浅谈工业窑炉软件控制系统的设计和实现

作者简介：黄国坚（1974.3-），男，广东省肇庆市，汉族，本科，工业窑炉相关研发与管理工作，电气工程师。

摘要： 针对工业窑炉进行软件控制系统的设计与应用，能够使工业窑炉的控制更为灵活，这对其控制精度的提升具有非常重要的意义，因此，文章对工业窑炉软件控制系统的设计与实现进行具体论述，希望能够进一步提升现代工业窑炉的运行质量。

关键词： 工业窑炉;软件控制系统;设计;实现

【中图分类号】TP273【文献标识码】B【文章编号】1674-3733（2020）12-0217-02

随着现代科技的发展，越来越多的计算机软件技术被应用在了各行各业当中，使得各行业的生产效率以及生产质量得到了很大的提升，但对于现代的工业窑炉软件控制系统而言，其中还有许多问题存在，并不能很好的满足现代工业生产的相关需求，对此，还需要相关领域针对工业窑炉控制系统进行深入的设计，并确保软件控制系统在生产实际当中的有效应用，这对于工业窑炉的现代化发展具有非常重要的意义，因此，有必要针对相关内容进行深入的研究。

1系统架构

1.1集散架构

我们知道，工业窑炉能够创造一个可控的燃烧空间，在这个空间当中，窑内压力、燃烧气流、排烟温度、温区温度以及助燃空气流量都将得到有效的控制。而根据实际需求以及集散式控制系统的相关原理，可以对控制系统的结构模型进行设计，该结构模型当中包括诸多控制模块，如窑压控制、烧嘴点火控制、助燃空气控制、燃气流量控制、排烟温度控制以及温区温度控制。在这个结构模型当中，每个模块都是一个下位机，能够对传感器输出的电信号进行采集，并在相关机构上进行执行，而下位机的控制均由上位机来实现[1]。

1.2应用架构

由于传统形式的窑炉控制软件较为简陋，无法对现代生产需求加以满足，因此，在针对软件控制系统进行设计的过程中，应该提出一种全新的应用架构，以此来保证设计的简洁性和清晰性，确保各项使用需求的灵活应用。文章结合实际需求，最终确定使用经典三层架构。一层为客户端，二层为服务器、工控柜以及高温梭式窑，三层为数据库。利用这种架构，能够有效提升控制软件的灵活性，在这个架构当中，服务器需要负责客户端通信、数据存取以及窑炉控制等工作。与此同时，还要从传统架构中，将用户交互功能转移到客户端当中，这样可以将软件系统的耦合度有效降低，使传统窑炉软件当中的一些问题得到有效的解决。除此之外，利用这种架构能使系统的拓展延伸性得到适当的提升，使不断更新的需求得到相应的满足。在这个架构当中，服务器不仅能够控制窑炉系统的通信，还能与企业局域网相连接，确保窑炉的有效运行，而且将用户交互功能设为独立的客户端，能够为工作人员提供更为舒适的办公环境，确保用户可以对窑炉进行远程控制，并保证各项故障的有效排除[2]。

2系统功能设计

2.1设备控制模块

对于设备控制模块而言，其主要功能就是进行硬件抽象表示，并对硬件底层细节进行屏蔽，而且通过设备控制模块的设置，工作人员可以对更高层次的问题进行考虑，系统利用接口Plant对设备控制模块的功能进行表示，但因为窑炉系统较为复杂，对单一接口进行使用，并不能将设备的各项特性充分的表现出来，所以，需要对Plant接口进行不断的扩展，进而保证设备接口的特定性。

2.2物理量控制模块

物理量控制模块与设备控制模块的联系较为紧密，前者能够对后者提供的抽象表示进行使用，从而对各种设备进行组合，构建闭环反馈回路，使窑炉的物理量得到有效的控制，具体包括流量、压力以及温度等等[3]。

2.3烧成控制模块

该模块是以物理量控制以及设备控制等模块为基础进行窑炉控制的，其主要作用就是确保窑炉能够按照既定的参数设置运行，并且可以对窑炉运行工况进行详细的记录。

3系统功能实现

3.1设备控制组件的实现

设备系统当中需要使用专用的采集通信卡，落实控制工作，而设备控制组件的主要功能就是对专用硬件进行控制，以此来实现设备的有效控制[4]。

3.2物理量控制组件的实现

上文提到物理量控制主要是控制窑炉运行期间的各项物理量，因此，在组件实现的过程中，首先要对物理量进行明确的表示，具体包括压力、流量以及温度，而针对温度的控制主要涉及两点，第一点是在各个烧嘴处进行温度控制，第二点是在排烟处对烟气温度进行控制，对于烧嘴部分的温度控制，主要利用支管电动阀以及D型热电偶来实现，利用两者进行反馈控制回路的构建，即可对一个温区加以控制。而烟气温度则需要借助调节电动阀以及K型热电偶来实现。对于窑内压力，其压力控制需要由排烟风机以及微差变送器来实现，由于助燃机和排烟风机存在不同的物理特性，所以，需要以设备控制组件为基础，从风机Fan类当中，将两类风机选出。而在控制物理量的同时，物理量控制模块还需要对烧嘴点火进行控制，而点火控制涉及到用于点火的点火器、用于检验点火情况的火焰探测器以及用于开关燃气的支管电磁阀[5]。

3.3烧成控制组件的实现

窑炉能否按照预设的工艺曲线运行，往往会受到烧成控制组件的影响，而窑炉的运行涉及到烧成曲线控制以及记录曲线控制，这兩项均为主动类，这主要是由于它们都有属于自己的执行线程，但这两项需要以数据访问模块为基础，在数据库当中进行烧成曲线以及记录曲线的获取，并对相关操作加以落实。而烧成控制具体可以分为三个阶段，一是初始阶段、二是氧化阶段、三是冷却阶段。

初始阶段需要完成三个任务，即将温度控制、助燃空气控制以及燃气流量控制启动，而窑炉内部设有多个温区，因此，每个温区都要做好控制工作。助燃空气控制不同于温度控制，其运行方式主要有三种，第一种是根据流量对助燃空气进行控制，第二种是根据空燃比方式对助燃空气进行控制，第三种是根据开度对助燃空气进行控制。而燃气流量控制与助燃空气控制较为相似，其控制方式同样有三种，其一是根据流量对燃气进行控制，其二是根据空燃比对燃气进行控制，其三是根据开度对燃气进行控制[6]。

氧化阶段的算法主要涉及两部分，第一部分需要对被控物理量的变化幅度进行计算，并确定设定点的初始值，其涉及到三项内容，第一是烧成曲线起始值，第二是人工偏移值，第三是窑炉断点运行功能，保证窑炉在恢复运行时，可以沿着断点继续运行。除此之外，需要进行各种开度值的设置，因为进行开度控制实际就是进行开环控制，所以，在第二部分的控制循环当中并不需要出现这一点。而算法的第二部分需要进行过程控制循环，这种功能需要由sleep Timer（processCycle）来实现，在控制过程中，若出现曲线运行时间超时的情况，则这一步骤会完成运行，并开始后续操作，而在氧化阶段当中，还需要控制物理量的参数，各温区控制都在一个循环中进行，且对于烟气、压力、流量以及空气都需要进行条件判断，若没有应用过程量控制，则不需要进行其他工作，这主要是因为开度控制会在循环以外实现[7]。

冷却阶段，系统设计当中仅有一套反馈回路，其主要是由助燃风机以及空气流量孔板构成，能够对助燃空气流量进行有效的控制，在该系统当中，并不是为了对空气流量进行控制，而是为了控制窑内温度，如果在窑炉运行期间出现温度快速下降的情况，则风机转速会随之下降，而如果窑炉温度不能正常下降，则系统会适当提升风机的转速，系统可以通过物理反馈回路的增设实现这种功能，但需要注意的是，该项功能的实现会加大系统的成本投入。针对这种情况，本系统当中使用空气总管进行冷却软传输，能够达到与上述方法相同的效果，所以，并不会出现成本增加的情况，其设计思路是在窑炉进入冷却状态，也就是烧嘴全部熄火以后，选择某个温区继续开展温度控制工作，但因为窑炉已经处在熄火状态，所有的烧嘴也已经关闭，所以，对燃气阀门进行控制并不会产生任何作用，对此，本系统反转了PID输出，并将其向助燃风机输入，经过实际检验发现，风机转速得到了有效的提升，获得了良好的降温效果。

对于记录曲线的控制，首先需要对各温区进行温度数据采集，其次，对燃气流量数据以及空气流量数据进行采集，最后进行烟气温度数据以及窑压数据的采集。在完成采样工作以后，采样结果会反馈至客户端，然后对采样周期进行等待，在等待结束以后，开始对各项数据进行重新的采集，若这时将窑炉停运，则采集工作会随之停止，与采样过量程PV相比，采样开度值MV较为相似，两者间的最大差异就是采样周期有所不同[8]。

结语：综上所述，针对工业窑炉进行软件控制系统的设计与实现，能够使工业窑炉的控制水平得到进一步的提升，这对于工业窑炉运行质量的提升具有非常重要的意义，因此，相关单位一定要对此保持高度的重视，对现有工业窑炉软件控制系统的不足之处加以寻找，并结合实际需求，对其设计进行不断的优化，使其能够在窑炉运行控制当中发挥更大的作用。

参考文献

[1]李智芳，胡正涛.高温窑炉计算机控制系统中模糊控制器的设计与实现[J].工业控制计算机2017，78（3）：426-48.

[2]周耿烈，胡赤兵，吕红梅，现场总线及信息集成技术在控制系统中的应用[J].中国仪器仪表.2017，18（04）：152-54.

[3]张国荣，史斌宁，苏建徽，基于現场控制机的玻璃窑炉控制系统的设计和实现[J].制造业自动化.2018，26（04）：22-23+36.

[4]化银锋，席增伟.WINMATION组态软件在工业梭式窑控制系统中的应用[J].工业炉，2017，34（6）：29-431.

[5]化银锋，李瑞斋.力控组态软件在陶瓷梭式窑炉群计算机控制系统的应用[J].工业控制计算机，2016，23（4）：20-121.