中文摘要 摘要 作為磚瓦工業中一種非常重要的燒成設備，隧道窯在衛生陶瓷、耐火材料等 磚瓦產品的生產過程中已經得到了越來越廣泛的應用。隧道窯的測控系統也從早 期的儀表控制發展到現代控制技術的應用，如p l c 的應用，d c s 系統的普及以及 模糊控制技術的應用等。然而，總體上我國隧道窯生產過程自動化程度相對較低， 既嚴重限制了磚瓦產品質量水平的提高，又造成了較大的能源消耗。因此，通過 p l c 的應用，系統管理利用d c s 系統，提高我國隧道窯生產過程的自動化水平， 降低能源消耗，具有重要的理論及現實意義。 本文針對某企業1 5 6 米高溫隧道窯，在深入分析隧道窯生產工藝要求以及國 內外隧道窯自動控制系統發展狀況之后，設計了一套包括現場控制層、顯示操作 層和信息管理層的集成自動化控制系統。該控制系統采用穩定性、可靠性高的p l c ( 可編程邏輯控制器) 作為現場控制層的控制器，編程控制采用智能化改進型積 分分離p i d 控制器控制壓力和流量，利用先進的網絡技術構建了一個生產管理平 臺，實現隧道窯生產信息管理系統穩定可靠地運行。它既著眼于窯爐設備的安全、 經濟運行，又著眼于整個企業的生產管理。通過管理促進控制，管控結合，有效 地提高了窯爐系統的生產效率。該系統采用全集成自動化工程的思想進行設計， 整個系統應用共同的組態和編程，共同的數據管理與通信，實現了各層之間的高 度集成。系統采用模塊化的設計結構，并具有完全的丌放性，使系統具備良好的 可擴充性。 在實際生產過程中良好的運行狀況表明，本文開發的隧道窯計算機控制與管 理系統設計合理，功能先進。降低了工人的勞動強度，降低了能源的消耗，在一 定程度上為隧道窯生產過程自動控制技術的發展進行了實踐探索和理論儲備。 關鍵詞：隧道窯：d c $ 系統；網絡技術；組態軟件 英文摘要 d e s i g no f t u n n e lk i l nc o n t r o la n dm a n a g e m e n ts y s t e m a b s t r a e t a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tb u r n te q u i p m e n t si nt h et i l ei n d u s t r y ，t u n n e lk i l n a l r e a d yo b “n o dm o r ea n dm o r ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o ni ns a n i t a r yc e r a m i c s ，r e f r a c t o r y m a t e r i a la n do t h e rt i l ep r o d u c t i o np r o c e s s t h em e a s u r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mo ft u n n e l l 【i l i la l r e a d yd e v e l o p e df r o me a r l yi n s t r u m e n tc o n t r o lt om o d e r nc o n t r o ls y s t e m s u c ha s p l ca p p l i c a t i o n , d c ss y s t e ma n df u z z yc o n t r o lt e c h n o l o g ya p p l i c a t i o n h o w e v e r , t h e t u n n e lk i l np r o c e s sa u t o m a t i o ni sr e l a t i v e l yl o wc o m p a r et oo t h e rc o u n t r i e s t h a t r e s t r i c t st h ei m p r o v e m e n to ft h et i l ep r o d u c t sq u a l i t y ，a n dr e s u l ti nh u g ee n e r g y c o n s u m p t i o n t h e r e f o r e ，i tw i l lh a v ea ni m p o r t a n tt h e o r ya n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et o i m p r o v eo u rt u n n e lk i l np r o c e s sa u t o m a t i o nt h r o u g hp l ca p p l i c a t i o nw h i l es y s t e m m a n a g e m e n tt h r o u g hd c ss y s t e m t h i sa r t i c l ea i m sa to n ee n t e r p r i s e st u n n e lk i l ns y s t e mw i t h1 5 6m e t e r sl o n g h i 【g h - t e m p e r a t u r et u n n e lk i l l l a f t e ra n a l y z i n gt u n n e lk i l np r o c e s sr e q u i r e m e n t sa n di t s a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e md e v e l o p m e n ts t a t u si nd o m e s t i ca n da b r o a d ，d e s i g n e das e to f i n t e g r a t e da u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mc o n s i s t so f o n - s i t eo p e r a t i n gf l o o r , d i s p l a yo p e r a t i n g f l o o ra n di n f o r m a t i o nm a n a g e m e m t h i sc o n t r o ls y s t e ma d o p t st h es t a b l ea n dr e l i a b l e p l ca sc o n t r o l l e r ；i tf o r m e dap l a n ts u p e r v i s i o np l a t f o r mt h r o u g ha d v a n c e dn e t w o r k t e c h n o l o g y i tc o n s i d e r e dt h et u n n e lk i l ne q u i p m e n t ss a f e t y ，e c o n o m i co p e r a t i o n , a l s o f o rt h ew h o l ee m e i p r i s ep r o d u c t i o nc o n t r 0 1 t oa c c e l e r a t ec o n t r o lt h r o u g hm a n a g e m e n t ， w ec o m b i n e dc o n t r o la n dm a n a g e m e mt o g e t h e r ；t h e r e f o r e ，t h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c yo f t h et u n n e lk i l nw a si m p r o v e de f f e c t i v e l y t h i sc o n t r o ls y s t e md e s i g n e da c c o r d i n gt o f u l l yi n t e g r a t e da u t o m a t i ce n g i n e e r i n gt h e o r y ，t h ew h o l es y s t e ma p p l i e dt h es a m e c o n f i g u r a t i o na n dp r o g r a m ，t h es a n l ed a t am a n a g e m e ma n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e mt o r e a l i z eh i g hi n t e g r a t i o na m o n ga l ll e v e l s t h i ss y s t e ma d o p t sm o d u l a r i z e dc o n f i g u r a t i o n , p o s s e s sw h o l l yo p e n n e s si no r d e r t ok e e pt h es y s t e mw e l le x p e n d a b i l i t y t h ep r a c t i c a lp r o c e s sp e r f o r m a n c ei n d i c a t e st h et u n n e lk i l nc o n t r o ls y s t e ma n dt h e m a n a g e m e n ts y s t e mt h a tw ee x p l o i ti sr e a s o n a b l ea n dw i t hs u f f i c i e n tf u n c t i o n s ，t h a t d e c r e a s e dh u m a nw o r k l o a da n de n e r g yc o n s m n p t i o n , a n dt h e o r yp r e p a r a t i o nf o rt u n n e l k i l np r o c e s sa u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ti nac e r t a i ne x t e n t k e yw o r d s ：t u n n e lk i l n ；d c ss y s t e m ；n e t w o r k ；c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ； 大連海事大學學位論文原創性聲明和使用授權說明 原創性聲明 本人鄭重聲明：本論文是在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果， 撰寫成碩士學位論文 ：隧道窒控劍叢筐堡丞統遮讓：。除論文中已經注明引 用的內容外，對論文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式 標明。本論文中不包含任何未加明確注明的其他個人或集體己經公開發表或未公 開發表的成果。 本聲明的法律責任由本人承擔。 論文作者簽名： 舌五叼年i 。月2 6 日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者及指導教師完全了解“大連海事大學研究生學位論文提交、 版權使用管理辦法”，同意大連海事大學保留并向國家有關部門或機構送交學位論 文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權大連海事大學可以將本 學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，也可采用影印、縮印或掃 描等復制手段保存和匯編學位論文。 保密口，在年解密后適用本授權書。 本學位論文屬于：保密口 不保密口( 請在以上方框內打“”) 論文作者繇王飛導師簽名盡， 日期：2 唧年i 月“日 隧道窯控制及+ 1 1 系鱸! 殳 第1 章緒論 我國市場經濟的建立與發展，要求我國的磚瓦及陶瓷企業必須在管理方面適應新的 趨勢，而這一趨勢就包括計算機在企業生產控制與管理中的應用。該系統主要是從兩方 面實現，一是應用計算機進行窯爐自動控制，二是應用計算機進行企業的系統管理i 1 1 。 耐火制品燒成的熱工設備主要有兩大類。一類為連續式窯隧道窯，其主體為一條類 似鐵路隧道的長通道，通道兩側用耐火材料和保溫材料砌成窯墻，上面為由耐火材料和 保溫材料砌筑的窯頂，下部為由沿窯內軌道移動的窯車構成的窯底。隧道窯屬于逆流操 作的熱工設備。沿窯長分為預熱，燒成，冷卻三帶。制品與氣流依相反方向運動，在三 帶中依次完成制品的預熱，燒成，冷卻過程。隧道窯兩端設有窯門，每隔一定時陽j 將裝 好制品( 磚坯) 的窯車推入一輛，同時裝有已燒成制品的窯車彼頂出一輛。目前在大中 型耐火廠廣泛采用隧道窯。另一類為間歇式窯，主要為倒焰窯，近年來在倒焰窯的基礎 上又發展起梭式窯，鐘罩窯，半隧道窯等。燒成是耐火制品生產的最后一道工序，它將 最終決定產品的性質，因此對整個生產過程來說是尤為重要。隧道窯作為磚瓦工業中一 種非常重要的燒成設備，具有許多優點【2 】。 ( 1 ) 機械化、自動化程度高，勞動強度低，生產能力大，應用范圍廣。 ( 2 ) 操作環境良好，裝卸窯車均在窯外，常溫下進行。 ( 3 ) 使用壽命較長，比較好的隧道窯可以使用十幾年。 ( 4 ) 熱效率高，由于充分利用燃料燃燒熱量在預熱帶將磚坯和空氣預熱，以及具 有固定的預熱，燃燒及冷卻帶。 基于此，隧道窯在耐火材料，陶瓷和建筑材料工業的生產過程中已經得到了越來越 廣泛的應用。研究隧道窯生產過程的自動化具有重要的理論及現實意義。本文的研究工 作就是圍繞隧道窯生產過程的自動控制問題展開的。 1 1 隧道窯生產工藝及結構 1 11 隧道窯生產工藝 隧道窯是耐火材料，陶瓷和建筑材料工業中最常見的連續式燒成設備。其主體為一 條類似鐵路隧道的長通道。通道兩側用耐火材料和保溫材料砌成窯墻，上面為由耐火材 料和保溫材料砌筑的窯頂，下部為由沿窯內軌道移動的窯車構成的窯底。 第l 蓋緒論 隧道窯屬于逆；氕猱咋的碘工設備。沿。；長分為預熱，燒成，冷卻三帶。制話與。流 依栩反方刁運動，i i 三營j ，依次完成，：i 品i 勻預熱，燒威，冷。：過程i3 1 。隧道謄兩靖臣有 窯門，每隔一定時問將裝好制品( 磚坯) 的窯車推入一輛，同時裝有已燒成制品的窯車 被頂出輛。 圖1 1 隧道窯工藝流稃圖 f i g 1 1n l et e c h n i c a lf l o w c h a r to ft u n n e lk i l n 其工作過程如圖1 1 所示。由該圖i ，以看出，窯車進入預熱帶后，車上制品首先j 來自燒成帶的燃燒廢氣接觸并被加熱。而后隨著窯耳：移動進入燒成帶，借助燃料燃燒放 出大量熱，達劍燒成最高玨i 度并經過一定保溫h 4n u 后制t f i 被燒成。燒成制品至冷卻帶， 與鼓入的大貫冷空氣相遇，制品被冷卻后出窯。 冷卻制品用的宅氣經鼓風機從冷卻帶兩側窯墻及窯頂送入窯內，空氣在冷卻制；引司 時本身被加熱。由于冷卻風量大，超出燃料燃燒所需的空氣量，岡此只有一部分熱風供 給燃燒使用，另一部分則可抽出，作為磚坯干燥的熱源或另作他用。燃料燃燒所產生的 高溫煙氣沿隧道窯流入預熱帶，在加熱制品的同時本身被冷卻，最后經排煙機，煙囪排 出。 由以上分析可以看出，隧道窯中由于制品和氣流按逆流方向運動，燒成制品及廢氣 熱量都得到較充分的利用，因此較間歇式窯爐熱效率高。 隧道窯各帶長度應根據制品燒成曲線來確定，一般原則是： ( 1 ) 為了更好地利用熱量，預熱帶躍度應根據排出廢氣溫度來確定，一般廢氣溫 度低于2 5 0 0 c 。( 本隧道窯4 0 0 0 c ) ( 2 ) 燒成帶( 設置燒嘴的部分) 長度應按制品愛終燒成溫度所需持續時間的長短 而定。 冷卻帶長度應根掘出窯制品的溫度來確定，一般應低于1 0 0 。c 。 因此我們可以看出，在隧道窯的控制中，最重要的就是壓力和溫度的控制。 由于窯內復雜的氣流運動，沿窯長方向形成一定的靜壓強分布規律，即所謂的隧道 窯壓力制度。在冷卻帶由于鼓入大磚冷空氣，而形成正壓。在預熱帶由于排煙機和嫻囪 隧道窯控制及管理系鱸致：j 的抽力伊司而彤。戎負壓。因此在正壓與負壓之間仃一靜l j 強為零。窯內壓力制度的確定， 肘，。廉正燒成孟度的穩定，燃： 消耗量的降低，i 垛i i 面燒成的均勻洼以，殳減少漏t ：， 改善操作條件等方面都具有重要意義。在本系統中壓力的控制器設計采用智能化改進型 積分分離p i d 控制器，合理控制窯內壓力，保證隧道窯的穩定運行。 隧道窯溫度制度的穩定對產品質量起著重要作用，在隧道窯中應具有完整的溫度制 度控制系統。而窯溫度制度的穩定主要是保證燒成帶溫度的穩定。而燒成帶的溫度與燃 料熱值，供給量，燃料空氣比例，一，二次空氣比例及溫度，推車時間，窯車裝磚量和 裝窯圖等因素有關。 1 12 隧道窯的物理結構與功能分區 根掘生產工藝流程的介紹可知，隧道窯的結構包括：截面尺寸和長度，窯頂結構， 窯墻結構，隧道窯各帶結構及裝置，窯車和窯的密封結構。沿窯長分為預熱，燒成，冷 卻三帶。 預熱帶窯墻排煙裝置 在燒成帶產生的燃燒廢氣需經設在預熱帶窯墻上的排煙孑l 排出窯外，排煙孔設在兩 側窯墻并靠近車臺平面，這樣可使隧道窯窯車上面的氣流向下流動，從而減少上下溫差。 排煙孔的數目根據隧道窯類型不同而不同。少的3 5 對，多的達十幾對。多設排煙 孔的目的是為了靈活的調節升溫曲線，然而如果從靠近燒成帶的部位排出過多的煙氣， 會浪費較大的熱量，但排出的廢氣量過少又起不到調節溫度曲線的作用。所以，排煙孔 的數目應結合窯爐具體情況加以確定。 燒成帶一次空氣送風裝置 燃料燃燒所需的一次空氣，可由風機從冷卻帶抽出部分熱空氣送至各燒嘴，由于風 機材質限制，抽引空氣溫度不超過2 5 0 0 c 。 冷卻帶抽熱風裝置 為使制品有效地冷卻，從冷卻帶鼓入的冷風量比燃燒所需的空氣量要大，因此，熱 空氣在進入燒成帶之前要從窯內抽出一部分。為避免燒成帶煙氣向冷卻帶倒流，抽熱風 孔位置不宜太靠近燒成帶，一般距燒成帶9 米左右。 冷卻帶送風方式和送風裝置 芽1 章緒論 冷：印帶自。送風方式有分文送風和集蘆送肛兩；形j 1 ：。本疆道葑在冷卻孑出 ，窯頂上 凌霞i j ：，j 軸流風覘，引起乏j 鉑一h 下循，f 漉動，以趕高冷j 效果。 1 2 國內外隧遵窯自動控制系統現狀、前孽和意義 121 隧道窯自動控制系統的現狀 隧道窯作為磚瓦工業的主要撓成設備已經歷了多年的成氏和發展，相比于其他類型 的工業窯爐來說，自動化程度較高。但是國內現有隧道窯的控制大多還停留在常規儀表 控制的水平上，實現溫度自動調節的不是很多，控制水平較為低下。控制系統的這一現 狀產生了大量的工業問題：一是造成操作人員多，勞動強度大；二是導致窯爐運行不穩定， 造成產品質量差異較大；三是熱損失較大，造成能源浪費【“。 近年來，隨著計算機硬件水平和網絡技術的飛速發展，隧道窯自動控制設備的硬件 配置也已從傳統的模擬儀表、數字儀表發展到計算機控制。系統結構從集中式控制、分 布控制向計算機集成管理控制系統方向發展f 5 o 國內研究機構及相關企業在諺領域做了大量的工作，并取得了顯著的成績，使我國 隧道窯自動控制的水平逐步提高。例如，鐵道抖學院自主研發的隧道窯多變量智能控制 及管理系統，是專門針對我國現有工業隧道窯特點而設計制造的。適用于以重油、輕油 以及清潔燃氣為主要燃料的工業窯爐。該系統采用了先進的計算機硬件、軟件、網絡通 信以及智能控制技術，無論在控制方式、性能、功能、可靠性和靈活性方面都具有很高 的性能價格比，是代表未來發展方向的新一代工業窯爐自動控制系統。該系統控制精度 達到國外同類窯爐先進水平【。， 從國外引進先進窯爐進行消化和吸收，也是國內隧道窯自動控制系統實現快速發展 的方式之一。例如，廣東佛山市某企業從西德r i e d h a m m e r 公司引進了一條t w l 2 0 3 0 0 7 5 型隧道窯，這條窯采用以微機為基礎的小型分布式控制系統( d c s ) ，實現了窯爐生產過 程集中操作和分散控制，提高了窯爐的熱工性能和節能水平【7 1 。 國內部分先進企業的隧道窯自動控制也己經具有了較高的水平。例如，黃岡某侖業 隧道窯的溫度、壓力、氣氛及流量等均采用先進的多變量模糊控制( f c ，f u z z yc o n t r 0 1 ) 結合p i d 控制的計算機自動控制技術，通過計算機、模糊控制器、可編程序控制器( p l c l 和智能儀表，實現了高精度的雙回路串級自動調節、控制和管理i8 1 。 4 隧道窖控制及管理誓統沒計 綜合評價，國外薪翟遂道窯自動控制樂統的總體水f 好于我國，并正向著更快、更 輕、更好、更少的方向發展。一些經濟發達啦西方一家，在磚瓦業中己買現了工1 全自 動化生產，無論窯斷面大小如何，從碼窯車開始，到窯車運轉系統、頂車、燒成、窯內 溫度和壓力的監控，到各風閘的動作，窯門升降全部實現自動控制。 在新型隧道窯自動控制系統應用領域，歐洲和日本都有長足進展。例如，已經在西 班牙投入使用的一座鋼外殼隧道窯采用了大功率的過程控制計算機，該計算機同存儲程 序控制裝置和數字調速器一起以最佳效果控制著隧道窯的運行。該套系統中成功應用了 精心設計的菜單技術，通過彩色的工藝過程圖像為用戶提供了大量有用信息，并且操作 簡便。該系統能夠模擬隧道窯全部重要部件及管道的運行狀況。過程參數的測量值，設 定值以及工藝過程的狀態信息實時的反映在大屏幕顯示器上。當產品或噸位數發生變化 時，燒成曲線會全自動的適應該變化，并以最快速度中止所有臨界邊緣條件，如加熱和 冷卻速度等。這種現代化的數字硬件調速器借助友好的人機交互界面從過程計算機獲得 設定值和設定參數。由于調節系統始終參與生產過程而不是在計算機可能出現故障時才 開啟，這樣就可以確保較高的運行可靠性【9 】。 德國r i e d ha m m e r 燃氣t w 6 5 2 1 0 7 5 g 現代輕型隧道窯的控制系統大體由四個 部分組成：a 、電機系統；b 、輸車系統；c 、熱工檢測及自動調節系統；d 、工況監護及報警 系統。全部由微機自動調節和控制。整個控制系統包括：電子自動點火、火焰探測、噴嘴 火焰回流防爆。自動調溫及比例調節壓力，推車超壓報警，煤氣閥聯鎖自動啟閉等功能。 操作人員通過人機交互界面設定溫度、壓力、氣氛、流量、燃起與助燃風調節比值等主 要的過程參數。自動顯示、記錄儀表具有顯示窯爐運行狀況或記錄歷史曲線的功能 1 0 1 。 為進一步提高耐火材料生產企業的產品質量和管理水平，奧地利的一些耐火材料生 產廠家也己經廣泛采用了計算機控制系統。這些計算機控制系統一方面實現窯溫、窯壓 等參數的自動調節，設定值的修改、趨勢圖的繪制以及報警等功能；另一方面可以對窯內 溫度、壓力分布情況、各臺車的生產信息等重要的質量參數進行監測和記錄，并將這些 重要的歷史數據進行存儲，便于對歷史生產信息的查詢和分析。 但是由于隧道窯生產過程足典型的熱工生產過程，因此，窯內的溫度直接影響著燒 成產品的質量。通常情況下，為了使產品達到要求的技術指標，在焙燒過程中必須嚴格 保證燒成帶各區溫度符合技術部門下發的燒成曲線，同時盡可能保持窯內溫度制度的穩 定。 5 第1 毒緒論 從控制對舅動悉特性。7 j 角度講，饈道善是屬于具有對變性、大滯后、多于擾的熱工 過。各凋節參數與被誦多：，之間存在舂多層次的交叉藕合作用【= “。目芘，在實際遼i 中廣泛采用傳統的p i d 方式對燒成帶備區鄉- 別進行控制，盡管這種方式能夠基本實現各 區溫度的自動調節，但是由于多變量相互羯合，使p i d 的參數整定很復雜，而且控制速 度慢、系統超凋大，控制效果并不十分理想。 因此，如何進一步提高燒成帶溫度控制的精度和穩定性，己經成為隧道窯自動控制 中的研究熱點和難點之一。 隨著智能控制方法的快速發展，針對上述問題的研究取得了一定的進展。文獻中認 為，對此種復雜的生產過程，有經驗的操作工人卻能憑經驗使系統基本正常運行，主要 是對整個系統有綜合判斷能力，即具有模糊控制能力。基于此，該文章嘗試了f u z z y ( 模 糊) 掙制和p i d 控制棚結合的控制系統，并取得了較好的控制效果。文獻中也對。e 隧 道窯溫度控制中使用模糊控制方法進行了探討，并對傳統模糊控制方法進行了改迸【l ”。 近年朱，神經網絡在解決與隧道窯過程類似的溫度過程的控制問題中得到了越來越 廣泛的應用。文獻中建立了一種基于d r n n 神經剛絡的p i d 控制器，該控制器具有參 數自整定，多輸入多輸出特點 1 ”。文獻中采用p i d 神經網絡實現在線學習，根據對象過 程參數調整控制作用，達到了系統解耦和控制的目的【i ”。 盡管前人已經在該領域的某些方向進行了深入的研究，但由于這些方法或要求大量 操作經驗，或結構復雜、穩定性差，要將其應用于實際生產過程還有許多工作要做。 1 2 2 隧道窯自動控制系統的前景 雖然目前隧道窯生產過程的自動化己經取得了長足的進步，但是限于現有的技術和 工藝水平，并沒有真正實現隧道窯生產的全過程自動化。隨著自動控制技術的不斷進步， 隧道窯生產工藝的不斷改進，隧道窯自動控制系統將更加完善，體現隧道窯特性的溫度 制度和壓力制度將實現智能優化控制，控制系統將具有更高的精度、更快的速度以及更 強的抗干擾性能。例如，窯爐監控系統能夠根據己經設定的燒成制度，對窯內發生的各 種變化自動進行調控。當系統當前狀態發生變化時，控制系統將驅動執行機構對相應參 數做出調整”。隧道窯的輔助過程也將進一步實現f j 動化、一體化。例如，隧道窯的進 車、出車、窯門升降按預先設定的程序自動完成，在無人干預的情況下，窯車能在回車 線上順利完成碼坯，磚坯轉運，卸磚，返網等作業。利用電子計算機技術實現全過程自 隧道窯控韋j 致管理互統設干 動化控制乩遴道窯可以準確，及時、靈敏地調整各項熱工參數，強少對操作經驗的依賴， 降 i 操作人員的勞毛強度；提高：j 爐運行穩定性，進一步改善產品的質量，增七j 產未的產 量；并且進一步降低能耗，減少能源浪費。 1 2 3 開發隧道窯自動控制系統的意義 我國現有隧道窯在生產效率、節能、節約耗書于、熱能利用( 熱效率) 、控制操作及環 境保護等方面的技術和管理水平還比較落后。這種落后的生產工藝和技術水平，使得我 國磚瓦工業的產品質量仍處于較低水平，嚴重制約了我國磚瓦行業的發展。同時，我國 還是一個人口眾多，資源相對匾乏的國家，這樣的國情要求我們必須不斷提高技術水平， 逐步降低隧道窯生產過程中的能耗。通過技術引進雖然有助于快速提高我國隧道窯生產 過程的技術水平，但是由于無法獲取關鍵技術，阻礙了對引進系統的消化吸收。而且， 少數由國外高價引進的全套控制系統，也由于缺乏必要的維護措施，運行效果并不理想。 因此開發適合我國國情的高水平隧道窯生產過程自動控制系統是提高我國磚瓦產品質 量和管理水平的必由之路。 1 3 本文的主要工作 本文以某企業自動化生產系統中1 5 6 米高溫隧道窯計算機控制與管理系統的設計和 開發工作為主要內容，采用穩定性、可靠性高的p l c ( 可編程邏輯控制器) 作為現場控 制層的控制器，采用智能化p 1 d 控制，較好的完成了隧道窯壓力、溫度、流量的控制， 以及隧道窯窯門、拉車機及推車機的連鎖控制，利用先進的網絡技術構建了一個生產管 理平臺，實現隧道窯生產信息管理系統穩定可靠地運行，提高控制系統的自動化水平和 企業的管理水平。通過管理促進控制，管控結合，有效地提高了窯爐系統的生產效率， 并對系統進行優化設計，使系統適應節能改造。該系統采用全集成自動化工程的思想進 行設計，整個系統應用共同的組態和編程，共同的數據管理與通信，實現了各層之問的 高度集成。系統采用模塊化的設計結構，并具有完全的開放性，使系統具備良好的可擴 充性。 1 4 本文的結構布局簡介 ( 1 ) 緒論：隧道窯結構及生產工藝，隧道窯自動控制系統的現狀、前景和意義。 ( 2 ) 過程控制與管理的基本理論：d c s ，p l c ，組態軟件，p i d 控制算法器。 第1 章緒論 現。 f 3 ) 系藐受計：計算機控制與管理系統總體設計，控制歹統的實現，管，三系統箋實 ( 4 ) 試驗結果：生產信息管理功能的實現，系統優化節能的實現。 ( 5 ) 結論：安全可靠，運行穩定，功能先進，操作方便，節約能源。 隧董窯扛、韋i 及管強；統設 第2 章過程控制與誓理的基本理論 科學技術的發展對于改變社會的生產面貌，推動人類文明向前發展，具有及其重 要的意義。特別是計算機技術和網絡技術的發展，為實現高水平的自動化提供了強有 力的技術工具，給生產過程自動化的發展帶來了深遠的影響，生產過程控制系統已經 從常規儀表和繼電邏輯控制系統，發展到了計算機控制系統。計算機控制系統的應用領 域非常廣泛，涉及到工業、國防和民用的各個領域。計算機控制系統是以計算機、自動 控制理論和自動化儀表等技術為基礎，將這些技術集成起來構成計算機控制系統。典型 的計算機控制系統有直接數字控制( d d c ) 、集散控制系統或分散控制系統( d c s ) 、 現場總線控制系統( f c s ) 、可編程控制器系統( p c s ) 0 7 。計算機網絡技術的發展實 現了管理、控制一體化的要求，使企業的管理信息系統、技術信息系統與生產過程 自動控制系統有機地結合起來，實現計算機集成制造系統c i m s 或計算機集成過程系 統c i p s 18 1 。 2 1 分散控制系統( d o s ) 分散控制系統( d c s ) 亦稱集散控制系統，其本質是采用分散控制和集中管理的設 計思想，分而自治和綜合協調的設計原則，采用層次化的體系結構，從下到上依次分為 直接控制層，操作監控層、生產管理層和決策管理層【1 9 1 。 集散控制系統最初產生于7 0 年代中期，它是4 c 技術( 即計算機c o m p m e r ，控制 技術c o n t r o l ，通信技術c o m m u n i c a t i o n 和c r t 顯示技術) 綜合的產物，其核心是微型 計算機。可以說集散控制系統是一種以微型機為主的分級分布式微機網絡控制系統。 0 0 基礎控制級 0 望 j 工業過程現場i 圖2 1 集散控制系統組成 f i g ，2 1t h es t r u c t u r eo fd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m 芽2 奄過稃記割與管理的墓太理論 集敦控：列系統具有一般_ ：十筍機控制系統2 引筍去：進精度高，響應速主眵的優點， 尉時之還具有常規淡表控制j ，：為：安全呵專：，紀置靈靠i 以及難護方便甕先，r i 剛。 圖2 1 為典型集散控制系統的基本組成。其具有分層結構，可劃分為三個層次，分 別為摹礎釜制級，操作監控級和生產管理級。對于不同的生產過程，可根振：其對自動控 制系統復雜程度的要求選用第二，第三級。 2 2p k 0 可編程控制器 p l c 于6 0 年代末期在美因首先出現，目的是用來取代繼電器，執行邏輯、計時、 計數等順序控制功能，建立柔。陸程序控制系統。1 9 7 6 年正式命名，并給予定義：p l c 是一種數字控制專用電子計算機，它使用了可編程序存儲器儲存指令，執行諸如邏輯、 順序、計時、計數與演算等功能，并通過模擬和數字輸入、輸出等組件，控制各種機械 或工作程序。自1 9 7 3 年提出第一臺以微處理器為基礎的窄制器以來，它逐步完善，并 最終形成功能齊全、安全可靠的數字式分散控制系統d c s 。它的7 k 能大大優_ 了+ 以住任何 一種控制系統。 p l c 的市場的潛力是巨大的，不僅在我國，即使在工業發達的同本也有調奄表明， p l c 配套的機電一體化產品的比例占4 2 ，采用繼電器、接觸器控制尚有2 4 。所以說， 需要應用p l c 的場合還很多，在我國就更是如此了。 2 2 1p k 0 的硬件和軟件 關量為主的順序控制自動化產品，但隨著其功能的提高已經廣泛應用于各種控制領 域。p l c 一般提高強大的開發環境( 如西門子公司的s i m a t i c 7 ) ，除了提1 ： l ：梯形圖等 開發語言外，還能提供c 語言等高級編程語言，能夠輕松應付含有大量復雜控制【司路和 人機交( 1 ) p l c 的分類 p l c 在9 0 年代已經形成微、小、中、大、巨型多種p l c 。按i o 點數分，可分為： 微型p l c ：3 2 i o 小型p l c ：2 5 6 i 0 中型p l c ：1 0 2 4 i 0 大型p l c ：4 0 9 6 i o 巨型p l c ：8 1 9 5 i o 1 0 隧苣窖控制及管曼系統一2 汁 近年泉有單機支持3 c ，j 畫路和6 5 0 0 0 點i o 的大型系統對應中型p l c 以上，均采用 1 6 位3 2 也? c p u ，微、小型p l c 原采辱j8 位c i ，u ，現在根掘通訊等方面互求，有的也 改用1 6 位3 2 位c p u 。由于i ，o6 4 點以下p l c 銷售額占整個p l c 的4 7 ，6 4 點2 5 6 點的占3 1 ，合計位整個p l c 銷售額的7 8 。可編程控制系統的核心是可編程邏輯控 制器p l c 。p l c 是一種專門為了在i j k 環境下運用而設計的專用數字運算電子系統，適 用于惡劣的環境，可靠性極高，早期設計定位于處理開互的控制系統。 p l c 的可靠性已經得到了廣大用戶的青睞，由計算機+ p l c 組成的控制系統已經得 到了廣泛的應用。現場的控制層采用p l c 控制器，具備極高可靠性和穩定性；顯示操作 層采用基于w i n d o w s x p 操作系統計算機，它能夠提供豐富的人機交換界面、數據管理 和網絡功能，為信息管理層提供良好的通訊接口。 ( 2 ) p l c 的硬件 p l c 控制器本身的硬件采用積木式結構，各廠家產品結構大同小異。p l c 廠家將硬 件各部件均向用戶開發，便于用戶選用，配置成規模不等的p l c ，而且這種硬件配置的 開放性，為制造商、分銷商( 代理商) 、系統集成商、最終用戶帶來很多方便，為營銷供 應鏈帶來很大便利，這是一大成功經驗。 p l c 內的i o 模板，除一般的d i d o 、a d d a 模板外，還發展了一系列特殊功能 的i 0 模板，這為p l c 用于各行各業打開了出路，如用于條形碼識別的a s c i i b a s i c 模板，用于反饋控制的p i d 模板，用于運行控制、機械加工的高速計數模板、單軸位置 控制模板、雙軸位置控制模板、凸輪定位器模板、射頻識別接口模板等，這在以后還會 有很大發展。另外在輸入、輸出的和關元件、強干擾場合的輸入、輸出電隔離、地隔離 等方面也會更加完善。 p l c 中的c p u 與存儲器配合，完成控制功能。它與d c s 系統處理溫度、壓力、流 量等參數的系統不同，采用快速的巡回掃描周期，一般為o 1 o 2 s ，更快的則選用5 0 m s 或更小的掃描周期。它是一個數字采樣控制系統【2 3 】。 ( 3 ) p l c 的軟件 為了完成控制策略，為了替代繼電器，使用戶等完成類似繼電器線路的控制系統梯 形圖，而編制了一套控制算法功能塊( 或子程序) ，稱為指令系統，固化在存貯器r o m 中，用戶在編制應用程序時可以調用。指令系統大致可以分為兩類，即基本指令和擴展 指令。細分一般p l c 的指令系統有：基本指令、定時器計數器指令、移位指令、傳送指 1 1 第2 章過程控制! j 管理勺基市理論 令、比彰指令轉換旨、f 3 c d 運算醬令、二進制運筍指令、增重7 減量指令、邏輯、垂 算指令、特殊運算：j 等，這蘭醬令多足類似匯編舀言。另外p l c 還提，j 了莨是的_ i _ i 對 器、計數器、內部繼電器、寄存器及存貯區等內部資源，為編程帶來極大方便1 2 2 】。 22 2 基于w ln d o # s 的編程語言標準一i e c 6 113 卜3 由于各p l c 廠家產品在指令系統上的差異及編程方法上用戶要求- i 同，近年來i e c 制訂了基于w i n d o w s 的編程語言標準i e c 6 t 1 3 1 3 ( 1 9 9 3 年i e c 頒布可編程序控制器乩國 際標準i e c l l 3 1 ) ，它規定了指令表( i l ) 、梯形圖( l d ) 、順序功能圖( s f c ) 、功能塊圖( f b d ) 、 結構化文本( s t ) 五種編 1 i 語言。這包括了文本化編程( i l 、s t ) 平d 圖形編程( l d 、f b d ) 兩 個方面，而s f c 則在兩類編程語苦中均可使用。i e c 技術委員會c r c 6 5 ) 近來開展了 i e c 6 1 4 9 9 項目，將i e c 6 11 3 1 3 進行了擴展，它是針對通過通信劂絡瓦聯的模塊化分布 系統的體系結構的標準，將對i e c 6 11 3 1 3 有所改善。這是以數字技術為基礎的司編程 序邏輯控制裝冒在高層次上走向丌放一t 的標準化文件，是p l c 發展的一大趨勢。 2 2 3p l c 的網絡及發展趨勢 一個或若干p l c 與p c 機聯出系統，p c 機起到原編程器及人機界面操作站的作用， 這是2 0 世紀9 0 年代的新潮流，這樣為系統集成帶來了商機，同時編程軟件和人機界面 軟件( 監控軟件或稱組態軟件) 及軟件接口( 或稱驅動軟件) 也得到了發展。 近年來，p l c 廠家在原來c p u 模板上提供物理層r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 接口的基礎，逐漸 增加了各種通訊接口，而且提供完整的通訊網絡。由于近來數據通訊技術發展很快，用 戶對開放性要求很強烈，現場總線技術及以太網技術也同步發展，所以p l c 構成的p c s 系統比d c s 的開放性所處的現狀稍好一些。目前西門子公司在p r o f i b u s d p 通訊網絡及 p r o f i b u s f m s 網絡以外，提出了8 7 r o u t i n g 網絡，即p r o f i b u s d p 和i n d u s t r i a l e n t e m e t 兩層結構。羅克韋爾a b 公司已形成了多層結構體系，即e t h e rn e t 、c o n t r o l n e t 、d e v i c e n e t 及a s i 等現場總線( 原d h + 網也可兼容) 2 3 1 。 網絡向上連是互聯網問題，向下連是現場總線問題，另外現有網絡能否用以太網“e 網到底”方式、網絡采用客戶器月務器方式、瀏覽器j t i 務器方式、生產者消費者方式、 接口軟件采用o p c 方式等問題都有待迸一步落實。p l c 與智能m c c 馬達控制中心、與 數控機床配套的n c c n c 數控設備，以及與其它運行控制系統、電控設備、變頻器和軟 起動器等連成系統；p l c 要與d c s 分工合作，充當d c s 的遠程i o 站等；p l c 要與t p c 隧道窖控制足箭理系統設計 分工臺作，除用i p c 作人機界面外，作轤，牛p l c 的i 0 部件也是可 j 的2 “。 2 3 組態軟件 工業控制組態軟件的使用和開發已經有了幾十年的歷史。早期的工業控制組態軟件 大多是基于u n i x 和d o s 平臺的，隨著w i n d o w s 系列操作系統的普及和發展，越來越 多的工業控制組態軟件都選擇基于w i n d o w s 平臺開發。 w o n d w e w a r ei n t o u c h 是創建m i c r o s o f tw i n d o w s2 0 0 0 和w i n d o w sn t 操作系統下的 人機界面( h m i ) 應用程序的最簡便快捷的方法。i n t o u c h 是w o n d w e w a r ef a c t o r y s u i t e 的一個組成部分。i n t o u c h 廣泛應用于包括食品加工、半導體、石油、汽車、化工、制 藥、紙漿和造紙、交通等在內的全球眾多縱向市場。 通過運用i n t o u c h 用戶可以創建強大的、功能齊全的應用程序，可充分利用m i c r o s o f t w i n d o w s 的關鍵功能，包括a c t i v e x 控件、o l e 圖形和網絡等。i n t o u c h 可以通過添加 自定義a c t i v e x 控件、向導、常規對象以及創建i n t o u c hq u i c k s c r i p t 等來進行充分地擴 展。 i n t o u c h 包括三個主要程序，它們是i n t o u c h 應用程序管理器、w i n d o w m a k e r 和 w i n d o w v i e w e r 。此外，i n t o u c h 還包括診斷程序w o n d w e w a r e l o g g e r 。 i n t o u c h 應用程序管理器用于組織用戶所創建的應用程序，也可以用于將w i n d o w v i e w e r 配囂成一個n t 服務程序，為基于客戶機和基于服務器的結構體系配置網絡應用程序開 發( n a d ) 以及配置動態分辨率轉換( d r c ) 和，或分布式報警。d b d u m p 和d b l o a d 數據庫實用程序也是從應用程序管理器啟動的。 w i n d o w m a k e r 是一個丌發環境，在這個個開發環境中可以使用面向對象的圖形來創 建富于動畫感的觸控式顯示窗口。這些顯示窗口可以連接到工業i o 系統和其它 m i c r o s o f tw i n d o w s 應用程序。w i n d o w v i e w e r 是用于顯示在w i n d o w m a k e r 中創建的圖 形窗v i 的運行時環境。w i n d o w v i e w e r 執行i n t o u c hq u i c