基于智能仪表的辊道窑控制系统设计

2011-02-06钟清莲

陶瓷学报 2011年2期

钟清莲

（江西陶瓷工艺美术职业技术学院，江西景德镇333000）

0 引言

温度是工业生产中重要的被控参数，在冶金工业、化工生产、电力工程、机械制造等许多领域中，人们都需要对温度进行检测和控制。在陶瓷生产烧成过程中，温度是其重要的被控参数，能否对温度实行有效控制，直接关系到产品的质量问题。

陶瓷窑炉是陶瓷工业中的关键设备，在陶瓷烧成过程中，陶瓷坯体进入窑炉设备，通过控制技术保证工艺参数。传统的对窑炉温度控制大多采用热工仪表控制。实践过程中我们发现热工仪表控制效果并不是十分理想，这是由于窑体本身是一个非线性强、时滞大、惯性大的被控对象。近年来，随着控制技术的发展，特别是大量智能仪表的问世，智能仪表控制成为一种新型的控制器广泛应用于工业过程控制中，因此研究将智能控制仪表应用于陶瓷工业窑炉的温度控制从而提高控制效果具有十分重要的意义。

1 辊道窑工作原理

用辊道窑生产陶瓷时，不同的产品需要不同的烧成制度。

温度方面：950℃之前处于预热段，制品升温速度很快；到烧成段以后升温速度减慢，在最高温1300℃保温一段时间；开始冷却经一个急冷阶段，最后冷却完毕出窑。

气压方面，因为有排烟风机将窑内烟气向窑头方向抽出，预热带前段是负压。在7号工位与9号工位之间窑内为0压，往后是正压，保温阶段达到最大值。急冷段为微正压，后面的气压开始下降，到窑尾基本与大气环境气压相同为0。

气氛方面，随产品型号不同有所变动，建筑陶瓷一般保持氧化气氛烧成。窑头附近与大气相通无气氛要求，300℃之后要求一般氧化气氛，950℃之后强氧化气氛，1020℃之后到烧成温度和保持阶段为一般氧化气氛，冷却阶段为氧化气氛。

本文所涉及的辊道窑全长66米，全窑共分33节（见图1），其中第1-7节为排烟段，由上下各4对排烟管分布在窑顶和窑底，由排烟风机A抽出来自烧成段的烟气。抽出的烟气一部分排空，一部分送至干燥器供生坯预热干燥。第8-15节每节辊上下各设一个烧嘴，第11-15节每节辊上下各设有一对烧嘴，所有烧嘴均采取对侧交错布置。第16-20节为高温成瓷区，烧嘴布置较密，每节辊上下交错设置两对烧嘴。煤气由煤气站B经煤气总管与支管分别送入各烧嘴，助燃空气则由风机C经风管送入烧嘴；第21-22节为急冷段，由急冷风机D将冷风由辊上下的8对急冷风管喷入窑内，对制品上下吹风进行急冷；第23-30为缓冷段，在第31-33节每节窑体上下都设有抽热风分管，由抽热风机E从总管中将进入分管的余热风抽出，与预热带排烟段排出的烟气混合后，作为干燥器的热源。在最后一节的窑体上下各设三台轴流风扇，对吹产品风强制快冷，使产品出窑温度不致过高。

图1 66米煤气明焰辊道窑的工作原理Fig.1 Principle of the 66m open fire roller gas kiln

2 方案设计

本设计的总体思路是采用温度传感器（热电偶）检测出窑内温度，其测量结果送入智能仪表中（见图2），智能仪表的输出信号送入角执行器，角执行器根据信号的大小改变来调节阀门控制烧嘴的开口大小，达到控制窑内温度的目的。同时压力传感器检测出窑内的压力并送入变频调速器，变频调速器控制排烟风机的转速从而达到控制窑压的目的。该设计主要解决以下几方面的问题：

(1)合理选择热电偶测量各温度段的温度；

(2)合理选择压力传感器，以适应各段压力的检测；

(3)合理选择喷嘴。阀门等，实现温度自动控制；

(4)合理选择控制器，对传动速度进行控制。

2.1 热电偶

传感器技术在当代科技领域中占有十分重要的地位。众所周知，如果没有传感器提供准确、可靠的信息，计算机控制就难以实现，因此传感器技术直接影响到自动检测技术及其他多种技术的进一步发展。

图2 陶瓷窑炉智能仪表控制方案Fig.2 Design of the control system using an intelligent instrument

陶瓷窑炉温度传感器一般选用热电偶，本设计根据温度段的不同选用不同型号的热电偶，具体配置参见图1。热电偶的热电势随着感温端的温度增高而增大，它的大小只与热电极的材料及热电偶两端的温度有关，而与热电极的长度和直径无关。热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1℃时，输出电位差的变化量。对于大多数金属材料支撑的热电偶而言，这个数值大约在5～40微伏/℃之间。

2.2 压力传感器

辊道窑的压力检测主要是窑内压力曲线的检测。一般是沿窑长设置若干在窑车平面高度处的测压管。由于压力曲线仅在窑炉调试时才需要详细了解和调整，故经常检测的仅限于几个关键点，如烧成带与预热带交接处，烧成带与急冷带的压差等。

在设计时，选用了MOTORLA生产的MPX系列压力传感器，主要考虑到两个方面的因素：一方面，MPX系列压力传感器性能优良、价格低廉、种类繁多；另一方面，本设计使用的MPX系列压力传感器、微控制器及开发板都是MOTOROLS的产品，三者之间易于实现协调和匹配。

2.3 智能仪表

本窑温度调节器采用YM808智能工业调节器/温度控制仪，该仪表是一种高性能高可靠性的智能型工业调节仪表，广泛应用于机械、化工、陶瓷、轻工、冶金、石化、热处理等行业的温度、流量、压力、液位等的自动控制系统。

YM808智能工业调节器/温度控制仪的特点：

（1）热电偶热电阻模拟量频率脉冲等多种信号自由输入量程自由设置；

（2）软件调零调满度冷端单独测温放大器自稳零显示精度优于0.2%FS；

（3）模糊理论结合传统PID方法控制快速平稳，有多种先进自整定方案自由可选；

（4）输出自由可选继电器触点SSR驱动电平可控硅过零和移相脉冲模拟量另附一路；

（5）模拟量输出和二路可定义的报警触点输出输出值可限定一机多用无须选型；

（6）附加加热器断线或控制环断线报警功能，所有参数显示均可屏蔽，方便用户使用。

2.4 执行机构

本设计执行机构采用的是由重庆川仪总厂有限公司川仪十厂生产的ZKJ-远控型角行程电动执行器。ZKJ电动执行器是DKJ电动执行器的派生系列。它与DDZ型仪表配套，可自动地操纵风门挡板、阀门等，广泛用于电站、化工、石油等控制系统中。ZKJ电动执行器配合DFD-05，DFD-07电动操作器与DDZ系列仪表使用，可实现自动、手动及就地操作。

2.5 阀门

阀门的选择首先要考虑的就是其适用介质和传动方式，其次还必须考虑操作的方便性、可靠性，还应具有抗老化、抗辐照、经久耐用、寿命长、耐温耐高压等等。当然和其他零件一样其经济性也是必须考虑的。综合以上各个方面的考虑本设计对各阀门的选择如下：

本窑煤气、空气分管及排烟总管采用ZKJW电动调节蝶阀,ZKJW电动调节蝶阀由ZKJW角行程电动执行机构和蝶阀组成，它与电动单元组合仪表配合使用，具有结构简单、口径大、重量轻、操作方便等优点。广泛应用于冶金、电站石油、化工等部门。

本设计闸阀作为截止煤气用，由于煤气有毒而且又是气体，所以闸阀封密性能必须非常好，一般丝口闸阀的封密性是比较好的，故本窑闸阀采用Z15W-10型丝口闸阀。

2.6 烧嘴

烧嘴使用ZZ-CQ4-6型号双管式旋流焰发生炉煤气烧嘴,发生炉煤气流与空气流喷入燃烧室,发生炉煤气管垂直喷嘴方向,发生炉煤气经蝶阀、烧嘴前孔板后进入燃烧室，助燃空气成旋流状喷入燃烧室，其旋流与发生炉煤气流方向相反，以利于两者混合燃烧。燃烧特点有：

（1）燃烧完全，燃烧效率99.5%以上，节能5%以上。（2）燃烧烟气喷射速度高，噪声低，不回火，不脱火。（3）克服了因燃气中含杂质导致的火焰不稳定现象。（4）燃烧充分，不冒黑烟，燃烧产物中污染物少，低于国家环保局规定的各项指标。

2.7 控制参数及功能的设定与说明

2.7.1 自整定功能的应用

（1）进入参数层设定状态,将AT设置在ON后,按SET键即启动自整定功能仪表显示，返回至正常PV/SV，显示面板上AT灯闪烁SV显示器每隔3秒以0.5秒的时间显示，以提醒操作人员此时对各种参数的修改均不会被接受；

（2）结束自整定功能可进入参数层将AT设置成OFF按SET键返回即可；

（3）只有当自整定运行完毕后仪表自动返回至正常显示，而不能强行退出自整定状态；

（4）低SV值的自整定为防止自整的超调太大，可以在低于设定值SV的某一个值处进行自整定，这个低于的量由仪表量程P-SH/P-SL和USTP共同决定，USTP的值是量程的百分比在0-400度量程下，如果USTP=2.5，那么实际降低的值为400×02.5% =10，也就是说在自整定状态下SV值将降低10度。

2.7.2 手动/自动无扰动切换

在正常运行状态下如要切换至手动控制，输出状态可按A/M键一下，SV显示器千位数上出现H后三位表示当前输出功率的百分数0.0-99.9%，可用键来调整，且SET键与加速键必须同时按下使用，如要退出手动状态返回至自动控制输出状态，只要按下A/M键一次即可。

2.7.3 输出值显示与变送

在正常运行状态下按住键超过5秒，SV显示器千位上出现P，后三位则为当前的输出值，再按一下返回，超过20秒则自动返回。

利用仪表OP-b变送输出功能和高满度显示值设定P-SH，低满度显示值设定P-SL功能，可将仪表的测量值对应为任意范围的线性电流输出作为一台有显示及变送输出功能的仪表使用，可任意设置温度变送范围，输出电流规格变送精度在0～20mA范围内，误差小于0.1mA，精度优于0.5%。

2.7.4 阀位控制与通讯功能

利用仪表的允许调节输出最大值(OUTH)和允许调节输出最小值(OUTL)功能可实现对阀门位置和上限和下限进行软件限制手动功能，可以手动调节阀门位置输出指示功能在手动及自动状态均可显示阀门位置，通过对参数HY的设置可以作为阀门位置不灵敏区大小的调整。

本仪表可配光电隔离的RS485和RS232C通讯接口,并具有全功能通讯协议,通过计算机可实现对仪表的各项操作及功能。

2.7.5 小数点的位置设定

在参数层的非标准信号输入最大值InPH和高满度显示值P-SH二项参数进行设置时，先用A/M键找到只有小数点闪烁时用键和键可使小数点移位按SET键确定。

2.7.6 加热器断线报警Hb

将市售的标准5A电流互感器串联在单相三相不能用于加热回路中，其输出端接至仪表CT输入，当负载电流异常时除面板Hb报警灯闪烁外，SV显示器每隔3秒，以0.5秒的时间显示-Hb-Hb报警继电器AL-2，同时动作可控制声光报警或其他电器设备切断回路电源，此功能在可控硅移相触发脉冲输出和电流输出时取消。