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陶瓷生產(chǎn)線(xiàn)控制系統現狀(一)
緒 論
背景
工業(yè)窯爐的作用是將制品以一定的燒成曲線(xiàn)加熱到適當溫度，生產(chǎn)中最重要的是燃燒的過(guò)程。輥道窯中制品在許多滾動(dòng)的輥棒上緩緩前進(jìn)，在運動(dòng)過(guò)程中先后經(jīng)過(guò)預熱、升溫、燒成、冷卻的過(guò)程。此過(guò)程中需要控制的對象有:爐內溫度、爐內氣壓、含氧量、輥棒速度。由陶瓷工藝要求可知，燒成過(guò)程中不同階段要有一定的不同溫度和氣氛變化，以保證肚體中期望的物理化學(xué)過(guò)程正常進(jìn)行。這就是陶瓷的燒成制度。對窯爐的自動(dòng)控制，首先要滿(mǎn)足燒成制度的要求。自動(dòng)控制水平的高低和設計制作工藝一樣，可以體現一條輥道窯的先進(jìn)程度。國產(chǎn)窯爐的自動(dòng)控制發(fā)展，經(jīng)過(guò)了上個(gè)世紀六七十年代的模擬儀表時(shí)期，八十年代后期的數字儀表時(shí)期，九十年代末輥道窯自動(dòng)控制中開(kāi)始應用模擬儀表和電子計算機配合的DCS系統。當前制造的新窯爐中最通用的控制方案是利用交流變頻調速器和可編程控制器控制輥道傳動(dòng)速度，用智能數字儀表配合執行機構控制溫度�，F在 的 國 內窯爐控制系統可達到的技術(shù)性能指標包括:(1)自動(dòng)檢測窯爐內多點(diǎn)溫度，并以數字顯示，檢測精度達到±1'C: (2)可以精確控制窯爐溫度。對輥道窯窯爐通道控制精度在±0.50'C; (3)功能可靈活擴充，如控制窯內壓力、油溫、油壓、風(fēng)機開(kāi)停等等;(4)性能可靠，質(zhì)量穩定。系統平均無(wú)故障時(shí)間可達20萬(wàn)小時(shí)，運行壽命20年;(5)界面友好，可以定制燒成曲線(xiàn)，進(jìn)行 “手動(dòng)/自動(dòng)”切換，故障報警顯示直觀(guān)，處理方便。
意義
隨著(zhù)經(jīng)濟的高速發(fā)展，人們對建筑陶瓷的需求曰益增加及對產(chǎn)品質(zhì)量、品種等的要求越來(lái)越高，其生產(chǎn)過(guò)程和工藝過(guò)程逐漸復雜。目前，陶瓷制品的生產(chǎn)過(guò)程一般由制粉料或成型燒成兩大部分組成，而成型燒成生產(chǎn)線(xiàn)對產(chǎn)品的品種規格、尺寸、顏色的質(zhì)量起著(zhù)非常關(guān)鍵的作用。粉料山壓機壓制經(jīng)過(guò)輸送進(jìn)入烘干窯烘干水分，然后經(jīng)過(guò)施釉線(xiàn)進(jìn)行施釉和色彩處理進(jìn)入輥道窯，在輥道窯內根據工藝配方的要求按制定的燒成曲線(xiàn)燒制需要的產(chǎn)品，由于整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)是由許多相同的設備組成，各個(gè)環(huán)節的故障和變化將影響整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)的工況，且由于原材料及產(chǎn)品規格和品種的變化也須對生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行相應變化，因而使得整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程是多變的。因此，對陶瓷生產(chǎn)技術(shù)與裝備進(jìn)行研究，以便能快速、高質(zhì)高產(chǎn)、低能耗地生產(chǎn)多規格和多品種的陶瓷產(chǎn)品。
陶瓷生產(chǎn)線(xiàn)控制系統現狀
中國的制陶工藝可以追溯到一萬(wàn)年以前，在經(jīng)歷了陶—印紋硬陶—原始瓷的漫長(cháng)歷程后，才終于發(fā)明了瓷。之后，隨著(zhù)經(jīng)貿活動(dòng)和文化交流的擴大，中國的制瓷技術(shù)流傳到世界各國。陶瓷工業(yè)從20世紀50年代末至70年代初，隨著(zhù)燃油結構的改變，即由燃煤、重油等轉向使用天然氣、液化石油氣和輕油等，實(shí)現了窯爐熱工技術(shù)的三大突破:(1)高速調溫燒(噴)嘴的發(fā)明和使用;(2)新型、高級耐火材料和隔熱材料的廣泛使用;(3)精密完善的自動(dòng)控制系統的采用。在這三大技術(shù)突破的基礎上，產(chǎn)生并發(fā)展了以推板窯、軌道窯為連續式作業(yè)窯爐代表，以梭式窯(抽屜窯)、高帽窯(鐘罩窯)為間歇式作業(yè)窯爐代表的全新一代窯爐。它們的經(jīng)濟技術(shù)指標比原有窯爐高得多，從而使窯爐由傳統的土木磚石“構筑物”變成了機電一體化、有較高技術(shù)含量的“燒成機器”。與國外相比，中國的陶瓷工業(yè)多年來(lái)一直使用原來(lái)的工藝設備，消耗大，產(chǎn)出少，廢品多，污染大，經(jīng)濟效益差.自80年代后，我國陸續引進(jìn)了一批先進(jìn)的陶瓷設備，同時(shí)也引進(jìn)了相關(guān)的熱工技術(shù)，對于陶瓷工業(yè)及窯爐的要求，由“高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低消耗”逐漸轉向追求“優(yōu)質(zhì)、低耗、靈活、無(wú)污染、輕體力".
對陶瓷行業(yè)來(lái)說(shuō)，提高控制水平可以降低成本，保證質(zhì)量，從而提高經(jīng)濟效益。在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中窯爐耗能占了60%~70%，對陶瓷窯爐的燃燒控制進(jìn)行優(yōu)化可以帶來(lái)可觀(guān)的經(jīng)濟效益。對現有窯爐燃燒控制系統進(jìn)行了仔細研究。得出的結論是:現有控制系統可以完成生產(chǎn)需求，但在能源耗費、生產(chǎn)監測方面有改進(jìn)余地。成新的控制系統，在穩定生產(chǎn)，保證質(zhì)量的前提下，控制窯內氣壓和氣氛，節約風(fēng)機用電，節約燃燒用油量，減少關(guān)鍵點(diǎn)溫度波動(dòng)。使產(chǎn)品質(zhì)量穩定度、操作人員負擔、能源耗費方面比以前有明顯進(jìn)步口在研究過(guò)陶瓷窯爐特性和生產(chǎn)工藝要求之后，確定了利用CAN技術(shù)搭建現場(chǎng)總線(xiàn)，構成計算機控制系統:通過(guò)試驗和整定，將控制系統實(shí)現。
方案論證
陶瓷燒造工藝
陶瓷是把粘土原料，瘠性原料及熔性原料經(jīng)過(guò)適當的配比，粉碎，成型并加以高溫燒制，經(jīng)過(guò)一系列的物理化學(xué)反應后形成的堅硬物質(zhì)。它作為一種非金屬材料，在日用品、建筑裝飾、電子工業(yè)中有廣泛的應用，生產(chǎn)規模大，產(chǎn)品種類(lèi)多，在國民經(jīng)濟中有很重要的作用。陶瓷原料的主要組分包括:粘土、石英和熔劑原料。粘土是塑性組分，使坯料具有可塑性并賦予干坯強度(可比作生物的肌肉);石英是瘠性組分，起到骨架作用，使瓷器燒成之后形狀能夠保持(可比作骨骼):熔劑原料一般由長(cháng)石、石灰石等材料復合而成，幫助其它組分熔融，令不同組分均勻致密的成為結晶體，提高制品強度，還產(chǎn)生�；�，提高制品光澤度(類(lèi)似肌腱)。施釉陶瓷表面的釉是性質(zhì)極像玻璃的物質(zhì)，它不僅起著(zhù)裝飾作用，而且可以提高陶瓷的機械強度，表面硬度和抗化學(xué)侵蝕等性能，同時(shí)由于釉是光滑的玻璃物質(zhì)，氣孔極少，便于清洗污垢，給使用帶來(lái)方便(起皮膚作用)。我們 接 觸 的陶瓷釉面磚一般用于墻面或地面的鋪設，采用原料為陶瓷工業(yè)用粉料，是以上所舉原料經(jīng)過(guò)粉碎、研磨、精磨、脫水之后制成的工業(yè)原料。粉料含水率4-8%。
粉料要制備成產(chǎn)品，先要用各種方法制成具有產(chǎn)品形狀的坯料。成型方法隨產(chǎn)品不同可選用可塑法(應用于日用陶瓷)、注漿法(應用于復雜形狀產(chǎn)品)和壓制法。墻地磚和工業(yè)陶瓷一般應用壓制法成型。介紹的成型方法就是粉料放在平板模具內，由液壓自動(dòng)壓磚機壓制成型，速度快，易于轉換生產(chǎn)型號，適合工業(yè)批量生產(chǎn)要求。坯料成型之后水分較多，在入窯燒制前要經(jīng)過(guò)干燥，使含水量降到2%以下。干燥方法是利用窯爐的余熱作熱源與坯料作熱交換，令水分蒸發(fā)。干燥之后先經(jīng)過(guò)一道素燒工序，再經(jīng)過(guò)一道釉燒工序燒成成品。這兩道工序通稱(chēng)燒成過(guò)程。陶瓷的燒成一般指的是使瓷器的坯體經(jīng)過(guò)熱處理，完成特定的物理化學(xué)變化，產(chǎn)生瓷化和結晶這個(gè)過(guò)程。燒成可分為以下幾個(gè)階段——從常溫加熱到200℃，200℃到出現液相，出現液相加熱至燒成溫度并保溫，然后冷卻到液相凝固溫度，再冷卻到常溫。燒成中對溫度高低、溫度變化快慢、不同階段的氣氛，溫度持續時(shí)間都有嚴格的要求，對保證產(chǎn)品的品質(zhì)極為重要。素燒時(shí)磚坯沒(méi)有上釉，因為釉層成熟溫度低于坯體燒成溫度，若一次燒成釉面和磚坯之間無(wú)法緊密的附著(zhù)。先對磚坯進(jìn)行素燒，可以令磚坯結構致密，內部成分均勻分布，坯體內產(chǎn)生晶型轉變，坯體內氣體氧化分解排除。這樣上釉之后可以快速燒成平整光滑的釉面。
現場(chǎng)總線(xiàn)概述
在計算機數據傳輸領(lǐng)域內，長(cháng)期以來(lái)使用RS-232和CCITTV-24通信標準，盡管它們的使用非常廣泛，但卻是一種低通信速率和點(diǎn)對點(diǎn)的數據傳輸標準，不能支持更高層次的計算機之間的功能操作。同時(shí)，在大規模的應用(如工業(yè)現場(chǎng)控制或生產(chǎn)自動(dòng)化領(lǐng)域)中需要使用大量的傳感器、執行器和控制器等，如果在最底層上采用傳統星型拓撲結構，那么安裝成本和傳輸介質(zhì)造價(jià)都將非常昂貴;采用流行的LAN介質(zhì)及相關(guān)硬件和軟件又使其系統造價(jià)與星型系統相差無(wú)幾。所以在最底層上，的確需要設計一種具有一定的通信速率而又造價(jià)低廉的通信系統，現場(chǎng)總線(xiàn)(Field Bus)就是在這種背景下產(chǎn)生的。
FieldBus網(wǎng)絡(luò )體系結構及其標準的研究和制定始于1995年。按照ISA(美國儀器協(xié)會(huì ))SP-50規范的定義，現場(chǎng)總線(xiàn)是用于過(guò)程自動(dòng)化和制造自動(dòng)化最底層的現場(chǎng)設備或現場(chǎng)儀表互聯(lián)的通信網(wǎng)絡(luò )，是現場(chǎng)通信、計算機技術(shù)和控制系統的集成�，F場(chǎng)總線(xiàn)的節點(diǎn)是現場(chǎng)設備或現場(chǎng)儀表，如傳感器、執行器和編程器等。
但不是傳統的單功能的現場(chǎng)儀表，而是具有綜合功能的智能儀表，例如，溫度變送器不僅具有溫度信號變換和補償功能，而且具有PID控制和運算功能;調節閥的基本功能是信號驅動(dòng)和執行，另外還有輸出特性補償、自校驗和自診斷功能。它具有通信功能，并存貯七層(有的三層)協(xié)議�，F場(chǎng)設備具有互換性和互操作性�，F場(chǎng)總線(xiàn)不單單是一種通信技術(shù)，也不僅僅是數字儀表代替模擬儀表，關(guān)鍵是用新一代的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統FCS(FieldbusC ontrolSy stem)代替傳統的集散控制系統DCS(DistirbutedC ontrolSy stem)，實(shí)現現場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò )、計算機技術(shù)與控制系統的集成。
FCS對傳統的DCS提出了挑戰和變革。
1.FCS的信號傳輸實(shí)現了全數字化，從最底層的傳感器和執行器就采用現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò ) ，逐層向上直至最高層均為通信網(wǎng)絡(luò )互連；
2.FCS的系統結構是全分散式，FCS廢棄了DCS的輸入/輸出單元和控制站，由現場(chǎng)設備或現場(chǎng)儀表取而代之，即把DCS控制站的功能化整為零，分散地分配給現場(chǎng)儀表，從而構成虛擬控制站，實(shí)現徹底的分散控制；
3.FCS的現場(chǎng)設備具有互操作性，不同廠(chǎng)商的現場(chǎng)設備既可互連也可互換，并可以統一標準和格式，徹底改變傳統DCS控制層的封閉性和專(zhuān)用性；
4.FCS的通信網(wǎng)絡(luò )為開(kāi)放式互連網(wǎng)絡(luò )，既可與同層網(wǎng)絡(luò )互連，也可與不同層網(wǎng)絡(luò )互連 ，用 戶(hù)可極其方便地共享網(wǎng)絡(luò )數據庫；
5.FCS的技術(shù)和標準實(shí)現了全開(kāi)放，無(wú)專(zhuān)利許可要求，可供任何人使用，從總線(xiàn)標準 、產(chǎn)品檢驗到信息發(fā)布全是公開(kāi)的，面向世界任何一個(gè)制造商和用戶(hù) 。FCS具有全數字化、全分散式、全開(kāi)放等優(yōu)點(diǎn)，它的出現變革了傳統控制系統的信號、通信、系統標準及體系結構、設計安裝調試方法和產(chǎn)品結構，開(kāi)創(chuàng )了控制的新紀元。世界上各儀表和DCS制造商都在竭盡全力引導新潮流，投巨資開(kāi)展現場(chǎng)總線(xiàn)的研究與開(kāi)發(fā)。
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