解析輥道窯溫度分布式智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用

解析輥道窯溫度分布式智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用1引言

陶瓷生產(chǎn)是一門古老、歷史悠久的傳統(tǒng)工業(yè)，陶瓷輥道窯的生產(chǎn)過程均采納傳統(tǒng)的手工操作，爐溫波動(dòng)幅度大，造成瓷磚質(zhì)量不高，甚至消失產(chǎn)品不合格的狀況，再加上現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件差，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大，操作員工增加，對(duì)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益影響較大。為了提高陶瓷生產(chǎn)水平，依據(jù)企業(yè)的實(shí)際需求和工廠提出的工藝要求，我們研制了一套分布式智能掌握系統(tǒng)對(duì)輥道窯爐溫度進(jìn)行集中監(jiān)控，從而提高瓷磚的質(zhì)量與產(chǎn)量，改善工人的勞動(dòng)條件，提高生產(chǎn)效率。

2輥道窯溫度分布式掌握系統(tǒng)的組成及原理

為分散掌握系統(tǒng)，分散型掌握系統(tǒng)，集散掌握系統(tǒng)。行業(yè)內(nèi)業(yè)稱4C技術(shù)既Control掌握技術(shù)；Computer計(jì)算機(jī)技術(shù)；Communication通信技術(shù)；CathodeRayTubeCRT顯示技術(shù)。分布式掌握系統(tǒng)由多臺(tái)計(jì)算機(jī)分別掌握生產(chǎn)過程中多個(gè)掌握回路，同時(shí)又可集中獵取數(shù)據(jù)、集中管理和集中掌握的自動(dòng)掌握系統(tǒng)。分布式掌握系統(tǒng)采納微處理機(jī)分別掌握各個(gè)回路，而用中小型工業(yè)掌握計(jì)算機(jī)或高性能的微處理機(jī)實(shí)施上的掌握。各回路之間和上下級(jí)之間通過高速數(shù)據(jù)通道交換信息。分布式掌握系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)獵取、直接數(shù)字掌握、人機(jī)交互以及監(jiān)控和管理等功能。分布式掌握系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)監(jiān)督掌握系統(tǒng)、直接數(shù)字掌握系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)多級(jí)掌握系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)展起來的，是生產(chǎn)過程的一種比較完善的掌握與管理系統(tǒng)。

該系統(tǒng)由上位機(jī)與下位機(jī)兩大部分組成，上位機(jī)與下位機(jī)通過RS-485通訊協(xié)議完成信息的傳遞，上位機(jī)由586微機(jī)加RS232C/RS485轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，位于集中掌握室，完成向下位機(jī)（現(xiàn)場(chǎng)掌握器）發(fā)送命令、接收現(xiàn)場(chǎng)掌握器數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析、存儲(chǔ)、報(bào)表打印、顯示等功能。上位機(jī)是指人可以直接發(fā)出操控命令的計(jì)算機(jī)，一般是PC，屏幕上顯示各種信號(hào)變化（液壓，水位，溫度等）。下位機(jī)是直接掌握設(shè)備獵取設(shè)備狀況的計(jì)算機(jī)，一般是PLC/單片機(jī)之類的。上位機(jī)發(fā)出的命令首先給下位機(jī)，下位機(jī)再依據(jù)此命令解釋成相應(yīng)時(shí)序信號(hào)直接掌握相應(yīng)設(shè)備。下位機(jī)不時(shí)讀取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)（一般為模擬量），轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)反饋給上位機(jī)。6個(gè)掌握器通過電動(dòng)比例調(diào)整閥調(diào)整噴油量達(dá)到分別掌握窯爐內(nèi)6點(diǎn)溫度，從而保證窯爐燒成帶溫度的恒定，該系統(tǒng)特殊適合于象輥道窯這樣的小規(guī)模DCS系統(tǒng)。

3智能溫度掌握器的設(shè)計(jì)

3.1概述

常規(guī)PID掌握器由于具有原理簡(jiǎn)潔，穩(wěn)定性好，易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，因而在過程掌握中得到廣泛應(yīng)用，但在輥道窯溫度掌握系統(tǒng)中，工業(yè)生產(chǎn)過程中，對(duì)于生產(chǎn)裝置的溫度、壓力、流量、液位等工藝變量經(jīng)常要求維持在肯定的數(shù)值上，或按肯定的規(guī)律變化，以滿意生產(chǎn)工藝的要求。PID掌握器是依據(jù)PID掌握原理對(duì)整個(gè)掌握系統(tǒng)進(jìn)行偏差調(diào)整，從而使被控變量的實(shí)際值與工藝要求的預(yù)定值全都。不同的掌握規(guī)律適用于不同的生產(chǎn)過程，必需合理選擇相應(yīng)的掌握規(guī)律，否則PID掌握器將達(dá)不到預(yù)期的掌握效果。PID掌握器是一個(gè)在工業(yè)掌握應(yīng)用中常見的反饋回路部件。這個(gè)掌握器把收集到的數(shù)據(jù)和一個(gè)參考值進(jìn)行比較，然后把這個(gè)差別用于計(jì)算新的輸入值，這個(gè)新的輸入值的目的是可以讓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)達(dá)到或者保持在參考值。和其他簡(jiǎn)潔的掌握運(yùn)算不同，PID掌握器可以依據(jù)歷史數(shù)據(jù)和差別的消失率來調(diào)整輸入值，這樣可以使系統(tǒng)更加精確?????，更加穩(wěn)定?？梢酝ㄟ^數(shù)學(xué)的方法證明，在其他掌握方法導(dǎo)致系統(tǒng)有穩(wěn)定誤差或過程反復(fù)的狀況下，為此，在PID掌握器設(shè)計(jì)時(shí)，首先采納基于繼電反饋的整定方法，確定PID調(diào)整器參數(shù)，再對(duì)PID參數(shù)實(shí)行實(shí)時(shí)Fuzzy校正，使其具有自適應(yīng)功能，從而滿意系統(tǒng)變工況的要求。

3.2溫控器的掌握策略

3.2.1PID參數(shù)自整定

依據(jù)繼電振蕩原理，繼電反饋系統(tǒng)框圖如圖1所示。若繼電器輸出幅度為b，則依據(jù)非線性理論，繼電器的描述函數(shù)為，其中誤差信號(hào)的幅度為不斷調(diào)整繼電特性的幅值，使系統(tǒng)發(fā)生自振蕩，然后測(cè)取振蕩周期與幅度，便可得出臨界增益與臨界周期。利用這兩個(gè)參數(shù)，依據(jù)Ziegler-Nichols方法，可得出PID參數(shù)。PID參數(shù)整定完畢后，此參數(shù)作為PID掌握器Fuzzy校正的初值，并自動(dòng)轉(zhuǎn)入PID參數(shù)Fuzzy校正掌握。一般在系統(tǒng)初次投入時(shí)整定，并把整定值存入EEPROM中。

其中Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)。

3.2.2PID參數(shù)實(shí)時(shí)Fuzzy校正

依據(jù)上述自整定得出的PID參數(shù)，當(dāng)輥道窯爐參數(shù)或工況發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)的性能將下降，甚至無法滿意工藝要求，所以必需對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整。目前較多地采納自校正PID算法，但這種方法是基于被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，為此，我們采納模糊掌握技術(shù)，模糊掌握技術(shù)是近代掌握理論中的一種策略和新奇技術(shù)。模糊掌握技術(shù)基于模糊數(shù)學(xué)理論，通過模擬人的近似推理和綜合決策過程，使掌握算法的可控性、適應(yīng)性和合理性提高，成為智能掌握技術(shù)的一個(gè)重要分支。依據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的偏差及偏差的積累，對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，當(dāng)參數(shù)或工況發(fā)生變化時(shí)，逐步調(diào)整值，使系統(tǒng)掌握性能處于狀態(tài)。的修正規(guī)章如下：

（1）比例系數(shù)增大，系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小，因此在偏差大的狀況下，要增大值。但是過大會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)，甚至不穩(wěn)定，因此在偏差小的狀況下，要減小值。將偏差的模糊子集取為很大（VB）、大（B）、中（M）、小（S）和很?。╒S），的模糊子集取為PB、PS、O、NS、NB，則的修正量的Fuzzy掌握規(guī)章如表1所示。其中，的基本論域?yàn)閇0，10]，分為11個(gè)量化等級(jí)，即=｛0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10｝，的基本論域?yàn)閇-0.5，+0.5]，分為11個(gè)等級(jí)即=｛-0.5，-0.4，-0.3，-0.2，-0.1，0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5｝。

（2）在PID掌握器中，積分作用是為了消退穩(wěn)態(tài)誤差，加強(qiáng)積分作用（減?。┯欣跍p小穩(wěn)態(tài)誤差，但過強(qiáng)的積分作用會(huì)引起積分飽和，使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至引起振蕩。因此，在調(diào)整過程中的初期，即誤差的積累較小時(shí)，應(yīng)減弱積分的作用（加大）。而在調(diào)整過程的后期，即誤差累積較大時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)積分作用（減?。?。將誤差累積的模糊子集取為VB、B、M、S和VS，的模糊子集取為PB、PS、O、NS、NB，則的修正量的Fuzzy掌握規(guī)章如表2所示。其中，的基本論域?yàn)閇0，10]，分為11個(gè)量化等級(jí)，即=｛0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10｝，的基本論域?yàn)閇-5，+5]，分為11個(gè)量化等級(jí)即=｛-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5｝。

（3）微分在PID掌握中的作用主要是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，掌握超調(diào)。對(duì)于變工況且不確定系統(tǒng)，在調(diào)整過程的初期，即誤差的累積較小時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)微分的作用（即增大），而在調(diào)整過程的后期，即誤差累積的較大時(shí)，應(yīng)減弱微分的作用（即減?。?，將的模糊子集取為PB、PS、O、NS、NB，則的修正量的Fuzzy掌握規(guī)章如表2所示。其中，的的基本論域?yàn)閇-1，1]，分為11個(gè)量化等級(jí)即=｛-1，-0.8，-0.6，-0.4，-0.2，0，0.2，0.4，0.6，0.8，1｝。

智能溫度掌握系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，當(dāng)要整定參數(shù)時(shí)把開關(guān)打在T，參數(shù)整定完畢，切換到自動(dòng)位置A，參數(shù)自調(diào)整掌握器對(duì)掌握對(duì)象進(jìn)行調(diào)整。

4智能掌握器的實(shí)現(xiàn)

4.1掌握器的硬件系統(tǒng)

掌握器的硬件主要由微處理機(jī)系統(tǒng)，輸入通道，輸出通道，鍵盤及顯示等部分組成。

（1）微處理機(jī)系統(tǒng)：由8031單片機(jī)，2764EPROM（用于存放監(jiān)控及掌握程序），2816EEPROM（用于存放自整定的參數(shù)及溫度設(shè)定值），譯碼電路與鎖存器等組成。

（2）輸入通道：由熱電偶冷端補(bǔ)償電路，放大電路（OP07，741），V/F，光電耦合，計(jì)數(shù)器，定時(shí)器等組成。熱電偶是溫度測(cè)量?jī)x表中常用的測(cè)溫元件，是由兩種不同成分的導(dǎo)體兩端接合成回路時(shí)，當(dāng)兩接合點(diǎn)熱電偶溫度不同時(shí)，就會(huì)在回路內(nèi)產(chǎn)生熱電流。假如熱電偶的工作端與參比端存有溫差時(shí)，顯示儀表將會(huì)指示出熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)所對(duì)應(yīng)的溫度值。熱電偶的熱電動(dòng)熱將隨著測(cè)量端溫度上升而增長(zhǎng)，它的大小只與熱電偶材料和兩端的溫度有關(guān)，與熱電極的長(zhǎng)度、直徑無關(guān)。各種熱電偶的形狀常因需要而極不相同，但是它們的基本結(jié)構(gòu)卻大致相同，通常由熱電極、絕緣套愛護(hù)管和接線盒等主要部分組成，通常和顯示儀表，記錄儀表和電子調(diào)整器配套使用。采納兩級(jí)放大器可將毫伏級(jí)信號(hào)放大到需要幅度0～5V，由上V/F轉(zhuǎn)換成頻率量，再通過軟件的定時(shí)，計(jì)數(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換工作。

（3）輸出通道：由D/A轉(zhuǎn)換器，V/I轉(zhuǎn)換器，輸出鎖存器和光電隔離電路組成。D/A轉(zhuǎn)換器將輸出轉(zhuǎn)換為0～5V的電壓信號(hào)，經(jīng)V/I轉(zhuǎn)換器輸出0～10mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。

（4）鍵盤及顯示部分：由8279，4個(gè)鍵與4個(gè)LED組成。

4.2掌握器的軟件設(shè)計(jì)

掌握器的軟件主要由監(jiān)控軟件與掌握軟件組成，其軟件框圖如圖3所示

4.3調(diào)度與應(yīng)用

為了不影響窯爐的正常生產(chǎn)，在PID參數(shù)整定前，先手動(dòng)調(diào)整爐溫到正常工作點(diǎn)（1200℃）四周，并設(shè)定電動(dòng)比例調(diào)整閥的開度在工作點(diǎn)四周±10%范圍內(nèi)變化，使PID調(diào)整器參數(shù)整定時(shí)，爐溫變化幅度較小，如圖4所示，其中前10min為參數(shù)整定時(shí)間。溫度的變化狀況，采樣周期t=15s。

該系統(tǒng)已在現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行，性能穩(wěn)定，牢靠性高，采納溫度智能掌握后，在設(shè)定溫度1200℃時(shí)，溫度波動(dòng)范圍從原來手動(dòng)掌握時(shí)的℃降為℃，（見圖4），說明該系統(tǒng)具有良好的掌握性能。

5結(jié)論

（1）由于采納分布式掌握系統(tǒng)，上位機(jī)為586微機(jī)，軟件資源豐富，可進(jìn)行集中監(jiān)控、畫面顯示、參數(shù)設(shè)定等工