陶瓷烘房远程分布式自动化测控系统的研究与开发

李 博，刘 水

（西安捷达测控有限公司，陕西 西安 710199）

我国是世界上的陶瓷生产大国， 陶瓷产品已经应用到人们生活的方方面面， 陶瓷产品的种类层出不穷，如：日用陶瓷、建筑陶瓷、卫生陶瓷、高压电瓷等。 现代陶瓷产品生产工艺一般包含配料、炼泥、成型、干燥、施釉、烧成等环节，其中干燥是其工艺流程中非常重要的一道工序， 干燥制度控制的效果优劣会对最终陶瓷产品的合格率产生较大的影响[1]。干燥工序主要实现将陶瓷胚体的内部或者表面水分在一定的时间周期内按照合适比例的蒸发， 为了降低陶瓷胚体的干燥周期、提高胚体干燥的均匀程度，现代企业均采用陶瓷烘房对其进行实施科学的干燥制度曲线。 陶瓷烘房主要有隧道式、链式、对流辐射式三种， 目前主流的烘房都是采用对流辐射原理构建而成[2]。传统的烘房加热与排湿基本都依靠仪器仪表手动控制，这种控制方式体现出劳动强度大、调控精度低、干燥产品质量不稳定等缺点。

规模较大的陶瓷企业中烘房数量较多， 且烘房所在车间通常远离设备管理办公地点， 传统的手工控制或者本地仪器仪表控制方式中， 当烘房发生温度、湿度较大波动或者调控设备故障时，设备维护人员往往因不能及时发现而给企业带来较大经济损失。 近年来随着现场总线技术、通信技术、计算机技术、物联网技术等高速发展，很多先进自动化控制系统应运而生， 最具有代表性的就是分布式控制系统（Distributed Control System，简称DCS）。 DCS体现集中管理、分散控制的原则，它将工艺上分散各个地方传感信号实施检测并发送到控制中心进行集中运算管理， 最后再将控制信号发送给各个站点进行分散控制[3]。本文拟采用分布式控制系统理论研究与开发陶瓷烘房远程自动化测量与控制系统， 该系统以层次化的方式设计与实现， 它一方面实现烘房现场本地自动化稳定可靠的自治控制， 另一方面利用工厂高速网络可以将烘房现场的测控画面远程传输到设备维护人员办公室中进行实时查看与监控， 这样一旦某个烘房出现设备故障时， 设备维护人员可以及时发现并快速到现场处理， 这使得陶瓷企业的产品干燥质量得到最大程度的保障。

1 烘房测控原理

不同种类的陶瓷企业其烘房类型、外形、工艺有所差异，但其控制原理都基本相同，都是根据干燥陶瓷胚体后续工艺所需要的强度对其按照一定的温度、湿度曲线进行烘干处理。本文以现代企业用得较多的直燃式陶瓷烘房进行论述， 其单个烘房的结构与组成如图1所示，它一般由干燥室、热风管路、点火器、燃烧机、热循环机、湿气管路、排湿风机及调节阀门等组成[4]。

图1 直燃式陶瓷加热烘房组成原理结构

其测控原理描述如下：陶瓷烘房的主体为干燥室，它的外形为长方体，内部规则地摆放陶瓷胚体，干燥室外围有一台非常重要的给空气加热的燃烧机，烘房开始运行时，需要通过点火器启动其燃烧，并监视其是否有火，中途万一燃烧机熄火，点火器会立刻切断燃气的供给，以防爆炸事故的发生。热循环机的作用是将空气由燃烧机加热通过热风管路从干燥室底部进入对胚体进行缓缓加热， 通过连接到顶部的热风管道再重新回到热循环机的进口， 确保热量最大程度地在烘房内部循环。 随着干燥室内部温度的升高，陶瓷胚体慢慢排出水蒸气，使得湿度迅速增加，排湿风机启动后通过排湿管路将蒸汽从烘房顶部抽走[5]。整个烘房的运行必须要按照胚体的干燥温度曲线、湿度曲线进行，其调节主要依靠热风阀门与排湿阀门通过PID算法完成， 其算法数学表达式如式（1）所示。

式中：Kp为比例系数，无量纲；TI为积分时间常数，s；TD为微分时间常数，s；t为烘房运行的某一时刻，s；e（t）为实时测量的温度和湿度与设定的温度和湿度的偏差数值，℃（温度）或者RH（湿度）；系统控制的目标就是使得整个烘房测控过程中e（t）尽可能的小，甚至为0；mv（t）为最终的调节热风阀门或者排湿阀门的输出开度值，%。

2 烘房远程分布式控制宏观架构设计

陶瓷企业的烘房通常有很多间， 且可能分布在车间不同地点， 为了降低测量与控制软硬件成本以及设备管理维护成本， 企业希望将这些烘房在同一个系统中可以同时查看与操作。 根据分布式控制系统（DCS）分散测量、集中控制的理论，结合现代物联网远程终端多点操作便利的思想， 设计出的陶瓷企业烘房远程分布式控制宏观架构如图2所示。

图2 烘房远程分布式控制宏观架构图

本DCS系统宏观结构从下到上主要由自治站点、中心站点及远程站点组成，下面分别进行论述：

（1）DCS自治站点

它位于DCS系统的最底层， 为陶瓷企业干燥车间若干台本地烘房构建的相对独立自主自动控制系统。 每一台烘房的自治站点的核心控制器为一台功能强大的微型PLC，它通过I/O、A/D、D/A等单元连接到烘房的温度传感器、湿度传感器、燃烧机控制器、热风调节阀门、排湿调节阀门等，在实现脱离外界干预的前提下根据温度、湿度曲线制度本地自治运行。 PLC具备RJ45网络接口可以跟上层DCS控制中心站点进行实时通信并接受来自中心站点或者远程站点的命令[6]。HMI为本地自治站点的用户操作人机界面，它通过串口跟PLC短距离直接通信，它可以设置烘房的干燥曲线及PID算法调控参数，可以查看本站点烘房的所有传感器测量值， 可以设置烘房的干燥温度与湿度曲线制度。

（2）DCS中心站点

它位于DCS系统的中间层， 是陶瓷烘房分布式控制系统的核心层，是整个系统的控制中心。中心站点通过工业以太网跟整个企业分布在不同区域的陶瓷烘房自治站点进行实时通信采集数据并对其实施智能控制。 中心站点其实是一台或者多台功能强大的服务器工业计算机，内部安装陶瓷烘房DCS服务端软件系统，内含数据库服务器软件。 通过中心站点，可以对企业所有烘房的运行实时状况一览无遗，可以统计干燥日产量、月产量、年产量等重要数据。 另一方面，中心站点还给上层即远程站点提供数据服务，是远程站点实现对自治站点测量与控制的桥梁与纽带。

（3）DCS远程站点

它位于本分布式控制系统的最高层， 它的设计与应用体现出本系统跟传统手动控制或者计算机单机控制系统比的优势所在。 远程站点给该企业中跟陶瓷烘房使用与维护密切相关的人员如热工技术人员、设备维护人员、生产管理人员等提供了极大的方便， 其不需要到现场就可以对企业内所有的陶瓷烘房实时运行状况清楚掌握[7]。远程站点为本系统提供给用户使用的PC机客户端或者手机APP客户端，可以很方便地随时随地远程查看系统多烘房的温度、湿度、阀门的实时采集数据与控制参数，必要时通过远程画面给现场发送控制指令。 远程站点与中心站点可以通过有线或者无线网络连接， 如LAN、WIFI、4G或者5G通信方式。

3 烘房远程分布式自动化测控系统软件设计

本DCS系统采用层次化设计架构， 故每一层都有对应软件的设计，其包含自治站点PLC程序设计、中心站点服务器端软件设计及远程站点客户端软件设计。

3.1 自治站点PLC程序设计

陶瓷烘房的自治站点控制核心为PLC，需要编写对应的程序实现采集烘房的温度、 湿度及火焰状态信号， 同时根据算法运算给相关设备与阀门发送控制信号[8]。根据PLC的逻辑控制与扫描循环工作原理，设计出如图3所示的单个烘房自治站点的PLC程序流程图。

图3 单个烘房自治站点PLC程序流程图

该流程图主要包含的模块与功能描述如下：（1）PLC上电初始化模块。该模块执行烘房DCS系统上电后， 初始化主要包括时间计数器、 模拟量上下限量程、PID算法参数、 数字滤波参数、 通信IP地址等参数。 （2）烘房信号采集模块。 本模块主要实现将烘房现场的传感器信号包括燃烧机火焰状态、 热循环机开关、排湿风机开关、温度模拟量输入及湿度模拟量输入等信号采集送入到PLC的寄存器中。（3）数据滤波转换模块。 该模块实现对所有PLC采集的数据进行数字滤波，通常采用递推平均值滤波算法，其需要将所采集的模拟量数据放入到一个数组队列中进行平均处理得到目标值。（4）烘房算法控制模块。本模块包括逻辑控制算法与PID控制算法，它为PLC程序设计中最为重要部分， 使得测量温度与湿度动态跟随烘房胚体工艺设定曲线制度要求。（5）烘房控制输出模块。本模块是采用算法控制运行后，将逻辑控制结果发送到PLC开关量输出通道中或者将PID调控值发送到PLC模拟量输出通道中去。 （6）烘房通信响应模块。 本模块为DCS系统各层进行交流的信息通道， 它一方面将烘房当前的运行状态实时上传给上层站点， 另一方面可接收上层站点的控制指令并立刻执行。

PLC程序中应用逻辑控制与PID算法的前提是采集得到的数据必须可靠， 本系统采用的递推平均值滤波算法，其数学表达式如式（2）所示：

Dn-i—未经滤波的第n-i次采样值，℃（温度）或者RH（湿度）

N—算法的递推平均项数，次

其算法采用PLC中的ST语法代码编写如下：

3.2 中心站点服务器端软件设计

中心站点服务器端软件为陶瓷烘房DCS系统的控制与远程通信服务的核心单元， 它主要由应用程序服务器与数据库服务器组成， 它跟远程站点的软件形成Client/Serve架构。 为了提高系统通信响应的实时性，服务器端软件采用多线程（Multi-Threading）的技术进行设计， 包括一个主控线程与两个上下层通信线程，其线程与模块结构如图4所示。

图4 中心站点服务器端软件线程与模块结构示意图

设计的中心站点服务器端软件主要包含如下线程与模块，其功能与内容描述如下：

（1）中心站点主控线程。该线程在整个服务器系统中起到主调度控制作用， 它首先根据系统是否有通信事件来确定是否需要切换相应的其他线程进行通信处理， 然后根据其他一般事件或者用户的操作动态选择其他模块执行。 （2）远程站点通信线程。 该线程主要实现服务器端跟上层站点客户端软件进行通信处理，它主要是处理远程PC机客户端或者手机APP客户端的通信请求并提供数据或者执行远程指令服务。 （3）自治站点通信线程。 该线程主要实现服务器端跟下层站点PLC进行通信处理， 它主要以定时轮询的方式向各个陶瓷烘房站点PLC请求其运行所有传感器数据， 且可以发送用户远程控制命令。（4）用户管理模块。企业中陶瓷烘房控制管理的部门比较多，不同部门的业务有所差异，本模块为系统提供基于角色的访问机制，不同的用户权限不一样，所见到的界面也不一样， 客户端的用户角色跟服务器端完全一致。 （5）调控参数模块。 该模块实现对各自治站点的燃烧机点火、温度PID、湿度PID设置调控参数，系统动态监控自治站点控制效果，必要时自动或者由操作人员手动发送优化经验参数。（6）数据管理模块。该模块实现将各个自治站点的测量温度、设定温度、热风阀门、测量湿度、设定湿度、排湿开度等采集或者控制数据记录到后台数据库服务器中， 方便用户在服务端查询、分析、决策。 （7）故障诊断模块。该模块实现对各个自治站点陶瓷烘房发生异常时（如熄火、温度偏差大、湿度偏差大）进行推理诊断，最后给用户提示发生故障的原因， 方便设备维护人员快速定位故障并进行排除。 （8）场景画面模块。 该模块是本DCS系统中非常重要的人机接口画面，它通过虚拟现实的方式将自治站点所有的烘房场景显示出来， 在该场景画面上可以直观地看到每台设备的测量与控制数据。 （9）烘房制度模块。 该模块实现可以编辑或者查看陶瓷烘房的温度设定曲线、 湿度设定曲线等制度参数。 不同类型的陶瓷胚体其干燥曲线不一样， 这个需要由热工专家提前确定并输入到系统中。（10）动态曲线模块。该模块实现了将陶瓷烘房采集来的数据显示成实时跟踪曲线， 将设定温度与测量温度、 设定湿度与测量湿度在同一个坐标系中展现出来， 用户可以直观地看出系统的调控品质。（11）打印报表模块。该模块实现将DCS系统所有陶瓷烘房的设定曲线、记录数据、动态曲线形成报表打印出来，方便用户归档。

中心站点软件中最重要的就是上下层通信编程，本系统为了适应绝大部分PLC厂家通信标准，采用国际上广泛使用的Modbus RTU/TCP协议。 Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网、485总线）和其它设备之间可以通信[9]。 它已经成为通用工业标准。 Modbus RTU协议数据帧主要包含从站号、功能码、数据、CRC16校验码等内容，其格式见表1。

表1 Modbus协议数据帧格式

例如中心站点RS485通信接口从自治站点为5号烘房的PLC中读取21号保持寄存器中温度值与湿度值，其发送的查询16进制数据帧为：

[05][03][00][15][00][02][HB][LB]

如果5号烘房内温度值为63 ℃、 相对湿度为56%，则自治站点PLC返回的16进制数据帧为：

[05][03][04][00][3F][00][38][HB][LB]

其中HB与LB为16进制的CRC16计算的校验码的高字节与低字节。 从报文的首字节至数据区的最末字节以CRC16 方法计算出的校验和。

采用Delphi实现CRC16校验算法代码如下：

需要说明的是中心站点跟远程客户端站点通信采用Modbus TCP协议，它跟Modbus RTU类似，由于互联网TCP/IP本身就是可靠通信，因此需要去掉表1中2个字节的CRC16校验。

3.3 远程站点客户端软件设计

远程站点主要包含手机APP与PC客户端， 该站点为了方便用户远程实时查看企业所有陶瓷烘房实时运行状况，其线程与模块结构如图5所示，它主要由远程站点主控线程、中心站点通信线程、调控参数模块、用户登陆模块、数据查询模块、烘房制度模块、动态曲线模块及场景画面模块等组成。 这些模块的内容与功能跟中心站点中的模块功能类似， 此处限于篇幅，不再重复论述。

图5 远程站点客户端软件线程与模块结构示意图

考虑到陶瓷烘房是企业生产的关键设备，远程站点用户必须是服务器端授权访问的用户，其测量与控制权限可以由服务器端管理员随时打开与关闭。

4 系统开发与应用

运用本文提出的远程分布式分层测控架构理论为国内某陶瓷厂15间半成品干燥烘房进行了实际的开发与应用。 系统的底层为每个烘房相对独立的自治站点，其由PT100-804型热电阻温度计、SD212-V3型湿度计、 百得BALTUR-BTG20型燃烧机、 欧姆龙CP1H PLC、威纶MT8071iE型HMI组成。 自治站点的每一个烘房的PLC采用循环子程序共享数据区的方式设计，热风阀门与排湿阀门通过增量式数字化PID算法控制。

中心站点服务器端软件采用Embarcadero公司的Delphi XE 10.3 Community Edition开发设计而成，后台数据库采用MySQL 5.6运行环境， 系统设计的15间烘房联合主控画面如图6所示。 该画面中可以显示所有陶瓷烘房当前的实时温度值、湿度值、开度值以及开关量的输入输出状态，点击相应的烘房按钮，可以进入如图7所示的该单个烘房实际运行制度曲线与PID画面，其实时显示温度、湿度制度曲线的调控趋势进展状况，必要时用户可以进行手动干预操作调整。

图6 中心站点系统所有烘房联合主控画面

图7 单个烘房实际运行制度曲线与PID画面

系统远程站点的PC客户端与手机APP画面跟服务器端的画面类似，包含了主控画面、调控数据、故障显示及趋势曲线等，限于篇幅不再叙述。

5 系统特点与创新

传统的陶瓷烘房都是采用手动或者计算机本地DCS直接控制， 本系统则采用三层架构对陶瓷烘房进行远程分布式自动化测控， 所有的远程客户端APP都是通过中心站点的获取任一烘房的事实运行工况，必要时可以进行远程修改调控参数。这一特点使得工程技术人员不用到现场， 通过远程电脑客户端或者手机客户端就可以对现场若干陶瓷烘房实现高效实时管理与控制。

因中心站点与远程站点的连接采用公共网络WIFI/4G/5G的通信网络， 考虑到系统的安全性与可靠性， 需要对中心站点与远程站点的传递信息进行加密处理， 本系统采用国密SM4算法对发送端与接收端信息双向加密与解密，其原理如图8所示。

图8 采用国密SM4算法双向加密与解密原理图

SM4算法加密过程是通过初始密钥对明文进行32轮（round）变换处理，每轮即会有一个新的轮子密钥[10]。 设各轮的轮子密钥为rki∈GF（232），i=0,1,2,…,31，rki为32位二进制，每轮的迭代函数为F，则SM4加密算法计算如式（3）所示。

算法中I为明文，Q为密文，且I与Q都包含4个字的四元组，且I∈（GF（232））4、Q∈（GF（232））4，GF表示有限域。

SM4算法的解密过程正好是式（3）的反向操作。

6 结论

远程分布式控制系统采用层次化的设计方式可以将复杂的陶瓷企业若干烘房集中控制问题简单化，它以自底而上的方向构建，先设计每个陶瓷烘房的相对独立的本地自治测控系统， 然后通过企业网络接口进行集中汇聚到中心站点统一管理与控制，最后通过企业LAN/4G/5G扩展到远程PC站点或者手机APP站点， 方便企业领导与工程师进行远程实时监控所有陶瓷烘房运行状况与干燥进展情况， 这种方式大大提高了企业技术人员效率、 降低了设备故障与维修的停摆时间。

本系统在国内某陶瓷企业运行一年多来， 通过操作人员的使用反馈得知， 跟传统手动或仪器仪表辅助测控的陶瓷烘房相比， 本远程分布式测控系统极大地降低了工人的劳动强度， 改善了工人的劳动环境，提高了陶瓷胚体的干燥质量，为其他行业的干燥设备自动化测控提供了较好的示范模板， 具备较好的推广应用价值。