CN203443336U

CN203443336U - 富氧燃烧陶瓷辊道窑脉冲燃烧控制装置

Info

Publication number: CN203443336U
Application number: CN201320219751.3U
Authority: CN
Inventors: 陈静; 毛保平; 袁佑新; 肖纯; 陈卓
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2013-04-26
Filing date: 2013-04-26
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2023-04-26

Abstract

本实用新型提供了一种富氧燃烧陶瓷辊道窑脉冲燃烧控制装置，该装置包括处理器模块、脉冲宽度调制驱动模块、燃气电磁阀、氧气电磁阀、燃气流量计和氧气流量计，处理器模块的输入端与燃气流量计、氧气流量计和RS485通信接口相连，处理器模块的输出端与燃气电磁阀、氧气电磁阀和脉冲宽度调制驱动模块相连，燃气电磁阀和氧气电磁阀分别通过燃气管路和氧气管路接至燃烧装置，脉冲宽度调制驱动模块通过电缆接至燃烧装置，燃烧装置伸入富氧燃烧陶瓷辊道窑的内部，燃气流量计和氧气流量计分别设置在燃气管路和氧气管路上。本实用新型成本低，集成度高，处理速度快，控制器能适用于工业窑炉，工作可靠性高。

Description

富氧燃烧陶瓷辊道窑脉冲燃烧控制装置

技术领域

本实用新型涉及工业窑炉燃烧控制领域，特别涉及需要燃气和氧气混合燃烧的工业窑炉。本实用新型能够智能跟随燃烧曲线，实现燃气与氧气的按比例混合燃烧，使它们燃烧更加充分。

背景技术

我国是陶瓷生产和出口大国，特别是近年来，我国卫生建筑陶瓷生产量已经占到全球总生产量的50%以上，出口额占全球总额的20%，日用、艺术陶瓷更是占到全球市场的40%。但是同时，我国的陶瓷生产行业存在着产品档次低、能耗高、生产效率低和智能化不高等问题。

在现代陶瓷工业的生产中，窑炉内的温度、压力和气氛对陶瓷产品的质量影响很大，而决定窑内参数的关键就是燃烧方式的差别。目前国内的陶瓷窑炉一般都采用连续燃烧控制的形式，即通过控制燃料、助燃空气流量的大小来使炉内的温度、燃烧气氛达到工艺要求。由于这种连续燃烧控制的方式往往受到燃料流量的调节和测量等环节的制约，目前大多数窑炉的控制效果不佳。而高档陶瓷制品对窑内温度场的均匀性和燃烧气氛的稳定可靠性要求较高，使用传统的连续燃烧控制将无法实现生产需求。脉冲燃烧技术是一种新型的工业窑炉燃烧控制技术，它对不同燃料介质有良好的适用性，不受燃料量的测量和调节环节的制约，在温度上升与下降的滞后性十分严重的大型窑炉均能达到理想的温度控制曲线，更加优于传统的连续燃烧控制。

本发明人在专利“富氧及全氧燃烧辊道窑的燃烧控制方法”（200810048783.5）提出了脉冲燃烧的控制方法。同时，国内也有一些公司提出了适用于脉冲烧嘴的控制器，比如辽宁华远能源工程技术有限公司设计的“热处理炉脉冲烧嘴的集成式燃烧控制器”（CN201120011254.5）。这种控制器在一定程度上提高了热处理炉的燃烧效率，但是在对于本发明人的富氧燃烧陶瓷窑炉时很难发挥作用。一方面富氧燃烧陶瓷辊道窑需要燃气和氧气按比例混合燃烧，另一方面也需要与脉冲燃烧器相配合。

因此，有必要开发一种新型的富氧燃烧陶瓷辊道窑脉冲燃烧控制装置。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是：针对现有技术缺陷，提供一种富氧燃烧陶瓷辊道窑脉冲燃烧控制装置来控制富氧燃烧陶瓷辊道窑的燃烧。本实用新型使得窑内燃烧气氛中的氧气与燃气充分混合燃烧，提高了辊道窑的热效应。

本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是：富氧燃烧陶瓷辊道窑脉冲燃烧控制装置包括处理器模块、脉冲宽度调制驱动模块、燃气电磁阀、氧气电磁阀、燃气流量计和氧气流量计，处理器模块的输入端与燃气流量计、氧气流量计和RS485通信接口相连，处理器模块的输出端与燃气电磁阀、氧气电磁阀和脉冲宽度调制驱动模块相连，燃气电磁阀和氧气电磁阀分别通过燃气管路和氧气管路接至燃烧装置，脉冲宽度调制驱动模块通过电缆接至燃烧装置，燃烧装置伸入富氧燃烧陶瓷辊道窑的内部，燃气流量计和氧气流量计分别设置在燃气管路和氧气管路上。

所述的装置，处理器模块包括相连的第一CPU和第二CPU，第一CPU与燃气流量计、氧气流量计相连，第二CPU与燃气电磁阀、氧气电磁阀和脉冲宽度调制驱动模块相连。

所述的装置，第一CPU与燃气流量计、氧气流量计之间接有模/数转换装置。

所述的装置，第二CPU与燃气电磁阀、氧气电磁阀之间分别接有燃气电压/电流转换模块和氧气电压/电流转换模块。

所述的装置，燃烧装置包括脉冲燃烧器和设置在其上的脉冲烧嘴。

所述的装置，处理器模块还通过RS485通信接口接至上位机。

本实用新型与现有技术相比，具有以下主要的优点：

1.本控制装置对于燃气和氧气流量均采用闭环负反馈控制，能大幅提高控制精度，并且能实时调节燃气和氧气的比例。

2.本控制装置采用双CPU协同工作方式，分离计算和控制部分，大幅提高控制精度和增强控制的实时性。并且控制器的输入和输出均采用光耦隔离，使得整个控制器在工业环境下运行稳定。

3.本控制装置采用大板结构，电路集成度高、处理速度快、便于维护。并能通过总线与上位机通信，便于大范围工业应用。

4.本控制装置对于燃气和氧气流量带有自锁和互锁机制，在不同的脉冲占空比和比例流量下智能控制燃气和氧气流量，防止管道压力超限。

5.本控制装置带有多路A/D和PWM模块，能同时工作于多个烧嘴。

总之，本实用新型成本低，集成度高，处理速度快，控制器能适用于工业窑炉，工作可靠性高。本实用新型使得窑内燃烧气氛中的氧气浓度保持在21%以上并与燃气混合燃烧，同时能自动调节混合燃烧比例为最佳，提高了辊道窑的热效应，以实现节能减排和提高烧成品的质量。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图中：1.富氧燃烧陶瓷辊道窑；2.脉冲烧嘴；3.脉冲燃烧器；4.RS485通信接口；5.A/D转换模块；6.第一CPU；7.PWM驱动模块；8.I²C总线；9.第二CPU；10.燃气V/I转换模块；11.氧气V/I转换模块；12.燃气电磁阀；13.燃气流量计；14.氧气电磁阀；15.氧气流量计；16.氧气管；17.燃气管。

具体实施方式

该控制装置主要有两个CPU和多个外围模块组成。其采用双CPU作为主控制器，CPU1通过RS485通信接口接收RS485总线中上位机发出的设定值等控制信息；然后通过燃气流量计、氧气流量计经A/D转换模块得到实际流量信息；CPU1根据得到的控制信息和实际流量信息计算出燃气和氧气流量控制信号以及脉冲信号占空比，并使用I²C总线传送给CPU2；CPU2一方面根据得到的控制信号同时并行的通过V/I变换、燃气电磁阀控制燃气流量；另一方面通过V/I变换、氧气电磁阀控制氧气流量，最后通过PWM方式控制脉冲燃烧器作用于富氧陶瓷辊道窑。

下面结合实例及附图对本实用新型作进一步说明。

富氧燃烧陶瓷辊道窑脉冲燃烧控制器结构如图1所示：该控制器包括第一CPU6、第二CPU9、RS485通信接口4、PWM驱动模块7、燃气V/I转换模块10、氧气V/I转换模块11、燃气电磁阀12、氧气电磁阀14、燃气流量计13、氧气流量计15以及A/D转换模块5。

第一CPU6通过RS485通信接口4接收RS485总线中上位机发出的设定值等控制信息；然后通过燃气流量计13、氧气流量计15经A/D转换模块5得到的实际流量信息；第一CPU6根据得到的控制信息和实际流量信息计算出燃气和氧气流量控制信号以及脉冲信号占空比，并使用I²C总线8传送给第二CPU9；第二CPU9一方面根据得到的控制信号同时并行的通过燃气V/I变换模块10、燃气电磁阀12控制燃气流量；另一方面通过氧气V/I转换模块11、氧气电磁阀14控制氧气流量，同时输出PWM信号经PWM驱动模块驱动后通过控制脉冲燃烧器3和脉冲烧嘴2作用于富氧燃烧陶瓷辊道窑1。

所述的双CPU对于燃气、氧气的流量和比例控制均采用闭环反馈控制，同时双CPU的输入输出口均采用光电隔离技术。

所述的第二CPU9输出PWM即使用脉宽调制技术，调节燃气与氧气的混合气的燃烧时间或大火所占时间的比例来实现脉冲燃烧控制方式。

所述的控制器可通过RS485总线挂靠在上位机的总线上。

所述的第一CPU7和第二CPU9之间可采用并行通信方式。

RS485总线上的上位机可以是工业控制计算机或者嵌入式人机接口等，用以检测窑炉内环境变量并根据烧成曲线传递控制指令。此总线上使用的通信协议是Modbus-RTU。

第一CPU采用内部时钟频率高、计算能力强的处理器，它需要根据上位机的控制信息和得到的实时流量信息计算出燃气和氧气流量的修正值。并且针对不同的烧嘴提供PWM信号的占空比信息，同时还要自锁和互锁流量信息，防止管道压力超限。推荐使用TI公司生产的TMS320F2812，此处理器自带多路12位A/D转换模块，可以涵盖图1中的A/D转换模块5，运算速度快，有多种通信接口。

第一CPU和第二CPU之间采用I²C总线8连接。

第二CPU采用抗干扰能力强、自带DAC（数模转换）以及带多路I²C和PWM模块的处理器，在接收到第一CPU的实时流量修正信号和PWM占空比信号后及时通过DAC模块和PWM模块作用于V/I转换和脉冲燃烧器上。第二CPU推荐使用NXP公司的LPC1768FBD100。

燃气调节采用在燃气V/I转换模块10接收到0～3V的修正信号后把它转化为4～20mA的电流信号作用于燃气电磁阀12上。同理，氧气流量调节采用在氧气V/I转换模块11接收到0～3V的修正信号后把它转化为4～20mA的电流信号作用于氧气电磁阀14上。燃气V/I转换模块和氧气V/I转换模块可以使用VI转换电路或者集成的转换芯片。燃气电磁阀和氧气电磁阀采用BELIMO线性调节阀。

燃气流量计13和氧气流量计15分别用于检测燃气管17中的燃气和氧气管16中的氧气的当前流量，并把它们转换成4～20mA电流信息传递给A/D转换模块。推荐使用VF10热式气体质量流量计，一方面它防爆性能好，另一方面在接口电路上与本控制器相适配。

第二CPU通过PWM驱动模块7作用于脉冲燃烧器3上，然后控制脉冲烧嘴2可以实现脉冲燃烧。烧嘴采用Ar-50K-H-PL高速脉冲烧嘴来实现。

本实用新型的工作过程如下：

在窑炉工作过程中，上位机根据窑炉内的温度、压力和气氛等变量，结合烧成曲线给出燃料的控制量。燃气流量计和氧气流量计把流量信号转变成电压信号，然后经过A/D变换转换成数字量送入第一CPU。第一CPU根据从总线上得到的控制量和燃气和氧气的实时流量信息，并按照设定的燃气与氧气的比例，分别得到燃气、氧气的流量控制量和脉冲燃烧器的PWM占空比。第一CPU把得到的这些控制信息通过并行总线I²C传递给第二CPU。第二CPU根据得到的燃气和氧气的控制信息，通过V/I转换模块11、燃气电磁阀12和氧气电磁阀14，分别控制燃气和氧气的实时流量。在上位机未更新控制量时，第一CPU、第二CPU、V/I变换模块11、燃气电磁阀、氧气电磁阀、燃气流量计、氧气流量计、A/D转换模块分别构成燃气和氧气流量的闭环控制回路。并且在第一CPU的统筹下构成定比例控制，精确的控制燃气和氧气的比例和实时流量不发生变化。

另外第二CPU根据收到的占空比信息，通过自身的PWM模块产生不同占空比的PWM控制信号。不同占空比的PWM信号通过PWM驱动模块后作用于脉冲燃烧器上，然后控制不同的脉冲烧嘴产生不同强度的火焰，从而调节窑炉内的环境变量。

Claims

1.富氧燃烧陶瓷辊道窑脉冲燃烧控制装置，其特征在于：该装置包括处理器模块、脉冲宽度调制驱动模块（7）、燃气电磁阀（12）、氧气电磁阀（14）、燃气流量计（13）和氧气流量计（15），处理器模块的输入端与燃气流量计（13）、氧气流量计（15）和RS485通信接口（4）相连，处理器模块的输出端与燃气电磁阀（12）、氧气电磁阀（14）和脉冲宽度调制驱动模块（7）相连，燃气电磁阀（12）和氧气电磁阀（14）分别通过燃气管路和氧气管路接至燃烧装置，脉冲宽度调制驱动模块（7）通过电缆接至燃烧装置，燃烧装置伸入富氧燃烧陶瓷辊道窑（1）的内部，燃气流量计（13）和氧气流量计（15）分别设置在燃气管路和氧气管路上。

2.根据权利要求1所述的富氧燃烧陶瓷辊道窑脉冲燃烧控制装置，其特征在于：处理器模块包括相连的第一CPU（6）和第二CPU（9），第一CPU（6）与燃气流量计（13）、氧气流量计（15）相连，第二CPU（9）与燃气电磁阀（12）、氧气电磁阀（14）和脉冲宽度调制驱动模块（7）相连。

3.根据权利要求2所述的富氧燃烧陶瓷辊道窑脉冲燃烧控制装置，其特征在于：第一CPU（6）与燃气流量计（13）、氧气流量计（15）之间接有模/数转换装置（5）。

4.根据权利要求2所述的富氧燃烧陶瓷辊道窑脉冲燃烧控制装置，其特征在于：第二CPU（9）与燃气电磁阀（12）、氧气电磁阀（14）之间分别接有燃气电压/电流转换模块（10）和氧气电压/电流转换模块（11）。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的富氧燃烧陶瓷辊道窑脉冲燃烧控制装置，其特征在于：燃烧装置包括脉冲燃烧器（3）和设置在其上的脉冲烧嘴（2）。

6.根据权利要求1～4中任一项所述的富氧燃烧陶瓷辊道窑脉冲燃烧控制装置，其特征在于：处理器模块还通过RS485通信接口（4）接至上位机。