超薄浮法熔窯在線油改氣工程控制系統(tǒng)的提升改造

湯曉旭 吳驚濤

洛玻集團(tuán)洛陽龍海電子玻璃有限公司（471943）

超薄浮法熔窯在線油改氣工程控制系統(tǒng)的提升改造

湯曉旭 吳驚濤

洛玻集團(tuán)洛陽龍海電子玻璃有限公司（471943）

超薄浮法窯油改氣工程是在生產(chǎn)狀態(tài)下進(jìn)行的，控制系統(tǒng)的提升改造是其中的重要環(huán)節(jié)。在實(shí)施過程中，熔窯原有重油的換向系統(tǒng)及燃燒控制系統(tǒng)要保留，同時要新增燃?xì)鈸Q向及燃燒控制系統(tǒng)。需要對熔窯換向等電氣、控制系統(tǒng)提升改造及DCS系統(tǒng)進(jìn)行重新編程，更新硬件，并進(jìn)行各子系統(tǒng)的調(diào)試、整套系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)調(diào)試，完成新舊兩套系統(tǒng)的對接、整合，并將原用于重油燃燒引進(jìn)國外的ESⅢ專家系統(tǒng)通過自主研發(fā)改造使之適用于天然氣的燃燒，取得了預(yù)期效果。

超薄浮法窯;油改氣;控制系統(tǒng);提升;改造

0 引言

當(dāng)前，作為玻璃工業(yè)燃料用的重油價格居高不下，同時隨著國內(nèi)煉油工業(yè)技術(shù)水平的提高，適合于電子工業(yè)玻璃熔爐使用的優(yōu)質(zhì)重油品質(zhì)越來越難以得到充分保證。由于電子工業(yè)用超薄浮法玻璃附加值高,燃料質(zhì)量好壞直接影響企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益。我公司在熔窯運(yùn)行將近7年時，順利完成了清潔燃料管道天然替代重油的改造，其中控制系統(tǒng)的提升改造在油改氣工程是一個非常重要的環(huán)節(jié)。

1 油改氣工程中控制系統(tǒng)提升改造的主要內(nèi)容

本次改造是在不停產(chǎn)的狀態(tài)下進(jìn)行的，熔窯原有重油的換向系統(tǒng)及燃燒控制系統(tǒng)要保留，同時要新增燃?xì)鈸Q向及燃燒控制系統(tǒng)。也就是說，天然氣與重油換向同步，天然氣控制與重油控制同時都在正常運(yùn)行中，以確保一旦出問題可以從容地進(jìn)行重油替代天然氣，維持生產(chǎn)的正常進(jìn)行。這中間存在一個對接過程，此對接過程不能對生產(chǎn)造成不利影響。

需要對熔窯換向等電氣、控制系統(tǒng)提升改造及DCS進(jìn)行重新編程、調(diào)試，主要涉及新增控制模塊、天然氣參數(shù)的監(jiān)控、調(diào)節(jié)。

原用于重油燃燒引進(jìn)國外的ESⅢ專家系統(tǒng)通過自主研發(fā)改造使之適用于天然氣的燃燒。ESⅢ專家系統(tǒng)的控制參數(shù)是在當(dāng)初購進(jìn)該系統(tǒng)時外國專家現(xiàn)場測試并調(diào)試的，我們根據(jù)幾年來的使用經(jīng)驗(yàn)，在深入理解其控制理念的基礎(chǔ)上，改氣后經(jīng)過一段時間的摸索，修改了其內(nèi)部控制參數(shù)，使這一系統(tǒng)成功的應(yīng)用于燃?xì)獾目刂粕稀?/p>

2 熔窯原有控制系統(tǒng)簡介

原有的控制系統(tǒng)采用的是Siemens公司DCS系統(tǒng)PCS7，投產(chǎn)后又新增了一套引進(jìn)國外的ESⅢ專家系統(tǒng)。

2.1 DCS系統(tǒng)的構(gòu)成

DCS系統(tǒng)的構(gòu)成是:工程師站、操作員站(OS)、網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場控制站。在我公司熱端DCS控制系統(tǒng)中，按照工藝的劃分，我們把OS大致分為三個對應(yīng)工段：熔窯、錫槽、退火窯，每個OS各監(jiān)控一個工段，同時與其他兩個OS互為備用。對于操作員來說，通常所能看到和操作的是OS上的工藝狀況畫面和各種實(shí)時的數(shù)據(jù)，只有具有工程師權(quán)限的人員才具有查看和修改組態(tài)過的控制策略、工藝狀況畫面和網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時監(jiān)測等功能。

原有DCS系統(tǒng)大致有21幅畫面，分為熔窯、錫槽、退火窯三個部分。其中熔窯部分的畫面有助燃風(fēng)、窯壓液位、窯底煙道、碹頂溫度、重油流量、熱負(fù)荷分配、水溫、換向、風(fēng)機(jī)、電流監(jiān)控、熔窯參數(shù)表等；錫槽部分的畫面有錫槽壓力、氮?dú)浔O(jiān)控、電加熱、錫液溫度監(jiān)控、槽底監(jiān)控、電流監(jiān)控、錫槽參數(shù)表等；退火窯部分的畫面有風(fēng)機(jī)，A、B、C區(qū)溫度監(jiān)控，紅外監(jiān)控，退火總圖等。

2.2 系統(tǒng)硬件介紹

此控制系統(tǒng)中OS為一個層次，網(wǎng)絡(luò)為一個層次，控制站為一個層次。在OS站上安裝有WindowsXP操作系統(tǒng)、PCS7軟件和經(jīng)過二次開發(fā)的軟件，通過PCS7軟件，可以對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)、控制站進(jìn)行組態(tài)、設(shè)置、調(diào)試和診斷，通過OS可以模擬顯示生產(chǎn)工藝狀況，并由操作員輸入控制參數(shù)或命令，對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。網(wǎng)絡(luò)層采用Siemens工業(yè)用100M交換機(jī)，交換機(jī)之間通過光纖連為環(huán)網(wǎng)，當(dāng)一個方向的通訊線纜出現(xiàn)故障時，通訊還可以從另一個方向進(jìn)行，從而保證了通訊的高速和可靠性。ES、OS和控制站等設(shè)備上面都安裝有網(wǎng)卡，它們可通過交換機(jī)進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)交換?？刂普静捎脙商仔阅芰己玫腁S414H控制系統(tǒng)，每套的CPU、電源和通訊都是冗余的，既保證了控制的安全性、可靠性，又保證了控制反映速度。每套AS414H上面配置有不同數(shù)量的ET200M子站，它們與控制系統(tǒng)通過Profibus總線連接起來，在各個ET200M子站上插有冗余的通訊板卡和各種I/O模板。I/O模板與現(xiàn)場設(shè)備如壓力變送器、溫度變送器、流量變送器等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，達(dá)到采集數(shù)據(jù)和控制執(zhí)行設(shè)備的功能。

2.3 系統(tǒng)組態(tài)分為硬件和軟件兩個方面

硬件組態(tài)是一種圖形化的組態(tài)方式，對某一過程站而言，實(shí)際帶有若干ET200遠(yuǎn)程I/O，在組態(tài)畫面中，只要在該過程站后的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)線上拖放幾個IM153模塊就形成幾個ET200遠(yuǎn)程I/O接點(diǎn)。硬件組態(tài)中的所有模塊，都可以從PCS7提供的元件庫中找到相應(yīng)型號、定貨號的模塊，只要將其拖放至與實(shí)際安裝相對應(yīng)的位置即可。硬件組態(tài)配置完成后，下載到相應(yīng)的過程控制站。這樣就使得實(shí)際硬件安裝模件和硬件組態(tài)相一致，I/O模塊上的每一點(diǎn)的地址就得以確定。

軟件的通常組態(tài)簡單明了，采用圖形畫的編輯界面，PCS7將許多邏輯、運(yùn)算功能形成了功能塊,在進(jìn)行程序組態(tài)時，如需用到某種邏輯、運(yùn)算功能，就可在PCS7的功能塊庫中找到與之相應(yīng)的功能塊，將其直接拖放至CFC組態(tài)畫面即可，各個功能塊的參數(shù)通過大量的管腳來表示，并且可以通過連線來表明功能塊之間數(shù)據(jù)的傳遞方向和相互關(guān)系，從而生成相應(yīng)的控制策略。用戶還可利用PCS7提供的一種類似PASICAL語言的SCL程序結(jié)構(gòu)化控制語言自定義特殊功能塊，并存在功能塊庫中，隨意調(diào)用。

在工程師站上完成所有程序組態(tài)，編譯無誤后，將程序下載至過程控制器，這樣過程控制器中就有了經(jīng)過編譯后的用戶程序；再將含有用戶程序的用戶項(xiàng)目傳送到操作站,用戶程序就傳給了WINCC人機(jī)界面，在程序組態(tài)時，已被定義具有了WINCC屬性的各模塊的標(biāo)簽值就能在WINCC中被找到，再通過WINCC畫面組態(tài)，就可完成人機(jī)對話、參數(shù)的畫面顯示等，從而完成PCS7和WINCC（內(nèi)核與顯示）的結(jié)合。WINCC功能十分強(qiáng)大，而使用起來又非常方便，在編制各種畫面、報警歸檔等功能時，都可應(yīng)用其標(biāo)準(zhǔn)的功能來完成。

2.4 ESⅢ專家系統(tǒng)簡介

眾所周知，玻璃熔窯是大慣量、純滯后和多分布參數(shù)的非線性控制系統(tǒng)，很難實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)的精確控制。當(dāng)前，國內(nèi)浮法線熔窯各參數(shù)一般采用單回路的PID控制，也曾先后引進(jìn)后BTR熔窯控制系統(tǒng)（加權(quán)數(shù)值平均）和λ控制系統(tǒng)（以廢氣中的含氧量來作為調(diào)整依據(jù)），但實(shí)際應(yīng)用效果都不理想。ESⅢ作為先進(jìn)熔窯控制系統(tǒng)，采用了多變量預(yù)估控制器內(nèi)帶有優(yōu)化器的MPC（Multivariable Predictive Control）和IRC（中間控制）。利用CFD（計算流體動力學(xué)模型）與先進(jìn)的控制系統(tǒng)相結(jié)合，來解決玻璃熔窯復(fù)雜的工況控制，在提出的裝置修改以后，CFD模型能夠發(fā)現(xiàn)替在的生產(chǎn)問題，并且能夠預(yù)測工藝過程。它能根據(jù)熱工計算的結(jié)果，找出熔窯多個碹頂溫度控制點(diǎn)之間，以及他們與熱點(diǎn)溫度之間的相互關(guān)系；窯內(nèi)玻璃液流變化所引起的碹頂溫度變化與熔窯池底溫度變化的關(guān)系；拉引量、投料機(jī)變頻系數(shù)、玻璃液面之間的關(guān)系；冷卻部窯壓、拉引量、玻璃液面、冷卻部微調(diào)風(fēng)之間的相互關(guān)系，運(yùn)用自身強(qiáng)大的功能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對熔窯工況作出判斷、調(diào)整。

在ESⅢ先進(jìn)控制中最有代表性的技術(shù)是“多變量預(yù)估控制”，它與常規(guī)控制不同之處在于:首先它是對被控對象進(jìn)行多變量控制，而不是像PID那樣的單回路控制,并且被控對象從傳統(tǒng)上的玻璃液面、溫度等參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)和設(shè)備負(fù)荷，從而大大提高了整個控制系統(tǒng)的平穩(wěn)性，為浮法成型的卡邊操作創(chuàng)造了良好條件；其次，對于過程復(fù)雜的系統(tǒng)，要想建立精確的數(shù)學(xué)模型是非常困難的，而應(yīng)用預(yù)估控制技術(shù)則降低了對數(shù)學(xué)模型精度的要求。

2.5 DCS與ESⅢ的對比

DCS控制是采用單個PID回路控制，每個獨(dú)立的PID回路自成一體，某個PID回路的輸出會影響到其他的PID回路的輸入，根據(jù)之前的誤差反饋來調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)，但是當(dāng)誤差出現(xiàn)之時，所進(jìn)行的調(diào)節(jié)已不能控制當(dāng)前之變化趨勢，使得被控對象狀態(tài)不穩(wěn)定。PID回路不能預(yù)測工藝過程的狀態(tài)，由于在DCS控制系統(tǒng)中在各個控制回路之間沒有內(nèi)在的輸入輸出聯(lián)系，而玻璃熔窯的各參數(shù)之間卻具有一定程度上的相關(guān)性，DCS控制系統(tǒng)缺乏一個對參數(shù)變化趨勢的預(yù)測與研判，具有一定程度的滯后性,雖然當(dāng)前DCS廣泛應(yīng)用于玻璃熔窯的控制中，但其工藝參數(shù)穩(wěn)定程度對于生產(chǎn)高質(zhì)量電子工業(yè)用基板的超薄浮法線不是十分理想。

ESⅢ先進(jìn)熔化控制系統(tǒng)（簡稱專家系統(tǒng)），該系統(tǒng)采用了先進(jìn)的CFD（計算流體動力學(xué)），但ES專家系統(tǒng)中的MPC能夠計算出未來的工藝過程的狀態(tài)，可以將碹頂溫度控制點(diǎn)、各小爐助燃風(fēng)支風(fēng)、玻璃液面、流道溫度幾個重要控制性參數(shù)同時控制調(diào)整。ESⅢ系統(tǒng)采用的是多點(diǎn)預(yù)估控制技術(shù)，所有與過程相關(guān)的輸入輸出數(shù)據(jù)、過程擾動同步進(jìn)行連續(xù)辯別、考慮并進(jìn)行處理，做出相應(yīng)調(diào)整，減少了因人為因素導(dǎo)致的對參數(shù)變化趨勢判斷的不準(zhǔn)確與連續(xù)性，持續(xù)有效地對玻璃熔窯工況參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控調(diào)整。在生產(chǎn)運(yùn)行中，當(dāng)根據(jù)工藝需要設(shè)定好溫度控制指標(biāo)后，熔窯被要求控制的多個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)溫度會根據(jù)設(shè)定指標(biāo)自動調(diào)節(jié)控制，熱負(fù)荷由該系統(tǒng)自動進(jìn)行分配調(diào)整，總?cè)剂嫌昧坑稍撓到y(tǒng)自行增加或減少。ESⅢ在原理上優(yōu)于DCS控制中使用的PID參數(shù)調(diào)節(jié)控制，同時實(shí)際生產(chǎn)中也證明了ESⅢ對熔化工況的控制優(yōu)于單純使用DCS的效果，使得各受控重要參數(shù)更加精確穩(wěn)定，保證了熔化工序的穩(wěn)定。

3 油改氣工程中的控制系統(tǒng)提升改造具體內(nèi)容

3.1 新上燃?xì)鈸Q向室一座

天然氣換向的實(shí)現(xiàn)，在新增燃?xì)鈸Q向室內(nèi)有天然氣換向控制盤，南北換向各有兩個裝有防爆線圈的二位四通電磁閥（一用一備）給出換向信號，該換向信號驅(qū)動裝在各小爐南北支管上的雙作用氣動切斷閥實(shí)現(xiàn)各小爐的天然氣換向。燃?xì)鈸Q向室內(nèi)所有電信號線路露出穿線管部分均加裝有防爆保護(hù)套。另外換向室內(nèi)還設(shè)有燃?xì)庑孤秷缶?，并在?cè)窗頂部安裝有兩臺防爆軸流風(fēng)機(jī)。所有新增控制線路均提前敷設(shè)到工程師站控制柜前，并做好標(biāo)記。換向控制系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)天然氣的換向需要進(jìn)行改造。原有換向系統(tǒng)是針對燃油的，因新上天然氣系統(tǒng)與原燃油系統(tǒng)同時并存，必然需要增加一套換向系統(tǒng)。原有的換向程序是（以北換南為例）:預(yù)鈴→開回油→開北吹掃→關(guān)北側(cè)油→關(guān)北側(cè)霧化氣→廢氣和助燃風(fēng)換向→開南側(cè)霧化氣→關(guān)北吹掃→開南油→關(guān)回油。根據(jù)工程總體安排，這套換向系統(tǒng)預(yù)以保留。

新增的燃?xì)庀到y(tǒng)中總管道上有一安全切斷閥，該安全切斷閥的作用是當(dāng)熔窯燃燒系統(tǒng)出現(xiàn)問題用于緊急切斷的，如當(dāng)發(fā)生突然停助燃風(fēng)時，就需要把總管的天然氣供應(yīng)緊急切斷，安全切斷閥的控制信號不與計算機(jī)相連，在中控室換火控制柜上與快速回油共用一個開關(guān)，當(dāng)出現(xiàn)問題需要切斷天然氣時，在換火控制柜上手動將安全切斷閥關(guān)閉。燃?xì)庀到y(tǒng)中的噴槍保護(hù)氣換向與重油系統(tǒng)中的霧化氣換向共用一路信號，每對小爐的天然氣換向采用的是雙作用氣動切斷閥（分南北管路）讓燃?xì)鈸Q向與重油換向共用一路信號，從而達(dá)到節(jié)約費(fèi)用的目的。

天然氣換向程序?yàn)椋ㄒ员睋Q南為例）：預(yù)鈴→關(guān)北天然氣→關(guān)北側(cè)霧化氣→廢氣和助燃風(fēng)換向→開南側(cè)霧化氣→開南天然氣。此處沿用了燃重油時的叫法，霧化氣參與燃燒同時兼有噴槍保護(hù)氣的作用。

3.2 新增的燃天然氣系統(tǒng)裝置控制

新增的燃天然氣系統(tǒng)中，在總管路上安裝有壓力自動調(diào)節(jié)閥，且每個小爐均安裝了壓力測量和流量自動控制裝置。原有的DCS系統(tǒng)中沒有南北總氣量設(shè)定、總管壓力調(diào)節(jié)、各小爐分支天然氣壓力監(jiān)控與流量調(diào)節(jié)等重要控制參數(shù)，故需要新增燃天然氣控制畫面，導(dǎo)致原有工程師站的信道不夠用，因此需要增加新模塊，從而增加信道。所以需要對DCS進(jìn)行重新組態(tài)編程，以增加新控制畫面。

為使新增控制畫面能夠投入到生產(chǎn)中使用以及新增模塊的安裝，我們根據(jù)生產(chǎn)作業(yè)計劃，安排專門的時間段來進(jìn)行此頂工作。在此期間，熔窯所有原來使用DCS、ESⅢ控制的內(nèi)容，如各小爐支油、支風(fēng)、液面、流道溫度包括換向系統(tǒng)，全部由自動狀態(tài)退出到全手動、定位狀態(tài)以保證模塊安裝，新增線路接進(jìn)DCS系統(tǒng)控制柜中，進(jìn)而對所有新增線路、控制單元進(jìn)行全面的檢查、調(diào)試，保證信號反映正確，控制調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行正確，使得控制系統(tǒng)的安裝調(diào)試在總體置換計劃開始前全部完成。

3.3 油改氣工程置換過程的控制系統(tǒng)運(yùn)行

置換過程中,換向與檢測隨轉(zhuǎn)換過程同步啟用，流量、壓力調(diào)節(jié)本著先手動，再自動的原則依次進(jìn)行，最后再將ESⅢ投入使用。原ESⅢ的參數(shù)是針對燒重油的而且是在當(dāng)初購進(jìn)時由老外安裝調(diào)試的，能不能應(yīng)用到燃天然氣我們一直都很擔(dān)心,改氣后，我們根據(jù)多年來的ESⅢ使用經(jīng)驗(yàn)，在深入理解其控制理念的基礎(chǔ)上,改氣后經(jīng)過一段時間的摸索，修改了其內(nèi)部控制參數(shù)，使這一系統(tǒng)成功的應(yīng)用于燃?xì)獾目刂粕?。新增的各小爐天然氣分支流量計采用的是渦街流量計，它的計量與燃?xì)獾膲毫Υ笮∮嘘P(guān)系，我們及時修正了燃?xì)鈮毫Α?/p>

4 結(jié)語

本公司超薄浮法窯爐在生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)中成功地實(shí)施了油改氣工程，并對熔窯的控制系統(tǒng)進(jìn)行了在線提升改造，通過完善設(shè)計方案，精心編組態(tài)程序，施工中精益求精，圓滿完成了新增控制系統(tǒng)線路的敷設(shè)，新舊控制系統(tǒng)的對接、整合，使得燃油與燃?xì)饪刂葡到y(tǒng)能夠同時由DCS上控制，并將原有的應(yīng)用于重油燃燒引進(jìn)國外的ESⅢ專家系統(tǒng)通過自主研發(fā)改造使之適用于天然氣的燃燒控制，取得了預(yù)期效果，為公司降低燃料成本和生產(chǎn)安全、穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造了良好條件。

[1]劉志剛,趙玉軍,劉海濱,王劍,吳驚濤,孫煒正,王珂,璩建光.管道天然氣在線替代重油在超薄浮法窯上的應(yīng)用[J].中國建材科技,2013(8):33-35.

[2]倪植森,汪俊濤,劉志剛,王劍,徐建安.ESⅢ專家系統(tǒng)在超薄浮法玻璃熔窯上的應(yīng)用[J].玻璃,2009(1):37-40.

[3]張宇干,曹華,薛之光,謝軍.多變量預(yù)估控制在浮法玻璃熔窯運(yùn)行中的應(yīng)用研究[J].建材世界,2009(2):104-108.

[4]單杰編譯.先進(jìn)的玻璃熔窯控制[J].建材世界,2009(4):18-19.

[5]程宗慧.DCS系統(tǒng)在國際先進(jìn)浮法玻璃生產(chǎn)線中的應(yīng)用[J].機(jī)電工程技術(shù),2009(5):72-76.