淺談工業(yè)窯爐軟件控制系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)

作者簡介：黃國堅（1974.3-），男，廣東省肇慶市，漢族，本科，工業(yè)窯爐相關(guān)研發(fā)與管理工作，電氣工程師。

摘要： 針對工業(yè)窯爐進(jìn)行軟件控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用，能夠使工業(yè)窯爐的控制更為靈活，這對其控制精度的提升具有非常重要的意義，因此，文章對工業(yè)窯爐軟件控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)進(jìn)行具體論述，希望能夠進(jìn)一步提升現(xiàn)代工業(yè)窯爐的運(yùn)行質(zhì)量。

關(guān)鍵詞： 工業(yè)窯爐;軟件控制系統(tǒng);設(shè)計;實現(xiàn)

【中圖分類號】TP273【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B【文章編號】1674-3733（2020）12-0217-02

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，越來越多的計算機(jī)軟件技術(shù)被應(yīng)用在了各行各業(yè)當(dāng)中，使得各行業(yè)的生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)質(zhì)量得到了很大的提升，但對于現(xiàn)代的工業(yè)窯爐軟件控制系統(tǒng)而言，其中還有許多問題存在，并不能很好的滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的相關(guān)需求，對此，還需要相關(guān)領(lǐng)域針對工業(yè)窯爐控制系統(tǒng)進(jìn)行深入的設(shè)計，并確保軟件控制系統(tǒng)在生產(chǎn)實際當(dāng)中的有效應(yīng)用，這對于工業(yè)窯爐的現(xiàn)代化發(fā)展具有非常重要的意義，因此，有必要針對相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行深入的研究。

1系統(tǒng)架構(gòu)

1.1集散架構(gòu)

我們知道，工業(yè)窯爐能夠創(chuàng)造一個可控的燃燒空間，在這個空間當(dāng)中，窯內(nèi)壓力、燃燒氣流、排煙溫度、溫區(qū)溫度以及助燃空氣流量都將得到有效的控制。而根據(jù)實際需求以及集散式控制系統(tǒng)的相關(guān)原理，可以對控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行設(shè)計，該結(jié)構(gòu)模型當(dāng)中包括諸多控制模塊，如窯壓控制、燒嘴點(diǎn)火控制、助燃空氣控制、燃?xì)饬髁靠刂?、排煙溫度控制以及溫區(qū)溫度控制。在這個結(jié)構(gòu)模型當(dāng)中，每個模塊都是一個下位機(jī)，能夠?qū)鞲衅鬏敵龅碾娦盘栠M(jìn)行采集，并在相關(guān)機(jī)構(gòu)上進(jìn)行執(zhí)行，而下位機(jī)的控制均由上位機(jī)來實現(xiàn)[1]。

1.2應(yīng)用架構(gòu)

由于傳統(tǒng)形式的窯爐控制軟件較為簡陋，無法對現(xiàn)代生產(chǎn)需求加以滿足，因此，在針對軟件控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計的過程中，應(yīng)該提出一種全新的應(yīng)用架構(gòu)，以此來保證設(shè)計的簡潔性和清晰性，確保各項使用需求的靈活應(yīng)用。文章結(jié)合實際需求，最終確定使用經(jīng)典三層架構(gòu)。一層為客戶端，二層為服務(wù)器、工控柜以及高溫梭式窯，三層為數(shù)據(jù)庫。利用這種架構(gòu)，能夠有效提升控制軟件的靈活性，在這個架構(gòu)當(dāng)中，服務(wù)器需要負(fù)責(zé)客戶端通信、數(shù)據(jù)存取以及窯爐控制等工作。與此同時，還要從傳統(tǒng)架構(gòu)中，將用戶交互功能轉(zhuǎn)移到客戶端當(dāng)中，這樣可以將軟件系統(tǒng)的耦合度有效降低，使傳統(tǒng)窯爐軟件當(dāng)中的一些問題得到有效的解決。除此之外，利用這種架構(gòu)能使系統(tǒng)的拓展延伸性得到適當(dāng)?shù)奶嵘?，使不斷更新的需求得到相?yīng)的滿足。在這個架構(gòu)當(dāng)中，服務(wù)器不僅能夠控制窯爐系統(tǒng)的通信，還能與企業(yè)局域網(wǎng)相連接，確保窯爐的有效運(yùn)行，而且將用戶交互功能設(shè)為獨(dú)立的客戶端，能夠為工作人員提供更為舒適的辦公環(huán)境，確保用戶可以對窯爐進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并保證各項故障的有效排除[2]。

2系統(tǒng)功能設(shè)計

2.1設(shè)備控制模塊

對于設(shè)備控制模塊而言，其主要功能就是進(jìn)行硬件抽象表示，并對硬件底層細(xì)節(jié)進(jìn)行屏蔽，而且通過設(shè)備控制模塊的設(shè)置，工作人員可以對更高層次的問題進(jìn)行考慮，系統(tǒng)利用接口Plant對設(shè)備控制模塊的功能進(jìn)行表示，但因為窯爐系統(tǒng)較為復(fù)雜，對單一接口進(jìn)行使用，并不能將設(shè)備的各項特性充分的表現(xiàn)出來，所以，需要對Plant接口進(jìn)行不斷的擴(kuò)展，進(jìn)而保證設(shè)備接口的特定性。

2.2物理量控制模塊

物理量控制模塊與設(shè)備控制模塊的聯(lián)系較為緊密，前者能夠?qū)笳咛峁┑某橄蟊硎具M(jìn)行使用，從而對各種設(shè)備進(jìn)行組合，構(gòu)建閉環(huán)反饋回路，使窯爐的物理量得到有效的控制，具體包括流量、壓力以及溫度等等[3]。

2.3燒成控制模塊

該模塊是以物理量控制以及設(shè)備控制等模塊為基礎(chǔ)進(jìn)行窯爐控制的，其主要作用就是確保窯爐能夠按照既定的參數(shù)設(shè)置運(yùn)行，并且可以對窯爐運(yùn)行工況進(jìn)行詳細(xì)的記錄。

3系統(tǒng)功能實現(xiàn)

3.1設(shè)備控制組件的實現(xiàn)

設(shè)備系統(tǒng)當(dāng)中需要使用專用的采集通信卡，落實控制工作，而設(shè)備控制組件的主要功能就是對專用硬件進(jìn)行控制，以此來實現(xiàn)設(shè)備的有效控制[4]。

3.2物理量控制組件的實現(xiàn)

上文提到物理量控制主要是控制窯爐運(yùn)行期間的各項物理量，因此，在組件實現(xiàn)的過程中，首先要對物理量進(jìn)行明確的表示，具體包括壓力、流量以及溫度，而針對溫度的控制主要涉及兩點(diǎn)，第一點(diǎn)是在各個燒嘴處進(jìn)行溫度控制，第二點(diǎn)是在排煙處對煙氣溫度進(jìn)行控制，對于燒嘴部分的溫度控制，主要利用支管電動閥以及D型熱電偶來實現(xiàn)，利用兩者進(jìn)行反饋控制回路的構(gòu)建，即可對一個溫區(qū)加以控制。而煙氣溫度則需要借助調(diào)節(jié)電動閥以及K型熱電偶來實現(xiàn)。對于窯內(nèi)壓力，其壓力控制需要由排煙風(fēng)機(jī)以及微差變送器來實現(xiàn)，由于助燃機(jī)和排煙風(fēng)機(jī)存在不同的物理特性，所以，需要以設(shè)備控制組件為基礎(chǔ)，從風(fēng)機(jī)Fan類當(dāng)中，將兩類風(fēng)機(jī)選出。而在控制物理量的同時，物理量控制模塊還需要對燒嘴點(diǎn)火進(jìn)行控制，而點(diǎn)火控制涉及到用于點(diǎn)火的點(diǎn)火器、用于檢驗點(diǎn)火情況的火焰探測器以及用于開關(guān)燃?xì)獾闹Ч茈姶砰y[5]。

3.3燒成控制組件的實現(xiàn)

窯爐能否按照預(yù)設(shè)的工藝曲線運(yùn)行，往往會受到燒成控制組件的影響，而窯爐的運(yùn)行涉及到燒成曲線控制以及記錄曲線控制，這兩項均為主動類，這主要是由于它們都有屬于自己的執(zhí)行線程，但這兩項需要以數(shù)據(jù)訪問模塊為基礎(chǔ)，在數(shù)據(jù)庫當(dāng)中進(jìn)行燒成曲線以及記錄曲線的獲取，并對相關(guān)操作加以落實。而燒成控制具體可以分為三個階段，一是初始階段、二是氧化階段、三是冷卻階段。

初始階段需要完成三個任務(wù)，即將溫度控制、助燃空氣控制以及燃?xì)饬髁靠刂茊?，而窯爐內(nèi)部設(shè)有多個溫區(qū)，因此，每個溫區(qū)都要做好控制工作。助燃空氣控制不同于溫度控制，其運(yùn)行方式主要有三種，第一種是根據(jù)流量對助燃空氣進(jìn)行控制，第二種是根據(jù)空燃比方式對助燃空氣進(jìn)行控制，第三種是根據(jù)開度對助燃空氣進(jìn)行控制。而燃?xì)饬髁靠刂婆c助燃空氣控制較為相似，其控制方式同樣有三種，其一是根據(jù)流量對燃?xì)膺M(jìn)行控制，其二是根據(jù)空燃比對燃?xì)膺M(jìn)行控制，其三是根據(jù)開度對燃?xì)膺M(jìn)行控制[6]。

氧化階段的算法主要涉及兩部分，第一部分需要對被控物理量的變化幅度進(jìn)行計算，并確定設(shè)定點(diǎn)的初始值，其涉及到三項內(nèi)容，第一是燒成曲線起始值，第二是人工偏移值，第三是窯爐斷點(diǎn)運(yùn)行功能，保證窯爐在恢復(fù)運(yùn)行時，可以沿著斷點(diǎn)繼續(xù)運(yùn)行。除此之外，需要進(jìn)行各種開度值的設(shè)置，因為進(jìn)行開度控制實際就是進(jìn)行開環(huán)控制，所以，在第二部分的控制循環(huán)當(dāng)中并不需要出現(xiàn)這一點(diǎn)。而算法的第二部分需要進(jìn)行過程控制循環(huán)，這種功能需要由sleep Timer（processCycle）來實現(xiàn)，在控制過程中，若出現(xiàn)曲線運(yùn)行時間超時的情況，則這一步驟會完成運(yùn)行，并開始后續(xù)操作，而在氧化階段當(dāng)中，還需要控制物理量的參數(shù)，各溫區(qū)控制都在一個循環(huán)中進(jìn)行，且對于煙氣、壓力、流量以及空氣都需要進(jìn)行條件判斷，若沒有應(yīng)用過程量控制，則不需要進(jìn)行其他工作，這主要是因為開度控制會在循環(huán)以外實現(xiàn)[7]。

冷卻階段，系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中僅有一套反饋回路，其主要是由助燃風(fēng)機(jī)以及空氣流量孔板構(gòu)成，能夠?qū)χ伎諝饬髁窟M(jìn)行有效的控制，在該系統(tǒng)當(dāng)中，并不是為了對空氣流量進(jìn)行控制，而是為了控制窯內(nèi)溫度，如果在窯爐運(yùn)行期間出現(xiàn)溫度快速下降的情況，則風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速會隨之下降，而如果窯爐溫度不能正常下降，則系統(tǒng)會適當(dāng)提升風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)可以通過物理反饋回路的增設(shè)實現(xiàn)這種功能，但需要注意的是，該項功能的實現(xiàn)會加大系統(tǒng)的成本投入。針對這種情況，本系統(tǒng)當(dāng)中使用空氣總管進(jìn)行冷卻軟傳輸，能夠達(dá)到與上述方法相同的效果，所以，并不會出現(xiàn)成本增加的情況，其設(shè)計思路是在窯爐進(jìn)入冷卻狀態(tài)，也就是燒嘴全部熄火以后，選擇某個溫區(qū)繼續(xù)開展溫度控制工作，但因為窯爐已經(jīng)處在熄火狀態(tài)，所有的燒嘴也已經(jīng)關(guān)閉，所以，對燃?xì)忾y門進(jìn)行控制并不會產(chǎn)生任何作用，對此，本系統(tǒng)反轉(zhuǎn)了PID輸出，并將其向助燃風(fēng)機(jī)輸入，經(jīng)過實際檢驗發(fā)現(xiàn)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速得到了有效的提升，獲得了良好的降溫效果。

對于記錄曲線的控制，首先需要對各溫區(qū)進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集，其次，對燃?xì)饬髁繑?shù)據(jù)以及空氣流量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，最后進(jìn)行煙氣溫度數(shù)據(jù)以及窯壓數(shù)據(jù)的采集。在完成采樣工作以后，采樣結(jié)果會反饋至客戶端，然后對采樣周期進(jìn)行等待，在等待結(jié)束以后，開始對各項數(shù)據(jù)進(jìn)行重新的采集，若這時將窯爐停運(yùn)，則采集工作會隨之停止，與采樣過量程PV相比，采樣開度值MV較為相似，兩者間的最大差異就是采樣周期有所不同[8]。

結(jié)語：綜上所述，針對工業(yè)窯爐進(jìn)行軟件控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，能夠使工業(yè)窯爐的控制水平得到進(jìn)一步的提升，這對于工業(yè)窯爐運(yùn)行質(zhì)量的提升具有非常重要的意義，因此，相關(guān)單位一定要對此保持高度的重視，對現(xiàn)有工業(yè)窯爐軟件控制系統(tǒng)的不足之處加以尋找，并結(jié)合實際需求，對其設(shè)計進(jìn)行不斷的優(yōu)化，使其能夠在窯爐運(yùn)行控制當(dāng)中發(fā)揮更大的作用。

參考文獻(xiàn)

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