连接 各个网络节点，形成多主机控制器的局域网。 现场仪表中功能块组成控制系统，分别控制陶瓷辊道窑的温度，压力，以 及氧化气氛。 ( 2 ) 实现陶瓷生产过程的生产计划与优化调度、关键核心生产设备( 陶瓷窑 炉) 的建模与优化控制关键流程工艺的模拟与质量控制、生产设备效能与预测控 制，实现陶瓷生产过程的绿色制造。 ( 3 ) 建立基于高速以太网的控制与网络系统，研究适合陶瓷生产过程的复杂 工业生产过程智能控制与优化控制技术和实现方法，提高陶瓷生产过程的自动 化水平，有效地降低能源消耗和实现节能环保。 1 5 研究内容 由于陶瓷窑炉具有纯滞后、大惯性的特点，而且其气氛制度、温度制度、 压力制度之间相互耦合，控制过程复杂。因此针对陶瓷窑控制中现存在的耦合、 非线性问题以及难以用数学方法建立控制模型的特点，将改进p i d 控制、模糊 控制以及神经网络专家控制技术进行综合分析和试验研究，利用高速以太网技 术建立控制网络，解决陶瓷窑温度控制系统相关问题，实现对陶瓷窑各部分烧 成温度、出窑速度、窑内压力以及还原气氛等多变量之间的协调控制，有利于 优化和稳定合理的烧成制度曲线，获得高性能和高质量的控制效果，实现全局 综合优化控制。使温度、气氛控制更精确和稳定，窑炉自动控制程度更高。最 武汉理工大学硕士学位论文 终使陶瓷窑炉温度控制精度达到0 5 以内，窑炉压力达3 r a ，并可显著降低 陶瓷产品的烧成缺陷率，提高产品质量和产品交货率，同时降低能源消耗，达 到环保的目的。 通过对高速以太网现场总线的理论学习，深入研究陶瓷生产控制系统的特 点和构成，利用高速以太网现场总线的组态技术，研制一个的基于高速以太网 现场总线的控制系统的平台 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章陶瓷辊道窑控制系统简介及控制系统选择 本章主要介绍陶瓷辊道窑烧成制度及其控制系统的构成及其特点，对目前 陶瓷辊道窑控制领域中大量应用的独立单元式系统和高速以太网现场总线控制 系统进行比较，阐述本课题选择高速以太网现场总线控制系统的理由。 2 1 陶瓷辊道窑的烧成制度 烧成的日的是通过高温处理使坯体获得预期的矿物组成及显微结构，从而 斌予产品以良好的使用性能。为了确保产品的烧成质量，就必须制定一个合理 的烧成制度。 陶瓷制品的烧成制度包括温度制度、气氛制度和压力制度，其中对产品性 能有直接影响的是温度和气氛制度，合理的压力制度则是实现既定温度制度和 气氛制度的根本保证。 2 1 1 气氛制度 所谓窑内气氛是指燃烧产物即烟气中c o ，h 2 、0 2 等成分的含量。陶瓷制 品的烧成主要有氧化气氛烧成和还原气氛烧成两种情况。氧化气氛烧成时，坯 体在整个烧成过程中都处于氧化气氛中加热升温；而还原气氛烧成时，坯体仅在 高温阶段的某一温度范围内处于还原气氛中加热烧成。 气氛制度主要包括气氛的性质、浓度及气氛转换温度等内容。窑内的气氛 性质和浓度以烟气中游离氧及一氧化碳的含量而定。游离氧浓度为8 l o 时 称强氧化气氛，燃气完全燃烧，空气过剩系数蛇1 2 ；游离氧浓度为4 5 时称 普通氧化气氛，空气过剩系数1 0 5 鱼s 1 2 ，燃气也能充分燃烧；游离氧浓度为1 1 5 时称中性氧化气氛，空气过剩系数( i t 维持在l 左右，燃气基本燃烧完全： 游离氧浓度小于1 ，而c o 浓度达2 7 时称还原气氛，其中c o 浓度较低 时称弱还原气氛，反之则称强还原气氛，空气过剩系数a l ，若用烟气中c o + h 2 的百分含量来表示，则此还原气氛中其含量在3 左右。 制品烧成过程中的气氛制度须根据坯体化学组成及产品质量要求等因素来 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 确定通常，低温阶段对气氛无要求。氧化分解阶段要求氧化气氛由弱转强， 以促使坯体中的氧化分解反应顺利进行。此阶段弱氧化气氛时，游离氧浓度控 制为2 5 ，强氧化气氛时游离氧浓度大于5 。高温阶段如果采取氧化气氛 烧成，则继续维持较强氧化气氛；如果采取还原气氛烧成，则分为氧化保温、强 还原和弱还原三个阶段。氧化保温阶段维持强氧化气氛，游离氧浓度控制为7 9 ；强还原阶段控制游离氧浓度为o 1 ，c o 浓度为2 6 ，弱还原阶段控制 游离氧浓度为o l 。c o 浓度为1 2 烧成末期的高火保温阶段本可采取 中性气氛烧成，但由于中性气氛不易控制，故生产中一般采取弱氧化气氛或弱 还原气氛烧成( 当制品采取还原气氛烧成时) 。 窑内气氛对制品在烧成过程中的性状变化及烧后质量都有显著影响。同种 组成的坯体在焙烧过程中表现出的过烧膨胀、线收缩速率及最大烧结收缩率随 气氛的性质不同而不同；此外，不同组成的坯体在还原气氛下的烧结温度通常都 比其在氧化气氛中的烧结温度低。f e 2 0 3 含量较多的坯体在还原气氛中烧成时， 其外观色泽、透光度及釉面质量都要优于氧化气氛下烧成的。但是，含西0 2 或 有机质与碳素较多的坯体则宜在氧化气氛中烧成。 2 1 2 温度制度 温度制度影响产品性能的关键是温度及其与时间的关系以及烧结时的气 氛。温度制度包括升温速度、烧结温度、保温时间及冷却速度。 烧结温度是指陶瓷坯体在烧结时获得最优性质时的相应温度。由于坯体性 能随温度的变化有一个渐变的过程，所以烧结温度实际上是指一个允许的温度 范围，习惯上称之为烧结范围。在各种上艺参数中，对陶瓷坯体在高温下所进 行的各种物理一化学变化( 如脱水、氧化、分解、化合、重结晶、熔融等) 来说， 温度是最主要的影响因素。 烧结温度的高低，自接影响晶粒尺寸、液相的组成和数量以及气孔的形貌 和数量。它们综合的影响陶瓷制品的性能。过高的烧结温度，对陶瓷来说，会 使晶粒过大或少量晶粒猛增，破坏组织结构的均匀性，从而使制品的强度、硬 度等性能劣化。坯体的物理化学性质也随着烧结温度的提高而发生变化。温度 升高会使莫来石的含量增多，形成相互交织的网状结构，提高陶瓷坯体的强度。 在不过烧的情况下，随着烧结温度的升高，陶瓷坯体的体积密度增大，吸水率 和显气孔率逐渐降低，在一定的升温速度和时间的约束下，一种坯体有一个最 武汉理工大学硕士学位论文 高烧结温度或一个烧结温度范围。一旦过烧，反而因晶相量减少和晶粒变大以 及玻璃相量增多而降低产品的性能，而且在高温下坏体易变形或形成气泡。 2 1 3 压力制度 现代陶瓷窑炉由于采用了新技术、新方法、洁净化燃料，提高了自控程度， 所以窑炉的质量水平高、产量大、能耗低。不仅完善了窑炉的压力制度上，而 且呈现出不同的特点。现代陶瓷窑炉的压力制度除了窑炉本身的压力制度外， 还包括助燃风压、燃气压力以及空燃比例压力调节制度等。 ( 1 ) 窑内本身的压力制度 一般来讲，现代陶瓷窑炉分为三个平衡：一是排烟系统与烟气和气幕搅拌风 之间的压力平衡；二是冷却带抽出余热与急冷和窑尾冷却系统之间的平衡；三是 窑内气体压力与窑下气体的压力平衡在现代陶瓷窑炉中，由于能耗降低和低蓄 热耐火材料的使用，整个窑炉的烟气生成量和冷风鼓人量与以前的传统窑炉相 比是较低的。反映在整个窑炉的压力制度上有不同的特点：首先由于气幕搅拌的 使用，在预热带的上部到顶部的一段区域内，呈现一定的正压，而不是像传统 窑炉那样，整个预热带都呈现负压状态：其次在预热带下部的负压也不像原来那 么大：最后在烧成带后部至急冷风的一段区域内，窑炉的正压达到最大值。这个 压力最大值在现代陶瓷窑炉中般都会控制在5 p a 左右 现代陶瓷窑炉中压力制度越来越重要，在调试窑炉的工作中，只有压力制 度稳定，才能保证温度制度和整个窑炉运转的稳定。在上述的三个平衡中，哪 一个平衡做得不好，都会影响烧成质量和窑炉的使用寿命。 ( 2 ) 陶瓷窑炉的其它压力制度 由于现代陶瓷窑炉均采用自动控制系统，各烧嘴采用分区控制，无论是空 燃比例控制还是单独控制燃气的控制方式，都要求燃气的压力和助燃风的压力 相互匹配。这些压力是要求在窑炉设计施工中就应该完成的，烧嘴前的压力也 是如此。 2 2 陶瓷辊道窑的控制系统简介 陶瓷生产过程中对产品品质起决定性作用的是烧成工序，烧成过程中小同 阶段要有一定的温度、气氛和压力变化，以保证坯体的物理化学变化过程门常 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 进行，这就是温度制度、气氛制度和压力制度。窑炉控制水平的高低就体现在 能否最好的满足各个制度要求并实现系统的优化( 节能高效) 。简单地说，温度制 度就是炉内一些关键点的温度符合一定要求依据是相应的烧成曲线；气氛制度 保证窑炉内烧成部分的氧化或还原气氛，依据是相应工艺要求；压力制度使窑内 气体流动通畅，同时也是气氛制度的重要保证，一般窑炉内两头( 窑头窑尾) 为微 负压，中间为微门压。系统主要控制对象是窑炉内相应检测点温度、压力及氧 含量，在满足工艺要求条件