窯變自動化控制系統(tǒng)在坭興陶燒制過程中的應用

吳明旭

【關鍵詞】坭興陶燒制;窯變自動化;應用

【中圖分類號】TP273 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）05-0077-03

欽州坭興陶，舊稱越淘，為我國四大名陶之一，它以雙料混煉、骨肉相融、自然素燒、燒煉出彩、陶刻紋印、陶藝造型為主要產(chǎn)品特色。坭興陶從誕生至今已經(jīng)有1 300年的歷史，近代以來，隨著經(jīng)濟全球化發(fā)展，坭興陶已經(jīng)開始銷往世界其他國家，在美國、俄羅斯、新加坡等國家博物館均有收藏。坭興陶制陶工藝作為我國的一種歷史文化遺產(chǎn)，它的傳承也受到社會各界的廣泛關注，更是在2008年被國家列為非物質(zhì)文化遺產(chǎn)。得益于現(xiàn)代科學技術的進步，坭興陶的制陶工藝與現(xiàn)代技術相結合，并在近幾年取得了巨大進步，從寥寥幾家企業(yè)發(fā)展成50多家企業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈。坭興陶從業(yè)人員和相關研究隊伍的不斷壯大，推動了坭興陶文化的發(fā)揚和傳播，使坭興陶可以向世界展示其魅力[1]。

1 坭興陶燒燒制過程中的主要問題

坭興陶燒制雖然是坭興陶生產(chǎn)過程的末端環(huán)節(jié)，但卻是整個生產(chǎn)工藝之中最重要的環(huán)節(jié)，坭興陶燒制的好壞直接決定了其美觀程度及成品質(zhì)量。

首先，窯溫控制過于依賴經(jīng)驗。在傳統(tǒng)燒窯過程中，窯內(nèi)溫度及燒窯時間等全憑人們的主觀經(jīng)驗進行判斷，出窯后的成品合格率極低。20世紀90年代左右，電窯開始興起，現(xiàn)有的坭興陶工廠采用電窯進行燒制。在這長達20多年的時間里，雖然人們對電窯使用的熟悉程度逐漸加深，但是仍然擺脫不了人工手動控制窯溫的弊端，工人還是要根據(jù)長期的經(jīng)驗進行操作。

其次，窯溫控制不夠精確。坭興陶的燒制是一種對窯溫要求極高的工藝，不僅需要極其嚴格的溫度控制，還需要進行溫度階段的劃分。燒制過程的不同階段需要有對應的窯溫，這種窯溫的變換過程往往比較復雜，而使用傳統(tǒng)的電窯就不能滿足窯變的要求，導致成品合格率極低的情況發(fā)生。

最后，能耗高，耗時長，經(jīng)濟性較差。傳統(tǒng)電窯全憑人工經(jīng)驗控制，在燒制過程中往往會浪費較高的電能，這種浪費不僅會使企業(yè)經(jīng)營成本提高，還會對環(huán)境造成負面影響。

2 坭興陶窯變自動化控制系統(tǒng)的研究

針對傳統(tǒng)電窯中的上述問題，為了實現(xiàn)坭興陶燒制溫度自動控制，我們需要積極開發(fā)和研究出一套窯變自動化控制系統(tǒng)。這套自動化控制系統(tǒng)可以將爐內(nèi)分為若干個溫度區(qū)間，每個區(qū)間進行線性的溫度控制，系統(tǒng)可以保存好人工燒制的溫度燒制過程，然后在下次燒制相同產(chǎn)品時直接調(diào)用模板進行控溫。這種自動化控制系統(tǒng)的設置不僅有助于坭興陶產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定，還有助于產(chǎn)品后續(xù)優(yōu)化工作的進行。

為了更好地對坭興陶窯變控制系統(tǒng)進行研究，我們可以采用以下設計思路。首先進行市場調(diào)研做可行性分析，明確坭興陶窯變控制系統(tǒng)的設計目標，提出創(chuàng)新性的構思及做出初步的設計方案，并對這些設計方案進行評價。然后進行數(shù)據(jù)的收集工作，整理設計工作中所需要的各項數(shù)據(jù)，做出設計圖紙，并根據(jù)這些設計圖紙進行總體設計、電子零部件設計、機械零部件設計及編程語言設計，完善設計方案。最后根據(jù)設計方案制造出樣機進行產(chǎn)品推廣[2]。

在設計理念上，利用控制器調(diào)節(jié)電熱絲的發(fā)熱功率，盡量設置為線性化的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在溫度檢測方面，采用溫度傳感器實時監(jiān)測爐內(nèi)溫度，將溫度實時反饋給控制器，實現(xiàn)溫度的實時性和準確性，便于控制器做出對應操作。在電熱絲功率設置上，每根電熱絲都應設置一個控制器，實現(xiàn)單獨控制，使爐內(nèi)每個區(qū)間可以擁有不同的溫度，便于坭興陶的每個部位擁有不同的溫度，實現(xiàn)色彩的豐富。在安全方面，應當設置好充分的過流保護、欠壓保護及短路保護，防止在燒制過程中出現(xiàn)安全事故。在產(chǎn)品質(zhì)量控制方面，為了使坭興陶胚受熱均勻，應當將電熱絲均勻鋪設在爐內(nèi)，避免出現(xiàn)陶胚分裂。為了滿足坭興陶的燒制需要，窯變自動化控制系統(tǒng)需要滿足0～1 300 ℃的溫度控制和監(jiān)測范圍，控制精度也應該滿足≤±2 ℃的要求。為了實現(xiàn)窯溫控制速度需要，需要實現(xiàn)2 ℃/min的升溫速度要求，并能夠連續(xù)工作。根據(jù)以上設計要求，所設計的坭興陶窯變控制系統(tǒng)要求如圖1所示，坭興陶窯變自動化控制系統(tǒng)結構如圖2所示。

3 坭興陶窯變自動化控制系統(tǒng)應用效果

3.1 經(jīng)濟效益方面

以廣西某坭興陶生產(chǎn)廠家為例，使用窯變自動化控制系統(tǒng)兩年后實現(xiàn)了銷售收入的跨越式增長。坭興陶窯變自動化控制系統(tǒng)不僅大幅降低了生產(chǎn)成本，降低能耗，還降低了勞動力成本。除此之外，坭興陶窯變自動化控制系統(tǒng)的應用市場可以進行一定程度的拓展，系統(tǒng)參數(shù)經(jīng)過調(diào)整后，可以用于其他產(chǎn)品的生產(chǎn)工作，例如一些特殊金屬材料的熱處理及加工，使得企業(yè)的產(chǎn)品鏈可以實現(xiàn)上升和下延，提升了企業(yè)的市場競爭力。

3.2 實現(xiàn)節(jié)能減排

窯變溫度控制系統(tǒng)是實現(xiàn)無人值守燒制的重要環(huán)節(jié)，在實際操作中，工人僅僅需要預先設置好溫度曲線，就可以實現(xiàn)溫度的自動控制。其中，PLC技術的應用使得窯變控制更加智能化、人性化，大幅簡化了人們的實際操作和流程，給予工人很大的方便。并且，窯變自動化控制系統(tǒng)還降低了生產(chǎn)出錯的概率，可以通過控制變量的方式發(fā)現(xiàn)問題所在，也更容易解決問題。生產(chǎn)中不利的因素也可以在自動化控制階段盡量規(guī)避，大幅提高了生產(chǎn)的合格率及效率，使得生產(chǎn)工作可以順利進行。PLC技術的引用也在一定程度上降低了生產(chǎn)能耗，可以使加熱絲處在一個非常精準的范圍內(nèi)進行加熱，避免無謂的能量損耗。在達到設定溫度后，PLC控制系統(tǒng)就可以自動調(diào)整電壓并使電壓穩(wěn)定，實現(xiàn)了有效控制。在打開和關閉設備時出現(xiàn)的電流沖擊問題也能在一定程度上得到解決，使得溫度可以進行線性控制，升溫速度得到妥善調(diào)節(jié)，燒制時間可以得到科學合理的縮短。例如，傳統(tǒng)電窯燒制需要20 h以上，而使用窯變自動化控制系統(tǒng)后，就可以在15 h左右燒制完畢。燒制時間的減少就是能耗的減少，可節(jié)約電能20%以上。這種節(jié)能減排的作用不僅給企業(yè)帶來了收益，還符合國家節(jié)能減排相關政策，保護了環(huán)境[3]。

3.3 提高了產(chǎn)品合格率

在傳統(tǒng)陶瓷燒制過程中，合格率低是人們長期難以解決的問題。影響陶瓷燒制的兩個主要原因分別是坭興陶陶胚的質(zhì)量及燒制時的溫度控制。采用坭興陶窯變自動化控制系統(tǒng)后，可以較好地控制燒制時的溫度，再配合自動化的陶胚生產(chǎn)工藝，將會大幅度提高坭興陶的成品率。我們利用智能化的加熱系統(tǒng)使得爐內(nèi)溫度變得可測、可控，還能實現(xiàn)燒制過程的可重復性。可以根據(jù)工藝要求對同種產(chǎn)品按照設定溫度或者上一次燒制過程的溫度重復燒制，確保了坭興陶燒制在整個陶瓷生產(chǎn)工藝末端操作的一致性，使得坭興陶的生產(chǎn)效率、產(chǎn)品合格率及精品占比都得到增長，這樣必然提高生產(chǎn)企業(yè)的口碑和品牌價值，知名度更高，企業(yè)利潤也越多。

3.4 改善了生產(chǎn)環(huán)境

傳統(tǒng)的坭興陶生產(chǎn)環(huán)境差，由于無謂的能耗浪費，環(huán)境溫度通常較高，并且充滿了各種粉塵，嚴重損害工人的身體健康。采用窯變自動化控制系統(tǒng)后，PLC系統(tǒng)實現(xiàn)了溫度的精準控制和線性控制，使能耗大幅降低，并且采用了保溫措施，工作環(huán)境溫度更加適宜。自動化控制系統(tǒng)改變了原電窯需要有人值夜班的情況，解放了勞動力。車間經(jīng)改造后，可以實現(xiàn)無塵車間的標準。生產(chǎn)環(huán)境的改善不僅有利于工人進行操作，還有利于提高工人工作積極性。優(yōu)良、干凈的操作環(huán)境更有利于操作人員提高工作效率，進而提高成品率，這對坭興陶生產(chǎn)企業(yè)降低生產(chǎn)成本和人工成本起到很重要的作用，為坭興陶產(chǎn)業(yè)走向現(xiàn)代化做出貢獻[4]。

3.5 窯變自動化控制系統(tǒng)可以為其他行業(yè)服務

窯變自動化控制系統(tǒng)的實質(zhì)是實現(xiàn)爐溫分區(qū)域、分階段的自動化溫度控制。其他相關行業(yè)也可以采用這種窯變控制方式。例如在金屬材料的加工過程中，有時需要在金屬的不同位置實現(xiàn)不同的淬火溫度，這時就可以對相應位置的電爐絲輸出功率進行調(diào)整，實現(xiàn)金屬加工的自動化控制。因此，窯變自動化控制系統(tǒng)有非常強的拓展性。

4 結語

隨著我國國際地位及國際影響力不斷提升，我國許多傳統(tǒng)文化產(chǎn)品在國外被人們熱烈追捧。坭興陶作為我國四大名陶之一，以“雙料混煉、骨肉相融、自然素燒、燒煉出彩、陶刻紋印、陶藝造型”著稱于世，近年來已經(jīng)開始走出國門，在美國、俄羅斯和新加坡等國家取得了一定成績。但是，我們應該看到傳統(tǒng)電窯燒制坭興陶時成品率低、工人操作強度大、能耗大及工人操作環(huán)境差的缺點。為了解決這些問題，我們開發(fā)了坭興陶窯變自動化控制系統(tǒng)，通過窯溫的自動化控制，生產(chǎn)出的坭興陶不僅精品率提高，還大幅度降低了生產(chǎn)時間和生產(chǎn)成本，實現(xiàn)了社會效益、經(jīng)濟效益、環(huán)境保護及職業(yè)健康等全方位的改善。相信在未來，隨著相關研究的不斷進行，窯變自動化系統(tǒng)一定能夠在相關生產(chǎn)廠家中得到普及，適用范圍得到進一步拓展，為推動民族文化的傳播做出較大貢獻。

參 考 文 獻

[1]熊璇.當代設計語境下坭興陶器的“型·飾”之美——“壯風茗韻”系列坭興陶茶器賞析[J].藝術品鑒，2020（33）：83-85.

[2]許維平.基于現(xiàn)代師徒制的坭興陶手拍壺實訓教學模式的實踐探索——以北部灣職業(yè)技術學校民族工藝品制作（坭興陶方向）專業(yè)為例[J].美術教育研究，2020（9）：

142-143.

[3]熊璇.現(xiàn)代科技手段在坭興陶制作中的應用——以“壯風茗韻”系列坭興陶茶器的制作為例[J].廣西職業(yè)技術學院學報，2019，12（5）：142-145.

[4]汪旻.欽州坭興陶加入地方文化產(chǎn)業(yè)新元素的技術創(chuàng)新研究[J].佛山陶瓷，2019，29（5）：44-49.