璃窑炉过程控制系统设计及实现

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1、璃窑炉过程控制系统设计及实现梁恩泉，巨林仓，杨清宇，欧 伟(西安交通大学，陕西西安 710049)摘 要：在分析了玻璃窑炉动态特性的基础上，给出了 DCS 配置策略，同时 结合实际过程控制中所遇到的关键问题，特别是在玻璃窑炉液位调节和窑炉换向 燃烧等方面详细介绍了控制方案的实现。关键词：玻璃窑炉；DCS； EPKS；控制算法The design and realization of a process control system for a gl ass furnaceLIANG En quan,JU Lin cang,YANG Qing yu,OU Wei(Xi an Jiaotong U

2、niversity ,Shaanxi Xi an 710049,China)Abstract ： On the basis of analyzing the dynami c characteristics of a glass furnace,the paper presents a strategy on how to con figure a DCS.According to the key problems,such as the way to control a glass le vel and to conduct the reverse control in the furnac

3、e,the paper describes the ap proach to the control realization.Key words：glass furnace;DCS;EPKS;control algorithm0 引言玻璃窑炉作为玻璃工业主要的热工设备，是一个多变量、多回路 、高阶、 时 变的非线性系统，许多参数之间相互关联、相互耦合。而对于换向玻璃窑炉（每 隔一定时 间进行左右燃烧的切换）来说，除具有以上特点外，在换向期间，由于 燃料和助燃风的突然 关闭和开启，窑炉内温度大幅度下降、窑压大幅度波动以 及由此引起的玻璃液位波动等问题 ，大大地破坏了窑内的热工平衡。所有这些 对象

4、特性都大大增加了对玻璃窑炉自动控制的难度。1工艺过程及控制要求某厂200 t容量玻璃窑炉的炉体结构如图1所示。 从投料到原料在窑炉内熔化、澄清、均化和冷却，经过一系列的 物理、化 学和物理化学反应，最终形成均匀、无气泡、符合成型温度要求的熔融玻璃液 （ 从通道流出 后用以压制电视机荧屏的后部锥体），是一个复杂的工艺过程。整个过程要求玻璃液的温度、液位必须满足工艺要求，以保证产品质量。主 要控制内容包括 熔化池及工作池的温度、助燃风流量、天然气流量、玻璃液位、 窑炉压力的自动调节以及通 道温度的自动调节、燃烧系统的定时交换控制等。 整个被控对象共有 552 个检测和控制点，需要 52 个模拟量调

5、节回路及较多逻辑 顺序控制。2DCS 配置策略根据工艺过程的特性及控制要求，选择了 Honeywell 公司于 2003 年新推出 的 EP KS（Experion Process Knowledge System ）系统，该产品在石化领域的控 制技术更趋完善，使得整个项目的运作开发、现场调试安装 和投运后的维护都 变得相对简单，充分体现了分散控制、集中管理的工作模式。整个系统分别由 1 台工程师站、2 台操作站（互为冗余热备）、3 台监视站和2台过程控制站（互为冗余热备）构成。控制系统总体结构如图2所示。3过程控制难点剖析及算法实现3.1 窑炉温度控制 窑炉温度控制是熔化池温度控制、工作池温

6、度控制和通道温度控制 的统称， 其控制效果的好坏直 接关系到成品玻璃 液质量的优劣，因此说窑炉温度的稳定 极为重要。由于测温电偶与燃烧喷枪喷火口在同一截 面上，测温点与燃烧火头 的距离很近，因此通道燃料的改变能迅速引起测温点的温度变化，使得通道温度 对象惯性较小，几乎没有滞后，用单回路控制系统即可。由于在实际生产过程中需要加工不同规格的产品，此时相应的工艺要求也随 之改变，因此需 要在上位机不断更改温度的设定值。在这种情况下，以往的控 制系统对设定值如此频繁变化 的场合就显得调整周期过长，而且当设定值迅速 变化时，在 PID 算式中会引起控制输出变量 过大增长，对系统造成冲击，影响 窑炉系统的

7、动态品质。故这一部分采用了微分先行PID控制器。这样得到如图 3 所示的窑炉温度单回路控制系统方框图。微分先行PID与传统PID的主要不同之处是，只对被调量进行微分处理，而 不对控制偏差进行 微分，可以克服设定值突变引起系统输出大幅度变化，从而 对整个系统的稳定性和快速性有利。3.2 玻璃液位控制 因为经投料机投入的玻璃原料在熔化池内要经过充分的熔化、反应等过程才 进入工 作池这个过程需要很长时间，加之通道末端每次提供给压机的料滴是定 量的，并不随投料量 的多少及玻璃液位的高低而改变，所以说玻璃液位系统具 有大惯性、滞后以及无自平衡能力等特点。这也致使在利用常规PID调节时， 容易出现积分饱和

8、现象，引起系统超调甚至振荡 。为了克服这一控制难题，在 控制方案设计上引入了变速积分 PID 算法。变速积分 PID 算法的设计思想就是根据系统偏差大小改变积分的速度，使其 与偏 差大小相对 应。当偏差较大时，使积分累加速度减慢，反之则使积分累加 速度加快。为此，设置一系数f E(k)，它是偏差E(k)的函数，当丨E(k)丨增 大时，f减小，反之增大。每次采样后用f I E(k)丨乘以E(k),再进行累加，即其中f与I E(k) I的关系如下(A、B为根据实际生产过程确定的两个参数)就实现了用比例作用消除较大的液位偏差，用积分作用消除较小的液位偏差，从 而完全消除 积分饱和现象，使系统更趋稳定

9、，改善了调节品质。另外，液位控制系统并不要求液位完全没有余差，而要求被控量在允许的误 差范围内变化， 为此采用带有死区的 PID 控制算法，以消除由于频繁动作引起 的振荡。设死区宽度为一C+ C,贝鞘偏差在所设死区范围内时，调节器不作 任何调整，此时的控制算式如下：液位控制系统结构如图4所示。3.3 换向期间燃烧系统控制彩虹玻璃厂 20锥炉作为换向玻璃窑炉要求每 2030 min 进行一次左右 燃烧切 换，在换向期间，由于燃料切断后，窑内温度和窑压大幅度下降，烟道 抽力如果不相对减少 ，将进一步打破窑内的热平衡，而减少烟道抽力后，如果 不相应改变助燃风流量，又将引起 窑压的波动，进而引起液面波

10、动；换向结束 后，由于窑内温度下降较多，需大量增加燃料量 ，以维持工艺要求的熔化温度， 由于温度过程的反映滞 后和热容惯性，从而易带来窑内温度和窑压的再次波动； 同时，窑内工况的 大幅度变化，又不能给换向结束后的稳定控制创造良好的条 件，也不利于熔窑的经济性燃烧。针对被控对象的上述特性，综合考虑换向过程中的扰动因素，在此采用了协 调控制策略， 并根据现场实验所测数据提出了换向扰动抑制算法。其主要思想 是对换向预备、换向开始、 换向期间、换向结束及换向结束后整个过程中，天 然气、助燃风和烟道抽力等关系到稳定熔 窑热工制度的因素，进行协调控制， 并给出一系列调节阀位相应动作曲线，以配合换向过程 的

11、进行。换向扰动抑制 算法在换向期间协调助燃风、天然气和炉压调节器的输出值，控制 3 者的调节 器输出改变的时序和改变的幅度。也就是以非换向时间稳定燃烧时调节器的输出 为 基础，在换向期间将以上3个调节器的输出分别乘以一个适当的系数(称为控 制系数，以a表示)，作为新的调节器的输出值，后通过软手操输出来控制现 场调节阀位町度。通过一系列严格的时间位置变化动作，保证换向期间窑内工 况尽可能稳定。 按图 5 所示控制框图进行换向扰动抑制控制系统的现场投运，在非换向期 间，选择器输出OP = OP1,也即PID调节器的计算输出；在换向刚刚开始瞬间， 先由换向信号上升沿（由0到1跳变过程）触发寄存器保存

12、PID调节器当前的输 出值OP1,此时乘法器的输出OP2 = a*OP1；当换向信号到来后（信号已完成跳变， 为高电平信号1）,此时PID调节器被锁 定，同时该换向信号作用于选择器，使 其输出OP = OP2，保证各阀门开度按照一定 的曲线变化，如加大燃料量，从而 减小了换向过程对窑内温度和压力的冲击，从根本上保证 了自动控制的精度和 稳定性；当换向结束后（此时换向信号为低电平0），按照一定的解锁顺 序解锁， 恢复PID调节器的自动调节功能。3.4换向过程逻辑顺序控制每隔2030 min要进行一次左右燃烧切换，其工作过程（以左燃烧切换为右 燃烧为例）为：关左天然气-开左冷却风-关左助燃风-开右

13、助燃风-烟道闸板 换向f关右冷却风-开右天然气。这一过程要求每一步控制动作必须正确执行, 若前一步未能执行则后一步动 作就不准执行，否则将严重影响生产的安全性。口 为此，软件设置了状态信息反馈程序，如图6所示。即在换向顺讯控制上， 在通过 DO 通道送出控制信号后，接下来不是立即执行下一步控制动作，而是通 过 DI 通道采集被控对象的状态，以确认相应阀门机构确实到达指定位置，否则 下一步控制动作不予执行。由于阀门的开（或关）这一机械动作需要时间，加之阀 门在打开或关闭瞬间容易引入电磁干扰，此时采集的电信号会出现振荡，从而可 能会对 DCS 系统造成强脉冲冲击，因此在中间加入延时操作，等开关量设备状态 稳定后再检测。4结语以玻璃窑炉为研究对象，详细讨论了 DCS 配置策略，同时结合实际过程控制 中所遇到的关键问题，在分析各自被控对象特性的基础上，提出了相应的控制算 法。该系统于2004年2月成功投入运行，实现了全线的监测及控制，产品的合 格率在 90%以上，取得了预期的控制效果，同时也提高了生产的安全性与管理水 平。