富氧燃燒陶瓷輥道窯脈沖燃燒控制裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種富氧燃燒陶瓷輥道窯脈沖燃燒控制裝置，該裝置包括處理器模塊、脈沖寬度調制驅動模塊、燃氣電磁閥、氧氣電磁閥、燃氣流量計和氧氣流量計，處理器模塊的輸入端與燃氣流量計、氧氣流量計和RS485通信接口相連，處理器模塊的輸出端與燃氣電磁閥、氧氣電磁閥和脈沖寬度調制驅動模塊相連，燃氣電磁閥和氧氣電磁閥分別通過燃氣管路和氧氣管路接至燃燒裝置，脈沖寬度調制驅動模塊通過電纜接至燃燒裝置，燃燒裝置伸入富氧燃燒陶瓷輥道窯的內部，燃氣流量計和氧氣流量計分別設置在燃氣管路和氧氣管路上。本實用新型成本低，集成度高，處理速度快，控制器能適用于工業窯爐，工作可靠性高。
【專利說明】富氧燃燒陶瓷輥道窯脈沖燃燒控制裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及工業窯爐燃燒控制領域，特別涉及需要燃氣和氧氣混合燃燒的工業窯爐。本實用新型能夠智能跟隨燃燒曲線，實現燃氣與氧氣的按比例混合燃燒，使它們燃燒更加充分。
【背景技術】
[0002]我國是陶瓷生產和出口大國，特別是近年來，我國衛生建筑陶瓷生產量已經占到全球總生產量的50%以上，出口額占全球總額的20%，日用、藝術陶瓷更是占到全球市場的40%。但是同時，我國的陶瓷生產行業存在著產品檔次低、能耗高、生產效率低和智能化不高等問題。
[0003]在現代陶瓷工業的生產中，窯爐內的溫度、壓力和氣氛對陶瓷產品的質量影響很大，而決定窯內參數的關鍵就是燃燒方式的差別。目前國內的陶瓷窯爐一般都采用連續燃燒控制的形式，即通過控制燃料、助燃空氣流量的大小來使爐內的溫度、燃燒氣氛達到工藝要求。由于這種連續燃燒控制的方式往往受到燃料流量的調節和測量等環節的制約，目前大多數窯爐的控制效果不佳。而高檔陶瓷制品對窯內溫度場的均勻性和燃燒氣氛的穩定可靠性要求較高，使用傳統的連續燃燒控制將無法實現生產需求。脈沖燃燒技術是一種新型的工業窯爐燃燒控制技術，它對不同燃料介質有良好的適用性，不受燃料量的測量和調節環節的制約，在溫度上升與下降的滯后性十分嚴重的大型窯爐均能達到理想的溫度控制曲線，更加優于傳統的連續燃燒控制。
[0004]本發明人在專利“富氧及全氧燃燒輥道窯的燃燒控制方法”(200810048783.5)提出了脈沖燃燒的控制方法。同時，國內也有一些公司提出了適用于脈沖燒嘴的控制器，比如遼寧華遠能源工程技術有限公司設計的“熱處理爐脈沖燒嘴的集成式燃燒控制器”(CN201120011254.5)。這種控制器在一定程度上提高了熱處理爐的燃燒效率，但是在對于本發明人的富氧燃燒陶瓷窯爐時很難發揮作用。一方面富氧燃燒陶瓷輥道窯需要燃氣和氧氣按比例混合燃燒，另一方面也需要與脈沖燃燒器相配合。
[0005]因此，有必要開發一種新型的富氧燃燒陶瓷輥道窯脈沖燃燒控制裝置。
【發明內容】
[0006]本實用新型所要解決的技術問題是:針對現有技術缺陷，提供一種富氧燃燒陶瓷輥道窯脈沖燃燒控制裝置來控制富氧燃燒陶瓷輥道窯的燃燒。本實用新型使得窯內燃燒氣氛中的氧氣與燃氣充分混合燃燒，提高了輥道窯的熱效應。
[0007]本實用新型解決其技術問題采用的技術方案是:富氧燃燒陶瓷輥道窯脈沖燃燒控制裝置包括處理器模塊、脈沖寬度調制驅動模塊、燃氣電磁閥、氧氣電磁閥、燃氣流量計和氧氣流量計，處理器模塊的輸入端與燃氣流量計、氧氣流量計和RS485通信接口相連，處理器模塊的輸出端與燃氣電磁閥、氧氣電磁閥和脈沖寬度調制驅動模塊相連，燃氣電磁閥和氧氣電磁閥分別通過燃氣管路和氧氣管路接至燃燒裝置，脈沖寬度調制驅動模塊通過電纜接至燃燒裝置，燃燒裝置伸入富氧燃燒陶瓷輥道窯的內部，燃氣流量計和氧氣流量計分別設置在燃氣管路和氧氣管路上。
[0008]所述的裝置，處理器模塊包括相連的第一 CPU和第二 CPU，第一 CPU與燃氣流量計、氧氣流量計相連，第二 CPU與燃氣電磁閥、氧氣電磁閥和脈沖寬度調制驅動模塊相連。
[0009]所述的裝置，第一 CPU與燃氣流量計、氧氣流量計之間接有模/數轉換裝置。
[0010]所述的裝置，第二 CPU與燃氣電磁閥、氧氣電磁閥之間分別接有燃氣電壓/電流轉換模塊和氧氣電壓/電流轉換模塊。
[0011]所述的裝置，燃燒裝置包括脈沖燃燒器和設置在其上的脈沖燒嘴。
[0012]所述的裝置，處理器模塊還通過RS485通信接口接至上位機。
[0013]本實用新型與現有技術相比，具有以下主要的優點:
[0014]1.本控制裝置對于燃氣和氧氣流量均采用閉環負反饋控制，能大幅提高控制精度，并且能實時調節燃氣和氧氣的比例。
[0015]2.本控制裝置采用雙CPU協同工作方式，分離計算和控制部分，大幅提高控制精度和增強控制的實時性。并且控制器的輸入和輸出均采用光耦隔離，使得整個控制器在工業環境下運行穩定。
[0016]3.本控制裝置采用大板結構，電路集成度高、處理速度快、便于維護。并能通過總線與上位機通信，便于大范圍工業應用。
[0017]4.本控制裝置對于燃氣和氧氣流量帶有自鎖和互鎖機制，在不同的脈沖占空比和比例流量下智能控制燃氣和氧氣流量，防止管道壓力超限。
[0018]5.本控制裝置帶有多路A/D和PWM模塊，能同時工作于多個燒嘴。
[0019]總之，本實用新型成本低，集成度高，處理速度快，控制器能適用于工業窯爐，工作可靠性高。本實用新型使得窯內燃燒氣氛中的氧氣濃度保持在21%以上并與燃氣混合燃燒，同時能自動調節混合燃燒比例為最佳，提高了輥道窯的熱效應，以實現節能減排和提高燒成品的質量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1是本實用新型的結構示意圖。
[0021]圖中:1.富氧燃燒陶瓷輥道窯；2.脈沖燒嘴；3.脈沖燃燒器；4.RS485通信接口 ；
5.A/D轉換模塊；6.第一 CPU ；7.PWM驅動模塊；8.12C總線；9.第二 CPU ；10.燃氣V/I轉換模塊；11.氧氣V/ι轉換模塊；12.燃氣電磁閥；13.燃氣流量計；14.氧氣電磁閥；15.氧氣流量計；16.氧氣管；17.燃氣管。
【具體實施方式】
[0022]該控制裝置主要有兩個CPU和多個外圍模塊組成。其采用雙CPU作為主控制器，CPUl通過RS485通信接口接收RS485總線中上位機發出的設定值等控制信息；然后通過燃氣流量計、氧氣流量計經A/D轉換模塊得到實際流量信息；CPU1根據得到的控制信息和實際流量信息計算出燃氣和氧氣流量控制信號以及脈沖信號占空比，并使用I2C總線傳送給CPU2 ；CPU2 一方面根據得到的控制信號同時并行的通過V/I變換、燃氣電磁閥控制燃氣流量；另一方面通過V/I變換、氧氣電磁閥控制氧氣流量，最后通過PWM方式控制脈沖燃燒器作用于富氧陶瓷輥道窯。
[0023]下面結合實例及附圖對本實用新型作進一步說明。
[0024]富氧燃燒陶瓷輥道窯脈沖燃燒控制器結構如圖1所示:該控制器包括第一 CPU6、第二 CPU9、RS485通信接口 4、PWM驅動模塊7、燃氣V/I轉換模塊10、氧氣V/I轉換模塊11、燃氣電磁閥12、氧氣電磁閥14、燃氣流量計13、氧氣流量計15以及A/D轉換模塊5。
[0025]第一 CPU6通過RS485通信接口 4接收RS485總線中上位機發出的設定值等控制信息；然后通過燃氣流量計13、氧氣流量計15經A/D轉換模塊5得到的實際流量信息；第
一CPU6根據得到的控制信息和實際流量信息計算出燃氣和氧氣流量控制信號以及脈沖信號占空比，并使用I2C總線8傳送給第二 CPU9 ;第二 CPU9 —方面根據得到的控制信號同時并行的通過燃氣V/I變換模塊10、燃氣電磁閥12控制燃氣流量；另一方面通過氧氣V/I轉換模塊11、氧氣電磁閥14控制氧氣流量，同時輸出PWM信號經PWM驅動模塊驅動后通過控制脈沖燃燒器3和脈沖燒嘴2作用于富氧燃燒陶瓷輥道窯I。
[0026]所述的雙CPU對于燃氣、氧氣的流量和比例控制均采用閉環反饋控制，同時雙CPU的輸入輸出口均米用光電隔離技術。
[0027]所述的第二 CPU9輸出PWM即使用脈寬調制技術，調節燃氣與氧氣的混合氣的燃燒時間或大火所占時間的比例來實現脈沖燃燒控制方式。
[0028]所述的控制器可通過RS485總線掛靠在上位機的總線上。
[0029]所述的第一 CPU7和第二 CPU9之間可采用并行通信方式。
[0030]RS485總線上的上位機可以是工業控制計算機或者嵌入式人機接口等，用以檢測窯爐內環境變量并根據燒成曲線傳遞控制指令。此總線上使用的通信協議是Modbus-RTU。
[0031]第一 CPU采用內部時鐘頻率高、計算能力強的處理器，它需要根據上位機的控制信息和得到的實時流量信息計算出燃氣和氧氣流量的修正值。并且針對不同的燒嘴提供PWM信號的占空比信息，同時還要自鎖和互鎖流量信息，防止管道壓力超限。推薦使用TI公司生產的TMS320F2812，此處理器自帶多路12位A/D轉換模塊，可以涵蓋圖1中的A/D轉換模塊5，運算速度快，有多種通信接口。
[0032]第一 CPU和第二 CPU之間采用I2C總線8連接。
[0033]第二 CPU采用抗干擾能力強、自帶DAC (數模轉換)以及帶多路I2C和PWM模塊的處理器，在接收到第一 CPU的實時流量修正信號和PWM占空比信號后及時通過DAC模塊和PWM模塊作用于V/I轉換和脈沖燃燒器上。第二 CPU推薦使用NXP公司的LPC1768FBD100。
[0034]燃氣調節采用在燃氣V/I轉換模塊10接收到O?3V的修正信號后把它轉化為4?20mA的電流信號作用于燃氣電磁閥12上。同理,氧氣流量調節米用在氧氣V/I轉換模塊11接收到O?3V的修正信號后把它轉化為4?20mA的電流信號作用于氧氣電磁閥14上。燃氣V/I轉換模塊和氧氣V/I轉換模塊可以使用VI轉換電路或者集成的轉換芯片。燃氣電磁閥和氧氣電磁閥采用BEUMO線性調節閥。
[0035]燃氣流量計13和氧氣流量計15分別用于檢測燃氣管17中的燃氣和氧氣管16中的氧氣的當前流量，并把它們轉換成4?20mA電流信息傳遞給A/D轉換模塊。推薦使用VFlO熱式氣體質量流量計，一方面它防爆性能好，另一方面在接口電路上與本控制器相適配。
[0036]第二 CPU通過PWM驅動模塊7作用于脈沖燃燒器3上，然后控制脈沖燒嘴2可以實現脈沖燃燒。燒嘴采用Ar-50K-H-PL高速脈沖燒嘴來實現。
[0037]本實用新型的工作過程如下:
[0038]在窯爐工作過程中，上位機根據窯爐內的溫度、壓力和氣氛等變量，結合燒成曲線給出燃料的控制量。燃氣流量計和氧氣流量計把流量信號轉變成電壓信號，然后經過A/D變換轉換成數字量送入第一 CPU。第一 CPU根據從總線上得到的控制量和燃氣和氧氣的實時流量信息，并按照設定的燃氣與氧氣的比例，分別得到燃氣、氧氣的流量控制量和脈沖燃燒器的PWM占空比。第一 CPU把得到的這些控制信息通過并行總線I2C傳遞給第二 CPU。第
二CPU根據得到的燃氣和氧氣的控制信息，通過V/I轉換模塊11、燃氣電磁閥12和氧氣電磁閥14，分別控制燃氣和氧氣的實時流量。在上位機未更新控制量時，第一 CPU、第二 CPU、V/I變換模塊11、燃氣電磁閥、氧氣電磁閥、燃氣流量計、氧氣流量計、A/D轉換模塊分別構成燃氣和氧氣流量的閉環控制回路。并且在第一 CPU的統籌下構成定比例控制，精確的控制燃氣和氧氣的比例和實時流量不發生變化。
[0039]另外第二 CPU根據收到的占空比信息，通過自身的PWM模塊產生不同占空比的PWM控制信號。不同占空比的PWM信號通過PWM驅動模塊后作用于脈沖燃燒器上，然后控制不同的脈沖燒嘴產生不同強度的火焰，從而調節窯爐內的環境變量。
【權利要求】
1.富氧燃燒陶瓷輥道窯脈沖燃燒控制裝置，其特征在于:該裝置包括處理器模塊、脈沖寬度調制驅動模塊(7)、燃氣電磁閥(12)、氧氣電磁閥(14)、燃氣流量計(13)和氧氣流量計(15)，處理器模塊的輸入端與燃氣流量計(13)、氧氣流量計(15)和RS485通信接口(4)相連，處理器模塊的輸出端與燃氣電磁閥(12)、氧氣電磁閥(14)和脈沖寬度調制驅動模塊(7)相連，燃氣電磁閥(12)和氧氣電磁閥(14)分別通過燃氣管路和氧氣管路接至燃燒裝置，脈沖寬度調制驅動模塊(7)通過電纜接至燃燒裝置，燃燒裝置伸入富氧燃燒陶瓷輥道窯(O的內部，燃氣流量計(13)和氧氣流量計(15)分別設置在燃氣管路和氧氣管路上。
2.根據權利要求1所述的富氧燃燒陶瓷輥道窯脈沖燃燒控制裝置，其特征在于:處理器模塊包括相連的第一 CPU (6)和第二 CPU (9)，第一 CPU (6)與燃氣流量計(13)、氧氣流量計(15 )相連，第二 CPU (9 )與燃氣電磁閥(12 )、氧氣電磁閥(14)和脈沖寬度調制驅動模塊(7)相連。
3.根據權利要求2所述的富氧燃燒陶瓷輥道窯脈沖燃燒控制裝置，其特征在于:第一CPU (6)與燃氣流量計(13)、氧氣流量計(15)之間接有模/數轉換裝置(5)。
4.根據權利要求2所述的富氧燃燒陶瓷輥道窯脈沖燃燒控制裝置，其特征在于:第二CPU (9)與燃氣電磁閥(12)、氧氣電磁閥(14)之間分別接有燃氣電壓/電流轉換模塊(10)和氧氣電壓/電流轉換模塊(11)。
5.根據權利要求1?4中任一項所述的富氧燃燒陶瓷輥道窯脈沖燃燒控制裝置，其特征在于:燃燒裝置包括脈沖燃燒器(3)和設置在其上的脈沖燒嘴(2)。
6.根據權利要求1?4中任一項所述的富氧燃燒陶瓷輥道窯脈沖燃燒控制裝置，其特征在于:處理器模塊還通過RS485通信接口(4)接至上位機。
【文檔編號】F27B9/40GK203443336SQ201320219751
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年4月26日 優先權日:2013年4月26日
【發明者】陳靜, 毛保平, 袁佑新, 肖純, 陳卓 申請人:武漢理工大學