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1、0 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200t容量玻璃窑炉的炉体结构如图1所示。玻璃配合料熔化池o 燃烧空间9 0 0 0 0O表不瞄火口熔化从投料到原料在皴内熔化、澄炉、均化和冷却，经过一系列的物理、化学和
2、物理$化学反应，最终形成 均匀、无气泡、符合成型温度要求的熔融玻璃液（从通道流出后用以压制电视机荧屏的后部锥体），是一个复杂 的工艺过程。整个过程要求玻璃液的温度、液位必须满足工艺要求，以保证产品质量。主要控制内容包括熔化池 及工作池的温度、助燃风流量、天然气流量、玻璃液位、窑炉压力的自动调节以及通道温度的自动调节、燃烧系 统的定时交换控制等。整个被控对象共有44! 个检测和控制点，需要4! 个模拟量调节回路及较多逻辑顺序控制。2 DOS配置策略根据工艺过程的特性及控制要求，选择了HEUHOO公司于2003年新推出的EPKS系统，该产品在石化领域 的控制技术更趋完善，使得整个项目的运作开发、现
3、场调试安装和投运后的维护都变得相对简单，充分体现了分 散控制、集中管理的工作模式。整个系统分别由1台工程师站、 2台操作站（互为冗余热备）、 3台监视站和2台过 程控制站（互为冗余热备）构成。控制系统总体结构如图2 所示。3 过程控制难点剖析及算法实现3.1 窑炉温度控制窑炉温度控制是熔化池温度控制、工作池温度控制和通道温度控制的统称，其控制效果的好坏直接关系到成 品玻璃液质量的优劣，因此说窑炉温度的稳定极为重要。由于测温电偶与燃烧喷枪喷火口在同一截面上，测温点 与燃烧火头的距离很近，因此通道燃料的改变能迅速引起测温点的温度变化，使得通道温度对象惯性较小，几乎 没有滞后，用单回路控制系统即可。
4、由于在实际生产过程中需要加工不同规格的产品，此时相应的工艺要求也随之改变，因此需要在上位机不 断更改温度的设定值。在这种情况下，以往的控制系统对设定值如此频繁变化的场合就显得调整周期过长，而且 当设定值迅速变化时，在PID算式中会引起控制输出变量过大增长，对系统造成冲击，影响窑炉系统的动态品质。 故这一部分采用了微分先行PID控制器。这样得到如图！所示的窑炉温度单回路控制系统方框图。微分先行PID 与传统PID的主要不同之处是，g1AHU iHFLLE2 （HO k件） FILE3 （I/O 卡杵）以太网HLP4）隔虹玻鞘厂贊理信毬系统伽设定值円控制器 心(1+上p($=_. tT软操Tmf器
5、= V)fO阀卜T玻甬幸沪一图2 20#锥炉DCS系统结构图滤波热电偶峠注：披璃窑炉油濫熔化池、-件池哎通逍3和分图3微分先行P1D算法组成的密炉温度控制回路方框图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
6、饱和现 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|E (k) |增大时，f减小，反之增大。每次采样后用f|E (k) |乘以E (k)，再进行累加，即P (k)为变速积分项的输出值其中f与|E (k)丨的关系如下(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
7、饱和现象，使系统更 趋稳定，改善了调节品质。A-IEtl）l + gA0（累加速度达到最大值1）B C （此时采用变速积分PID调节）设定值液位控制系耦撕示系统结构如图4所不。彩虹换璃厂燃烧蠶鵜玻璃窑炉要求謀魏m一次左右調换在换向期间，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
8、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
9、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开度。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）， 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
10、，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#（） 调节器的自动调节功能。换向扰动抑制算法控制锁定: （信号为I）:换向信号:（1为真）;披控参数设定值注:被控参数分为助燃风流量、天然气流量和窑内压力3种情况换向期间选择器输出：0P=0P2非换向期间选择器输出：0P= 0P13.4换向过程逻辑顺序控制每隔2030mi n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：关左天然气一开 左冷却风一关左助燃风一开右助燃风一烟道闸板换向一关右冷却风一开右天然气。这
11、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。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。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。
玻璃窑炉过程控制系统设计及实现课程设计
