摘要本文就80m全自動天然氣隧道窯監(jiān)控系統(tǒng)的設計進行了剖析。重點介紹了窯車自動循環(huán)系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、溫度壓力自動控制系統(tǒng)、Fame view集控軟件功能、PLC控制。對上位機、下位機的通訊結(jié)構(gòu)與功能原理也作了詳盡的闡述。

關(guān)鍵詞監(jiān)控系統(tǒng)，自動循環(huán)，集控軟件，通訊過程

1引言

隨著國家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和環(huán)保措施的加強，越來越多的煤燒隧道窯面臨著改造和淘汰的可能，筆者所在公司利用國家西氣東輸?shù)钠鯔C，將一條80m長的原煤燒成隧道窯改造成一條80m長的天然氣燒成隧道窯。這種清潔能源燒成窯爐不僅產(chǎn)量高、質(zhì)量好而且因燒成制度（溫度、壓力、氣氛）穩(wěn)定，對環(huán)境無污染、熱利用率高、斷面溫度均勻、對制品可進行快速燒成而被廣泛使用在日用陶瓷、建筑陶瓷、衛(wèi)生陶瓷上，它的機械化、自動化程度高，監(jiān)控水平也較以前的窯爐有大幅度提高。本文就80m全自動天然氣隧道窯監(jiān)控系統(tǒng)的設計進行了較全面的剖析。

2窯爐結(jié)構(gòu)

窯爐長度為80m，共分40節(jié)，每節(jié)為2m。其中1～14節(jié)為預熱帶，15～30節(jié)為燒成帶，31～40節(jié)為冷卻帶。在預熱帶共裝有熱電偶4支，燒成帶共裝有熱電偶11支，冷卻帶3支。預熱帶共裝有燒嘴8只，燒成帶共裝有燒嘴88只，各燒嘴位置相對錯開。整個窯爐對燒成帶88只燒嘴進行自動控制，由11支熱電偶檢測窯內(nèi)溫度，并作為控制該段窯爐溫度控制端的輸入?yún)?shù)，通過執(zhí)行器來控制該段進入燒嘴的助燃風量，助燃風通過空/燃比例閥進行燃氣量的控制從而實現(xiàn)對該段窯爐溫度的自動控制。冷卻帶用3支熱電偶的信號作為該段溫度顯示的參數(shù)，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)急冷風和冷卻風的大小。分別在窯頭的排煙總管處、急冷風處、助燃風總管上設置壓力表來控制排煙風機變頻器、急冷風機變頻器、助燃風機變頻器。各燒嘴、熱電偶、風機、風管窯爐的結(jié)構(gòu)位置見圖1。

窯爐參數(shù)、風機系統(tǒng)及窯自動循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)如表1～3所示。

3監(jiān)控系統(tǒng)的組成

該系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分組成。

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件組成

硬件包括上位機、下位機、通訊控制器，見圖2。

3.1.1硬件功能

上位機與通訊控制模塊組成控制站，控制站的主要功能是完成控制站與外部設備之間的雙向通訊，為生產(chǎn)過程的參數(shù)提供多種形式的記錄、顯示、打印。有豐富的人機界面和軟件資源。它包括控制回路定義、畫面組態(tài)、流程圖繪制、報表設置、報警設置。程序可以用C++編寫，專用的監(jiān)控程序在WINDOWS操作系統(tǒng)下運行。

上位機的主要功能是顯示、記錄、打印生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)參數(shù)和熱工參數(shù)，保存系統(tǒng)參數(shù)，監(jiān)控系統(tǒng)安全，發(fā)出故障報警信號提示，修改下位機的程序和有關(guān)參數(shù)設定，與下位機保持通訊。

下位機的主要功能是對窯爐運行的各項參數(shù)進行檢測和控制，并向上位機作出報告、發(fā)出故障報警信號。

3.1.2硬件通訊連接

它提供電隔離的RS485通信接口，與上位機組成控制網(wǎng)絡。通信距離達1200m。

(1) 上位機與集成儀表通訊需外接RS232/RS485轉(zhuǎn)換接口。為保證通信質(zhì)量建議采用雙絞線，終端安裝匹配電阻（R120Ω1/4w）；

（2） 上位機與PLC通訊需SC-09專用電纜；

（3） 上位機與變頻器通訊則需要用屏蔽線；

（4） 上位機運用專用監(jiān)控軟件，檢查、修改儀表中的各種參數(shù)，儀表前的各種按鍵功能都可以由上位機實現(xiàn)；

（5） 儀表與上位機的通信為被動方式，即儀表不會主動向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)，必須由上位機向集成儀表發(fā)出讀、寫命令，儀表才會作相應的響應。儀表應設置好相應的通訊地址，上位機才能識別地址不同的儀表；

（6） 集成儀表可使用AIDCS應用軟件，此軟件與用C++編寫的程序可在中文WINDOWS98/ME/NT/2000/XP等操作系統(tǒng)下運行。

由通訊模塊與上位機、AI-708M、NE600集成儀表、PLC控制器、變頻器組成的主從式多機通訊系統(tǒng)，由上位機與從機進行通訊。從機最多可達127臺。多機通訊部分如圖3所示。

3.1.3 硬件控制原理

（1） 主機與從機的通訊過程：

1) 主機發(fā)出從機地址，進入接收狀態(tài)，接收從機應答信號(即相應從機的地址信息)；

2) 所有的從機均接收主機發(fā)出的地址信息，且與本機地址進行比較，當接收到的地址信息與本機地址相符時，表示該機被選中，再將該機信息發(fā)給主機(執(zhí)行CLR SM2指令，使SM2為0)，方便主機隨后發(fā)出的信息能接收。對于未被選中的從機，因SM2仍為1，因此不能接收主機發(fā)出的指令；

3) 主機接收到從機應答信號，發(fā)出指令信息；

4) 從機正確接收主機指令信息后，發(fā)出應答信號給主機，主-從機通訊過程結(jié)束。

（2） 從機與主機通訊過程

1) 發(fā)送前從機先檢測TXD引腳，如果為高電平，則表明沒有其它從機給主機發(fā)送信息，主機的RXD引腳處于空閑狀態(tài)；

2) 從機確認主機的RXD引腳處于空閑狀態(tài)后，發(fā)出地址信息到主機；

3) 從機接收到主機應答信號后，發(fā)出數(shù)據(jù)給主機，然后令從機SM2為0，以便接收主機正確信號；

4) 主機正確接收后，再發(fā)接收正確信號給從機；

5) 從機接收到主機發(fā)送的“接收正確”信號后，表明數(shù)據(jù)通訊結(jié)束。

3.2 軟件組成

軟件由Fameview集成控制、PLC程序、集成儀表專用程序等組成。

3.2.1軟件功能

80m全自動隧道窯監(jiān)控軟件主要采用集成控制軟件Fameview，具有集成PLC程序、集成儀表專用程序的功能。它主要有三大部分：主程序、中斷程序和PLC、集成儀表應用程序。主程序、中斷程序流程方框圖見圖4、圖5。

3.2.2軟件要求

(1) 用戶組直觀，操作簡便，全中文顯示，菜單加鍵盤操作；

(2) 高可靠性結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)有冗余設計，以避免局部失效而導致整體失效，使系統(tǒng)發(fā)生混亂；

(3) 所有的軟件都能在WINDOWS下運行，確保軟件不發(fā)生沖突。

3.2.3軟件控制運用

Fameview開發(fā)中以windowsNT為開發(fā)平臺，全部代碼采用VC++進行編寫，并自然過渡到windows2000/XP平臺，所以是純32位代碼，多任務系統(tǒng)。它保證了系統(tǒng)內(nèi)核的先進性和穩(wěn)定性，無內(nèi)存泄露，能長期運行，被譽為“不會死”的組態(tài)軟件。

Fameview一直把可編程控制器（PLC）作為適合對象定位于自動化控制應用中，專門設計了設備數(shù)據(jù)表，能對數(shù)據(jù)進行批處理，多線程同時處理多個通訊設備，通訊速度和穩(wěn)定性好。

Fameview功能強大，除提供通訊、運行數(shù)據(jù)庫、畫面、報警、歷史數(shù)據(jù)等功能外，還提供了實用數(shù)據(jù)庫運用、數(shù)據(jù)服務、報表、報警記錄、用戶編程等增強功能，許多棘手的問題都能迎刃而解。

（1） 設備通訊

通訊驅(qū)動程序指Fameview與設備進行通訊并讀寫設備數(shù)據(jù)的程序，是監(jiān)控系統(tǒng)最基本、最底層的功能；根據(jù)連接設備的不同，可分為PLC驅(qū)動、儀表驅(qū)動、變頻器驅(qū)動；根據(jù)通訊連接方式不同可分為串口驅(qū)動、以太網(wǎng)驅(qū)動、GPRS驅(qū)動、總線驅(qū)動等。

（2） 驅(qū)動安裝

利用Fameview可以方便地安裝儀表、PLC、變頻器的驅(qū)動程序，只要在安裝驅(qū)動菜單下選擇不同的公司儀表、PLC、變頻器的型號，按照畫面提示逐步安裝即可。

（3） 設備數(shù)據(jù)表

Fameview中設置了內(nèi)存緩沖區(qū)，用來存放與外部控制設備通訊的數(shù)據(jù)，通過通訊驅(qū)動進行刷新和輸出，運行數(shù)據(jù)庫需要的過程數(shù)據(jù)可從設備數(shù)據(jù)表中取得。

（4） 運行數(shù)據(jù)庫

Fameview監(jiān)控系統(tǒng)是通過通訊驅(qū)動，把外部控制設備中成批的數(shù)據(jù)映象到設備數(shù)據(jù)表中，但成批數(shù)據(jù)無法直接使用，所以系統(tǒng)通過運行數(shù)據(jù)庫提供各種變量，以各種方式來訪問設備數(shù)據(jù)表；運行數(shù)據(jù)庫是控制系統(tǒng)的中心樞紐，運行數(shù)據(jù)庫提供各種變量供其他程序使用，如畫面、報警、報表等。

運行數(shù)據(jù)庫是一種面向?qū)ο蟮?、結(jié)構(gòu)化的、組態(tài)的實時數(shù)據(jù)庫，它通過巧妙的設計，仿真和模擬為一臺超級控制設備，有各種數(shù)據(jù)和功能模塊，具有模擬輸入變量、模擬輸出變量、模擬輸入/輸出變量、開關(guān)輸入變量、開關(guān)輸出變量、開關(guān)輸入/輸出變量等六種變量與設備數(shù)據(jù)表進行各種方式的數(shù)據(jù)交換，用來讀寫、修改設備數(shù)據(jù)值和位狀態(tài)。

（5） 擴展運用

1） Fameview提供了功能強大的報警功能，如果某變量不在其規(guī)定的范圍內(nèi)，則可以通過各種方式進行報警，同時還提供了報警查看和報警管理功能。

2） 歷史數(shù)據(jù)

系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，對應的數(shù)據(jù)源為Fameview docdata source，系統(tǒng)數(shù)據(jù)源類型為Access或SQL Server。在查詢歷史數(shù)據(jù)時，可以由Fameview提供的歷史數(shù)據(jù)曲線查詢，方便數(shù)據(jù)比較。

3） 實時報表

Fameview系統(tǒng)提供了實時報表打印功能，可以打印/瀏覽運行數(shù)據(jù)庫來顯示某變量的當前值。

4在全自動循環(huán)中的監(jiān)控

4.1 自動循環(huán)系統(tǒng)中監(jiān)控的運用

自動循環(huán)系統(tǒng)由循環(huán)步進機、窯頭托車、窯體頂桿機、窯尾托車等組成。系統(tǒng)實現(xiàn)半成品到成品的全自動運輸過程。系統(tǒng)要完成半成品進窯、成品出窯等工序。窯頭自動運行要完成以下動作：勾車機將步進機送來的窯車勾至托車、托車解剎、托車運行、定位、剎車、勾車機將窯車送至窯體軌道、再返回自動循環(huán)軌道等待。窯尾自動運行過程正好相反，它將窯車從窯體軌道勾至托車并送至自動循環(huán)軌道，再返回窯體軌道等待。確保其動作的過程準確無誤，保護措施得當。因此傳動系統(tǒng)選用PLC編程控制器，使得控制靈活，維修方便。

4.2 主控制監(jiān)控系統(tǒng)

主控制監(jiān)控系統(tǒng)能監(jiān)控窯爐上所有風機的啟、停；窯車的全自動循環(huán)啟、停；燃氣總閥的啟、停；報警電路的啟、停并能對控制電路進行聯(lián)鎖。

（1） 運用在主控系統(tǒng)中的 FX2N－64 PLC 可編程控制器負責對全窯的風機、燃氣、報警電路進行控制（原理圖見圖6）。全自動隧道窯主控制部分要完成以下工作：

1） 完成窯爐上所有風機的啟動、停止；

2） 完成窯爐的風機過載報警、燃氣異常報警、變頻器異常報警、溫度異常報警、助燃壓力異常報警；

3） 對有備用風機的電路進行互鎖、對主燃氣電磁閥進行聯(lián)鎖程序控制。

（2） I/O輸入輸出接口的分配

1） 輸入接口：SB1～26為各種風機啟動、停止按鈕，分別對應編程器輸入口中的X0～31，X32～37為各報警電路輸入；

2） 輸出接口：編程器輸出口Y0～17分別對應控制各風機電路部分、輸出口Y20對應控制電磁總閥， Y22～23對應控制各種報警電路部分。

（3） 主控制系統(tǒng)的要求

1） 所有的風機電機不能超載，溫度、壓力不能超限，否則報警；

2） 所有的變頻器無異常，否則報警；

3） 燃氣總電磁閥與排煙風機、助燃風機聯(lián)動，必須在排煙風機和助燃風機全部啟動后，才能開啟燃氣總閥；

4） 運行的風機和備用風機必須互鎖，防止誤操作；

5） 窯頭排煙風機、助燃風機、急冷風機都使用變頻器起動開關(guān)加以控制；

6）在總空氣開關(guān)中另加入脫扣按鈕作為總電源的緊急關(guān)閉按鈕。

4.3 在窯頭控制中的運用

用 FX1N-60 PLC 可編程控制器，對窯頭自動進窯進行控制（電路原理圖見圖7）。

（1） 窯頭控制系統(tǒng)中能完成以下工作：

1） 能進行自動與手動的切換；

2） 完成進窯托車的前進、后退、定位剎車、解剎和勾車機的前進、后退；

3） 完成對自動回車線和備用回車線進行識別；

4） 完成頂桿機的前進、后退以及與窯尾電路的聯(lián)鎖，保證窯車進車的安全。

（2） I/O輸入輸出接口的分配

1） 輸入接口：SB1為自動、手動切換，SB2～13為各種電機啟動前進、后退按鈕，分別對應編程器輸入口中的X0，X1～13，X14～24為各限位行程開關(guān)和光電開關(guān)的輸入；

2）輸出接口：Y0～14輸出為各電機和油泵電磁閥控制電路。Y15～16為備用電磁閥電路，Y20～26為各機械工作指示。

4.4 在窯尾控制中的運用

用FX1N-40 PLC 可編程控制器，對窯尾窯車出窯電路進行控制（電路原理見圖8）。

（1） 出窯控制系統(tǒng)中完成以下工作：

1） 能進行自動與手動的切換；

2） 完成出窯托車的前進、后退、定位剎車、解剎和勾車機的前進、后退；

3） 完成對自動回車線和備用回車線進行識別；

4） 與窯頭電路的聯(lián)鎖，保證窯車進車的安全。

（2） I/O輸入輸出接口的分配

1） 輸入接口：SB1為自動、手動切換，SB2～8為各種電機啟動前進、后退按鈕，回車線備用道分別對應編程器輸入口中的X0，X1～7，X8～21為各限位行程開關(guān)和光電開關(guān)的輸入；

2） 輸出接口：Y0為與窯頭聯(lián)鎖，Y1～6輸出為各電機和油泵電磁閥控制電路。Y14～16為托車、勾車、定位機指示電路。

5溫度控制系統(tǒng)中的監(jiān)控

燃燒系統(tǒng)由燃氣、助燃風、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器、燒嘴等組成。其中由調(diào)節(jié)器、熱電偶、執(zhí)行器、集成儀表等組成溫度控制回路，實現(xiàn)對窯爐溫度的全面控制。

（1） 系統(tǒng)要求：窯內(nèi)截面的溫度均勻，上下溫差小。避免局部溫度過高，使釉面提前封閉，造成氧化、還原不徹底；

（2） 系統(tǒng)在還原區(qū)域為不完全燃燒，火焰為還原焰，在氧化區(qū)域要完全充分燃燒；

（3） 系統(tǒng)在整個燃燒區(qū)域的溫度可調(diào)，并且調(diào)溫迅速，溫度擺動小。

本系統(tǒng)溫度檢測點共有18個，N型熱電偶7個，分別安裝在3、8、11、13、28、33、36單元的窯頂上。S型熱電偶11支，分別安裝在15、17～26單元的窯頂上。在整個燒成帶，幾乎每節(jié)都安裝S型熱電偶作為溫度調(diào)節(jié)單元的信號輸入，由熱電偶檢測窯內(nèi)該溫度段的熱電信號。通過補償導線送至AI708M型集成儀表，在集成儀表內(nèi)完成溫度變送、A/D、D/A、數(shù)碼顯示、數(shù)碼設定、光電隔離、信號輸出等功能。溫度控制系統(tǒng)帶動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥體的角度以控制助燃的流量（原理圖見圖9），與助燃風相配套的空/燃比例閥改變?nèi)細膺M入燒嘴量的大小，從而控制該段窯爐的溫度。選用空/燃比例閥是為了保證系統(tǒng)在投入自動運行時燒嘴火焰的還原性質(zhì)不變。

6壓力控制系統(tǒng)中的監(jiān)控

壓力系統(tǒng)由排煙風機、余熱風機、助燃風機、急冷風機、燃氣壓力等組成，確保窯風壓力在正常燃燒時的穩(wěn)定。

（1） 排煙區(qū)域要處于大負壓，還原區(qū)域處于小負壓，急冷區(qū)處于小負壓或零壓，燃氣壓力在3000～4000kPa之間；

（2） 系統(tǒng)在窯內(nèi)設立3個壓力測量控制點、2個壓力測量顯示點，燃氣總管上設立2個測量點，通過導線將壓力傳感器的壓力信號轉(zhuǎn)變成電信號后送入集成儀表，在集成儀表內(nèi)完成溫度變送、A/D、D/A、數(shù)碼顯示、數(shù)碼設定、光電隔離、信號輸出等功能。用此信號來控制變頻器的轉(zhuǎn)速和燃氣總閥的開關(guān)。

所有的儀表采用AI708M、NE600系列集成儀表。

7事故報警中的監(jiān)控

（1） 當出現(xiàn)以下情況時，系統(tǒng)會發(fā)出報警：

1） 燃氣壓力、助燃壓力、窯內(nèi)負壓不正常；

2） 風機不正常運轉(zhuǎn)，變頻器發(fā)生故障；

3） 托車超出運行區(qū)域，窯頭窯尾不能聯(lián)動；

4） 某段溫度超限時。

（2） 報警處理：

當窯爐溫度、燃氣壓力、風機壓力超過設定的上、下限值、自動循環(huán)系統(tǒng)發(fā)生故障、電機過載等情況發(fā)生時，監(jiān)控報警立即發(fā)出聲光報警，并切斷相應的電源電路，同時在控制儀表面板上發(fā)出相應故障顯示燈，提示值班人員及時排除以快速地恢復窯爐系統(tǒng)的正常工作。

天然氣是一種熱值較高的無污染燃料，它具有很低的燃點，產(chǎn)生故障時處理不及時很容易發(fā)生事故。因此在天然氣管路安全控制上設有許多自動控制系統(tǒng)。只有當排煙風機正常、助燃風機正常、主燃氣管道壓力正常、自動循環(huán)系統(tǒng)正常、燒嘴點火都正常時(見圖10)，燃氣總閥才能打開，進行正常供氣，確保其安全工作。窯爐正常工作時，天然氣總管上的變送器將液化氣壓力信號傳送給壓力表，當減壓閥損壞或燃料發(fā)生泄漏并產(chǎn)生的壓降超過設定的上、下限值時，與壓力表聯(lián)鎖狀態(tài)的電磁閥立即切斷燃料供應，并發(fā)出聲、光報警，同時從Fameview控制屏幕上也能直觀地觀察到故障情況，以便排除故障。

8施工要求

（1） 上位機需外接RS232/RS485轉(zhuǎn)換接口。為保證通信質(zhì)量，建議采用雙絞線，終端安裝匹配電阻（R120Ω1/4w）；

（2） 上位機運用專用監(jiān)控軟件，檢查、修改儀表中的各種參數(shù)。儀表前的各種按鍵功能都可以由上位機實現(xiàn)；

（3） 儀表采用先進的專家模糊PID自適應算法。儀表應設置好相應的通訊地址，上位機才能識別地址不同的儀表；

（4） PLC可以運用SWOPC-FXGP/WIN-C軟件，自帶SC-09長專用通訊電纜，集成儀表可使用AIDCS應用軟件。兩種軟件與用C++語言編寫的程序，可運行在中文WINDOWS2000/NT/XP等操作系統(tǒng)下運行。

9結(jié) 束 語

該監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合天然氣隧道窯的工藝特點，設計合理，能夠?qū)φ麄€窯爐的系統(tǒng)參數(shù)作全面的監(jiān)控，可以顯示溫度設定界面、風機、燒嘴工況界面、窯內(nèi)壓力工況界面、溫度壓力直方圖、溫度壓力曲線、溫度、壓力、故障報警的歷史記錄、窯車車位圖等。它還采用了先進的專家模糊PID自適控制原理。在總結(jié)人工操作經(jīng)驗的基礎上，發(fā)揮計算機控制的優(yōu)點。保證了窯爐燒成制度的穩(wěn)定，節(jié)約了能源，同時也大大提高了窯爐的自動化程度，投產(chǎn)以來，生產(chǎn)穩(wěn)定，故障極少。

工程完工后運行至今，各項運行十分穩(wěn)定，燒制的產(chǎn)品符合國家日用細瓷標準，產(chǎn)品合格率為99.4%。日進產(chǎn)品達6萬件，耗氣量為4500Nm3，單位能耗僅為8873.75kJ/kg瓷。與改造前的原煤燒成相比，節(jié)約能耗27%以上。由于燃燒系統(tǒng)中采用了空/燃比例閥，改變?nèi)細饬康耐瑫r也按比例改變了進入燒嘴中的助燃風，保證了空/燃比例的穩(wěn)定，從而保證了火焰的強還原氣氛，使燒成的產(chǎn)品色澤一致，避免了產(chǎn)品發(fā)黃、起泡現(xiàn)象的產(chǎn)生。

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