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1、电瓷烧成自动测控系统的设计 冯金冰 刘利宏 淮安信息职业技术学院 摘 要： 烧成是制造陶瓷最重要的工序之一。为了保证产品质量和成品率, 在该工序中必须遵循特定的烧成制度。以单片机 MSP430F149 为核心, 按照梭式窑电瓷烧成制度, 设计了自动测控系统, 通过在不同烧成阶段的变温跟踪控制、氧化或还原气氛控制和压力控制, 实现了烧成过程的自动化。关键词： 烧成; 变温控制; 单片机; 作者简介：冯金冰 (1980) , 男, 讲师, 硕士, 主要从事数控维修、自动化与智能控制领域的科研与教学工作。收稿日期：2017-06Design of Automatic Measurement and
2、Control System for the Electroceramics FiringFENG Jin-bing LIU Li-hong Huaian College of Information Technology; Abstract： Firing is one of the most important processes in manufacturing ceramic. In order to guarantee the quality and rate of finished products, specific firing rules must be followed i
3、n the process. In this paper, an automatic measurement and control system is designed according to the shuttle kiln electroceramics firing rules by using MSP430 F149 as MCU. The system realizes the automatic control of fire process through variable temperature tracking control, oxidizing or reducing
4、 atmosphere control and pressure control in the different firing stages.Keyword： firing; variable temperature control; MCU; Received： 2017-060 引言以一定的热处理手段, 使瓷坯在特定条件下发生物理化学反应, 最终成为体积固定并具有特定性能的陶瓷制品的过程 (工序) 称为烧成。烧成过程中坯体往往经历着脱水、有机质挥发、燃烧、碳酸盐分解、矿物组成的形成、致密化和显微结构的形成等一系列复杂的物理化学变化过程, 是制造陶瓷最重要的工序之一。陶瓷在烧成过程中窑炉内
5、各时间段的温度、升温速度应随着烧成进程做相应改变;为了化学反应的需要还要营造氧化或还原的气氛;为使物理化学变化正常进行, 还要具备相应的压力条件, 这三者分别称为温度制度、气氛制度和压力制度, 三个制度统称为烧成制度。不同类别的陶瓷制品因原料、工艺不同, 烧成制度特别是温度制度也不同。电工陶瓷 (电瓷) 是陶瓷业中的一个重要类别, 本文以电瓷在梭式窑中烧成为例论述自动测控系统的设计。1 烧成制度电瓷主要应用于电力系统中各种电压等级的输电线路、变电站、电气设备等, 起绝缘和支撑作用, 通常由铝矾土、高岭土、长石等天然矿物为主要原料经高温烧制而成, 其烧成过程大致分成 7 个阶段1, 如表 1 所
6、示。图 1 为电瓷烧成典型温度曲线。表 1 电瓷的典型烧成制度 下载原表 图 1 电瓷烧成典型温度曲线 下载原图2 硬件电路设计图 2 为窑炉装备示意图, 图 3 为硬件电路构成图。以单片机为核心, 输入通道包括窑内温度和压力信号采集、键盘;输出通道包括燃气阀调节、进风口和出气口闸板调节、温度显示等。图 2 窑炉装备示意图 下载原图图 3 硬件电路构成图 下载原图2.1 单片机选型本设计涉及到温度、压力的模拟量检测、温度等信息的显示、燃气阀调节等, 选用 TI 公司生产的 MSP430F149 单片机2, 该型单片机内含 8 通道对外检测的12 位 A/D 转换器 (内含参考电压) ;2 个
7、16 位定时器 A 和 B;内含 LCD 液晶显示驱动;低功耗;60 KB 片内 FLASH 存储器, 可在线编程。2.2 温度传感器与信号采集陶瓷制造业传统上使用铂铑 10铂 S 型热电偶, 该热电偶灵敏度低, 价格昂贵, 长期使用最高温度为 1 300, 而电瓷需要高温烧成, 最高温度达 1 350, 用在此处寿命会大大缩短。为此, 本设计采用钨铼 (WRe3WRe25) 热电偶, 比铂铑 10铂 S 型热电偶价格低廉, 灵敏度高, 在 5001 100范围内线性度好, 配备高气密型、耐高温碳化硅套管, 适合在氧化、还原环境中使用, 长期使用最高温度达 1 800, 短时可达 2 300。
8、钨铼热电偶输出的信号经温度变送器放大、调理后输出 02.50 V 模拟电压信号, 然后送单片机 MSP430F149 内部的 A/D 转换器转化为数字量。2.3 变温跟踪控制梭式窑由于其特殊的窑体结构, 一般都采用气体燃料 (如液化石油气、水煤气、城市煤气等) 。升温阶段窑内温度的调节通过调节燃烧器火头大小实现, 即通过调节燃气流量实现。而燃气流量则由步进电机驱动的燃气调节阀 (以下简称燃气阀) 调节。烧成过程中不同的时间阶段具有不同的温度范围, 每一阶段内的温度又是变化的, 须采取变温跟踪控制3。即根据预先设置的温度曲线由单片机计算出烧成过程中不同时刻要达到的目标温度, 然后与实时温度进行对
9、比, 根据偏差调节火头大小, 使窑内温度时刻跟随目标温度变化。自坯体装窑完毕、开始烧成时启动单片机工作, 由单片机的定时器 A 记录烧成累计时间, 指示烧成进行的阶段;考虑到窑内热惯性和传感器的响应时间, 确定每隔 3 min 采集一次温度、调节一次火头。由单片机定时器 B 担任 3 min 循环计时。单片机根据烧成温度曲线、烧成进行的阶段、当前温度、升温速度计算出下一个 3 min 时的目标温度, 3min 后采集一次实时温度, 然后将实时温度与目标温度比较:若实时温度高于目标温度, 则将燃气阀开度调小;反之, 则将对应的燃气阀开度调大;若实时温度与目标温度相等, 则燃气阀开度不予调节。降温
10、阶段关闭燃气, 熄灭燃烧器火头, 开启排气口, 通过调节进风口开度大小调节降温速度。2.4 气氛控制合理的气氛制度是保证陶瓷制品烧成质量的重要条件, 可通过改变空气与燃料的比例实现:空气比例大, 燃烧时氧气过剩, 可增加氧化气氛;反之, 氧气不足, 燃料不能充分燃烧, 产生一氧化碳和氢气, 可增加还原气氛。由窑底部的进风口进风 (冷空气) , 由排气口 (烟囱) 排气 (燃烧废气) 。在氧化气氛烧成阶段, 进风口开大, 而排气口关小, 以供应充足氧气;还原气氛烧成阶段, 进风口全关, 而排气口开大, 以隔绝氧气。这些动作分别由进风和排气步进电机带动相应闸板实现, 由单片机提供各自的转动脉冲和转
11、向控制信号。2.5 压力调节窑内正确的压力分布是实现温度制度、气氛制度的重要保证。对梭式窑, 窑内压力是通过调节排气口 (烟囱) 开度大小以改变抽力大小实现的:开度小压力大, 反之压力小。本设计中排气口的大小由步进电机带动闸板实现调节, 由单片机提供转动脉冲和转向控制信号。2.6 键盘不同结构、厚度和大小的瓷坯的烧成制度不尽相同, 烧成制度要做相应调整, 测控系统应具备通用性和灵活性。本设计中可通过键盘对烧成各阶段温度范围、升 (降) 温速度、压力大小等参数进行设置或修改。键盘采用 16 键行列式键盘, 包括“温度设置”、“升温速度”、“压力设置”、“”、“确认”5 个功能键和 09 及小数点
12、 11 个数字键。设置或修改后的数据存入 EEPROM (24C08) 。2.7 电源本系统电源:12 V、3 A, 为步进电机供电;5 V、0.1A, 为温度和压力变送器供电;3.3 V、0.1 A 为单片机供电。后两种电压由 12 V 电源依次经稳压器LM7805、SA1117 获得。整个烧成过程超过 30 h, 为防止在烧成过程中因意外掉电造成烧成失败和损失, 该系统设置主电源和备用电源两套电源:主电源由市电降压、整流、滤波、稳压产生 12 V 直流稳压电源, 后备电源采用 12 V、36 Ah 免维护铅酸蓄电池。市电正常时兼为蓄电池充电。3 软件设计本测控系统以 MSP430F149
13、为核心处理器, 以 MSP430 系列单片机配套的开发平台 IAR Embedded Workbench, 采用 C 语言、模块化进行程序设计与开发。整个程序包括:主程序、定时器中断服务程序、温度和压力数据采集子程序、数据处理与显示子程序、键盘处理子程序、EEPROM 存储器读写子程序等程序模块。图 4 定时器 B 中断服务程序流程图 下载原图3.1 主程序主要完成定时器、ADC、中断源初始化;自 EEP-ROM 读取烧成设定的数据到片内RAM;烧成阶段序号、烧成进行的累计时间、实时温度压力等数据显示;键盘扫描等功能。3.2 定时器 B 中断服务程序定时器 B 每 3 min 中断一次, 其中
14、断服务程序是整个程序的核心, 其流程如图4 所示。每 3 min 为一温度、压力数据采集周期, 每次采集的数据与目标值对比, 输出相应的各步进电机转向和脉冲信号;判断烧成进行的时间, 刷新未来执行哪一段烧成曲线等。3.3 键盘处理子程序按“温度设置”键进入各段烧成温度曲线设置层面, 依次输入各段末端温度、升温速度和压力值, 按“确认”键, 自动存储并进入下一段设置。如第一段末端温度为 300, 升温速度为 1/min, 压力为-40Pa, 则输入 300 后按“升温速度”键, 输入 1, 按“压力设置”键, 输入-40, 再按“确认”键。这时程序自动将第一段的三个参数存入 EEPROM, 并进
15、入第二段设置, 依次输入第二段末端温度 950, 升温速度 2, 压力-20, 按“确认”键。其他段设置以此类推。氧化或还原气氛, 系统根据温度设置范围自动确认, 不需设置。4 结束语该自动测控系统由于烧成参数可灵活设定, 除了可应用于电瓷烧成外, 也可应用于用梭式窑烧成的其他类陶瓷产品, 如日用陶瓷、卫生陶瓷、艺术陶瓷等, 还可以根据坯体结构、造型和偏好作特殊烧成, 因此具有较好的普适性和灵活性;整个系统硬件成本低廉, 具有较高的性价比, 对陶瓷制造业有着较高的推广应用价值。参考文献1李家驹.陶瓷工艺学M.北京:中国轻工业出版社, 2001. 2黄琦, 王文海.基于 MSP430F149 的智能仪表的设计J.自动化仪表, 2006, 27 (8) :26-28. 3王琳基.采用 PLC 实现温室变温控制的设计J.电气技术, 2008 (5) :81-83.
