陶瓷窑炉广泛应用于各种陶瓷的生产中.是最关键的设备之一，随着电子技术、计算机技术和自动控制技术的飞速发展。大部分的新建窑炉都采用了以智能仪表、PLC、变频器、比例阀、液压等等的手段来实现陶瓷烧成过程的自动化控制。甚至应用组态技术来显示温度及温度曲线、温度报警、数据及故障历史保存、打印数据报表，远程调教等工厂生产管理功能。那么，陶瓷窑炉最关键的指标就是温度控制能力。
1、SWP系列阀位控制调节器简介
由于温度是大惯性系统，在众多的陶瓷宽断面隧道、辊道窑炉的温度控制系统中，现普遍采用由单片机开发的带PID控制功能的温度调节器来实现。SWP系列智能调节器适用于需要进行高精度测量控制的系统，可根据被控对象自动演算出较佳PID控制参数。
2、温控系统
陶瓷窑炉分为预热排烟区、升温过渡区、烧成氧化区、急冷区、过渡缓冷区和尾部直冷区六部分。在预热排烟区是将陶瓷坯体的残余水分排出并逐渐加热；在升温过渡区是将发生物理转化和化学反应，排出结晶水，坯体中残留的有机物充分氧化分解；在烧成氧化区采用高速烧嘴，按实际需要量自动比例供给天然气与助燃风，使燃料充分燃烧，提供充足的陶瓷烧成气氛，并要求温度控制准确；在急冷区是自动吹进适量的冷风进行产品冷却；在过渡缓冷区是冷空气进入窑炉内与烧制的陶瓷制品散发出来的热量进行交换形成热风随抽风口排出；在直冷区是冷却风机直接吹进小压力大流量的冷风进行快速冷却。
由于关键温度的控制主要是在升温区和烧成区，所以仅在这两个区采用SWP系列阀位控制调节器与电动执行器构成温度控制系统。如图1的窑炉升温区和烧成区结构模型，图2的SWP系列智能仪表的分布示意图。
图1 窑炉升温区和烧成区结构模型
图2 SWP系列智能仪表在窑炉上的分布图
3、仪表的控制方式
SWP系列智能调节器有模拟量控制输出、开关量输出等不同形式的输出方式。陶瓷窑炉一般采用继电器正、反转接点输出形式到控制燃气阀门的执行器电机，控制阀门开度的大小，实现流量控制，故选用阀位控制调节SWPND825-820-23-HL，仪表控制接点容量为3A/220V，电气使用寿命100000次以上，工作周期(PID调节)可在0-200s内选择，精度达到10ms。阀位控制调节器在自动控制输出时，将根据PID控制算法，当控制输出量百分比小于反馈值时，仪表输出反转，直至控制输出量等于反馈值。当控制输出量百分比大于反馈值时，仪表输出正转，直至控制输出量等于反馈值。
陶瓷窑炉的热源一般是采用天然气和空气混合通过专用高速燃烧喷嘴实现，根据化学燃烧反应，计算准确地空气与天燃气的比例值，采用相应的天燃气管压和助燃风压。
陶瓷窑炉的升温区和烧成区采用七组燃烧点自动比例双控式，即自动控制助燃风、自动控制天然气。工作原理：阀位控制调节器、自动执行器和热电偶互通构成温度控制调节系统，在阀位控制调节器上设定需要的温度，确认输入后即自动投入调温状态，热电偶分别安装在各个温区，将探测的温度数据反馈给智能仪表，阀位控制调节器进行偏差计算、PID控制调节输出指令给自动执行器，自动执行器根据接收到的指令信号，驱动执行马达进行比例调整助燃风、天然气的流量，保证均衡的烧成气氛和稳定的温度控制指标。如图3所示SWP系列阀位控制调节器与电动执行器构成温度控制系统结构图。
图3 SWP系列阀位控制调节器与电动执行器构成温度控制系统结构图
4、仪表PID调节
由于陶瓷窑炉的烧成制度与工艺要求，控制的温度波动值要小于±3℃。所以对温度控制器的调节精度提出苛刻的要求。SWP系列阀位控制调节器采用经典PID算法，通过使用有限周期法，强制改变操作变量来测定控制系统的特性，以确定最佳的PID参数，因此完全满足陶瓷窑炉温度控制的精度要求。在阀位控制调节器上设定需要的温度，确认输入后即投入自动到自整定调温状态。
4.1 PID三个基本参数在实际控制中的作用
①P-比例调节作用：按比例反应系统的偏差，系统一旦出现偏差，比例调节立即产生调节作用以减少偏差。
②I-积分调节作用：使系统消除稳态偏差。若有偏差，积分调节就进行，直至无差积分调节停止，积分调节输出一定值。
③D-微分调节作用：反应系统偏差信号的变化率，具有预见性，能遇见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还未形成前，已被微分作用消除，因此，可以改善系统的动态性能。
4.2 PID三个基本参数在温度控制中的人工调整
在实际的陶瓷窑炉温度控制中，由于各点温度受窑内压力、胚体形状尺寸及干湿度、喷嘴的位置燃料热值及成分的不同等因素的影响。整个窑炉内温度控制面临着着多变量偶合、大惯性、滞后时间常数大、非线性等干扰因素。现实际应用中普遍以PID方式对在各喷嘴进行分散控制，由于多种变量的藕合结果，使PID的参数在整定上极为复杂而且控制反应速度慢，超调量过大，控制效果不能达到理想的陶瓷烧成温度控制要求，对产品质量存有一定的影响。PID控制参数多是先确定采样周期，再调整比例系数，然后是积分常数，最后是微分常数。对于温度控制系统的采样周期一般为10-20s。
SWP系列智能阀位控制调节器采用经典PID算法，能很快速的将偏差调整到稳定控制状态，但在大扰动、阶跃性干扰时可能会出现自整定缓慢，控制效果不理想情况。出现类似上述情况时调节器给出了人工调节方式，使系统快速恢复正常自整定运行。在后期使用昌晖人工智能阀位控制调节器后，该仪表先进的人工智能算法，在实际应用中效果很好，达到无超调和欠调。如图4 PID控制人工调节方法。
图4 SWP系列PID控制人工调节方法
5、仪表的通讯
SWP系列阀位控制调节器的通讯协议为二线制、三线制或四线制(如 RS485、RS323、RS422等)，波特率300-9600bps可由仪表内部参数自由设定。接口与主机采用光电隔离，提高了系统的可靠性及数据的安全性。通讯距离可达1公里。上位机可采集各种信号与数据，构成管理和控制系统。配用工控组态软件，可实现多台SWP系列智能仪表与一台或多台计算机进行联机通讯，系统采用主—从通讯方式，能方便的构成各种能源管理和控制系统。整个控制回路只需一根二(三、四)芯电缆，即可实现与上位机通讯，上位机可呼叫用户设定的设备号，随时调用各台仪表的现场数据，并可进行仪表内部参数设定。本项目中仪表全部选用二线制RS485通讯。
6、成果
自SWP系列阀位控制调节器应用到某骨质瓷有限公司的陶瓷素烧、釉烧和辊道窑炉中，获得了很好的温度控制效果，达产达效时间快而且起到节能降耗作用，收到良好的经济效益。
作者：胡伟、王建民，河北联合大学电气工程学院。
