AIFCS计算机监控软件在锚链调质炉的应用———AIFCS计算机监控软

关键词：AI程序调节器、AI计算机监控查询系统、连续式锚链调质炉
  一、概述
  连续式锚链调质炉,为船用立式锚链调质炉自动控温流水线，锚链热处理炉,包括回火炉和淬火炉，为锚链生产的关键工序。工程上通常把淬火+高温回火这样的热处理组合称为调质处理，调质处理，是一种金属热处理工艺，就是先高温加热到临界温度以上，淬火时将工件加热然后通过介质迅速冷却，再在一个较高的温度下保存一段时间。不同的运行速度在调质炉中运行，淬火区环境温度为870～900℃ ，回火区环境温度为600～630℃ ，淬火和回火的冷却介质均为循环冷却水。处理后可以使钢的性能，材质得到很大程度的调整，其强度、塑性和韧性都较好，具有良好的综合机械性能。作为最终热处理，   
  通常用电炉丝加热，要求严格控制温度，以保证最终的锚链热处理质量，调质炉炉温控制过程是一个大惯性、非线性、时变的复杂控制过程。用AI仪表的模糊控制的原理包括自学习自修正智能控制原理、模糊控制系统组成，实现了调质炉的精确控温及控制策略和控制参数的自适应，取得了良好的控制效果和显着的经济效益。调质处理锚链工件   图1
   
  
  二、控制系统组建：
  连续式锚链调质炉控温要求高采用AI智能模糊控制算法, 能使连续式锚链调质炉的温度获得最佳控制效果，由1台上位微机进行管理,实现了控制自动化, 现代化管理,提高了产品的质量。 对连续式锚链调质炉进行监控，实时性好，组态软件设计监控连续式锚链调质炉组态灵活、方便。
    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，能实现比以往封闭式设计产品更快的进步及更高的性能/价格比。
  目前AI仪表自整定采用的是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最优化。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。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。
  该系统是由宇电工控组态软件AIFCS经过二次开发而成的软件产品，用户无需系统组态即可直接使用。该软件与高性能调节器AI-708A2K2K1S控制器配套使用共同构成AIFCS现场总线型计算机监控系统。
  实现PC控制和数据在线采集。使得生产的连续式锚链调质炉性能上更安全、使用时更方便。大大减轻连续式锚链调质炉使用者的劳动强度，更重要的是极大的提供了连续式锚链调质炉的安全使用性能。该监控系统分为三层：现场仪表层（下位机控制站）通过RS485通讯总线上传，上位机计算机操作站由工控机组建，AIMCGS组态软件经过二次开发和后台数据库组成，完成整个生产系统的信息监控。该监控系统具有良好的人机界面、操作简单方便，同时它也具有较好的可靠性、稳定性和易扩展性，不仅能够直观、形象地反映现场的实际工况，监控系统可通过工业以太网进行信息共享。根据输入的链号可以查询相对应的数据曲线以及对应操作人员的名单，方便管理。
  当系统需升级为网络版软件在局域网上管理层的计算机上，轻点I E浏览器就可了解各系统流水线的工况。系统软件版本稍作改变，为以后企业信息化升级提供了有利的条件。
  三、系统软硬件选型：
  1. 程序温度调节器AI-708PAK3S三相三路过零触发、带通讯口表28台。
  2. 测温仪表AI-701A2S带通讯口2台。
  3. 测速调节器AI-708A2S带通讯口2台。
  测速信号源是采用南京调速电机厂生产的DXK-4C调速器输出1～5V转速信号。
  4. 转换器AI-485仪表信号转换给计算机1个。
  5. 软件AIMCGS工控组态软件1套。
  四、软件功能：
  该软件的内部结构可分为以下三个部分：
  1、数据采集、数据处理、权限管理
  2、数据采集：系统从现场温度控制器采集测量值，设备状态值等实时数据，并存入系统内阅数据库，以便日后数据查询等使用。
  3、数据处理：系统根据用户要求从历史数据库中提取数据并完成指定的处理功能，历史曲线绘制等。
  4、权限管理：用户自行定义系统的权限以及操作密码，适于各管理层拥有不同的操作权限。
  所有的控制信息与数据信息都在控制室计算机上统一管理，分配。在计算机上对现场温度控制器进行全方位的监控，数据采集和数据查询的处理。
  应用宇电AIMCGS组态软件经过二次开发和后台数据库组成，完成整个生产系统的信息监控。采用了RS485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、设备运行状态指示、温度压力显示、各种参数设置、变频调节、实时温度曲线图、设定温度曲线图以及报警信息。
    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AIMCGS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。由于自己掌握100%知识产权，又是开放式结构，所以系统价格非常低廉，具有极高的性能/价格比。
      采用AIBUS协议的AI仪表在9600波特率下能在40ms内向上位机传送4个重要数据，比采用MODBUS协议的进口仪表速度高3-10倍以上，因此即使采用廉价的RS485通讯，AIFCS也具备如DCS或FF、PROFIDBUS等高价现场总线系统同等的使用效果，并可以组建大型系统，而不象通常进口仪表那样只能应用于小型系统。RS485不仅价格低，还具备布线简单、对通讯线要求低及通讯距离长等优点。
      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。
  五、组态画面显示
  （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反应釜当前运行状态信息值，如当前温度、压力、等参数在流程图、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。实时检测被测窑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，使用AI-708P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，在线修改程序设置曲线，设置多条控温程序保存在软件系统内。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
  监视调质炉有关参数的变化趋势曲线，从而可以了解调质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。
  （10）巡检报告画面
  用户根据调质炉的运行情况，随时巡检反应釜并记录运行情况，生成报告。可用于下达工作计划、留言备忘、可随时添加。
  六、软件编辑：
  AI-708PAK5S型仪表的程序通讯编写内容：
  与MCGS组态软件通讯时,选择宇光系列智能仪表的驱动，由于软件中能设置的参数的代号只到19H，所以对于宇电程序型仪表只能通过编写内部函数来实现读写1AH这个参数代号以后的参数，实现的方法；
  ①：要先在实时数据库中建立好要读的变量,如C01、T01……等以C01~T02为例，变量类型为数值型。                                                                   图2
  
  ②：建立好后则进入运行策略进行策略组态，新建策略为循环策略或用户策略，进入编写脚本程序如下图3，是读以下参数的命令！setDevice(设备0，6，“read(26,1,C01)”)，
  意思是把26中这个参数代号的数据读到C01这个变量中；
  ③：写参数的命令与读是一样的如,!SetDevice(设备0，6，“write(26,1,C01)”):写数据应当建立的设备命令为用户策略（不能用循环策略），如下图4：
  ④：为了能在运行画面中随时写入参数代号26以后的数值，应当在实时数据库中建立与之前变量同等个数的变量，如下图5；
  ⑤：在组态动画窗口中，设置属性时输入与输出时不能为同一个变量，应当设置为与之对应的一个，如C01对应sdc01……,做一个按钮属性设置为执行运得策略块，在脚本程序中写C01=sdc01
  则在运行画面中要设定某一值时都需点击这个按钮。
  七、软件应用 ：                                   开机画面    图3
      
   
  系统软件是由宇电专用AIMCGS组态软件经过二次开发而成的软件产品。该软件与宇光仪表配套使用共同构成仪表总线系统，组态软件采用下位机、上位机二层结构体系，所有的控制信息与数据信息都在其上位机上统一管理、分配。在上位机上，可对工业现场连接的所有仪表进行全方位的监控、数据采集和各项事务的处理。主要实现的功能如下
  1、数据的实时记录
  实现对现场参数的监测和控制。画面如下图所示：             图4
   
  
   2、工况模拟
     模拟显示整个工艺过程，对应现场工作状况，实时显示各个测量点的温度和转速，画面下图所示                                                              图5
   
  
   3、数据查询
  根据输入的链号可以查询相对应的数据曲线以及对应操作人员的名单，方便管理。画面如下图所示                                                             图6
     
   
   4、链号输入
   在生产开始的时候，进行链号、操作人员的输入工作，并进行保存以备查询用。图7
   
  
  5、权限管理
  “权限管理”用来修改登录密码及添加可登录的人员。                       图8
   
  
  6、计算机配置：
     研华工控机17寸纯平彩显，P4级CPU40G以上硬盘DDR256M内存，光驱、软驱、网卡、声卡、不间断电源。
  7、系统调试：计算机、软件、调节仪表在试验车间已整体调试编号。
  8、通讯布线：通讯线采用：超五类屏蔽双绞线。用2根RS485屏蔽双绞通讯线手拉手把有RS485通讯功能的显示、控制仪表连接的一起。接转换器A/B端插入计算机RS232口。
  八、仪表型号、参数表、调试方式
  仪表型号：
  1、程序温度调节器AI-708PAK3L1S三相三路过零触发、带通讯口表；
  仪表功能：708P程序升温、K3过零触发可控硅、L1超温报警、S有通讯功能；
  2、测温仪表AI-701AL1S带通讯口；
  仪表功能：701测量显示、L1超温报警、S有通讯功能；
  3、测速仪表AI-708AL1S带通讯口；
  仪表功能：708转速测量、L1超速报警、S有通讯功能；
  测速信号源是采用南京调速电机厂生产的DXK-4C调速器输出1～5V转速信号。
  4、参数设置： AI-708PAK3L1S型                                       图表9
   
  
  5、调试方式
  温度程序控制仪表AI-708PAK3L1S增强型智能调节器 ，三相过零触发控制。
  程序设置：
  程序曲线的编排；程序调节器可用于按一定时间规律：温度－时间－温度－时间的格式来程序升温，自动改变给定值进行控制的场合。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，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。
  自整定功能：
  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最常用值或是中间值上，把AI-708P程序型仪表第一段C01设置为常用温度或最高温度，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最大值上，再执行启动自整定的操作功能。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。
  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，控制效果可能不是最佳，需要使用一段时间（一般与自整定需要的时间相同）后方可获得最佳效果。
      AI仪表的自整定功能具备较高的准确度，可满足超过90%用户的使用要求，但由于自动控制对象的复杂性，对于一些特殊应用场合，自整定出的参数可能并不是最佳值，所以也可能需要人工调整MPT参数。
  当曲线拟合出现PV值跟不上程序设定曲线SV值时，可采用曲线拟合技术：曲线拟合是AI-708P/808P型仪表采用的一种控制技术，由于控制对象通常具有时间滞后的特点，所以仪表对线性升、降温及恒温曲线在折点处自动平滑化，平滑程度与系统的滞后时间参数t有关，t越大，则平滑程度也越大，反之越小。控制对象的滞后时间(如热惯性)越小，则程序控制效果越好。按曲线拟合方式处理程序曲线，可以避免出现超调现象。注意：曲线拟和的特性使程序控制在线性程序升温时产生固定的负偏差，在线性降温时产生固定的正偏差，该偏差值大小与滞后时间（t）和升（降）温速率成正比。这是正常的现象。
     仪表的程序设置操作请阅读说明书。
  九、结论
  该锚链厂在全国同行业当中率先实施信息化工程，建立了宽带网、企业局域网、监视系统、视频传输。他们敢于大投入，把引用先进装备作为公司的工作重心，在十年当中，历经了四次大规模的技术改造和设备更新，每一次技改都使企业得到了科技进步和质的飞跃。如已投产使用的ML-9锚链制造机组.带有温度自控、水循环、数显监控超温报警等多项功能的锚链调质炉。
  经过实际生产使用证明，连续式锚链调质炉使用该控制系统控温精确，整个控制系统具有很大的扩展性和可维护性，在工作环境改变时，可灵活增添或减少设备。不用考虑其他事项，这对于系统的不断完善和升级换代奠定了很好的基础。使它的实时性、灵活性、组网方便性以及可维护性获得很好的保证。在一定程度上简化程序设计的工作量。是对传统连续式锚链调质炉的一次创新，将在连续式锚链调质炉领域具有广泛的应用前景。