陶瓷窯爐廣泛應(yīng)用于各種陶瓷的生產(chǎn)中.是最關(guān)鍵的設(shè)備之一，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動控制技術(shù)的飛速發(fā)展。大部分的新建窯爐都采用了以智能儀表、PLC、變頻器、比例閥、液壓等等的手段來實(shí)現(xiàn)陶瓷燒成過程的自動化控制。甚至應(yīng)用組態(tài)技術(shù)來顯示溫度及溫度曲線、溫度報警、數(shù)據(jù)及故障歷史保存、打印數(shù)據(jù)報表，遠(yuǎn)程調(diào)教等工廠生產(chǎn)管理功能。那么，陶瓷窯爐最關(guān)鍵的指標(biāo)就是溫度控制能力。
1、SWP系列閥位控制調(diào)節(jié)器簡介
由于溫度是大慣性系統(tǒng)，在眾多的陶瓷寬斷面隧道、輥道窯爐的溫度控制系統(tǒng)中，現(xiàn)普遍采用由單片機(jī)開發(fā)的帶PID控制功能的溫度調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)。SWP系列智能調(diào)節(jié)器適用于需要進(jìn)行高精度測量控制的系統(tǒng)，可根據(jù)被控對象自動演算出較佳PID控制參數(shù)。
2、溫控系統(tǒng)
陶瓷窯爐分為預(yù)熱排煙區(qū)、升溫過渡區(qū)、燒成氧化區(qū)、急冷區(qū)、過渡緩冷區(qū)和尾部直冷區(qū)六部分。在預(yù)熱排煙區(qū)是將陶瓷坯體的殘余水分排出并逐漸加熱；在升溫過渡區(qū)是將發(fā)生物理轉(zhuǎn)化和化學(xué)反應(yīng)，排出結(jié)晶水，坯體中殘留的有機(jī)物充分氧化分解；在燒成氧化區(qū)采用高速燒嘴，按實(shí)際需要量自動比例供給天然氣與助燃風(fēng)，使燃料充分燃燒，提供充足的陶瓷燒成氣氛，并要求溫度控制準(zhǔn)確；在急冷區(qū)是自動吹進(jìn)適量的冷風(fēng)進(jìn)行產(chǎn)品冷卻；在過渡緩冷區(qū)是冷空氣進(jìn)入窯爐內(nèi)與燒制的陶瓷制品散發(fā)出來的熱量進(jìn)行交換形成熱風(fēng)隨抽風(fēng)口排出；在直冷區(qū)是冷卻風(fēng)機(jī)直接吹進(jìn)小壓力大流量的冷風(fēng)進(jìn)行快速冷卻。
由于關(guān)鍵溫度的控制主要是在升溫區(qū)和燒成區(qū)，所以僅在這兩個區(qū)采用SWP系列閥位控制調(diào)節(jié)器與電動執(zhí)行器構(gòu)成溫度控制系統(tǒng)。如圖1的窯爐升溫區(qū)和燒成區(qū)結(jié)構(gòu)模型，圖2的SWP系列智能儀表的分布示意圖。
圖1 窯爐升溫區(qū)和燒成區(qū)結(jié)構(gòu)模型
圖2 SWP系列智能儀表在窯爐上的分布圖
3、儀表的控制方式
SWP系列智能調(diào)節(jié)器有模擬量控制輸出、開關(guān)量輸出等不同形式的輸出方式。陶瓷窯爐一般采用繼電器正、反轉(zhuǎn)接點(diǎn)輸出形式到控制燃?xì)忾y門的執(zhí)行器電機(jī)，控制閥門開度的大小，實(shí)現(xiàn)流量控制，故選用閥位控制調(diào)節(jié)SWPND825-820-23-HL，儀表控制接點(diǎn)容量為3A/220V，電氣使用壽命100000次以上，工作周期(PID調(diào)節(jié))可在0-200s內(nèi)選擇，精度達(dá)到10ms。閥位控制調(diào)節(jié)器在自動控制輸出時，將根據(jù)PID控制算法，當(dāng)控制輸出量百分比小于反饋值時，儀表輸出反轉(zhuǎn)，直至控制輸出量等于反饋值。當(dāng)控制輸出量百分比大于反饋值時，儀表輸出正轉(zhuǎn)，直至控制輸出量等于反饋值。
陶瓷窯爐的熱源一般是采用天然氣和空氣混合通過專用高速燃燒噴嘴實(shí)現(xiàn)，根據(jù)化學(xué)燃燒反應(yīng)，計(jì)算準(zhǔn)確地空氣與天燃?xì)獾谋壤担捎孟鄳?yīng)的天燃?xì)夤軌汉椭硷L(fēng)壓。
陶瓷窯爐的升溫區(qū)和燒成區(qū)采用七組燃燒點(diǎn)自動比例雙控式，即自動控制助燃風(fēng)、自動控制天然氣。工作原理：閥位控制調(diào)節(jié)器、自動執(zhí)行器和熱電偶互通構(gòu)成溫度控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在閥位控制調(diào)節(jié)器上設(shè)定需要的溫度，確認(rèn)輸入后即自動投入調(diào)溫狀態(tài)，熱電偶分別安裝在各個溫區(qū)，將探測的溫度數(shù)據(jù)反饋給智能儀表，閥位控制調(diào)節(jié)器進(jìn)行偏差計(jì)算、PID控制調(diào)節(jié)輸出指令給自動執(zhí)行器，自動執(zhí)行器根據(jù)接收到的指令信號，驅(qū)動執(zhí)行馬達(dá)進(jìn)行比例調(diào)整助燃風(fēng)、天然氣的流量，保證均衡的燒成氣氛和穩(wěn)定的溫度控制指標(biāo)。如圖3所示SWP系列閥位控制調(diào)節(jié)器與電動執(zhí)行器構(gòu)成溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖3 SWP系列閥位控制調(diào)節(jié)器與電動執(zhí)行器構(gòu)成溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
4、儀表PID調(diào)節(jié)
由于陶瓷窯爐的燒成制度與工藝要求，控制的溫度波動值要小于±3℃。所以對溫度控制器的調(diào)節(jié)精度提出苛刻的要求。SWP系列閥位控制調(diào)節(jié)器采用經(jīng)典PID算法，通過使用有限周期法，強(qiáng)制改變操作變量來測定控制系統(tǒng)的特性，以確定最佳的PID參數(shù)，因此完全滿足陶瓷窯爐溫度控制的精度要求。在閥位控制調(diào)節(jié)器上設(shè)定需要的溫度，確認(rèn)輸入后即投入自動到自整定調(diào)溫狀態(tài)。
4.1 PID三個基本參數(shù)在實(shí)際控制中的作用
①P-比例調(diào)節(jié)作用：按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用以減少偏差。
②I-積分調(diào)節(jié)作用：使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)偏差。若有偏差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無差積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一定值。
③D-微分調(diào)節(jié)作用：反應(yīng)系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預(yù)見性，能遇見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還未形成前，已被微分作用消除，因此，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。
4.2 PID三個基本參數(shù)在溫度控制中的人工調(diào)整
在實(shí)際的陶瓷窯爐溫度控制中，由于各點(diǎn)溫度受窯內(nèi)壓力、胚體形狀尺寸及干濕度、噴嘴的位置燃料熱值及成分的不同等因素的影響。整個窯爐內(nèi)溫度控制面臨著著多變量偶合、大慣性、滯后時間常數(shù)大、非線性等干擾因素?，F(xiàn)實(shí)際應(yīng)用中普遍以PID方式對在各噴嘴進(jìn)行分散控制，由于多種變量的藕合結(jié)果，使PID的參數(shù)在整定上極為復(fù)雜而且控制反應(yīng)速度慢，超調(diào)量過大，控制效果不能達(dá)到理想的陶瓷燒成溫度控制要求，對產(chǎn)品質(zhì)量存有一定的影響。PID控制參數(shù)多是先確定采樣周期，再調(diào)整比例系數(shù)，然后是積分常數(shù)，最后是微分常數(shù)。對于溫度控制系統(tǒng)的采樣周期一般為10-20s。
SWP系列智能閥位控制調(diào)節(jié)器采用經(jīng)典PID算法，能很快速的將偏差調(diào)整到穩(wěn)定控制狀態(tài)，但在大擾動、階躍性干擾時可能會出現(xiàn)自整定緩慢，控制效果不理想情況。出現(xiàn)類似上述情況時調(diào)節(jié)器給出了人工調(diào)節(jié)方式，使系統(tǒng)快速恢復(fù)正常自整定運(yùn)行。在后期使用昌暉人工智能閥位控制調(diào)節(jié)器后，該儀表先進(jìn)的人工智能算法，在實(shí)際應(yīng)用中效果很好，達(dá)到無超調(diào)和欠調(diào)。如圖4 PID控制人工調(diào)節(jié)方法。
圖4 SWP系列PID控制人工調(diào)節(jié)方法
5、儀表的通訊
SWP系列閥位控制調(diào)節(jié)器的通訊協(xié)議為二線制、三線制或四線制(如 RS485、RS323、RS422等)，波特率300-9600bps可由儀表內(nèi)部參數(shù)自由設(shè)定。接口與主機(jī)采用光電隔離，提高了系統(tǒng)的可靠性及數(shù)據(jù)的安全性。通訊距離可達(dá)1公里。上位機(jī)可采集各種信號與數(shù)據(jù)，構(gòu)成管理和控制系統(tǒng)。配用工控組態(tài)軟件，可實(shí)現(xiàn)多臺SWP系列智能儀表與一臺或多臺計(jì)算機(jī)進(jìn)行聯(lián)機(jī)通訊，系統(tǒng)采用主—從通訊方式，能方便的構(gòu)成各種能源管理和控制系統(tǒng)。整個控制回路只需一根二(三、四)芯電纜，即可實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通訊，上位機(jī)可呼叫用戶設(shè)定的設(shè)備號，隨時調(diào)用各臺儀表的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并可進(jìn)行儀表內(nèi)部參數(shù)設(shè)定。本項(xiàng)目中儀表全部選用二線制RS485通訊。
6、成果
自SWP系列閥位控制調(diào)節(jié)器應(yīng)用到某骨質(zhì)瓷有限公司的陶瓷素?zé)?、釉燒和輥道窯爐中，獲得了很好的溫度控制效果，達(dá)產(chǎn)達(dá)效時間快而且起到節(jié)能降耗作用，收到良好的經(jīng)濟(jì)效益。
作者：胡偉、王建民，河北聯(lián)合大學(xué)電氣工程學(xué)院。
