摘 要 本文針對目前梭式窯運行控制普遍存在的能源浪費、低效、精度差、周期長的缺點，而提出開發(fā)梭式窯分布式控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)將梭式窯控制整體上分割成為若干個自治系統(tǒng)實現(xiàn)對每個溫區(qū)的分別單獨控制。自治系統(tǒng)的核心使用宇電AI全新E5系列工控模塊實現(xiàn)對每一溫區(qū)、的控制。系統(tǒng)同時具有豐富的人機對話、安全防爆警示等功能。

關鍵字 梭式窯  分布式控制 自治系統(tǒng) 多線程

1 引言
    梭式窯又稱抽屜窯、車底窯，是一種利用燃氣、燃油等為燃料燃燒的工業(yè)加熱設備，被廣泛地應用于陶瓷、耐火材料、砂輪、電瓷、鑄造和建筑材料等行業(yè)，對很多相關企業(yè)正常工作生產起到非常關鍵性的作用。梭式窯在運行過程中，窯內溫度、氣氛、壓力及各種流量，往往會由于外界條件或內部因素的變化而發(fā)生變化，為了使這些變化了的參數(shù)符合燒成工藝要求，必須實時根據(jù)這些變化了的情況對窯爐各控制設備做出快速、合理又整體協(xié)調地控制；傳統(tǒng)的梭式窯控制基本都是靠人工操作和調節(jié)或老式PID溫度控制儀表輔助監(jiān)控。這種控制方式的缺點是體力勞動繁重，燒成周期長，有滯后性，而且受主觀因素的影響，故調節(jié)精度不高，導致梭式窯燒成合格率低。
    因此，充分將熱工技術、計算機應用技術、自控技術與人工智能技術相結合，研究與開發(fā)基于AI工控模塊的梭式窯分布式控制系統(tǒng)，對于減輕工人勞動強度，改善勞動條件，降低能源消耗，提高裝燒產品的產量和質量，控制生產成本，保證設備的安全運行都具有十分重要的意義。
    廈門宇電自動化科技有限公司推出的全新E5系列智能型控制模塊它具備位式控制（ON-OFF）、標準PID、AI人工智能調節(jié)APID或MPT等多種調節(jié)方式。先進的AI人工智能調節(jié)算法具有自整定、自學習功能，無超調及無欠調的優(yōu)良控制特性。適合溫度、壓力、流量、液位、濕度……的測量與控制。AI工控模塊可與多個型號的AI系列儀表搭配，使AI系列儀表由傳統(tǒng)的盤裝數(shù)量儀表成為導軌安裝儀表，而且其主板硬件及軟件都與傳統(tǒng)數(shù)顯面板通用。E5系列智能型控制模塊具備安裝密度比盤裝儀表更高的優(yōu)點，且它的CPU不需要處理顯示及鍵盤程序，其通訊速度比盤裝顯示表還要快。
 
2 梭式窯燒成系統(tǒng)
    一般來說，梭式窯由窯體、窯車、空氣管道、燃氣管道、燃燒設備、風機等組成；燃燒設備中主要的是高速燒嘴，空、燃氣在燒嘴燃燒腔內成比例混合燃燒，一般要求空、燃氣混合效果好、燃燒要充分，需達到節(jié)約燃料的目的；調溫風與燃燒產物的同軸流股在任何溫度段均可噴出高速射流，可提高窯內溫度、氣氛均勻性。

圖1：某廠PT-01X型高壓電瓷燒成工藝曲線圖

    梭式窯燒成周期一般來說有10h~150h，不同的產品周期不一樣，不同的產品有著不同的燒成溫度曲線（如圖1）和氣氛曲線，梭式窯運行過程中實時根據(jù)當前的運行時間在產品設定工藝曲線中尋找目標溫度點和氣氛點，并且調節(jié)各執(zhí)行部件，確保窯內采集溫度與實際氣氛與設定值一致；整個窯爐運行過程反映了窯爐動態(tài)地調整跟隨產品工藝設定參數(shù)的過程。
 
3 基于AI工控模塊的梭式窯分布式控制系統(tǒng)宏觀設計
 
圖2：梭式窯分布式控制系統(tǒng)宏觀結構圖
    不同行業(yè)以及不同的裝燒產品，窯爐的燒成工藝要求有差異，然而其控制組成比較相似。根據(jù)梭式窯控制的特點，可將各個獨立運行的實體進行集中管理，設計成由若干溫區(qū)形成分布式控制系統(tǒng)，也就是將整個系統(tǒng)控制分割成若干子系統(tǒng)，操作人員使用該子系統(tǒng)中的集中操作站，一覽整個系統(tǒng)情況，并可參與各個子系統(tǒng)的控制運行，監(jiān)視各個控制站的報警和故障處理進程。
    如圖2所示：系統(tǒng)硬件由工業(yè)控制計算機通過工業(yè)485通訊總線連接若干個自治系統(tǒng)，包含1#~N#溫區(qū)自治系統(tǒng)、總管流量自治系統(tǒng)、總管壓力自治系統(tǒng)等。在每一個自治系統(tǒng)形成一個相對獨立的區(qū)域，具有自動調控、自動決策、自動安全監(jiān)控等功能。
 
圖3：溫區(qū)自治系統(tǒng)一般內部結構圖
    采集系統(tǒng)實時采集窯爐各溫區(qū)溫度、流量、壓力信號并且分別發(fā)送給每一個自治系統(tǒng)的宇電E5工控模塊，宇電E5工控模塊根據(jù)每一自治系統(tǒng)各種設定值來調節(jié)輸出量，然后分別對窯爐各電動執(zhí)行機構進行控制； I/O模塊為每一個自治系統(tǒng)提供當前窯爐的狀態(tài)量采集指示，同時又是每一個自治系統(tǒng)的輸出控制量的通道；工業(yè)控制計算機軟件系統(tǒng)是整個分布式控制系統(tǒng)的宏觀調度與指揮中心。
    窯爐運行過程中一般要經歷氧化狀態(tài)、過渡狀態(tài)、還原狀態(tài)、冷卻狀態(tài)等，運行的狀態(tài)不同，其控制外部設備的動作也不一樣，氧化狀態(tài)時系統(tǒng)根據(jù)支管開度與支管比例程序共同控制空氣支管, 過渡或者還原狀態(tài)時系統(tǒng)根據(jù)支管開度程序與支管比例程序共同控制燃氣支管。
 
4軟件系統(tǒng)設計
    軟件系統(tǒng)中核心技術運用組件與多線程的思想來設計開發(fā)，每個線程都有它自己的運行內存、句柄和系統(tǒng)資源。系統(tǒng)核心由5個線程構成：調度控制管理線程、外設通訊線程、數(shù)據(jù)處理線程、數(shù)據(jù)存取線程和數(shù)據(jù)顯示線程，其體系結構如圖4。各個線程具體含義如下：(1)調度控制管理線程為主控制線程，負責其他4個工作線程的并發(fā)、同步調度管理工作。它隨著組件的創(chuàng)建而產生，隨著組件的被銷毀而消亡；(2)外設通訊線程控制配置給硬件，正常情況下它是一個自治系統(tǒng)，即它自動在后臺和硬件完成常規(guī)的通訊工作；同時它也接受外界宇電E5工控模塊采集測試數(shù)據(jù)和控制硬件的指令；(3)數(shù)據(jù)處理線程負責對測試數(shù)據(jù)的分析處理，如剔除干擾假象數(shù)據(jù)、計算數(shù)據(jù)均值和峰度等；(4)數(shù)據(jù)存取線程負責與外設磁盤的數(shù)據(jù)交換工作，如原始測試數(shù)據(jù)的存取、處理結果的存取、歷史數(shù)據(jù)的查閱等；(5)數(shù)據(jù)顯示線程則把宇電E5工控模塊采集測得的數(shù)據(jù)或處理后的結果以圖形、表格等形式顯示出來，還可以顯示歷史保存在文件中的測試或者分析數(shù)據(jù)。各線程之間通過一個共享的緩沖區(qū)來傳送數(shù)據(jù)。
 
圖4：梭式窯分布式控制系統(tǒng)多線程共享緩沖區(qū)結構圖

5系統(tǒng)電氣連鎖及安全防爆控制
    這一項對于企業(yè)的安全生產起到非常重要的作用。
    系統(tǒng)控制外部設備啟動順序依次為排煙機→助燃風機→燃氣總管電磁閥→燃氣放散電磁閥→點火許可。每步之間有幾分鐘時間間隔，上一步不執(zhí)行，下一步不得電。即啟動順序實現(xiàn)了電氣連鎖。燃氣總管、空氣總管、排煙機入口都裝有壓力開關，運行過程中如果壓力變化異常，發(fā)出聲光報警，提醒操作人員處理問題，甚至系統(tǒng)可以暫停運行，保障窯爐和產品安全。若系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)窯爐過載或燃氣壓力超高，立刻關斷所有燃料供應開關或閥門，確保不出大的安全事故。
    本系統(tǒng)中的開關量輸入、輸出都是通過宇電公司的AI-301系列開關量I/O工控模塊來實現(xiàn)的。
 
6系統(tǒng)實現(xiàn)
    我們用Borland Delphi7.0實現(xiàn)了梭式窯分布式控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)。將自治系統(tǒng)用統(tǒng)一的類來表示，每一個溫區(qū)的自治系統(tǒng)是它的實例（對象）。自治系統(tǒng)類有一個很重要的TTimer時間觸發(fā)器，它負責為自治系統(tǒng)內部數(shù)據(jù)管理、事務處理、控制輸出等工作。本系統(tǒng)的實現(xiàn)的窯爐程序運行主窗口如圖5。
 
7 結束語
    本文論述的工業(yè)梭式窯分布式控制系統(tǒng)簡單易行,具有很強的通用性,為工業(yè)窯爐控制行業(yè)提供了較好的模型和方法,具有很強的實際應用價值。
    作者已將此系統(tǒng)在國內多個企業(yè)中投入實際生產運用，取得了非常良好的經濟效益，而且在很大程度上改變了工業(yè)窯爐行業(yè)傳統(tǒng)控制過程中表現(xiàn)出的溫差大、能耗多、燒成質量差的落后狀況。