工业隧道窑集散控制系统的设计与开发

Ｖｏｌ．３０ Ｎｏ．２ Ｍａｒ． ２００８
１．１ 温度控制 根 据 装 烧 产 品 原 料 性 质 、制 品 的 形 状 和 大 小 以
及入窑水分等工艺要求， 制定一条合理的烧成温度 曲线， 如图 １ 所示。焙烧时就按照这条曲线来保证 一定的升温、保温和冷却控制。
１ ４００ ⑤
温 度／℃
１ ２００ ８００ ６００
两级集散式（ＤＣＳ）结构， 整个系统核心部分由一台工 业控制计算机（ 又称上位机） 和多个下位控制器（ 又 称下位机） 组成。工业控制计算机是整个集散控制 （ＤＣＳ）系统的宏观调度与指挥中心。
工业隧道窑控制计算机
工 业 炉 第 ３０ 卷 第 ２ 期 ２００８ 年 ３ 月
访问机制， 即不同角色完成的工作不一样， 所见到的 用户界面也不一样。
十几个车位。温度控制是指按升温曲线均匀加热， 一般在窑顶板上都安装有热电偶来监控温度。 １．１．２ 烧成带的温度控制
烧成带的温度控制是指要控制实际燃烧温度和 最高烧成温度。一般火焰温度应高于装烧产品烧 成 温 度 ５０￣１００ ℃， 火 焰 温 度 的 控 制 通 过 调 节 单 位 时间内燃料消耗量和空气的配比来实现， 单位时 间内燃料燃烧得彻底而空气量又恰当， 则火焰温 度高。对内燃制品要根据制品的热值来控制需氧 量， 对外燃制品要根据制品烧成所需的热量来控制 燃料和需氧量。 １．１．３ 冷却带的温度控制
上位软件系统的体系结构， 主要由数据库统一 管理子系统、用户角色管理子系统、窑炉运行控制子 系统和数据管理分析子系统组成， 见图 ３。从功能上 看， 又可以分为 ３ 个层次。下层是用户角色管理子系 统， 中层是窑炉运行控制子系统和数据管理分析子 系统， 上层为数据库统一管理子系统。
ｎ＃
ｎ＃
ｎ＃
ｎ＃
空
上位机系统硬件上配有 ＣＲＴ 及打印设备， 具有 友好的 ＧＵＩ 人机界面； 通过 ＲＳ!４８５ 等通讯方式能 够实时地和下位机进行对话； 能实时显示下位机控 制的各个设备实际温度、压力、气氛数据以及 Ｉ／Ｏ 状 态， 并且根据需要可以对其进行自动或者手动干预。 可 以 显 示 各 种 曲 线 、趋 势 图 、历 史 记 录 、数 据 表 格， 并打印之； 并能实 时 修 改 各 温 控 点 的 设 定 温 度 、设 定压力、设定气氛以及校正下位机的时钟等功能。
④ ③ ②
４００ ① ２００
⑥
⑦ ⑧
０．００
１８．２０
３９．１０
６２．１２
时 间／ｈ
①低温排水 ②过量空气 ③正常氧化 ④比例燃烧
⑤还原烧成 ⑥快速冷却 ⑦正常冷却 ⑧慢速冷却
图 １ ＰＴ－ ０１Ｘ 型高压电瓷烧成工艺曲线
９０．００
１．１．１ 预热带的温度控制 预热带是指制品入窑到第一燃烧室止， 一般为
摘 要： 根据工业隧道窑烧成工艺控制要求， 论述了基于集散控制系统对工业隧道窑的温度、压力、气氛实施控制的 原理， 并且给出了具体可行的集散控制系统方案和系统的硬件与软件主要实现结构。实践表明， 该系统控制具有性能高 效、精确、低耗能等特性， 具有很强的通用性，为目前工业隧道窑控制提供了一种好的模型和方法。
关键字： 工业隧道窑； 集散控制； ＰＩＤ； 温区 中图分类号： ＴＱ１７５．６＋５３．１； ＴＰ２７３ 文献标识码： Ｂ 文章编号： １００１－ ６９８８（ ２００８） ０２! ００１７" ０５
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｄｉｓｔｒ ｉｂｕｔｅｄ Ｃｏｎｔｒ ｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｉｎｄｕｓｔｒ ｙ Ｔｕｎｎｅｌ Ｋｉｌｎ
２ 系统控制宏观设计
本 系 统 宏 观 上 采 用 集 散 控 制 系 统 （ＤＣＳ）形 式 设 计 （ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ） ， 还 可 以 称 为 分 布 式 控制系统， 是一个由过程控制级的下位机和过程监 控级上位机组成的以通信网络为纽带的计算机测控 系统。综合了计算机、通信、显示和控制等 ４Ｃ 技术， 其 基 本 思 想 是 分 散 控 制 、集 中 操 作 、分 级 管 理 、配 置 灵活以及组态方便。ＤＣＳ 具有以下特点。
气氛控制主要集中在烧成带， 可分为氧化和还 原两种气氛控制。氧化气氛容易控制， 控制空气过 剩系数大于 １， 但不要过大， 以节约燃料， 提高温度。 在氧化过程中要有充分的空气烧尽残余燃料， 还要
维持一定的温度。气氛的控制和温度的控制密切相 关， 例如， 在氧化气氛时， 由于原来空气过多， 如果维 持原料不变而减少过多空气， 则火焰温度提高； 当减 少空气至空气过剩系数接近 １ 时， 此时温度最高。如 果空气不足， 则温度又降低而进入不完全燃烧的还 原气氛。相反， 还原气氛时， 由于空气不足， 则温度降 低而进入不完全燃烧的状态。如果维持燃料不变而 增加空气时， 由于燃烧更趋完全， 火焰温度升高， 继 续增加空气至理论需要量时， 燃烧温度最高， 如再增 加空气， 则温度降低而变为完全燃烧而又有过剩空 气的氧化气氛， 所以从温度的变化也可以判断气氛 的变化。 １．３ 压力控制
压力控制曲线是为了保证温度控制曲线和气氛 控制曲线而设置的。窑内最重要的是控制烧成带两 端的压力稳定。如果窑内负压过大， 吸入的冷空气过 多， 一方面降低了窑内温度， 气体分层严重， 上下温 差大； 另一方面， 烧成带难以维持焙烧气氛。反之， 如 果窑内正压过大， 则大量热气向外界冒出， 损失热 量， 恶化劳动条件， 热量串入窑下还会烧毁窑车， 造 成事故。理想的操作是维持窑车面零压。
燃
总
总
温
压气开管Biblioteka 管度力氛关
单
单
控
控制量
元
元
制
制下输
下
下位入
位
位机输
机
机
出
窑炉控制策略资源库
记录数据资源库
数据库统一管理子系统
窑炉控制运行子系统 数据管理分析子系统
ｎ＃ 温区 图 ２ 工业隧道窑集散控制（ＤＣＳ）宏观原理图
按照工业隧道窑的烧成工艺以 及 ＤＣＳ 系 统 的 原理， 可以将其多个带最终划分为若干个号温区来 进行控制。图中只表示了一个温区， 代号为 ｎ＃。在一 个具体温区里实际上又要根据工艺曲线控制温度、 压力、气氛， 还有点火、风机操作等开关量控制， 采用 多个下位控制器来实现。每一个温区里的多个下位 机形成一个相对独立的区域， 它具有自动调控、自动 决策、自动安全监控等功能。
（ ２） 开放性。ＤＣＳ 采用开放式、标准化、模块化 和系列化设计， 系统中各台下位机采用外部总线方 式通信（ 如 ＲＳ－ ４８５） ， 实现信息传输， 当需要改变或 扩充系统功能时， 可将新增下位机方便地连入系统 通信网络或从网络中卸下， 几乎不影响系统其他下
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位机的工作。 控制系统设计总体结构如图 ２ 所示。系统采用
第 ３０ 卷第 ２ 期 ２００８ 年 ３ 月
工业炉
Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｆｕｒｎａｃｅ
Ｖｏｌ．３０ Ｎｏ．２ Ｍａｒ． ２００８
工业隧道窑集散控制系统的设计与开发
杨盛泉 １， 刘萍萍 １， 王志安 ２， 南光哲２ （１．西安工业大学 计算机科学与工程学院， 陕西 西安 ７１００３２；
２． 西安恒新窑炉技术有限公司， 陕西 西安 ７１００６５）
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｔｕｎｎｅｌ ｋｉｌｎ； ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ； ＰＩＤ； ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｚｏｎｅ
工业隧道窑是一种连续式窑炉， 其结构主要由 预热带、高温带、急冷带和缓冷带 ４ 部分构成， 广泛 应用在建筑陶瓷、卫生陶瓷、瓦坯素烧、釉烧工程、核 燃 料 、电 子 等 各 个 行 业 。 工 业 隧 道 窑 在 控 制 运 行 过 程中， 窑内温度、气氛、压力及各种流量， 往往会由于 外界条件或内部因素的变化而发生变化， 为了使这 些变化的参数符合烧成工艺要求， 必须实时根据这 些 变 化 情 况 对 窑 炉 各 控 制 设 备 做 出 快 速 、合 理 又 整 体协调的控制； 传统的工业隧道窑控制基本都是靠 人工操作和调节或计算机参与辅助监控。这种控制 方式的缺点是体力劳动繁重， 效率低， 有滞后性， 而
（ １） 高可靠性。由于 ＤＣＳ 将系统控制功能分散 在各台下位机上实现， 系统结构采用容错设计， 因此 某一台下位机出现的故障不会导致系统其他功能的 丧失。此外， 由于系统中各台下位机所承担的任务比 较单一， 可以针对需要实现的功能采用具有特定结 构和软件的专用控制器， 从而使系统中每台下位机 的可靠性也得到提高。
制品在烧成后进入冷却阶段， 窑尾直接鼓入冷 风， 进行冷却， 自 ７００￣４００ ℃为缓冷阶段， 靠分布在 该段的风机将热风抽出， 使制品由 ４００ ℃冷却至 ８０ ℃左右出窑。制品在 ７００ ℃以前可以急冷， 应根据制 品 性 质 、装 车 情 况 和 推 车 速 度 来 决 定 高 温 急 冷 风 的 位置和风量。 １．２ 气氛控制
下位机根据具体设备需要可以灵活配置若干 套， 根据信号源的不同与所处位置， 又可以组合形成 若干个自治温区。
ＹＡＮＧ Ｓｈｅｎｇ!ｑｕａｎ１， ＬＩＵ Ｐｉｎｇ!ｐｉｎｇ１， ＷＡＮＧ Ｚｈｉ!ａｎ２， ＮＡＮ Ｇｕａｎｇ!ｚｈｅ２ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｘｉ’ａｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｘｉ’ａｎ ７１００３２， Ｃｈｉｎａ； ２． Ｘｉ’ａｎ Ｈｅｎｇｘｉｎ Ｋｉｌｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ． Ｌｔｄ， Ｘｉ’ａｎ ７１００６５， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｏｎ ａｃｃｏｕｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｍａｎｄ ｏｆ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｔｕｎｎｅｌ ｋｉｌｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｒａｆｔｗｏｒｋ， ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ， ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｋｉｌｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ， ａｎｄ ｉｔ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｌｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｋｉｌｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ａｌｓｏ ｇｉｖｅｎ． Ｐｒａｃｔｉｃｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｔｕｎｎｅｌ ｋｉｌｎ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ， ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｌｏｗ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ， ｅｔｃ．， ａｎｄ ｏ ｈａｓ ｇｅｎｅｒａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｓｔｒｏｎｇｌｙ， ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｇｏｏｄ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｔｕｎｎｅｌ ｋｉｌｎ ｃｏｎｔｒｏｌ．