基于專家系統(tǒng)的加熱爐自動(dòng)化智能控制系統(tǒng)研究

崔 喬

(陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 陜西 西安 710300)

加熱爐作為冶鐵過(guò)程中的重要耗能設(shè)備,在生產(chǎn)過(guò)程中能耗極大,而加熱爐溫度控制是影響加熱爐能耗以及熱處理效率的重要影響因素。傳統(tǒng)的冶鐵加熱爐多使用PID進(jìn)行爐溫控制,但由于加熱爐的溫度變化存在明顯的滯后以及非線性的特點(diǎn),在升溫加熱的過(guò)程中容易出現(xiàn)超調(diào)等問(wèn)題,極大地影響加熱物料的質(zhì)量。因此,為了使得加熱爐能夠在滿足工藝要求下平穩(wěn)運(yùn)行,本文提出一種加熱爐的自動(dòng)化智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 加熱爐工藝流程

以步進(jìn)式加熱爐為例,步進(jìn)式加熱爐是一種采用步進(jìn)電機(jī)控制載具進(jìn)行離線加熱的加熱設(shè)備,可適用于對(duì)金屬、塑料、陶瓷、玻璃、化工原料等進(jìn)行涂裝、固化、焙燒、退火、干燥等工藝的專用設(shè)備[1]。具有溫度均勻、加熱速度快、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于電子、汽車、新材料、涂料等行業(yè)。步進(jìn)式加熱爐包括入爐輥道、出料懸掛輥道、裝料懸掛輥道、上料臺(tái)架、步進(jìn)梁、爐門以及緩沖擋板構(gòu)成,如圖1所示。

圖1 步進(jìn)式加熱爐工藝流程簡(jiǎn)圖

如圖1所示,由物料裝載人員將所需加熱的物料放置在上料臺(tái)架,物料經(jīng)由步進(jìn)電機(jī)控制的入爐輥道進(jìn)入加熱爐。上料臺(tái)末端的緩沖擋板調(diào)整物料位置,確保其平鋪放置。物料進(jìn)入爐門后經(jīng)步進(jìn)梁傳送,直至到預(yù)定溫度后轉(zhuǎn)至出料懸掛輥道[2]。在物料入爐前,加熱爐開(kāi)始預(yù)熱,達(dá)到預(yù)設(shè)溫度后,加熱爐進(jìn)入恒溫狀態(tài),自動(dòng)控制溫度,保持溫度穩(wěn)定。物品在爐內(nèi)進(jìn)行加熱處理,持續(xù)一定時(shí)間后,加熱爐自動(dòng)停止加熱并出爐。輥道上的物品進(jìn)行自然冷卻,待物品溫度下降到適宜溫度后,卸載物品,完成加熱處理過(guò)程[3]。

2 加熱爐系統(tǒng)控制問(wèn)題分析

加熱爐在正常運(yùn)行的過(guò)程中容易受到內(nèi)外多因素的影響,從而出現(xiàn)溫度波動(dòng),影響物料的加熱質(zhì)量和效率。綜合分析加熱爐在進(jìn)行溫度控制時(shí)可能存在以下幾個(gè)問(wèn)題:

(1)控制精度低:加熱爐的溫度控制精度受多種因素影響,如爐內(nèi)溫度分布不均、傳感器位置不當(dāng)、控制系統(tǒng)響應(yīng)遲緩等,因此存在一定的誤差[4]。

(2)響應(yīng)時(shí)間慢:加熱爐的溫度控制有一定的慣性,需要一定的時(shí)間才能調(diào)整到所需的溫度,使得溫度波動(dòng)較大,影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

(3)控制系統(tǒng)不穩(wěn)定:加熱爐溫度控制采用的控制算法不合理,或參數(shù)設(shè)置不當(dāng),可能導(dǎo)致控制系統(tǒng)不穩(wěn)定,出現(xiàn)溫度振蕩或振蕩幅度較大的情況[5]。

(4)溫度梯度較大:加熱爐內(nèi)部溫度分布不均勻,可能會(huì)導(dǎo)致溫度梯度較大,對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)造成不良影響。因此需要合理布局爐內(nèi)加熱器和傳感器,優(yōu)化溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),縮小溫度梯度。

(5)故障頻繁:由于加熱爐在工作過(guò)程中經(jīng)受高溫、高壓等極端環(huán)境,易受到熱膨脹、冷縮、彎曲、燃?xì)庑孤┑纫蛩赜绊?導(dǎo)致設(shè)備頻繁損壞,降低生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的質(zhì)量[6]。因此需要加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)、檢查和消除隱患,提高設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。

3 加熱爐自動(dòng)化智能控制功能實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)化、智能化制造作為我國(guó)工業(yè)轉(zhuǎn)型的重要方向,也是推動(dòng)我國(guó)加熱爐智能燃燒系統(tǒng)構(gòu)建的重要手段?；趥鹘y(tǒng)加熱爐控制存在的問(wèn)題分析,加熱爐實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化智能控制需要具有以下功能:

(1)溫度自動(dòng)控制:加熱爐溫度的自動(dòng)控制是該設(shè)備的核心功能。需要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的溫度檢測(cè)和相應(yīng)的控制調(diào)節(jié)措施,使加熱爐在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)自動(dòng)調(diào)整溫度,防止過(guò)熱或過(guò)冷[7-8]。

(2)溫度曲線顯示:加熱爐工作時(shí)產(chǎn)生的溫度變化可以通過(guò)曲線圖形方式進(jìn)行顯示,以便操作人員可以更直觀地了解溫度變化趨勢(shì)[9]。

(3)溫度時(shí)間記錄:需要對(duì)加熱爐工作時(shí)的溫度變化進(jìn)行記錄,以便后續(xù)分析和控制。

(4)溫度故障報(bào)警:加熱爐在使用過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)溫度異?；蚬收?需要實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的報(bào)警功能,通知操作人員及時(shí)處理[10]。

(5)加熱功率控制:根據(jù)加熱爐工作的具體需求,需要控制加熱功率,保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

(6)氣流控制:一些加熱爐需要通過(guò)調(diào)整氣流來(lái)達(dá)到溫度控制的目的,需要實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的氣流控制功能。

(7) 實(shí)時(shí)監(jiān)控:通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控加熱爐的工作狀態(tài),可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并進(jìn)行處理,確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

(8)遠(yuǎn)程控制:可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制,方便進(jìn)行設(shè)備的遠(yuǎn)程管理。

4 加熱爐自動(dòng)化智能控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

4.1 專家控制系統(tǒng)理論基礎(chǔ)

專家控制系統(tǒng)是一種基于人工智能技術(shù)的計(jì)算機(jī)程序,可以模擬人類專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的自動(dòng)控制和優(yōu)化管理。專家控制系統(tǒng)包含模糊邏輯控制,受到知識(shí)庫(kù)驅(qū)動(dòng),是現(xiàn)階段人工智能領(lǐng)域最為重要的研究成果之一[11]。專家控制系統(tǒng)邏輯如圖2所示。

圖2 專家控制系統(tǒng)邏輯組成

專家控制系統(tǒng)能夠從不完整的信息中篩選出可靠的信息模擬解決方案。其具有如下特點(diǎn):首先專家控制系統(tǒng)具備強(qiáng)大的知識(shí)庫(kù),可以存儲(chǔ)大量的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn),通過(guò)學(xué)習(xí)和迭代不斷更新以適應(yīng)新的情況[12]。其次專家控制系統(tǒng)采用推理機(jī)來(lái)處理知識(shí),可以進(jìn)行邏輯推理和決策,對(duì)系統(tǒng)的復(fù)雜性和不確定性進(jìn)行分析和處理,具備自適應(yīng)性,能夠根據(jù)環(huán)境的變化和輸入信息的不同,進(jìn)行自我調(diào)整和優(yōu)化。最后專家控制系統(tǒng)可以通過(guò)學(xué)習(xí)和自主訓(xùn)練提高自己的能力,逐漸實(shí)現(xiàn)自主決策和控制。

4.2 加熱爐自動(dòng)化智能控制流程內(nèi)容

1)燃燒控制

在加熱爐的燃燒過(guò)程中,燃?xì)獾墓┙o量和燃燒效率是關(guān)鍵因素。通過(guò)安裝智能化燃?xì)饪刂破?監(jiān)測(cè)燃?xì)獾牧髁?調(diào)整供氣量,實(shí)現(xiàn)燃料的最佳利用,提高熱效率?？諝獾臏囟群土髁恳矔?huì)影響燃燒效率和工作溫度。通過(guò)安裝空氣預(yù)熱系統(tǒng)和智能化控制器,調(diào)整空氣的流量和溫度,提高燃燒效率和工作溫度[13]。同時(shí)為達(dá)到環(huán)保要求,對(duì)燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣通過(guò)再循環(huán)回收,提高能源的利用效率,降低煙氣排放的濃度和污染物質(zhì)量濃度。

2)爐溫控制

加熱爐的溫度在變化的過(guò)程中存在非線性的特點(diǎn),因此需要對(duì)每段爐溫采取獨(dú)立控制方法,制定連續(xù)性的獨(dú)立控制手段,將溫度控制器作為主設(shè)備,設(shè)定煤氣流量控制值,通過(guò)反向作用的方式保證燃料的合理燃燒[14]。通過(guò)比例計(jì)算方式,將加熱爐內(nèi)的空氣流量與燃料流量進(jìn)行合理配比,保證加熱爐熱效率最優(yōu)。合理配比加熱爐內(nèi)氣體流量的方式更具動(dòng)態(tài)性,能夠克服傳統(tǒng)控制系統(tǒng)存在的靜態(tài)干擾問(wèn)題,提升爐溫控制效果,避免出現(xiàn)爐溫的急劇變化情況。

4.3 基于專家系統(tǒng)的加熱爐自動(dòng)化智能控制實(shí)現(xiàn)

1)設(shè)計(jì)步驟

在加熱爐智能控制系統(tǒng)中,專家系統(tǒng)可以運(yùn)用領(lǐng)域知識(shí),通過(guò)對(duì)加熱過(guò)程中溫度、濕度、壓力等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析,自動(dòng)調(diào)整加熱爐的加熱功率和加熱時(shí)間,使其達(dá)到最佳工藝條件,提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。加熱爐智能控制系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)步驟如下:首先確定加熱爐的工藝參數(shù),包括加熱時(shí)間、溫度、濕度、壓力等參數(shù),并建立專家知識(shí)庫(kù)。其次采集加熱爐的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),通過(guò)人工智能技術(shù)將這些數(shù)據(jù)處理成決策所需的格式。利用專家系統(tǒng)的推理機(jī)制,將加熱爐的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)輸入到專家知識(shí)庫(kù)中,通過(guò)規(guī)則匹配和推理,確定加熱爐的最佳加熱時(shí)間、功率等控制策略。最后將控制策略輸入到加熱爐控制系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制[15]。

2)系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)建

以專家系統(tǒng)為基礎(chǔ)的加熱爐智能化控制系統(tǒng)采取C語(yǔ)言進(jìn)行編寫,基礎(chǔ)控制系統(tǒng)為西門子PLC上位機(jī)軟件、Oracle 11g數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)軟件與數(shù)據(jù)庫(kù)的交互實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集和分析執(zhí)行。系統(tǒng)初始化后自動(dòng)從歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取有關(guān)物料加工的升溫目標(biāo),并計(jì)算加熱爐溫度場(chǎng)模型中的實(shí)際物料溫度,根據(jù)溫度差生成模糊處理語(yǔ)言值并進(jìn)行調(diào)整,直至目標(biāo)溫度與物料溫度正常停止工作。

系統(tǒng)軟件平臺(tái)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 加熱爐智能控制系統(tǒng)軟件功能架構(gòu)

(1)主控界面:主控界面顯示加熱爐的整體控制信息,包括加熱爐的物料型號(hào)、加熱時(shí)間、溫度變化情況、爐內(nèi)壓力、煤氣(空氣)流量等數(shù)據(jù),便于控制人員清楚監(jiān)測(cè)加熱爐的生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)。

(2)爐溫狀態(tài)監(jiān)測(cè):實(shí)時(shí)顯示并刷新加熱爐的實(shí)際溫度變化值,監(jiān)測(cè)爐溫相關(guān)的數(shù)值信息,將爐溫歷史變化信息采用統(tǒng)計(jì)表或者折線圖的方式直觀展示,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行效果。

(3)生產(chǎn)管理:賦予操作人員在軟件系統(tǒng)中預(yù)先錄入相關(guān)生產(chǎn)計(jì)劃以及所需加熱物料的類型(直徑、長(zhǎng)度)等具體信息,方便在后續(xù)使用過(guò)程中直接調(diào)取并進(jìn)行物料跟蹤監(jiān)測(cè)。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述,在工業(yè)化、智能化背景下,加熱爐智能控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化控制,避免由于人為操作不當(dāng)所導(dǎo)致的誤差和事故,同時(shí)能夠通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整,保證生產(chǎn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性。此外,智能控制系統(tǒng)還可以降低勞動(dòng)力成本,提高生產(chǎn)效率,加快生產(chǎn)周期,使生產(chǎn)過(guò)程更加精確和高效。