1、    璃窯爐過程控制系統設計及實現日期: 2009-8-15 19:38:48瀏覽: 8來源: 學海網收集整理作者: 佚名摘要：在分析了玻璃窯爐動態特性的基礎上，給出了DCS配置策略，同時結合實際過程控制中所遇到的關鍵問題，特別是在玻璃窯爐液位調節和窯爐換向 燃燒等方面詳細介紹了控制方案的實現。 關鍵詞：玻璃窯爐；DCS；EPKS；控制算法 The design and realization of a process control system for a gl ass furnace LIANG Enquan,JU Lincang,YANG Qi

2、ngyu,OU Wei (Xian Jiaotong University,Shaanxi Xian 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 reve

3、rse control in the furnace,the paper describes the ap proach to the control realization. Key words：glass furnace;DCS;EPKS;control algorithm 0引言 玻璃窯爐作為玻璃工業主要的熱工設備，是一個多變量、多回路 、高階、時 變的非線性系統，許多參數之間相互關聯、相互耦合。而對于換向玻璃窯爐(每隔一定時 間進行左右燃燒的切換)來說，除具有以上特點外，在換向期間，由于燃料和助燃風的突然 關閉和開啟，窯爐內溫度大幅度下降、窯壓大幅度波動以及由此引起的玻璃液位波動等問題

4、 ，大大地破壞了窯內的熱工平衡。所有這些對象特性都大大增加了對玻璃窯爐自動控制的難 度。 1工藝過程及控制要求 某廠200 t容量玻璃窯爐的爐體結構如圖1所示。 從投料到原料在窯爐內熔化、澄清、均化和冷卻，經過一系列的 物理、化學和物理化學反應，最終形成均勻、無氣泡、符合成型溫度要求的熔融玻璃液( 從通道流出 后用以壓制電視機熒屏的后部錐體)，是一個復雜的工藝過程。 整個過程要求玻璃液的溫度、液位必須滿足工藝要求，以保證產品質量。主要控制內容包括 熔化池及工作池的溫度、助燃風流量、天然氣流量、玻璃液位、窯爐壓力的自動調節以及通 道溫度的自動調節、燃燒系統的定時交換控制等。整個被控對象共有552

5、個檢測和控制點， 需要52個模擬量調節回路及較多邏輯順序控制。 2DCS配置策略 根據工藝過程的特性及控制要求，選擇了Honeywell公司于2003年新推出的EP KS(Experion Process Knowledge System )系統，該產品在石化領域的控制技術更趨完善，使得整個項目的運作開發、現場調試安裝 和投運后的維護都變得相對簡單，充分體現了分散控制、集中管理的工作模式。 整個系統分別由1臺工程師站、2臺操作站(互為冗余熱備)、3臺監視站和2臺過程控制站(互為冗余熱備)構成。控制系統總體結構如圖2所示。 3過程控制難點剖析及算法實現 3.1窯爐溫度控制 窯爐溫度控制是熔化池溫

6、度控制、工作池溫度控制和通道溫度控制 的統稱，其控制效果的好壞直 接關系到成品玻璃 液質量的優劣，因此說窯爐溫度的穩定極為重要。由于測溫電偶與燃燒噴槍噴火口在同一截 面上，測溫點與燃燒火頭的距離很近，因此通道燃料的改變能迅速引起測溫點的溫度變化，使得通道溫度對象慣性較小，幾乎沒有滯后，用單回路控制系統即可。 由于在實際生產過程中需要加工不同規格的產品，此時相應的工藝要求也隨之改變，因此需 要在上位機不斷更改溫度的設定值。在這種情況下，以往的控制系統對設定值如此頻繁變化 的場合就顯得調整周期過長，而且當設定值迅速變化時，在PID算式中會引起控制輸出變量 過大增長，對系統造成沖擊，影響窯爐系統的動

7、態品質。故這一部分采用了微分先行PID控 制器。這樣得到如圖3所示的窯爐溫度單回路控制系統方框圖。 微分先行PID與傳統PID的主要不同之處是，只對被調量進行微分處理，而不對控制偏差進行 微分，可以克服設定值突變引起系統輸出大幅度變化，從而對整個系統的穩定性和快速性有利。 3.2玻璃液位控制 因為經投料機投入的玻璃原料在熔化池內要經過充分的熔化、反應等過程才進入工 作池這個過程需要很長時間，加之通道末端每次提供給壓機的料滴是定量的，并不隨投料量 的多少及玻璃液位的高低而改變，所以說玻璃液位系統具有大慣性、滯后以及無自平衡能力 等特點。這也致使在利用常規PID調節時，容易出現積分飽和現象，引起系

8、統超調甚至振蕩 。為了克服這一控制難題，在控制方案設計上引入了變速積分PID算法。 變速積分PID算法的設計思想就是根據系統偏差大小改變積分的速度，使其與偏 差大小相對 應。當偏差較大時，使積分累加速度減慢，反之則使積分累加速度加快。為此，設置一系數fE(k)，它是偏差E(k)的函數，當E(k)增大時，f減小，反之增大。每次采樣后用fE(k)乘以E(k)，再進行累加，即 其中f與E(k)的關系如下(A、B為根據實際生產過程確定的兩個參數) 就實現了用比例作用消除較大的液位偏差，用積分作用消除較小的液位偏差，從而完全消除 積分飽和現象，使系統更趨穩定，改善了調節品質。 另外，液位控制系統并不要求

9、液位完全沒有余差，而要求被控量在允許的誤差范圍內變化， 為此采用帶有死區的PID控制算法，以消除由于頻繁動作引起的振蕩。設死區寬度為C C，則當偏差在所設死區范圍內時，調節器不作任何調整，此時的控制算式如下： 液位控制系統結構如圖4所示。 3.3換向期間燃燒系統控制 彩虹玻璃廠20錐爐作為換向玻璃窯爐要求每2030 min進行一次左右燃燒切 換，在換向期間，由于燃料切斷后，窯內溫度和窯壓大幅度下降，煙道抽力如果不相對減少 ，將進一步打破窯內的熱平衡，而減少煙道抽力后，如果不相應改變助燃風流量，又將引起 窯壓的波動，進而引起液面波動；換向結束后，由于窯內溫度下降較多，需大量增加燃料量 ，以維持工

10、藝要求的熔化溫度，由于溫度過程的反映滯 后和熱容慣性，從而易帶來窯內溫度和窯壓的再次波動；同時，窯內工況的 大幅度變化，又不能給換向結束后的穩定控制創造良好的條件，也不利于熔窯的經濟性燃燒。 針對被控對象的上述特性，綜合考慮換向過程中的擾動因素，在此采用了協調控制策略， 并根據現場實驗所測數據提出了換向擾動抑制算法。其主要思想是對換向預備、換向開始、 換向期間、換向結束及換向結束后整個過程中，天然氣、助燃風和煙道抽力等關系到穩定熔 窯熱工制度的因素，進行協調控制，并給出一系列調節閥位相應動作曲線，以配合換向過程 的進行。換向擾動抑制算法在換向期間協調助燃風、天然氣和爐壓調節器的輸出值，控制3

11、者的調節器輸出改變的時序和改變的幅度。也就是以非換向時間穩定燃燒時調節器的輸出為 基礎，在換向期間將以上3個調節器的輸出分別乘以一個適當的系數(稱為控制系數，以 表示)，作為新的調節器的輸出值，后通過軟手操輸出來控制現場調節閥位開度。通過一 系列嚴格的時間位置變化動作，保證換向期間窯內工況盡可能穩定。 按圖5所示控制框圖進行換向擾動抑制控制系統的現場投運，在非換向期間，選擇器輸出O POP1，也即PID調節器的計算輸出；在換向剛剛開始瞬間，先由換向信號上升沿( 由0到1跳變過程)觸發寄存器保存PID調節器當前的輸出值OP1，此時乘法器的輸出OP2a* OP1；當換向信號到來后(信號已完成跳變，

12、為高電平信號1)，此時PID調節器被鎖 定，同時該換向信號作用于選擇器，使其輸出OPOP2，保證各閥門開度按照一定 的曲線變化，如加大燃料量，從而減小了換向過程對窯內溫度和壓力的沖擊，從根本上保證 了自動控制的精度和穩定性；當換向結束后(此時換向信號為低電平0)，按照一定的解鎖順 序解鎖，恢復PID調節器的自動調節功能。 3.4換向過程邏輯順序控制 每隔2030 min要進行一次左右燃燒切換，其工作過程(以左燃燒切換為右燃燒為 例)為：關左天然氣開左冷卻風關左助燃風開右助燃風煙道閘板換向關右冷卻風 開右天然氣。這一過程要求每一步控制動作必須正確執行，若前一步未能執行則后一步動 作就不準執行，否則將嚴重影響生產的安全性。 為此，軟件設置了狀態信息反饋程序，如圖6所示。即在換向順訊控制上，在通過DO通道送出控制信號后，接下來不是立即執行下一步控制動作，而是通過DI通道采集被控對象的狀態，以確認相應閥門機構確實到達指定位置，否則下一步控制動作不予執行。由于閥門的開(或關)這一機械動作需要時間，加之閥門在打開或關閉瞬間容易引入電磁干擾，此時采集的電信號會出現振蕩，從而可能會對DCS系統造成強脈沖沖擊，因此在中間加入延時操作，等開關量設備狀態穩定后再檢測。 4結語 以玻璃窯爐為研究對象，詳細討論了DCS配置策略，同時結合實際過程控制中所遇到的關鍵問題，在分析各自被控對象特性的