基于网络的陶瓷窑炉“用户群”技术支撑平台的初步研究
文/王晓春1 黄之初1 王小明2
【1.黄冈华窑中洲窑炉有限公司 2.武汉理工大学机电工程学院
摘要： 针对国内众多陶瓷窑炉用户对燃烧节能系统及其优化控制技术的需求，以及部分企业窑炉使用维护不方便等问题，提出了以陶瓷窑炉节能及其优化控制系统为基础的，基于网络的面向陶瓷窑炉“用户群”的技术支撑平台，以形成窑炉制造者和用户双方相互交融的技术链，以便实现陶瓷窑炉节能及其优化控制技术的产业化。
关键词: 陶瓷窑炉 用户群 支撑平台 技术链 脉冲燃烧 现场总线
Primary Study of Technology Support Platform
for Ceramic Kiln Client Group Based on Network
Abstract：In domestic ceramics Industry, combustion energy-saving system and optimal control technology are urgently needed by many ceramic kiln users. Besides, in some ceramics enterprises, ceramic kilns are not operated and maintained very efficiently. Therefore, this paper presents technology support platform for ceramic kiln client group based on network on the basis of combustion energy-saving system and optimal control technology so as to establish technology chains between ceramic kiln manufactories and kiln users, and contribute to bring about industrialization of energy-saving system and optimal control technology of ceramic kilns.
Key words: ceramic kiln; client group; support platform; technology chain; pulse combustion; field bus.1.引言
1 我国是一个陶瓷生产大国，陶瓷产品出口在我国对外贸易中占有很大的比重。但是从表1可以看出：与发达国家相比，我国陶瓷生产消耗能源极大。我国在炉型结构、燃烧系统、热能利用、绝热材料、热工检测、环境保护及控制系统方面较落后；尤其在窑炉用户群中，由于技术原因而出现诸多问题，造成能源的浪费、环境污染和产品质量缺陷。所以在陶瓷窑炉中，节能燃烧系统技术及对用户的技术支撑体系的开发研究,对降低单位产品能耗，提高燃料利用率，减少有害气体的排放，降低生产成本，提高产品在国际市场上的竞争力，具有重要的意义。
因此,国家有关部门制定的中长期科技发展规划中,把“熔窑、窑炉长寿化技术和提高熔窑、窑炉热工效率的节能技术”，作为研究开发的关键技术和改造提升传统产业的重点之一。窑炉节能降耗的途径很多，如改革传统窑炉的燃料结构，使用清洁原料，窑炉保温材料轻质化，合理的选择窑炉类型等等，而其中最关键的部分是燃烧节能系统及优化控制技术。本文中,作者力图通过努力建立以陶瓷窑炉节能及其优化控制系统为基础的,基于网络的面向陶瓷窑炉“用户群”的技术支撑信息服务体系,形成窑炉制造者和用户双方相互交融的技术链，实现陶瓷窑炉节能及其优化控制技术的突破,达到降低能耗,减轻环境负荷的目的,同时提高陶瓷窑炉的控制、使用、维护水平,以促进我国经济的可持续增长。
2.用户群技术支撑平台的体系结构
在本方案中，整个用户群技术支撑平台的体系结构框图如图1所示。该平台由上层、中层和下层组成：下层是基于PROFIBUS现场总线的窑炉控制系统；中层是企业的中央控制系统；上层是基于Internet的用户群技术服务中心（提供诊断、决策支持的网络专家系统）。
整个平台采用分层递阶的网络控制方式。分层递阶的网络控制的特点是控制功能按层次分布，每一层从上一层接受命令并向上层反馈信息，向下一层发布命令并接受下一层反馈回来的信息，其中下层的横向协调工作由上级来完成。分层递阶式机构易于模块化、层次分明、易于扩展和维护。
下层即基于PROFIBUS现场总线的窑炉控制系统，该层的主要功能是：车间工控机通过PROFIBUS总线实现对现场的智能仪表和机电设备的控制，并把仪表的检测结果通过总线反馈给车间里的工控机，工控机根据反馈信息和控制量目标的差值，通过调整控制指令达到对现场的智能仪表和机电设备精确控制的目标。另外，该层负责存储现场仪表检测的结果、设备运行状况记录和陶瓷产品质量评价记录；当设备出现故障时系统自动报警，并生成系统运行日志，具有显示打印设备。中层即企业的中央控制系统，通过企业内部局域网向下层发送指令，把系统的运行日志和其他重要信息从下层容量较小的数据存储设备中转存到上层的数据库服务器中作为备份供以后查询。中央控制系统的主服务器通过防火墙后与同在Internet上的上层即用户群技术服务中心实现联系。
上层即基于Internet的用户群技术服务中心，该层的主要由能够给窑炉用户提供咨询、诊断决策支持的专家系统知识库和主服务器组成。当陶瓷窑炉用户遇到企业自身不能及时解决的技术难题时,可以向用户群技术服务中发送请求；通过身份验证后,用户进入用户群技术服务中心,并把相关技术难题或设备故障的信息,还有窑炉的运行日志即相关数据、图像、表格传输到服务中心；服务中心的专家系统处理这些信息后,把其作出的诊断结果和决策建议传送到企业的中央控制室；最后由中央控制室向下级控制单元发布相应的控制命令,从而达到解决技术难题或排除故障的目的。
需要说明的是：图1中，只画出了一个陶瓷窑炉用户，实际上，可以有多个陶瓷窑炉用户（我们称其为“用户群”）同时与服务中心通信，并由服务中心主服务器向用户群提供诊断、决策建议。
3.用户群技术支撑平台的关键技术
3.1.现场总线控制技术
根据国际电工委员会(ＩＥＣ)的标准和现场基金会(ＦＦ)的定义,“现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输多分支结构的通信网络。”或者说，现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。
自80年代末以来，国际上几大知名公司先后推出了几种有影响的现场总线和现场通讯协议，如：HART、CAN、PROFIBUS、FF、LonWorks等，但由于各公司所采用的技术标准不尽相同，没有一个统一标准，这就严重限制了工业控制领域信息化的进程。PROFIBUS是由以西门子公司为主推出的欧洲标准的现场总线，它有着很大的优势，是近年来国内大力推广的一种标准。下面将着重介绍PROFIBUS总线技术。
PROFIBUS是德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线标准，它是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。PROFIBUS可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。它广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他领域自动化。
如图2所示,PROFIBUS 总线通讯模型采用了简化了ISO/OSI模型，只保留了7层模型中的物理层、数据链路层和应用层。物理层负责确定通过物理媒介传输数字信号的形式，包括电缆种类硬件传输方式及供电方式等。数据链路层保证数据的完整性和决定何时与谁对话，并准许两条总线间通信的桥路管理，同时执行差错控制和流量控制。应用层的主要任务是定义现场总线的命令、响应、数据或事件的信息。应用层被划分为两个子层：上面子层是应用服务，为用户提供服务；下面子层是现场总线存取子层，与数据链路层相连。这种体系结构简单，执行协议直观，价格便宜，实时性好。
PROFIBUS由PROFIBUS-DP 、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS三个兼容部分组成。PROFIBUS-DP是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信，使用PROFIBUS-DP可取代24VDC或4-20mA信号传输。它可以用RS-485双绞线、双线电缆或光缆作传输介质，波特率从9.6Kbit/s到12Mbit/s。除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-DP还提供智能化现场设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。PROFIBUS-DP主要应用在本平台的下层即现场控制层。PROFIBUS-PA专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上，其传输技术可确保其本征安全性，而且可通过总线给现场设备供电。PROFIBUS—PA采用PROFIBUS—DP的基本功能来传送测量值和状态，并用扩展的PROFIBUS—DP功能来制订现场设备的参数和进行设备操作。 PROFIBUS—DP也主要用于本平台中的下层即现场控制层。PROFIBUS-FMS用于车间级监控网络（即本平台中的中层），是一个令牌结构、实时多主网络。在车间监控级通信这一层，可编程序控制器（如PLC、PC机等）之间需要比现场层更大量的数据传送，但通信的实时性要求低于现场层。PROFIBUS-FMS应用层提供了包括访问变量、程序传递、事件控制等通信服务。该应用层包括下列两部分：现场总信息规范和低层接口。
在使用现场总线的系统中，工程师在进行控制策略和设备组态的同时，必须要对网络进行组态。由于网络、设备以及控制策略彼此紧密相关，故对于用户而言，最好的方法是能够在单一的集成工程工具（组态软件）中完成所有这些组态。通常，组态软件允许用户在线或离线修改控制策略。网络组态包括链路设备和通信端口分配网络以及设计通信参数。设备组态包括选择设备和执行机构类型、现场仪表类型、连接等。控制组态包括链接和配置功能块。HART设备通常是独立的，不需要直接连入主站级网络，因此通常不进行网络组态。
3.2. 专家系统知识库的建立
专家系统知识库的形成过程如下：组织长期从事工业窑炉热工研究和实践的专家和有丰富现场操作经验的工人师傅，把他们的理论和经验整理、归纳、升华，再会同相关的控制专家和计算机软件工程师建立数据库、控制系统和支持决策的专家系统知识库。此外还可聘请一两名专家作为服务中心的顾问，定期的对专家知识库进行更新完善，以便为陶瓷窑炉用户提供更优质的服务。
专家系统知识库和控制系统的建立过程中可以充分借鉴运用智能控制技术，如人工神经网络和模糊控制技术等。模糊控制器是一种基于专家所组织的模糊控制规则进行控制的,这些规则是专家们对受控过程认识的模糊信息的归纳和控制经验总结。然而,由于陶瓷烧成过程中受控过程的非线性、时变性、随机的干扰及受控对象模型不确定因素等，造成所设计的模糊控制规则不适合或不完整而影响控制的效果。人工神经网络作为一种人脑系统的模拟,具有自学习、自组织、记忆、联想、容错、并行处理等能力,已在控制领域中得到广泛的应用，其中的一些应用可为陶瓷窑炉控制系统设计和完善专家系统知识库的自学习功能提供借鉴。
由于陶瓷窑炉是一个多变量、强耦合、时滞大的复杂系统，要建立科学的符合工程应用现场的专家系统，可以先设计多功能燃烧实验平台，该平台主要采用高温脉冲燃烧技术。通过该实验平台，可以获得各种燃烧条件的实验数据，进行炉内燃烧过程中温度场、压力场的测试、建模和数字仿真，并运用计算机设计合适的喷嘴及选用优质的耐高温材料，以实现窑炉结构、喷嘴布阵、燃料与助燃空气的预处理的协同优化的工程要求。该实验台必须具有如下功能：能够测量或计算燃烧时混合气体化学成份、炉膛压力、温度、喷嘴出口处火焰流速火焰长度、火焰锥角、最佳的空燃比等。根据该实验平台测算出的数据，可以开发适应各种不同燃料烧成的各种型号喷嘴；获得喷嘴布阵的基本规律；建立相应的数据库。其他如自动点火，熄火保护，火焰监测器等部件和装置，只需购国内外已有的高性能产品。该平台的建立能为专家系统知识库的完善、自学习能力的增强提供有力的帮助。
4.结论及展望
本文中的窑炉“用户群”技术支撑平台已在黄冈华窑中洲窑炉有限公司初步建成，并在个别陶瓷窑炉用户中试用，从目前使用情况来看，该平台是成功的，已初步达到提高我国陶瓷窑炉节能及其优化控制技术水平，降低能源消耗、提高陶瓷产品质量和国际竞争力的目标。当然，本文中的窑炉“用户群”技术支撑平台的设计只是一个开端，相信今后会更加完善。
参考文献
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