楊盛泉，荊 心，楊洪波，王勁松，羅清道

（1．西安工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，西安710021；2．黃岡市華窯中興窯爐有限責(zé)任公司，黃岡438000）

石灰的主要成分是氧化鈣（CaO），是非常重要的建筑材料和工業(yè)原料，廣泛用于鋼鐵、農(nóng)藥、醫(yī)藥、皮革、紡織等行業(yè)的產(chǎn)品．石灰品質(zhì)的好壞直接影響著其相關(guān)聯(lián)產(chǎn)品的質(zhì)量．石灰窯是生產(chǎn)石灰的重要熱工設(shè)備，目前國(guó)內(nèi)外石灰窯都基于傳統(tǒng)的方式生產(chǎn)過(guò)程控制，即采用人工操作或者部分設(shè)備相對(duì)獨(dú)立的半自動(dòng)化控制．這種控制方式的缺點(diǎn)是石灰窯各設(shè)備工作協(xié)調(diào)性差，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，易受主觀因素的影響，從而導(dǎo)致石灰產(chǎn)品質(zhì)量時(shí)常不穩(wěn)定，過(guò)生燒率高，煙塵污染大，生產(chǎn)效率低．

可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是一種具有微處理器（CPU）的數(shù)字電子控制器，可以將控制指令隨時(shí)加載內(nèi)存內(nèi)儲(chǔ)存與執(zhí)行，它是專為工業(yè)設(shè)備進(jìn)行底層控制的核心裝置．PLC它不僅能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制、算術(shù)運(yùn)算、PID閉環(huán)控制功能，而且具有很強(qiáng)的抗干擾能力與高可靠性，它的集成度高、體積小，能在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)不間斷地運(yùn)行［1］．MVC（Model、View、Controller）模式把一個(gè)系統(tǒng)的輸入、控制處理、輸出流程按照模型、視圖、控制器的方式進(jìn)行分離［2］，他是當(dāng)下一種流行的軟件設(shè)計(jì)模式，將他應(yīng)用到工控系統(tǒng)可以使得系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度大大降低，同時(shí)使得系統(tǒng)的可維護(hù)性、健壯性得以提高．

文中基于MVC模式，利用PLC自控控制技術(shù)的優(yōu)勢(shì)結(jié)合傳統(tǒng)PC機(jī)的圖形人機(jī)界面的特長(zhǎng)研究與開(kāi)發(fā)新型的石灰窯自動(dòng)控制系統(tǒng)．

1 石灰窯工藝運(yùn)行原理與系統(tǒng)控制硬件設(shè)計(jì)

石灰窯在運(yùn)行過(guò)程中，其生產(chǎn)經(jīng)歷從原料配料、混料、提升加料、燒成、出灰一系列工序，這些工序環(huán)環(huán)相扣，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出問(wèn)題對(duì)石灰的產(chǎn)量、質(zhì)量都會(huì)產(chǎn)生重大影響［3］．根據(jù)石灰窯的運(yùn)行工藝流程特點(diǎn)設(shè)計(jì)出分層的集散控制系統(tǒng)，它具有集中管理分散控制的特點(diǎn)［4］．

1．1 石灰窯生產(chǎn)工藝運(yùn)行原理

石灰窯煅燒生產(chǎn)首先是選擇優(yōu)質(zhì)的石料和煤料分別存放到石料倉(cāng)和煤料倉(cāng)中，經(jīng)過(guò)振動(dòng)篩去除細(xì)小雜質(zhì)傳送到各自的電子秤按照設(shè)定的配比稱量后，通過(guò)混料皮帶均勻混合，其混合需要按照事先設(shè)定的比例混合，如果當(dāng)次有偏差，則需要到下一次稱量時(shí)自動(dòng)補(bǔ)償；繼而由窯底的卷?yè)P(yáng)機(jī)將裝滿混料的料斗通過(guò)斜拉提升架至窯頂布料器，布料器完成給石灰窯混料均勻布料輸送到窯內(nèi)．

混料靠自重克服窯內(nèi)熱氣流的浮力而緩慢向下運(yùn)動(dòng)，相繼通過(guò)石灰窯的預(yù)熱帶、煅燒帶、冷卻帶．在此期間，混料中的石料在下降過(guò)程中，經(jīng)過(guò)熾熱的煤料與助燃空氣和二次風(fēng)燃燒產(chǎn)生的燃燒產(chǎn)物進(jìn)行復(fù)雜的煅燒化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致石灰石的分解和生石灰的晶粒的發(fā)育成長(zhǎng)，當(dāng)全過(guò)程完成時(shí)，也被底部的助燃空氣冷卻降溫至40～60℃．然后由石灰窯的圓盤(pán)出灰機(jī)和兩段密封閥在不泄漏助燃風(fēng)的情況下，將石灰卸至窯外皮帶機(jī)上．再經(jīng)顎式破碎機(jī)破碎并篩分，最后經(jīng)過(guò)斗提機(jī)輸送到石灰成品庫(kù)倉(cāng)［3，5］．

1．2 系統(tǒng)控制硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)石灰窯生產(chǎn)的工藝運(yùn)行機(jī)理，設(shè)計(jì)的石灰窯控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，為典型的集散控制系統(tǒng)模式，主要包含三層，每一層包含內(nèi)容與作用均不同．其描述為

① 應(yīng)用層（Application layer）．它為系統(tǒng)的外圍連接層，主要由石料電子秤、煤料電子秤、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)人機(jī)界面組成．石料電子秤與煤料電子秤通過(guò)RS485通信將配料采集數(shù)據(jù)送入到控制層．人機(jī)界面為最終系統(tǒng)與操作人員交換的界面，它通過(guò)TCP／IP協(xié)議連接到控制層，它可以實(shí)時(shí)地顯示系統(tǒng)的實(shí)際工藝畫(huà)面、運(yùn)行曲線、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)等信息．

② 決策層（Policy layer）．它為系統(tǒng)的的核心層，其由電源模塊、CPU模塊，開(kāi)關(guān)量（I／O）模塊、A／D采集模塊、D／A控制模塊等單元以積木式方式組合成．

③ 設(shè)備層（Device layer）．它為系統(tǒng)的最底層，為石灰窯各個(gè)設(shè)備的采集與動(dòng)作單元，其由溫度傳感信號(hào)、壓力傳感信號(hào)、料位傳感信號(hào)、助燃風(fēng)閥輸出、二次風(fēng)閥輸出、窯出灰閥輸出、窯出灰閥輸出、窯設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、電子秤運(yùn)行狀態(tài)、電子秤控制動(dòng)作等組成．

基于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和儀器儀表、PLC、外部信息采集單元與執(zhí)行機(jī)構(gòu)這種分層開(kāi)發(fā)方式充分利用集散系統(tǒng)多種設(shè)備通訊技術(shù)和各部分相對(duì)獨(dú)立分布式工作的特性，由于其良好的可移植性、健壯性、可重用性和安全性以及靈活的軟硬件組態(tài)機(jī)制等優(yōu)點(diǎn)而廣受工業(yè)控制行業(yè)開(kāi)發(fā)人員的歡迎．

圖1 基于PLC控制的系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)Fig．1 System hardware architecture based on PLC control

2 MVC模式軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

MVC框架是Xerox PARC在20世紀(jì)80年代為編程語(yǔ)言Smalltalk-80發(fā)明的一種系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式，已被廣泛使用到各行各業(yè)的軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)當(dāng)中．使用MVC將系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的整體被分成三種核心部件：模型（Model）、視圖（View）、控制器（Controller），它們相對(duì)獨(dú)立地并協(xié)同處理程序任務(wù)［6］．由于MVC框架是一種系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)思想而不是具體軟件實(shí)現(xiàn)技術(shù)，不同行業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)人員對(duì)于不同的系統(tǒng)其MVC框架模式的描述往往不同，其基于MVC思想的技術(shù)方案表現(xiàn)為多種多樣［7］．本系統(tǒng)考慮到工業(yè)石灰窯控制工作的涉及到工控機(jī)、電子秤儀表、PLC以及其他外部設(shè)備等多接口特性，這些接口的設(shè)備要根據(jù)產(chǎn)品工藝曲線要求協(xié)同完成生產(chǎn)控制，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基于MVC架構(gòu)的石灰窯軟件功能結(jié)構(gòu)如圖2所示，它是由若干個(gè)Model、View、Controller組成．本系統(tǒng)的軟件主要由應(yīng)用層工業(yè)控制計(jì)算機(jī)PC程序、決策層PLC程序組成，這些程序中完全按照MVC架構(gòu)思想設(shè)計(jì)，它們聯(lián)合起來(lái)內(nèi)部形成若干邏輯上的MVC組合體，針對(duì)石灰窯不同的控制要求完成不同的控制或者管理工作．

2．1 登 陸

系統(tǒng)的操作人員通過(guò)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的登陸、注冊(cè)入口界面（PC View），系統(tǒng)的新用戶需要注冊(cè)，已注冊(cè)的用戶則需要輸入用戶名、口令信息給View，然后經(jīng)過(guò)基于角色訪問(wèn)控制管理（PC Controller），按照實(shí)現(xiàn)設(shè)定的不同的角色所見(jiàn)到的用戶界面不一樣，完成的工作也不一樣策略模型（PC Model），最后進(jìn)入其具體的石灰窯多媒體人機(jī)交互操作界面（PC View）．在此PC Model中石灰窯系統(tǒng)設(shè)計(jì)了四級(jí)登陸MVC角色權(quán)限，具體為：系統(tǒng)管理員（Right＝0）、石灰工藝員（Right＝1）、燒成班長(zhǎng)（Right＝2）、操作人員（Right＝3），它們分別對(duì)應(yīng)不同的操作PC View．

圖2 基于MVC架構(gòu)的石灰窯軟件系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig．2 Design of the lime kiln software system functional structure based on the MVC architecture

2．2 石灰窯燒成控制

石灰窯的燒成機(jī)制是連續(xù)生產(chǎn)的方式，石灰窯形狀為花瓶裝樹(shù)立著，所以也稱豎窯、筒窯或者立窯，它的從上向下燒成過(guò)程分成：預(yù)熱段、煅燒段、冷卻段、出灰段．其過(guò)程要控制不同階段的溫度和壓力，不同的石灰產(chǎn)品往往有著不同的燒成溫度曲線模型（PC Model）和壓力曲線模型（PC Model），控制溫度一般可以調(diào)整燃料配比和助燃風(fēng)的流量，控制壓力一般可以調(diào)整助燃風(fēng)和二次風(fēng)的流量，在PLC內(nèi)部通過(guò)石灰窯溫度與壓力曲線控制（PLC Controller）來(lái)調(diào)控D／A閥門(mén)實(shí)現(xiàn)．石灰窯溫度與壓力曲線控制（PLC Controller）工作時(shí)采用特定的PID算法參數(shù)模型（PLC Model）進(jìn)行運(yùn)算使得窯內(nèi)采集溫度、壓力與實(shí)際產(chǎn)品工藝曲線設(shè)定值一致，PLC通過(guò)以太網(wǎng)口TCP／IP協(xié)議將運(yùn)算調(diào)控結(jié)果反映到石灰窯多媒體人機(jī)交互操作界面（PC View）；整個(gè)石灰窯燒成控制運(yùn)行過(guò)程反映了PLC動(dòng)態(tài)地調(diào)整外部設(shè)備使得窯爐工控跟隨產(chǎn)品工藝設(shè)定參數(shù)的MVC過(guò)程．

2．3 石灰窯開(kāi)關(guān)量邏輯控制

石灰窯開(kāi)關(guān)量邏輯控制MVC主要為稱重邏輯控制MVC、上料邏輯控制MVC、窯頂布料邏輯控制MVC、出灰邏輯控制MVC等．稱重邏輯控制MVC通過(guò)石灰窯開(kāi)關(guān)量邏輯控制（PLC Controller）采集電子秤測(cè)量數(shù)據(jù) （PLC View）PV與設(shè)定的石料與煤料參數(shù)模型（PLC Model）配比參數(shù)SV進(jìn)行比較運(yùn)算進(jìn)行控制振動(dòng)篩與下料閥．上料邏輯控制MVC通過(guò)PLC Controller采集I／O模塊中的皮帶狀態(tài)以及提升機(jī)的狀態(tài)與預(yù)設(shè)的參數(shù)模型（PLC Model）中的上料規(guī)則實(shí)現(xiàn)給窯頂送料邏輯控制．窯頂布料邏輯控制MVC通過(guò)PLC Controller采集A／D模塊中料位PV數(shù)值與工藝曲線參數(shù)模型（PLC Model）中的加料SV進(jìn)行運(yùn)算從而決定是否需要加料控制．出灰邏輯控制MVC根據(jù)PLC Controller采集I／O模塊中的出灰機(jī)狀態(tài)通過(guò)PLC Model中的出灰規(guī)則進(jìn)行控制．

這些邏輯控制策略存放在邏輯控制參數(shù)模型（PLC Model）庫(kù)中，它由若干產(chǎn)生式規(guī)則（if…then…）形成．如：石灰窯開(kāi)關(guān)量邏輯控制（PLC Controller）通過(guò)PLC的RS-485通信口實(shí)時(shí)采集電子秤測(cè)量數(shù)據(jù)（PLC View）中的石料與煤料的重量為PV，通過(guò)邏輯控制參數(shù)模型（PLC Model）中的稱重邏輯控制參數(shù)為SV，e位稱重閾值，其產(chǎn)生式規(guī)則如下：

if abs（PV-SV）＜e then CloseWeight；／／關(guān)閉稱重系統(tǒng)

if abs（PV-SV）＞＝ethen OpenWeight；／／打開(kāi)稱重系統(tǒng)

2．4 石灰窯數(shù)據(jù)、圖形與曲線

這一部分MVC完全是針對(duì)PC機(jī)采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后的查詢、瀏覽、分析控制．石灰窯系統(tǒng)PC機(jī)通過(guò)TCP／IP可以采集PLC中的稱重上料布料出灰開(kāi)關(guān)量、電子秤數(shù)據(jù)、加料數(shù)據(jù)、各個(gè)部件運(yùn)行狀態(tài)等生產(chǎn)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過(guò)控制器定期儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù) （PC Model）中．當(dāng)用戶通過(guò)石灰窯多媒體人機(jī)交互操作界面（PC View）發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求后，記錄數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)曲線、圖表瀏覽（PC Controller）通過(guò)數(shù)據(jù)篩選、統(tǒng)計(jì)、優(yōu)化模型（PC Model）執(zhí)行相應(yīng)的方法，從工藝配方、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù) （PC Model）以圖形或者曲線、目標(biāo)變換數(shù)據(jù)返回到用戶操作界面（View），供用戶進(jìn)一步分析或者二次決策．

在石灰窯控制系統(tǒng)中進(jìn)行這種顯示與行為分離的MVC設(shè)計(jì)可以帶來(lái)很多好處，一方面使得各子系統(tǒng)的功能相對(duì)簡(jiǎn)單，從而易于實(shí)現(xiàn)，也降低了維護(hù)的難度；另一方面，又進(jìn)一步的隔離了工藝配方與歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)資源庫(kù)，從而提高了后臺(tái)數(shù)據(jù)的安全性．

3 石灰窯MVC架構(gòu)軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)包含下位PLC程序與上位機(jī)PC機(jī)程序．針對(duì)國(guó)內(nèi)某鋼鐵企業(yè)石灰窯控制要求，選取國(guó)際知名品牌Siemens S7-300PLC，其硬件組態(tài)配置結(jié)構(gòu)如圖3所示，它一共由兩個(gè)機(jī)架組成，包含了 PS 307 5A 電源模塊、CPU 315-2PN／DP模塊、DI與DO系列開(kāi)關(guān)量模塊、AI與AO系列模擬量模塊以及CP340串口通信模塊等．PLC工作時(shí)通過(guò)PLC的PN太網(wǎng)口與工控機(jī)通信，同時(shí)通過(guò)PLC的CP340串口RS485遵循標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議與托利多稱重儀表通信．

PLC中核心代碼使用SCL語(yǔ)言編寫(xiě)了若干FC、FB、DB等功能塊．PLC中的這些功能塊分別實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的 MVC中的PLC Model、PLC Controller功能．PLC主程序OB1通過(guò)定期掃描執(zhí)行若干任務(wù)功能塊FC35，其主要代碼為

｛SCL＿OverwriteBlocks：＝ ‘y’｝／／功能塊內(nèi)部寫(xiě)保護(hù)

FUNCTION FC35：VOID／／定期掃描執(zhí)行FC塊

BEGIN

fPeriodRunFlag：＝not fPeriodRunFlag；／／定期執(zhí)行標(biāo)志

FC05（）；／／系統(tǒng)AD與DA數(shù)據(jù)處理

FB41．DB11（）；／／01＃溫度儀表PID執(zhí)行

FB41．DB12（）；／／02＃溫度儀表PID執(zhí)行

FB41．DB13（）；／／03＃溫度儀表PID執(zhí)行

FB41．DB14（）；／／04＃溫度儀表PID執(zhí)行

FB41．DB21（）；／／01＃壓力儀表PID執(zhí)行

FB41．DB22（）；／／02＃壓力儀表PID執(zhí)行

FC10（）；／／稱重邏輯控制 MVC

FC11（）；／／上料邏輯控制 MVC

FC12（）；／／窯頂布料邏輯控制MVC

FC13（）；／／出灰邏輯控制 MVC

FC20（）；／／系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)處理

END＿FUNCTION

石灰窯上位機(jī)PC程序使用Borland Delphi 7．0進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，主要模塊包含：用戶注冊(cè)登錄模塊、下位網(wǎng)絡(luò)通信模塊、窯爐工藝畫(huà)面模塊、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存管理模塊、曲線動(dòng)態(tài)顯示模塊等．核心代碼運(yùn)用組件與多線程的思想來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，每個(gè)線程都有它自己的運(yùn)行內(nèi)存、句柄和系統(tǒng)資源．每一個(gè)線程內(nèi)部都包含很重要的TTimer時(shí)間觸發(fā)器，它負(fù)責(zé)為上位機(jī)的 MVC內(nèi)部 PC Model、PC View、PC Controller之間的數(shù)據(jù)管理、事務(wù)處理、控制輸出等工作．本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)的石灰窯上位機(jī)PC程序運(yùn)行主窗口如圖4所示．

圖3 石灰窯S7-300PLC硬件組態(tài)配置結(jié)構(gòu)Fig．3 Lime kiln S7-300PLC hardware module configuration structure

圖4 基于MVC模式的石灰窯上位機(jī)主窗口Fig．4 Lime kiln PC main window based on the MVC architecture

該系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)某鋼鐵企業(yè)320m3石灰窯MVC模式控制中得到了成功的實(shí)施并且已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行一年多．跟其同樣物理規(guī)模（320m3）傳統(tǒng)人工為主控制的石灰窯（Old System）生產(chǎn)歷史運(yùn)行指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)對(duì)比，其結(jié)果見(jiàn)表1．其中活性度指標(biāo)是表征生石灰水化反應(yīng)速度的一個(gè)指標(biāo)，即在足時(shí)間內(nèi)以中和生石灰消化時(shí)產(chǎn)生的Ca（OH）2所消耗的4mol·L-1鹽酸的毫升數(shù)表示；含CaO%表示石灰中有效氧化鈣含量，這個(gè)參數(shù)越高說(shuō)明質(zhì)量越好；生過(guò)燒率為生燒與過(guò)燒的比例，生燒就是其中部分石灰石沒(méi)有完全分解，過(guò)燒是石灰石煅燒過(guò)渡，使生石灰致密，這一部分生石灰活性低，難于在后面的生產(chǎn)中起反應(yīng)；環(huán)保指標(biāo)主要指燃燒產(chǎn)物排放中的煙塵含量．

表1 兩種控制方式運(yùn)行效果對(duì)比Tab．1 Contrast befween the two systems

通過(guò)表1可以看出，MVC System比Old System活性度高約21mL、有效氧化鈣含量高約3%、生過(guò)燒率低約2%，并且環(huán)保煙塵排放指標(biāo)低了很多，遠(yuǎn)低于國(guó)家環(huán)保硬性指標(biāo)50mg·nm-3．

4 結(jié) 論

工業(yè)石灰窯MVC架構(gòu)的PLC控制系統(tǒng)硬件上由應(yīng)用層、決策層、設(shè)備層等三層組成，其軟件又由若干個(gè)Model、View、Controller組成．本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單易行，具有很強(qiáng)的通用性，該系統(tǒng)在具體的企業(yè)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比表明，其可以很大程度上改變了石灰窯傳統(tǒng)控制過(guò)程中表現(xiàn)出的產(chǎn)品質(zhì)量差、生過(guò)燒率高、環(huán)保指標(biāo)差、工人勞動(dòng)強(qiáng)度高等落后狀況．本系統(tǒng)為工業(yè)石灰窯控制行業(yè)提供了較好的模型和方法，具有良好地實(shí)際應(yīng)用推廣價(jià)值．

［1］ 蘇方臣，劉振，劉波．基于PLC的皮帶卸料小車自動(dòng)布料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2015，28（4）：167．SU Fang-chen，LIU Zhen，LIU Bo．Design of Belt Discharging Carrier Automatic Control System Based on PLC［J］．Industrial Control Computer，2015，28（4）：167．（in Chinese）

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