摘要：分析了陶瓷刀具高温烧结窑热工自动控制系统的构成和功能要求，介绍了系统各组成部分的设计方案及控制特点。

1 引言

重庆渝伦高技术陶瓷有限公司从美国、德国、加拿大、瑞士等国引进全套陶瓷刀具生产工艺，采用先进的气氛保护烧结(GPS)+热等静压处理(HIP)工艺生产氧化铝基复合陶瓷刀片。陶瓷高温烧结窑是生产陶瓷刀具的重要热工设备，由于其具有大惯性、纯滞后、强非线性以及温度、真空度、气氛环境等多种变量相互耦合等特性，因此其热工控制系统的设计与调试相当复杂。为了实现在综合消耗最小的条件下烧结出符合工艺要求的陶瓷刀具制品的设计目标，必须采用先进的计算机智能控制技术，根据不同的产品品种及规格，自动、准确地选择工艺参数并控制实现抽真空、加热、充氩气、保温等烧结工艺流程。

2 GPS工艺流程与系统设计要求

2.1 GPS高温烧结工艺流程

将经过压制成型、排胶、晾干后的陶瓷刀具坯体盛在石墨舟中放入高温烧结窑进行GPS高温烧结，其工艺流程如下：初加热→抽真空(10
^{-4torr)→加热(1200℃)→充入低压氩(氮)气(2MPa)→加热(1850℃)→恒压保温(0.5h)→充入高压氩(氮)气(8MPa)→冷却→减压、松抱箍取出产品。
2.2 热工控制系统设计要求}

陶瓷刀具高温烧结窑热工系统的设计应满足以下基本要求：①可根据不同产品的工艺要求设定不同的工艺控制曲线；②可选择自动控制或手动控制方式，操作简便，易于维修；③符合工业窑炉温度均匀性的相关要求，可实现循环水量的准确控制；④加热系统具有良好的节能、环保性能；⑤系统控制精度及可靠性能满足产品工艺要求。

3 系统构成及设计方案

3.1 传感器及伺服系统的设计

传感检测装置
传感检测装置由各种传感器及检测电路构成，用于检测高温烧结窑热工控制系统运行时的内部状态和外部环境，提供控制所需的各种数据信息。传感检测装置的设计要求为检测精度高、抗干扰能力强、体积小、便于安装和调节等。
伺服执行机构
伺服执行机构根据控制指令实现规定的工艺流程，它对整个系统的工作精度、动态性能、稳态精度、控制质量等具有重要影响。

设计的高温烧结窑传感器及伺服系统的整体布局方案见图1。

图1 传感器及伺服系统整体布局

3.2 热工控制系统的设计

陶瓷刀具高温烧结窑热工控制系统的构成如图2所示。系统主要由四部分构成：①各种传感器及PID调节部分(包括炉温等参数的控制)；②SCR触发器石墨加热管及各种驱动泵；③可编程序控制器(PLC)、变频器的通讯部分及窑体升降机构；④系统的网络监控及巡检部分。

图2 热工控制系统框图

PID调节部分
PID控制主要通过PID控制单元实现，该单元具有以下特性：①采用l00ms高速采样周期，可实现高速控制；②通过数字滤波器衰减输入噪声，可控制输入噪声的意外干扰，保证PID控制的有效性；③具有多种输出规格可供选择；④8组数据设置，可将8个数值(如设定点值、报警设置值等)预置在8个数据组中；⑤可通过数据设定器输入和显示当前值；⑥利用先行PID控制器及自动调谐特性可实现稳定的先行PID控制；⑦可利用PLC程序输入和检索数据。此外，利用PLC程序可实现双PID控制，从而可保证烧结窑炉温的运行稳定性。

PID控制可分为本地控制和远程控制两种模式。远程控制通过PLC实现控制，其中又可分为自动和手动两种控制方式。自动控制是由PLC进行全自动控制，不需人工干预；手动控制是在上位机上给定输出值，通过PLC进行控制。在正常生产情况下，通常采用在远程控制模式下进行自动控制。每一个PID控制回路的SV、PV、OUT值均可在上位机上用棒图直观显示出来；同时，通过在上位机上修改各控制回路的PID参数(如设定值SV、P值、T值、H值等)，可方便地对生产品种、加热定温、保温时间等工艺参数进行调整。PID控制单元操作方便、界面友好。
SCR触发器石墨加热管及驱动泵部分
高温烧结窑的加热系统由可控硅触发器、可控硅、石墨加热管等组成，可通过PID控制和PLC输出实现加热保温阶段的温度调节；驱动泵部分由真空泵、氩气加压泵、循环水补水泵等组成，同样采用PID控制、PLC输出。
PLC和变频器的通讯部分及窑体升降机构
高温烧结窑窑体的升降速度通过变频器进行调节，窑体升降速度n的计算公式为 n=60(f1-S)/P 式中：f——定子电源频率

S——转差率，S=(n
_{0-n)/n_{0(n_{0为同步转速)}}}

P——极对数

交流电动机有四种调速方法：①在转子绕组上串联电阻以改变转差率，缺点是低速运行时电阻损耗较大；②改变定子电压以改变转差率，缺点是损耗较大；③改变极对数以改变转速，缺点是调速范围较窄；④改变定子供电频率以实现平滑改变定子同步转速，该方法称为交流变频调速，交流电机供电的变频器一般都要求有调频、调压两种功能。陶瓷刀具高温烧结窑需要根据不同的工艺要求设定不同的窑体升降速度，且要求调速范围宽、速度能升能降，因此设计时选用了交流变频调速法。
系统的网络监控及巡检部分
陶瓷刀具高温烧结窑热工系统的网络管理对网络管理软件的基本要求是功能强、适应性好、具有可扩充性、价格适中。设计采用的Omron公司设备网网络软件CX-Programmer是一个基于Windows平台的软件产品，它可对设备网网络和设备网项目进行管理并直接对PLC进行编程和监控，为了更直观地从上位机监控各PLC的运行状况并控制对象状态，还可利用CX-Net软件中的DDE管理器工具及其它组态软件，通过DDE方式与Omron编程软件CXServer中的DDE管理器交换数据，从而实现对各PLC的监控。DDE管理器作为服务端，通过驱动程序从PLC内存区中采集数据，与组态软件交换数据后，又通过驱动程序写入PLC内存中，其数据交换过程如图3所示。

图3 DDE管理器与PLC的数据交换

在CX-Server的DDE管理器中进行工程设置，主要包括PLC细节描述、网络的设置、数据点的选取等设备和数据点设置。

组态软件(如亚控公司的组态王)的工程管理器的主要作用是为用户集中管理本机上的所有组态王工程。工程管理器的主要功能包括新建和删除工程、对工程重命名、搜索指定路径下的所有组态王工程、修改工程属性、工程的备份与恢复、数据词典的导入与导出、切换到组态王开发或运行环境等。此外，组态王6.0开发系统可提供工程加密、画面和命令语言导入与导出等功能。

作为电器控制部分的核心，可编程序控制器(PLC)通过编程可实现对陶瓷刀具高温烧结炉的加热、保温、抽真空、充氩气等工艺过程以及窑体升降系统速度调节的自动控制与巡检。

4 结语

所设计的陶瓷刀具高温烧结窑热工控制系统在陶瓷刀具生产线上的应用情况表明：该系统运行稳定，操作方便，自动控制准确可靠，可通过上位机直接输入方式修改参数(如变频器的起/停、基准频率、每个PID控制回路的参数值等)；该系统具有网络功能，除可采用上位机控制方式外，还可通过因特网对设备进行远程监控和管理(具体实施时可根据实际情况对控制回路及模块作酌情增减或分步实施)；此外，该系统价格低廉，节能性好，可节省投资，降低生产成本，获得良好的经济效益。

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陶瓷刀具高温烧结窑热工控制系统的设计要点