８０ｍ全自動天然氣隧道窯監控系統的設計

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

關鍵詞監控系統，自動循環，集控軟件，通訊過程

1引言

隨著國家能源結構的調整和環保措施的加強，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的契機，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量高、質量好而且因燒成制度（溫度、壓力、氣氛）穩定，對環境無污染、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、衛生陶瓷上，它的機械化、自動化程度高，監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控系統的設計進行了較全面的剖析。

2窯爐結構

窯爐長度為80m，共分40節，每節為2m。其中1～14節為預熱帶，15～30節為燒成帶，31～40節為冷卻帶。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支熱電偶檢測窯內溫度，并作為控制該段窯爐溫度控制端的輸入參數，通過執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，從而實現調節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、風管窯爐的結構位置見圖1。

窯爐參數、風機系統及窯自動循環系統參數如表1～3所示。

3監控系統的組成

該系統由硬件部分和軟件部分組成。

3.1 監控系統的硬件組成

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，為生產過程的參數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、流程圖繪制、報表設置、報警設置。程序可以用C++編寫，專用的監控程序在WINDOWS操作系統下運行。

上位機的主要功能是顯示、記錄、打印生產過程中的生產參數和熱工參數，保存系統參數，監控系統安全，發出故障報警信號提示，修改下位機的程序和有關參數設定，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進行檢測和控制，并向上位機作出報告、發出故障報警信號。

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絡。通信距離達1200m。

(1) 上位機與集成儀表通訊需外接RS232/RS485轉換接口。為保證通信質量建議采用雙絞線，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） 上位機運用專用監控軟件，檢查、修改儀表中的各種參數，儀表前的各種按鍵功能都可以由上位機實現；

（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送數據，必須由上位機向集成儀表發出讀、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，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) 主機發出從機地址，進入接收狀態，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，再將該機信息發給主機(執行CLR SM2指令，使SM2為0)，方便主機隨后發出的信息能接收。對于未被選中的從機，因SM2仍為1，因此不能接收主機發出的指令；

3) 主機接收到從機應答信號，發出指令信息；

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

（2） 從機與主機通訊過程

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

2) 從機確認主機的RXD引腳處于空閑狀態后，發出地址信息到主機；

3) 從機接收到主機應答信號后，發出數據給主機，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，再發接收正確信號給從機；

5) 從機接收到主機發送的“接收正確”信號后，表明數據通訊結束。

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) 高可靠性結構，系統有冗余設計，以避免局部失效而導致整體失效，使系統發生混亂；

(3) 所有的軟件都能在WINDOWS下運行，確保軟件不發生沖突。

3.2.3軟件控制運用

Fameview開發中以windowsNT為開發平臺，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。它保證了系統內核的先進性和穩定性，無內存泄露，能長期運行，被譽為“不會死”的組態軟件。

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，專門設計了設備數據表，能對數據進行批處理，多線程同時處理多個通訊設備，通訊速度和穩定性好。

Fameview功能強大，除提供通訊、運行數據庫、畫面、報警、歷史數據等功能外，還提供了實用數據庫運用、數據服務、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

通訊驅動程序指Fameview與設備進行通訊并讀寫設備數據的程序，是監控系統最基本、最底層的功能；根據連接設備的不同，可分為PLC驅動、儀表驅動、變頻器驅動；根據通訊連接方式不同可分為串口驅動、以太網驅動、GPRS驅動、總線驅動等。

（2） 驅動安裝

利用Fameview可以方便地安裝儀表、PLC、變頻器的驅動程序，只要在安裝驅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） 設備數據表

Fameview中設置了內存緩沖區，用來存放與外部控制設備通訊的數據，通過通訊驅動進行刷新和輸出，運行數據庫需要的過程數據可從設備數據表中取得。

（4） 運行數據庫

Fameview監控系統是通過通訊驅動，把外部控制設備中成批的數據映象到設備數據表中，但成批數據無法直接使用，所以系統通過運行數據庫提供各種變量，以各種方式來訪問設備數據表；運行數據庫是控制系統的中心樞紐，運行數據庫提供各種變量供其他程序使用，如畫面、報警、報表等。

運行數據庫是一種面向對象的、結構化的、組態的實時數據庫，它通過巧妙的設計，仿真和模擬為一臺超級控制設備，有各種數據和功能模塊，具有模擬輸入變量、模擬輸出變量、模擬輸入/輸出變量、開關輸入變量、開關輸出變量、開關輸入/輸出變量等六種變量與設備數據表進行各種方式的數據交換，用來讀寫、修改設備數據值和位狀態。

（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定的范圍內，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） 歷史數據

系統的歷史數據存儲在數據庫中，對應的數據源為Fameview docdata source，系統數據源類型為Access或SQL Server。在查詢歷史數據時，可以由Fameview提供的歷史數據曲線查詢，方便數據比較。

3） 實時報表

Fameview系統提供了實時報表打印功能，可以打印/瀏覽運行數據庫來顯示某變量的當前值。

4在全自動循環中的監控

4.1 自動循環系統中監控的運用

自動循環系統由循環步進機、窯頭托車、窯體頂桿機、窯尾托車等組成。系統實現半成品到成品的全自動運輸過程。系統要完成半成品進窯、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。因此傳動系統選用PLC編程控制器，使得控制靈活，維修方便。

4.2 主控制監控系統

主控制監控系統能監控窯爐上所有風機的啟、停；窯車的全自動循環啟、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鎖。

（1） 運用在主控系統中的 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加以控制；

6）在總空氣開關中另加入脫扣按鈕作為總電源的緊急關閉按鈕。

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為各限位行程開關和光電開關的輸入；

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為各限位行程開關和光電開關的輸入；

2） 輸出接口：Y0為與窯頭聯鎖，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溫度控制系統中的監控

燃燒系統由燃氣、助燃風、調節器、執行器、燒嘴等組成。其中由調節器、熱電偶、執行器、集成儀表等組成溫度控制回路，實現對窯爐溫度的全面控制。

（1） 系統要求：窯內截面的溫度均勻，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） 系統在還原區域為不完全燃燒，火焰為還原焰，在氧化區域要完全充分燃燒；

（3） 系統在整個燃燒區域的溫度可調，并且調溫迅速，溫度擺動小。

本系統溫度檢測點共有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，幾乎每節都安裝S型熱電偶作為溫度調節單元的信號輸入，由熱電偶檢測窯內該溫度段的熱電信號。通過補償導線送至AI708M型集成儀表，在集成儀表內完成溫度變送、A/D、D/A、數碼顯示、數碼設定、光電隔離、信號輸出等功能。溫度控制系統帶動調節閥調節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/燃比例閥改變燃氣進入燒嘴量的大小，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在投入自動運行時燒嘴火焰的還原性質不變。

6壓力控制系統中的監控

壓力系統由排煙風機、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定。

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

（2） 系統在窯內設立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變成電信號后送入集成儀表，在集成儀表內完成溫度變送、A/D、D/A、數碼顯示、數碼設定、光電隔離、信號輸出等功能。用此信號來控制變頻器的轉速和燃氣總閥的開關。

所有的儀表采用AI708M、NE600系列集成儀表。

7事故報警中的監控

（1） 當出現以下情況時，系統會發出報警：

1） 燃氣壓力、助燃壓力、窯內負壓不正常；

2） 風機不正常運轉，變頻器發生故障；

3） 托車超出運行區域，窯頭窯尾不能聯動；

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、自動循環系統發生故障、電機過載等情況發生時，監控報警立即發出聲光報警，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，產生故障時處理不及時很容易發生事故。因此在天然氣管路安全控制上設有許多自動控制系統。只有當排煙風機正常、助燃風機正常、主燃氣管道壓力正常、自動循環系統正常、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生泄漏并產生的壓降超過設定的上、下限值時，與壓力表聯鎖狀態的電磁閥立即切斷燃料供應，并發出聲、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轉換接口。為保證通信質量，建議采用雙絞線，終端安裝匹配電阻（R120Ω1/4w）；

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

（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等操作系統下運行。

9結 束 語

該監控系統結合天然氣隧道窯的工藝特點，設計合理，能夠對整個窯爐的系統參數作全面的監控，可以顯示溫度設定界面、風機、燒嘴工況界面、窯內壓力工況界面、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。在總結人工操作經驗的基礎上，發揮計算機控制的優點。保證了窯爐燒成制度的穩定，節約了能源，同時也大大提高了窯爐的自動化程度，投產以來，生產穩定，故障極少。

工程完工后運行至今，各項運行十分穩定，燒制的產品符合國家日用細瓷標準，產品合格率為99.4%。日進產品達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，節約能耗27%以上。由于燃燒系統中采用了空/燃比例閥，改變燃氣量的同時也按比例改變了進入燒嘴中的助燃風，保證了空/燃比例的穩定，從而保證了火焰的強還原氣氛，使燒成的產品色澤一致，避免了產品發黃、起泡現象的產生。

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