富氧陶瓷窑炉监控系统的设计

郎建勋，钟建伟

(湖北民族学院 信息工程学院，湖北 恩施 445000)

富氧陶瓷窑炉是以高浓度氧作为助燃介质的陶瓷窑炉生产设备.相较于传统的陶瓷窑炉而言，富氧陶瓷窑炉在具有火焰温度高、燃点温度低、加速燃烧完全、节能减排和提高热利用率等优点的同时[1]，其安全性、实时性和抗干扰能力的要求高，并需要进行压力、温度和气氛的协调控制，靠一些传统的控制方法已经无法再满足其性能要求[2].开发富氧陶瓷窑炉监控系统的目的在于构建一套集数据采集、数据存储、动态显示、实时控制于一体的完善的解决方案，提高富氧陶瓷窑炉的自动化程度和控制水平，从而缩短生产周期、提高产品质量和实现节能减排，并可以极大地减轻操作人员的工作强度[3].

1 富氧陶瓷窑炉的结构和控制要求

1.1 窑炉主体结构

富氧陶瓷窑炉共有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[4].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一个电磁阀，一个流量计和一个执行器.窑体上还安装了18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.

1.2 控制要求

富氧陶瓷窑炉在工作过程中，主要需要控制压力、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[5].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[6].

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[7].

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[8-9].

2 监控系统的硬件设计及选型

从通信量、实时性和抗干扰能力等方面考虑，选择IPC+PLC+Profibus-DP构架的控制结构作为富氧陶瓷窑炉的总体设计方案，如图1所示.

图1 监控系统的硬件体系结构Fig.1 Hardware configuration of monitor system

图2 监控软件的体系结构Fig.2 The architecture of the monitor software

现场执行层为Profibus-DP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陶瓷窑炉中的风机的运行，通过适配器和Profibus-DP主站通信；智能I/O从站接受从现场传感器传来的信号，将其通过Profibus-DP发送到DP主站，同时将DP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PCI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DP主站和MPI从站的PLC.PLC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PLC中，供作为MPI主站的工控机访问.通过对PLC编程，可以在PLC中实现系统的启停控制、安全互锁、故障保护和单点PLC控制等功能.

管理层的上位机通过MPI接口和PLC通信.上位机中安装的监控系统可以读出存储在PLC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PLC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.

3 监控软件设计

3.1 需求分析

根据富氧陶瓷窑炉的控制要求，上位机监控软件应实现以下几个方面的功能：①现场设备的启停控制和防误操作；②监控设备状态及故障报警；③实时显示现场数据和设备状态的工作状态；④采用实时曲线的方式显示现场数据；⑤可以选择性的记录数据；⑥历史记录显示和数据导出；⑦参数设定及参数验证；⑧控制模式切换；⑨用户权限控制；⑩系统日志.

3.2 软件的三层体系结构设计

上位机监控软件的开发平台为Windows XP SP3，后台数据库采用SQL2005，前端开发工具为基于.NET构架的Visual C# 2008.上位机监控系统软件的三层体系结构图如图2所示.

在逻辑层的设计中，考虑到窑炉的现场数据或通过DP总线送至PLC中，或直接送入工控机中的PCI数据采集卡，所以，逻辑层设计中的一个重要部分就是读取PCI 数据采集卡和PLC中存储的现场设备数据，并将操作人员通过操作界面输入的数据和发出的指令发送到PLC中，从而完成实时显示和控制功能.其中，数据采集卡中的数据是通过采集卡的驱动程序来读取；PLC中的数据则是通过西门子公司提供的Prodave软件包进行读写的[10].为了便于重用，同时也为了方便表示层调用，可将表示层中所需的数据操作方法均封装到COM中，然后通过在C#中包装该COM后来使用COM接口提供的数据操作方法.

图3 监控软件的主界面Fig.3 Main interface of the monitor system

图4 燃烧器控制界面Fig.4 The control panel of the nozzle

4 系统测试

图3所示为管理员身份登录时所呈现的富氧陶瓷窑炉监控系统的主界面.在主界面中，用户可以通过界面下方的按钮控制系统设备的启停.系统设备的状态会通过界面上的指示控件显示出来.主界面以图形的方式呈现出了窑炉的工艺结构，并在相应设备标识旁动态显示系统的相关参数.通过主界面的菜单项即可访问监控系统的全部功能.

对主界面的测试主要集中在数据显示的实时性、准备性和启停安全连锁控制这三个方面.

数据显示的实时性主要取决于IPC和PLC及变频器的通信时间.为了保证数据的完整性和安全，PLC中设置了较多的校验程序，这使得IPC每读写一次PLC的时间较长，一般为150～500 ms.经测试，主界面上数据的更新约滞后实际数据1～2 s.考虑到窑炉的温度变化是一个相对缓慢的过程，且控制过程主要集中在PLC中，所以这一滞后时间不会对窑炉的监控产生影响，所以数据显示的实时性是可以满足的.

在数据显示的准确性方面，由于采用了现场总线技术，各传感器的信号均在传感器内部转换为数字信号输出，所以数据的准确性要远高于采用模拟信号进行传输的准确性.经测定，上位机的数据和实际现场数据的误差在0.5%以内，满足监控系统的精度要求.

启停安全连锁控制是窑炉控制中的重要一环，直接关系到窑炉的生产安全.为此，除了在PLC中设置安全连锁控制外，在上位机的监控软件也有防误操作的程序.测试结果表明，当用户未按照规定安全流程进行操作时，系统可以自动阻止用户的误操作，并给出相应的告警和提示信息，保证了生产操作的安全性.

图4展示了系统的7个燃烧器控制界面之一.用户可以通过点击界面中的手动或自动按钮来切换燃烧器的控制模式.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.图4中的文本框分别用来输入参数、显示PLC中相关参数的当前设定值和该参数的反馈值.操作员可以在富氧陶瓷窑炉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.对燃烧控制器界面的测试主要是分析是否能够在手动/自动模式的切换中实现无差切换，以及能否防止用户因误操作向下位机写入无效参数以致引发系统故障.

在无差切换的测试中，当用户在手动/自动模式之间切换时，上位机中的自适应程序会自动检测各执行器的当前状态，若是由手动切换到自动模式，会在界面中屏蔽掉手动控制选项，并启动下位要中的PID控制程序进行自动控制；当模式由自动切实到手动时，手动控制选项的输入框被置为有效，同时屏蔽PLC中的相关控制模块，将控制权交给用户.图4所示即为手动模式下的燃烧控制模块，可见此时自动控制乖舛面已经被置为无效了.

在参数有效性的测试中，当用户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.若用户输入的参数无效或者是参数范围超过了额定值，此时燃烧控制器的参数校验程序会阻止用户写入，并给出告警信息，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.

上述分析测试表明，该监控系统具有较好的安全性和实时性，能够很好的满足富氧陶瓷窑炉生产过程中的各项监控要求.

[1] 赵新立.浅谈高端陶瓷窑炉的特点[J].陶瓷学报,2006,27(4):430-432.

[2] 程小苏,柯善军,曾令可.高温空气燃烧技术在陶瓷窑炉的应用分析[J].工业炉,2009,31(3):15-21.

[3] 马永杰.高温空气燃烧技术在我国的应用前景[J].装备制造技术,2008(4):25-26.

[4] Dinh N Q ,Afzulpurkar N V.Neuro～fuzzy MIMO Nonlinear Control for Ceramic Roller Kiln[J].Simulation Modeling Practice and Theory,2007,15:1239-1258.

[5] 闵娟,黄之初,王小明,等.Fuzzy-PID控制系统在工业窑炉控制中的应用[J].中国陶瓷工业,2005,12(5):50-53.

[6] 何寿生.脉冲燃烧技术及其在陶瓷窑炉中的应用[J].陶瓷,2005,5(1):35-36.

[7] 曾令可.富氧燃烧技术在陶瓷窑炉中的应用分析[J].陶瓷学报,2007,28(2):124-128.

[8] Beltrame A,Porshnev P.Soot and NO formation in methane oxygen enriched diffusion flames[J].Combustion and Flame,2001,124:295-310.

[9] 赵黛青，冯耀勉.燃料稀释对富氧空气/甲烷扩散火焰中氮氧化合物生成的影响[J].热能动力工程,2004，19(4):367-371.

[10] Till marc.Numerical simulation of oxygen-enriched combustion in industrial processes[J].Computational Fluid Dynamics，2003，3:42-52.