CN101382389A - 基于温度场分析的多炉段组态监控*** - Google Patents

基于温度场分析的多炉段组态监控*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及烧结炉的温度控制***，具体是一种基于温度场分析的多炉段组态监控***。一种基于温度场分析的多炉段组态监控***，包括连续烧结炉，连续烧结炉包括脱脂段、低温烧结段、高温烧结段和冷处理段，每个段设置有至少一传感器和一固态继电器，并连接有温控仪表，温控仪表通过转换接口连接上位机，上位机包括通过ODBC连接的专家控制子***和组态监控子***。本发明提供的基于温度场分析的多炉段组态监控***，针对连续烧结炉温度控制非线性、大滞后、强耦合的特点，通过温度场分析、组态软件设计等，完成连续烧结炉温控***的开发，显著提高了温度控制的精度。

Description

基于温度场分析的多炉段组态监控***
技术领域
本发明涉及烧结炉的温度控制***，具体是一种基于温度场分析的多炉段组态监控***。
背景技术
传统的金属粉末注射成形技术(Metal Injection Molding，简称MIM)工艺采用脱脂、烧结、冷却等单一工序，为了提高产品质量，降低烧结过程中的废品率，考虑将传统的单一工序集成为综合工序，便诞生了连续烧结炉的概念。
烧结炉主要问题是温度控制精度不高，这样在生产过程中难以确定稳定的生产工艺。而烧结质量主要是由温度的均匀性和烧结工艺的稳定性决定的。也就是说，连续烧结炉温度控制精度的高低直接影响到产品烧结质量的好坏。烧结炉的加热过程是典型的多变量、大惯性、非线性、时变的复杂***。采用人工调节的方法，完全依赖于操作人员的实际经验和个人预测能力，可能造成温度的较大波动而超出允许范围，使烧结质量下降并浪费能源，影响烧结设备的寿命。
因此，采用智能的温度控制方法代常规的温度控制方法已成为必然的发展趋势。专家控制EC(Expert Control)技术是智能控制的一个重要部分，它在将人工智能AI(Artificial Intelligence)的理论和技术同控制理论及方法有机结合的基础上，在未知环境下模仿专家的智能，实现对***的有效控制。将专家控制***和传统PID调节相结合应用于多炉段连续烧结炉温度场控制***，在工程实际应用方面对提高连续烧结炉温度控制***的性能，大幅度节约能源具有深远的意义。
从国内外相关文献来看，对于烧结炉温度控制的研究较少，大部分是对电阻炉、锅炉、窑炉等加热炉温度控制的研究。大型工业加热炉温度控制，国外已经采用计算机控制，且将各种先进的智能控制方法应用于温度控制。特别是模糊控制技术、专家控制技术，在炉温控制中取得了良好的控制效果。在大型分布式计算机控制***中，大多采用具有各种智能控制算法和通信功能的温度控制单回路调节器实现。
发明内容
本发明的目的就是针对上述技术的不足，通过引入专家控制技术并和传统PID调节相结合而提供了一种高精度的对连续烧结炉的温度场进行控制的***，大大提高了连续烧结炉温度控制***的性能。
本发明是通过如下技术实现的：这种基于温度场分析的多炉段组态监控***包括连续烧结炉，连续烧结炉包括脱脂段、低温烧结段、高温烧结段和冷处理段，每个段设置有至少一传感器和一固态继电器，并连接有温控仪表，温控仪表通过转换接口连接上位机，转换接口可以为RS232/RS485转换器ZW485C，上位机包括通过ODBC连接的专家控制子***和组态监控子***，其中，
专家控制子***包括特征识别与信息管理单元、知识库、推理机和控制规则集，特征识别与信息管理单元用于将温控仪表传输的信息进行处理并分别送入知识库和推理机；知识库用于存储连续烧结炉控制领域的知识，并为推理机提供求解问题所遵循、需要的规则和知识，根据输入信息对知识库中的规则进行修改；推理机从知识库中搜索求解到相应的控制规则，一方面将专家给出的设定值送到参考控制输入端，另一方面将专家指定的动作控制执行器。
组态监控子***用于实时采集被控区域温度参数，并实现实时控制执行机构。可见，下位机采集的温度参数处理及***对执行机构的控制，都要通过连续烧结炉温度控制***监控平台实现。实现连续烧结炉温度控制***监控组态与通信设计，要求既能动态显示被控区域的环境状况，又要方便用户完成各种监控与管理功能。
优选的，连续烧结炉可以分区如下：脱脂段分为3个区，低温烧结段分为4个区，高温烧结段分为3个区，冷却段作为1个区，共计11个区，从脱脂段到冷却段依次定义为第1区、2区、...、11区，每个区对应设置有一传感器和一固态继电器。这样，利用利用上位机内的热分析模块对连续烧结炉的温度进行模拟分析，对每一区温度场的分析都需要考虑气氛、压力等环境因素、前区和后区对该区的影响等。
专家控制子***的底层控制部分仍采用PID控制，专家控制部分作为底层控制的上级机构，根据控制的具体要求，可以对基础控制过程做修正和调整，以实现控制***的目标，在具体的实现过程中，可通过把专家控制***嵌入到常规控制中来达到对控制对象的控制。
专家指导的参考控制输入有：低温烧结段、高温烧结段各区的温度测量值、理论设定值和分析值。控制器的输出集：低温烧结段、高温烧结段各区的温度参考设定值、故障报警等。
本发明提供的基于温度场分析的多炉段组态监控***，针对连续烧结炉温度控制非线性、大滞后、强耦合的特点，通过温度场分析、组态软件设计等，完成连续烧结炉温控***的开发，显著提高了温度控制的精度。可实现温控误差有±7℃降低为±2℃，显著提高了产品烧结质量，具有良好的经济效益。
附图说明
图1为本发明实施例的连续烧结炉温度控制***总体架构；
图2为本发明实施例中连续烧结炉专家控制***总体框图；
图3为连续烧结炉专家控制***控制流程图；
图4为专家控制与组态监控的集成框图；
图5为烧结段温度场分布示意图(气体、炉门因素)，
其中，a为高温段温度场分布，b为低温段温度场分布；
图6为低温段5区对6区温度的影响示意图，
其中，a为低温段5区加热时温度场分布，b为低温段5区不加热时温度场分布；
图7为低温段7区对6区温度的影响，
其中，a为低温段7区加热时温度场分布，b为低温段7区不加热时温度场分布；
图8为专家***数据库设计视图；
图9为气氛炉门开关影响结果数据表(℃)；
图10为前一区对分析区影响结果数据表；
图11为规则结构定义图；
图12为专家***规则库设计视图；
图13为专家***规则库存储格式示意图；
图14为推理机程序框图；
图15为Visual C++环境下连续烧结炉监控组态界面；
图16为系列参数设定总界面。
具体实施方式
下面以非限定性的实施例进一步解释、说明本技术方案。
一种基于温度场分析的多炉段组态监控***，如图1所示，包括连续烧结炉，连续烧结炉包括脱脂段、低温烧结段、高温烧结段和冷处理段，连续烧结炉可以分区如下：脱脂段分为3个区，低温烧结段分为4个区，高温烧结段分为3个区，冷却段作为1个区，共计11个区，从脱脂段到冷却段依次定义为第1区、2区、...、11区，每个区对应设置有一传感器和一固态继电器，并连接有温控仪表，采用汇邦XMT624智能仪表，温控仪表通过转换接口连接上位机，转换接口为RS232/RS485转换器ZW485C，上位机包括通过ODBC连接的专家控制子***和组态监控子***，如图4所示，专家控制和组态软件的集成运行实现了控制网络与信息网络、信息网络与专家控制***数据库数据的链接、交换。
如图2、图3所示，专家控制子***包括特征识别与信息管理单元、知识库、推理机和控制规则集，特征识别与信息管理单元用于将温控仪表传输的信息进行处理并分别送入知识库和推理机；知识库用于存储连续烧结炉控制领域的知识，并为推理机提供求解问题所遵循、需要的规则和知识，根据输入信息对知识库中的规则进行修改；推理机从知识库中搜索求解到相应的控制规则，一方面将专家给出的设定值送到参考控制输入端，另一方面将专家指定的动作控制执行器。
组态监控子***用于实时采集被控区域温度参数，并实现实时控制执行机构。可见，下位机采集的温度参数处理及***对执行机构的控制，都要通过连续烧结炉温度控制***监控平台实现。实现连续烧结炉温度控制***监控组态与通信设计，要求既能动态显示被控区域的环境状况，又要方便用户完成各种监控与管理功能。
首先实现对于专家控制子***的构建。根据专家***在控制***中的功能结构，可分为直接型和间接型专家控制***。本技术方案采用的是间接型专家控制***，由知识库、推理机、控制规则集等部分组成。
专家控制***的底层控制部分仍采用PID控制，专家控制部分作为底层控制的上级机构，根据控制的具体要求，可对基础控制过程作修正和调整，以实现控制***的目标。在具体的实现过程中，可通过把专家控制***嵌入到常规控制中来达到对控制对象的控制，具体结构如图2所示。
专家指导的参考控制输入有：低温烧结段、高温烧结段各区的温度测量值、理论设定值和分析值。控制器的输出集：低温烧结段、高温烧结段各区的温度参考设定值、故障报警等。连续烧结炉专家控制***具体的控制流程如图3所示。***外部输入信息进入特征识别与信息管理单元，信息处理后分别送入知识库与推理机。知识库根据输入信息对知识库中的规则进行修改，推理机从知识库中搜索求解到相应的控制规则，一方面将专家给出的设定值送到参考控制输入端。另一方面将专家指定的动作控制执行器。组态软件主要任务是：一方面，它要利用实时数据库对现场实时数据进行访问、存储；另一方面，要实现与专家控制器的数据链接与交换。
然后设计专家***数据库。专家***数据库，作为知识存储器，既用于存储连续烧结炉控制领域的知识，同时又为推理机提供求解问题所遵循、所需要的规则和知识。本***基于access 2000进行专家***数据库的设计库，设计视图如图8所示。此图是access定义数据库时都必须走的一个步骤，“小数点”代表该数据的小数点后的有效数字数。
用于存储各区受气氛、炉门开关等环境因素影响的数据库表格，如图9所示。
用于存储前一区对分析区温度场影响的数据库表格，如图10所示。其中AV21为前一区加热状态下对分析区温度场分析值；AV22为前一区停止加热时该区温度场分析值。
然后建立专家***规则库。为保证专家控制***的可靠性、普适性，必须建立一定规模的、良好的控制规则集合。为此，将获取到的知识和数据进行了较为细致的分析与处理：
(1)低温烧结区域的温度控制。低温烧结段由4个区组成，从炉门开始依次是低温烧结4区、低温烧结5区、低温烧结6区、低温烧结7区。4个区分别布置了四个热电偶，4区的热电偶布置在靠近炉门的三分之一处，5区、6区、7区的热电偶布置在该区的中间位置。针对低温烧结段主要是分析炉门开关对温度场的影响以及各区之间温度场的相互影响。热电偶检测到的温度值只是该点的温度值，从分析温度场的分布来看，热电偶检测到的温度值和实际的温度值有一定的差别，因此就造成了控制温度精度的降低。
(2)高温烧结区域的控制。高温烧结段由3个区组成。从和低温烧结段连接的地方开始依次是8区、9区和10区。其中9区的温度最高。针对高温烧结段主要是分析气体因素对连续烧结炉温度场的影响以及各区之间的相互影响。
设误差E＝|AV-PV|，Eij＝|AVij-PVij|(i＝4，2---10，j＝1，2，3)。i代表烧结段的7个测量点，j代表3种分析情况。例如E41＝|AV41-PV41|，表示测量的第4区在第一种因素影响下的误差。第一区只受到两种因素的影响，一个是炉门开关对其的影响，一个是后一区对其的影响，后一区又分为加热时和不加热时两种情况，所以误差有E41，E431，E432。第10区也只受到两种情况的影响，一种是气体因素的影响，一种是前一区对其温度的影响，前一区又分为加热时和不加热时两种情况，所以误差有E101，E1021，E1022。
根据上述分析，将连续烧结炉专家控制***的控制规则集合化分为7个规则子集，即烧结段7个区各自的控制规则。各子集之间不是相互孤立而是密切关联、相互协调的。连续烧结炉专家控制***规则集合采用IF“条件”THEN“结论”的方式，和IF(事实1)，(事实2)......(事实n)THEN(事实1)，(事实2)......(事实n)的方式表达。
比如，低温烧结段第5区控制规则如下：
规则1：IF(E51>E521>E522 OR E51>E522>E521)AND
(E51>E531>E532 OR E51>E532>E531)
       THEN   RV＝AV51(继续加热)；
规则2：IF E51<E522<E521  AND (E531<E532<E51  OR  E532<E531<E51)
       THEN   RV＝AV521(继续加热)；
规则3：IF  E51<E521<E522 AND (E531<E532<E51  OR  E532<E531<E51)
       THEN   RV＝AV522(继续加热)；
规则4：IF(E521<E522<E51  OR  E522<E521<E51) AND E51<E532<E531
       THEN   RV＝AV531(停止加热)；
规则5：IF(E521<E522<E51  OR  E522<E521<E51) AND E51<E531<E532
       THEN   RV＝AV532(停止加热)；
。。。
产生式规则由规则号、规则条件和规则结论构成，从面向对象方法角度可将每条规则视作一个规则对象。为便于知识的组织和应用，规则结构定义如图11所示，专家***规则库设计视图如图12所示，存储格式如图13所示。
然后进行推理机设计。可以采用正向推理方式，以知识库为根据，推理过程如图14，推理结果将作为专家控制***的输出。
步骤1401，判断是否产生新事实。
如果没有产生新事实，则程序结束；如果有，则进入步骤1402，调用规则匹配过程。
步骤1403，如果n＝0，则程序结束；若n>0，则判断激活规则数。
如果n＝1，则进入步骤1406；如果n>1，则进入步骤1405.
步骤1405，冲突消解选择一条可用规则。
进入步骤1406，判断是否有同样的事实。
如果有，则开始下一循环；如果没有，则进入步骤1407.
1407，更新数据库，然后进入下一循环。
然后需要实现温度***组态监控。为了更为直观的得到低温烧结段、高温烧结段各区的动态温度值，在Visual C++环境下设计了连续烧结炉温控***的组态监控界面。组态监控界面如图15所示。
监控组态界面实现的功能：①显示功能动态显示各区温度测量值和设定值，通过该功能，用户可以全面把握连续烧结炉温度场情况。②切换功能能够实现动态显示各区的测量值、设定值、理论分析值设定界面的切换。点击切换按钮进入系列参数设定总界面，如图16所示，点击Input SV按钮进入烧结温度SV设定界面，可进行各区SV值的设定。
XMT624温控仪表通讯接口为RS485接口，通过RS232/RS485转换器ZW485C，与上位机互联。本技术方案采取半双工方式，上位机定时发送读取命令，不断读取下位机所检测到的温度信号，并由专家***迅速作出决策，对下位机发送参数修改或设置命令，以控制加热元件的工作状态。
下面利用上位机对连续烧结炉预热段和高温烧结段温度场进行模拟分析，对每一区温度场的分析都需要考虑气氛、压力等环境因素、前区、后区对该区的影响。
首先考虑环境因素影响下的温度分析。为避免坯体烧结中的氧化，同时便于炉膛内废气排出，烧结段需通入工艺气体。气体由高温烧结段注入，流动方向与料舟运行反向，温度场分析时需要考虑在内。图5a是气体因素下高温段温度场的分布，高温段8区、9区、10区的温度设定值分别是1050℃、1250℃、1220℃，从分析结果可以看出三区温度分别变为1049℃、1247℃、1214℃，和设定值分别相差1℃、3℃和6℃。图5b是炉门开关对低温烧结段温度场的影响。低温段4区、5区、6区、7区的温度设定值分别是400℃、430℃、480℃、680℃，从分析结果可以看出四个区的温度分别变为395.72℃、427.03℃、478.5℃、678.63℃。温度差分别是4.28℃、2.97℃、2.5℃、1.37℃。可以看出炉门开关对4区的温度影响最大，这是因为4区靠近炉门，对7区的影响最小。因此炉门的开关对高温段的影响可以忽略。
然后考虑前一区对分析区影响下的温度场分析。烧结段各区温度场存在强耦合，需要进行深入的分析。首先分析前一区对分析区的影响，又分为前一区停止加热、前一区加热过程中对该区温度场的影响。以低温段的6区为例分析前一区，即第5区加热、不加热两种情况下对6区温度的影响，如图6所示。图6a是5区加热状态下对6区的影响。6区温度是478.42℃，和设定值相差1.58℃。图6b是5区不加热情况下，6区温度分析值为476.86℃，与理论值相差3.14℃。由此可以看出5区在加热时比不加热时对6区的温度影响小。
再考虑后一区对分析区影响下的温度场分析。后一区对分析区温度场的影响，同样也是分两种情况，一个是后一区加热、不加热两种状态下对所分析区的影响。同样以第6区为分析对象，分析结果如图7所示。图7a是7区加热状态下，对6区温度场的影响，6区温度分析值为482.82℃，比设定值高出2.82℃。图7b是7区不加热时，对6区温度场的影响，分析结果6区的温度为481.86℃，与设定值的差是1.86℃。
按照以上通过以上对各区温度场的分析，为专家***的构建提供了依据。

Claims (3)

1.一种基于温度场分析的多炉段组态监控***，包括连续烧结炉，连续烧结炉包括脱脂段、低温烧结段、高温烧结段和冷处理段，其特征在于:每个段设置有至少一传感器和一固态继电器，并连接有温控仪表，温控仪表通过转换接口连接上位机，上位机包括通过ODBC连接的专家控制子***和组态监控子***，其中，
专家控制子***包括特征识别与信息管理单元、知识库、推理机和控制规则集，特征识别与信息管理单元用于将温控仪表传输的实时、有用信息进行提取并分别送入知识库和推理机；知识库用于存储连续烧结炉控制领域的知识，并为推理机提供求解问题所遵循、需要的规则和知识，根据输入信息对知识库中的规则进行修改；推理机从知识库中搜索求解到相应的控制规则，一方面将专家给出的设定值送到参考控制输入端，另一方面将专家指定的动作控制执行器；
组态监控子***用于实时采集被控区域温度参数，并实现实时控制执行机构。
2.根据权利要求1所述的基于温度场分析的多炉段组态监控***，其特征在于:所述转换接口为RS232/RS485转换器。
3.根据权利要求1所述的基于温度场分析的多炉段组态监控***，其特征在于:脱脂段分为3个区，低温烧结段分为4个区，高温烧结段分为3个区，冷却段作为1个区，每个区对应设置有一传感器和一固态继电器。
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