基于泓格I-7000模塊的玻璃制品生產(chǎn)線模糊控制系統(tǒng)

1、引言
唐山玻璃集團(tuán)某玻璃制品生產(chǎn)線主要由煤氣站﹑熔窯﹑退火窯三個(gè)子系統(tǒng)組成。煤氣站子系統(tǒng)中，以煤為原料，以蒸汽為氣化劑，在煤氣發(fā)生爐中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生煤氣。熔窯子系統(tǒng)利用煤氣站產(chǎn)生的煤氣，與空氣混合后，在熔窯內(nèi)進(jìn)行充分燃燒，將玻璃原料加熱融化，產(chǎn)生的玻璃原液經(jīng)供料道送至玻璃制品機(jī)，進(jìn)行玻璃制品半成品的生產(chǎn)。退火窯子系統(tǒng)則實(shí)現(xiàn)半成品的高溫?zé)扇?yīng)力和冷?。
由于歷史原因，整條生產(chǎn)線的自動(dòng)控制水平比較低，基本上由現(xiàn)場(chǎng)工人根據(jù)儀表顯示進(jìn)行手動(dòng)操作，以實(shí)現(xiàn)加氣﹑送風(fēng)﹑溫度調(diào)節(jié)和窯壓調(diào)節(jié)等功能。手動(dòng)控制不僅效果差﹑原材料能源浪費(fèi)大，而且經(jīng)常由于三個(gè)子系統(tǒng)之間不能協(xié)調(diào)工作而出現(xiàn)停窯等生產(chǎn)事故，因此實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的自動(dòng)控制顯得尤為重要。
整條生產(chǎn)線檢測(cè)控制點(diǎn)多﹑現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣﹑物理距離遠(yuǎn)，并且要求控制系統(tǒng)可靠性高﹑安全性好﹑維修簡(jiǎn)單﹑價(jià)格低廉。經(jīng)過(guò)仔細(xì)考察比較，系統(tǒng)最終選用了I-7000系列遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線的監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)。
2、系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
根據(jù)生產(chǎn)線的實(shí)際情況，結(jié)合當(dāng)前工業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展方向，控制系統(tǒng)采用了工業(yè)控制計(jì)算機(jī)與分布式I/O模塊相結(jié)合的方式。上位機(jī)采用了RACK600工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。考慮I-7000模塊種類多﹑可靠性高﹑抗干擾能力強(qiáng)﹑價(jià)格低廉等，系統(tǒng)采用了I-7000模塊作為分布式I/O模塊。為確保生產(chǎn)線的安全可靠，系統(tǒng)采用了上位機(jī)雙機(jī)冗余的方式，主機(jī)和從機(jī)可自動(dòng)無(wú)擾切換。在系統(tǒng)檢修或故障時(shí)，可通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，將系統(tǒng)切換為原手動(dòng)控制，保證了生產(chǎn)過(guò)程的可靠性。
系統(tǒng)硬件物理上可分為兩部分：一部分放置在煤氣站控制室，負(fù)責(zé)煤氣站子系統(tǒng)的信號(hào)采集與輸出，其余部分（包括上位機(jī)）放置在熔窯控制室（作為中央控制室），負(fù)責(zé)熔窯和退火窯子系統(tǒng)的信號(hào)采集和輸出。所有信號(hào)經(jīng)RS485網(wǎng)絡(luò)匯總到上位機(jī)，以實(shí)現(xiàn)整條生產(chǎn)線的監(jiān)測(cè)與控制，具體描述如下。
2．1煤氣站子系統(tǒng)
煤氣站子系統(tǒng)有8路4-20ma壓力輸入信號(hào)﹑4路溫度輸入信號(hào)﹑4路開(kāi)關(guān)量報(bào)警輸出信號(hào)﹑3路4-20ma電流輸出信號(hào)，采用I-7017﹑7018﹑7042﹑7024模塊各一塊。
I-7017為8信道仿真量輸入模塊，最大輸入量程為±10V。在7017的每一?通道并聯(lián)一?250Ω3　的精密電阻，可將8路4-20ma電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為1-5V電壓信號(hào)，作為現(xiàn)場(chǎng)壓力信號(hào)，送入控制系統(tǒng)。
I-7018為8路熱電偶輸入模塊，可直接采集熱電偶信號(hào)。煤氣站的4路溫度信號(hào)均為K型，共享一塊7018。
I-7042為13路隔離型集電極開(kāi)路輸出模塊，配合RM104功率繼電器板可實(shí)現(xiàn)繼電器輸出功能。系統(tǒng)設(shè)有一次風(fēng)壓﹑煤氣溫度等超限報(bào)警。報(bào)警時(shí)，7042控制RM104驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)的24V報(bào)警指示燈亮，同時(shí)報(bào)警電鈴?。
I-7024為4信道仿真輸出模塊，可輸出標(biāo)準(zhǔn)的電壓和電流信號(hào)。煤氣站的一次風(fēng)機(jī)采用變頻器控制，2路蒸汽采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制，3路控制信號(hào)均為4-20ma標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，共享一塊7024。
2．2熔窯子系統(tǒng)
熔窯子系統(tǒng)有16路溫度輸入信號(hào)﹑6路數(shù)字輸入信號(hào)﹑3路4-20ma壓力輸入信號(hào)﹑4路繼電器輸出信號(hào)﹑2路4-20ma電流輸出信號(hào)﹑1路0-1V液位輸入信號(hào)。共享4塊I-7018﹑1塊7024﹑1塊7042﹑1塊7052和1塊7017。
16路溫度信號(hào)有6路K型熱電偶，4路S型熱電偶，4路J型熱電偶和兩路S型熱電偶，分別用4塊7018實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的采集。
4路壓力信號(hào)為4-20ma標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，經(jīng)250Ω精密電阻轉(zhuǎn)換為1-5V電壓信號(hào)，由7017實(shí)現(xiàn)壓力信號(hào)的采集。7017模塊同時(shí)完成液位信號(hào)的采集。
4路繼電器輸出信號(hào)為空氣和煤氣換向輸出信號(hào)，由I-7042驅(qū)動(dòng)RM104完成。
I-7050為7路數(shù)字輸入模塊。現(xiàn)場(chǎng)的6路換向到位信號(hào)經(jīng)繼電器隔離后，轉(zhuǎn)換為干接?信號(hào)，由7050實(shí)現(xiàn)換向到位信號(hào)采集。
二次風(fēng)機(jī)采用變頻器控制，控制信號(hào)為4-20ma電流信號(hào)，煙囪吸力調(diào)節(jié)控制信號(hào)也是4-20ma電流信號(hào)，2路信號(hào)輸出由一塊7024來(lái)實(shí)現(xiàn)。
2．3退火窯子系統(tǒng)
退火窯為單獨(dú)的子系統(tǒng)，根據(jù)廠家要求，暫不做控制。
3、系統(tǒng)的軟件原理
系統(tǒng)上位機(jī)采用Windows NT 4.0 作為操作系統(tǒng)，Intellution公司的FIX軟件作為工業(yè)測(cè)控軟件平臺(tái)，Visual C 5.0和Visual Basic 5.0作為編程語(yǔ)言。在控制算法上，采用了軟嵌入式自學(xué)習(xí)多變量模糊控制器（MF控制器）。
3．1系統(tǒng)控制原理
? 煤氣站到熔窯，系統(tǒng)最終的控制目標(biāo)是：熔窯溫度TR保持在1500±5℃，窯壓PR保持在15±1Pa。，熔窯溫度TR通過(guò)調(diào)節(jié)煤氣站的煤氣出口壓力PM來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)TR受PR的影?。PM是通過(guò)調(diào)節(jié)煤氣發(fā)生?的風(fēng)量來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的，而風(fēng)量的變化，必然會(huì)引起煤氣站混合氣溫度的變化。為保證煤氣發(fā)生?中的化學(xué)反應(yīng)充分，混合氣溫度必須穩(wěn)定在60±1℃，因此又必須對(duì)一次風(fēng)和蒸汽進(jìn)行控制。窯壓PR除受上述因素影以外，還受煙囪吸力的影響?？梢?jiàn)，系統(tǒng)是一個(gè)串級(jí)多變量非線形大慣性系統(tǒng)。
為解此復(fù)雜的控制，系統(tǒng)核心采用了軟嵌入式自學(xué)習(xí)多變量模糊控制器。此控制器是在國(guó)家自然科學(xué)基金的支持下，融合了模糊進(jìn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)﹑智能建模﹑模糊穴映射等智能控制技術(shù)而形成的，并且在陶瓷行業(yè)中得到了大量應(yīng)用。將其應(yīng)用于此控制系統(tǒng)，實(shí)踐證明也是成功的。
3．2系統(tǒng)軟件功能
根據(jù)玻璃制品生產(chǎn)線的實(shí)際情況，結(jié)合工廠的要求，系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)以下功能：
關(guān)鍵的溫度和壓力控制：在煤氣站子系統(tǒng)中，通過(guò)控制一次風(fēng)和蒸汽，實(shí)現(xiàn)了混合氣溫度穩(wěn)定(60±1℃)，煤氣出口壓力滿足了熔窯子系統(tǒng)燃燒的需要。在熔窯子系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了熔窯溫度（1500±5℃）和窯壓（15±1Pa）的穩(wěn)定控制。
生產(chǎn)線概貌顯示：概貌圖是現(xiàn)場(chǎng)工人操作的主要界面，實(shí)現(xiàn)了全部數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與報(bào)警，并可直接進(jìn)行工藝參數(shù)的設(shè)定等。
實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線顯示：實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖將有關(guān)的數(shù)據(jù)以曲線和數(shù)據(jù)形式進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，并支持實(shí)時(shí)打印功能。
歷史數(shù)據(jù)顯示：可根據(jù)實(shí)際需要，以曲線或數(shù)據(jù)形式，顯示過(guò)去幾個(gè)月的關(guān)鍵歷史數(shù)據(jù)，時(shí)間可精確到秒級(jí)。
手動(dòng)/自動(dòng)切換：系統(tǒng)提供了手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換軟開(kāi)關(guān)，可在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)全自動(dòng)控制或現(xiàn)場(chǎng)工人利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)控制。
煤氣和空氣的換向：可根據(jù)時(shí)間和溫差實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)換向，也可在特殊情下實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)或全手動(dòng)換向。
事件報(bào)警：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求可事先定義報(bào)警事件，當(dāng)滿足條件時(shí)，系統(tǒng)將事件記錄下來(lái)，同時(shí)發(fā)出光報(bào)警。本系統(tǒng)主要定義了溫度和壓力的超限報(bào)警。
非法操作記錄：系統(tǒng)要求現(xiàn)場(chǎng)工人嚴(yán)格按照工藝及操作規(guī)程進(jìn)行操作，所有違反規(guī)定的事件，比如夜班休息不加煤﹑非法入侵計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等，都會(huì)形成事件記錄。
報(bào)表打印：可對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行日?qǐng)?bào)表定時(shí)打印，可隨時(shí)對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)表打印，也可對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)表打印。
權(quán)限管理：系統(tǒng)根據(jù)需要，賦予相關(guān)人員不同的操作權(quán)限，要求操作者按照自己的姓名登錄。最高權(quán)限為管理員，最低為操作者。
幫助：以簡(jiǎn)單的畫面形式幫助現(xiàn)場(chǎng)工人使用該系統(tǒng)。
4、結(jié)束語(yǔ)
系統(tǒng)安裝使用后，經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的運(yùn)行，證明了整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定﹑可靠﹑安全，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了行業(yè)技術(shù)人員素質(zhì)，延長(zhǎng)了生產(chǎn)線使用壽命，節(jié)約了能源與原材料消耗，提高了企業(yè)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，完全達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了較好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。