1,引言
唐山玻璃集團某玻璃制品生產線主要由煤氣站、熔窯、退火窯三個子系統
組成.煤氣站子系統中,以煤為原料,以蒸汽為氣化劑,在煤氣發生爐中進行化
學反應,產生煤氣.熔窯子系統利用煤氣站產生的煤氣,與空氣混合后,在熔窯
內進行充分燃燒,將玻璃原料加熱融化,產生的玻璃原液經供料道送至玻璃制品
機,進行玻璃制品半成品的生產.退火窯子系統則實現半成品的高溫燒成去應力
和冷 .
由于歷史原因,整條生產線的自動控制水平比較低,基本上由現場工人根據
儀表顯示進行手動操作,以實現加氣、送風、溫度調節和窯壓調節等功能.手動
控制不僅效果差、原材料能源浪費大,而且經常由于三個子系統之間不能協調工
作而出現停窯等生產事故,因此實現生產線的自動控制顯得尤為重要.
整條生產線檢測控制點多、現場環境惡劣、物理距離遠,并且要求控制系統
可靠性高、安全性好、維修簡單、價格低廉.經過仔細考察比較,系統最終選用
了I-7000系列遠程數據采集模塊,在此基礎上設計實現了生產線的監測控制系
統.
2,系統的硬件結構
根據生產線的實際情況,結合當前工業控制技術的發展方向,控制系統采用
了工業控制計算機與分布式I/O模塊相結合的方式.上位機采用了RACK600工
業控制計算機.考慮I-7000模塊種類多、可靠性高、抗干擾能力強、價格低廉
等,系統采用了I-7000模塊作為分布式I/O模塊.為確保生產線的安全可靠,系
統采用了上位機雙機冗余的方式,主機和從機可自動無擾切換.在系統檢修或故
障時,可通過轉換開關,將系統切換為原手動控制,保證了生產過程的可靠性.
系統硬件物理上可分為兩部分:一部分放置在煤氣站控制室,負責煤氣站子系統
的信號采集與輸出,其余部分(包括上位機)放置在熔窯控制室(作為中央控制
室),負責熔窯和退火窯子系統的信號采集和輸出.所有信號經RS485網絡匯總
到上位機,以實現整條生產線的監測與控制,具體描述如下.
2.1煤氣站子系統
煤氣站子系統有8路4-20ma壓力輸入信號、4路溫度輸入信號、4路開關量
報警輸出信號、3路4-20ma電流輸出信號,采用I-7017、7018、7042、7024模
塊各一塊.
I-7017為8信道仿真量輸入模塊,最大輸入量程為±10V.在7017的每一
個通道并聯一個250Ω3的精密電阻,可將8路4-20ma電流信號轉化為1-5V電
壓信號,作為現場壓力信號,送入控制系統.
I-7018為8路熱電偶輸入模塊,可直接采集熱電偶信號.煤氣站的4路溫度
信號均為K型,共享一塊7018.
I-7042為13路隔離型集電極開路輸出模塊,配合RM104功率繼電器板可實
現繼電器輸出功能.系統設有一次風壓、煤氣溫度等超限報警.報警時,7042
控制RM104驅動現場的24V報警指示燈亮,同時報警電鈴.
I-7024為4信道仿真輸出模塊,可輸出標準的電壓和電流信號.煤氣站的一次風
機采用變頻器控制,2路蒸汽采用電動調節閥控制,3路控制信號均為4-20ma
標準電流信號,共享一塊7024.
2.2熔窯子系統
熔窯子系統有16路溫度輸入信號、6路數字輸入信號、3路4-20ma壓力輸
入信號、4路繼電器輸出信號、2路4-20ma電流輸出信號、1路0-1V液位輸入
信號.共享4塊I-7018、1塊7024、1塊7042、1塊7052和1塊7017.
16路溫度信號有6路K型熱電偶,4路S型熱電偶,4路J型熱電偶和兩路
S型熱電偶,分別用4塊7018實現溫度信號的采集.
4路壓力信號為4-20ma標準電流信號,經250Ω精密電阻轉換為1-5V電壓
信號,由7017實現壓力信號的采集.7017模塊同時完成液位信號的采集.
4路繼電器輸出信號為空氣和煤氣換向輸出信號,由I-7042驅動RM104完
成.
I-7050為7路數字輸入模塊.現場的6路換向到位信號經繼電器隔離后,轉
換為干接 信號,由7050實現換向到位信號采集.
二次風機采用變頻器控制,控制信號為4-20ma電流信號,煙囪吸力調節控
制信號也是4-20ma電流信號,2路信號輸出由一塊7024來實現.
2.3退火窯子系統
退火窯為單獨的子系統,根據廠家要求,暫不做控制.
3,系統的軟件原理
系統上位機采用Windows NT 4.0 作為操作系統,Intellution公司的FIX軟
件作為工業測控軟件平臺,Visual C 5.0和Visual Basic 5.0作為編程語言.在控
制算法上,采用了軟嵌入式自學習多變量模糊控制器(MF控制器).
3.1系統控制原理
煤氣站到熔窯,系統最終的控制目標是:熔窯溫度TR保持在1500±5℃,
窯壓PR保持在15±1Pa.,熔窯溫度TR通過調節煤氣站的煤氣出口壓力PM來
實現,同時TR受PR的影響.PM是通過調節煤氣發生 的風量來實現控制的,
而風量的變化,必然會引起煤氣站混合氣溫度的變化.為保證煤氣發生 中的化
學反應充分,混合氣溫度必須穩定在60±1℃,因此又必須對一次風和蒸汽進行
控制.窯壓PR除受上述因素影以外,還受煙囪吸力的影響.可見,系統是一個
串級多變量非線形大慣性系統.
為解此復雜的控制,系統核心采用了軟嵌入式自學習多變量模糊控制器.此
控制器是在國家自然科學基金的支持下,融合了模糊進化神經網絡、智能建模、
模糊穴映射等智能控制技術而形成的,并且在陶瓷行業中得到了大量應用.將其
應用于此控制系統,實踐證明也是成功的.
3.2系統軟件功能
根據玻璃制品生產線的實際情況,結合工廠的要求,系統主要設計并實現以
下功能:
關鍵的溫度和壓力控制:在煤氣站子系統中,通過控制一次風和蒸汽,實現
了混合氣溫度穩定(60±1℃),煤氣出口壓力滿足了熔窯子系統燃燒的需要.在
熔窯子系統中,實現了熔窯溫度(1500±5℃)和窯壓(15±1Pa)的穩定控制.
生產線概貌顯示:概貌圖是現場工人操作的主要界面,實現了全部數據的實時監
測與報警,并可直接進行工藝參數的設定等.
實時數據曲線顯示:實時趨勢圖將有關的數據以曲線和數據形式進行實時動
態顯示,并支持實時打印功能.
歷史數據顯示:可根據實際需要,以曲線或數據形式,顯示過去幾個月的關
鍵歷史數據,時間可精確到秒級.
手動/自動切換:系統提供了手動/自動轉換軟開關,可在上位機上實現計算
機全自動控制或現場工人利用計算機實現半自動控制.
煤氣和空氣的換向:可根據時間和溫差實現全自動換向,也可在特殊情下實
現半自動或全手動換向.
事件報警:根據現場要求可事先定義報警事件,當滿足條件時,系統將事件
記錄下來,同時發出光報警.本系統主要定義了溫度和壓力的超限報警.
非法操作記錄:系統要求現場工人嚴格按照工藝及操作規程進行操作,所有
違反規定的事件,比如夜班休息不加煤、非法入侵計算機系統等,都會形成事件
記錄.
報表打印:可對所有數據進行日報表定時打印,可隨時對當前數據進行報表
打印,也可對歷史數據進行報表打印.
權限管理:系統根據需要,賦予相關人員不同的操作權限,要求操作者按照
自己的姓名登錄.最高權限為管理員,最低為操作者.
幫助:以簡單的畫面形式幫助現場工人使用該系統.
4,結束語
系統安裝使用后,經過幾個月的運行,證明了整個系統工作穩定、可靠、安
全,降低了工人勞動強度,提高了行業技術人員素質,延長了生產線使用壽命,
節約了能源與原材料消耗,提高了企業產品的競爭力,完全達到了預期的設計目
標,實現了較好的經濟效益與社會效益.