1，引言
工业炉是指在工业原材料的冶炼、加工或成品的制造过程中，为实现预期的物理变化所需要的加热装置。目前我国工业炉行业的能源消耗大、浪费严重，普遍存在过剩空气系数偏大的问题。这主要是由于工人的劳动强度较大，调节手段落后，难以保证理想的燃烧工况。因此提高热工检测与控制水平，具有很大的节能潜力。
工业炉自动化控制系统亦称工业炉基础自动化，系统的大小根据炉型、炉子大小而定，一般包括电气自动化、燃烧自动化和冷却自动化。对大型的步进式加热炉，以上系统不可缺少；对小型的加热炉、热处理炉来说，电气自动化内容就很少了，主要是燃烧自动化系统。我国大量投产的工业炉基本都采用PLC和相关温控仪表，这既满足了工艺对自动化系统的要求，又节省了工程造价，而且能很好地完成工艺参数的采集、控制与通讯功能。因此采用上位机连接PLC和温控仪表建立起来的自动控制系统是当前最可行的方式。
本解决方案采用组态王软件为上位软件，底层连接PLC、温控仪表、传感器等组成控制系统，针对工业炉行业特点，以报表、温控曲线为核心，优化工业炉生产控制，以达到节能减排的优化设计。
2，系统需求
工业炉按照行业用途可分为5大类（参考《工业炉手册》分类）：钢铁用炉、有色金属用炉、窑业用炉、化学工业用炉、环境保护用炉。按照应用来分：在铸造车间，有熔炼金属的冲天炉、感应炉、电阻炉、电弧炉、真空炉、平炉、坩埚炉等，有烘烤砂型的砂型干燥炉、铁合金烘炉和铸件退火炉等；在锻压车间，有对钢锭或钢坯进行锻前加热的各种加热炉，和锻后消除应力的热处理炉；在金属热处理车间，有改善工件机械性能的各种退火、正火、淬火和回火的热处理炉；在焊接车间，有焊件的焊前预热炉和焊后回火炉；在粉末冶金车间有烧结金属的加热炉等。工业炉行业炉子种类繁多，现场生产环境一般比复杂，各种工艺生产流程也不同，对于生产管理的侧重点也大相径庭，但是对于工业炉生产自动控制的要求都比较迫切。
图1是根据现在工业生产中燃烧过程总结的一般工艺流程：
根据工业炉生产流程，控制需求主要有以下几方面
1）根据工艺技术要求，要遵守可靠性高、经济、简便的原则。
2）整个运行过程可以实现计算机的远程监控，控制和管理，实现高质量，低成本，稳定可靠的运营方式。
3）要求完善的报表功能。能够方便的进行班报表、日报表、月报表、年报表的设置，完整的记录生产工程信息，能够提供完整设备运行数据记录和显示（设备的流量控制、压力控制、真空度等），实时报表显示工程运行中的各种运行信息，历史报表对生产工艺参数进行历史条件查询。提供数据的图形显示和趋势曲线显示，提供数据报警的实时显示和历史显示，并能够生成报表的形式。
4）控制系统可以完成炉温的测量和自动控制, 能够针对不同的生产材料设定不同的温度控制工艺并进行记录。在工业炉生产过程中，需要实现设定温度的实时设置，同时监测反馈温度信号，以曲线形式在控件上同步刷新，能够直观的展示温控过程。所以要求控件能够实现与温控仪表相结合。通过温控控件报表把设置的参数传输到温控仪表中，由温控仪表进行温度控制，实现组态监控。
5）产品的批次管理功能，批次管理是指产品从原材料投入到交付出厂的整个生产制造过程中，实行严格按批次进行的科学管理。工业炉的生产材料大多都是对于质量追溯有要求的，而成品的质量广泛的体现在工序的流转中，所以批次管理是一个很普通的要求。如钢铁冶炼的某个炉次，对于金属含量有质量要求；热处理的某个炉次，对于硬度和组织有要求。在自控系统中，要求系统能够针对不同物料的生产过程进行详细的批次记录，以利于后期的质量追溯；能够针对不同的生产材料提供详细的经验生产工艺。
6）要求系统具备报警功能，能进行实时报警提示，能实现声音报警通知，远程信息报警通知提示，能够对历史报警信息进行存储和查询。可以在控制过程中查看和修改各系统变量的报警参数。
7）实现人机对话，能够修改工艺参数, 并显示温度、时间等主要参数，能够与温控仪表结合实现PID参数调节，并可以在运行系统中进行 PID参数设置和计算。
8）能够实现炉子工作状态的动态模拟显示，能够直观的显示工业炉当前的生产运行状态，以及炉体上各种控制参数的当前值。
9）能够提供客户端远程数据访问功能。通过客户端工具，通过网络监控远程设备运行状态，确保远程设备运行正常。在Internet网络或局域网中将实时、历史、报警等数据以集成的方式进行发布，使用户可在IE中实现浏览。
3，系统方案
a） 3.1系统配置
监控系统从结构上可以分为监控层和管理层，监控层主要实现对现场生产的管理和控制，进行数据查看分析和历史记录，管理层可以查看生产进程中所有数据，能够对整个生产进行整体把握。控制层主要配置3套Kingview软件，两套作为冗余系统连接现场设备，作为IO服务器，实时与现场PLC、智能仪表直接进行数据交换，工艺下载和监控，一台作为报警服务器进行实时报警显示和记录，配置一套Kingview作为客户端，从IO服务器和报警服务器获取实时数据进行监视，配置一套Kingview作为组态王的历史记录服务器，存储控制过程中的各项性能参数进行记录和提供查询；管理层可以不需要安装组态软件，通过IE浏览器的方式在任何有网络连接的地方进行数据查看和分析。
b）3.2具体方案功能介绍
组态王是亚控科技根据当前的自动化技术的发展趋势，面向自动化市场及应用，以实现企业一体化为目标开发的一套产品。该产品以搭建战略性工业应用服务平台为目标，为企业提供对生产流程进行数据汇总、分析及管理的有效平台，使企业能够有效获取信息，及时做出反应，以获得最优化的结果。
1）数据采集
组态王目前能连接PLC、智能仪表、板卡、模块、变频器等上千种工业自动化设备。
在工业炉自动化系统中有的也用国外的DCS系统，但占量很少。我国大量投产的工业炉仍采用PLC、智能温控仪表来实现工业炉生产的控制。
PLC产品系列较多，根据不同的工业炉生产系统可以选择不同型号和厂家的PLC，组态王能够支持和全世界PLC生产厂家约200家，生产的300多种产品进行稳定的串口和以太网数据通讯。
工业炉生产控制中智能温控仪表的使用越来越多，常用的有日本岛电公司的温度控制仪，英国欧陆温控仪表，以及各种真空计、电压表、电流表等。组态王现有的驱动能够支持岛电FP、SR系列以及采用Shimaden Standard Protocol标准协议的岛电表设备；能够通过欧陆表标准通讯协议与欧陆808、818、900、590系列智能仪表之间的通讯，并支持标准的modbus协议与多种型号产品进行数据传输。此外，还能支持天津景欣碳控表、成都正华真空计等多种仪表。
除了串口、以太网连接方式，组态王还支持多种数据采集方式，支持GPRS/CDMA无线、ADSL有线等多种通讯方式。
2）控件实现温度控制
在工业炉生产过程中，需要实现设定温度的实时设置，同时监测反馈温度信号，以曲线形式在控件上同步刷新，能够直观的展示温控过程。所以要求控件能够实现与温控仪表相结合。通过温控控件报表把设置的参数传输到温控仪表中，工程变量把曲线参数和仪表寄存器关联，由温控仪表进行温度控制，实现组态监控。
组态王提供了标准的PID控件可以实现简单的PID控制，在某些对控制灵敏度要求不高的情况下可以代替PLC或者仪表实现PID的控制功能。PID控制主要用于电炉的温度控制，通过调节参数，控制温度的稳定。
组态王针对工业炉温度控制需求设计开发了温控报表和温控曲线控件。此控件更加符合工程开发者的使用习惯，控件以OCX控件形式存在，可被组态王开发系统与运行系统调用。温控曲线控件的功能主要是显示设定曲线和实时曲线，设定曲线的数据来自于数据库文件；而表格控件则负责设置设定曲线。用户通过表格控件操作数据库文件中的数据，添加、删除记录，数据库文件中的每一条记录对应显示曲线上的每一个控制段。
在工程开发阶段，表格控件能够与温控设备相关联，建立变量连接，在运行状态下，启动温度控制，可以实时将设置的分段温度下载到温控仪表中，实现温度的自动调节。
此温控曲线的特点有：
1) 一个温控曲线图表上可以同时绘制多达20条的实时曲线；
2) 曲线时间坐标轴的长度可以按照用户定义的时间参数来自动调整；
3) 曲线图表的格式设置内容广泛，形式多样，适用各种场合的要求；
4) 支持游标的使用，游标移动时可自动显示掠过的曲线点的数据；
5) 支持图例的名称定义，图例的显示和打印；
6) 曲线支持导航功能：放大、缩小、移动；曲线自动将绘制的实时曲线和参数曲线保存为历史数据，用户可在控制过程结束后查阅；
7) 用户可自由控制实时曲线的绘制启动和停止；
8) 最重要的功能：如果系统突然出现当机，当系统再启动后，曲线会调出当机前的实时曲线，然后按照实际时间继续绘制曲线，有效的保护了数据的完整性。
3）报表功能和数据存储查询
组态王为工程人员提供了丰富的报表函数，实现各种运算、数据转换、统计分析、报表打印等。既可以制作实时报表，也可以制作历史报表。组态王6.55版本，新增向导式报表功能，实现快速建立班报、日报、周报、月报、季报和年报表。
在工业炉控制系统中，组态王能够能够提供完整设备运行数据记录，对采集到的历史数据存放到数据库中，组态王6.53集成了对KingHistorian的支持，极大的提高了组态王的数据存储能力，能够更好的满足大点数用户对存储容量和存储速度的要求。设备运行数据能够生成报表进行定时或实时打印存档，实现资料建档追踪。查询时可实现精确、方便、快捷。
4）批次管理
做好批次管理，能确保产品从原材料进厂到出厂交付的每个环节，做到“五清六分批”。五清指批次清、数量清、质量清、责任清、生产动态清；六分批指分批投料、分批加工、分批检验、分批出厂、分批保管、分批装配。这样就能使在制品在周转过程中工序不漏、数量不差、零件不混，一旦发生质量问题能够迅速准确地查出原因，把返修报废的数量和用户使用的影响限制在最低程度。
在组态王提供了丰富的菜单、报表和命令语言功能，与温控曲线控件相互结合，可以实现批次管理中各项参数的方便记录和查询。
5）报警显示和记录
组态王是通过报警和事件这两种方式来通知操作人员过程的活动情况。组态王的事件驱动的报警方式和紧凑高效的结构使得报警信息可以被完整地记录，即使突然发生大量的报警也不会遗漏。
6）画面展示和web发布
组态王开发画面中包含了大量预先建立好的组合图形对象，比如控制按钮、指示表、阀门、电机、泵、管路和其他标准工业元件。图库中的元素称为“图库精灵”，使用“图库精灵”将极大地加快应用系统的构造。
组态王全面支持Internet/Intranet。通过组态王的web发布功能。允许在任何时间、任何地点查看工厂信息。通过Internet/Intranet，管理和生产人员可以方便地实现工厂信息可视化，并根据一定的权限进行不同的查询和操作。
7）安全管理，操作权限设置
组态王采用分级和分区的双重保护策略。应用系统中的每一个可操作元素都可以被指定保护级别（最大999级）和安全区（最多64个），在系统中设立不同的安全操作等级，针对不同的操作者设置相应的加密等级，以保证设备的安全运行。系统可以设置几种种用户操作等级，例如操作员级，此级别智能对设备操作、监视、历史数据查询，不可以对数据库进行管理以及修改工艺参数。可以管理员级，可以使用本系统的所有功能，并能够对操作员的权限进行在线管理。
4，结语
用组态王监控软件配套的工业炉控制系统，以其完善的人机交互性、可靠的设备通讯、安全有效的温控技术和先进的上位监控受到广大工业炉应用企业的青睐。上位监控系统的高可靠性和多功能性，满足了现场用户的各种生产工艺要求，使得系统的整体性能接近国外同类设备的先进水平。据相关统计，使用组态王配套的真空炉生产系统占据国内70%以上的市场份额，并且已经开始不断抢占国外工业炉应用市场。
