智能控制系統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

我國陶瓷生產歷史悠久，產品銷往世界各地，是世界陶瓷制造大國。作為陶瓷生產必不可少的設備，窯爐的發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。可適應大件產品的燒制，如日用陶瓷、衛生潔具、電瓷等；又可針對不同規模產品進行生產，特別是小批量陶瓷產品的生產，對特殊工藝、精品都能適應。可隨意起停，無需24小時作業，有利于工人的正常休息，更加人性化。

梭式窯在陶瓷生產中占據重要地位，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，多靠熟練工人憑經驗燒窯，存在較多影響因素，降低陶瓷燒成質量，同時也不利于成批量生產。對此，結合梭式窯工作特點，研究智能化控制系統，對提高梭式窯的燒成質量，代替并解放勞動力意義重大。

1 控制系統

控制系統分工藝控制、操作系統、安全系統、管理系統等多個方面，而且多數控制是一條曲線而不是一個點，不像連續性窯爐隧道窯，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數據和儀表中數據相結合、自整定生成PID參數，精度可以達到0.1。

操作系統既考慮了本行業從業人員現狀的特點，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，又能單獨調節大小功率而不互相影響、操作簡單維護方便。操作系統界面如圖2所示。

安全生產是陶瓷企業生產極為重要的問題。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

管理系統根據生產實際需要，一方面將所有工藝參數數字化，并對數據記錄儲存；另一方面遠程管理，將數據接入企業網絡管理系統。

陶瓷企業采用本公司的智能管理系統；事先設置好運行數據，系統啟動后窯爐將自動運行。包括加熱過程的各種工藝控制，加熱結束后自動切斷燃氣，轉入自動降溫，降溫結束后自行切斷電源。燒制過程可在車間無人的環境下進行，管理人員只需要通過遠程數據觀察，在系統實現自動溫差報警、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 操作系統界面Fig.2 Interface of the operation system

2 系統功能

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的溫度死角。其關鍵是將窯內空間網格化，各小區域按同一溫度曲線同步跟蹤，使窯內溫度均勻，縮短燒成時間。由于燒成過程按燒成溫度曲線運行，各點都在動態工作，燒嘴功率都在改變，為穩定火焰性質，配備了空/燃比例調節裝置、功率執行機構、傳感器、溫控儀等形成一個閉環控制系統。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%，產品質量A級產品提高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，一方面關系到揮發物和煙氣的排出；另一方面起穩定氣氛作用。在目前設計中采用直接檢測窯內窯壓值進行控制，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

燒成氣氛是多數陶瓷燒成工藝特有的要求，既關系產品燒成質量，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，能耗高，氧化期空氣過剩系數不足，不利于陶瓷坯體中有機質的氧化，影響產品的色澤及質量。還原期空氣過剩系數過高形成不了還原氣氛，所以，選擇合理的氣氛曲線，對提高產品燒成質量，節約能源至關重要。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改變空氣過剩系數。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品缺陷如圖5所示。

通過自動控制系統的氣氛改變既提高了產品質量，又降低能耗。景德鎮某集團公司通過系統的介入，改變以往對人工操作的依賴性，提高了產品的穩定性，產品質量提高了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

操作系統界面如圖6所示。系統設計注重簡單、易懂、方便、可靠。目前陶瓷行業從業人員中技術素質參差不齊，難以對操作人員有過高的要求，系統中直接在觸摸屏操作，畫面中有直觀數據顯示。為避免不慎操作錯誤，輸入結束后需要確認才能生效。對國內用戶屏面全中文顯示；對國外用戶屏面可中/英文轉換，非常簡單方便。操作系統文字中英文轉換如圖7中A、B圖所示。控制系統架構圖如圖8所示。

2.5 安全系統

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范》強制性地方標準。在本系統設計中，對燃氣系統層層把關控制，包括助燃、排煙、燃氣壓力、燒嘴的工作。任何方面工作數據顯示異常，將自動切斷燃氣，并發出警報。

2.6 管理系統

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品缺陷Fig.5 Defects caused by inadequate fi ring

圖6 操作系統界面Fig.6 Interface of the operation system

圖8 控制系統架構圖Fig.8 Structure of the control system

圖7 操作系統文字中英文轉換Fig.7 Chinese-English shift for the operation system

表1 數據自動記錄統計報表Tab.1 Automatic data recording and calculation

管理系統包括故障顯示、數據顯示及儲存，運行遠程監控。由于整體窯爐是多系統控制，且有各種輔助機械設備。當出現系統工作異常或故障時，屏面出現故障提示。對于用戶，不管是企業網絡，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據。實現了生產建檔及數據可查，系統自動記錄數據并儲存。目前，采取每5分鐘自動記錄一次數據。數據自動記錄統計報表如表1所示。

3 結 論

對于陶瓷窯爐生產企業來說，智能控制系統實現了遠程處理窯爐異常、故障，減輕了售后運營成本，提升了企業窯爐產品核心競爭力。推進了窯爐產品的標準化、規范化和穩定性的提升。

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

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、重復性和穩定性，提高產品燒成質量且節能。在生產中既減少了能源消耗，更加綠色環保，大大地提升了窯爐企業產品核心競爭力。

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