智能控制系統(tǒng)在陶瓷梭式窯中的應用

郭喜斌，郭俊平

(廣東省潮州市索力德機電設備有限公司，廣東 潮州 521000)

0 引 言

我國陶瓷生產(chǎn)歷史悠久，產(chǎn)品銷往世界各地，是世界陶瓷制造大國。作為陶瓷生產(chǎn)必不可少的設備，窯爐的發(fā)明應用歷史也是源遠流長。其中，梭式窯以其燒成工藝靈活，可選擇不同溫度、不同氣氛、適應性強等特點，受廣大廠家推崇?？蛇m應大件產(chǎn)品的燒制，如日用陶瓷、衛(wèi)生潔具、電瓷等；又可針對不同規(guī)模產(chǎn)品進行生產(chǎn)，特別是小批量陶瓷產(chǎn)品的生產(chǎn)，對特殊工藝、精品都能適應?？呻S意起停，無需24小時作業(yè)，有利于工人的正常休息，更加人性化。

梭式窯在陶瓷生產(chǎn)中占據(jù)重要地位，但當前我國該類窯爐設備依然比較粗放，操作系統(tǒng)落后。當前梭式窯多為人工操作，燒制時間、溫度具有人為變數(shù)，多靠熟練工人憑經(jīng)驗燒窯，存在較多影響因素，降低陶瓷燒成質(zhì)量，同時也不利于成批量生產(chǎn)。對此，結(jié)合梭式窯工作特點，研究智能化控制系統(tǒng)，對提高梭式窯的燒成質(zhì)量，代替并解放勞動力意義重大。

1 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)分工藝控制、操作系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、管理系統(tǒng)等多個方面，而且多數(shù)控制是一條曲線而不是一個點，不像連續(xù)性窯爐隧道窯，如圖1中A、B所示。

由于是陶瓷梭式窯，所以突出了陶瓷燒成工藝過程，將工藝控制分溫度、壓力、氣氛控制，滿足了陶瓷燒成三大要素。三要素通過PLC數(shù)據(jù)和儀表中數(shù)據(jù)相結(jié)合、自整定生成PID參數(shù)，精度可以達到0.1。

操作系統(tǒng)既考慮了本行業(yè)從業(yè)人員現(xiàn)狀的特點，又考慮了不同群體以及人性化，圍繞簡單、易懂、方便、可靠等因素進行設計。

控制方法采用高速閥位執(zhí)行器配合空/燃比例閥控制。既能達到快開快閉模擬脈沖功能，又能單獨調(diào)節(jié)大小功率而不互相影響、操作簡單維護方便。操作系統(tǒng)界面如圖2所示。

安全生產(chǎn)是陶瓷企業(yè)生產(chǎn)極為重要的問題。燃氣窯爐因其使用燃氣，同時燒制溫度普遍在幾百到千攝氏度以上，安全問題尤為重要。所以設置了多重保護和報警裝置。

圖1 梭式窯和隧道窯各溫度點對比Fig.1 Comparison of diあerent temperature points in shuttle kiln and tunnel kiln

管理系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)實際需要，一方面將所有工藝參數(shù)數(shù)字化，并對數(shù)據(jù)記錄儲存；另一方面遠程管理，將數(shù)據(jù)接入企業(yè)網(wǎng)絡管理系統(tǒng)。

陶瓷企業(yè)采用本公司的智能管理系統(tǒng)；事先設置好運行數(shù)據(jù)，系統(tǒng)啟動后窯爐將自動運行。包括加熱過程的各種工藝控制，加熱結(jié)束后自動切斷燃氣，轉(zhuǎn)入自動降溫，降溫結(jié)束后自行切斷電源。燒制過程可在車間無人的環(huán)境下進行，管理人員只需要通過遠程數(shù)據(jù)觀察，在系統(tǒng)實現(xiàn)自動溫差報警、失壓報警等各種類型提示功能。選擇夜間進行升溫煅燒，白天出窯裝卸工作既能夠充分利用時間，又有利車間人員的工作安排。

圖2 操作系統(tǒng)界面Fig.2 Interface of the operation system

2 系統(tǒng)功能

2.1 溫度控制

溫度控制是陶瓷燒成中最常見又是最重要的功能，在溫度控制中需要克服梭式窯內(nèi)的溫度死角。其關鍵是將窯內(nèi)空間網(wǎng)格化，各小區(qū)域按同一溫度曲線同步跟蹤，使窯內(nèi)溫度均勻，縮短燒成時間。由于燒成過程按燒成溫度曲線運行，各點都在動態(tài)工作，燒嘴功率都在改變，為穩(wěn)定火焰性質(zhì)，配備了空/燃比例調(diào)節(jié)裝置、功率執(zhí)行機構(gòu)、傳感器、溫控儀等形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過PID算法可以使溫度得到精準控制。

雅加達潔具公司采用本公司溫度控制系統(tǒng)后，克服了原來自吸式梭式窯燒成中的溫差問題。成品率提高18%，產(chǎn)品質(zhì)量A級產(chǎn)品提高37%，燒成時間減少110分鐘，能耗降低33%，取得了非常好的燒成效果。

2.2 壓力控制

壓力控制突出窯壓，同時還有助燃風壓。對于窯壓，一方面關系到揮發(fā)物和煙氣的排出；另一方面起穩(wěn)定氣氛作用。在目前設計中采用直接檢測窯內(nèi)窯壓值進行控制，按不同階段工藝要求設定窯壓曲線。在陶瓷坯體中自由水蒸發(fā)期設定窯壓較低，高溫段窯壓較高，還原期窯壓更高。窯壓過低，排煙量大，帶走熱量多，同時，在還原期易增加漏風量，影響燒成中必要的還原氣氛；排煙量小會造成窯壓過高，影響燒成質(zhì)量，且增加窯壁的散熱量。在窯壓控制中，窯壓大小不是固定的，是通過檢測窯爐內(nèi)溫度的變化來改變壓力大小，預先設計好壓力曲線，效果良好。窯壓控制界面圖如圖3所示。

2.3 氣氛控制

燒成氣氛是多數(shù)陶瓷燒成工藝特有的要求，既關系產(chǎn)品燒成質(zhì)量，又關系到燒成能耗。設置不同燒成階段空氣比例，以改變燒成中氣氛，不管是氧化燒成還是還原燒成，氣氛控制都至關重要。過高空氣過剩系數(shù)，能耗高，氧化期空氣過剩系數(shù)不足，不利于陶瓷坯體中有機質(zhì)的氧化，影響產(chǎn)品的色澤及質(zhì)量。還原期空氣過剩系數(shù)過高形成不了還原氣氛，所以，選擇合理的氣氛曲線，對提高產(chǎn)品燒成質(zhì)量，節(jié)約能源至關重要。在控制中，按一定的含氧量的模擬量，以改變助燃空氣的百分比實現(xiàn)改變空氣過剩系數(shù)。為更好適應工藝需要，同樣以溫度為基準搭配空氣的百分比去設置氣氛曲線。氣氛控制閥位設置畫面如圖4所示。燒成氣氛不合理帶來的產(chǎn)品缺陷如圖5所示。

通過自動控制系統(tǒng)的氣氛改變既提高了產(chǎn)品質(zhì)量，又降低能耗。景德鎮(zhèn)某集團公司通過系統(tǒng)的介入，改變以往對人工操作的依賴性，提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性，產(chǎn)品質(zhì)量提高了23%，燒成時間減少70分鐘，能耗降低了46%。

圖3 窯壓控制界面圖Fig.3 Interface of the furnace pressure control

2.4 操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)界面如圖6所示。系統(tǒng)設計注重簡單、易懂、方便、可靠。目前陶瓷行業(yè)從業(yè)人員中技術素質(zhì)參差不齊，難以對操作人員有過高的要求，系統(tǒng)中直接在觸摸屏操作，畫面中有直觀數(shù)據(jù)顯示。為避免不慎操作錯誤，輸入結(jié)束后需要確認才能生效。對國內(nèi)用戶屏面全中文顯示；對國外用戶屏面可中/英文轉(zhuǎn)換，非常簡單方便。操作系統(tǒng)文字中英文轉(zhuǎn)換如圖7中A、B圖所示?？刂葡到y(tǒng)架構(gòu)圖如圖8所示。

2.5 安全系統(tǒng)

燃氣窯爐的安全非常重要。在過去燃氣窯爐使用中出了不少事故，廣東省針對這問題也出臺了《燃氣窯爐安全技術規(guī)范》強制性地方標準。在本系統(tǒng)設計中，對燃氣系統(tǒng)層層把關控制，包括助燃、排煙、燃氣壓力、燒嘴的工作。任何方面工作數(shù)據(jù)顯示異常，將自動切斷燃氣，并發(fā)出警報。

2.6 管理系統(tǒng)

圖4 氣氛控制閥位設置畫面Fig.4 Position of the control valve for fi ring atmosphere

圖5 燒成氣氛不合理帶來的產(chǎn)品缺陷Fig.5 Defects caused by inadequate fi ring

圖6 操作系統(tǒng)界面Fig.6 Interface of the operation system

圖8 控制系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.8 Structure of the control system

圖7 操作系統(tǒng)文字中英文轉(zhuǎn)換Fig.7 Chinese-English shift for the operation system

表1 數(shù)據(jù)自動記錄統(tǒng)計報表Tab.1 Automatic data recording and calculation

管理系統(tǒng)包括故障顯示、數(shù)據(jù)顯示及儲存，運行遠程監(jiān)控。由于整體窯爐是多系統(tǒng)控制，且有各種輔助機械設備。當出現(xiàn)系統(tǒng)工作異?；蚬收蠒r，屏面出現(xiàn)故障提示。對于用戶，不管是企業(yè)網(wǎng)絡，辦公室或是相關人員通訊設備，都可以實時顯示窯爐運行數(shù)據(jù)。實現(xiàn)了生產(chǎn)建檔及數(shù)據(jù)可查，系統(tǒng)自動記錄數(shù)據(jù)并儲存。目前，采取每5分鐘自動記錄一次數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)自動記錄統(tǒng)計報表如表1所示。

3 結(jié) 論

對于陶瓷窯爐生產(chǎn)企業(yè)來說，智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)了遠程處理窯爐異常、故障，減輕了售后運營成本，提升了企業(yè)窯爐產(chǎn)品核心競爭力。推進了窯爐產(chǎn)品的標準化、規(guī)范化和穩(wěn)定性的提升。

智能控制系統(tǒng)簡單易操作，系統(tǒng)可靠安全性能高，讓企業(yè)能擺脫對操作工的人工技術專業(yè)性的依賴，一般的操作人員只需要懂操作電子產(chǎn)品即可。通過簡單培訓，就可以代替原有的專業(yè)技術人員進行操作。

突出陶瓷燒成的三要素，智能化控制，增強了陶瓷制品燒成的一致性、重復性和穩(wěn)定性，提高產(chǎn)品燒成質(zhì)量且節(jié)能。在生產(chǎn)中既減少了能源消耗，更加綠色環(huán)保，大大地提升了窯爐企業(yè)產(chǎn)品核心競爭力。

數(shù)字化、無紙化管理，通過網(wǎng)絡將窯爐納入企業(yè)管理平臺。借助互聯(lián)網(wǎng)，建立智慧工廠，大大提升了陶瓷企業(yè)的自動化水平，為陶瓷企業(yè)“智能化控制”提供有力的支撐。