窑炉电气控制系统的电气原理设计.doc

西南林业大学

本科毕业（设计）论文
（ 2023 届）

题目：窑炉电气控制系统的电气原理设计

教学院（系、部）机械与交通学院 专 业 机械设计制造及其自动化

学生姓名 罗天华

指导教师 李玮 （专家）

评 阅 人 （专家）

2023 年 月 日

窑炉电气控制系统电气原理设计
罗天华
（西南林业大学 机械与交通学院 云南 昆明 650000）

摘要：窑炉是用耐火材料砌成的用以烧成制品的设备，是陶艺成型中的必备设施。人类上万年的陶瓷烧造历史，积累了丰富的造窑样式和经验。从原始社会的地上露天堆烧、挖坑筑烧到馒头状升焰圆窑、半倒焰马蹄形窑、半坡龙窑、鸭蛋形窑，再到现今的室内气窑、电窑，窑炉科技在不断改良发展中。
本文是针对窑炉电气控制原理及控制规定等，在查阅相关文献的基础上，通过现场调研分析窑炉的工作原理，根据窑炉加工工艺及控制规定的分析，完毕了该设备的电气原理设计。通过该设计，将自己所学的理论知识和实践结合起来，真正了解了工业控制在工厂中的应用。对自己所学专业也有了深刻的认知和了解。

关键词：窑炉；电气原理；加工工艺；电气控制

Furnace temperature control system based on PID (integral structure part)
Luo Tianhua
School of mechanical and traffic engineering, Southwest Forestry University, Kunming, Yunnan 650000, China
Abstract: the furnace is built with refractory materials used to burn the equipment, is the necessary facilities in the ceramic molding. Millions of years of human porcelain history, has accumulated rich experience and made kiln style. From the primitive society to open pile burn, digging for building burned to the steamed bread shape up draught round kiln, half pour flame horseshoe shaped kilns, Banpo kiln, duck egg shaped kiln, and then to today's indoor gas furnace, electric furnace, furnace technology in continuous improvement in the development.
This paper is based on the principle of PID control furnace temperature and control requirements, etc., based on access to relevant literature, through the field investigation and analysis of the working principle of the furnace, completed the overall structural design of the equipment. Through the design, the knowledge and theory of the combination of the PLC and the host computer has a more profound understanding of the design.
Key words: kiln; upper computer; PLC;

目录
窑炉电气控制系统电气原理设计 I
1． 绪论 5
1.1 概述 5
1.2 基本介绍 5
1.2.1 设计意义 5
1.2.2 功能介绍 5
2. 窑炉结构 7
2.1 机械结构 7
2.1.1 本窑炉技术参数 7
2.1.2 窑体结构 8
2.1.3 窑车结构 9
2.1.4 排烟系统 9
2.1.5 燃烧系统 10
2.1.6 冷却系统 10
2.2 控制系统 10
2.2.1本控制系统特点 11
2.2.2自动控制系统的控制内容 11
3. 窑炉工艺分析 13
3.1 整体结构示意 13
3.2 工作原理及操作流程 13
3.2.1自动调控原理 13
3.2.2操作流程 14
3.3工艺对比 15
4. 电气控制原理设计 17
4.1 电气控制选型 17
4.2电气控制原理介绍 18
4.2.1电气原理 18
4.2.2 I/O分派表 27
第5章 总结与展望 31
5.1总结 31
5.11论文重要内容 31
5.12论文设计总结 31
5.2展望 31
参考文献 31
导师简介 33
致谢 34
附录 35
参考文献.......................................................................................................................... ...23
导师简介..............................................................................................................................24
致谢......................................................................................................................................25
附录......................................................................................................................................2

1． 绪论
1.1 概述
窑炉是用耐火材料砌成的用以煅烧物料或烧成制品的设备，本文是围绕梭式窑的电气原理进行设计。它的重要特点是生产方式和时间安排比较灵活，对烧成品种的适应性强，因此既可作为重要烧成设备，用于小批量多品种的产品生产，满足市场多样化的需求；又可作为辅助烧成设备，用于产品的烧成和新产品的试生产。
本窑炉是一种现代化的间歇窑炉，使用天然气作为燃料，通过热电偶等仪表采集数据传送给PLC，通过PLC程序运算，其输出实现各阀门开度和电机运营的控制，同时根据仪表实时数据进行反馈调节，以达成所需控制参数规定的自动化控制的目的。同时，本文对窑炉的辅助设备如窑车，窑门和烘房的电气控制进行简要说明。
1.2 基本介绍
1.2.1 设计意义
梭式窑与辊道窑及隧道窑相比较，具有占地少、建设周期短、投资少、周转灵活、低风险、操作简便等优点。但是，目前一些厂家所使用的国产中小型梭式窑炉，仍存在着许多缺陷，重要体现在能耗高、温差大、烧成合格率低、使用寿命短、焙烧过程难控制不合理等方面。
1.2.2 功能介绍
梭式窑是间歇烧成的窑，跟火柴盒的结构类似，窑车推动窑内烧成，烧完了再往相反的方向拉出来，卸下烧好的陶瓷，窑车如同梭子，故而称为梭式窑。
梭式窑是一种以窑车做窑底的倒焰(或半倒焰)间歇式生产的热工设备,也称车底式倒焰窑，因窑车从窑的一端进出也称抽屉窑,是国内近十年来发展最为迅速的窑型之一。梭式窑除具有一般倒焰窑操作灵活性大，能满足多品种生产等优点外，其装窑、出窑和制品的部分冷却可以在窑外进行，既改善了劳动条件，又可以缩短窑的周转时间。但由于间歇烧成，窑的蓄热损失和散热损失大，烟气温度高，热耗量较高。新型节能型梭式窑改善了窑体砌筑结构，增设了废气余热运用装置，使这一缺陷很大改善。
1.2.3 完毕的重要工作
1）根据窑炉工作情况，对窑炉结构进行说明。
2）通过电气原理设计，对窑炉的控制系统和工作原理进行了分析。
3）通过电气原理图，对窑炉工作的每一环节进行说明。

2. 窑炉结构
2.1 机械结构
本窑炉机械结构部分涉及窑炉基础、窑体、窑车、排烟系统及燃烧系统。
2.1.1 本窑炉技术参数
如下表2-1所示，
表2-1
序号
名 称
单位
指标
备注
1
产品类型

电瓷

2
窑总容积
m³
195
15.6*5*2.5
3
有效装载容积
m³
146
2.2*4.8*2.3*6台车
4
窑车总数
辆
12
窑内6部，窑外6部
5
燃料种类

天然气

6
燃料热值
KCal/Nm3
≥8400

7
烧成周期
小时
40-120
冷-冷
8
烧成合格率
%
≥98

9
烧成温度
℃
1250℃

10
最高烧成温度
℃
≤1300℃

11
窑内温差
℃
保温阶段≤±2℃
升温阶段@40℃/h≤±5℃
仪表显示温度
12
烧嘴
支
14
施能SINON
13
窑体外表温度
℃
≤50℃
环境温度为20℃时
14
温度控制方式

自动
西门子PLC_VIPA
15
助燃风预热

304不锈钢换热器

16
窑压控制方式

自动

17
风机控制方式

自动

18
排烟方式

机械下排烟

19
排烟风机
台
32kw*1 变频

20
助燃风机
台
22kw*1 变频

21
调温风机
台
18.5kw*1 变频

本窑炉为先进的轻型装配式结构，窑炉及产品比较重，对基础和地基的规定很高。同时因窑炉存在振动，因此地耐力按常规规定需达成6-8吨/㎡以上。
基础的厚度规定为300mm，其中由下至上分别为100mm厚C15混凝土垫层和200mm厚C20钢筋混凝土，窑体置于钢筋混凝土之上。轨道上平面标高为±0.000M，窑基础上表面标高规定为-0.090M，停车道基础上表面标高-0.090M，因此对地下水无特别规定。基础底部地基规定加3∶7灰土夯实。
2.1.2 窑体结构
梭式窑窑体由钢结构和砌体两部分组成。
窑体钢结构系由型钢和钢板制作而成的全封闭式框架结构，既作为窑砌体的支撑和窑顶的悬挂承重结构，又是对窑侧墙的维护和加固密封。窑架立柱（两侧）采用14＃槽钢，门框立柱采用20＃槽钢，窑顶横梁采用18＃工字钢，窑外表面采用4mm厚钢板装饰。
砌体所有包含于钢结构内面，由侧墙、窑顶及窑门、烧嘴等部分组成，如表2-2所示。
表2-2 材料表
部位
耐火材料
总厚度
窑墙
230mm JM28轻质莫来石砖+115mm聚轻高铝+120mm硅酸铝纤维
465mm
窑门
230mm JM28轻质莫来石砖+115mm聚轻高铝+120mm硅酸铝纤维
465mm
窑车
烟道
230mm轻质粘土砖，116mm红砖

侧壁
67mm高铝砖

窑顶
250mm JM28轻质莫来石砖，40mm硅酸铝纤维毡，10mm捣打料
300mm

采用高速烧咀10套，窑墙两侧各5套，上下呈品字布置。
l窑车中央位置设立排烟口（窑体横向），窑内烟气通过窑车吸火孔，再通过烟道由排烟风机强制排出,烟道一侧设立自动渗冷风机构，其管径为φ400mm，用来调节烟气温度并使烟道内烟气再度充足氧化，使烟气排出达成国家标准。
2.1.3 窑车结构
该窑配有6部窑车，设备用6部窑车。窑车框架采用14＃槽钢结构，砌体为重、轻质砖混合结构。既承重又轻便节能。车轴用45#圆钢加工而成，车轮为铸钢结构，轴承采用耐温250℃的高温窑炉专用轴承。窑墙与窑车曲封采用新型磨擦曲封＋型砖曲封＋砂封结构，窑车与窑车砌体之间采用耐火纤维棉挤密曲封结构。封闭严密，阻止热风下串，保护窑车车轮。
2.1.4 排烟系统
该梭式窑采用机械下排烟方式。每部窑车排烟口位于窑车中间，用一烟道底部排烟，窑车排烟口和窑底排烟口应对接良好。每部窑车的烟气经窑车垂直烟道向下排烟，于窑体底部位置与总烟道连接，汇总后经换热器再由排烟风机排出。同时在排烟管道上设立调节闸板，可将烟气进行余热运用，烟道内设有不锈钢换热器，以提高助燃风温度，当窑温950℃时，助燃风温度不低于350℃。窑车烟道下部各设有调节窑压、加冷风（减少烟道温度，延长排烟风机寿命）的碳钢闸板，排烟风机采用普通风机，排出管道用碳钢制作。
2.1.5 燃烧系统
燃烧系统由燃气系统、助燃风系统组成。
（1）燃气系统
燃气系统及烧嘴布置。燃气系统材料采用镀锌成型钢管制作，燃气总管连接于厂方燃气总管道，燃气主管上设立截止阀、过滤器、减压器、电磁阀、燃气压力表、压力传感器等装置。每个烧嘴上均设有截止阀、电磁阀。最佳后送入烧嘴进入窑炉使用。
全窑共设立10只高速调温燃气烧嘴，每支烧嘴相应一个温度测点，每个温度控制点相应1支S分度热电偶，烧嘴在窑炉上下部交错布置，通过热气流在窑炉内的高速循环，有效地平衡两侧上下温差，实现小于±5℃的温差规定。每只烧嘴前配有助燃风支管、二次风支管和燃气支管，各支管上设有手动球阀。
（2）助燃风系统
助燃风机由变频器自动控制。助燃风经不锈钢换热器加热后，提成支管与烧嘴相连，同燃气支管一道参与烧嘴燃烧。助燃风系统管路采用不锈钢制作，减少管路锈蚀对产品的影响，提高产品的成品率和管道的使用寿命。
2.1.6 冷却系统
冷却系统采用烧嘴二次进风的结构对产品进行冷却，二次调温风机由变频器自动控制，系统管路采用不锈钢制作。本系统很好的安装冷却曲线进行冷却，并且灵活性非常强。
2.2 控制系统
自动控制系统(automatic control systems)是在无人直接参与下可使生产过程或其他过程按盼望规律或预定程序进行的控制系统。自动控制系统是实现自动化的重要手段。简称自控系统。自动控制系统重要由:控制器，被控对象，执行机构和变送器四个环节组成。
2.2.1本控制系统特点
电瓷梭式窑控制过程通常呈现大滞后、非线性、时变性等特点，并且大型电瓷梭式窑加热空间大，温度场存在强耦合、现场强干扰，给气氛温度的控制带来极大的不拟定性，严重影响产品质量。因此改善解决电瓷梭式窑气氛温度控制系统以满足电瓷工艺规定具有重要的现实意义。
该控制系统采用西门子SIMATIC-STEP7.0全集成化可编程控制器作为主控设备，该控制器集优越的控制、管理一体化性能和高可靠性于一体，并具有良好的人机接口及方便的操作性。系统采用气氛-温度双动态控制技术，通过MATLAB仿真和大量的实际运用经验，表白该系统对于多输入多输出、纯滞后、强耦合系统，具有良好的跟踪性能，大大提高了窑炉的自动控制水平，并且有效的保障了公司在对电瓷产品对气氛、温度等热工参数的严格工艺规定。在保证产品烧成质量的前提下，大幅度的减少了燃料的消耗，节能减排的技术指标处在国内领先水平。
2.2.2自动控制系统的控制内容
本自动控制系统涉及：烧嘴温度控制，点火控制，燃气控制，压力控制和助燃及调风控制。
l 烧嘴气氛温度控制： 采用专利技术气氛-温度双动态交叉控制算法，SIMATIC-STEP7.0控制系统中的闭环控制单元会根据当前的工艺曲线中对气氛、温度规定来自动调节该区执行器大小以及互相之间的比例来满足对气氛（空燃比）和温度的规定，在整个烧制过程中的流量、温度、阀位有完整自动记录。电脑自动、手动、硬手动无扰自由切换。
l 多状态点火控制：由于考虑到因外部停电的这特殊现象，目前其他厂家的控制系统在点火控制上均为手动将排烟、助燃、燃气、各分区开度手动调节到某个值，然后手动现场点火，准备时间长、点火易灭火。针对这一现象我公司采多状态点火控制，根据不同窑内温度段，从知识库中自动调入不同的开度，完毕自动一次性点火。远程点火与现场点火双备份控制。灭火自动切断该烧嘴电磁阀，报警并记录。
l 燃气总管自动控制：在燃气总管上加装压力传感器，压力能在电脑上显示并记录。在燃气总管上加装电动执行器，燃气压力超压欠压自动报警并切断燃气总阀。安全连锁助只有在排烟风机、助燃风机正常打开的情况下系统允许打开燃气总管电磁阀。
l 窑压（排烟）自动控制：安装窑压压力传感器，窑压超限自动报警。压力传感器传回的信号作为排烟控制的信号输入，SIMATIC-STEP7.0控制系统中的闭环控制单元会根据当前的工艺曲线中对窑压的规定自动调节排烟变频器的大小，让窑压控制在规定之内。安全连锁假如排烟风机出现故障报警，系统自动切断燃气总阀停窑。电脑上可以手动自动切换。在排烟风机上装有热电偶，当温度超过设定值时，系统会自动调节参冷风阀，防止损坏风机。
l 助燃风机自动控制：对助燃风机变频器自动控制，SIMATIC-STEP7.0控制系统中的闭环控制单元会根据当前的工艺曲线中对助燃风压力规定自动调节助燃变频器的大小。安全连锁助假如助燃风机出现故障报警，系统自动切断燃气总阀停窑。电脑上可以手动自动切换。
l 调温风机自动控制：对调温风机变频器自动控制，SIMATIC-STEP7.0控制系统中的闭环控制单元会根据当前的工艺曲线中对调温风的规定自动调节变频器的大小。电脑上可以手动自动切。

l

3. 窑炉工艺分析
3.1 整体结构示意
全窑共设立10只高速调温燃气烧嘴，每支烧嘴相应一个温度测点，每个温度控制点相应1支热电偶，烧嘴在窑炉上下部交错布置，通过热气流在窑炉内的高速循环，有效地平衡两侧上下温差，实现小于±5℃的温差规定。每只烧嘴前配有助燃风支管、二次风支管和燃气支管，各支管上设有手动球阀。如图3-12所示。

图3-1 整体结构示意图
3.2 工作原理及操作流程
3.2.1自动调控原理
通过品字型喷嘴对窑炉内进行加热并产生对流，使窑炉内温度均匀，以保证产品质量。用热电偶实现温度反馈并通过上位机和可编程序控制器实现自动控制。实时温度通过热电偶传送到PLC调温模块，控制系统中的闭环控制单元会根据当前的工艺曲线中对燃气的规定自动开大或减小执行器的开度。当温度过高，风阀开度减小，减少助燃风进入窑炉内，同时气阀开度减小，使喷嘴处温度减低。反之，风阀开度增大，风阀开度增大，使温度升高。温度反馈调节控制如图3-2所示。

图3-2温度反馈调节
3.2.2操作流程
窑炉准备启动前，检查指示灯等仪表是否正常。然后打开排风阀排出窑内杂质气体，一段时间后打开配风阀使窑内充进外部空气，之后通过压力传感器检查窑内压力是否符合点火规定，检测达成一定压力后自动打开燃气阀通进天然气，同时检查是否有漏气现象，若一切正常则点火器自动启动。成功启动后，窑炉内温度将按预先设定的温度曲线进行自动调节。见图3-3系统示意图。

图3-3系统示意图
3.3工艺对比
为了方便说明，选择了市场上畅销的日本某公司的梭式窑技术参数进行对比。如表3-1所示。
表3-1对比图
对比项目
对比性能指标
日本xxx公司
本项目窑炉
技
术
性
能
烧成
温度
升温湿度范围
20～50℃/h可调
0～50℃/h可调
保温范围
0℃/h
0℃/h
降温范围
50～100℃/h可调
35～120℃/h可调
终火温度分布
△t<10℃
△t<10℃
烧成
气氛
氧化阶段
O2: 10～12%可调
O2: 0～12%可调
还原阶段
CO: 3～5%可调
CO: 0.2～5%可调
窑压
氧化阶段
0～20Pa可调
-10～20Pa可调
还原阶段
10～30Pa可调
0～30Pa可调
使用性能
窑炉调试
3
1
烧成合格率
95%
99%
与传统
手动控制
节能比较

节能3-8%
节能5-20%
容易看出，本项目梭式窑的调温范围明显高于该畅销品牌。而烧成产品合格率和节能性也更高。
4. 电气控制原理设计
4.1电气控制原理介绍
4.1.1电气原理
在此对本梭式窑重要电气控制部分进行介绍。
一、外部电源及电柜电源设计如图4-1所示。

图4-1外部电源示意图
如上图所示，外部380V电源经总空开接入控制电路，之后进入排烟风机的变频器，排烟风机变频器由PLC控制，达成变频条件时KA0，KA6接触器吸合，变频器开始对排烟风机实行控制。此外，由于窑炉属于大型电气设备，需要配备防雷器以保证雷雨天可以安全工作，所以从外部电源引220V电，经电磁继电器连接防雷器及后面的电器元件，并接地。

图4-2 电柜接线示意图

如上图所示，电柜内部采用220V交流电源，220V柜体散热风扇和220V维修插座及220V照明电源。控制电路PLC供电采用3个24V直流电源。当电柜内各元件正常工作时有黄色指示灯闪烁。

二、排烟、调温、助燃电机

图4-3 调温及助燃模块示意图

调温及助燃电机与排烟电机同样，供电采用380V交流电，当KA1和KA7接触器吸合，变频器对调温电机进行调控，同理，助燃电机也同样。系统通过模拟量输入模块对三台风机进行调控，并根据用户设定曲线和实时的反馈数据通过一系列算法呢后达成自动控制的目的。

三、风阀和气阀

图4-4 风阀和气阀示意图
如上图所示，炉内温度，压力及燃气压力等模拟量输入通过模拟量模块传送到PLC进行运算解决再对模拟量输出风阀和气阀的开度进行控制，由此实现根据温度和压力进行反馈调节。当温度过低时，风阀和气阀开度增大，炉内温度升高；当温度过高时，风阀和气阀开度减小，炉内温度减少。

三、排烟、调温、助燃及燃气变频

图4-5 排烟、调温、助燃及燃气变频示意图
如上图所示，手操器即智能操作器，可自动接系统(或调节仪)的给定信号和阀位的反馈信号，根据两者的偏差进行调节，输出相应的控制量，并可取代小功率伺服放大器直接驱动阀门，可接在各种调节器或计算机控制系统之后作备用仪表。
本变频系统阀位接手操器，根据预设温度和实际温度的偏差进行调节，输出相应的控制量来控制变频器进而控制排烟、调温、助燃电机和燃气总管执行器。

四、报警、调温、燃气等启停

图4-6 报警、调温、燃气启停示意图
通过PLC对各功能的启停进行开关量控制，涉及报警复位、程序启停、排烟启停、调温启停、助燃启停、燃气启停及点火启动。而调温、助燃等部分在启动后再由模拟量模块进行进一步调控。

五、重要指示灯

图4-7 重要指示灯示意图
如上图所示，在电柜上，操作人员最直观的是通过各指示灯对系统进行监控。指示灯涉及程序启停、燃气和点火允许、氧化指示、还原指示、排烟、调温及助燃故障等均采用红色报警色。系统所有指示灯均通过PLC的开关量控制单元进行控制。

图4-8火焰指示灯示意图
如上图所示，火焰的指示灯使用绿色灯，代表工作正常。与其他指示灯同样通过开关量控制单元进行控制。图为外部逻辑电路。

五、窑车

图4-9 窑车控制示意图
如图所示，窑车的外部逻辑电路控制。窑炉工作前，大车定位，小车复位后装载陶瓷毛坯向左位运动，毛坯到达窑炉内并开始烘烤。烘烤结束后小车向右位运动，将产品拉出炉。进行冷却。

六、各区温度

图4-10 各区温度反馈示意图
如图所示，10个喷嘴，每个喷嘴喷火范围相应一个温区，同时也涉及排烟、助燃和车底温度。各个温区的实时温度通过热电偶转化成模拟量信号并传送到PLC模拟量输入模块，通过PLC运算再反馈给喷嘴进行调温。同时，每个区的温度传感器都有相应的实时温度数据直观地表达出来，这样使程序可以对整个温控系统有更全面的监控和调控能力。
4.1.1 I/O分派表
模拟量输入输出对照4.21的电气原理进行列表说明。
表4-1模拟量输入输出
模拟量输入
符号
地址
模拟量输出
符号
地址
风阀位1
PIW0
M0+、M0-
排烟变频
POW0
M0+、M0-
气阀位1
PIW1
M1+、M1-
调温变频
POW1
M1+、M1-
风阀位2
PIW2
M2+、M2-
助燃变频
POW2
M2+、M2-
气阀位2
PIW3
M3+、M3-
燃气总管执行器
POW3
M3+、M3-
风阀位3
PIW4
M4+、M4-

气阀位3
PIW5
M5+、M5-

风阀位4
PIW6
M6+、M6-

气阀位4
PIW7
M7+、M7-

风阀位5
PIW8
M0+、M0-

气阀位5
PIW9
M1+、M1-

风阀位6
PIW10
M2+、M2-

气阀位6
PIW11
M3+、M3-

风阀位7
PIW12
M4+、M4-

气阀位7
PIW13
M5+、M5-

风阀位8
PIW14
M6+、M6-

气阀位8
PIW15
M7+、M7-

风阀位9
PIW16
M0+、M0-

气阀位9
PIW17
M1+、M1-

风阀位10
PIW18
M2+、M2-

气阀位10
PIW19
M3+、M3-

窑炉压力
PIW18
M4+、M4-

配风压力
PIW19
M5+、M5-

燃气气压
PIW18
M6+、M6-

M7+、M7-

开关量输入输出对照4.21的电气原理进行列表说明，如表4-2所示。

表4-2 开关量输入输出
开关量输入
符号
地址
开关量输出
符号
地址

报警复位
SB1
DI0.0
程序启动
HL0
DO0.0
排烟启动
KA0
DO3.2
程序启动
SB2
DI0.1
程序暂停
HL1
DO0.1
助燃启动
KA1
DO3.3
程序暂停
SB3
DI0.2
燃气允许
HL2
DO0.2
调温启动
KA2
DO3.4
排烟启动
SB4
DI0.3
点火允许
HL3
DO0.3
燃气总阀
KA3
DO3.5
调温启动
SB5
DI0.4
低温指示
HL4
DO0.4
点火器启动
KA4
DO3.6
助燃启动
SB6
DI0.5
氧化指示
HL5
DO0.5
报警蜂鸣器
HLA
DO3.7
燃气启动
SB7
DI0.6
还原指示
HL6
DO0.6
1区风执行器

DO4.0
点火启动
SB8
DI0.7
冷却指示
HL7
DO0.7
1区气执行器

DO4.1
排烟故障
KA6
DI1.0
排烟故障
HL10
DO1.0
2区风执行器

DO4.2
调温故障
KA7
DI1.1
调温故障
HL11
DO1.1
2区气执行器

DO4.3
助燃故障
KA8
DI1.2
助燃故障
HL12
DO1.2
3区风执行器

DO4.4
外部电源故障
KA9
DI1.3
窑压超限
HL13
DO1.3
3区气执行器

DO4.5
备用

DI1.4
气压超限
HL14
DO1.4
4区风执行器

DO4.6
备用

DI1.5
风机超温
HL15
DO1.5
4区气执行器

DO4.7
备用

DI1.6
故障停窑
HL16
DO1.6
5区风执行器

DO5.0
备用

DI1.7
温差报警
HL17
DO1.7
5区气执行器

DO5.1
1区报警
KA30
DI2.0
1-4区点火
KA20
DO2.0
6区风执行器

DO5.2
2区报警
KA31
DI2.1
5-8区点火
KA21
DO2.1
6区气执行器

DO5.3
3区报警
KA32
DI2.2
9-10区点火
KA22
DO2.2
7区风执行器

DO5.4
4区报警
KA33
DI2.3
备用

DO2.3
7区气执行器

DO5.5
5区报警
KA34
DI2.4
备用

DO2.4
8区风执行器

DO5.6
6区报警
KA35
DI2.5
备用

DO2.5
8区气执行器

DO5.7
7区报警
KA36
DI2.6
备用

DO2.6
9区风执行器

DO6.0
8区报警
KA37
DI2.7
备用

DO2.7
9区气执行器

DO6.1
9区报警
KA38
DI3.0
备用

DO3.0
10区风执行器

DO6.2
10区报警
KA39
DI3.1
外部电源正常

DO3.1
10区气执行器

DO6.3

PLC整机架如表4-3所示。
表4-3 PLC整机架
CPU314SE
IM365
SEND
SM322
AO 4*12 Bit
SM331
AI 8*13 Bit
SM331
AI 8*13 Bit
SM331
AI 8*13 Bit

表4-4 PLC整机架
IM365
RICEIVE

SM321
DI 16*DC24V
SM321
DI 16*DC24V
SM322
DO 16*REL AC230V
SM322
DO 16*AC120V/230V
SM322
DO 16*AC120V/230V
SM322
DO 16*AC120V/230V
SM322
DO 16*AC120V/230V

4.2 电气控制选型
4.2.1 PLC选型
本设计方案设计在不同的温度和压力条件下，产品烧成后性能指标也各不相同。为了得到所需产品稳定的性能，必须保证窑炉内温度和压力沿预定曲线变化。根据窑炉配备所需的10组风阀和气阀，3组排烟、调温和变频，及燃气总管，窑炉压力，配风压力和燃气气压等模拟量输入；10个热电偶采集每个区域的温度，10个PID控制回路，报警、各电机启停和指示灯及各阀门执行器等开关量输入输出；采用串接的仪表接入类型及485接口9针接头的通讯方式；综合下来选择西门子S-300 和SIMATIC-STEP7。

图4-11 S7-300
4.2.2 上位机选型
由于窑炉采集的数据多，模拟量和采集和解决的比较多。如图4-12所示，需要时时检测10个温区的温度，风流量以及气流量，并时时监控每一个外围设备的运营状态，运营参数规定能直接在主界面设立，此外尚有烧成配方、温度控制曲线、系统参数设立、报警状态的规定等等，所以工业组态软件选择了昆仑通态的MCGS6.2。

图4-12 窑炉主界面

系统的硬件结构选用的是计算机选用台湾BOX270无风扇工业计算机，能在高温、粉尘大等恶劣调件下正常工作。

5. 总结与展望
5.1总结
5.11论文重要内容
本论文的重要内容为：第一，本论文对梭式窑特点，功能进行了介绍；第二，对其从机械结构和控制系统两个方面进行了说明；第三，从电气控制原理的角度出发，对窑炉的控制系统进行介绍。
5.12论文设计总结
通过对梭式窑的了解，从而对控制系统的设计指明了一条思绪即模块式的设计思绪。在此设计过程中充足考虑了系统的控制性能指标和使用需求。梭式窑的设计涉及了窑体内部结构，外部排烟燃气冷却以及控制系统等方面。整个系统构成闭环控制系统，实现了对窑炉的启停，调温，排烟及能量二次运用的功能。在各单元都正常工作条件下，保证了窑炉的正常运营。基于闭环自动控制技术对各模块进行反馈调节控制，既方便监控节省操作环节，也方便了对窑炉各部分的正常运营和维护，为系统的正常、高效的运营提供了较好的技术保证。
5.2展望
功能性陶瓷的需求呈上升趋势，在市场不断扩大的契机下，市场对陶瓷的生产质量和数量提出了更高的规定。控制系统是窑炉自动化生产线的最基本结构，它运营效率直接影响整条生产线的效率，进而影响到了公司的效益。对窑炉自动化生产控制系统的设计，有助于提高生产线的效率，为满足市场不同生产规定的前提下，当今机械制造业未来将对窑炉自动化生产控制系统不断改善和完善。

参考文献

[1] 胡国林.陶瓷工业窑炉，2023.
[2] 刘麟瑞.工业窑炉用耐火材料手册，2023.
[3] 姜建芳.西门子S7-300/400 PLC工程应用技术.机械工业出版社，2023.
[4] 刘华波.西门子S7-300/400PLC编程与应用.机械工业出版社，2023.
[5] 刘华波.组态软件WinCC及其应用.机械工业出版社，2023.

导师简介

李玮，女，专家，湖北省松滋县人。1988年7月毕业于哈尔滨工业大学控制工程系自动控制专业，获得学士学位。2023年获得昆明理工大学信息与自动化学院电气工程硕士学位，2023年至今，在读昆明理工大学机电学院机械设计与理论专业，攻读博士学位。自1988年以来，先后发表论文40余篇，翻译说明书10余本，共计100多万字。参编教材二部。已发表的有关论文重要有：“表干炉计算机控制系统的设计与应用” •铸造技术•2023.7；EI检索，“中间工艺语言在自动化设备中的应用” EI检索•2023中国控制大会•2023；“PID神经网络的信号流图在线学习算法” • EI检索•仪器仪表学报•2023•7。“东德导轨磨的电气改造”，中文核心•2023机械设计与制造•2023.8。“精密绕线机计算机控制系统的设计与应用”，中文核心•2023机械设计与制造•2023.11。“20T链排锅炉控制系统设计与应用”，中文核心，电气传动，2023.5。“Temperature Control of Constant-temperature Workshop Based on NARX Neural Network”，第十六届信息论大会，IS