陶瓷窯爐廣泛應用于各種陶瓷的生產中.是最關鍵的設備之一，隨著電子技術、計算機技術和自動控制技術的飛速發展。大部分的新建窯爐都采用了以智能儀表、PLC、變頻器、比例閥、液壓等等的手段來實現陶瓷燒成過程的自動化控制。甚至應用組態技術來顯示溫度及溫度曲線、溫度報警、數據及故障歷史保存、打印數據報表，遠程調教等工廠生產管理功能。那么，陶瓷窯爐最關鍵的指標就是溫度控制能力。
1、SWP系列閥位控制調節器簡介
由于溫度是大慣性系統，在眾多的陶瓷寬斷面隧道、輥道窯爐的溫度控制系統中，現普遍采用由單片機開發的帶PID控制功能的溫度調節器來實現。SWP系列智能調節器適用于需要進行高精度測量控制的系統，可根據被控對象自動演算出較佳PID控制參數。
2、溫控系統
陶瓷窯爐分為預熱排煙區、升溫過渡區、燒成氧化區、急冷區、過渡緩冷區和尾部直冷區六部分。在預熱排煙區是將陶瓷坯體的殘余水分排出并逐漸加熱；在升溫過渡區是將發生物理轉化和化學反應，排出結晶水，坯體中殘留的有機物充分氧化分解；在燒成氧化區采用高速燒嘴，按實際需要量自動比例供給天然氣與助燃風，使燃料充分燃燒，提供充足的陶瓷燒成氣氛，并要求溫度控制準確；在急冷區是自動吹進適量的冷風進行產品冷卻；在過渡緩冷區是冷空氣進入窯爐內與燒制的陶瓷制品散發出來的熱量進行交換形成熱風隨抽風口排出；在直冷區是冷卻風機直接吹進小壓力大流量的冷風進行快速冷卻。
由于關鍵溫度的控制主要是在升溫區和燒成區，所以僅在這兩個區采用SWP系列閥位控制調節器與電動執行器構成溫度控制系統。如圖1的窯爐升溫區和燒成區結構模型，圖2的SWP系列智能儀表的分布示意圖。
圖1 窯爐升溫區和燒成區結構模型
圖2 SWP系列智能儀表在窯爐上的分布圖
3、儀表的控制方式
SWP系列智能調節器有模擬量控制輸出、開關量輸出等不同形式的輸出方式。陶瓷窯爐一般采用繼電器正、反轉接點輸出形式到控制燃氣閥門的執行器電機，控制閥門開度的大小，實現流量控制，故選用閥位控制調節SWPND825-820-23-HL，儀表控制接點容量為3A/220V，電氣使用壽命100000次以上，工作周期(PID調節)可在0-200s內選擇，精度達到10ms。閥位控制調節器在自動控制輸出時，將根據PID控制算法，當控制輸出量百分比小于反饋值時，儀表輸出反轉，直至控制輸出量等于反饋值。當控制輸出量百分比大于反饋值時，儀表輸出正轉，直至控制輸出量等于反饋值。
陶瓷窯爐的熱源一般是采用天然氣和空氣混合通過專用高速燃燒噴嘴實現，根據化學燃燒反應，計算準確地空氣與天燃氣的比例值，采用相應的天燃氣管壓和助燃風壓。
陶瓷窯爐的升溫區和燒成區采用七組燃燒點自動比例雙控式，即自動控制助燃風、自動控制天然氣。工作原理：閥位控制調節器、自動執行器和熱電偶互通構成溫度控制調節系統，在閥位控制調節器上設定需要的溫度，確認輸入后即自動投入調溫狀態，熱電偶分別安裝在各個溫區，將探測的溫度數據反饋給智能儀表，閥位控制調節器進行偏差計算、PID控制調節輸出指令給自動執行器，自動執行器根據接收到的指令信號，驅動執行馬達進行比例調整助燃風、天然氣的流量，保證均衡的燒成氣氛和穩定的溫度控制指標。如圖3所示SWP系列閥位控制調節器與電動執行器構成溫度控制系統結構圖。
圖3 SWP系列閥位控制調節器與電動執行器構成溫度控制系統結構圖
4、儀表PID調節
由于陶瓷窯爐的燒成制度與工藝要求，控制的溫度波動值要小于±3℃。所以對溫度控制器的調節精度提出苛刻的要求。SWP系列閥位控制調節器采用經典PID算法，通過使用有限周期法，強制改變操作變量來測定控制系統的特性，以確定最佳的PID參數，因此完全滿足陶瓷窯爐溫度控制的精度要求。在閥位控制調節器上設定需要的溫度，確認輸入后即投入自動到自整定調溫狀態。
4.1 PID三個基本參數在實際控制中的作用
①P-比例調節作用：按比例反應系統的偏差，系統一旦出現偏差，比例調節立即產生調節作用以減少偏差。
②I-積分調節作用：使系統消除穩態偏差。若有偏差，積分調節就進行，直至無差積分調節停止，積分調節輸出一定值。
③D-微分調節作用：反應系統偏差信號的變化率，具有預見性，能遇見偏差變化的趨勢，因此能產生超前的控制作用，在偏差還未形成前，已被微分作用消除，因此，可以改善系統的動態性能。
4.2 PID三個基本參數在溫度控制中的人工調整
在實際的陶瓷窯爐溫度控制中，由于各點溫度受窯內壓力、胚體形狀尺寸及干濕度、噴嘴的位置燃料熱值及成分的不同等因素的影響。整個窯爐內溫度控制面臨著著多變量偶合、大慣性、滯后時間常數大、非線性等干擾因素。現實際應用中普遍以PID方式對在各噴嘴進行分散控制，由于多種變量的藕合結果，使PID的參數在整定上極為復雜而且控制反應速度慢，超調量過大，控制效果不能達到理想的陶瓷燒成溫度控制要求，對產品質量存有一定的影響。PID控制參數多是先確定采樣周期，再調整比例系數，然后是積分常數，最后是微分常數。對于溫度控制系統的采樣周期一般為10-20s。
SWP系列智能閥位控制調節器采用經典PID算法，能很快速的將偏差調整到穩定控制狀態，但在大擾動、階躍性干擾時可能會出現自整定緩慢，控制效果不理想情況。出現類似上述情況時調節器給出了人工調節方式，使系統快速恢復正常自整定運行。在后期使用昌暉人工智能閥位控制調節器后，該儀表先進的人工智能算法，在實際應用中效果很好，達到無超調和欠調。如圖4 PID控制人工調節方法。
圖4 SWP系列PID控制人工調節方法
5、儀表的通訊
SWP系列閥位控制調節器的通訊協議為二線制、三線制或四線制(如 RS485、RS323、RS422等)，波特率300-9600bps可由儀表內部參數自由設定。接口與主機采用光電隔離，提高了系統的可靠性及數據的安全性。通訊距離可達1公里。上位機可采集各種信號與數據，構成管理和控制系統。配用工控組態軟件，可實現多臺SWP系列智能儀表與一臺或多臺計算機進行聯機通訊，系統采用主—從通訊方式，能方便的構成各種能源管理和控制系統。整個控制回路只需一根二(三、四)芯電纜，即可實現與上位機通訊，上位機可呼叫用戶設定的設備號，隨時調用各臺儀表的現場數據，并可進行儀表內部參數設定。本項目中儀表全部選用二線制RS485通訊。
6、成果
自SWP系列閥位控制調節器應用到某骨質瓷有限公司的陶瓷素燒、釉燒和輥道窯爐中，獲得了很好的溫度控制效果，達產達效時間快而且起到節能降耗作用，收到良好的經濟效益。
作者：胡偉、王建民，河北聯合大學電氣工程學院。
