鐘清蓮

（江西陶瓷工藝美術(shù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西景德鎮(zhèn)333000）

0 引言

溫度是工業(yè)生產(chǎn)中重要的被控參數(shù)，在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、機(jī)械制造等許多領(lǐng)域中，人們都需要對溫度進(jìn)行檢測和控制。在陶瓷生產(chǎn)燒成過程中，溫度是其重要的被控參數(shù)，能否對溫度實(shí)行有效控制，直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量問題。

陶瓷窯爐是陶瓷工業(yè)中的關(guān)鍵設(shè)備，在陶瓷燒成過程中，陶瓷坯體進(jìn)入窯爐設(shè)備，通過控制技術(shù)保證工藝參數(shù)。傳統(tǒng)的對窯爐溫度控制大多采用熱工儀表控制。實(shí)踐過程中我們發(fā)現(xiàn)熱工儀表控制效果并不是十分理想，這是由于窯體本身是一個(gè)非線性強(qiáng)、時(shí)滯大、慣性大的被控對象。近年來，隨著控制技術(shù)的發(fā)展，特別是大量智能儀表的問世，智能儀表控制成為一種新型的控制器廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制中，因此研究將智能控制儀表應(yīng)用于陶瓷工業(yè)窯爐的溫度控制從而提高控制效果具有十分重要的意義。

1 輥道窯工作原理

用輥道窯生產(chǎn)陶瓷時(shí)，不同的產(chǎn)品需要不同的燒成制度。

溫度方面：950℃之前處于預(yù)熱段，制品升溫速度很快；到燒成段以后升溫速度減慢，在最高溫1300℃保溫一段時(shí)間；開始冷卻經(jīng)一個(gè)急冷階段，最后冷卻完畢出窯。

氣壓方面，因?yàn)橛信艧燂L(fēng)機(jī)將窯內(nèi)煙氣向窯頭方向抽出，預(yù)熱帶前段是負(fù)壓。在7號工位與9號工位之間窯內(nèi)為0壓，往后是正壓，保溫階段達(dá)到最大值。急冷段為微正壓，后面的氣壓開始下降，到窯尾基本與大氣環(huán)境氣壓相同為0。

氣氛方面，隨產(chǎn)品型號不同有所變動(dòng)，建筑陶瓷一般保持氧化氣氛燒成。窯頭附近與大氣相通無氣氛要求，300℃之后要求一般氧化氣氛，950℃之后強(qiáng)氧化氣氛，1020℃之后到燒成溫度和保持階段為一般氧化氣氛，冷卻階段為氧化氣氛。

本文所涉及的輥道窯全長66米，全窯共分33節(jié)（見圖1），其中第1-7節(jié)為排煙段，由上下各4對排煙管分布在窯頂和窯底，由排煙風(fēng)機(jī)A抽出來自燒成段的煙氣。抽出的煙氣一部分排空，一部分送至干燥器供生坯預(yù)熱干燥。第8-15節(jié)每節(jié)輥上下各設(shè)一個(gè)燒嘴，第11-15節(jié)每節(jié)輥上下各設(shè)有一對燒嘴，所有燒嘴均采取對側(cè)交錯(cuò)布置。第16-20節(jié)為高溫成瓷區(qū)，燒嘴布置較密，每節(jié)輥上下交錯(cuò)設(shè)置兩對燒嘴。煤氣由煤氣站B經(jīng)煤氣總管與支管分別送入各燒嘴，助燃空氣則由風(fēng)機(jī)C經(jīng)風(fēng)管送入燒嘴；第21-22節(jié)為急冷段，由急冷風(fēng)機(jī)D將冷風(fēng)由輥上下的8對急冷風(fēng)管噴入窯內(nèi)，對制品上下吹風(fēng)進(jìn)行急冷；第23-30為緩冷段，在第31-33節(jié)每節(jié)窯體上下都設(shè)有抽熱風(fēng)分管，由抽熱風(fēng)機(jī)E從總管中將進(jìn)入分管的余熱風(fēng)抽出，與預(yù)熱帶排煙段排出的煙氣混合后，作為干燥器的熱源。在最后一節(jié)的窯體上下各設(shè)三臺軸流風(fēng)扇，對吹產(chǎn)品風(fēng)強(qiáng)制快冷，使產(chǎn)品出窯溫度不致過高。

圖1 66米煤氣明焰輥道窯的工作原理Fig.1 Principle of the 66m open fire roller gas kiln

2 方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的總體思路是采用溫度傳感器（熱電偶）檢測出窯內(nèi)溫度，其測量結(jié)果送入智能儀表中（見圖2），智能儀表的輸出信號送入角執(zhí)行器，角執(zhí)行器根據(jù)信號的大小改變來調(diào)節(jié)閥門控制燒嘴的開口大小，達(dá)到控制窯內(nèi)溫度的目的。同時(shí)壓力傳感器檢測出窯內(nèi)的壓力并送入變頻調(diào)速器，變頻調(diào)速器控制排煙風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速從而達(dá)到控制窯壓的目的。該設(shè)計(jì)主要解決以下幾方面的問題：

(1)合理選擇熱電偶測量各溫度段的溫度；

(2)合理選擇壓力傳感器，以適應(yīng)各段壓力的檢測；

(3)合理選擇噴嘴。閥門等，實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)控制；

(4)合理選擇控制器，對傳動(dòng)速度進(jìn)行控制。

2.1 熱電偶

傳感器技術(shù)在當(dāng)代科技領(lǐng)域中占有十分重要的地位。眾所周知，如果沒有傳感器提供準(zhǔn)確、可靠的信息，計(jì)算機(jī)控制就難以實(shí)現(xiàn)，因此傳感器技術(shù)直接影響到自動(dòng)檢測技術(shù)及其他多種技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

圖2 陶瓷窯爐智能儀表控制方案Fig.2 Design of the control system using an intelligent instrument

陶瓷窯爐溫度傳感器一般選用熱電偶，本設(shè)計(jì)根據(jù)溫度段的不同選用不同型號的熱電偶，具體配置參見圖1。熱電偶的熱電勢隨著感溫端的溫度增高而增大，它的大小只與熱電極的材料及熱電偶兩端的溫度有關(guān)，而與熱電極的長度和直徑無關(guān)。熱電偶的靈敏度是指加熱點(diǎn)溫度變化1℃時(shí)，輸出電位差的變化量。對于大多數(shù)金屬材料支撐的熱電偶而言，這個(gè)數(shù)值大約在5～40微伏/℃之間。

2.2 壓力傳感器

輥道窯的壓力檢測主要是窯內(nèi)壓力曲線的檢測。一般是沿窯長設(shè)置若干在窯車平面高度處的測壓管。由于壓力曲線僅在窯爐調(diào)試時(shí)才需要詳細(xì)了解和調(diào)整，故經(jīng)常檢測的僅限于幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，如燒成帶與預(yù)熱帶交接處，燒成帶與急冷帶的壓差等。

在設(shè)計(jì)時(shí)，選用了MOTORLA生產(chǎn)的MPX系列壓力傳感器，主要考慮到兩個(gè)方面的因素：一方面，MPX系列壓力傳感器性能優(yōu)良、價(jià)格低廉、種類繁多；另一方面，本設(shè)計(jì)使用的MPX系列壓力傳感器、微控制器及開發(fā)板都是MOTOROLS的產(chǎn)品，三者之間易于實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)和匹配。

2.3 智能儀表

本窯溫度調(diào)節(jié)器采用YM808智能工業(yè)調(diào)節(jié)器/溫度控制儀，該儀表是一種高性能高可靠性的智能型工業(yè)調(diào)節(jié)儀表，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、化工、陶瓷、輕工、冶金、石化、熱處理等行業(yè)的溫度、流量、壓力、液位等的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

YM808智能工業(yè)調(diào)節(jié)器/溫度控制儀的特點(diǎn)：

（1）熱電偶熱電阻模擬量頻率脈沖等多種信號自由輸入量程自由設(shè)置；

（2）軟件調(diào)零調(diào)滿度冷端單獨(dú)測溫放大器自穩(wěn)零顯示精度優(yōu)于0.2%FS；

（3）模糊理論結(jié)合傳統(tǒng)PID方法控制快速平穩(wěn)，有多種先進(jìn)自整定方案自由可選；

（4）輸出自由可選繼電器觸點(diǎn)SSR驅(qū)動(dòng)電平可控硅過零和移相脈沖模擬量另附一路；

（5）模擬量輸出和二路可定義的報(bào)警觸點(diǎn)輸出輸出值可限定一機(jī)多用無須選型；

（6）附加加熱器斷線或控制環(huán)斷線報(bào)警功能，所有參數(shù)顯示均可屏蔽，方便用戶使用。

2.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

本設(shè)計(jì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用的是由重慶川儀總廠有限公司川儀十廠生產(chǎn)的ZKJ-遠(yuǎn)控型角行程電動(dòng)執(zhí)行器。ZKJ電動(dòng)執(zhí)行器是DKJ電動(dòng)執(zhí)行器的派生系列。它與DDZ型儀表配套，可自動(dòng)地操縱風(fēng)門擋板、閥門等，廣泛用于電站、化工、石油等控制系統(tǒng)中。ZKJ電動(dòng)執(zhí)行器配合DFD-05，DFD-07電動(dòng)操作器與DDZ系列儀表使用，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、手動(dòng)及就地操作。

2.5 閥門

閥門的選擇首先要考慮的就是其適用介質(zhì)和傳動(dòng)方式，其次還必須考慮操作的方便性、可靠性，還應(yīng)具有抗老化、抗輻照、經(jīng)久耐用、壽命長、耐溫耐高壓等等。當(dāng)然和其他零件一樣其經(jīng)濟(jì)性也是必須考慮的。綜合以上各個(gè)方面的考慮本設(shè)計(jì)對各閥門的選擇如下：

本窯煤氣、空氣分管及排煙總管采用ZKJW電動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥,ZKJW電動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥由ZKJW角行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和蝶閥組成，它與電動(dòng)單元組合儀表配合使用，具有結(jié)構(gòu)簡單、口徑大、重量輕、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于冶金、電站石油、化工等部門。

本設(shè)計(jì)閘閥作為截止煤氣用，由于煤氣有毒而且又是氣體，所以閘閥封密性能必須非常好，一般絲口閘閥的封密性是比較好的，故本窯閘閥采用Z15W-10型絲口閘閥。

2.6 燒嘴

燒嘴使用ZZ-CQ4-6型號雙管式旋流焰發(fā)生爐煤氣燒嘴,發(fā)生爐煤氣流與空氣流噴入燃燒室,發(fā)生爐煤氣管垂直噴嘴方向,發(fā)生爐煤氣經(jīng)蝶閥、燒嘴前孔板后進(jìn)入燃燒室，助燃空氣成旋流狀噴入燃燒室，其旋流與發(fā)生爐煤氣流方向相反，以利于兩者混合燃燒。燃燒特點(diǎn)有：

（1）燃燒完全，燃燒效率99.5%以上，節(jié)能5%以上。（2）燃燒煙氣噴射速度高，噪聲低，不回火，不脫火。（3）克服了因燃?xì)庵泻s質(zhì)導(dǎo)致的火焰不穩(wěn)定現(xiàn)象。（4）燃燒充分，不冒黑煙，燃燒產(chǎn)物中污染物少，低于國家環(huán)保局規(guī)定的各項(xiàng)指標(biāo)。

2.7 控制參數(shù)及功能的設(shè)定與說明

2.7.1 自整定功能的應(yīng)用

（1）進(jìn)入?yún)?shù)層設(shè)定狀態(tài),將AT設(shè)置在ON后,按SET鍵即啟動(dòng)自整定功能儀表顯示，返回至正常PV/SV，顯示面板上AT燈閃爍SV顯示器每隔3秒以0.5秒的時(shí)間顯示，以提醒操作人員此時(shí)對各種參數(shù)的修改均不會(huì)被接受；

（2）結(jié)束自整定功能可進(jìn)入?yún)?shù)層將AT設(shè)置成OFF按SET鍵返回即可；

（3）只有當(dāng)自整定運(yùn)行完畢后儀表自動(dòng)返回至正常顯示，而不能強(qiáng)行退出自整定狀態(tài)；

（4）低SV值的自整定為防止自整的超調(diào)太大，可以在低于設(shè)定值SV的某一個(gè)值處進(jìn)行自整定，這個(gè)低于的量由儀表量程P-SH/P-SL和USTP共同決定，USTP的值是量程的百分比在0-400度量程下，如果USTP=2.5，那么實(shí)際降低的值為400×02.5% =10，也就是說在自整定狀態(tài)下SV值將降低10度。

2.7.2 手動(dòng)/自動(dòng)無擾動(dòng)切換

在正常運(yùn)行狀態(tài)下如要切換至手動(dòng)控制，輸出狀態(tài)可按A/M鍵一下，SV顯示器千位數(shù)上出現(xiàn)H后三位表示當(dāng)前輸出功率的百分?jǐn)?shù)0.0-99.9%，可用鍵來調(diào)整，且SET鍵與加速鍵必須同時(shí)按下使用，如要退出手動(dòng)狀態(tài)返回至自動(dòng)控制輸出狀態(tài)，只要按下A/M鍵一次即可。

2.7.3 輸出值顯示與變送

在正常運(yùn)行狀態(tài)下按住鍵超過5秒，SV顯示器千位上出現(xiàn)P，后三位則為當(dāng)前的輸出值，再按一下返回，超過20秒則自動(dòng)返回。

利用儀表OP-b變送輸出功能和高滿度顯示值設(shè)定P-SH，低滿度顯示值設(shè)定P-SL功能，可將儀表的測量值對應(yīng)為任意范圍的線性電流輸出作為一臺有顯示及變送輸出功能的儀表使用，可任意設(shè)置溫度變送范圍，輸出電流規(guī)格變送精度在0～20mA范圍內(nèi)，誤差小于0.1mA，精度優(yōu)于0.5%。

2.7.4 閥位控制與通訊功能

利用儀表的允許調(diào)節(jié)輸出最大值(OUTH)和允許調(diào)節(jié)輸出最小值(OUTL)功能可實(shí)現(xiàn)對閥門位置和上限和下限進(jìn)行軟件限制手動(dòng)功能，可以手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門位置輸出指示功能在手動(dòng)及自動(dòng)狀態(tài)均可顯示閥門位置，通過對參數(shù)HY的設(shè)置可以作為閥門位置不靈敏區(qū)大小的調(diào)整。

本儀表可配光電隔離的RS485和RS232C通訊接口,并具有全功能通訊協(xié)議,通過計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)對儀表的各項(xiàng)操作及功能。

2.7.5 小數(shù)點(diǎn)的位置設(shè)定

在參數(shù)層的非標(biāo)準(zhǔn)信號輸入最大值InPH和高滿度顯示值P-SH二項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置時(shí)，先用A/M鍵找到只有小數(shù)點(diǎn)閃爍時(shí)用鍵和鍵可使小數(shù)點(diǎn)移位按SET鍵確定。

2.7.6 加熱器斷線報(bào)警Hb

將市售的標(biāo)準(zhǔn)5A電流互感器串聯(lián)在單相三相不能用于加熱回路中，其輸出端接至儀表CT輸入，當(dāng)負(fù)載電流異常時(shí)除面板Hb報(bào)警燈閃爍外，SV顯示器每隔3秒，以0.5秒的時(shí)間顯示-Hb-Hb報(bào)警繼電器AL-2，同時(shí)動(dòng)作可控制聲光報(bào)警或其他電器設(shè)備切斷回路電源，此功能在可控硅移相觸發(fā)脈沖輸出和電流輸出時(shí)取消。

2.7.7 控制環(huán)斷線報(bào)警Lb

僅在儀表控制輸出為電流時(shí)有效，當(dāng)控制環(huán)斷線時(shí)，SV顯示器每隔3秒，以0.5秒的時(shí)間顯示-Lb-Lb報(bào)警繼電器AL-2。同時(shí)，動(dòng)作可控制聲光報(bào)警或其他電器設(shè)備切斷回路電源。

2.7.8 待機(jī)報(bào)警狀態(tài)的描述

儀表首次上電，如果處于報(bào)警區(qū)內(nèi)不產(chǎn)生報(bào)警到達(dá)設(shè)定值后，再次進(jìn)入報(bào)警區(qū)后將產(chǎn)生報(bào)警。例如上電后未進(jìn)入設(shè)定值前不希望下限報(bào)警提前動(dòng)作造成錯(cuò)誤的切斷系統(tǒng)電源的故障。

3 總結(jié)

窯爐是一個(gè)非線性強(qiáng)、時(shí)滯大、慣性大的被控系統(tǒng)，采用純粹的熱工儀表控制方法，控制效果不是很理想，而采用智能儀表控制能比較好的解決這個(gè)問題。本設(shè)計(jì)是專門針對陶瓷窯爐溫度及壓力問題而設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有控制精度高、適應(yīng)性強(qiáng)、使用方便等特點(diǎn)，是目前陶瓷窯爐溫度控制系統(tǒng)最理想的選擇。

1朱文龍.關(guān)于智能儀表技術(shù)應(yīng)用的思考.黑龍江科技信.2011 (02)

2張瑩,喬建國.基于ARM的智能儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì).自動(dòng)化應(yīng)用,2011(02)

3王建斌等.橫火焰玻璃窯爐控制系統(tǒng)探討.工業(yè)爐,2009(11)