专利名称：基于温度场分析的连续烧结炉组态监控系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及烧结炉的温度控制系统，具体是一种基于温度场 分析的连续烧结炉组态监控系统。
背景技术：
传统的金属4分末注射成形技术(Metal Injection Molding,简称 MIM)工艺釆用脱脂、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、时变的复杂系统。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，实现对系统的有效控制。将专家控制系统和传统PID调节 相结合应用于多炉段连续烧结炉温度场控制系统，在工程实际应用方 面对提高连续烧结炉温度控制系统的性能，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系统中，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。
实用新型内容
本实用新型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 温度场进行控制的系统，大大提高了连续烧结炉温度控制系统的性能。
本实用新型是通过如下技术实现的这种基于温度场分析的连续 烧结炉组态监控系统包括连续烧结炉，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信息处理 的上位机，转换接口可以为RS232/RS485转换器ZW485C,上位机用于 温度场分析，可以设置为包括通过ODBC连接的专家控制子系统和组态 监控子系统，其中，
专家控制子系统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。
组态监控子系统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系统对执行机构的 控制，都要通过连续烧结炉温度控制系统监控平台实现。实现连续烧 结炉温度控制系统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l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。
专家控制子系统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，以实现控制系统的目标，在具体的实现过程中，可通过把专 家控制系统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。
本实用新型提供的基于温度场分析的连续烧结炉组态监控系统，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系统的开发，显著提高了温度控制 的精度。可实现温控误差有土7。C降低为±2°C,显著提高了产品烧结质量， 具有良好的经济效益。
图1为本发明实施例的连续烧结炉温度控制系统总体架构；
图2为本发明实施例中连续烧结炉专家控制系统总体框图3为连续烧结炉专家控制系统控制流程图4为专家控制与组态监控的集成框图5为专家系统数据库设计视图6为气氛炉门开关影响结果数据表(°C );
图7为前一区对分析区影响结果数据表；
图8为规则结构定义图9为专家系统规则库设计视图10为专家系统规则库存储格式示意图ll为推理机程序框图；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连续烧结炉组态监控系统，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l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,上位才几包括通过ODBC连接的专家控制 子系统和组态监控子系统，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系统数据库数据 的链接、交换。
如图2、图3所示，专家控制子系统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。
组态监控子系统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，下位机釆集的温度参数处理及系统对执行机构的 控制，都要通过连续烧结炉温度控制系统监控平台实现。实现连续烧 结炉温度控制系统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系统的构建。根据专家系统在控制系统 中的功能结构，可分为直接型和间接型专家控制系统。本技术方案采 用的是间接型专家控制系统，由知识库、推理机、控制规则集等部分 组成。专家控制系统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，以实现控制系统的目标。在具体的实现过程中，可通过 把专家控制系统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 系统具体的控制流程如图3所示。系统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。
然后设计专家系统数据库。专家系统数据库，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、所需要的一见则和知识。本系统基于access 2 000进行专家系 统^:据库的^:计库，_没计视图如图5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6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7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一/H直。
然后建立专家系统规则库。为保证专家控制系统的可靠性、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。<formula>formula see original document page 8</formula> i代 表烧结段的7个测量点，j代表3种分析情况。例如&'-M^-wg,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&', ￡化，￡ 2。第IO 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
e01 ， e圃， 五1022 。
根据上述分析，将连续烧结炉专家控制系统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系统规则集 合采用IF "条件"THEN "结论"的方式，和IF (事实l ),(事实2 )…… (事实n) THEN (事实l ),(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 '
头见贝'J1.: IF (￡m >￡52l >￡ 20R￡" >￡"2 >￡52') AND
(￡5i > ￡531 > ￡532 OR ￡51 > ￡532 > ￡531 )
THEN (继续加热)；
头见贝寸2: IF ￡5, <五522 <s521 AND (< A32 <￡51 OR ￡s32 <五531 <^5i)
THENWK"^ (继续加热)； 规则3: IF <￡52l <￡522 AND ("""," OR ￡" < ￡53l < )
T廳w"F 2 (继续力口热)； 头见贝寸4: IF (五521 <s522 OR ￡522 <五521 <￡51) AND 五51 <五532 <五531
THENwk = #531 (停止加热)； ^见则5: IF (五a <e522 < OR AND
THEN尺^二力^2 ( j亭止力口^i );
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。为便于知识的組织和应用， 规则结构定义如图8所示，专家系统规则库设计视图如图9所示，存储格式如图10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11 ,推理结果将作为专家控制系统的输出。
步骤14(U,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-(),则程序结束；若n>0，则判断激活规则数。
如果n-l,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。
然后需要实现温度系统组态监控。为了更为直观的得至!j低温烧结 段、高温烧结段各区的动态温度值，在Visual 0++环境下设计了连续 烧结炉温控系统的组态监控界面。
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，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RS2 32/ RS485转换器 ZW485C，与上位机互联。本技术方案釆取半双工方式，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，并由专家系统迅 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。高温段8区、9区、IO区的温度设定值分 别是1 05 0 。C、 1 2 5 0 °C、 1 2 2 0 °C,从分析结果可以看出三区温度分别变为1049。C、 1247 °C、 1214°C,和设定值分别相差rC、 rC和6 。C。低温段4区、5区、6区、7区的温度设定值分别是400。C 、 430°C、 480°C、 680°C, /人分析结果可以看出四个区的温度分别变为395. 72 °C、 427.03°C、 478.5°C、 678.63°C。温度差分别是4. 28 °C 、 2.97°C、 2.5 匸、1.37°C。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o
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。5区加热状态下对6区的影响。6区温度是478. 42 °C,和 设定值相差1.58。C。
5区不加热情况下，6区温度分析值为476. 86 °C , 与理-沦值相差3. 14°C 。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、不加辨两种 状态下对所分析区的影响。同样以第6区为分析对象，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 °C ,比设定值高出2.82 。C。 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 °C,与设定值的差是l. 86°C。
按照以上通过以上对各区温度场的分析，为专家系统的构建提供 了依据。
权利要求1.一种基于温度场分析的连续烧结炉组态监控系统，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处理信息的上位机，上位机包括通过ODBC连接的专家控制子系统和组态监控子系统。
2. 根据权利要求1所述的基于温度场分析的连续烧结炉组态监控 系统，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连续烧结炉组态监 控系统，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l个区，每个区对应设置有一传 感器和一固态继电器。
专利摘要本实用新型涉及烧结炉的温度控制系统，具体是一种基于温度场分析的连续烧结炉组态监控系统。一种基于温度场分析的连续烧结炉组态监控系统，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连接的专家控制子系统和组态监控子系统。本实用新型提供的基于温度场分析的连续烧结炉组态监控系统，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系统的开发，显著提高了温度控制的精度。
文档编号G05B13/02GK201344735SQ20082017376
公开日2009年11月11日 申请日期2008年10月16日 优先权日2008年10月16日
发明者曹树坤 申请人:济南大学