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钟罩式烧结炉应用AI计算机监控系统案例
厦门宇电自动化科技有限公司 开发部 邵平
关键词：强对流罩式退火炉、AI－808P程序调节器
一、概述：
黄石市黄冈摩擦片公司是我国的摩擦片生产企业。应用钟罩式烧结炉烧结金属摩擦片在各类汽车及高级轿车上得到。钟罩式烧结炉是公司重要设备，几十年来公司一直没有停止对钟罩炉的改进和提高，不断推陈出新，使之适应更广阔的生产领域。该公司近期采用宇电AI计算机监控系统配合AI808PAI5X3+JK6L1L1S4改造有快速冷却系统的钟罩炉，不仅能在升温、保温阶段对温度进行准确的控制，还可以在降温阶段对温度进行控制。使每一批次的处理时间大大缩短，极大地提高了生产效率。
在采用宇电AI808PAI5X3+JK6L1L1S4后的快速冷却系统的钟罩炉，使陶瓷型高级轿车刹车片”在研发过程中，通过配方优化试验，解决了摩擦系数高与磨耗量大、使用寿命短的矛盾，解决了高而平稳的摩擦系数与无噪音的矛盾，成功开发出了摩擦系数热衰退率小、使用寿命长、制动舒适的新一代高性能陶瓷型配方刹车片产品。通过对密度、压制温度、压力与时间、固化温度与时间等工艺参数优化试验，确定了*佳工艺参数，成功解决了产品压制、固化产生汽泡裂纹的难题，为产品的性能控制提供了工艺保证。产品正在进行产业化实验，具有良好的经济社会效益和国内外市场前景。
二、强对流罩式退火炉简介
强对流光亮罩式退火炉主要适用于黄铜带、青铜带、异型铜带、紫铜带、各类精密铜管、造币材料、精密带钢、复合带材、软磁和硬磁合金、铜合金线材、标准件材料、不锈钢带等几十种材料。 钟罩炉装料直径3.2M，装料高度达4M，装炉量80T。 罩式炉由一个加热罩、两个炉座、两个内罩和阀架等组成。加热元件采用电阻带均匀的悬挂在炉膛的四周，并用陶瓷螺钉加以固定。
车间生产中与仪表精密调试
在炉座的正中央都装有一台强对流的风机，通过电机的运转来带动叶轮达到强对流的目的，从而使炉膛内的温度达到均匀，该风机的电机为水冷密封双速电机，可实现高、低速转换，通入冷却水后可确保电机的轴承不会因发热而损坏。在炉座上装有与内罩密封的水冷橡胶密封圈，以便达到密封的效果。
三、温控器的选用：
电气控制柜采用PID过零触发温控调节仪来调节炉内的功率和温度，并安装有超温报警功能 。并根据需要制作上位机，组态软件动态显示系统控制状态。
仪表的选择：系统中我们采用了的AI人工智能调节器。AI调节器是控温系统的核心部分，AI仪表首创性地采用了平台概念，将非常专业化的数字调节仪表转为平台化设计的产品，采用的是AI人工智能调节算法是采用模糊规则进行PID调节的一种新型算法，在误差大时，运用模糊算法调节，以消除PID饱和积分现象，当误差趋小时，采用改进后的PID算法进行调节，并能在调节中自动学习和记忆被控对象的部分特征以使效果*优化。
自整定方法简单应用方便：由于自整定执行时采用位式调节，经2~3次振荡后，仪表内部微处理器根据位式控制产生的振荡，分析其周期、幅度及波型来自动计算出M 5、P、t等控制参数。具有无超调、高精度、参数确定简单、对复杂对象也能获得较好的控制效果等特点。
在使用过程中AI调节器 结合PID调节、自学习及模糊控制技术，实现了自整定/自适应功能，及无欠调的精确调节，性能远优于传统PID调节器。
四、系统架构：
整个控制系统我们采用了计算机监控用RS485通讯总线技术，由于RS485总线技术具有良好的实时性、可靠性、抗干扰能力及检错能力，所以在一些条件比较苛刻的场合里广泛应用。通过串口实现整个系统运行监控，其画面包含：现场模拟图、温度压力显示、设备接地故障状态指示、各种参数设置、实时温度曲线图、设定温度曲线图以及报警信息。系统控制对象。
在系统中由于AI系列仪表的出色性能，宇电又开发出基于AI仪表并具备现场总线特性的AIFCSV9.0计算机监控系统。AI仪表相当于现场总线系统中的各个控制单元，利用RS485作为现场通讯总线，采用宇电自行开发的AIBUS通讯协议，可在上位机上实现100%仪表功能操作如实时读取测量值、给定值、设置参数、自动/手动无扰动切换、调整手动输出值、启动/运行/停止程序，并具备开关量输入/输出操作能力。开放式结构随意添加控制仪表。
五、温度控制功能
控制系统我们采用了 宇电AI-808PAI5X3L1L1S4温控表：AI－808P程序型仪表用于需要按一定时间规律自动改变给定值进行控制的场合。它具有强大的编程及操作能力，可进一步提高控制设备的自动化程度。它具备50段程序编排功能，可设置任意大小的给定值升/降斜率；具有跳转、运行、暂停及停止等可编程/可操作命令，可在程序控制运行中修改程序；具备二路事件输出功能。可通过报警输出控制其他设备联锁动作，进一步提高设备自动化能力；可通过安装外部开关执行程序运行/暂停/停止等操作，以实现连锁、同步启动运行或方便操作；具有停电处理模式、测量值启动功能及准备功能，使程序执行更有效率及更完善。
1、功能及概念：
程序段：段号可从1－30，当前段（STEP）表示目前正在执行的段。
设定时间：指程序段设定运行的总时间，单位是min，有效数值从1－9999。 运行时间：指当前段已运行时间，当运行时间达到设置时间时，程序自动跳下一段运行。
跳转：程序段可编程为自动跳转到1－30段中的任意段执行，可实现循环控制。通过修改STEP的数值也可实现跳转。
运行/暂停（run/HoLd）：程序在运行状态时，计时，给定值按预先编排的程序曲线变化。程序在暂停状态下，停止计时，给定值保持不变。仪表能在程序段中编入暂停操作，也可由人随时执行暂停/运行操作。暂停状态下仪表仍然保持调节功能。
停止（stoP）：执行停止操作，将使程序停止运行，此时运行时间被清0，事件输出开关复位，并且停止控制输出。在停止状态下执行运行操作，则仪表将从STEP设置的段号启动运行程序。可在程序段中编入自动停止的功能，并同时对运行段号STEP值进行设置。也可人为随时执行停止操作（执行后STEP被设置为1，不过用户可再进行修改）。
事件输出：由程序编排发生。可在程序运行中控制2路报警开关动作，以方便控制各种外部设备同步或连锁工作。
停电/开机事件：指仪表接通电源或在运行中意外停电，可提供多种处理方案供用户选择。用户可以通过设置仪表的参数（run）设置仪表重新上电后的运行状态。准备（rdy）/测量值启动功能：在启动运行程序由于炉体的温度和仪表设置的初始温度之间有偏差，并且其差值大于正（或负）偏差报警值（dHAL及dLAL）时，仪表并不立即进行正（或负）偏差报警，而是先将测量值调节到其误差小于偏差报警值，此时程序也暂停计时，也不输出偏差报警信号，直到正、负偏差符合要求后才再启动程序。准备/测量值启动功能用于设置无法预知升／降温时间的段也十分有用。要允许或取消准备/测量值启动功能，可在run参数中进行设置。准备/测量值启动功能可保证了运行整条程序曲线的完整性，准备/测量值启动功能用于解决启动运行时测量值与给定值不一致而对程序运行产生的不确定性，以获得高效率、完整并符合用户要求程序运行结果。
2、程序设置：
程序曲线的编排；程序表调节器可用于按一定时间规律自动改变给定值进行控制的场合。程序是按【温度－时间－温度】的格式来程序升温，具有50段程序编程功能，可设置任意大小的给定值升、降斜率；具有跳转（目标段只限于前30段）、运行、暂停及停止等可编程/可操作命令，可在程序控制运行中修改程序；具有二路事件输出功能。可通过报警输出控制其他设备联锁动作如：警灯、风机、报警，进一步提高设备自动化能力；具有停电处理模式、测量值启动功能及准备功能，使程序执行更有效率及更完善。
程序仪表自整定时把段程序设置为常用温度或温度启动自整定，此时时间停止运行。
可控硅触发采用移相触发器 宇电AIJK6系列是应用了单片机技术的智能化三相移相触发及周波过零两用触发器，功能强大且可靠性高，能适应各种电阻丝、硅碳棒及负载采用变压器降压的硅钼棒、钨丝等各种类型工业电炉，也可用于电机软启动的控制。
AIJK6的主要性能：0-20mA（0-5V）/4-20mA（1-5V）信号兼容输入；采用计算机技术进行线性化功率修正，当负载为阻性时，其输出功率与输入信号成正比；缺相检测、过流检测及报警功能；AIJK6还具备可控硅击穿及负载开路检测功能；自动同步功能，连接可控硅触发线时不需要对相序；AIJK3甚至不需要对极性；采用全光电隔离及“烧不坏”技术，可靠性非常高，对输入端造成干扰小；电流反馈或延迟时间可调的软启动/软停止功能，适应硅钼棒、钨丝、电动机及感性负载；内含开关电源，可直接用220VAC电源供电，并具备5V及24V两组直流电源输出。 AIJK6在下述情况下报警：主回路断线或缺相；主回路接触器断开；阻容压敏吸收损坏（不影响加热）。
3、参数设置：
根据系统的要求我们可以选用各种仪表类型如AI-808PAI5X3L1L1S4+AIJK6，利用AI-808P的主输出作为AIJK6的控制信号，来控制加热输出，AI-808P智能调节器增加了30+20段时间程序控制功能，前30段可编程为自动跳转执行,实现循环控制,采用的模块化设计，具备5个功能模块插座：辅助输入、主输出、报警、辅助输出及通讯，
仪表的输入方式可自由设置为热电偶、热电阻和线性电流（电压），具体模块功能如下；
I5：外部开关量输入，控制仪表程序的起停；
X3：光电隔离高精度线性电流输出；
S4：自带隔离电源的光电隔离RS485通讯接口模块；
L1：继电器触点开关输出模块；
AIJK6系列是应用了单片机技术的智能化三相移相触发及周波过零两用触发器，功能强大且可靠性高，能适应各种电阻丝、硅碳棒及负载采用变压器降压的硅钼棒、钨丝等到各种类型工业电炉，也可用于电机软启动的控制，其主要特点包括：
0-20mA（0-5V）/4-20mA（1-5V）信号兼容输入；
缺相检测、过流检测及报警功能；AIJK6还具备可控硅击穿及负载开路检测功能；
自动同步功能，连接可控硅触发线时不需要对相序；AIJK6甚到不需要对极性；
采用光电隔离及“烧不坏”技术，可靠性非常高，对输入端造成干扰小；
电流反馈或延迟时间可调的软启动/软停止功能，可适应硅钼棒、钨丝、电动机及感性负载；
内含开关电源，可直接220VAC电源供电，并具备5V及24V两组直流电源输出；
仪表的调节功能采用的AI人工智能PID调节算法。AI人工智能调节算法是采用模糊规则进行PID调节的一种新型算法，在误差大时，运用模糊算法进行调节，以消除PID饱和积分现象，当误差趋小时，采用改进后的PID算法进行调节，并能在调节中自动学习和记忆被控对象的部分特征以使效果*优化。具有无超调、高精度、参数确定简单、对复杂对象也能获得较好的控制效果等特点。改进后的PID参数是采用宇电特有的M 5、P、t等控制参数来表示的。
模块X3三相移项触发、模块L1开关量报警输出、模块S4通讯RS485通讯
4、调试方式：
参数设定后首先要自整定。AI人工智能调节算法是采用模糊规则进行PID调节的一种新型算法，在误差大时，运用模糊算法进行调节，以消除PID饱和积分现象，当误差趋小时，采用改进后的PID算法进行调节，并能在调节中自动学习和记忆被控对象的部分特征以使效果*优化。具有无超调、高精度、参数确定简单、对复杂对象也能获得较好的控制效果等特点。
AI系列调节仪表还具备参数自整定功能，AI人工智能调节方式初次使用时，可启动自整定功能来协助确定M 5、P、t等控制参数。初次启动自整定时，可将仪表切换到显示状态①是PV测量值SV给定值的状态下，按住半园弧键并保持约2秒钟，此时仪表下显示器将闪动显示“At”字样，表明仪表已进入自整定状态。自整定时，仪表执行位式调节，经2~3次振荡后，仪表内部微处理器根据位式控制产生的振荡，分析其周期、幅度及波型来自动计算出M 5、P、t等控制参数。如果在自整定过程中要提前放弃自整定，可再按住半园弧键并保持约2秒钟，使仪表下显示器停止闪动“At”字样即可。视不同系统，自整定需要的时间可从数秒至数小时不等。仪表在自整定成功结束后，会将参数CtrL设置为3（出厂时为1）或4，这样今后无法从面板再按住键启动自整定，可以避免人为的误操作再次启动自整定。已启动过一次自整定功能的仪表如果今后还要启动自整定时，可以用将参数CtrL设置为2的方法进行启动。具体的操作要参考说明书。
系统在不同给定值下整定得出的参数值不完全相同，执行自整定功能前，应先将给定值设置在*常用值或是中间值上（对于AI-708P/808P程序型仪表，可通过修改当前程序段值来改变给定值以满足要求），如果系统是保温性能好的电炉，给定值应设置在系统使用的值上，再执行启动自整定的操作功能。参数CtI（控制周期）及dF（回差）的设置，对自整定过程也有影响，一般来说，这2个参数的设定值越小，理论上自整定参数准确度越高。但dF值如果过小，则仪表可能因输入波动而在给定值附近引起位式调节的误动作，这样反而可能整定出彻底错误的参数。推荐CtI=0-2，dF=2.0。此外，基于需要学习的原因，自整定结束后初次使用，控制效果可能不是*佳，需要使用一段时间（一般与自整定需要的时间相同）后方可获得*佳效果。
在使用过程中AI调节器 结合PID调节、自学习及模糊控制技术，实现了自整定/自适应功能及无欠调的精确调节，性能远优于传统PID调节器。
六、接地报警功能：
当罩式炉产生接地故障，接地故障报警滚动条状态在流程图上显示接地状态。
接地故障报警仪表选型AI-706MAJ1J1J1L5L5S型；利用热电偶的测量回路的电势特性，当继电器运行时巡检仪显示的温度是常温，当继电器动作断开，热电偶断开显示1312使仪表报警，对罩式炉起到保护功能。
七、软件功能
整个系统分为管理层、操作站和工业现场3个层级,也可只分操作站和工业现场两个层级。 管理层可提供工厂领导浏览现场实时工况画面，也可进行如使用权限、系统配置等高级设置；操作站供仪表班组和技术人员进行计算机实时监控；万一计算机系统发生故障时，仪表操作人员可依传统仪表使用方法直接操作仪表；工业现场提供各种控制信号，如模拟量输入/输出和开关量输入/输出至仪表。
（1）信息显示画面
在流程图上可根据现场的要求添加工业现场的量程图片。仪表显示画面主要显示在测罩式炉当前运行状态信息值，如当前温度参数在流程图、实时趋势图或仪表画面上：点击【仪表显示框】出现操作平台：可看到该AI仪表定义控制设备的名称，位号、仪表型号，地址，量程上限，量限下限，测量单位，此时AI仪表的所有显示参数与控制按纽都体现在该平台上。
（2）实时报警处理画面
对系统实时采集的数据进行判断，当符合报警条件后，屏幕将弹出闪烁的醒目报警信号，具有画面报警和声音报警功能。实时检测被测铝烧炉参数以及系统电源等故障异常报警。可以对程序运行中发生的事件进行记录。具体在监控程序中可以设置所记录事件的类型，起止时间，对应的动作等。
（3）量程设置、程序设置画面
具有一定权限的用户可以用密码登录后，对所测量的参数进行量程的设定，这样可以对因各种不可预知的外界因素产生的测量误差进行细微校正，保证所测量数据的有效性和真实性。此软件适合各种工业现场应用。对有升降温控制的窑炉，如：使用AI-808P仪表所有的参数可设定，可编排程序，查看编排程序的走向，保存多条程序曲线，实现上传、下传，在线修改曲线，参数。铝烧炉参数设置画面配置罩式炉的手自动参数，运行时间，起停时间、运行电压等如点击【参数】名称修改【上限绝对值报警值HAL】在对话框里填写参数，点击“确定”参数就下传到现场AI仪表温度调节器，
（4）报表打印画面
选择报表名称、设置查询时间范围的打印时间段，选择查询间隔等，生成报表，随时打印，还可选择数据导出功能按Excel类型报表导出。各类报表可导出到软件外以Microsoft Excel文档或浏览器的形式保存。报表查询：输入起始与结束时间段查询历史数据；采样有1；3；5；15；30；60分钟可选择报表。
（5）实时数据曲线画面
监视罩式炉有关参数的变化趋势曲线，从而可以了解铝烧炉在一段时间的运行状况。工业现场温度控制器采集测量值，编辑实时曲线，可同时显示8条实时曲线，用颜色来区别。曲线显示可选百分比与实时曲线2种图。也可屏蔽其他曲线，显示单条曲线。呈现的实时数据，并存入系统内数据库，以便日后数据查询等使用。
（6）历史趋势画面
功能与实时数据曲线类似，只是它显示的是过去一段时间设备的运行参数值。选中历史曲线组别，设置查询时间范围，显示的是单条或显示全部曲线，点击查询。在历史曲线上可写入备忘录，可写入59个字。直接打印在历史曲线上。可有选择1条或多条来打印历史曲线。
（7）运行记录画面
记录软件运行中操作对应的动作记录备案。如：登陆系统、退出系统、打印曲线名称、修改参数等。选择时间段可查询某段时间的记录运行情况。
（8）用户管理画面
可以允许不同权限的用户登陆，登陆后，可进行相关的操作。同时还可以允许用户注销自己的身份，这样既可实现灵活，方便的应用，又能保证系统的安全性。
（9）巡检报告画面
用户根据的运行情况，随时巡检罩式炉并记录运行情况，生成报告。可用于下达工作计划、留言备忘、可随时添加。
经过实际生产使用证明，使用AIFCS计算机监控系统如下优越性：
1、计算机全屏显示罩式炉的温度数据、曲线、接地故障报警。管理层随时了解现场罩式炉的温度情况，对产品的质量保证，追忆产品质量。
2、AIFCS计算机监控系统在下层由数字显示控制仪表独立完成监视、控制、报警等功能，上层由计算机完成集中监视、操作、远程设定等功能，可以很方便地将系统互联并与计算机组建成自动测试系统因此系统的可靠性高。这样就使得仪表的用途和使用范围大大地扩展了，监测点可有数十点到几百个点的系统，无疑是一种较好的选择。更方便，更快捷自建采集调节监控系统。
八、结束语：
罩式炉由于采用了AI人工智能调节器具备优良的测量和控制性能，采用可控硅控制为罩式炉控制柜设计带来前所未有的方便。例如其输出可配用具备“烧不坏”特性的可控硅触发模块，能直接用时间比例过零、周波过零或移相方式触发各种单向、双向可控硅及功率模块，不仅降低成本，简化了安装并提高了可靠性。 近年随着电气控制技术的发展，罩式炉自动控制系统得到了快速的发展，控制系统都得到了很好应用和发展。使罩式炉的控制技术更具有飞跃的提高。
黄石赛福摩擦材料有限公司先后应用AI仪表程序控制罩式炉温度，生产出市场急需的碳基摩擦材料、无石棉高分子复合刹车片、纸基摩擦片、铜基摩擦材料、陶瓷型刹车片，其中前两种产品前年通过鉴定，达到水平。近几年，企业发展很快，改制前销售收入两千万，现在番两番，达到8000万元，今年预计突破亿元大关；去年上缴税收380万元，今年预计突破500万元，是全市民营企业利税大户。企业已被省科技厅认定为省级技术企业，成为国内的摩擦材料生产基地。
原创作者：厦门宇电自动化科技有限公司
