專利名稱：基于溫度場分析的連續燒結爐組態監控系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及燒結爐的溫度控制系統，具體是一種基于溫度場 分析的連續燒結爐組態監控系統。
背景技術：
傳統的金屬4分末注射成形技術(Metal Injection Molding,簡稱 MIM)工藝釆用脫脂、燒結、冷卻等單一工序，為了提高產品質量，降 低燒結過程中的廢品率，考慮將傳統的單一工序集成為綜合工序，便 誕生了連續燒結爐的概念。
燒結爐主要問題是溫度控制精度不高，這樣在生產過程中難以確 定穩定的生產工藝。而燒結質量主要是由溫度的均勻性和燒結工藝的 穩定性決定的。也就是說，連續燒結爐溫度控制精度的高低直接影響 到產品燒結質量的好壞。燒結爐的加熱過程是典型的多變量、大慣性、 非線性、時變的復雜系統。采用人工調節的方法，完全依賴于操作人 員的實際經驗和個人預測能力，可能造成溫度的較大波動而超出允許 范圍，使燒結質量下降并浪費能源，影響燒結設備的壽命。
因此，采用智能的溫度控制方法代常規的溫度控制方法已成為必
然的發展趨勢。專家控制EC (Expert Control)技術是智能控制的一 個重要部分，它在將人工智能AI (Artificial Intelligence)的理 論和技術同控制理論及方法有機結合的基礎上，在未知環境下模仿專 家的智能，實現對系統的有效控制。將專家控制系統和傳統PID調節 相結合應用于多爐段連續燒結爐溫度場控制系統，在工程實際應用方 面對提高連續燒結爐溫度控制系統的性能，大幅度節約能源具有深遠 的意義。
從國內外相關文獻來看，對于燒結爐溫度控制的研究較少，大部 分是對電阻爐、鍋爐、窯爐等加熱爐溫度控制的研究。大型工業加熱 爐溫度控制，國外已經采用計算機控制，且將各種先進的智能控制方 法應用于溫度控制。特別是模糊控制技術、專家控制技術，在爐溫控 制中取得了良好的控制效果。在大型分布式計算機控制系統中，大多 采用具有各種智能控制算法和通信功能的溫度控制單回路調節器實 現。
實用新型內容
本實用新型的目的就是針對上述技術的不足，通過引入專家控制
技術并和傳統PID調節相結合而提供了一種高精度的對連續燒結爐的 溫度場進行控制的系統，大大提高了連續燒結爐溫度控制系統的性能。
本實用新型是通過如下技術實現的這種基于溫度場分析的連續 燒結爐組態監控系統包括連續燒結爐，連續燒結爐包括脫脂段、低溫 燒結段、高溫燒結段和冷處理段，每個段設置有至少一傳感器和一固 態繼電器，并連接有溫控儀表，溫控儀表通過轉換接口連接信息處理 的上位機，轉換接口可以為RS232/RS485轉換器ZW485C,上位機用于 溫度場分析，可以設置為包括通過ODBC連接的專家控制子系統和組態 監控子系統，其中，
專家控制子系統包括特征識別與信息管理單元、知識庫、推理機 和控制規則集，特征識別與信息管理單元用于將溫控儀表傳輸的信息 進行處理并分別送入知識庫和推理機；知識庫用于存儲連續燒結爐控 制領域的知識，并為推理機提供求解問題所遵循、需要的規則和知識， 根據輸入信息對知識庫中的規則進行修改；推理機從知識庫中搜索求 解到相應的控制規則， 一 方面將專家給出的設定值送到參考控制輸入 端，另一方面將專家指定的動作控制執行器。
組態監控子系統用于實時采集被控區域溫度參數，并實現實時控 制執行機構。可見，下位機采集的溫度參數處理及系統對執行機構的 控制，都要通過連續燒結爐溫度控制系統監控平臺實現。實現連續燒 結爐溫度控制系統監控組態與通信設計，要求既能動態顯示被控區域 的環境狀況，又要方便用戶完成各種監控與管理功能。
優選的，連續燒結爐可以分區如下脫脂段分為3個區，低溫燒 結段分為4個區，高溫燒結段分為3個區，冷卻段作為l個區，共計
11個區，從脫脂段到冷卻段依次定義為第1區、2區.....11區，每
個區對應設置有一傳感器和一固態繼電器。這樣，利用利用上位機內 的熱分析模塊對連續燒結爐的溫度進行模擬分析，對每一區溫度場的 分析都需要考慮氣氛、壓力等環境因素、前區和后區對該區的影響等。
專家控制子系統的底層控制部分仍采用PID控制，專家控制部分作為底層控制的上級機構，根據控制的具體要求，可以對基礎控制過程做 修正和調整，以實現控制系統的目標，在具體的實現過程中，可通過把專 家控制系統嵌入到常規控制中來達到對控制對象的控制。
專家指導的參考控制輸入有低溫燒結段、高溫燒結段各區的溫度測
量值、理論設定值和分析值。控制器的輸出集低溫燒結段、高溫燒結段 各區的溫度參考設定值、故障報警等。
本實用新型提供的基于溫度場分析的連續燒結爐組態監控系統，針對 連續燒結爐溫度控制非線性、大滯后、強耦合的特點，通過溫度場分析、 組態軟件設計等，完成連續燒結爐溫控系統的開發，顯著提高了溫度控制 的精度。可實現溫控誤差有土7。C降低為±2°C,顯著提高了產品燒結質量， 具有良好的經濟效益。

圖1為本發明實施例的連續燒結爐溫度控制系統總體架構；
圖2為本發明實施例中連續燒結爐專家控制系統總體框圖3為連續燒結爐專家控制系統控制流程圖4為專家控制與組態監控的集成框圖5為專家系統數據庫設計視圖6為氣氛爐門開關影響結果數據表(°C );
圖7為前一區對分析區影響結果數據表；
圖8為規則結構定義圖9為專家系統規則庫設計視圖10為專家系統規則庫存儲格式示意圖ll為推理機程序框圖；下面以非限定性的實施例進一 步解釋、說明本技術方案。 一種基于溫度場分析的連續燒結爐組態監控系統，如圖1所示，
包括連續燒結爐，連續燒結爐包括脫脂段、低溫燒結段、高溫燒結段
和冷處理段，連續燒結爐可以分區如下脫脂段分為3個區，低溫燒 結段分為4個區，高溫燒結段分為3個區，冷卻段作為l個區，共計
11個區，從脫脂段到冷卻段依次定義為第1區、2區.....11區，每
個區對應設置有一傳感器和一固態繼電器，并連接有溫控儀表，采用 匯邦XMT624智能儀表，溫控儀表通過轉換接口連接上位機，轉換接口 為RS232/RS485轉換器ZW485C,上位才幾包括通過ODBC連接的專家控制 子系統和組態監控子系統，如圖4所示，專家控制和組態軟件的集成運 行實現了控制網絡與信息網絡、信息網絡與專家控制系統數據庫數據 的鏈接、交換。
如圖2、圖3所示，專家控制子系統包括特征識別與信息管理單 元、知識庫、推理機和控制規則集，特征識別與信息管理單元用于將 溫控儀表傳輸的信息進行處理并分別送入知識庫和推理機；知識庫用 于存儲連續燒結爐控制領域的知識，并為推理機提供求解問題所遵循、 需要的規則和知識，根據輸入信息對知識庫中的規則進行修改；推理 機從知識庫中搜索求解到相應的控制規則， 一方面將專家給出的設定 值送到參考控制輸入端，另一方面將專家指定的動作控制執行器。
組態監控子系統用于實時采集被控區域溫度參數，并實現實時控 制執行機構。可見，下位機釆集的溫度參數處理及系統對執行機構的 控制，都要通過連續燒結爐溫度控制系統監控平臺實現。實現連續燒 結爐溫度控制系統監控組態與通信設計，要求既能動態顯示被控區域 的環境狀況，又要方便用戶完成各種監控與管理功能。
首先實現對于專家控制子系統的構建。根據專家系統在控制系統 中的功能結構，可分為直接型和間接型專家控制系統。本技術方案采 用的是間接型專家控制系統，由知識庫、推理機、控制規則集等部分 組成。專家控制系統的底層控制部分仍采用PID控制，專家控制部分作 為底層控制的上級機構，根據控制的具體要求，可對基礎控制過程作 修正和調整，以實現控制系統的目標。在具體的實現過程中，可通過 把專家控制系統嵌入到常規控制中來達到對控制對象的控制，具體結 構如圖2所示。
專家指導的參考控制輸入有低溫燒結段、高溫燒結段各區的溫 度測量值、理論設定值和分析值。控制器的輸出集低溫燒結段、高 溫燒結段各區的溫度參考設定值、故障報警等。連續燒結爐專家控制 系統具體的控制流程如圖3所示。系統外部輸入信息進入特征識別與信 息管理單元，信息處理后分別送入知識庫與推理機。知識庫根據輸入 信息對知識庫中的則進行修改，推理機從知識庫.中搜索求解到相應 的控制規則， 一方面將專家給出的設定值送到參考控制輸入端。另一 方面將專家指定的動作控制執行器。組態軟件主要任務是 一方面， 它要利用實時數據庫對現場實時數據進行訪問、存儲；另一方面，要 實現與專家控制器的數據鏈接與交換。
然后設計專家系統數據庫。專家系統數據庫，作為知識存儲器， 既用于存儲連續燒結爐控制領域的知識，同時又為推理機提供求解問 題所遵循、所需要的一見則和知識。本系統基于access 2 000進行專家系 統^:據庫的^:計庫，_沒計視圖如圖5所示。此圖是access定義數據庫時 都必須走的一個步驟，"小數點，，代表該數據的小數點后的有效數字 數。
用于存儲各區受氣氛、爐門開關等環境因素影響的數據庫表格， 如圖6所示。
用于存儲前 一 區對分析區溫度場影響的數據庫表格，如圖7所示。 其中AV21為前一區加熱狀態下對分析區溫度場分析值；AV22為前一區 停止加熱時該區溫度場分一/H直。
然后建立專家系統規則庫。為保證專家控制系統的可靠性、普適 性，必須建立一定規模的、良好的控制規則集合。為此，將獲取到的 知識和數據進行了較為細致的分析與處理
(1)低溫燒結區域的溫度控制。低溫燒結段由4個區組成，'從爐 門開始依次是低溫燒結4區、低溫燒結5區、低溫燒結6區、低溫燒結7 區。4個區分別布置了四個熱電偶，4區的熱電偶布置在靠近爐門的三 分之一處，5區、6區、7區的熱電偶布置在該區的中間位置。針對低溫 燒結段主要是分析爐門開關對溫度場的影響以及各區之間溫度場的相 互影響。熱電偶檢測到的溫度值只是該點的溫度值，從分析溫度場的分布來看，熱電偶檢測到的溫度值和實際的溫度值有一定的差別，因 此就造成了控制溫度精度的降低。
(2)高溫燒結區域的控制。高溫燒結段由3個區組成。從和低溫
燒結段連接的地方開始依次是8區、9區和10區。其中9區的溫度最高。 針對高溫燒結段主要是分析氣體因素對連續燒結爐溫度場的影響以及 各區之間的相互影響。<formula>formula see original document page 8</formula> i代 表燒結段的7個測量點，j代表3種分析情況。例如&'-M^-wg,表示
測量的第4區在第一種因素影響下的誤差。第一區只受到兩種因素的影 響， 一個是爐門開關對其的影響， 一個是后一區對其的影響，后一區 又分為加熱時和不加熱時兩種情況，所以誤差有&', ￡化，￡ 2。第IO 區也只受到兩種情況的影響， 一種是氣體因素的影響， 一種是前一區 對其溫度的影響，前一區.又分為加熱時和不加熱時兩種情況，所以誤
e01 ， e圃， 五1022 。
根據上述分析，將連續燒結爐專家控制系統的控制規則集合化分 為7個規則子集，即燒結段7個區各自的控制規則。各子集之間不是相 互孤立而是密切關聯、相互協調的。連續燒結爐專家控制系統規則集 合采用IF "條件"THEN "結論"的方式，和IF (事實l ),(事實2 )…… (事實n) THEN (事實l ),(事實2 )……(事實n)的方式表達。
比如，低溫燒結段第5區控制規則如下 '
頭見貝'J1.: IF (￡m >￡52l >￡ 20R￡" >￡"2 >￡52') AND
(￡5i > ￡531 > ￡532 OR ￡51 > ￡532 > ￡531 )
THEN (繼續加熱)；
頭見貝寸2: IF ￡5, <五522 <s521 AND (< A32 <￡51 OR ￡s32 <五531 <^5i)
THENWK"^ (繼續加熱)； 規則3: IF <￡52l <￡522 AND ("""," OR ￡" < ￡53l < )
T廳w"F 2 (繼續力口熱)； 頭見貝寸4: IF (五521 <s522 OR ￡522 <五521 <￡51) AND 五51 <五532 <五531
THENwk = #531 (停止加熱)； ^見則5: IF (五a <e522 < OR AND
THEN尺^二力^2 ( j亭止力口^i );
產生式規則由規則號、規則條件和規則結論構成，從面向對象方 法角度可將每條規則視作 一 個規則對象。為便于知識的組織和應用， 規則結構定義如圖8所示，專家系統規則庫設計視圖如圖9所示，存儲格式如圖10所示。
然后進行推理機設計。可以采用正向推理方式，以知識庫為根據， 推理過程如圖11 ,推理結果將作為專家控制系統的輸出。
步驟14(U,判斷是否產生新事實。
如果沒有產生新事實，則程序結束；如果有，則進入步驟1402, 調用規則匹配過程。
步驟1403,如果n-(),則程序結束；若n>0，則判斷激活規則數。
如果n-l,則進入步驟1406;如果n〉1,則進入步驟1405..
步驟1405,沖突消解選擇一條可用規則。
進入步驟1406,判斷是否有同樣的事實。
如果有，則開始下一循環；如果沒有，則進入步驟1407.
1407,更新數據庫，然后進入下一循環。
然后需要實現溫度系統組態監控。為了更為直觀的得至!j低溫燒結 段、高溫燒結段各區的動態溫度值，在Visual 0++環境下設計了連續 燒結爐溫控系統的組態監控界面。
監控組態界面實現的功能①顯示功能動態顯示各區溫度測量值 和設定值，通過該功能，用戶可以全面把握連續燒結爐溫度場情況。 ②切換功能能夠實現動態顯示各區的測量值、設定值、理論分析值設 定界面的切換。點擊切換按鈕進入系列參數設定總界面，點擊Input SV 按鈕進入燒結溫度SV設定界面，可進行各區SV值的設定。
XMT624溫控儀表通訊接口為RS485接口 ，通過RS2 32/ RS485轉換器 ZW485C，與上位機互聯。本技術方案釆取半雙工方式，上位機定時發 送讀取命令，不斷讀取下位機所檢測到的溫度信號，并由專家系統迅 速作出決策，對下位機發送參數修改或設置命令，以控制加熱元件的 工作狀態。
下面利用上位機對連續燒結爐預熱段和高溫燒結段溫度場進行模 擬分析，對每一區溫度場的分析都需要考慮氣氛、壓力等環境因素、 前區、后區對該區的影響。
首先考慮環境因素影響下的溫度分析。為避免坯體燒.結中 的氧化，同時便于爐膛內廢氣排出，燒結段需通入工藝氣體。 氣體由高.溫燒結段注入，流動方向與料舟運行反向，溫度場分 析時需要考慮在內。高溫段8區、9區、IO區的溫度設定值分 別是1 05 0 。C、 1 2 5 0 °C、 1 2 2 0 °C,從分析結果可以看出三區溫度分別變為1049。C、 1247 °C、 1214°C,和設定值分別相差rC、 rC和6 。C。低溫段4區、5區、6區、7區的溫度設定值分別是400。C 、 430°C、 480°C、 680°C, /人分析結果可以看出四個區的溫度分別變為395. 72 °C、 427.03°C、 478.5°C、 678.63°C。溫度差分別是4. 28 °C 、 2.97°C、 2.5 匸、1.37°C。可以看出爐門開關對4區的溫度影響最大，這是因為4區 靠近爐門，對7區的影響最小。因此爐門的開關對高溫段的影響可以忽
略o
然后考慮前一區對分析區影響下的溫度場分析。燒結段各區溫度 場存在強耦合，需要進行深入的分析。首先分析前一區對分析區的影 響，又分為前一區停止加熱、前一區加熱過程中對該區溫度場的影響。
以低溫段的6區為例分析前一區，即第5區加熱、不加熱兩種情況下對6 區溫度的影響。5區加熱狀態下對6區的影響。6區溫度是478. 42 °C,和 設定值相差1.58。C。
5區不加熱情況下，6區溫度分析值為476. 86 °C , 與理-淪值相差3. 14°C 。由此可以看出5區在加熱時比不加熱時對6區的 溫度影響小。
再考慮后 一 區對分析區影響下的溫度場分析。后 一 區對分析區溫 度場的影響，同樣也是分兩種情況， 一個是后一區加熱、不加辨兩種 狀態下對所分析區的影響。同樣以第6區為分析對象，7區加熱狀態下， 對6區溫度場的影響，6區溫度分析值為482. 82 °C ,比設定值高出2.82 。C。 7區不加熱時，對6區溫度場的影響，分析結果6區的溫度為481. 86 °C,與設定值的差是l. 86°C。
按照以上通過以上對各區溫度場的分析，為專家系統的構建提供 了依據。
權利要求1.一種基于溫度場分析的連續燒結爐組態監控系統，包括連續燒結爐，連續燒結爐包括脫脂段、低溫燒結段、高溫燒結段和冷處理段，其特征在于每個段設置有至少一傳感器和一固態繼電器，并連接有溫控儀表，溫控儀表通過轉換接口連接處理信息的上位機，上位機包括通過ODBC連接的專家控制子系統和組態監控子系統。
2. 根據權利要求1所述的基于溫度場分析的連續燒結爐組態監控 系統，其特征在于所述轉換接口為RS232/ RS485轉換器。
3. 根據權利要求1所述的基于溫度場分析的連續燒結爐組態監 控系統，其特征在于脫脂段分為3個區，低溫燒結段分為4個區， 高溫燒結段分為3個區，冷卻段作為l個區，每個區對應設置有一傳 感器和一固態繼電器。
專利摘要本實用新型涉及燒結爐的溫度控制系統，具體是一種基于溫度場分析的連續燒結爐組態監控系統。一種基于溫度場分析的連續燒結爐組態監控系統，包括連續燒結爐，連續燒結爐包括脫脂段、低溫燒結段、高溫燒結段和冷處理段，每個段設置有至少一傳感器和一固態繼電器，并連接有溫控儀表，溫控儀表通過轉換接口連接上位機，上位機包括通過ODBC連接的專家控制子系統和組態監控子系統。本實用新型提供的基于溫度場分析的連續燒結爐組態監控系統，針對連續燒結爐溫度控制非線性、大滯后、強耦合的特點，通過溫度場分析、組態軟件設計等，完成連續燒結爐溫控系統的開發，顯著提高了溫度控制的精度。
文檔編號G05B13/02GK201344735SQ20082017376
公開日2009年11月11日 申請日期2008年10月16日 優先權日2008年10月16日
發明者曹樹坤 申請人:濟南大學