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陶瓷生產(chǎn)線控制系統(tǒng)現(xiàn)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加熱到適當(dāng)溫度，生產(chǎn)中最重要的是燃燒的過程。輥道窯中制品在許多滾動的輥棒上緩緩前進(jìn)，在運動過程中先后經(jīng)過預(yù)熱、升溫、燒成、冷卻的過程。此過程中需要控制的對象有:爐內(nèi)溫度、爐內(nèi)氣壓、含氧量、輥棒速度。由陶瓷工藝要求可知，燒成過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)過程正常進(jìn)行。這就是陶瓷的燒成制度。對窯爐的自動控制，首先要滿足燒成制度的要求。自動控制水平的高低和設(shè)計制作工藝一樣，可以體現(xiàn)一條輥道窯的先進(jìn)程度。國產(chǎn)窯爐的自動控制發(fā)展，經(jīng)過了上個世紀(jì)六七十年代的模擬儀表時期，八十年代后期的數(shù)字儀表時期，九十年代末輥道窯自動控制中開始應(yīng)用模擬儀表和電子計算機配合的DCS系統(tǒng)。當(dāng)前制造的新窯爐中最通用的控制方案是利用交流變頻調(diào)速器和可編程控制器控制輥道傳動速度，用智能數(shù)字儀表配合執(zhí)行機構(gòu)控制溫度�，F(xiàn)在 的 國 內(nèi)窯爐控制系統(tǒng)可達(dá)到的技術(shù)性能指標(biāo)包括:(1)自動檢測窯爐內(nèi)多點溫度，并以數(shù)字顯示，檢測精度達(dá)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(nèi)壓力、油溫、油壓、風(fēng)機開停等等;(4)性能可靠，質(zhì)量穩(wěn)定。系統(tǒng)平均無故障時間可達(dá)20萬小時，運行壽命20年;(5)界面友好，可以定制燒成曲線，進(jìn)行 “手動/自動”切換，故障報警顯示直觀，處理方便。
意義
隨著經(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、品種等的要求越來越高，其生產(chǎn)過程和工藝過程逐漸復(fù)雜。目前，陶瓷制品的生產(chǎn)過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)線對產(chǎn)品的品種規(guī)格、尺寸、顏色的質(zhì)量起著非常關(guān)鍵的作用。粉料山壓機壓制經(jīng)過輸送進(jìn)入烘干窯烘干水分，然后經(jīng)過施釉線進(jìn)行施釉和色彩處理進(jìn)入輥道窯，在輥道窯內(nèi)根據(jù)工藝配方的要求按制定的燒成曲線燒制需要的產(chǎn)品，由于整個生產(chǎn)線是由許多相同的設(shè)備組成，各個環(huán)節(jié)的故障和變化將影響整個生產(chǎn)線的工況，且由于原材料及產(chǎn)品規(guī)格和品種的變化也須對生產(chǎn)線進(jìn)行相應(yīng)變化，因而使得整個生產(chǎn)過程是多變的。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(guī)格和多品種的陶瓷產(chǎn)品。
陶瓷生產(chǎn)線控制系統(tǒng)現(xiàn)狀
中國的制陶工藝可以追溯到一萬年以前，在經(jīng)歷了陶—印紋硬陶—原始瓷的漫長歷程后，才終于發(fā)明了瓷。之后，隨著經(jīng)貿(mào)活動和文化交流的擴大，中國的制瓷技術(shù)流傳到世界各國。陶瓷工業(yè)從20世紀(jì)50年代末至70年代初，隨著燃油結(jié)構(gòu)的改變，即由燃煤、重油等轉(zhuǎn)向使用天然氣、液化石油氣和輕油等，實現(xiàn)了窯爐熱工技術(shù)的三大突破:(1)高速調(diào)溫?zé)?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)精密完善的自動控制系統(tǒng)的采用。在這三大技術(shù)突破的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生并發(fā)展了以推板窯、軌道窯為連續(xù)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(biāo)比原有窯爐高得多，從而使窯爐由傳統(tǒng)的土木磚石“構(gòu)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)多年來一直使用原來的工藝設(shè)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(xù)引進(jìn)了一批先進(jìn)的陶瓷設(shè)備，同時也引進(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(zhuǎn)向追求“優(yōu)質(zhì)、低耗、靈活、無污染、輕體力".
對陶瓷行業(yè)來說，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。在整個生產(chǎn)過程中窯爐耗能占了60%~70%，對陶瓷窯爐的燃燒控制進(jìn)行優(yōu)化可以帶來可觀的經(jīng)濟效益。對現(xiàn)有窯爐燃燒控制系統(tǒng)進(jìn)行了仔細(xì)研究。得出的結(jié)論是:現(xiàn)有控制系統(tǒng)可以完成生產(chǎn)需求，但在能源耗費、生產(chǎn)監(jiān)測方面有改進(jìn)余地。成新的控制系統(tǒng)，在穩(wěn)定生產(chǎn)，保證質(zhì)量的前提下，控制窯內(nèi)氣壓和氣氛，節(jié)約風(fēng)機用電，節(jié)約燃燒用油量，減少關(guān)鍵點溫度波動。使產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定度、操作人員負(fù)擔(dān)、能源耗費方面比以前有明顯進(jìn)步口在研究過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(xiàn)場總線，構(gòu)成計算機控制系統(tǒng):通過試驗和整定，將控制系統(tǒng)實現(xiàn)。
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)過適當(dāng)?shù)呐浔�，粉碎，成型并加以高溫�(zé)�，�?jīng)過一系列的物理化學(xué)反應(yīng)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(yīng)用，生產(chǎn)規(guī)模大，產(chǎn)品種類多，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):熔劑原料一般由長石、石灰石等材料復(fù)合而成，幫助其它組分熔融，令不同組分均勻致密的成為結(jié)晶體，提高制品強度，還產(chǎn)生�；�(yīng)，提高制品光澤度(類似肌腱)。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(shè)，采用原料為陶瓷工業(yè)用粉料，是以上所舉原料經(jīng)過粉碎、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(yīng)用于日用陶瓷)、注漿法(應(yīng)用于復(fù)雜形狀產(chǎn)品)和壓制法。墻地磚和工業(yè)陶瓷一般應(yīng)用壓制法成型。介紹的成型方法就是粉料放在平板模具內(nèi)，由液壓自動壓磚機壓制成型，速度快，易于轉(zhuǎn)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)過一道素?zé)ば�，再�?jīng)過一道釉燒工序燒成成品。這兩道工序通稱燒成過程。陶瓷的燒成一般指的是使瓷器的坯體經(jīng)過熱處理，完成特定的物理化學(xué)變化，產(chǎn)生瓷化和結(jié)晶這個過程。燒成可分為以下幾個階段——從常溫加熱到200℃，200℃到出現(xiàn)液相，出現(xiàn)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(xù)時間都有嚴(yán)格的要求，對保證產(chǎn)品的品質(zhì)極為重要。素?zé)龝r磚坯沒有上釉，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法緊密的附著。先對磚坯進(jìn)行素?zé)�，可以令磚坯結(jié)構(gòu)致密，內(nèi)部成分均勻分布，坯體內(nèi)產(chǎn)生晶型轉(zhuǎn)變，坯體內(nèi)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(xiàn)場總線概述
在計算機數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域內(nèi)，長期以來使用RS-232和CCITTV-24通信標(biāo)準(zhǔn)，盡管它們的使用非常廣泛，但卻是一種低通信速率和點對點的數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，不能支持更高層次的計算機之間的功能操作。同時，在大規(guī)模的應(yīng)用(如工業(yè)現(xiàn)場控制或生產(chǎn)自動化領(lǐng)域)中需要使用大量的傳感器、執(zhí)行器和控制器等，如果在最底層上采用傳統(tǒng)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，那么安裝成本和傳輸介質(zhì)造價都將非常昂貴;采用流行的LAN介質(zhì)及相關(guān)硬件和軟件又使其系統(tǒng)造價與星型系統(tǒng)相差無幾。所以在最底層上，的確需要設(shè)計一種具有一定的通信速率而又造價低廉的通信系統(tǒng)，現(xiàn)場總線(Field Bus)就是在這種背景下產(chǎn)生的。
FieldBus網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及其標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定始于1995年。按照ISA(美國儀器協(xié)會)SP-50規(guī)范的定義，現(xiàn)場總線是用于過程自動化和制造自動化最底層的現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表互聯(lián)的通信網(wǎng)絡(luò)，是現(xiàn)場通信、計算機技術(shù)和控制系統(tǒng)的集成�，F(xiàn)場總線的節(jié)點是現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表，如傳感器、執(zhí)行器和編程器等。
但不是傳統(tǒng)的單功能的現(xiàn)場儀表，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(diào)節(jié)閥的基本功能是信號驅(qū)動和執(zhí)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。現(xiàn)場設(shè)備具有互換性和互操作性�，F(xiàn)場總線不單單是一種通信技術(shù)，也不僅僅是數(shù)字儀表代替模擬儀表，關(guān)鍵是用新一代的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS(FieldbusC ontrolSy stem)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的集散控制系統(tǒng)DCS(DistirbutedC ontrolSy stem)，實現(xiàn)現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)、計算機技術(shù)與控制系統(tǒng)的集成。
FCS對傳統(tǒng)的DCS提出了挑戰(zhàn)和變革。
1.FCS的信號傳輸實現(xiàn)了全數(shù)字化，從最底層的傳感器和執(zhí)行器就采用現(xiàn)場總線網(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(tǒng)結(jié)構(gòu)是全分散式，F(xiàn)CS廢棄了DCS的輸入/輸出單元和控制站，由現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表取而代之，即把DCS控制站的功能化整為零，分散地分配給現(xiàn)場儀表，從而構(gòu)成虛擬控制站，實現(xiàn)徹底的分散控制；
3.FCS的現(xiàn)場設(shè)備具有互操作性，不同廠商的現(xiàn)場設(shè)備既可互連也可互換，并可以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和格式，徹底改變傳統(tǒng)DCS控制層的封閉性和專用性；
4.FCS的通信網(wǎng)絡(luò)為開放式互連網(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 戶可極其方便地共享網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫；
5.FCS的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)了全開放，無專利許可要求，可供任何人使用，從總線標(biāo)準(zhǔn) 、產(chǎn)品檢驗到信息發(fā)布全是公開的，面向世界任何一個制造商和用戶 。FCS具有全數(shù)字化、全分散式、全開放等優(yōu)點，它的出現(xiàn)變革了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的信號、通信、系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)及體系結(jié)構(gòu)、設(shè)計安裝調(diào)試方法和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，開創(chuàng)了控制的新紀(jì)元。世界上各儀表和DCS制造商都在竭盡全力引導(dǎo)新潮流，投巨資開展現(xiàn)場總線的研究與開發(fā)。
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