李學(xué)忠+李強(qiáng)+鄭維凱

摘 要： 針對(duì)目前龍泉青瓷傳統(tǒng)爐窯由人工根據(jù)燒制經(jīng)驗(yàn)對(duì)窯爐溫度進(jìn)行控制存在的效率低、燒制質(zhì)量不穩(wěn)定的問(wèn)題，提出一種基于ePLC（embedded Programmable Logic Controller）技術(shù)的窯爐溫控系統(tǒng)解決方案。主要是將原來(lái)的閥門替換成比例閥，通過(guò)采集爐窯內(nèi)部溫度、比例閥前后端的煤氣壓力等數(shù)據(jù)，由爐窯主控制器上的PID（Proportion Integration Differentiation）控制算法對(duì)比例閥進(jìn)行煤氣壓力控制，使?fàn)t窯的溫度符合燒窯工藝所需的溫度控制曲線，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化燒制。通過(guò)實(shí)際運(yùn)行證明其提高了燒制成品率、降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞： 窯爐溫控系統(tǒng)； 數(shù)字化燒制； ePLC； PID

中圖分類號(hào)：TP273.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2018）01-16-04

Research on the digital firing technology of Longquan celadon

Li Xuezhong， Li Qiang， Zheng Weikai

（Institute of Intelligent and Software Technology， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou， Zhejiang 310018， China）

Abstract： Aiming at the problems of the unstable quality of fire and low efficiency of traditional Longquan celadon furnace where the furnace temperature is artificially controlled according to the experience， this paper proposes a solution of furnace temperature control system with ePLC （embedded Programmable Logic Controller）. The solution replaces the original valve with proportional valve， gathering the furnace temperature and the gas pressure on the proportional valve， controlling the gas pressure proportional valve by the main controller with PID （Proportion Integration Differentiation） control algorithm to control the gas pressure， and making the furnace temperature to fit the required temperature curve of the furnace process to realize digital firing. Through the practical application， the solution has been proved that it improves the rate of finished product and reduces the labor intensity of worker.

Key words： furnace temperature control system； digital firing； ePLC； PID

0 引言

龍泉青瓷是我國(guó)四大名瓷之一，有著輝煌的瓷器生產(chǎn)歷史和文化，但目前，青瓷傳統(tǒng)爐窯的燒制技術(shù)水平還是比較落后的，大多數(shù)中小型窯爐的溫度控制基本上停留在手工和簡(jiǎn)單儀表操作的水平，根據(jù)燒制經(jīng)驗(yàn)對(duì)窯爐溫度進(jìn)行人工控制不但效率低，而且燒制質(zhì)量不穩(wěn)定[1]。

爐窯溫度是一個(gè)具有大滯后性的非線性量，在青瓷燒制過(guò)程中起關(guān)鍵作用。國(guó)內(nèi)在這方面的研究起步較晚[2]，大部分爐窯的溫度控制系統(tǒng)采用溫控儀，工人通過(guò)觀看溫控儀知道爐窯的溫度，由人工手動(dòng)控制煤氣閥門控制煤氣進(jìn)氣量來(lái)控制窯爐溫度，龍泉的爐窯溫度控制就處于這種狀況。有少部分爐窯溫控系統(tǒng)采用PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）。PLC配置簡(jiǎn)單靈活，采用梯形圖開發(fā)控制程序，高效可靠，但架構(gòu)方式封閉，無(wú)法滿足各種爐窯控制系統(tǒng)對(duì)硬件功能和特殊控制算法的要求[3]。

近年來(lái)，ePLC技術(shù)[4]在工業(yè)控制領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，其優(yōu)勢(shì)是：能將PLC的開發(fā)方式應(yīng)用于專用控制器上，軟硬件易擴(kuò)展，能針對(duì)行業(yè)應(yīng)用定制專用控制器，在保持PLC化開發(fā)方式的基礎(chǔ)上能集成特殊控制算法[5]。

因此，本文對(duì)ePLC技術(shù)在龍泉傳統(tǒng)窯爐智能化改造進(jìn)行了應(yīng)用研究，提出了一個(gè)龍泉青瓷數(shù)字化燒制的系統(tǒng)解決方案，通過(guò)研發(fā)整個(gè)窯爐智能爐溫控制系統(tǒng)，達(dá)到提高傳統(tǒng)窯爐技術(shù)水平的目的。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 控制系統(tǒng)的工作原理

主要工作原理是將原來(lái)的煤氣閥替換成比例閥，采集爐窯內(nèi)部溫度、比例閥前后端的煤氣壓力等數(shù)據(jù)，由爐窯主控制器上的智能控制算法對(duì)比例閥進(jìn)行煤氣壓力控制，使?fàn)t窯的溫度符合燒窯工藝所需的溫度控制曲線；爐窯主控制器對(duì)爐窯系統(tǒng)的輸入、輸出開關(guān)量進(jìn)行邏輯控制，控制比例閥、電動(dòng)推桿等執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)爐窯自動(dòng)化運(yùn)行；觸摸屏人機(jī)界面和遙控器對(duì)爐窯主控制器進(jìn)行有線或遙控操作；為積累燒窯工藝參數(shù)，將主控制器采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送給PC機(jī)，由PC機(jī)接受、存儲(chǔ)、監(jiān)控和事后分析。數(shù)字化燒制技術(shù)改造之后的智能爐窯結(jié)構(gòu)如圖1所示。endprint

1.2 控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)

根據(jù)ePLC的架構(gòu)，智能爐溫控制系統(tǒng)分用戶層和系統(tǒng)層，如圖2所示。

⑴ 系統(tǒng)層

系統(tǒng)層是智能爐溫控制系統(tǒng)的核心部分，為智能爐溫控制系統(tǒng)在用戶層的實(shí)現(xiàn)提供基礎(chǔ)。它包括三層。

硬件層：即主控制器，由中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)器、I/O、通信接口、內(nèi)部電源，以及串口通信模塊、GPRS通信模塊、無(wú)線通信模塊、A/D模塊、D/A模塊等擴(kuò)展模塊組成。

硬件抽象層：是為實(shí)現(xiàn)跨硬件平臺(tái)支持而從驅(qū)動(dòng)程序中獨(dú)立出來(lái)，能夠使驅(qū)動(dòng)程序內(nèi)核與硬件隔離，從而適用不同芯片架構(gòu)，通過(guò)移植硬件抽象層，原來(lái)編寫的應(yīng)用程序便可以照常使用。

系統(tǒng)軟件層：即引擎系統(tǒng)，運(yùn)行在硬件抽象層之上，類似于計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)。用于管理資源，有序地控制對(duì)處理器、存儲(chǔ)器以及I/O接口的分配。

⑵ 用戶層

用戶層包括兩層。

控制程序?qū)樱河肅ASS開發(fā)平臺(tái)的梯形圖編寫，編譯生成可執(zhí)行代碼下載到控制器，被引擎調(diào)用執(zhí)行。

功能模塊層：包含智能控制算法模塊，采用C語(yǔ)言編寫，采用功能塊形式嵌入梯形圖形式的控制程序中。

1.3 硬件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

智能爐溫控制硬件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，由主控制器、文本屏、遙控器實(shí)和PC機(jī)等組成，主控制器與其他控制裝置通過(guò)串口、GPRS和無(wú)線等多種通訊方式連接。

爐窯主控制器：實(shí)時(shí)采集窯內(nèi)溫度、煤氣壓力等參數(shù)，分析計(jì)算后調(diào)節(jié)噴嘴煤氣壓力、流量，控制爐溫。

文本屏：通過(guò)串口通信與爐窯控制器連接，文本屏設(shè)定控制爐窯的相關(guān)參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示煤氣壓力、爐溫等數(shù)據(jù)。

遙控器：通過(guò)2.4G無(wú)線技術(shù)與爐窯控制器通信，在5米內(nèi)可接收或設(shè)置所需的壓力、溫度值。

PC機(jī)：通過(guò)GPRS技術(shù)與爐窯控制器通信，在任意距離，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，參數(shù)的設(shè)定等功能。

1.4 軟件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

為三層架構(gòu)的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括：

引擎系統(tǒng)：主要實(shí)現(xiàn)I/O口的配置、串口的通信、主控制器的底層驅(qū)動(dòng)。傳感器信號(hào)的輸入，開關(guān)量的輸出，通過(guò)共享內(nèi)存區(qū)與以上兩層進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，接收參數(shù)和狀態(tài)，以及數(shù)據(jù)，執(zhí)行邏輯層控制算法以及最終的控制指令。

控制程序：是智能爐溫控制系統(tǒng)邏輯實(shí)現(xiàn)的核心，包括手動(dòng)控制、壓力控制、程序控制、故障檢測(cè)和通信五個(gè)部分。手動(dòng)控制提供用戶能通過(guò)手動(dòng)的方式控制溫度；壓力控制是通過(guò)控制壓力的方式控制爐溫；程序控制是通過(guò)預(yù)設(shè)計(jì)好的曲線進(jìn)行控制；故障檢測(cè)是檢測(cè)是否有故障產(chǎn)生；通信部分實(shí)現(xiàn)主控板能與文本屏、遙控器和PC機(jī)通信。邏輯控制層是在使用梯形圖語(yǔ)言編寫實(shí)現(xiàn)。

功能模塊：采取嵌入模塊的方式實(shí)現(xiàn)智能控制，包含智能爐溫控制模塊、智能曲線優(yōu)化模塊。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 爐溫?cái)?shù)字化控制

智能爐溫控制系統(tǒng)最主要的功能是控制爐窯的溫度，使?fàn)t溫按照大師溫度曲線進(jìn)行變化。大師溫度曲線是大師對(duì)不同品種青瓷的理解，根據(jù)多年的燒瓷經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出的最佳爐窯溫度變化曲線。

青瓷燒制過(guò)程中對(duì)爐火的控制要求比較高，需要爐火在某一段時(shí)間內(nèi)保持火力，不可有很大波動(dòng)，還要隨時(shí)間呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。溫度控制是一個(gè)大滯后性、不穩(wěn)定的控制方式。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果直接控制溫度，爐火很難保持一定火力，需經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的震蕩才趨于穩(wěn)定，不能滿足青瓷的燒制工藝要求。而煤氣壓力值跟爐火的火力成一定的正比關(guān)系，因此通過(guò)控制煤氣壓力的方式可以達(dá)到控制溫度的效果。煤氣的壓力可以通過(guò)控制比例閥的開度實(shí)現(xiàn)。

帶死區(qū)的增量式PID控制算法[6]可以使控制運(yùn)動(dòng)頻繁引起的震蕩問(wèn)題得到解決，同時(shí)具有手自動(dòng)切換時(shí)沖擊小、誤動(dòng)作影響小、算式不需要累加等優(yōu)點(diǎn)，因此在本系統(tǒng)中采用該算法，能有效地控制比例閥的開度。PID控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

其中r（k）是設(shè)定煤氣壓力值，e（k）是設(shè)定煤氣壓力值和實(shí)際煤氣壓力值的差值，Δu（k）是比例閥開度的增量，u（t）是比例閥的實(shí)際輸出開度，c（t）是通過(guò)爐窯的實(shí)際煤氣壓力值，c（k）是實(shí)際煤氣壓力值通過(guò)采樣得到離散壓力值，采樣周期為100ms，通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)PID參數(shù)得到KP=0.05、KI=0.01、KD=0.001，死區(qū)系數(shù)e0=0.01，用公式⑴求出比例閥開度的增量Δu（k）。

⑴

2.2 爐窯主控制器的設(shè)計(jì)

主控制器不但要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯控制功能，而且要閉環(huán)控制來(lái)提高其爐窯溫度控制的精確性，還需與多個(gè)外圍部件進(jìn)行通訊，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。

電源電路模塊用于提供24V穩(wěn)壓電源；CPU電路模塊控制程序運(yùn)行；485通信電路模塊通過(guò)485通信連接文本屏；GPRS通信模塊接口模塊是與GPRS模塊的連接接口，實(shí)現(xiàn)GPRS模塊與爐窯主控制器的連接；2401無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)與遙控器之間的通信；采樣電路模塊是對(duì)爐窯溫度等模擬量采樣；溫濕度取樣電路模塊是對(duì)環(huán)境溫濕度的模擬量取樣；輸入電路模塊提供用戶輸入控制信號(hào)；輸出電路模塊輸出程序控制的開關(guān)信號(hào)；電磁閥控制電路模塊控制比例閥的輸出，通過(guò)輸出PWM波來(lái)控制比例閥的開度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文已對(duì)龍泉金宏瓷器有限公司的一臺(tái)傳統(tǒng)窯爐進(jìn)行了數(shù)字化燒制技術(shù)改造，研發(fā)了全套數(shù)字化控制系統(tǒng)，其窯爐和主控制器如圖6所示。

一次青瓷燒制實(shí)驗(yàn)持續(xù)9個(gè)多小時(shí)，記錄氣壓和爐溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖7所示。從圖7（a）中可以看出壓力經(jīng)過(guò)PID調(diào)節(jié)，控制良好。經(jīng)過(guò)智能壓力控制后得到溫度曲線如圖7（b）所示，呈現(xiàn)穩(wěn)定上升趨勢(shì)，符合青瓷燒瓷工藝。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研發(fā)整個(gè)基于ePLC技術(shù)的窯爐智能爐溫控制系統(tǒng)，用帶死區(qū)的增量式PID控制算法控制煤氣比例閥的開度來(lái)控制煤氣壓力，從而實(shí)現(xiàn)有效控制爐溫。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的龍泉青瓷窯爐進(jìn)行數(shù)字化燒制技術(shù)改造，以較小的改造投入，提高了傳統(tǒng)窯爐的技術(shù)水平。該系統(tǒng)經(jīng)實(shí)際測(cè)試，效果良好，提高了燒制成品率，降低了能耗和工人勞動(dòng)強(qiáng)度。下一步的研究是積累更多的爐溫控制曲線參數(shù)，通過(guò)智能算法進(jìn)行優(yōu)化，獲取更優(yōu)的爐溫控制曲線，同時(shí)將該系統(tǒng)推廣應(yīng)用到各種型號(hào)的傳統(tǒng)爐窯上。

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