袁樟楠

（佛山市德力泰科技有限公司，佛山 528137）

1 前言

在陶瓷磚（板）生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)涉及經(jīng)常更換規(guī)格型號(hào)、花色品種或者提產(chǎn)、降產(chǎn)的調(diào)整動(dòng)作，這就需要根據(jù)生產(chǎn)情況不斷更改窯爐的燒成周期（厚薄、花色、規(guī)格等變化會(huì)影響燒成時(shí)間），以保證產(chǎn)品的燒成質(zhì)量。燒成周期的變化時(shí)，窯爐前端的裝載設(shè)備也需要進(jìn)行速度調(diào)整，比如下文所述的智能輥臺(tái)，能夠自動(dòng)調(diào)整自身運(yùn)行速度，來(lái)匹配窯爐的進(jìn)坯速度，以保證流水線(xiàn)連續(xù)柔和生產(chǎn)。目前，這個(gè)過(guò)程全部靠人工在上位機(jī)里面輸入不同燒成周期的速度值來(lái)進(jìn)行更改匹配。常用的具體操作次序?yàn)椋菏紫雀鶕?jù)生產(chǎn)需要先轉(zhuǎn)換窯爐燒成周期，再?gòu)母G頭向前依次調(diào)整上游配套設(shè)備（如釉線(xiàn)、干燥器、連接線(xiàn)、各種功能設(shè)備等）的運(yùn)行速度，直到壓機(jī)輸送輥臺(tái)處，一個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程調(diào)整下來(lái)，往往要花費(fèi)數(shù)小時(shí)之久，效率低下且工作強(qiáng)度大。此外，不管有無(wú)坯體進(jìn)入窯爐，入窯口的吹塵風(fēng)機(jī)會(huì)一直按照固定的頻率不間斷運(yùn)行，在“空窯”情況下若無(wú)人員關(guān)閉，也會(huì)白白消耗電力，造成浪費(fèi)。

擬研究開(kāi)發(fā)一種能夠自動(dòng)跟隨窯爐燒成周期、傳動(dòng)速度變化的信息化智能輥臺(tái)，并逐步研究以擴(kuò)大到其他工序，讓整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)的操作更加人性化、運(yùn)行過(guò)程更加節(jié)能環(huán)保。德力泰窯爐參見(jiàn)圖1。

圖1 德力泰窯爐

2 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

智能輥臺(tái)使用的是一種速度跟隨系統(tǒng)來(lái)達(dá)成目的，該系統(tǒng)由輥臺(tái)測(cè)速編碼器、吹塵風(fēng)機(jī)及其編碼器、對(duì)中機(jī)、傳動(dòng)電機(jī)和光電開(kāi)關(guān)等組件構(gòu)成。測(cè)速編碼器是將是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移或者速度的大小。參見(jiàn)圖2。

圖2 速度跟隨系統(tǒng)示意圖

2.1 各設(shè)備功能

對(duì)中機(jī)是用于將前端混亂的坯體兩邊對(duì)中推送整齊，智能輥臺(tái)用于將排列整齊的坯體輸送到進(jìn)窯輥臺(tái)入窯，風(fēng)機(jī)的主要功能是吹塵，也有冷卻坯體的作用。相比上、下游其他僅具備輸送功能的設(shè)備，該輥臺(tái)具有速度跟隨等智能屬性。智能輥臺(tái)根據(jù)窯爐燒成周期產(chǎn)生的一個(gè)理想值，再用編碼器去測(cè)進(jìn)窯輥臺(tái)的實(shí)際轉(zhuǎn)速值，然后反饋給智能輥臺(tái)速度跟隨系統(tǒng)計(jì)算、調(diào)整和匹配速度，以實(shí)現(xiàn)對(duì)窯爐周期速度的同步跟隨。

2.2 速度檢測(cè)與計(jì)算

當(dāng)窯爐燒成周期改變時(shí)，與窯體傳動(dòng)相連的進(jìn)窯輥臺(tái)產(chǎn)生一個(gè)運(yùn)行速度，安裝在進(jìn)窯輥臺(tái)傳動(dòng)輥棒上的測(cè)速編碼器通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸讀取進(jìn)窯輥臺(tái)的速度，通過(guò)脈沖信號(hào)反饋給PLC（可編程控制器），PLC 根據(jù)反饋的速度按照下列“計(jì)算公式1”算出智能輥臺(tái)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行速度，通過(guò)速度控制信號(hào)發(fā)指令給智能輥臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器運(yùn)轉(zhuǎn)。在智能輥臺(tái)的終端設(shè)有一個(gè)編碼器檢測(cè)實(shí)際速度，檢測(cè)結(jié)果傳送回PLC 后進(jìn)行對(duì)比運(yùn)算，有誤差則重新發(fā)送新的速度指令，如此形成一個(gè)局部閉環(huán)控制系統(tǒng)。

計(jì)算公式1：

v=v1×a+Δv

式中：

v- 智能輥臺(tái)輸出速度，m/s

v1- 入窯輥臺(tái)速度,m/s

a- 比例值（常數(shù)，通過(guò)PLC 內(nèi)部一系列繁瑣的圓周率、數(shù)值轉(zhuǎn)換等綜合計(jì)算所得）

Δv- 補(bǔ)償差值，m/s，Δv 計(jì)算參見(jiàn)公式4。

例如：入窯輥臺(tái)的速度經(jīng)換算為15m/s,a 的取值為1.105，Δv 是一個(gè)變化值，智能輥臺(tái)的速度V 則為15×1.105+Δv。

2.3 速度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程

那么問(wèn)題來(lái)了，線(xiàn)速度數(shù)據(jù)v1是怎么得來(lái)，以及如何轉(zhuǎn)換的呢？假設(shè)進(jìn)窯輥臺(tái)編碼器讀出角速度數(shù)據(jù)為D1（自然數(shù)）,經(jīng)過(guò)浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算得到數(shù)據(jù)ω1,通過(guò)輥臺(tái)測(cè)速滾輪半徑數(shù)據(jù)r1計(jì)算出進(jìn)窯輥臺(tái)編碼器的線(xiàn)速度v1；同理，智能輥臺(tái)編碼器讀出數(shù)據(jù)角速度為D2（自然數(shù)）,經(jīng)過(guò)浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算得到數(shù)據(jù)ω2,通過(guò)輥臺(tái)測(cè)速滾輪半徑數(shù)據(jù)r2再計(jì)算出智能輥臺(tái)編碼器的線(xiàn)速度v2。

計(jì)算公式2：v1=ω1×r1

計(jì)算公式3：v2=ω2×r2

計(jì)算公式4：Δv=v1×a-v2

式中：

v1- 進(jìn)窯輥線(xiàn)速度，m/s

v2- 智能輥臺(tái)線(xiàn)速度，m/s

ω1、ω2- 經(jīng)過(guò)浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算得到角速度數(shù)據(jù)，單位rad/s

r1- 進(jìn)窯輥臺(tái)測(cè)速輪半徑，單位m

r2- 智能輥臺(tái)測(cè)速輪半徑，單位m

Δv- 為v1和v2的差值

2.4 PID 調(diào)節(jié)原理、特點(diǎn)

PLC 設(shè)有PID（比例、微積分控制）運(yùn)算模塊，根據(jù)公式1，電機(jī)速度V 是由PLC 模擬量來(lái)控制輸出，模擬量響應(yīng)涉及到PID 的調(diào)節(jié)，原理如下：

PI 控制器與被控對(duì)象串聯(lián)時(shí)，可以使系統(tǒng)提高一個(gè)級(jí)別，而且還提供了兩個(gè)負(fù)實(shí)部的零點(diǎn)。與PI 控制器相比，PID 控制器除了同樣具有提高系統(tǒng)穩(wěn)定性能的優(yōu)點(diǎn)外，還多了一個(gè)負(fù)實(shí)部零點(diǎn)，由于PID 控制器在提高動(dòng)力系統(tǒng)方面具有很大的優(yōu)越性，因此得到了廣泛應(yīng)用。

PID 控制綜合了PI 控制與PD 控制長(zhǎng)處，并消除其短處。積分的作用是消除誤差，而微分控制則可縮小超調(diào)量，加快反應(yīng)。從頻域角度看，PID 控制通過(guò)積分作用于系統(tǒng)的低頻段，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而微分作用于系統(tǒng)的中頻段，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

比例(P)控制能迅速反映誤差，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差。但是，比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。比例放大系數(shù)的加大.會(huì)引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。只要系統(tǒng)有誤差存在，積分控制器(I)就不斷地積累，輸出控制量，以消除誤差。如有足夠的時(shí)間，積分控制就能完全消除誤差，使系統(tǒng)誤差為零，從而消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使出現(xiàn)振蕩。微分(D)控制可以減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時(shí)加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減少調(diào)整時(shí)間，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。根據(jù)不同的被控對(duì)象的控制特性，又可以分為P、PI、PD、PID 等不同的控制模型。

PID 調(diào)節(jié)原理參見(jiàn)圖3。

圖3 PID 調(diào)節(jié)原理圖

2.5 風(fēng)機(jī)控制

結(jié)合光電開(kāi)關(guān)的檢測(cè)信號(hào)可以推算出坯體移動(dòng)距離，當(dāng)計(jì)算并檢測(cè)到磚坯運(yùn)行至風(fēng)機(jī)位置時(shí)，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，對(duì)磚面灰塵進(jìn)行吹掃。系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)窯輥臺(tái)編碼器反饋的速度值對(duì)吹風(fēng)量進(jìn)行精確控制，以減少單位產(chǎn)品的耗電量。通過(guò)公式5 計(jì)算出風(fēng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速以控制風(fēng)量大小。根據(jù)公式5，PLC 發(fā)出速度指令給風(fēng)機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)電機(jī)頻率加快或減慢來(lái)調(diào)節(jié)吹塵風(fēng)量的大小。風(fēng)機(jī)電機(jī)的聯(lián)軸器終端設(shè)置有一個(gè)編碼器，檢測(cè)實(shí)際風(fēng)機(jī)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度后傳回系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比運(yùn)算，糾正偏差，計(jì)算和輸出更準(zhǔn)確的運(yùn)行速度，形成了一個(gè)局部閉環(huán)控制系統(tǒng)。當(dāng)光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)不到坯體進(jìn)窯時(shí)，則停止智能輥臺(tái)和風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，以防止空轉(zhuǎn)耗電，達(dá)到節(jié)能的目的。

式中：

ω3- 風(fēng)機(jī)輸出角速度，rad/s

ω4- 風(fēng)機(jī)編碼器讀取角速度,rad/s

b- 比例值（常數(shù)，通過(guò)PLC 內(nèi)部一系列繁瑣的圓周率、數(shù)值轉(zhuǎn)換等綜合計(jì)算所得）

Δω- 實(shí)測(cè)ω4×b 與風(fēng)機(jī)理論計(jì)算速度ω3差值，rad/s

2.6 對(duì)中伺服系統(tǒng)

同樣，PLC 根據(jù)智能輥臺(tái)的運(yùn)行速度，計(jì)算出對(duì)中機(jī)的開(kāi)始對(duì)中動(dòng)作時(shí)間，即磚坯運(yùn)行至對(duì)中機(jī)中間位置時(shí)，對(duì)中機(jī)開(kāi)始對(duì)中，將磚坯擋整齊。對(duì)中機(jī)對(duì)中速度的設(shè)定是恒定的，通過(guò)PLC 脈沖信號(hào)發(fā)送給伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)行。伺服電機(jī)終端設(shè)置有編碼器，編碼器將信號(hào)傳送給伺服驅(qū)動(dòng)器，這樣在伺服電機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)器之間也形成小閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)控制。

2.7 I/O 模擬信號(hào)

PLC 通過(guò)光電開(kāi)關(guān)的I/O 信號(hào)、智能輥臺(tái)運(yùn)行速度，模擬出磚坯在智能輥臺(tái)上的運(yùn)行軌跡，并直觀地反映在人機(jī)界面畫(huà)面上。

2.8 生產(chǎn)信息可視化

上位機(jī)可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、報(bào)警記錄等數(shù)據(jù)上傳到智能終端系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)信息可視化，如圖4（局部圖）。

圖4 信息可視化圖（局部）

2.9 系統(tǒng)控制總圖

包括進(jìn)窯輥臺(tái)、智能輥臺(tái)各機(jī)構(gòu)、傳感器等整個(gè)系統(tǒng)的控制原理參見(jiàn)圖5。

圖5 系統(tǒng)控制總圖

3 答疑解問(wèn)

下面將針對(duì)陶瓷企業(yè)專(zhuān)業(yè)人員日常提出過(guò)的一些疑問(wèn)進(jìn)行解答，使本文中的軟件、硬件技術(shù)要點(diǎn)闡述得更加完整。

（1）智能輥臺(tái)分段、速度如圖2 所示，智能輥臺(tái)配有五臺(tái)電機(jī)（M1～M5），相當(dāng)于設(shè)置了五個(gè)傳動(dòng)段，每個(gè)傳動(dòng)段的運(yùn)轉(zhuǎn)速度相同。

都是根據(jù)進(jìn)窯輥臺(tái)運(yùn)行速度轉(zhuǎn)換得到的。

（2）風(fēng)機(jī)的自動(dòng)關(guān)閉。光電開(kāi)關(guān)設(shè)置在M4 傳動(dòng)段，風(fēng)機(jī)設(shè)置在M1 傳動(dòng)段，文中提及“當(dāng)光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)不到坯體進(jìn)窯時(shí)，則停止智能輥臺(tái)和風(fēng)機(jī)的運(yùn)行”，如果M2～M3 傳動(dòng)段剛好有坯體在進(jìn)行對(duì)中處理，應(yīng)當(dāng)把控智能輥臺(tái)和風(fēng)機(jī)的關(guān)閉時(shí)間根據(jù)M1～M3 傳動(dòng)段的當(dāng)前速度計(jì)算坯體全數(shù)通過(guò)M1 傳動(dòng)段并進(jìn)入下游傳動(dòng)輥臺(tái)的時(shí)間T，然后啟動(dòng)控制柜定時(shí)功能（即在時(shí)間T 之后）關(guān)閉智能輥臺(tái)和風(fēng)機(jī)。

（3）測(cè)不到坯體時(shí)，會(huì)將M1～M3 傳動(dòng)段的電機(jī)關(guān)閉以避免不必要的耗電，M4～M5 傳動(dòng)段的電機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)以將后續(xù)坯體傳輸至M4 段被光電開(kāi)關(guān)所檢測(cè)。

（4）關(guān)于對(duì)中機(jī)開(kāi)始對(duì)中動(dòng)作的時(shí)間，可以認(rèn)為當(dāng)光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到有坯體時(shí)，控制柜立馬控制對(duì)中機(jī)開(kāi)始動(dòng)作，需要持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)接來(lái)坯體。

（5）如圖2 所示，對(duì)中機(jī)設(shè)置在M2～M3 傳動(dòng)段上可對(duì)四塊產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)齊處理，并在對(duì)齊過(guò)程中可以保持M1～M3 傳動(dòng)段運(yùn)行，但M4～M5 傳動(dòng)段是否應(yīng)當(dāng)暫停運(yùn)行，以避免M4 傳動(dòng)段上的產(chǎn)品影響到對(duì)中機(jī)的當(dāng)前對(duì)齊動(dòng)作，應(yīng)當(dāng)規(guī)定在控制柜接收到對(duì)中機(jī)反饋的對(duì)中結(jié)束信號(hào)時(shí)恢復(fù)M4～M5 傳動(dòng)段的運(yùn)行。

M2 和M3 在對(duì)中的時(shí)候，M4 和M5 在光電開(kāi)關(guān)未檢測(cè)到磚坯時(shí)繼續(xù)運(yùn)行，如果在對(duì)中的時(shí)候，又檢測(cè)到下一波磚坯到達(dá)時(shí)，則停止運(yùn)行；每波磚坯之間都有運(yùn)行間隙，而非連續(xù)不斷的。

(6)圖6 中的AD/DA 的意思。

AD 轉(zhuǎn)換是指模數(shù)轉(zhuǎn)換，即將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。主要包括積分型、逐次逼近型、并行比較型/串行并行型、調(diào)制型、電容器陣列逐次比較型和電壓頻率轉(zhuǎn)換型。

DA 轉(zhuǎn)換是指數(shù)模轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。需要注意的指標(biāo)是：轉(zhuǎn)換范圍、轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，陶瓷行業(yè)的頭部企業(yè)非常重視生產(chǎn)線(xiàn)的智能化，也陸陸續(xù)續(xù)建設(shè)了不少數(shù)字化、智能化車(chē)間、工廠(chǎng)。本文介紹的結(jié)構(gòu)技術(shù)只是輸送過(guò)程中的一個(gè)細(xì)小環(huán)節(jié)。但如果陶瓷生產(chǎn)線(xiàn)的每個(gè)小環(huán)節(jié)都能實(shí)現(xiàn)精細(xì)化控制，那么將會(huì)促使整線(xiàn)更加節(jié)能環(huán)保、智能化，相信未來(lái)會(huì)有更多類(lèi)似的技術(shù)涌現(xiàn)。