智能PID調(diào)節(jié)器在陶瓷窯爐中的應(yīng)用
智能PID調(diào)節(jié)器在陶瓷窯爐中的應(yīng)用
摘 要：陶瓷窯爐廣泛應(yīng)用于各種陶瓷生產(chǎn)中，隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)和自動控制技術(shù)的飛速發(fā)展，大部分窯爐都使用了智能儀表、PLC、變頻器、液壓、組態(tài)技術(shù)等等來實驗窯爐陶瓷燒成過程的自動化控制。陶瓷窯爐自控系統(tǒng)中*關(guān)鍵的就是溫度控制。本文主要介紹智能PID調(diào)節(jié)器在陶瓷窯爐中的應(yīng)用智能調(diào)節(jié)器。
陶瓷窯爐的結(jié)構(gòu)
陶瓷窯爐分為預(yù)熱排煙區(qū)、升溫過渡區(qū)、燒成氧化區(qū)、急冷區(qū)、過渡緩冷區(qū)和尾部直冷區(qū)六部分。
在預(yù)熱排煙區(qū)是將陶瓷坯體的殘余水分排出并逐漸加熱；在升溫過渡區(qū)是將發(fā)生物理轉(zhuǎn)化和化學(xué)反應(yīng)，排出結(jié)晶水，坯體中殘留的有機物充分氧化分解；在燒成氧化區(qū)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(qū)是自動吹進適量的冷風進行產(chǎn)品冷卻；在過渡緩冷區(qū)是冷空氣進入窯爐內(nèi)與燒制的陶瓷制品散發(fā)出來的熱量進行交換形成熱風隨抽風口排出；在直冷區(qū)是冷卻風機直接吹進小壓力大流量的冷風進行快速冷卻廈門宇電溫控儀。
由于關(guān)鍵溫度的控制主要是在升溫區(qū)和燒成區(qū)，如圖1的窯爐升溫區(qū)和燒成區(qū)結(jié)構(gòu)模型，圖2 為PID自整定智能儀表在窯爐升溫區(qū)和燒成區(qū)的分布。
圖1：陶瓷窯爐升溫區(qū)和燒成區(qū)結(jié)構(gòu)模型
圖2：PID自整定智能儀表在窯爐控制系統(tǒng)中的分布
儀表的控制方式
PID自整定智能儀表有模擬量控制輸出、開關(guān)量輸出等輸出方式。陶瓷窯爐一般采用開關(guān)量輸出中繼電器正、反轉(zhuǎn)接點輸出形式到控制燃氣閥門的執(zhí)行器電機，控制閥門開度的大小，實現(xiàn)流量控制。其接點容量為3A/220V，電氣使用壽命100000 次以上，工作周期（PID調(diào)節(jié)）可在0-200s內(nèi)選擇，精度達到10ms。儀表在自動控制輸出時，將根據(jù)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(zhuǎn)，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(zhuǎn)，直至控制輸出量等于反饋值宇電PID調(diào)節(jié)儀。
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(xiàn)，根據(jù)化學(xué)燃燒反應(yīng)，計算準確地空氣與天燃氣的比例值，采用相應(yīng)的天燃氣管壓和助燃風壓。
陶瓷窯爐的升溫區(qū)和燒成區(qū)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：智能儀表、自動執(zhí)行器和熱電偶互通構(gòu)成溫度控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在智能儀表上設(shè)定需要的溫度高精度溫度計，確認輸入后即自動投入調(diào)溫狀態(tài)，熱電偶分別安裝在各個溫區(qū)，將探測的溫度數(shù)據(jù)反饋給智能儀表，智能儀表進行偏差計算、PID控制調(diào)節(jié)輸出指令給自動執(zhí)行器，自動執(zhí)行器根據(jù)接收到的指令信號，驅(qū)動執(zhí)行馬達進行比例調(diào)整助燃風、天然氣的流量，保證均衡的燒成氣氛和穩(wěn)定的溫度控制指標。如圖3 所示PID自整定智能儀表與電動執(zhí)行器構(gòu)成溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖3：智能PID調(diào)節(jié)器與電動執(zhí)行器構(gòu)成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
智能儀表的PID 調(diào)節(jié)
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(diào)節(jié)精度提出苛刻的要求。PID自整定智能儀表采用*優(yōu)化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(tǒng)的特性，以確定*佳的PID參數(shù)，因此完全滿足陶瓷窯爐溫度控制的精度要求。在智能儀表上設(shè)定需要的溫度，確認輸入后即自動投入到自整定調(diào)溫狀態(tài)宇電流量積算儀。
1、 PID三個基本參數(shù)在實際控制中的作用
1）P-比例調(diào)節(jié)作用：按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用以減少偏差。
2）I-積分調(diào)節(jié)作用：使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)偏差，提高無差度。因為有偏差，積分調(diào)節(jié)就進行，直至無差積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一定值。
3）D-微分調(diào)節(jié)作用：反應(yīng)系統(tǒng)偏差信號的變化率， 具有預(yù)見性， 能遇見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)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(tǒng)的動態(tài)性能。
2、PID三個基本參數(shù)在溫度控制中的人工調(diào)整廈門宇電無紙記錄儀
在實際的陶瓷窯爐溫度控制中，由于各點溫度受窯內(nèi)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(nèi)溫度控制面臨著著多變量偶合、大慣性、滯后時間常數(shù)大、非線性等干擾因素?，F(xiàn)實際應(yīng)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(jié)果，使PID的參數(shù)在整定上極為復(fù)雜而且控制反應(yīng)速度慢，超調(diào)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(chǎn)品質(zhì)量存有一定的影響。PID控制參數(shù)多是先確定采樣周期，再調(diào)整比例系數(shù)，然后是積分常數(shù)，*后是微分常數(shù)。對于溫度控制系統(tǒng)的采樣周期一般為10-20s。
PID自整定智能儀表采用*優(yōu)PID算法, 能很快速的將偏差調(diào)整到穩(wěn)定控制狀態(tài)，但在大擾動、階躍性干擾時可能會出現(xiàn)自整定緩慢，出現(xiàn)類似上述情況時該控制儀給出了人工調(diào)節(jié)方式，使系統(tǒng)快速恢復(fù)正常自整定運行。如圖5PID控制人工調(diào)節(jié)方法廈門宇電巡檢儀。
儀表的通訊語
PID自整定智能儀表的通訊協(xié)議為二線制、三線制或四線制( 如 RS-485、RS-323、RS-422 等)，波特率300--9600bps 可由儀表內(nèi)部參數(shù)自由設(shè)定。接口與主機采用光電隔離，提高了系統(tǒng)的可靠性及數(shù)據(jù)的**性。通訊距離可達1公里。上位機可采集各種信號與數(shù)據(jù)，構(gòu)成管理和控制系統(tǒng)。配用工控組態(tài)軟件，可實現(xiàn)多臺PID自整定智能儀表與一臺或多臺計算機進行聯(lián)機通訊，系統(tǒng)采用主—從通訊方式，能方便的構(gòu)成各種能源管理和控制系統(tǒng)。整個控制回路只需一根二( 三、四) 芯電纜，即可實現(xiàn)與上位機通訊，上位機可呼叫用戶設(shè)定的設(shè)備號，隨時調(diào)用各臺儀表的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并可進行儀表內(nèi)部參數(shù)設(shè)定電爐控制柜。