基于泓格I-7000模块的玻璃制品生产线模糊控制系统

1、引言 唐山玻璃集团某玻璃制品生产线主要由煤气站﹑熔窑﹑退火窑三个子系统组成。煤气站子系统中，以煤为原料，以蒸汽为气化剂，在煤气发生炉中进行化学反应，产生煤气。熔窑子系统利用煤气站产生的煤气，与空气混合后，在熔窑内进行充分燃烧，将玻璃原料加热融化，产生的玻璃原液经供料道送至玻璃制品机，进行玻璃制品半成品的生产。退火窑子系统则实现半成品的高温烧成去应力和冷。 由于历史原因，整条生产线的自动控制水平比较低，基本上由现场工人根据仪表显示进行手动操作，以实现加气﹑送风﹑温度调节和窑压调节等功能。手动控制不仅效果差﹑原材料能源浪费大，而且经常由于三个子系统之间不能协调工作而出现停窑等生产事故，因此实现生产线的自动控制显得尤为重要。 整条生产线检测控制点多﹑现场环境恶劣﹑物理距离远，并且要求控制系统可靠性高﹑安全性好﹑维修简单﹑价格低廉。经过仔细考察比较，系统最终选用了I-7000系列远程数据采集模块，在此基础上设计实现了生产线的监测控制系统。 2、系统的硬件结构 根据生产线的实际情况，结合当前工业控制技术的发展方向，控制系统采用了工业控制计算机与分布式I/O模块相结合的方式。上位机采用了RACK600工业控制计算机。考虑I-7000模块种类多﹑可靠性高﹑抗干扰能力强﹑价格低廉等，系统采用了I-7000模块作为分布式I/O模块。为确保生产线的安全可靠，系统采用了上位机双机冗余的方式，主机和从机可自动无扰切换。在系统检修或故障时，可通过转换开关，将系统切换为原手动控制，保证了生产过程的可靠性。 系统硬件物理上可分为两部分：一部分放置在煤气站控制室，负责煤气站子系统的信号采集与输出，其余部分（包括上位机）放置在熔窑控制室（作为中央控制室），负责熔窑和退火窑子系统的信号采集和输出。所有信号经RS485网络汇总到上位机，以实现整条生产线的监测与控制，具体描述如下。 2．1煤气站子系统 煤气站子系统有8路4-20ma压力输入信号﹑4路温度输入信号﹑4路开关量报警输出信号﹑3路4-20ma电流输出信号，采用I-7017﹑7018﹑7042﹑7024模块各一块。 I-7017为8信道仿真量输入模块，最大输入量程为±10V。在7017的每一通道并联一250Ω3　的精密电阻，可将8路4-20ma电流信号转化为1-5V电压信号，作为现场压力信号，送入控制系统。 I-7018为8路热电偶输入模块，可直接采集热电偶信号。煤气站的4路温度信号均为K型，共享一块7018。 I-7042为13路隔离型集电极开路输出模块，配合RM104功率继电器板可实现继电器输出功能。系统设有一次风压﹑煤气温度等超限报警。报警时，7042控制RM104驱动现场的24V报警指示灯亮，同时报警电铃。 I-7024为4信道仿真输出模块，可输出标准的电压和电流信号。煤气站的一次风机采用变频器控制，2路蒸汽采用电动调节阀控制，3路控制信号均为4-20ma标准电流信号，共享一块7024。 2．2熔窑子系统 熔窑子系统有16路温度输入信号﹑6路数字输入信号﹑3路4-20ma压力输入信号﹑4路继电器输出信号﹑2路4-20ma电流输出信号﹑1路0-1V液位输入信号。共享4块I-7018﹑1块7024﹑1块7042﹑1块7052和1块7017。 16路温度信号有6路K型热电偶，4路S型热电偶，4路J型热电偶和两路S型热电偶，分别用4块7018实现温度信号的采集。 4路压力信号为4-20ma标准电流信号，经250Ω精密电阻转换为1-5V电压信号，由7017实现压力信号的采集。7017模块同时完成液位信号的采集。 4路继电器输出信号为空气和煤气换向输出信号，由I-7042驱动RM104完成。 I-7050为7路数字输入模块。现场的6路换向到位信号经继电器隔离后，转换为干接信号，由7050实现换向到位信号采集。 二次风机采用变频器控制，控制信号为4-20ma电流信号，烟囱吸力调节控制信号也是4-20ma电流信号，2路信号输出由一块7024来实现。 2．3退火窑子系统 退火窑为单独的子系统，根据厂家要求，暂不做控制。 3、系统的软件原理 系统上位机采用Windows NT 4.0 作为操作系统，Intellution公司的FIX软件作为工业测控软件平台，Visual C 5.0和Visual Basic 5.0作为编程语言。在控制算法上，采用了软嵌入式自学习多变量模糊控制器（MF控制器）。 3．1系统控制原理  煤气站到熔窑，系统最终的控制目标是：熔窑温度TR保持在1500±5℃，窑压PR保持在15±1Pa。，熔窑温度TR通过调节煤气站的煤气出口压力PM来实现，同时TR受PR的影。PM是通过调节煤气发生的风量来实现控制的，而风量的变化，必然会引起煤气站混合气温度的变化。为保证煤气发生中的化学反应充分，混合气温度必须稳定在60±1℃，因此又必须对一次风和蒸汽进行控制。窑压PR除受上述因素影以外，还受烟囱吸力的影响。可见，系统是一个串级多变量非线形大惯性系统。 为解此复杂的控制，系统核心采用了软嵌入式自学习多变量模糊控制器。此控制器是在国家自然科学基金的支持下，融合了模糊进化神经网络﹑智能建模﹑模糊穴映射等智能控制技术而形成的，并且在陶瓷行业中得到了大量应用。将其应用于此控制系统，实践证明也是成功的。 3．2系统软件功能 根据玻璃制品生产线的实际情况，结合工厂的要求，系统主要设计并实现以下功能： 关键的温度和压力控制：在煤气站子系统中，通过控制一次风和蒸汽，实现了混合气温度稳定(60±1℃)，煤气出口压力满足了熔窑子系统燃烧的需要。在熔窑子系统中，实现了熔窑温度（1500±5℃）和窑压（15±1Pa）的稳定控制。 生产线概貌显示：概貌图是现场工人操作的主要界面，实现了全部数据的实时监测与报警，并可直接进行工艺参数的设定等。 实时数据曲线显示：实时趋势图将有关的数据以曲线和数据形式进行实时动态显示，并支持实时打印功能。 历史数据显示：可根据实际需要，以曲线或数据形式，显示过去几个月的关键历史数据，时间可精确到秒级。 手动/自动切换：系统提供了手动/自动转换软开关，可在上位机上实现计算机全自动控制或现场工人利用计算机实现半自动控制。 煤气和空气的换向：可根据时间和温差实现全自动换向，也可在特殊情下实现半自动或全手动换向。 事件报警：根据现场要求可事先定义报警事件，当满足条件时，系统将事件记录下来，同时发出光报警。本系统主要定义了温度和压力的超限报警。 非法操作记录：系统要求现场工人严格按照工艺及操作规程进行操作，所有违反规定的事件，比如夜班休息不加煤﹑非法入侵计算机系统等，都会形成事件记录。 报表打印：可对所有数据进行日报表定时打印，可随时对当前数据进行报表打印，也可对历史数据进行报表打印。 权限管理：系统根据需要，赋予相关人员不同的操作权限，要求操作者按照自己的姓名登录。最高权限为管理员，最低为操作者。 帮助：以简单的画面形式帮助现场工人使用该系统。 4、结束语 系统安装使用后，经过几个月的运行，证明了整个系统工作稳定﹑可靠﹑安全，降低了工人劳动强度，提高了行业技术人员素质，延长了生产线使用寿命，节约了能源与原材料消耗，提高了企业产品的竞争力，完全达到了预期的设计目标，实现了较好的经济效益与社会效益。