陶瓷生产线控制系统现状(一)

陶瓷生产线控制系统现状(一)

绪 论
背景
 工业窑炉的作用是将制品以一定的烧成曲线加热到适当温度，生产中最重要的是燃烧的过程。辊道窑中制品在许多滚动的辊棒上缓缓前进，在运动过程中先后经过预热、升温、烧成、冷却的过程。此过程中需要控制的对象有:炉内温度、炉内气压、含氧量、辊棒速度。由陶瓷工艺要求可知，烧成过程中不同阶段要有一定的不同温度和气氛变化，以保证肚体中期望的物理化学过程正常进行。这就是陶瓷的烧成制度。对窑炉的自动控制，首先要满足烧成制度的要求。自动控制水平的高低和设计制作工艺一样，可以体现一条辊道窑的先进程度。国产窑炉的自动控制发展，经过了上个世纪六七十年代的模拟仪表时期，八十年代后期的数字仪表时期，九十年代末辊道窑自动控制中开始应用模拟仪表和电子计算机配合的DCS系统。当前制造的新窑炉中最通用的控制方案是利用交流变频调速器和可编程控制器控制辊道传动速度，用智能数字仪表配合执行机构控制温度。现在 的 国 内窑炉控制系统可达到的技术性能指标包括:(1)自动检测窑炉内多点温度，并以数字显示，检测精度达到±1'C: (2)可以精确控制窑炉温度。对辊道窑窑炉通道控制精度在±0.50'C; (3)功能可灵活扩充，如控制窑内压力、油温、油压、风机开停等等;(4)性能可靠，质量稳定。系统平均无故障时间可达20万小时，运行寿命20年;(5)界面友好，可以定制烧成曲线，进行 “手动/自动”切换，故障报警显示直观，处理方便。
 
 
意义
 随着经济的高速发展，人们对建筑陶瓷的需求曰益增加及对产品质量、品种等的要求越来越高，其生产过程和工艺过程逐渐复杂。目前，陶瓷制品的生产过程一般由制粉料或成型烧成两大部分组成，而成型烧成生产线对产品的品种规格、尺寸、颜色的质量起着非常关键的作用。粉料山压机压制经过输送进入烘干窑烘干水分，然后经过施釉线进行施釉和色彩处理进入辊道窑，在辊道窑内根据工艺配方的要求按制定的烧成曲线烧制需要的产品，由于整个生产线是由许多相同的设备组成，各个环节的故障和变化将影响整个生产线的工况，且由于原材料及产品规格和品种的变化也须对生产线进行相应变化，因而使得整个生产过程是多变的。因此，对陶瓷生产技术与装备进行研究，以便能快速、高质高产、低能耗地生产多规格和多品种的陶瓷产品。
陶瓷生产线控制系统现状
 中国的制陶工艺可以追溯到一万年以前，在经历了陶—印纹硬陶—原始瓷的漫长历程后，才终于发明了瓷。之后，随着经贸活动和文化交流的扩大，中国的制瓷技术流传到世界各国。陶瓷工业从20世纪50年代末至70年代初，随着燃油结构的改变，即由燃煤、重油等转向使用天然气、液化石油气和轻油等，实现了窑炉热工技术的三大突破:(1)高速调温烧(喷)嘴的发明和使用;(2)新型、高级耐火材料和隔热材料的广泛使用;(3)精密完善的自动控制系统的采用。在这三大技术突破的基础上，产生并发展了以推板窑、轨道窑为连续式作业窑炉代表，以梭式窑(抽屉窑)、高帽窑(钟罩窑)为间歇式作业窑炉代表的全新一代窑炉。它们的经济技术指标比原有窑炉高得多，从而使窑炉由传统的土木砖石“构筑物”变成了机电一体化、有较高技术含量的“烧成机器”。与国外相比，中国的陶瓷工业多年来一直使用原来的工艺设备，消耗大，产出少，废品多，污染大，经济效益差.自80年代后，我国陆续引进了一批先进的陶瓷设备，同时也引进了相关的热工技术，对于陶瓷工业及窑炉的要求，由“高产、优质、低消耗”逐渐转向追求“优质、低耗、灵活、无污染、轻体力".
 对陶瓷行业来说，提高控制水平可以降低成本，保证质量，从而提高经济效益。在整个生产过程中窑炉耗能占了60%~70%，对陶瓷窑炉的燃烧控制进行优化可以带来可观的经济效益。对现有窑炉燃烧控制系统进行了仔细研究。得出的结论是:现有控制系统可以完成生产需求，但在能源耗费、生产监测方面有改进余地。成新的控制系统，在稳定生产，保证质量的前提下，控制窑内气压和气氛，节约风机用电，节约燃烧用油量，减少关键点温度波动。使产品质量稳定度、操作人员负担、能源耗费方面比以前有明显进步口在研究过陶瓷窑炉特性和生产工艺要求之后，确定了利用CAN技术搭建现场总线，构成计算机控制系统:通过试验和整定，将控制系统实现。

 

 

 

 

 

方案论证
陶瓷烧造工艺
 陶瓷是把粘土原料，瘠性原料及熔性原料经过适当的配比，粉碎，成型并加以高温烧制，经过一系列的物理化学反应后形成的坚硬物质。它作为一种非金属材料，在日用品、建筑装饰、电子工业中有广泛的应用，生产规模大，产品种类多，在国民经济中有很重要的作用。陶瓷原料的主要组分包括:粘土、石英和熔剂原料。粘土是塑性组分，使坯料具有可塑性并赋予干坯强度(可比作生物的肌肉);石英是瘠性组分，起到骨架作用，使瓷器烧成之后形状能够保持(可比作骨骼):熔剂原料一般由长石、石灰石等材料复合而成，帮助其它组分熔融，令不同组分均匀致密的成为结晶体，提高制品强度，还产生玻化效应，提高制品光泽度(类似肌腱)。施釉陶瓷表面的釉是性质极像玻璃的物质，它不仅起着装饰作用，而且可以提高陶瓷的机械强度，表面硬度和抗化学侵蚀等性能，同时由于釉是光滑的玻璃物质，气孔极少，便于清洗污垢，给使用带来方便(起皮肤作用)。我们 接 触 的陶瓷釉面砖一般用于墙面或地面的铺设，采用原料为陶瓷工业用粉料，是以上所举原料经过粉碎、研磨、精磨、脱水之后制成的工业原料。粉料含水率4-8%。
 粉料要制备成产品，先要用各种方法制成具有产品形状的坯料。成型方法随产品不同可选用可塑法(应用于日用陶瓷)、注浆法(应用于复杂形状产品)和压制法。墙地砖和工业陶瓷一般应用压制法成型。介绍的成型方法就是粉料放在平板模具内，由液压自动压砖机压制成型，速度快，易于转换生产型号，适合工业批量生产要求。坯料成型之后水分较多，在入窑烧制前要经过干燥，使含水量降到2%以下。干燥方法是利用窑炉的余热作热源与坯料作热交换，令水分蒸发。干燥之后先经过一道素烧工序，再经过一道釉烧工序烧成成品。这两道工序通称烧成过程。陶瓷的烧成一般指的是使瓷器的坯体经过热处理，完成特定的物理化学变化，产生瓷化和结晶这个过程。烧成可分为以下几个阶段——从常温加热到200℃，200℃到出现液相，出现液相加热至烧成温度并保温，然后冷却到液相凝固温度，再冷却到常温。烧成中对温度高低、温度变化快慢、不同阶段的气氛，温度持续时间都有严格的要求，对保证产品的品质极为重要。素烧时砖坯没有上釉，因为釉层成熟温度低于坯体烧成温度，若一次烧成釉面和砖坯之间无法紧密的附着。先对砖坯进行素烧，可以令砖坯结构致密，内部成分均匀分布，坯体内产生晶型转变，坯体内气体氧化分解排除。这样上釉之后可以快速烧成平整光滑的釉面。
现场总线概述
 在计算机数据传输领域内，长期以来使用RS-232和CCITTV-24通信标准，尽管它们的使用非常广泛，但却是一种低通信速率和点对点的数据传输标准，不能支持更高层次的计算机之间的功能操作。同时，在大规模的应用(如工业现场控制或生产自动化领域)中需要使用大量的传感器、执行器和控制器等，如果在最底层上采用传统星型拓扑结构，那么安装成本和传输介质造价都将非常昂贵;采用流行的LAN介质及相关硬件和软件又使其系统造价与星型系统相差无几。所以在最底层上，的确需要设计一种具有一定的通信速率而又造价低廉的通信系统，现场总线(Field Bus)就是在这种背景下产生的。
 FieldBus网络体系结构及其标准的研究和制定始于1995年。按照ISA(美国仪器协会)SP-50规范的定义，现场总线是用于过程自动化和制造自动化最底层的现场设备或现场仪表互联的通信网络，是现场通信、计算机技术和控制系统的集成。现场总线的节点是现场设备或现场仪表，如传感器、执行器和编程器等。
 但不是传统的单功能的现场仪表，而是具有综合功能的智能仪表，例如，温度变送器不仅具有温度信号变换和补偿功能，而且具有PID控制和运算功能;调节阀的基本功能是信号驱动和执行，另外还有输出特性补偿、自校验和自诊断功能。它具有通信功能，并存贮七层(有的三层)协议。现场设备具有互换性和互操作性。现场总线不单单是一种通信技术，也不仅仅是数字仪表代替模拟仪表，关键是用新一代的现场总线控制系统FCS(FieldbusC ontrolSy stem)代替传统的集散控制系统DCS(DistirbutedC ontrolSy stem)，实现现场通信网络、计算机技术与控制系统的集成。
 FCS对传统的DCS提出了挑战和变革。
 1.FCS的信号传输实现了全数字化，从最底层的传感器和执行器就采用现场总线网络 ，逐层向上直至最高层均为通信网络互连；
 2.FCS的系统结构是全分散式，FCS废弃了DCS的输入/输出单元和控制站，由现场设备或现场仪表取而代之，即把DCS控制站的功能化整为零，分散地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站，实现彻底的分散控制；
 3.FCS的现场设备具有互操作性，不同厂商的现场设备既可互连也可互换，并可以统一标准和格式，彻底改变传统DCS控制层的封闭性和专用性；
 4.FCS的通信网络为开放式互连网络，既可与同层网络互连，也可与不同层网络互连 ，用 户可极其方便地共享网络数据库；
 5.FCS的技术和标准实现了全开放，无专利许可要求，可供任何人使用，从总线标准 、产品检验到信息发布全是公开的，面向世界任何一个制造商和用户 。FCS具有全数字化、全分散式、全开放等优点，它的出现变革了传统控制系统的信号、通信、系统标准及体系结构、设计安装调试方法和产品结构，开创了控制的新纪元。世界上各仪表和DCS制造商都在竭尽全力引导新潮流，投巨资开展现场总线的研究与开发。

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