窑变自动化控制系统在坭兴陶烧制过程中的应用

吴明旭

【关键词】坭兴陶烧制;窑变自动化;应用

【中图分类号】TP273 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）05-0077-03

钦州坭兴陶，旧称越淘，为我国四大名陶之一，它以双料混炼、骨肉相融、自然素烧、烧炼出彩、陶刻纹印、陶艺造型为主要产品特色。坭兴陶从诞生至今已经有1 300年的历史，近代以来，随着经济全球化发展，坭兴陶已经开始销往世界其他国家，在美国、俄罗斯、新加坡等国家博物馆均有收藏。坭兴陶制陶工艺作为我国的一种历史文化遗产，它的传承也受到社会各界的广泛关注，更是在2008年被国家列为非物质文化遗产。得益于现代科学技术的进步，坭兴陶的制陶工艺与现代技术相结合，并在近几年取得了巨大进步，从寥寥几家企业发展成50多家企业的产业链。坭兴陶从业人员和相关研究队伍的不断壮大，推动了坭兴陶文化的发扬和传播，使坭兴陶可以向世界展示其魅力[1]。

1 坭兴陶烧烧制过程中的主要问题

坭兴陶烧制虽然是坭兴陶生产过程的末端环节，但却是整个生产工艺之中最重要的环节，坭兴陶烧制的好坏直接决定了其美观程度及成品质量。

首先，窑温控制过于依赖经验。在传统烧窑过程中，窑内温度及烧窑时间等全凭人们的主观经验进行判断，出窑后的成品合格率极低。20世纪90年代左右，电窑开始兴起，现有的坭兴陶工厂采用电窑进行烧制。在这长达20多年的时间里，虽然人们对电窑使用的熟悉程度逐渐加深，但是仍然摆脱不了人工手动控制窑温的弊端，工人还是要根据长期的经验进行操作。

其次，窑温控制不够精确。坭兴陶的烧制是一种对窑温要求极高的工艺，不仅需要极其严格的温度控制，还需要进行温度阶段的划分。烧制过程的不同阶段需要有对应的窑温，这种窑温的变换过程往往比较复杂，而使用传统的电窑就不能满足窑变的要求，导致成品合格率极低的情况发生。

最后，能耗高，耗时长，经济性较差。传统电窑全凭人工经验控制，在烧制过程中往往会浪费较高的电能，这种浪费不仅会使企业经营成本提高，还会对环境造成负面影响。

2 坭兴陶窑变自动化控制系统的研究

针对传统电窑中的上述问题，为了实现坭兴陶烧制温度自动控制，我们需要积极开发和研究出一套窑变自动化控制系统。这套自动化控制系统可以将炉内分为若干个温度区间，每个区间进行线性的温度控制，系统可以保存好人工烧制的温度烧制过程，然后在下次烧制相同产品时直接调用模板进行控温。这种自动化控制系统的设置不仅有助于坭兴陶产品质量的稳定，还有助于产品后续优化工作的进行。

为了更好地对坭兴陶窑变控制系统进行研究，我们可以采用以下设计思路。首先进行市场调研做可行性分析，明确坭兴陶窑变控制系统的设计目标，提出创新性的构思及做出初步的设计方案，并对这些设计方案进行评价。然后进行数据的收集工作，整理设计工作中所需要的各项数据，做出设计图纸，并根据这些设计图纸进行总体设计、电子零部件设计、机械零部件设计及编程语言设计，完善设计方案。最后根据设计方案制造出样机进行产品推广[2]。

在设计理念上，利用控制器调节电热丝的发热功率，尽量设置为线性化的温度调节系统。在温度检测方面，采用温度传感器实时监测炉内温度，将温度实时反馈给控制器，实现温度的实时性和准确性，便于控制器做出对应操作。在电热丝功率设置上，每根电热丝都应设置一个控制器，实现单独控制，使炉内每个区间可以拥有不同的温度，便于坭兴陶的每个部位拥有不同的温度，实现色彩的丰富。在安全方面，应当设置好充分的过流保护、欠压保护及短路保护，防止在烧制过程中出现安全事故。在产品质量控制方面，为了使坭兴陶胚受热均匀，应当将电热丝均匀铺设在炉内，避免出现陶胚分裂。为了满足坭兴陶的烧制需要，窑变自动化控制系统需要满足0～1 300 ℃的温度控制和监测范围，控制精度也应该满足≤±2 ℃的要求。为了实现窑温控制速度需要，需要实现2 ℃/min的升温速度要求，并能够连续工作。根据以上设计要求，所设计的坭兴陶窑变控制系统要求如图1所示，坭兴陶窑变自动化控制系统结构如图2所示。

3 坭兴陶窑变自动化控制系统应用效果

3.1 经济效益方面

以广西某坭興陶生产厂家为例，使用窑变自动化控制系统两年后实现了销售收入的跨越式增长。坭兴陶窑变自动化控制系统不仅大幅降低了生产成本，降低能耗，还降低了劳动力成本。除此之外，坭兴陶窑变自动化控制系统的应用市场可以进行一定程度的拓展，系统参数经过调整后，可以用于其他产品的生产工作，例如一些特殊金属材料的热处理及加工，使得企业的产品链可以实现上升和下延，提升了企业的市场竞争力。

3.2 实现节能减排

窑变温度控制系统是实现无人值守烧制的重要环节，在实际操作中，工人仅仅需要预先设置好温度曲线，就可以实现温度的自动控制。其中，PLC技术的应用使得窑变控制更加智能化、人性化，大幅简化了人们的实际操作和流程，给予工人很大的方便。并且，窑变自动化控制系统还降低了生产出错的概率，可以通过控制变量的方式发现问题所在，也更容易解决问题。生产中不利的因素也可以在自动化控制阶段尽量规避，大幅提高了生产的合格率及效率，使得生产工作可以顺利进行。PLC技术的引用也在一定程度上降低了生产能耗，可以使加热丝处在一个非常精准的范围内进行加热，避免无谓的能量损耗。在达到设定温度后，PLC控制系统就可以自动调整电压并使电压稳定，实现了有效控制。在打开和关闭设备时出现的电流冲击问题也能在一定程度上得到解决，使得温度可以进行线性控制，升温速度得到妥善调节，烧制时间可以得到科学合理的缩短。例如，传统电窑烧制需要20 h以上，而使用窑变自动化控制系统后，就可以在15 h左右烧制完毕。烧制时间的减少就是能耗的减少，可节约电能20%以上。这种节能减排的作用不仅给企业带来了收益，还符合国家节能减排相关政策，保护了环境[3]。

3.3 提高了产品合格率

在传统陶瓷烧制过程中，合格率低是人们长期难以解决的问题。影响陶瓷烧制的两个主要原因分别是坭兴陶陶胚的质量及烧制时的温度控制。采用坭兴陶窑变自动化控制系统后，可以较好地控制烧制时的温度，再配合自动化的陶胚生产工艺，将会大幅度提高坭兴陶的成品率。我们利用智能化的加热系统使得炉内温度变得可测、可控，还能实现烧制过程的可重复性。可以根据工艺要求对同种产品按照设定温度或者上一次烧制过程的温度重复烧制，确保了坭兴陶烧制在整个陶瓷生产工艺末端操作的一致性，使得坭兴陶的生产效率、产品合格率及精品占比都得到增长，这样必然提高生产企业的口碑和品牌价值，知名度更高，企业利润也越多。

3.4 改善了生产环境

传统的坭兴陶生产环境差，由于无谓的能耗浪费，环境温度通常较高，并且充满了各种粉尘，严重损害工人的身体健康。采用窑变自动化控制系统后，PLC系统实现了温度的精准控制和线性控制，使能耗大幅降低，并且采用了保温措施，工作环境温度更加适宜。自动化控制系统改变了原电窑需要有人值夜班的情况，解放了劳动力。车间经改造后，可以实现无尘车间的标准。生产环境的改善不仅有利于工人进行操作，还有利于提高工人工作积极性。优良、干净的操作环境更有利于操作人员提高工作效率，进而提高成品率，这对坭兴陶生产企业降低生产成本和人工成本起到很重要的作用，为坭兴陶产业走向现代化做出贡献[4]。

3.5 窯变自动化控制系统可以为其他行业服务

窑变自动化控制系统的实质是实现炉温分区域、分阶段的自动化温度控制。其他相关行业也可以采用这种窑变控制方式。例如在金属材料的加工过程中，有时需要在金属的不同位置实现不同的淬火温度，这时就可以对相应位置的电炉丝输出功率进行调整，实现金属加工的自动化控制。因此，窑变自动化控制系统有非常强的拓展性。

4 结语

随着我国国际地位及国际影响力不断提升，我国许多传统文化产品在国外被人们热烈追捧。坭兴陶作为我国四大名陶之一，以“双料混炼、骨肉相融、自然素烧、烧炼出彩、陶刻纹印、陶艺造型”著称于世，近年来已经开始走出国门，在美国、俄罗斯和新加坡等国家取得了一定成绩。但是，我们应该看到传统电窑烧制坭兴陶时成品率低、工人操作强度大、能耗大及工人操作环境差的缺点。为了解决这些问题，我们开发了坭兴陶窑变自动化控制系统，通过窑温的自动化控制，生产出的坭兴陶不仅精品率提高，还大幅度降低了生产时间和生产成本，实现了社会效益、经济效益、环境保护及职业健康等全方位的改善。相信在未来，随着相关研究的不断进行，窑变自动化系统一定能够在相关生产厂家中得到普及，适用范围得到进一步拓展，为推动民族文化的传播做出较大贡献。

参 考 文 献

[1]熊璇.当代设计语境下坭兴陶器的“型·饰”之美——“壮风茗韵”系列坭兴陶茶器赏析[J].艺术品鉴，2020（33）：83-85.

[2]许维平.基于现代师徒制的坭兴陶手拍壶实训教学模式的实践探索——以北部湾职业技术学校民族工艺品制作（坭兴陶方向）专业为例[J].美术教育研究，2020（9）：

142-143.

[3]熊璇.现代科技手段在坭兴陶制作中的应用——以“壮风茗韵”系列坭兴陶茶器的制作为例[J].广西职业技术学院学报，2019，12（5）：142-145.

[4]汪旻.钦州坭兴陶加入地方文化产业新元素的技术创新研究[J].佛山陶瓷，2019，29（5）：44-49.